甘肅小隴山5種灌木林改造模式林分結(jié)構(gòu)與樹種多樣性研究

甘肅小隴山5種灌木林改造模式林分結(jié)構(gòu)與樹種多樣性研究

森林可持續(xù)管理是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的必然選擇。實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)管理的基礎(chǔ)是有一個(gè)穩(wěn)定的森林，并且健康穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)需要各種功能，如生物多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性、空間異質(zhì)性和各種空間。林分更新改造是林業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,也是提高林地生產(chǎn)力,增加林地蓄積量的一項(xiàng)重要措施,對(duì)森林的恢復(fù)、保護(hù)和發(fā)展具有積極的作用。不同的改造模式主要體現(xiàn)在樹種選擇、改造方式、撫育方法以及林分結(jié)構(gòu)等方面;評(píng)價(jià)一種改造模式的優(yōu)劣,不僅要對(duì)改造后短期內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),更重要的是對(duì)成林后的林分狀態(tài)進(jìn)行研究。以往的研究較多注重從林木的成活率、保存率、樹高、地徑、冠幅、蓄積、生物量等生長(zhǎng)狀態(tài)方面評(píng)價(jià),忽視了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)。甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局自20世紀(jì)60年代以來(lái),在全局范圍內(nèi)開展了次生林培育技術(shù)研究,經(jīng)過20多年的反復(fù)實(shí)踐,總結(jié)出了以場(chǎng)定居、以區(qū)輪作,以溝系為單位,因林因地制宜地采用撫育、改造、造林、采伐、封育等綜合培育次生林的技術(shù),并大面積推廣,取得了較好的實(shí)效。對(duì)于該地區(qū)各種灌木林地改造林分幼、中齡階段生長(zhǎng)狀態(tài)效果有過調(diào)查報(bào)道,但在成林以后,未進(jìn)行過調(diào)查評(píng)估。因此,從現(xiàn)代可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和發(fā)揮森林多種效益的角度進(jìn)行評(píng)估總結(jié)顯得十分必要。本研究選取小隴山改造時(shí)間較長(zhǎng),具有代表性的5種灌木林地改造模式,試圖通過分析其林分組成、結(jié)構(gòu)特征、樹種多樣性等來(lái)評(píng)價(jià)各造林模式的優(yōu)劣,為今后該地區(qū)合理地進(jìn)行低產(chǎn)灌木林林地改造及經(jīng)營(yíng)提供借鑒。1灌木林林地改造小隴山林區(qū)位于甘肅省東南部,地處秦嶺西端,在我國(guó)華中、華北、喜馬拉雅、蒙新四大自然植被區(qū)系的交匯處(104°23′～106°43′E,33°31′～34°41′N),是暖溫帶向北亞熱帶過渡的地帶,兼有我國(guó)南北氣候特點(diǎn),大多數(shù)地域?qū)倥瘻貪駶?rùn)-中溫半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候類型。年平均氣溫7～12℃,極端最高氣溫39.2℃,極端最低氣溫-23.2℃,年平均降水量600～900mm,林區(qū)相對(duì)濕度達(dá)78%,年日照時(shí)數(shù)1520～2313h,無(wú)霜期130～220d,干燥度0.89～1.29。區(qū)內(nèi)的地帶性土壤秦嶺以北為灰褐土,以南為黃褐土。土層厚度30～60cm,較濕潤(rùn),pH值6.5～7.5,有機(jī)質(zhì)含量高,一般N含量中度,P、K含量較低。由于小隴山林區(qū)特殊的地理位置,加上特殊的環(huán)境條件,生物的地理成分、區(qū)系成分復(fù)雜多樣,是甘肅生物種質(zhì)資源最豐富的地區(qū)之一。小隴山林區(qū)海拔2200m以下主要是以銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrataMaxim.)和遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz.)為主的天然林;由于長(zhǎng)期破壞和不合理的利用,形成了多代萌生的灌木林,在櫟林帶內(nèi)分布華山松(PinusarmandiFranch.)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、山楊(PopulusdavidianaDode.)、漆樹(ToxicodendronverniciflumF.A.Berkley)、冬瓜楊(PopuluspurdomiiRehd.)、網(wǎng)脈椴(TiliapaucicostataMaxim.var.dictyoneura(V.Engler)ChangetMa)、少脈椴(TiliapaucicostataMaxim.)等喬木樹種,灌木有美麗胡枝子(LespedezathunbergiiNakai)、光葉繡線菊(SpiraeajaponicaL.f.var.fortuneiRehd.)、中華繡線菊(SpiraeachinensisMaxim.)、胡頹子(ElaeagnuspungensThunb.)等。小隴山灌木林林地改造分為全面割灌改造與帶狀割灌改造兩大類。全面割灌改造是在天然灌木林地上進(jìn)行全面清理灌木與雜草,保留有益的母樹、幼樹和幼苗,在山脊兩側(cè)各留5m寬的邊際隔離帶,進(jìn)行穴狀整地,整地規(guī)格為40cm×40cm×30cm,造林密度為4950株·hm-2,植苗后到郁閉前對(duì)幼林進(jìn)行3～5次撫育,成林后每隔10～15a進(jìn)行一次撫育間伐,間伐強(qiáng)度為20%～40%,主要有華山松林、油松林和日本落葉松林3種造林模式;帶狀割灌改造是在天然灌木林地上進(jìn)行帶狀割草除灌,保留有益的母樹、幼樹和幼苗,灌木割除帶一般寬8～12m,保留帶為2～4m,山脊兩側(cè)保留5m寬的邊際隔離帶,穴狀整地,規(guī)格為40cm×40cm×30cm,造林密度為3330株·hm-2,植苗后到郁閉前對(duì)幼林進(jìn)行3～5次撫育,至今尚未進(jìn)行撫育間伐,主要有華山松林與油松林2種造林模式。2學(xué)習(xí)方法2.1調(diào)查方法及標(biāo)準(zhǔn)2007年7月,在小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局李子園林場(chǎng)張家大溝營(yíng)林區(qū)選取2片全面割灌改造的模式林分,造林樹種為華山松(模式1)、油松(模式2);在李子營(yíng)林區(qū)選取全面割灌的日本落葉松改造模式(模式3);在舒家壩營(yíng)林區(qū)選取2個(gè)帶狀割灌改造模式,造林樹種為華山松(模式4)和油松(模式5)。對(duì)5種不同改造模式的典型林分進(jìn)行抽樣調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括郁閉度、斷面積、坡度、林分平均高、樹種、直徑及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。郁閉度調(diào)查采用投影法,每個(gè)林分至少調(diào)查5個(gè)點(diǎn),取其均值;斷面積調(diào)查采用角規(guī)在角規(guī)點(diǎn)繞測(cè)360°的方法,角規(guī)測(cè)點(diǎn)數(shù)隨機(jī)選取5個(gè)以上,當(dāng)在坡度較大的林分內(nèi)進(jìn)行調(diào)查時(shí),采用角規(guī)點(diǎn)整體改正的方法進(jìn)行坡度改正;坡度與林分平均高用激光判角器進(jìn)行測(cè)量,坡度測(cè)量點(diǎn)至少3個(gè),取其均值;林分平均高為3株以上中等大小林木的平均值;樹種、直徑及空間結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查采用點(diǎn)抽樣的方法,即從一個(gè)隨機(jī)點(diǎn)開始,每隔一定距離(以調(diào)查的參照樹的最近4株相鄰木不重復(fù)為原則)設(shè)立一個(gè)抽樣點(diǎn),在林分中走蛇形線路,以激光判角器作為輔助設(shè)備,調(diào)查距抽樣點(diǎn)最近4株胸徑大于5cm樹的空間結(jié)構(gòu)參數(shù),包括角尺度、大小比數(shù)、混交度及其屬性(樹種名稱、胸徑大小),同時(shí)調(diào)查參照樹與相鄰樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元的成層性和樹種數(shù),在一個(gè)改造模式坡面上設(shè)立20個(gè)抽樣點(diǎn),每個(gè)抽樣點(diǎn)調(diào)查4個(gè)參照樹的信息,每個(gè)參照樹涉及5株樹,共調(diào)查20×4×5=400株樹的信息。2.2混交度及樹種多樣性比較不同造林模式林分特征因子,分析各林分的空間結(jié)構(gòu)特征。林分空間結(jié)構(gòu)特征分析以空間結(jié)構(gòu)單元分析為基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)參數(shù)有角尺度、混交度、大小比數(shù)。角尺度(Wi)用來(lái)描述相鄰樹木圍繞參照樹i的均勻性。混交度(Mi)用來(lái)說明混交林中樹種空間隔離程度,它被定義為參照樹i的4株最近相鄰木中與參照樹非同種個(gè)體所占的比例。大小比數(shù)(Ui)描述林木大小的分化程度,被定義為大于參照樹的相鄰木數(shù)占所考察的4株最近相鄰木的比例。樹種多樣性用Shannon-Wiener指數(shù)來(lái)表征,本研究也選用了修正的林分混交度均值(MˉˉˉˉΜˉ)公式表達(dá)樹種多樣性:Mˉˉˉˉ=15N∑(Mini)Μˉ=15Ν∑(Μini)式中:N表示所調(diào)查的林木株數(shù);Mi表示第i株樹的混交度;ni表示第i株樹所處的結(jié)構(gòu)單元中樹種個(gè)數(shù)。公式不僅反映的是林分的平均混交狀態(tài),更重要的是對(duì)樹種多樣性的表達(dá)。3結(jié)果與分析3.1各造林模式下林分平均高、郁閉度以及密度從表1可知,5種灌木林改造模式均在坡度較陡、海拔較高的陰坡或半陰坡上進(jìn)行,林齡到目前為止最短的也達(dá)25a;全面割灌栽植華山松模式(模式1)的郁閉度、公頃斷面積以及林分平均高在5種造林模式中最高,說明其具有較高的生產(chǎn)力;全面割灌栽植日本落葉松模式(模式3)的林分平均高較高,但其郁閉度、公頃斷面積則較小;帶狀割灌栽植華山松(模式4)和油松(模式5)的林分平均高與平均直徑較小,但其公頃斷面積并不是最低的,這與其林齡小,單位面積上林木株數(shù)多,沒有進(jìn)行間伐有關(guān)。林分是區(qū)劃森林的最小地域,通過對(duì)林分特征的研究,掌握森林的特征,才能正確認(rèn)識(shí)和經(jīng)營(yíng)管理好森林。3.2林分多樣性的多樣性各造林模式的樹種數(shù)、樹種多樣性指數(shù)以及修正的林分的平均混交度如表2所示。表2表明,模式4無(wú)論是樹種數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù),還是林分平均混交度都是最高的,林分中除了當(dāng)?shù)氐某Ｒ姺N外,還有木姜子、唐棣等稀有種,模式5的多樣性在5種造林模式中居第2位,除常見種外,還有鹽膚木出現(xiàn);模式3與模式1、模式2相比,樹種數(shù)均為7種,但模式3的Shannon-Wiener指數(shù)和林分平均混交度則較低,在5種模式中是最低的,模式1的Shannon-Wiener指數(shù)較模式2高,但其林分混交度卻低于模式2。以上分析說明,帶狀割灌造林無(wú)論是樹種數(shù)、多樣性指數(shù)還是林分平均混交度都較全割灌造林高,更有利于提高林分的樹種多樣性。3.3林分密度、混交度與密度的關(guān)系3.3.1直徑分布本文對(duì)小隴山5種不同林分類型內(nèi)胸徑大于5cm的針、闊葉樹進(jìn)行了調(diào)查,5種不同灌木林地改造模式的直徑分布特征見圖1。圖1表明,模式1的林分直徑分布是小徑木與中等大小胸徑樹木占多數(shù),大徑木比例較小;模式2與模式3的林分直徑分布則是中等大小林木株數(shù)占多數(shù),小徑木與大徑木較少;模式4與模式5小徑木占絕大多數(shù),隨著徑階的增加,林木株數(shù)逐漸減少,表現(xiàn)出一定的異齡林直徑分布倒“J”型的特征。灌木林地改造后的林分直徑結(jié)構(gòu)并沒有表現(xiàn)出純林直徑結(jié)構(gòu)特征,對(duì)全面割灌清理改造而言,一方面是由于間伐利用后直接改變了林分的直徑結(jié)構(gòu),另一方面,林分由于間伐而與天然更新起來(lái)的闊葉樹種形成混交,從而對(duì)林分的直徑結(jié)構(gòu)也有較大的影響;對(duì)帶狀割灌改造模式林分沒有進(jìn)行過間伐,但由于其原先保留的灌木帶中出現(xiàn)了許多闊葉喬木,從而具有一定的異齡混交林的直徑分布特征,這兩種改造模式對(duì)恢復(fù)當(dāng)?shù)刈匀恢脖挥薪梃b意義。林分內(nèi)各種大小直徑的樹木的分配狀態(tài),將直接影響樹木的樹高、干形、材積、材種、樹冠等因子的變化。許多研究表明,同齡人工純林的直徑分布遵從正態(tài)分布,即林分直徑形成一條以林分算術(shù)平均直徑為峰點(diǎn)、中等大小林木株數(shù)占多數(shù)、向其兩端徑階株數(shù)逐漸減少的單峰、左右近似于對(duì)稱的山狀曲線。3.3.2空間結(jié)構(gòu)特征角尺度Wi的取值有5種:0.00、0.25、0.50、0.75和1.00,分別表示相鄰木在參照樹周圍分布很均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻和很不均勻5種情況;林分平均角尺度(WˉˉˉˉWˉ)落在[0.475,0.517]內(nèi),說明林分內(nèi)林木整體分布格局屬隨機(jī)分布,WˉˉˉˉWˉ>0.517林分內(nèi)林木的分布為團(tuán)狀,WˉˉˉˉWˉ<0.517時(shí)為均勻分布[。表3表明,全面割灌改造模式1、模式2、模式3的角尺度明顯小于0.475,林木分布的均勻性由于間伐而有所降低,但林木分布格局目前仍為均勻分布;帶狀割灌改造模式(模式4、5)的角尺度均比全面割灌改造模式的高,這表明帶狀割灌改造能夠減少均勻性而增加隨機(jī)性,使林分更接近自然。混交度(Mi)用來(lái)說明混交林中樹種空間隔離的程度,Mi的5種取值,即0.00、0.25、0.50、0.75和1.00,對(duì)應(yīng)于通常所講的混交度的描述即為零度、弱度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交。圖2表明,5種造林模式的林分平均混交度都不高,處于弱度混交與中度混交的過渡類型;各林分調(diào)查單元中林木處于零度混交的比例較高,均達(dá)到30%以上,模式3甚至達(dá)到了52.5%,這也體現(xiàn)了5種林分的人工林起源;林分中林木處于弱度混交的比例也較高,模式1為36.3%,模式5為29.5%,其它幾個(gè)模式也達(dá)到了15%以上;各模式中林木處于中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交的比例總計(jì)約占1/3左右。大小比數(shù)的5種取值(0.00、0.25、0.50、0.75和1.00)對(duì)應(yīng)于調(diào)查單元林木狀態(tài)的描述,即優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)、絕對(duì)劣態(tài),它明確定義了被分析的參照樹在該結(jié)構(gòu)塊中所處的生態(tài)位,且其生態(tài)位的高低以中度級(jí)為嶺脊,生物意義十分明顯。圖3表明,5種改造模式建群種的大小比數(shù)只有模式4大于0.5,模式5接近0.5,處于中庸?fàn)顟B(tài),其它模式的建群種則處于亞優(yōu)勢(shì)向中庸過渡狀態(tài);分析各林分的建群種大小比數(shù)分布表明,模式1、2、3的建群種在林分中處于優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)地位的林木分別為52.4%、49.2%和55.2%,而模式4與模式5建群種在林分中處于優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)地位的林木分別為32.8%和41.9%;模式1、2、3經(jīng)過了2～3次不同程度的撫育間伐,林內(nèi)大徑木逐漸減少,林下更新增加,使林分造林樹種從優(yōu)勢(shì)木轉(zhuǎn)變?yōu)閬唭?yōu)勢(shì);對(duì)于帶狀割灌造林模式來(lái)說,至今尚未進(jìn)行撫育間伐,造林時(shí)又保留了一部分灌木和幼苗、幼樹,經(jīng)過一定時(shí)期的生長(zhǎng),林內(nèi)其它樹種的大小比數(shù)并不亞于造林樹種,從而使林分內(nèi)林木個(gè)體大小比數(shù)總體上處于中庸?fàn)顟B(tài)。4全面割灌改造模式的樹種多樣性(1)全面割灌清理改造華山松模式具有最高的郁閉度、公頃斷面積以及林分平均高,從木材生產(chǎn)的角度來(lái)說是生產(chǎn)力最高的改造模式。(2)5種改造模式的直徑分布結(jié)構(gòu)沒有表現(xiàn)出典型人工純林的直徑分布特點(diǎn),林分直徑分布結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模式1的大徑木比例較小,模式2、3則是中等大小林木占多數(shù),大徑木、小徑木比例較小,而模式4、5則表現(xiàn)出一定的異齡混交林倒“J”型的特點(diǎn)。(3)帶狀割灌造林較全面割灌造林更有利于提高林分的樹種多樣性,能夠減少均勻性而增加隨機(jī)性;5種林分平均混交度都很低,處于弱度混交向中度混交過渡的狀態(tài);模式1、2、3的建群種均處于亞優(yōu)勢(shì)狀態(tài),模式4、5的建群種則為中庸?fàn)顟B(tài)。(4)帶狀割灌改造華山松從林分組成、結(jié)構(gòu)特征以及樹種多樣性方面較其它模式更具優(yōu)勢(shì),更易形成異齡混交林,但評(píng)價(jià)林分改造模式的優(yōu)劣還應(yīng)該從生產(chǎn)角度上加以考慮,做到生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相結(jié)合。小隴山5種灌木林地改造模式在林分組成、結(jié)構(gòu)特征、樹種多樣性等現(xiàn)狀已不完全是人工純林的特征,特別是對(duì)于全