林窗干擾對沙地樟子松人工林更新特征的影響1)

孫雙紅 朱賓賓 景璐 常金財

(呼倫貝爾市林業(yè)和草原科學研究所，呼倫貝爾,021000)(呼倫貝爾市林業(yè)和草原事業(yè)發(fā)展中心)(呼倫貝爾市林業(yè)和草原科學研究所)

胡磊 宋來萍 常青 孫玉芬

(呼倫貝爾市巴林林業(yè)局)(呼倫貝爾市林業(yè)和草原科學研究所)(呼倫貝爾市林業(yè)和草原局綜合保障中心)(呼倫貝爾市林業(yè)和草原科學研究所)

林窗，通常是指因老齡樹死亡或因偶然性因素導致成熟階段優(yōu)勢樹種死亡后，森林冠層空間在地面的垂直投影區(qū)域，又稱林隙或林冠空隙[1-2]。林窗大小是林窗的基本特征之一，影響林窗內(nèi)溫度、濕度、光照等微環(huán)境，進而影響林窗內(nèi)生物多樣性及物種更新[3]。目前，國內(nèi)專家學者對林窗特征做了大量研究，探討了林窗的數(shù)量與密度、形狀與大小結(jié)構(gòu)、形成方式與時間、形成木種類與特征等[4-5]，研究范圍涉及東北的闊葉紅松林[6]、暗針葉林[7]、亞熱帶常綠闊葉林[8]、熱帶山地雨林[9]等森林類型。Collins et al.[10]、Meer et al.[11]對林窗的形成及林窗微環(huán)境對樹種更新狀況進行了研究。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林窗作為森林更新循環(huán)過程中的重要階段，也是森林內(nèi)的一種干擾方式[12]。近年來，在森林動態(tài)學中的研究表明，林窗在森林結(jié)構(gòu)及多樣性維持方面有著極其重要的作用，成為了當前森林生態(tài)學研究領(lǐng)域的熱門話題之一[13-14]。20世紀90年代以來，呼倫貝爾地區(qū)大面積的沙地樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica)人工林出現(xiàn)自然更新困難、物種多樣性銳減、生態(tài)功能下降、地力衰退等不同的衰退問題，并且目前沙地樟子松人工林仍在北方干旱、半干旱地區(qū)大面積推廣，但有關(guān)沙地樟子松人工林林窗更新、林窗干擾特征等還缺乏深入的研究。為此，本研究以沙地樟子松人工林為研究對象，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法研究林木更新與環(huán)境因子的關(guān)系，并探討沙地樟子松人工林受林窗大小干擾時，苗木更新、生長及分布狀況，以期為沙地樟子松人工林的合理經(jīng)營及管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

本研究選取的研究區(qū)位于呼倫貝爾紅花爾基鎮(zhèn)樟子松林自然保護區(qū)、伊敏鎮(zhèn)的護林站。紅花爾基鎮(zhèn)樟子松林自然保護區(qū)位于大興安嶺南段西坡、呼倫貝爾沙地東南部(118°55′5″～120°32′25″E，47°36′57″～48°35′32″N)。該區(qū)森林茂密、物種豐富，形成了特殊的沙地樟子松群落及生態(tài)系統(tǒng)，是我國北方重要的生態(tài)屏障[15]。該區(qū)氣候為中溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度1.1 ℃，年降水量為344～375 mm，主要集中在7、8月份，無霜期90 d左右，日照時間2 800 h。土壤為發(fā)育在砂質(zhì)母質(zhì)上的松林沙土，養(yǎng)分較低。

伊敏鎮(zhèn)的護林站位于大興安嶺西側(cè)、呼倫貝爾大草原東南部，氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂?，其特點是季風多而較大，冬季嚴寒而漫長，夏季短暫。多年平均氣溫-0.1 ℃，年平均生長期85 d，年平均無霜期90 d，年均降水量315.7 mm，降雨集中在每年7—9月，8月最多。土壤為發(fā)育在砂質(zhì)母質(zhì)上的松林沙土。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查方法

在全面了解沙地樟子松人工林的基礎(chǔ)上，于2020年7、8、9、11月對樣地進行調(diào)查。在施業(yè)區(qū)內(nèi)選取大小不同的林窗20個，同時將林窗劃分為4個面積等級(Ⅰ號林窗面積S≤50 m2，Ⅱ號林窗面積50 m2100 m2)。每個等級內(nèi)選擇5個林窗，作為5個重復(fù)，林窗附近設(shè)置相應(yīng)面積林內(nèi)對照20個。在每個林窗及林分內(nèi)做更新調(diào)查，逐個記錄樟子松幼苗及幼樹的數(shù)量、高度、冠幅、年齡(枝輪數(shù))。該試驗區(qū)林窗主要形成方式為枯立木、人工砍伐、折枝等。試驗樣地基本屬性如表1所示。

表1 林窗基本信息

2.2 林窗面積計算方法

林窗的面積利用全站儀在林窗邊緣木林冠邊緣打點，通過CAD軟件計算。

林窗開敞度公式：

K=D/H，

式中：K為林窗開敞度；A為林窗面積；D為林窗平均直徑；H為林窗邊界木平均高[16]。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)分析時，將更新數(shù)量和環(huán)境因子看為1個整體，研究沙地樟子松人工林更新狀況與各影響因子相關(guān)性。因子變量包括更新數(shù)量(x0)、林窗面積(x1)、開敞度(x2)、枯落物厚度(x3)。

原始數(shù)據(jù)變準化[17]：

(1)關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：ξi(k)為x0與xi在k點上的關(guān)聯(lián)系數(shù)；|x0(k)-xi(k)|表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在k點上的絕對差；minimink|x0(k)-xi(k)|為x0與xi在2,…,n上的最小絕對值，也稱為二級最小差；maximaxk|x0(k)-xi(k)|為二級最大差；ρ為分辨系數(shù)，其取值在0～1，一般ρ=0.5。

(2)關(guān)聯(lián)度計算公式

式中：Ri為關(guān)聯(lián)度，i=0,1,…,20；ξi(k)為x0與xi在k點上的關(guān)聯(lián)系數(shù)；n為標準地個數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel2007、SPSS19.0、CAD軟件進行分析統(tǒng)計。

3 結(jié)果與分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

將林窗面積、枯落物厚度、林窗開敞度的關(guān)聯(lián)度與參考數(shù)列進行對比，依據(jù)關(guān)聯(lián)度小則關(guān)系疏遠，關(guān)聯(lián)度大則關(guān)系密切的原則[18]，比較林窗下環(huán)境因子對沙地樟子松幼苗更新的影響。由表2可知，影響林窗更新效果的不同環(huán)境因子關(guān)聯(lián)度排序由大到小依次為林窗面積、林窗開敞度、枯落物厚度?？梢姡绊懮车卣磷铀闪执案碌闹饕h(huán)境因子是林窗面積。

表2 各環(huán)境因子關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

3.2 林窗大小對沙地樟子松幼苗更新密度的影響

不同林窗面積下，沙地樟子松幼苗更新密度存在一定差異。從表3可以看出，沙地樟子松幼苗更新密度在Ⅱ號林窗達到最大，為145株·m-2，Ⅰ號林窗更新密度最小，為19株·m-2，Ⅲ號林窗、Ⅳ號林窗更新密度分別為64、31株·m-2，林內(nèi)對照更新密度為60株·m-2。總體上沙地樟子松幼苗更新密度由大到小依次為Ⅱ號林窗、Ⅲ號林窗、林內(nèi)、Ⅳ號林窗、Ⅰ號林窗。林窗面積不同，沙地樟子松幼苗更新密度不同，可能與林窗特征(形成方式、邊緣木高度、年齡、形狀等)以及林窗立地條件(坡度、坡向、微環(huán)境、凋落物厚度等)有關(guān)，需進一步研究加以證實。

表3 林窗及林內(nèi)沙地樟子松更新密度

3.3 林窗大小對沙地樟子松幼苗生長狀況的影響

由表4、表5、表6可以看出，林窗大小對沙地樟子松幼苗的生長指標(樹高、冠幅、年齡)有顯著影響，處于不同發(fā)育時期的沙地樟子松更新苗對林窗大小反應(yīng)的趨勢亦不相同。高度不高于10 cm、冠幅不高于10 cm的沙地樟子松幼苗更新密度在Ⅱ號林窗中占比最大，分別為77.93%、78.62%，且該等級在Ⅱ號林窗內(nèi)1年生及2年生更新苗占比亦最大，為77.93%；高度不高于10 cm、冠幅不高于10 cm的沙地樟子松幼苗更新密度在Ⅲ號林窗占比次之，均為78.13%，該等級在Ⅲ號林窗內(nèi)以1年生、2年生更新苗為主，個別更新苗為6～9年生，9～12年生更新苗零星分布。高度在90～110 cm的苗木僅在Ⅲ號林窗內(nèi)少有分布。進而發(fā)現(xiàn)，在林窗中以低矮植株(50 cm以下)為主，占比93.82%；冠幅以10 cm以下為主，占比77.22%；年齡多為1年生及2年生幼苗，3年生及其以上年齡更新苗整體偏少。隨著高度的增加、冠幅增大，更新苗數(shù)量減少。伴隨沙地樟子松幼樹年齡的增加，樟子松單株天然更新苗年齡結(jié)構(gòu)具有明顯斷齡現(xiàn)象。由表4、表5、表6還可以看出，當林窗面積為50 m2

表4 林窗及林內(nèi)樟子松幼苗高度(h)對比

表5 林窗及林內(nèi)樟子松幼苗冠幅(P)對比

表6 林窗及林內(nèi)樟子松幼苗年齡(A)對比

3.4 沙地樟子松更新苗空間分布

以林窗中心為原點，分別向東南西北4個方向延伸畫坐標軸，來表現(xiàn)樟子松更新苗空間分布。由圖1、圖2、圖3、圖4可以看出，Ⅰ號、Ⅲ號、Ⅳ號林窗內(nèi)，樟子松更新苗在東南方向呈現(xiàn)出群聚狀態(tài)，東北、西北、西南方向呈現(xiàn)出隨機生長狀態(tài)；Ⅱ號林窗內(nèi)，樟子松更新苗在東南、西南方向呈現(xiàn)出群聚狀態(tài)，東北、西北方向呈現(xiàn)隨機生長狀態(tài)。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號林窗中，樟子松更新苗均出現(xiàn)一定數(shù)量枯立木，此現(xiàn)象的主要原因是種內(nèi)、種間競爭導致的自疏；而在Ⅳ號林窗，枯立木鮮有出現(xiàn)。

圖1 林窗面積S≦50 m2樟子松更新苗空間分布

圖2 林窗面積50 m2

圖3 林窗面積80 m2

圖4 林窗面積S>100 m2樟子松更新苗空間分布

4 結(jié)論與討論

本研究中沙地樟子松幼苗更新密度在林窗面積50 m2

林窗內(nèi)沙地樟子松更新苗主要以低矮植株(50 cm以下)為主，冠幅主要是10 cm及以下，年齡多為1年生及2年生幼苗，且隨著高度的增加、冠幅增大，更新苗數(shù)量減少，這可能是林窗邊緣木對更新苗產(chǎn)生的顯著受壓現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著沙地樟子松幼苗年齡的增加，單株天然更新苗年齡結(jié)構(gòu)具有明顯斷齡現(xiàn)象，這是因為在長時間干旱和頻繁的大風影響下，個別長勢弱的更新幼苗水分虧缺，使其難以越冬，即使成功越冬，也會因為第2年春季降水少、土壤蒸發(fā)量大，從而導致更新幼苗死亡。但長勢強的更新幼苗成活下來后不斷生長，林窗內(nèi)小氣候也隨之改變，使其能夠正常成長發(fā)育，這與劉淑玲等[23]、閆婷等[24]、Grogan et al.[25]的更新試驗結(jié)果相似。調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，當林窗面積為50 m2

沙地樟子松更新苗在林窗的東南方向群聚生長，當林窗面積為50 m2100 m2時，存活下來的幼苗、幼樹數(shù)量有限，種間競爭也小，故枯立木鮮有出現(xiàn)。

綜上所述，林窗內(nèi)的更新與林窗面積有著密不可分的關(guān)系。對于30年生的沙地樟子松人工林來說，可以人為制造林窗，為其更新創(chuàng)造條件。林窗的面積開始應(yīng)控制在50 m2