祁连山青海云杉林动态监测大样地林分断面积对其天然更新的影响研究

薛春 许尔文 赵维俊 王顺利 张克海

(甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000)

森林天然更新是实现森林生态系统自我可持续发展的必然路径，其对森林群落的组成、结构、功能及其生物学多样性亦有着重要的影响[1，2]。对森林更新的影响研究一直以来是森林生态学和森林经营管理学的主要研究方向之一，特别是随着全球气候变化和人类对森林资源的需要增加，使得森林的可持续发展的研究愈来愈重要。近年来，对森林的更新研究多集中在更新苗组成，年龄结构及动态，空间分布格局，以及更新苗的影响因素等[3，4]。其中，对影响森林天然更新的因素中，多集中在非生物因子和生物因子的影响方面，如从种源、光照、土壤、枯落物、种内种间竞争等因子着手[5，6]，对于林分结构对更新的影响研究较少，然而林分结构是直接影响森林更新的最关键因素之一[7]，这在相关研究中得到了佐证，即林分结构包括水平结构和垂直结构影响林下的光照条件、水分供应、营养吸收等环境资源的有效性，进而影响林下更新苗的萌芽、存活和生长，而且林分结构是最有可能被人为干预调控的因子[8]。因此，开展森林林分结构对天然更新的影响研究，有助于揭示林分空间结构因子与更新格局及动态之间的相互作用机制及潜在机理，从而采取可能的措施促进天然更新，为实现森林的发展正向演替提供基础。

青海云杉(Picea crassifolia)作为祁连山针叶林生态系统的优势种之一，其在涵养水源、保持水土、固碳增汇等方面发挥着重大的生态作用。在遭受长期砍伐后加上气候变暖等影响，其天然林面积一直没有明显增加，甚至有萎缩化、破碎化、分散化的变化趋势，生态系统脆弱度逐渐升高[9]，而且祁连山青海云杉林作为西北寒温带一种特殊的森林系统，不易采用间伐、皆伐、择伐等干扰方式进行抚育改造。针对祁连山青海云杉林面积的萎缩和不易进行人工更新，如何优化低产低效的次生林结构，恢复退化和受损的青海云杉林生态系统，提高其生态服务功能，是摆在面前亟需解决的科学问题。本研究主要探讨林分结构中的断面积对其天然更新的影响，因为一些研究认为，更新苗密度随着断面积的增加而增加，后逐渐放缓[8]，那么青海云杉林林分断面积对更新苗密度存在怎样的影响？因此，通过研究青海云杉林更新特点和林分结构断面积及其对青海云杉天然更新苗的影响，以期采取针对性的人工措施促进青海云杉林天然更新。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究选择甘肃省祁连山水源涵养林研究院在祁连山肃南县马蹄林场内的典型试验流域——大野口流域，目前已有许多单位和专家及学者在该流域开展了大量的科学试验研究。该流域面积约为80km2，年均降水量为400mm，年均蒸发量为1488mm，年均相对湿度为60%[10]，气候属于半湿润森林草原气候[11]。海拔落差2400～4000m，地形条件复杂，使得流域内的水热条件差异明显，形成了明显海拔梯度变化的植被类型及其相对应的土壤类型。本研究的研究对象对应的植被带是寒温性针叶林带，其主要由青海云杉林组成，也为该流域乔木树种的建种群，多为中林龄或近熟林，郁闭度在0.6左右，对应的土壤类型为森林灰褐土；还零星分布祁连圆柏，林木部分稀疏，郁闭度在0.2～0.4。乔木林群落结构有灌木层、草本层和苔藓枯落物层，平均厚度为10cm的苔藓枯落物层是其鲜明的地域特点。灌木主要是吉拉柳(Salix gilashanica)、金露梅(Potentilla fruticosa)、银露梅(Potentilla glabra)等，草本主要有苔草(Carex)、狼毒(Stellera chamaejasme)、多裂委陵菜(Potentilla multifida)等。

1.2 研究方法

本研究的试验样地选择位于大野口流域的祁连山青海云杉林动态监测大样地，该大样地面积大小为340m×300m，所在的地理坐标为E100°15′00″、N38°31′48″，平均海拔高度为2835m，该大样地的具体设置方法详见李效雄等对其的详细描述[12]。研究对象青海云杉林林分及其更新苗的调查依次选择每个20m×20m样方左下角的5m×5m的样格，对样格内的青海云杉林更新苗和成年树进行调查，参考杨逍虎等研究，把树高≥1.5m的青海云杉个体归为成年树，树高<1.5m的幼苗、幼树个体都归为更新苗[10]，其中更新苗的调查包括基径、株高、冠幅，成年树的调查包括胸径、株高、冠幅等，基径使用电子游标卡尺进行测定，胸径使用毫米尺进行测定，株高使用激光测高仪进行测定，冠幅使用钢卷尺(更新苗)和皮尺(成年树)进行测定，包括东西方向和南北方向的冠幅大小。

所有的数据均在Excel进行整理和统计，更新苗样方内更新苗密度、平均基径、平均株高和林分断面积的描述性统计分析均在SPSS19.0软件中完成，其中平均基径、平均株高为每个样格内所有更新苗个体的基径、株高的平均值。变异系数的计算公式：

变异系数CV(%)=标准偏差(SD)/平均值(Mean)×100%

对林分断面积与更新苗生长指标包括密度、平均基径、平均株高和林分断面积进行正态分布检验，如符合正态分布，则进行双侧检验，勾选Person相关系数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 青海云杉林更新苗数量特征

对祁连山青海云杉林动态监测大样地内林下108个更新苗样方的青海云杉更新苗进行了统计分析，见表1。由表1可知，大样地内的青海云杉更新苗密度的均值大小为11470株·hm-2，总体更新良好；更新苗密度的最小值为400株·hm-2，最大值为60000株·hm-2，其变异系数达到了117.54%，表现为极强度的变异，表明更新苗空间分布格局趋向斑块性聚集分布。更新苗的平均基径分布范围大小为0.24～37.89mm，平均株高分布范围大小为0.10～1.43m，变异系数依次为49.99%和42.11%，表现为中等强度的变异。

表1 青海云杉更新苗数量特征

2.2 林分断面积数量特征

对祁连山青海云杉林动态监测大样地内108个更新苗样方所在的青海云杉林林分断面积进行了统计分析，见表2。由表2可知，林分断面积的均值大小为697.89cm2·hm-2，最小值为2.54cm2·hm-2，最大值为2568.44cm2·hm-2，其变异系数为76.68%，表现为中等强度的变异，表明青海云杉成年个体也趋向斑块性聚集分布。

表2 青海云杉林分断面积数量特征

2.3 林分断面积与更新苗生长的关系

对青海云杉林动态监测大样地更新苗样格内林分断面积与更新苗密度、基径和苗高进行了相关性分析，见表3。由表3可知，林分断面积与更新苗密度之间呈显著负相关(P<0.01)，与更新苗平均基径、平均株高之间无显著相关性(P>0.05)；更新苗密度与其平均基径之间呈极显著负相关(P<0.01)，与平均株高之间呈显著负相关(P<0.05)；更新苗平均基径与其平均株高呈极显著正相关(P<0.05)。

表3 青海云杉林分断面积与更新苗密度、基径和苗高的

3 结论与讨论

祁连山青海云杉林动态监测大样地更新苗样方的更新苗数量特征(更新苗密度、平均基径和株高)及其所在样地的林分断面积数量特征表明，青海云杉林更新苗与成树均成斑块性聚集分析格局，这与杨逍虎等[10]、拓锋等[13]研究结果结论一致，原因是更新苗的这种分布格局是由其生物学特性决定的，有利于更新苗初期阶段包括更新苗萌发、发育和生长。本研究表明，青海云杉林分断面积与更新苗密度呈显著负相关，说明林分断面积的增加，会造成林地资源的竞争，分配到更新苗个体的可利用性资源减少，不利于更新苗萌发、发育和生长；相反，在林分断面积较小时，林下光照条件和营养物质相对充足，有利于更新苗的繁殖生长。该研究结论与董莉莉等[8]对辽东蒙古蒙古栎林对天然更新的影响不一致，该研究认为，在一定的基面积内，更新苗密度随基面积的增加而增加。因此，在对祁连山青海云杉林经营和管理的过程中，需要对祁连山青海云杉林的目前管理方式进行人为干预，如通过对林分内的枯死木、风倒木、枯死木、衰弱木清理，增加林分内更新苗的生长空间，为更新苗萌发、发育和生长创造生长资源，实现单一林层向复层林或者异龄林方向发展，实现青海云杉林生态系统的可持续性发展，更好地发挥其生态服务功能。