目标树经营对火炬松人工林天然更新的初期影响

高 涛，陈兴国，陈明泉，吴金虎，周 瑜，史 帅，汪 洋

(1.湖北省钟祥市盘石岭林场，湖北 钟祥 431900; 2.湖北生态工程职业技术学院，湖北 武汉 430200)

1 引言

天然更新是森林生态系统自我修复、自我完善的过程。天然更新为形成连续覆盖、稳定健康的森林生态系统补充足够幼苗幼树，影响着未来森林的树种组成和林分结构，对未来森林生物多样性及森林结构具有决定性的影响。然而，天然更新每一个过程都受各种外界因子及与其之间的相互影响。森林经营是人为干扰森林生态系统的主要技术措施[1]，是森林自我完善的外界促进因子。合理的森林经营，有利于环境与植物之间的相互作用，促进森林的自我修复与转化，最终改善林分质量，增强林分稳定性，提高林分生产力，充分发挥森林的生态效益[2]。

然而森林更新的自然进程却较为缓慢，合理的森林经营有利于环境与植物之间的相互作用，可促进森林的自我修复进程。因此，如何采用科学的森林经营措施，设置合理的抚育间伐强度，在改善林分质量并提高林分生产力的同时，促进林下天然更新是森林经营的研究热点[3]。众多学者在不同森林经营强度对土壤理化性质[4]、物种多样性[1]、林分结构[5]、林分生长[6]和林分混交[7]影响等方面进行大量研究，论证了合理森林经营对森林更新的促进效应。然而，不同林分类型和立地条件，其经营措施对林下天然更新的影响具有不同效应，其相关研究不可或缺。

火炬松(Pinusteada)是美国东南部南方松中面积最广、蓄积量最高树种[8]。实践证明，自2000年钟祥市盘石岭林场引种栽培火炬松，初期生长表现良好；15 a后，火炬松人工林已经存在生物多样性严重下降、地力衰退、生态功能低下和生产力降低等一系列问题[9]。火炬松林的改造十分紧迫，树种更新是实现改造的关键。源于德国的近自然森林经营，是当今国际公认的一种先进的森林经营方法[10]。通过近自然经营，巴伐利亚州成功改造了针叶林，大幅提高了针阔混交和阔叶林比例，森林质量得到极大提升[11]。人工林不仅在生态防护、生态支撑和生态修复中发挥着重要作用，同时承担着供给能源、建设用材、美化景观和文化服务功能，是森林生态系统的重要组成[12]。随着生态环境意识日益提升，我国人工林的近自然经营越来越受到重视[13]。本研究以钟祥市盘石岭林场火炬松人工林近自然化改造为目标，探究目标树经营不同间伐强度对林下天然更新的初期影响，为促进火炬松纯林逐渐转化为异龄复层针阔混交林提供理论依据。

2 研究地概况

研究地位于湖北省钟祥市盘石岭国有林场(112°41′30″～112°45′32″E，31°07′56″～31°19′51″N)，总面积4514.63 hm2。该地属亚热带季风气候，四季分明、雨热同期。年均气温15.9 ℃，年降水量1000 mm，全年无霜期263 d。丘陵岗地地貌，坡度在5°～15°之间，海拔范围为9.2～248.4 m。土壤主要是由页岩、砾岩、砂岩和第四纪粘土母质形成的黄棕壤和黄褐色土。

研究林为2003年引种栽培的火炬松人工林，面积达2300 hm2。经观察发现火炬松前期生长优于乡土树种马尾松，15 a后生长缓慢。较高初植密度(2m×2m)导致枯死木多，且遇较大风雪火炬松会严重雪折，生长与适应性差于马尾松[9]。林下天然更新有少量栓皮栎(Quercusvariabilis)、盐麸木(Rhuschinensis)和黄檀(Dalbergiahupeana)等乔木树种幼苗和幼树。主要灌木有少量山胡椒(Linderaglauca)、白马骨(Serissaserissoides)和黄荆(Vitexnegundo)等；主要草本有青绿薹草(Carexbreviculmis)、高粱藨(Rubuslambertianus)、金樱子(Rosalaevigata)等。

3 研究方法

3.1 样地设置与调查

2020年10月选择立地条件与生长状况基本一致的17 a生人工火炬松林，设置一个100 m×100 m调查样地，总面积为1.0 hm2。在主林层选择生长旺盛、干形通直，无机械损伤和无病虫害的林木作为目标树，目标树平均间距约为8.0 m(162.6株/hm2)；同时选择影响目标树生长的干扰木，每株目标树选择1～3株干扰木。于同年11月月采伐干扰木，同时伐除枯死木和影响林木生长的藤蔓。根据采伐前后的林分蓄积计算获得平均间伐强度，即轻度间伐LT(14.4%)、中度间伐MT(25.3%)、强度间伐HT(36.0%)和对照CK(0%)。在不同采伐强度中设立62个5 m×5 m的方形样方，其中CK中6个，LT中17个，MT中23个，HT中16个，总面积1550 m2，用于持续观测林下天然更新。2020年11月初查样方内天然更新情况，2021年11月复查样方内天然更新的木本树种、数量和生长状况并每木标记挂牌。

3.2 测定指标与方法

3.2.1 重要值

统计样方内所有天然更新木本植物的种数，并计算物种重要值，公式如下：

IV= (RD+RP+RF)/3

(1)

式(1)中：IV表示更新物种的重要值；RD为相对多度；RP为相对优势度(1 a生更新苗优势度和相对优势度以苗高计算)；RF为相对频度[14]。

3.2.2 更新密度

应用更新密度描述林分的天然更新特征[15]。

(2)

3.2.3 更新物种多样性

应用物种多样性种数S、Shannon-Weiner指数、Pielou均匀度、Simpson指数描述更新多样性。

物种丰富度：R=S

Shannon-Weiner指数:

(3)

Pielou均匀度指数:

(4)

Simpson优势度：

(5)

式(3)～式(5)中：S为种i所在样方中物种的种数；Pi为第i个种数量占更新总株数的比例；ni表示某一物种的个体总数，N表示全部物种的个数。

4 结果与分析

4.1 天然更新物种组成

1 a后不同间伐强度更新物种重要值见表1。查样方内共调查到更新的维管束植物41种，隶属于24科36属。其中乔木18科23属25种。灌木14科15属16种。间伐1 a后，HT各样方共调查到物种31种，乔木18种，灌木13种；MT各样方共调查到物种31种，乔木19种，灌木12种；LT各样方共调查到物种27种，乔木17种，灌木10种；CK各样方共调查到物种15种，乔木11种，灌木4种；不同间伐强度天然更新物种种数均高于CK，乔木更新种的植物种数的增幅大于灌木层物种。

间伐1 a后，HT对应前10个重要值最大物种均为落叶乔木或灌木，且重要值之和达到了56.25%，优势种主要有栓皮栎、柘和乌桕等落叶乔木；MT对应前10个重要值最大物种均为落叶乔木或灌木，且重要值之和达到了55.72%，栓皮栎、乌桕和黄檀等落叶乔木为优势种；LT对应前10个重要值最大物种主要为落叶乔木或灌木，仅一个常绿灌木，重要值之和达到了68.45%，该间伐强度的物种组成发生变化，以苦槠、君迁子和柘等落叶乔木为主；CK对应前10个重要值最大物种主要为落叶乔木或灌木，仅一个常绿乔木，重要值之和达到了76.94%；除栓皮栎等乔木物种外，白马骨和美丽胡枝子等灌木物种的优势较强。随间伐强度增大，更新物种的种数相应增大，优势物种的组成发生变化，逐渐形成灌木主导向乔木主导过渡的趋势。

4.2 天然更新物种类别

间伐1 a后天然更新木本植物特征见表2。天然更新常绿木本物种丰富度随间伐强度增大而增大，落叶物种丰富度随间伐强度增大呈现先增大，HT强度减少。CK的常绿物种仅有1株樟，平均苗高即为单株苗高，为70 cm，不具有算术意义；整体而言，常绿物种平均苗高随间伐强度增大呈先降后增趋势；落叶物种随间伐强度增大而逐渐增大；落叶物种苗高大于常绿物种。不同间伐强度常绿物种数量先增后减，变化幅度较小，但落叶物种的数量远高于CK；常绿物种在CK的株树密度最小，但落叶物种在CK的株树密度最大，其他不同强度株树密度差异较小。不同间伐强度落叶物种的重要值远大于常绿物种。间伐促进了物种天然更新，且落叶更新物种在数量和优势度上均远高于常绿物种。

4.3 天然更新物种多样性

物种丰富度随间伐强度增大而增大；随间伐强度增大，Shannon-Weiner指数、均匀度指数和Simpson优势度指数均呈现减小—升高—减小；更新苗木平均高度先降再升，HT强度平均高度达最大值(36.9 cm)；株树密度CK最低(650株/hm2)，在LT时达到最大值(1359株/hm2)，后逐渐下降(表3)。

5 结论与讨论

目标树经营降低林分密度为目标单株提供良好的生长环境，改善林分内光资源的分配，进而影响林下植物的物种组成和更新[16]。本研究中，间伐后初期结果表明：目标树经营促进了火炬松人工林天然更新丰富度和更新数量，促进了更新林木的优势度，且落叶物种的数量和生长势均高于常绿物种。通过伐除对目标树生长有影响的干扰木，改善了火炬松林下环境，使光照、温度和土壤生化条件得以改善，有利于林下天然更新。除LT外，栓皮栎、柘、乌桕等阳性物种为不同间伐强度下天然更新的优势种或亚优势种，耐阴物种白马骨为CK的优势种，栓皮栎、柘和刺楸为亚优势种，说明间伐强度增大对先锋树种的影响并不明显，此结论与修勤绪等[17]研究目标树经营对黄土高原油松人工林天然更新影响得到的结果一致，一方面，说明林下光环境是喜光植物幼树生长、发育的重要限制性因子[18]；另一方面，先锋树种如栓皮栎等在幼苗阶段均具有一定的耐荫能力，不同间伐强度和CK大都表现出较高优势度。

适度的林分密度干扰能维持较高的物种多样性，提高树种混交度有利于减缓林木间的竞争程度[19]。天然更新和更新物种多样性在理论上应与间伐强度存在对应关系，即随间伐强度增大，物种丰富度越大。然而研究却发现，CK的平均苗高和较高的Simpson优势度，主要贡献因子来自美丽胡枝子、白马骨、山胡椒等灌木物种的苗高和数量优势。间伐强度增大对林下更新物种的Shannon多样性指数影响并不大。这可能由于Shannon多样性指数主要反映物种多样性的二元特征，间伐后短期内更新物种在数量分布上存在较大差异造成的。整体而言，目标树经营显著改善了火炬松人工林的光环境，增大间伐强度促进林下天然更新物种丰富度和林木数量，促进了物种的优势度和林下苗木的健康生长。而阔叶乡土树种的增加有利于促进林分的复层、异龄与混交构建[20]。天然更新短期效应表明，目标树经营适合鄂中地区人工火炬松林的近自然化改造目标。

表1 不同经营强度下火炬松林各更新木本植物重要值(%)

表2 天然更新木本植物特征

表3 天然更新木本植物物种多样性

综合评价天然更新丰富度、Shannon指数和Simpson优势度等指标，MT(25.3%)更有利于促进火炬松林下天然更新。由于本研究经营仅为1 a，目标树经营促进天然更新物种多样性和生长势长期效果待进一步研究。