林窗干扰对沙地樟子松人工林更新特征的影响1)

孙双红 朱宾宾 景璐 常金财

(呼伦贝尔市林业和草原科学研究所，呼伦贝尔,021000)(呼伦贝尔市林业和草原事业发展中心)(呼伦贝尔市林业和草原科学研究所)

胡磊 宋来萍 常青 孙玉芬

(呼伦贝尔市巴林林业局)(呼伦贝尔市林业和草原科学研究所)(呼伦贝尔市林业和草原局综合保障中心)(呼伦贝尔市林业和草原科学研究所)

林窗，通常是指因老龄树死亡或因偶然性因素导致成熟阶段优势树种死亡后，森林冠层空间在地面的垂直投影区域，又称林隙或林冠空隙[1-2]。林窗大小是林窗的基本特征之一，影响林窗内温度、湿度、光照等微环境，进而影响林窗内生物多样性及物种更新[3]。目前，国内专家学者对林窗特征做了大量研究，探讨了林窗的数量与密度、形状与大小结构、形成方式与时间、形成木种类与特征等[4-5]，研究范围涉及东北的阔叶红松林[6]、暗针叶林[7]、亚热带常绿阔叶林[8]、热带山地雨林[9]等森林类型。Collins et al.[10]、Meer et al.[11]对林窗的形成及林窗微环境对树种更新状况进行了研究。在森林生态系统中，林窗作为森林更新循环过程中的重要阶段，也是森林内的一种干扰方式[12]。近年来，在森林动态学中的研究表明，林窗在森林结构及多样性维持方面有着极其重要的作用，成为了当前森林生态学研究领域的热门话题之一[13-14]。20世纪90年代以来，呼伦贝尔地区大面积的沙地樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica)人工林出现自然更新困难、物种多样性锐减、生态功能下降、地力衰退等不同的衰退问题，并且目前沙地樟子松人工林仍在北方干旱、半干旱地区大面积推广，但有关沙地樟子松人工林林窗更新、林窗干扰特征等还缺乏深入的研究。为此，本研究以沙地樟子松人工林为研究对象，通过灰色关联分析法研究林木更新与环境因子的关系，并探讨沙地樟子松人工林受林窗大小干扰时，苗木更新、生长及分布状况，以期为沙地樟子松人工林的合理经营及管理提供参考。

1 研究区概况

本研究选取的研究区位于呼伦贝尔红花尔基镇樟子松林自然保护区、伊敏镇的护林站。红花尔基镇樟子松林自然保护区位于大兴安岭南段西坡、呼伦贝尔沙地东南部(118°55′5″～120°32′25″E，47°36′57″～48°35′32″N)。该区森林茂密、物种丰富，形成了特殊的沙地樟子松群落及生态系统，是我国北方重要的生态屏障[15]。该区气候为中温带大陆性季风气候，年平均温度1.1 ℃，年降水量为344～375 mm，主要集中在7、8月份，无霜期90 d左右，日照时间2 800 h。土壤为发育在砂质母质上的松林沙土，养分较低。

伊敏镇的护林站位于大兴安岭西侧、呼伦贝尔大草原东南部，气候属中温带大陆性气候，其特点是季风多而较大，冬季严寒而漫长，夏季短暂。多年平均气温-0.1 ℃，年平均生长期85 d，年平均无霜期90 d，年均降水量315.7 mm，降雨集中在每年7—9月，8月最多。土壤为发育在砂质母质上的松林沙土。

2 研究方法

2.1 野外调查方法

在全面了解沙地樟子松人工林的基础上，于2020年7、8、9、11月对样地进行调查。在施业区内选取大小不同的林窗20个，同时将林窗划分为4个面积等级(Ⅰ号林窗面积S≤50 m2，Ⅱ号林窗面积50 m2100 m2)。每个等级内选择5个林窗，作为5个重复，林窗附近设置相应面积林内对照20个。在每个林窗及林分内做更新调查，逐个记录樟子松幼苗及幼树的数量、高度、冠幅、年龄(枝轮数)。该试验区林窗主要形成方式为枯立木、人工砍伐、折枝等。试验样地基本属性如表1所示。

表1 林窗基本信息

2.2 林窗面积计算方法

林窗的面积利用全站仪在林窗边缘木林冠边缘打点，通过CAD软件计算。

林窗开敞度公式：

K=D/H，

式中：K为林窗开敞度；A为林窗面积；D为林窗平均直径；H为林窗边界木平均高[16]。

2.3 灰色关联系数及关联度

灰色关联分析时，将更新数量和环境因子看为1个整体，研究沙地樟子松人工林更新状况与各影响因子相关性。因子变量包括更新数量(x0)、林窗面积(x1)、开敞度(x2)、枯落物厚度(x3)。

原始数据变准化[17]：

(1)关联系数：

式中：ξi(k)为x0与xi在k点上的关联系数；|x0(k)-xi(k)|表示x0数列与xi数列在k点上的绝对差；minimink|x0(k)-xi(k)|为x0与xi在2,…,n上的最小绝对值，也称为二级最小差；maximaxk|x0(k)-xi(k)|为二级最大差；ρ为分辨系数，其取值在0～1，一般ρ=0.5。

(2)关联度计算公式

式中：Ri为关联度，i=0,1,…,20；ξi(k)为x0与xi在k点上的关联系数；n为标准地个数。

2.4 数据处理

数据采用Excel2007、SPSS19.0、CAD软件进行分析统计。

3 结果与分析

3.1 灰色关联分析

将林窗面积、枯落物厚度、林窗开敞度的关联度与参考数列进行对比，依据关联度小则关系疏远，关联度大则关系密切的原则[18]，比较林窗下环境因子对沙地樟子松幼苗更新的影响。由表2可知，影响林窗更新效果的不同环境因子关联度排序由大到小依次为林窗面积、林窗开敞度、枯落物厚度。可见，影响沙地樟子松林窗更新的主要环境因子是林窗面积。

表2 各环境因子关联系数及关联度

3.2 林窗大小对沙地樟子松幼苗更新密度的影响

不同林窗面积下，沙地樟子松幼苗更新密度存在一定差异。从表3可以看出，沙地樟子松幼苗更新密度在Ⅱ号林窗达到最大，为145株·m-2，Ⅰ号林窗更新密度最小，为19株·m-2，Ⅲ号林窗、Ⅳ号林窗更新密度分别为64、31株·m-2，林内对照更新密度为60株·m-2。总体上沙地樟子松幼苗更新密度由大到小依次为Ⅱ号林窗、Ⅲ号林窗、林内、Ⅳ号林窗、Ⅰ号林窗。林窗面积不同，沙地樟子松幼苗更新密度不同，可能与林窗特征(形成方式、边缘木高度、年龄、形状等)以及林窗立地条件(坡度、坡向、微环境、凋落物厚度等)有关，需进一步研究加以证实。

表3 林窗及林内沙地樟子松更新密度

3.3 林窗大小对沙地樟子松幼苗生长状况的影响

由表4、表5、表6可以看出，林窗大小对沙地樟子松幼苗的生长指标(树高、冠幅、年龄)有显著影响，处于不同发育时期的沙地樟子松更新苗对林窗大小反应的趋势亦不相同。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号林窗中占比最大，分别为77.93%、78.62%，且该等级在Ⅱ号林窗内1年生及2年生更新苗占比亦最大，为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号林窗占比次之，均为78.13%，该等级在Ⅲ号林窗内以1年生、2年生更新苗为主，个别更新苗为6～9年生，9～12年生更新苗零星分布。高度在90～110 cm的苗木仅在Ⅲ号林窗内少有分布。进而发现，在林窗中以低矮植株(50 cm以下)为主，占比93.82%；冠幅以10 cm以下为主，占比77.22%；年龄多为1年生及2年生幼苗，3年生及其以上年龄更新苗整体偏少。随着高度的增加、冠幅增大，更新苗数量减少。伴随沙地樟子松幼树年龄的增加，樟子松单株天然更新苗年龄结构具有明显断龄现象。由表4、表5、表6还可以看出，当林窗面积为50 m2

表4 林窗及林内樟子松幼苗高度(h)对比

表5 林窗及林内樟子松幼苗冠幅(P)对比

表6 林窗及林内樟子松幼苗年龄(A)对比

3.4 沙地樟子松更新苗空间分布

以林窗中心为原点，分别向东南西北4个方向延伸画坐标轴，来表现樟子松更新苗空间分布。由图1、图2、图3、图4可以看出，Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅳ号林窗内，樟子松更新苗在东南方向呈现出群聚状态，东北、西北、西南方向呈现出随机生长状态；Ⅱ号林窗内，樟子松更新苗在东南、西南方向呈现出群聚状态，东北、西北方向呈现随机生长状态。调查还发现，在Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号林窗中，樟子松更新苗均出现一定数量枯立木，此现象的主要原因是种内、种间竞争导致的自疏；而在Ⅳ号林窗，枯立木鲜有出现。

图1 林窗面积S≦50 m2樟子松更新苗空间分布

图2 林窗面积50 m2

图3 林窗面积80 m2

图4 林窗面积S>100 m2樟子松更新苗空间分布

4 结论与讨论

本研究中沙地樟子松幼苗更新密度在林窗面积50 m2

林窗内沙地樟子松更新苗主要以低矮植株(50 cm以下)为主，冠幅主要是10 cm及以下，年龄多为1年生及2年生幼苗，且随着高度的增加、冠幅增大，更新苗数量减少，这可能是林窗边缘木对更新苗产生的显著受压现象。研究还发现，随着沙地樟子松幼苗年龄的增加，单株天然更新苗年龄结构具有明显断龄现象，这是因为在长时间干旱和频繁的大风影响下，个别长势弱的更新幼苗水分亏缺，使其难以越冬，即使成功越冬，也会因为第2年春季降水少、土壤蒸发量大，从而导致更新幼苗死亡。但长势强的更新幼苗成活下来后不断生长，林窗内小气候也随之改变，使其能够正常成长发育，这与刘淑玲等[23]、闫婷等[24]、Grogan et al.[25]的更新试验结果相似。调查中也发现，当林窗面积为50 m2

沙地樟子松更新苗在林窗的东南方向群聚生长，当林窗面积为50 m2100 m2时，存活下来的幼苗、幼树数量有限，种间竞争也小，故枯立木鲜有出现。

综上所述，林窗内的更新与林窗面积有着密不可分的关系。对于30年生的沙地樟子松人工林来说，可以人为制造林窗，为其更新创造条件。林窗的面积开始应控制在50 m2