华北落叶松林林分密度对林下更新影响研究

2024-06-05 00:00:00陈欣韩有志

摘要:[目的]华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)是寒温带针叶林的优势树种之一。探究华北落叶松的更新特征,可为深入探测华北落叶松林天然更新潜在的生态学机制提供依据。[方法]以关帝山华北落叶松林为研究对象,设置3 种林分密度类型,分析不同林分密度林下更新苗组成、结构及空间格局特征。[结果]中密度(825~875 株·hm-2)华北落叶松林林下更新状况良好,更新苗数量明显增多(3500 株·hm-2),低龄级更新苗较多,高龄级的更新苗相对较少,更新苗龄级结构呈连续及相对稳定的分布;而低密度(575~700 株·hm-2)和高密度(1000~1125 株·hm-2)华北落叶松林下更新不佳,更新苗数量明显减少(≤1250 株·hm-2),高密度林下更新苗龄级结构间断,幼苗到幼树的过渡不连续。从更新苗的生长情况看,低密度林分中林下更新苗的株高、地径生长表现最好。更新幼树中的优势树种在3 种密度的林分中均呈现明显的集聚分布。低密度和中密度华北落叶松林下更新幼苗的空间异质性强,高密度林下更新幼苗的空间异质性弱。更新幼苗空间变异主要由结构性因素引起。[结论]林分密度过密或过疏都不利于华北落叶松更新,及时进行密度调控有利于华北落叶松林的可持续发展。

关键词:华北落叶松;林分密度;更新苗;格局特征

中图分类号:S791.18 文献标识码:A 文章编号:1671-8151(2024)02-0110-09

森林更新是森林种群自我繁衍、延续的途径[1-2],直接影响森林资源的维持和永续经营[3],在群落结构稳定及演替中发挥重要作用。森林更新中天然更新作为一种自然恢复机制,具备较高的生态适应性和相对较低的成本[4]。幼苗幼树是天然更新过程中种群发展的主要载体,其存活和生长状况受到多种生物因素和非生物的影响,主要包括林分因子、竞争关系、光照、微地形、土壤质量等[5-10]。

林分密度作为影响森林天然更新重要因素的林分因子,往往通过对林内微环境、灌草植被、凋落物及土壤理化性状等的影响[11-14],从而影响林分发育、林分质量、蓄积量、树种更迭及个体分布。贾亚运等[15]探讨造林密度对杉木幼林生长的影响,结果表明,杉木林分平均树高、胸径、单株材积和蓄积量均随着造林密度的增大呈现先增大后减小的规律。欧芷阳等[16]研究密度对蚬木天然更新的影响,发现乔木密度的增加,使幼苗数量减少,有利于幼苗地径和株高生长。陈聪琳等[17]调查不同密度路域巨桉人工林群落结构和物种多样性,结果显示,高密度林分会限制小胸径级和高度级个体生长,群落逐渐衰退。冯燕辉等[18]研究不同密度华北落叶松林林下枯落物及土壤特征,发现适中的林分密度可改善土壤结构,利于土壤养分积累,促进林木更新和生长发育。米爽等[19]比较不同抚育采伐强度的针阔混交林幼苗更新状况后发现,土壤温度随林分密度的降低而增加,林下生境得以改善,促进更新苗生长。这些研究主要从林分密度影响林内生境,进而影响林下更新的角度进行,但对不同林分密度条件下幼树幼苗的更新状况研究相对较少。

华北落叶松是华北地区寒温带针叶林的主要树种之一,是水源涵养和水土保持的重要森林类型。因此,探究华北落叶松的更新特征, 对华北落叶松林的可持续经营,维持森林群落的稳定性具有重要意义。本研究分析关帝山不同密度华北落叶松林下更新苗组成、结构及空间格局特征,以期为深入探测华北落叶松林天然更新潜在的生态学机制提供依据。

1 研究区概况

研究地区位于山西省关帝山林区(37º45′~37º59′N,111º24′~111º37′E),海拔1800~2831 m。本区属温带大陆性气候,年均温4. 3 ℃ ,最低气温−12. 4 ℃,最高气温18 ℃,无霜期平均为100~130 d,年均降水量825 mm。土壤为山地棕壤。研究区主要乔木有华北落叶松(Larix principisrupprechtii)、白杄(Picea meyeri)、青杄(Picea wil⁃sonii)、油松(Pinus tabulaeformis)、红桦(Betula al⁃bosinensis)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Popu⁃lus davidiana)等。常见灌木有:北京花楸(Sorbusdiscolor)、金花忍冬(Lonicera chrysantha)、刚毛忍冬(L. hispida)、毛榛(Corylus mandshurica)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)、山刺玫(Rosa davu⁃rica Pall. )等。常见草本有:紫菀(Aster tatari⁃cus)、老鹤草(Geranium wilfordii)、东方草莓(Fragaria orientalis) 、小红菊(Dendranthemachanetii)、黑柴胡(Bupleurum smithii Wolff)、瓣蕊唐松草(Thalictrum petaloideum)等。

2 研究方法

2. 1 样地设置

2020 年6 月-9 月,在全面踏查和样地实测基础上,选择立地条件相似,密度梯度不同的华北落叶松纯林标准样地12 个(20 m×20 m),设3 种林分密度类型,即低密度(575~700 株·hm-2)、中密度(825~875 株·hm-2)、高密度(1000~1125 株·hm-2),每个类型4 个样地,重复数为4。样地调查包括:乔木树种种类、数量、胸径、树高,用生长锥测定其林龄;林下更新苗的数量、地径、高度、林龄;样地基本情况见表1。

2. 2 群落调查

(1)分树种进行每木检尺,记录胸径、树高等生长指标。同时在每个样方内将西南角标记为坐标原点(0,0),建立统一坐标系,将东西方向标记为X轴,南北方向为Y轴,记录立木的坐标。(2)将样地分成5 m×5 m 样方,调查样方内更新苗。统计幼树和幼苗种类和株数,记录苗高、地径和年龄,并记录空间位置坐标。幼树指直径10 cm 以下,树高2 m 以上的树木;幼苗指树高≤2 m 的树木。

2. 3 数据分析方法

2. 3. 1 方差均值比法

运用方差均值比(S2/X)法,分析更新幼树分布特征:S2/X=1 时,随机分布;S2/Xlt;1 时,均匀分布;S2/Xgt;1 时,聚集分布。

2. 3. 2 变异函数分析方法

依据变异函数分析[20],结合Kriging 插值,绘制Kriging 插值图,分析更新苗空间格局特征[21]。

3 结果与分析

3. 1 不同林分密度林下更新苗组成及密度

不同林分密度林下更新苗组成及密度见表2。可见,不同林分密度林下更新苗组成相同,均出现华北落叶松、桦树和辽东栎更新苗。但从更新密度来看,随着林分密度增加,更新苗密度呈先增加后减少趋势,中密度(825~875 株·hm-2)时更新苗密度达最大,呈中密度林分更新苗(3500 株·hm-2)gt;低密度林分更新苗(1650 株·hm-2)gt;高密度林分更新苗(1250 株·hm-2)的趋势。

3. 2 不同林分密度林下更新苗年龄结构特征

不同林分密度林下更新苗的年龄结构见图1。样地调查结果显示,林下更新幼苗年龄范围在1~8 a,由于5 a 以上幼苗更新数量较少,将5~8 a 更新苗归为同一组(≥5 a)。由图1 可以看出,低密度林分更新苗种群的年龄结构呈偏正态分布,低龄级和高龄级更新苗的个体数较少,3~4 a 更新苗数量远大于其它年龄段,个体数以4 a 最多,为36. 4%。中密度林分中,低龄级更新苗占总株树的72. 2%,高龄级的更新苗相对较少,呈逐渐减少指数型的龄级结构。高密度林分中,更新苗个体数量相对较少,林下1~2 a 更新苗占绝大多数,更新苗在2 a 之后急剧减少,出现部分更新苗龄级缺失现象。由图2 可以看出,林下更新苗以华北落叶松为主,伴随有少量的桦树和辽东栎。

3. 3 不同林分密度林下更新苗生长结构特征

林下更新苗的株高和地径分布见图3。由图3 可以看出,更新苗的株高和地径分布在不同密度林分中差异明显。更新苗的平均株高在低密度林分最大,为38 cm,其次是中密度林分、高密度林分,分别为26、21 cm,更新苗的平均株高表现为低密度gt;中密度gt;高密度的倒J 型曲线。更新苗的最大平均地径出现在低密度林分中,为0. 42 cm,明显高于中密度(0. 25 cm)和高密度林分(0. 22 cm),具体表现为:低密度gt; 中密度gt; 高密度。

林下各树种更新苗的株高和地径分布见图4。由图4 可以看出,各树种更新苗的平均地径和株高在不同密度林分中差异显著。平均地径和株高都在华北落叶松更新苗中出现最大值,说明华北落叶松幼苗在更新苗中处于优势地位。各树种更新苗地径和株高均表现为低密度gt;中密度gt;高密度的倒J 型曲线。

3. 4 不同林分密度林下更新格局特征

3. 4. 1 林下更新幼树的分布特征

每个样地16 个5 m×5 m 的小样方,分样地计算小样方内更新幼树胸高直径分布,见表3。计算不同树种更新幼树S2/X 比值,分析其分布特征。从表3 可以看出,各更新幼树在3 种林分密度下的方差均值比均大于1,呈集聚分布。

从更新幼树分布情况来看(图5),3 种林分密度林下,优势树种均呈集聚分布。同一更新树种在一地区集聚分布,其它地区散生或无分布。不同更新树种呈现出明显的镶嵌分布。更新幼树中,华北落叶松胸高断面积大,呈零星状分布;桦树和辽东栎胸高断面积虽不大,但其密度却很大,表现出显著的聚集性。

3. 4. 2 林下更新幼苗的空间分布格局分析

对不同密度林下更新幼苗进行变异函数分析,进行模型拟合(表4)。依据模型参数,分析更新幼苗的空间格局特征。

从表4 可以看出,低密度林分中,林下更新苗基台值为35. 81,空间结构比为0. 64,更新幼苗中64% 的空间变异由结构性因素引起,36% 的空间变异由随机性因素引起。高密度林分中,更新苗的基台值为8. 59,空间结构比为0. 85,更新幼苗中85% 的空间变异由结构性因素引起,15% 的空间变异由随机性因素引起。随着林分密度的增大,林下更新苗基台值减小,空间结构比增大,结构性因素对空间变异中的影响增大,随机性因素作用减小。

基于变异函数分析,估计Kriging 插值,绘制更新幼苗Kriging 插值图(图6),评价更新幼苗的空间分布格局。从图6 可以看出,低密度和中密度华北落叶松林下更新幼苗的空间异质性强,高密度林下更新幼苗的空间异质性弱。随着林分密度的增加,林下更新苗的空间异质程度降低。

4 讨论

4. 1 林分密度对更新苗组成及密度的影响

林分密度是影响森林天然更新的重要因子,密度变化对林下光照强度、水分含量、枯落物蓄积量、土壤养分含量等生态因子均有很大的影响,进而一定程度影响林内种子萌发和幼树生长。本研究表明,中密度华北落叶松林更新状况良好,过疏和过密林分更新状况不佳。这与康冰等[22]、张希彪[23]和卫舒平[24]研究结果一致。林分密度过低,林下太阳辐射强度强,影响种子发芽和灌草植物的光照、水分和养分竞争,抑制幼苗存活。林分密度增大,林下太阳辐射强度降低,促进更新苗存活。然而林分密度过大,林下种间、种内竞争加强,林木生长受到抑制,导致死亡率增加。

4. 2 林分密度对更新苗年龄结构的影响

更新种群的更新密度和年龄结构反应种群的更新潜力和延续能力[25-26]。本研究中,低密度林分更新苗的年龄结构呈偏正态分布;中密度林分的更新苗数量最多,而且从低龄级到高龄级更新苗的个体数呈倒J 型分布,表现出了更为稳定的更新结构[27];高密度林分中的更新苗个体数量相对较少,甚至部分龄级没有更新苗,呈现出有间隔的年龄波。这与王旭刚[28]研究结果一致。低密度林分,荫蔽程度较低,更新苗初期生长遭遇强烈光照,导致低龄级更新苗存活率低。中密度林分,荫蔽程度与光照资源相对平衡,更新苗存活率高,数量多,但随着更新苗对光照、水分和养分等需求增大,种群发生自疏和它疏,死亡率增大,个体数量递减。高密度林分,更新苗接受不到充足的阳光,从而影响更新苗的存活。

4. 3 林分密度对更新苗生长结构的影响

不同林分密度内林内资源不同[29-30],间接影响更新苗的生长[31]。本研究中林下更新苗的株高和地径在不同密度林分中差异明显。更新苗的生长指标(株高、地径)在低密度林分中表现最好。在低密度林分中,更新苗能够获得充足的伸展空间和较好的光照条件,另外生长条件良好,使得种内竞争小,营养物质多,更新苗不会受到养分、水分以及生存空间等资源不足的限制。

4. 4 林分密度对林下更新格局的影响

森林群落空间分布格局受树种特性、物理环境、干扰等因素的影响[32],具有高度的空间异质性。本研究中不同林分密度林下更新苗的分布格局不同。更新幼树中的优势树种集聚分布。更新幼苗空间变异主要由结构性因素引起,随着林分密度的增大,更新苗空间异质强度降低。但本研究中林分种类少、研究样地有限,林下更新苗的空间分布格局研究粗浅,今后应综合各因子的作用及影响程度,深入探究林分因子的异质性及其相关性。

5 结论

分析不同林分密度林下更新苗组成、结构及空间格局特征,结果表明中密度(825~875 株·hm-2)华北落叶松林下更新良好,更新苗数量明显增多(3500 株·hm-2),低龄级更新苗较多,高龄级的更新苗相对较少,更新苗龄级结构呈连续及相对稳定的分布;而低密度(575~700 株·hm-2)和高密度(1000~1125 株·hm-2)华北落叶松林下更新不佳,更新苗数量明显减少(≤1250 株·hm-2),高密度林下更新苗龄级结构间断,幼苗到幼树的过渡不连续。从更新苗的生长情况看,低密度林分中林下更新苗的株高、地径生长表现最好。更新幼树中的优势树种在3 种密度的林分中均呈现明显的集聚分布。低密度和中密度华北落叶松林下更新幼苗的空间异质性强,高密度林下更新幼苗的空间异质性弱。更新幼苗空间变异主要由结构性因素引起。林分密度过密或过疏都不利于华北落叶松更新,及时进行密度调控有利于华北落叶松林可持续发展。但具体林分密度为多少时更有利于华北落叶松更新苗生长和更新,还有待进一步研究。

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(编辑:郭玥微)