盘石岭林场火炬松退化林近自然修复成效调查分析

高涛 陈兴国 陈明泉 吴金虎 周瑜 史帅 郭诗宇

摘 要 为了实现森林的可持续经营，采用目标树经营法对湖北省钟祥市盘石岭林场退化火炬松针叶纯林进行近自然修复，探索在森林连续覆盖且不进行人工植苗造林的情况下，实现针叶纯林向阔叶混交林转型的可行性。在1 hm2研究样地（100 m×100 m）内均匀设置100个5 m×5 m样方，调查经营前后林下天然更新情况。结果表明：1）目标树经营1年后，林下天然更新效果良好，新增43个乔灌木树种，其中乔木树种26个，灌木树种17个。2）新增天然更新总株数6 160株·hm-2，其中乔木树种4 060株·hm-2，灌木树种2 100株·hm-2。3）更新数量较多且在样方中出现频度较高的树种为栓皮栎、乌桕、黄檀、刺楸，均为生长初期较为耐阴的珍贵阔叶乔木树种，这4个树种的更新密度达到2 648株·hm-2。4）火炬松退化林可以通过目标树经营法进行近自然修复，最终形成以乡土珍贵阔叶树种为主组成的复层异龄混交林。

关键词 退化林修复；近自然经营；目标树经营；天然更新；火炬松；盘石岭林场

中图分类号：S75 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.03.055

火炬松（Pinus taeda）原產于美国东南部，1947年引入我国，是一种速生丰产用材树种。湖北省钟祥市盘石岭林场在早期引种火炬松成功的基础上，2000—2005年进行了大规模栽植，现保存面积2 300 hm2。盘石岭林场的火炬松早期生长迅速、干形良好，但15年后开始衰退，主要表现是生长变慢、林下生物多样性减退、应对自然灾害的能力变差[1]。如何在不进行大面积皆伐的前提下，通过森林经营促进林下天然更新[2]，渐进式地实现从针叶纯林向阔叶混交林的转变，是一个值得认真研究的课题。为此，盘石岭林场结合实施中德财政合作森林可持续经营项目，设置固定样地进行调查监测，对退化针叶纯林特别是非原生树种针叶纯林的修复问题进行了初步探讨。

1  调查方法

1.1  研究区概况

盘石岭林场位于湖北省中部，地处东经112°41′30″～112°45′32″，北纬31°07′56″～31°19′51″，总面积4 514.63 hm2。属亚热带季风气候，四季分明、雨热同期。年均气温15.9 ℃，年降水量1 000 mm，全年无霜期263 d。

研究样地位于盘石岭林场梅子铺分场Ⅳ号林班580号小班，面积1 hm2（100 m×100 m），为2003年栽植的火炬松纯林。研究样地共有活立木1 723株，平均胸径13.4 cm，平均树高10.3 m，蓄积量148.9 m3；枯立木138株，平均胸径11.2 cm，平均树高8.6 m，蓄积量6.8 m3。土壤为黄棕壤，土层深厚，厚度在80～100 cm；微酸性，平均PH值为5.4；养分中等，据对125个样点0～30 cm土壤取样分析，土壤有机质含量为54.3 g·kg-1，全氮5.8 g·kg-1，全磷1.1 g·kg-1，全钾8.7 g·kg-1。林下植被稀少，只有少量杂灌和杂草。

1.2  研究样地设置

2020年10月，在梅子铺分场Ⅳ号林班580号小班内选择立地条件、林分状况相似的地块，采用全站仪测量100 m×100 m方形研究样地，四角用钢桩固定，测量记录地理坐标，并用电线固定研究样地边界。在研究样地内均匀布设100个5 m×5 m样方，四角用PVC管固定，并用电话线固定边界。

1.3  本底调查

2020年11月上旬，对研究样地进行本底调查。对1 hm2研究样地内的所有胸径5 cm以上的乔木进行每木检尺，记录树种名称、胸径、树高、冠幅、枝下高、长势等，并挂牌；对100个样方内的原有天然更新树种，调查树种名称、高度、地径、盖度等。在本底调查中发现，林下植物稀少，没有乔木树种天然更新，只有少量杂灌和杂草。

1.4  研究样地施工

2020年11月下旬，组织熟练林业技术人员和专业施工队，对研究样地开展目标树经营[3]施工作业。首先选择目标树。在林分中选择树干粗壮、通直、无病虫害、无机械损伤的火炬松作为目标树，并用红油漆在1.6 m高的地方绕树干一周标记，长期保留。然后在目标树周围，选择与目标树树冠相交的树木作为干扰木，并扎玻璃绳标记。一般1株目标树选择2～3棵干扰木，将采伐强度控制在20%～25%。最后，对干扰木和枯死木进行伐除并清理出林外。经测算，样地按株数计算的采伐强度为22.9%，按蓄积量计算的采伐强度为24.1%。在施工作业过程中，保护林地中已有的天然更新树种和草本植物，维护生物多样性。

1.5  研究样地复测

2021年11月下旬，进行样地第一次复测。乔木每木检尺同本底调查，并作好记录；对100个样方中新增的乔灌木树种，调查树种名称、高度、地径、盖度等，挂牌并记录。

2  结果分析

2.1  更新树种多度及分析

更新树种多度是指研究样地中某个树种天然更新的总株数。研究样地中栓皮栎（Quercus variabilis）更新株数最多，达1 008株·hm-2；其次是乌桕（Triadica sebifera）596株·hm-2；排在第三的是刺楸（Kalopanax septemlobus）572株·hm-2；排在第四的是黄檀（Dalbergia hupeana）472株·hm-2。这些树种在当地都有自然分布，既是重要的生态树种，也是重要的珍贵用材树种，有的还是观赏树种。栓皮栎在湖北省的一级古树中比较常见，少数达1 000年以上，胸径2 m以上，树高在30 m以上。盘石岭林场栓皮栎一般与马尾松形成针阔混交林，目前最大胸径在30 cm以上、树高在20 m以上，在研究样地中栓皮栎可以作为目的树种进行培育。乌桕材质较好，籽可榨油，秋天叶片变为紫红色，为层林尽染贡献一抹色彩。盘石岭林场是荆门市和钟祥市生态旅游的重要节点，也是国家森林康养[4]试点基地，该树种在林中的点缀显得尤其重要。刺楸也是重要珍贵用材树种，且种籽含油量高达38%，可供制皂用。黄檀是重要的珍贵树种，生长较为缓慢，但材质极好。乌桕、刺楸和黄檀可以作为栓皮栎的重要伴生树种。

从表1和表2中可以看到，更新的树种总数达到43个，其中乔木树种26个、灌木树种17个。更新树种的总株数达到6 160株·hm-2，其中乔木树种株数达到4 060株·hm-2，不管是更新树种的种数和更新总株数，都大大超出我们的预期。盘石岭林场荒山造林或采伐迹地更新造林，一般采用2 m×3 m或2 m×2 m株行距，造林密度为1 667～2 500株·hm-2。在研究样地中，乔木树种更新总株数达到了4 060株，已远远超过人工造林的栽植密度，且这些树种都是前期较为耐荫的乡土珍贵阔叶树种。因此，从更新树种的密度来讲，不需要重新人工植苗造林。

2.2  更新树种频度及分析

更新树种的频度是指研究样地中某个树种在样方中出现的频率。如在100个样方中，某个树种在n个样方中出现，不管出现多少株，频度都是n。频度可以反映某个树种在研究样地中分布的广度或均匀程度。栓皮栎在所有更新树种中频度最高，100个样方中出现61次。如果以1 hm2计算，可划分为400个5 m×5 m样方，那栓皮栎可能会在244个样方中出现。在以栓皮栎为主的中龄林中，栓皮栎目标树的密度为100～150株·hm-2，在研究样地1 hm2划分的400个5 m×5 m方格中，有244个方格出现栓皮栎，每个方格选1株作为目标树，将可选出244株目标树，因此研究样地中栓皮栎目标树不仅数量足够，而且分布也较为均匀。乌桕、黄檀、刺楸、柘（Maclura tricuspidata）、苦槠（Castanopsis sclerophylla）、白檀（Symplocos tanakana），都能成为栓皮栎较好的伴生树种。灌木树种如山胡椒（Lindera glauca）、盐肤木（Rhus chinensis）、白马骨（Serissa serissoides）、算盘子（Glochidion puberum）等，可以进一步丰富森林的物种多样性。因此，从更新树种分布的广度来讲，也不需要重新人工植苗造林。

2.3  更新树种特征及分析

从表1和表2可知，天然更新的树种有以下特点：1）以乔木树种为主。在固定样地中，共有43个树种的天然更新苗木出现，其中乔木树种26种，占60.5%；灌木树种17种，占39.5%。天然更新以乔木为主的特点，是决定火炬松退化林是否成功转型为阔叶混交林的关键。2）以阔叶树种为主。在43个更新树种中，有42个树种为阔叶树，只有马尾松1个针叶树种，这也就决定了下一代林分既不是针叶纯林，也不是针阔混交林，而是阔叶混交林。3）以落叶树种为主。在43个更新树种中，有落叶树种31种，占72.1%；有常绿树种12种，占27.9%。更新较多的落叶树种有栓皮栎、乌桕、刺楸、黄檀，更新较多的常绿树有樟树（Cinnamomum camphora）、冬青（Ilex chinensis）等，但常绿树种的相对多度和相对频度远不如落叶树种。以落叶树种为主的特点，决定了最终形成的阔叶林为落叶阔叶常绿阔叶混交林。

3  结论与讨论

3.1  结论

近自然经营是实现火炬松退化林向阔叶混交林转型的重要路径，目标树经营法在其中起到了重要作用。研究证据表明，对17年生火炬松退化林开展目标树经营1年后，林下新增43个树种天然更新，其中乔木树种26个，灌木树种17个。在所有更新树种中，排名前四的栓皮栎、乌桕、刺楸、黄檀均是乡土珍贵阔叶乔木树种，更新株数占所有乔灌木树种更新总数的43%。栓皮栎作为最主要的更新树种，頻度达到61%，更新株数占乔木树种更新总株数的24.8%。因此，今后可以栓皮栎作为目的树种，以乌桕、刺楸、黄檀等25种乔木树种作为伴生树种，形成阔叶混交林，最后经过2～3代目标树经营，形成多树种组成的复层异龄混交林。

3.2  讨论

3.2.1  后续经营方面

天然更新出现大量阔叶树种，只是为针叶纯林向阔叶混交林转变奠定了一个良好的基础，要想真正实现顺利过渡，必须加强后续经营。1）定点除杂。从表2可以看出，灌木树种的苗高平均为43.2 cm，而乔木树种的苗高平均为41.6 cm，如不及时进行抚育，灌木树种将抑制乔木树种的生长。为此，必须从间伐后的第3年开始连续3～5年，每年对天然更新的乔木树种幼苗幼树进行定点除杂。具体做法是，以更新乔木树种幼苗幼树为中心，在0.2～0.5 m半径范围内，对杂灌和杂草进行剪除，每年4—5月和9—10月各进行一次。之所以从第3年开始定点除杂，主要是前两年利用自然力对弱苗进行自然淘汰让其竞争凋亡。2）后续间伐。在第一次间伐后的第5年、10年，再各进行一次干扰木间伐，间伐强度保持在20%～25%；第15年时，采伐除目标树以外的其他火炬松，最终保留的火炬松株数为本底调查时乔木株数的5%～10%，以维护森林物种多样性。3）开展新一代目标树经营。在进行最后一次火炬松间伐时，最早更新的乔木树种已经经过了15年的生长，此时可选择新一代目标树。目标树按照高价值、高质量、高活力的标准，在珍贵阔叶乔木树种中选择，并用油漆进行标注。对影响新一代目标树生长的干扰木，按照20%左右的间伐强度进行采伐，每隔5年进行一次，经过2～3代目标树经营，直至形成多树种组成的复层异龄阔叶混交林。

3.2.2  间伐强度方面

从经营效果看，我们认为本研究采用的20%～25%的间伐强度是合适的。如果采伐强度过大，阳性灌木会迅速占领林地，抑制乔木树种的天然更新。王金池等对马尾松皆伐迹地天然更新进行了研究，皆伐1年后出现了71个阔叶树种，但落叶灌木山苍子一个树种的更新株数即达到了所有树种更新总株数的72%且相对优势度达到73.41%，虽然也有檫木、泡桐、南酸枣等乔木树种，但更新株数远不如山苍子，如不采取措施这些乔木树种将无法成为主要树种[5]。如果采伐强度过小，将达不到间伐的效果。李荣等对辽东栎近自然经营下的天然更新进行了研究，结果显示30%的间伐强度有利于辽东栎的天然更新，但13.4%的间伐强度更有利于辽东栎实生苗的生长[6]。一般来讲，间伐强度达到20%～25%，可以采取4～5次间伐，每次间伐间隔期5年，从而实现针叶纯林向阔叶混交林的转变；如果间伐强度降低，则需要缩短间伐间隔期，增加间伐次数。至于火炬松退化林采取多大的强度进行间伐效果最佳，需要设立固定样地进行长期研究。

3.2.3  种子来源方面

火炬松纯林是盘石岭林场面积最大的林分，研究样地是火炬松纯林，周边林分也是火炬松纯林，在1 km外有马尾松、栓皮栎、冬青组成的针阔混交林。但像固定样地天然更新这样，在1 hm2的林分中有26个乔木树种，在现有林分中尚未见到。那么，样地天然更新的种子来源于何处呢？我们分析，虽然有风传播、鸟类传播、陆生动物搬运等的可能性，但更大的可能性来源于土壤持久种子库，也就是来源于火炬松林营造前林地土壤中已经形成的种子库[7]。张洋洋等对临近的湖北省太子山林管局石龙林场马尾松（Pinus massoniana）林土壤种子库进行过初步研究，取得了一些初步成果[8-9]。盘石岭林场土壤持久种子库究竟如何，有待于课题组今后进一步研究。

参考文献：

[1]   陈兴国，陈明泉，陈兴红，等.基于树冠连续覆盖的火炬松林更新改造探讨[J].南方农业，2021，15（22）：130-132.

[2]   程中倩，吴水荣，刘世荣.我国森林天然更新及人工促进天然更新的现状与展望[J].山西农业大学学报（自然科学版），2018，38（10）：71-76.

[3]   郭诗宇，胡伯特·福斯特，陈幸良.目标树经营：德国经验与湖北实践[J].世界林业研究，2021，34（2）：14-20.

[4]   郭诗宇，汪远洋，陈兴国，等.森林康养与康养森林建设研究进展[J].世界林业研究，2022，35（02）：28-33.

[5]   王金池，黄如楚，黄清麟，等.马尾松人工林皆伐1年后新增天然阔叶幼树初报[J].林业资源管理，2019（6）：115-120.

[6]   李荣，张文辉，何景峰，等.不同间伐措施对辽东栎幼苗自然更新及生长状况的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2011，39（01）：52-60，68.

[7]   李國旗，李淑君，蒙静，等.土壤种子库研究方法评述[J].生态环境学报，2013，22（10）：1721-1726.

[8]   张洋洋，周清慧，许骄阳，等.林分密度对马尾松林下植物与土壤种子库多样性的影响[J].应用生态学报，2021，32（7）：2355-2362.

[9]   张洋洋，周清慧，许骄阳，等.林龄对马尾松人工林林下植物与土壤种子库多样性的影响[J].生态环境学报，2021，30（11）：2121-2129.

（责任编辑：敬廷桃）