殷鳴放 周立君 畢剛?cè)?薛 娟 殷煒達(dá) 寧良智 梁 澤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽，110161) (東京大學(xué)) (清源縣大邊溝林場)

落葉松(Larix olgensis)是我國東北地區(qū)人工造林的主要樹種，由于生長迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛，在東北林區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮極其重要的作用［1］。但是現(xiàn)有落葉松人工林中絕大多數(shù)為中、幼齡林，由于密度偏大，導(dǎo)致樹木長勢弱、林下植被稀疏、群落結(jié)構(gòu)簡單、生物多樣性銳減、土壤酸化、養(yǎng)分衰竭、土壤板結(jié)、地力下降、涵養(yǎng)水源能力下降等諸多問題顯現(xiàn)，使得落葉松人工林在生態(tài)系統(tǒng)上十分脆弱，無法充分發(fā)揮生態(tài)公益效能［2］。落葉松人工林實(shí)行誘導(dǎo)復(fù)層培育是純林演替過程中一個(gè)極為重要而又敏感的階段，是維持和恢復(fù)其生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定的首要問題，也是制定可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)的基礎(chǔ)。這不僅有利于森林資源的恢復(fù)和發(fā)展、培育后續(xù)資源、保持物種多樣性、維護(hù)生態(tài)平衡及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且有利于保證長白落葉松(Larix olgensis Henry)人工林生產(chǎn)力的持續(xù)性以及功能的完備，有利于提高森林的蓄積量，促進(jìn)森林的可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)天然林保護(hù)工作。因此，將單層的落葉松人工林通過采取適宜的經(jīng)營措施誘導(dǎo)成人工復(fù)層林，在不破壞森林環(huán)境的情況下，最大限度地提供優(yōu)質(zhì)用材、優(yōu)良景觀、防護(hù)作用等諸多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，研究落葉松人工林林分結(jié)構(gòu)調(diào)整方法與經(jīng)營措施，對(duì)落葉松人工林的培育和經(jīng)營都具有重要意義［3］。本文以遼東山區(qū)人工長白落葉松(Larix olgensis Henry)幼齡林、中齡林和近熟林為對(duì)象，對(duì)長白落葉松人工純林進(jìn)行帶狀間伐誘導(dǎo)人工復(fù)層異齡林試驗(yàn)，研究不同間伐類型下長白落葉松保留木及更新幼樹的生長狀況，以及灌木層和草本層的物種多樣性、林下土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，探索恢復(fù)林地生產(chǎn)力的途徑，以改善林分結(jié)構(gòu)與樹種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)林地連續(xù)覆蓋的森林可持續(xù)經(jīng)營目標(biāo)，掌握落葉松與更新樹種組成的復(fù)層混交林林分的各種動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為現(xiàn)有落葉松人工林可續(xù)經(jīng)營提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于遼寧省清原滿族自治縣(東經(jīng)124°20' ～125°29'，北緯41°48' ～42°29')的甘井子林場和大邊溝林場的長白落葉松人工純林，系長白山山脈的延伸區(qū)域，海拔400 ～600 m，全年平均氣溫5℃，年降水量700 ～800 mm，全年無霜期120 ～125 d。土壤多為山地棕色森林土，土層厚30 ～50 cm，山體坡度12° ～18°，土壤pH 值5.5 ～6.5。研究地長白落葉松主要以中齡林、幼齡林為主，以10 a 為一個(gè)齡級(jí):20 a 以下為幼齡林，21 ～30 a 為中齡林，31 ～40 a 為近熟林。初始造林株行距1.5 m ×1.5 m，由于初植密度較大，在樹木生長過程中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膿嵊g伐。直至帶狀間伐之前，幼齡林密度約為3 000 株·hm－2，中齡林密度約為2 550 株·hm－2，近熟林密度約為560 株·hm－2。具體試驗(yàn)地基本概況見表1。

表1 試驗(yàn)地簡況

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于長白落葉松純林林分密度較大，光照減少，導(dǎo)致水分、肥力競爭激烈，林木分化嚴(yán)重，枯死木、被壓木分布較多，林木生長緩慢，人工林地力下降，嚴(yán)重影響了林木健康生長和物種多樣性。為了力求改善林分結(jié)構(gòu)和提高林分質(zhì)量，于2005年秋對(duì)甘井子林場的兩塊試驗(yàn)林進(jìn)行了帶狀間伐更新，之后，于2008年春對(duì)大邊溝林場的3 塊試驗(yàn)林進(jìn)行了帶狀間伐更新。長白落葉松間伐方式分為2 種:隔2 行伐2 行(簡稱Ⅰ型);隔3 行伐3 行(簡稱Ⅱ型)，形成伐留交替小區(qū)，兩種林型的中間有長白落葉松純林間隔帶(對(duì)照區(qū))，寬度為30 m［4］。同時(shí)，在采伐帶上進(jìn)行林下更新試驗(yàn)，更新方式為:采伐2 行的帶內(nèi)栽植1 行更新樹種;采伐3 行的帶內(nèi)栽植2 行更新樹種。設(shè)立未間伐的林分作為對(duì)照區(qū)，觀察林分的生長情況。甘井子林場選取云杉(Picea koraiensis Nakai.)、水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)作為更新樹種;大邊溝林場選取紅松(Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini)、云杉、北美喬松(Pinus strobus Linn.)、白樺(Betula platyphylla Suk.)作為更新樹種。

在不同間伐類型林分內(nèi)設(shè)立固定標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)查，標(biāo)準(zhǔn)地大小為20 m ×33 m，共設(shè)置15 塊。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)保留的上層林木與更新幼樹進(jìn)行胸徑(地徑)、苗高、株數(shù)全面調(diào)查，同時(shí)進(jìn)行林下灌木、草本的生物多樣性和土壤碳儲(chǔ)量調(diào)查，選擇未間伐落葉松純林作為對(duì)照。對(duì)各類型試驗(yàn)結(jié)果分別采用Spss17 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析不同帶狀間伐更新方式對(duì)落葉松人工純林誘導(dǎo)復(fù)層林過程的影響。

2.2 落葉松林木生長調(diào)查

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)落葉松林木每木檢尺，記錄其胸徑、株數(shù)，并對(duì)枯死木、風(fēng)倒樹等進(jìn)行記錄。計(jì)算各個(gè)樣地落葉松的平均胸徑、平均單株材積及胸徑和材積的平均生長量。立木材積按遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)一元材積表計(jì)算。一元材積式如下:

2.3 不同更新類型下灌木、草本的物種多樣性調(diào)查

在標(biāo)準(zhǔn)地兩條對(duì)角線上布設(shè)5 個(gè)1 m ×1 m 的小樣方，記錄草本植物的種類、數(shù)量、高度和蓋度;布設(shè)3 個(gè)5 m ×5 m 的小樣方，記錄林下灌木的種類、數(shù)量和高度。多樣性采用4 個(gè)指標(biāo)計(jì)算:Marglef 豐富度指數(shù)、Shannon － Weiner 指數(shù)(物種多樣性指數(shù))、Simpson 指數(shù)和Pielou 指數(shù)(均勻度指數(shù))。

Marglef 豐富度指數(shù):R=(S－1)/lnN;

Pielou 指數(shù):J =H'/lnS。

式中:S 為物種數(shù)目;N 為所有種的個(gè)體總數(shù);ni為第i 種個(gè)體數(shù);Pi為各物種的相對(duì)多度(即樣本中屬于i種的個(gè)體數(shù)與全部種的總個(gè)體數(shù)之比，Pi=ni/N)。

2.4 不同更新類型下幼樹生長調(diào)查

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的更新幼樹進(jìn)行地徑、冠幅、樹高等因子調(diào)查，計(jì)算得出各更新類型的平均樹高、平均地徑、平均冠幅。在各個(gè)林分類型標(biāo)準(zhǔn)地中分別選取3 株生長指標(biāo)為平均狀態(tài)的更新幼樹，挖取整個(gè)植株，洗凈根部土壤，將幼樹在根莖處截為地上部分和地下部分，分別裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，將各區(qū)分段樣本放入85 ℃恒溫烘干至恒定質(zhì)量后，用電子秤分別稱其干質(zhì)量［7］，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)木的地上生物量和地下生物量。

2.5 土壤有機(jī)碳測定

2005年，分別對(duì)甘井子2 塊試驗(yàn)林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)查。2010年9月，同時(shí)對(duì)大邊溝、甘井子的5 塊試驗(yàn)林的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)查。選擇各試驗(yàn)地立地條件相似的地段，在每個(gè)試驗(yàn)地Ⅰ型、Ⅱ型林分的間伐帶林下和未間伐的落葉松純林林下，沿樣地坡面的上、中、下部，分別挖取土壤剖面1 個(gè)，在0 ～20 cm 土層用環(huán)刀采集土壤樣品。土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后進(jìn)行各種指標(biāo)的測定。采用硫酸—重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)碳含量［5］。

采用Spss17.0 軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐類型對(duì)落葉松保留木的影響

間伐有利于調(diào)節(jié)和分配林木本身的生長空間，不同間伐方式對(duì)樹高、胸徑和蓄積等林分因子有不同的影響［6－9］。

3.1.1 對(duì)落葉松胸徑的影響

對(duì)比2008年與2011年大邊溝林場3 塊試驗(yàn)地的調(diào)查結(jié)果，由表2可知，間伐當(dāng)年，Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均胸徑與對(duì)照區(qū)相比變化不大，胸徑分別為13.7、13.9、14.2 cm，表明起始的立地條件相似，樣方間具有可比性。間伐3 a 后，各類型落葉松保留木平均胸徑分別為16.1、16.6、15.1 cm，Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均胸徑分別提高了6.6%、9.9%，方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對(duì)照區(qū)差異顯著(p ＜0.05)。林分的平均胸徑生長量均值分別為2.4、2.7、1.2 cm，Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均胸徑分別提高了97.5%、121.78%，方差分析結(jié)果表明，Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對(duì)照區(qū)差異顯著(p ＜0.05)。

3.1.2 對(duì)落葉松材積的影響

由表3可知，2008年，Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均單株材積與對(duì)照區(qū)相比變化不大，平均單株材積大小分別為0.131 4、0.134 5、0.133 5 m3。間伐3 a 后，Ⅰ型、Ⅱ型林分和對(duì)照區(qū)落葉松保留木平均單株材積大小分別為0.172 9、0.183 2、0.153 5 m3。Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均單株材積分別提高了12.64%、19.35%，方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均單株材積與對(duì)照區(qū)差異極顯著(p ＜0.01)。Ⅰ型、Ⅱ型林分和對(duì)照區(qū)林分的平均單株材積生長量均值分別為0.041 5、0.048 6、0.019 9 m3。Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均單株材積生長量分別提高了108.54%、144.22%，方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對(duì)照區(qū)差異極顯著(p ＜0.01)。

由計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)林間伐3 a 后的胸徑生長量和材積生長量均表現(xiàn)為:Ⅱ型＞Ⅰ型＞對(duì)照區(qū)。帶狀間伐使林帶內(nèi)形成了帶狀林隙，使得保留帶內(nèi)的落葉松獲得了優(yōu)越的光照條件，帶狀林隙對(duì)林木的平均胸徑影響相對(duì)顯著，進(jìn)而影響到平均單株材積。

表2 帶狀間伐3 a 后落葉松胸徑的生長量

表3 帶狀間伐3 a 后落葉松的蓄積量

3.2 不同間伐類型對(duì)林帶灌木、草本物種多樣性的影響

由于試驗(yàn)地林分密度較大，林下灌木、草本種類和數(shù)量很少。經(jīng)過帶狀間伐，林內(nèi)灌木、草本種類和數(shù)量有了明顯增加。由表4可看出:間伐林分下灌木層、草本層的物種數(shù)、Marglef 指數(shù)(豐富度指數(shù))、Shannon－ Weiener 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Pielou 指數(shù)(均勻度指數(shù))均有所增加;Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)都有新物種的侵入;Ⅰ型、Ⅱ型誘導(dǎo)林分在灌木層的物種數(shù)分別比純林對(duì)照多3 種和13 種，草本層比純林對(duì)照多9 種和18 種，以Ⅱ型林分內(nèi)物種最多。物種數(shù)的增加，主要是由于帶狀間伐后林分郁閉度減小，顯著地增加了林內(nèi)的光照條件，原有的植物種因?yàn)榄h(huán)境改善而增多，分布范圍擴(kuò)大，植物出現(xiàn)機(jī)率大，物種豐富度隨間伐帶的增加而得到增大，植物均勻度也有所增加。綜合分析可以看出，帶狀間伐后，落葉松人工林內(nèi)灌木、草本層生物多樣性相應(yīng)提高，且以Ⅱ型間伐類型下的效果最好。隨著間伐寬度的增加，植物的種類也增加，密度和蓋度也越大［10－11］，表明適當(dāng)提高間伐寬度，不僅可以增加林下草本和灌木的種類，而且也相應(yīng)地提高了每個(gè)物種的高度和蓋度，增加了其出現(xiàn)的數(shù)量。

表4 不同間伐類型的灌木層、草本層生物多樣性指標(biāo)

3.3 不同間伐類型對(duì)更新幼樹的影響

3.3.1 對(duì)幼樹生長的影響

對(duì)各類型更新幼樹生長調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5。不同間伐類型的幼樹平均樹高、平均地徑、平均冠幅為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分;帶狀間伐后幼樹生長的增長率為:平均樹高＞平均冠幅＞平均地徑。方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型、Ⅱ型帶狀間伐類型對(duì)林下更新幼樹平均樹高的影響差異顯著(p ＜0.05)，對(duì)平均地徑、平均冠幅的影響差異不顯著(p ＞0.05)。試驗(yàn)表明:Ⅱ型林分更有利于幼樹生長，是由于Ⅱ型林分形成的林隙下的光照條件更適合幼樹更新。

3.3.2 對(duì)幼樹生物量的影響

對(duì)不同間伐類型更新幼樹的生物量進(jìn)行調(diào)查，見表6。從數(shù)值看，更新幼樹生物量均表現(xiàn)為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分。Ⅱ型林分地上部分比Ⅰ型林分地上部分增加了63.41%，地下部分增加了67.27%，總生物量增加了64.14%。帶狀間伐后，更新幼樹生物量的增長率為:地下部分＞地上部分。方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型林分與Ⅱ型林分地上部分差異不顯著(p ＞0.05)，Ⅰ型林分與Ⅱ型林分地下部分差異顯著(p ＜0.05)。對(duì)于整個(gè)幼樹而言，Ⅰ型林分與Ⅱ型林分差異不顯著(p ＞0.05)。說明光照對(duì)幼樹地下部分生物量的影響顯著。

表5 不同間伐類型的更新幼樹生長指標(biāo)

表6 不同間伐類型的更新幼樹生物量

3.4 不同間伐類型對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2010年，對(duì)5 塊樣地0 ～20 cm 土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，由表7可以看出，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分＞對(duì)照區(qū)林分。其中:Ⅰ型林分的0 ～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照區(qū)提高了17.76%;Ⅱ型林分的0 ～20 cm土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對(duì)照區(qū)提高了23.81%;Ⅱ型林分的0 ～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比Ⅰ型林分提高了5.13%。方差分析結(jié)果表明:Ⅰ型樣地與對(duì)照區(qū)的0 ～20 cm 土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(p ＜0.05);Ⅱ型樣地與對(duì)照區(qū)的同一土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異極顯著(p ＜0.01)。

0 ～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在間伐后得到明顯提高，與張鼎華［12］、駱士壽［13］、成向榮等［14］和黃從德［15］的研究結(jié)果一致。對(duì)純林實(shí)施適當(dāng)間伐，改善了林內(nèi)光照條件，林木生長空間增大，林下植物得以良好發(fā)展，凋落物的種類、數(shù)量增加［16］，林分土壤酶活性增強(qiáng)、土壤密度降低、總孔隙度和速效養(yǎng)分提高?？梢哉J(rèn)為，間伐后林下植被生物多樣性的提高，誘發(fā)了土壤微生物多樣性和數(shù)量的提高，由此增強(qiáng)了土壤的生物活性，加速了土壤養(yǎng)分的循環(huán)。Ⅱ型林分內(nèi)光照條件優(yōu)于Ⅰ型林分，溫度等因子得到了提高，加快了有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，使得Ⅱ型林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于Ⅰ型林分。

表7 不同間伐類型林地的土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論與討論

綜合考慮空間尺度上的一致性和時(shí)間尺度上的連續(xù)性，對(duì)現(xiàn)實(shí)長白落葉松人工純林采取適宜的經(jīng)營措施，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，改善林分環(huán)境，將其誘導(dǎo)成落葉松人工復(fù)層異齡林，將有利于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營目標(biāo)。帶狀間伐方式改變了林分的密度，改善了林內(nèi)的生長環(huán)境，從而促進(jìn)了落葉松胸徑的生長。間伐3 a 后，胸徑生長量和材積生長量的結(jié)果為:Ⅱ型＞Ⅰ型＞對(duì)照區(qū)，Ⅰ型、Ⅱ型林分內(nèi)落葉松保留木平均胸徑分別提高了97.5%、121.78%，平均單株材積生長量分別提高了108. 54%、144.22%。間伐使林分經(jīng)營取得了理想的結(jié)果，但由于間伐年限比較短，對(duì)林分平均蓄積的影響還需要進(jìn)一步的研究。間伐可調(diào)整林分密度，改變植物群落的生境異質(zhì)性，從而改變?nèi)郝涞纳钚妥V和林下植被的建群種［17］。本試驗(yàn)的各林分類型與未間伐的落葉松純林相比，林內(nèi)灌木、草本的種類和數(shù)量有了明顯的增加，其中Ⅱ型間伐類型效果最好，使純林的林地物種多樣性很低的弊病得以改善。間伐最主要、最直接的影響體現(xiàn)在光照條件的改變上，間伐帶內(nèi)的光照強(qiáng)度和光照時(shí)間都有所增加，為一些喜光物種創(chuàng)造了條件［18］，可見，帶狀間伐可提高林下植被的豐富度和多樣性。本研究結(jié)果與大部分的普通間伐效果一致［19－22］。

各類型幼樹的平均樹高、平均地徑、平均冠幅及更新幼樹地上、地下部分的生物量均表現(xiàn)為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分;帶狀間伐使更新幼樹生物量的增長率表現(xiàn)為:地下部分＞地上部分，說明間伐類型不同對(duì)于幼樹生長影響很大，Ⅱ型林分形成的林隙光照條件更適合幼樹更新，而且更新幼樹地上部分生長的差異與光照條件緊密相關(guān)。

各類型林分0 ～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分＞對(duì)照區(qū)林分。此結(jié)果與前人的普通間伐效果一致［14－15，23－24］，說明不同間伐類型林分的光照條件，土壤微生物種類和數(shù)量，枯落物的種類、數(shù)量和分解速度等的不同導(dǎo)致了此結(jié)果。各類型林分土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈垂直遞減的特征明顯，說明間伐對(duì)于土壤有機(jī)碳的影響可能還需要一定的時(shí)間才能顯現(xiàn)出來。

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