華北落葉松人工林質量精準提升中的樹種選擇研究

曳水瑛, 董 剛, 邵長亮, 劉 勇

(1.山西大學 黃土高原研究所, 山西 太原 030006; 2.山西省林業(yè)調查規(guī)劃院, 山西 太原 030012;3.山西大學 生命科學學院, 山西 太原 030006; 4.中國農業(yè)科學院 農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081)

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是松科華北落葉松屬的落葉針葉喬木樹種，原產于山西、河北2省，目前在中國北方廣泛分布[1-2]。華北落葉松屬陽性樹種，生長快、材質好、用途廣、耐腐朽[3]，有助于華北地區(qū)的水源涵養(yǎng)、水土保持、防風固沙、固碳釋氧。因此，華北落葉松不僅是優(yōu)良的用材樹種，還是重要的生態(tài)樹種。然而，目前華北落葉松林的森林質量不容樂觀。冀北山地的華北落葉松林分退化、森林質量降低[4]，再加上不恰當的森林經營措施，導致林木密度過大，作為目的樹種的華北落葉松被壓、死亡，上層的山楊、白樺生長不良、林相殘破[5]。秦嶺林區(qū)的華北落葉松純林化現象嚴重，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，病害蟲害日漸猖獗[3,6]。寧夏六盤山的華北落葉松林樹種組成單一、林下更新不良、林木耗水嚴重、生物多樣性低[7]。由此可見，華北落葉松在生長過程中出現了純林比例大、單層林數量多、同齡林為主、生物多樣性低、森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差等多種問題。針對華北落葉松的森林質量和健康狀況，國內外專家學者采用了不同的森林經營措施。以往的研究大多集中在研究不同間伐強度[8-9]、不同林分密度[7,10-11]或不同地形因子[12-13]對華北落葉松林生長的影響。根據森林質量精準提升的要求，天然林和人工林、幼齡林和成熟林應當采取不同的森林經營策略[14]。但是，這些研究都沒有涉及不同起源的華北落葉松在不同的林齡階段應當采取什么樣的森林經營措施，目前華北落葉松林質量提升的經營措施尚不精準。森林質量高的表現形式有很多。傳統(tǒng)的森林面積、蓄積量和生長量作為體現森林質量的基本指標[15]，完全可以反映森林質量的優(yōu)劣。隨著多功能森林經營理念在我國的興起，社會對森林生態(tài)服務、景觀文化、物質供給等多種功能需求的增加[15]，培育混交、復層、異齡林成為森林經營的目標之一，也成為評價森林質量好壞的重要指標。本試驗根據華北落葉松林的不同起源和齡組，在森林發(fā)育的不同階段進行不同的樹種混交措施，旨在將質量不高的人工華北落葉松純林培育為高質量的混交、復層、異齡林。以林木的生長量為基礎指標，以培育混交、復層、異齡林為目標，研究山西省北部人工華北落葉松純林質量精準提升中的樹種混交策略，為該地區(qū)的森林經營提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山西省管涔山，呂梁山脈北端，東經111°05′—112°40′，北緯38°31′—39°08′。管涔山地勢高聳、山體險峻，最高處為荷葉坪，海拔2784 m，整體西南偏高，東北偏低，由西南向東北傾斜延伸。該地區(qū)屬溫帶半濕潤區(qū)，大陸性季風氣候，夏季涼爽多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫6.2 ℃，7月溫度最高，平均20.1 ℃，1月溫度最低，平均-9.9 ℃，≥10 ℃年積溫3 200～3 600 ℃，無霜期130～170 d，年降雨量470～770 mm。巖石類型主要有片麻巖、石灰?guī)r、砂巖、頁巖。土壤類型呈明顯的垂直地帶性分布，海拔由低到高依次為：山地褐土—淋溶褐土—棕壤—亞高山草甸土[16]。管涔山素有“華北落葉松的故鄉(xiāng)”之美譽，擁有豐富的天然和人工華北落葉松林以及不同齡組的華北落葉松群落，為研究山西北部的華北落葉松森林經營提供了天然的試驗基地。除此之外，管涔山植物資源豐富，森林覆蓋率高，主要喬木樹種有華北落葉松、青杄(Piceawilsonii)、白杄(Piceameyeri)、白樺(Betulaplatyphylla)，灌木優(yōu)勢種有土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等[17]。

1.2 野外調查方法

在管涔山設置26 m×26 m固定樣地15個，樣地設置選取管涔山典型華北落葉松—白杄、華北落葉松—白樺、華北落葉松—山柳混交林，樣地包括天然、人工起源，包括不同齡組，樣地設置情況詳見表1。分別于2010和2015年夏進行野外調查。記錄每個樣地的經緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、土層厚度等環(huán)境因子，以及起源、齡組、郁閉度等生物因子。2010和2015年分別測量樣地內所有胸徑大于等于5.0 cm的樣木的胸徑(分別記為D2010和D2015)。

表1 研究區(qū)固定樣地概況

1.3 數據處理與統(tǒng)計方法

計算2010—2015年的5 a間，樣地內每株樣木的胸徑生長量(ΔD)、胸高斷面積生長量(ΔS)和蓄積生長量(ΔV)。ΔD可以直接反映林木的生長量；ΔS進一步強化了不同胸徑的林木在胸徑生長量相同的情況下，具有不同的胸高斷面積生長量，可以多樣化地體現不同林齡和不同胸徑的林木生長差異；ΔV在ΔS的基礎上，還可以反映不同樹種在胸徑生長量相同的情況下，蓄積生長量的差異。選擇ΔD，ΔS和ΔV這3個指標，可以更加全面地反映不同胸徑、不同林齡、不同樹種的林木生長量差異。

ΔD=D2015-D2010

(1)

式中：D——樣地內每株樣木的單株實測胸徑。計算樣地內每株樣木5 a間的胸徑生長量ΔD。

ΔS=S2015-S2010S=π/4×D2

(2)

式中：D——樣地內每株樣木的單株實測胸徑，計算得到S為樣地內每株樣木的單株胸高斷面積。計算樣地內每株樣木5 a間的胸高斷面積生長量ΔS。

ΔV=V2015-V2010通過查《山西省主要樹種一元立木材積表》，獲得樣地內每株樣木的單株蓄積。計算樣地內每株樣木5 a間的蓄積生長量ΔV。

數據先經Excel整理、計算，然后采用SPSS 17.0進行ANOVA、多重比較和t檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同混交模式下混交樹種生長量

通過分析華北落葉松—白杄、華北落葉松—白樺、華北落葉松—山柳3種混交模式下混交樹種的生長量，得到結果如圖1所示。由圖1可知，與華北落葉松混交的3種樹種的胸徑生長量差異顯著，由高到低為ΔD白樺>ΔD白杄>ΔD山柳，表明不同樹種與華北落葉松混交時，相同時間內胸徑生長量不同，白樺的胸徑生長最快，山柳最慢，白杄適中。圖1也反映了不同混交模式下混交樹種的胸高斷面積生長量。3種混交模式下混交樹種的胸高斷面積差異顯著，ΔS白樺>ΔS白杄>ΔS山柳，表明不同混交模式下混交樹種不僅ΔD不同，ΔS也存在差異。圖1對混交樹種蓄積生長量的分析可得，ΔV白杄和ΔV白樺顯著高于ΔV山柳，ΔV白杄和ΔV白樺差異不顯著，3種混交模式下山柳的蓄積生長量最小。綜合分析圖1可知，在華北落葉松—白杄、華北落葉松—白樺、華北落葉松—山柳3種混交模式中，混交樹種山柳的3個生長量指標都顯著小于白杄和白樺，在與華北落葉松混交的過程中，最不利于與華北落葉松快速形成穩(wěn)定的混交林。

注：同組不同小寫字母為p<0.05水平下差異性顯著。下同。

2.2 不同混交模式下華北落葉松生長量

在華北落葉松—白杄、華北落葉松—白樺、華北落葉松—山柳3種混交模式下，華北落葉松的生長量如圖2所示。由圖2可知，華北落葉松與白樺混交，其胸徑生長量顯著高于與白杄混交的胸徑生長量。華北落葉松與白杄和山柳混交，以及華北落葉松與白樺和山柳混交，胸徑生長量差異不顯著。表明華北落葉松與白樺混交，胸徑生長量最大。華北落葉松分別與白杄、白樺和山柳混交時，其胸高斷面積生長量各有不同，但ANOVA與多重檢驗分析表明3種混交模式下華北落葉松的ΔS無顯著差異，華北落葉松的胸高斷面積生長量受混交樹種影響不顯著(圖2)。華北落葉松分別與白杄、白樺和山柳混交時，其蓄積生長量無顯著差異，表明3種混交模式對華北落葉松的蓄積生長無顯著影響。綜合分析圖2可知，華北落葉松與白樺混交時ΔD顯著高于與白杄混交，而華北落葉松的ΔS和ΔV不受混交模式影響。表明華北落葉松混交白樺可以在一定程度上促進華北落葉松的ΔD，不同樹種混交不會影響華北落葉松的ΔS和ΔV。

圖2 不同混交模式下華北落葉松生長量

2.3 不同起源、不同混交模式下混交樹種生長量比較分析

在華北落葉松中幼林條件下，不同起源、不同混交模式的混交樹種生長量如圖3所示。由圖3可知，華北落葉松在不同起源、不同混交模式下，混交樹種的胸徑生長量存在顯著差異。天然起源下，3種混交樹種的胸徑生長量均存在顯著差異，由高到低依次為：ΔD白杄>ΔD白樺>ΔD山柳；人工起源下，白杄和白樺的胸徑生長量存在顯著差異，ΔD白樺>ΔD白杄，ΔD白杄與ΔD山柳，ΔD白樺與ΔD山柳之間不存在顯著差異。天然起源的華北落葉松在不同混交模式下，3種混交樹種的胸高斷面積生長量均存在顯著差異，由高到低依次為：ΔS白杄>ΔS白樺>ΔS山柳；人工起源下，白杄和白樺的胸高斷面積生長量存在顯著差異，ΔS白樺>ΔS白杄。圖3對混交樹種蓄積生長量的分析表明，天然起源下，3種混交樹種的蓄積生長量均存在顯著差異，由高到低依次為：ΔV白杄>ΔV白樺>ΔV山柳；人工起源下，白樺的蓄積生長量顯著高于白杄和山柳，ΔV白樺>ΔV白杄，ΔV白樺>ΔV山柳，ΔV白杄和ΔV山柳之間沒有顯著差異。綜合分析圖3可知，在天然中幼林條件下，白杄、白樺和山柳分別與華北落葉松混交，白杄生長量最大，白樺次之，山柳最小。在人工中幼林條件下，白杄、白樺和山柳分別與華北落葉松混交，白樺的生長量最大。

圖3 不同起源、不同混交模式下混交樹種生長量

2.4 同一混交樹種在不同起源下生長量比較分析

由表2可知，在華北落葉松中幼林條件下，同一混交樹種與不同起源的華北落葉松混交，混交樹種生長量存在顯著差異。

表2 混交樹種在不同起源下生長量比較分析

注：ΔD，ΔS，ΔV的單位分別為(cm,cm2,m3)。

華北落葉松—白杄模式下，白杄的生長量為：ΔD天然>ΔD人工，ΔS天然>ΔS人工，ΔV天然>ΔV人工，且p<0.005，說明華北落葉松混交白杄時，白杄與天然起源華北落葉松混交的生長量顯著大于白杄與人工起源華北落葉松混交的生長量。華北落葉松—白樺模式下，白樺的生長量為：ΔD天然<ΔD人工，ΔS天然<ΔS人工，ΔV天然<ΔV人工，p≤0.005，說明華北落葉松混交白樺時，白樺與人工起源華北落葉松混交的生長量顯著大于白樺與天然起源華北落葉松混交的生長量。華北落葉松—山柳模式下，不同起源山柳的生長量為：ΔD天然<ΔD人工，ΔS天然<ΔS人工，ΔV天然<ΔV人工，但p>0.1，說明華北落葉松—山柳模式下，山柳與不同起源華北落葉松混交的生長量雖有差異，但未達到統(tǒng)計學意義下的顯著差異，山柳與不同起源華北落葉松混交的生長量不存在顯著差異。

3 討 論

3.1 混交樹種選擇

近幾十年造林工程的實施使山西省的森林覆蓋率顯著提高，從1978年的5.20%提高到2015年的20.50%。然而，以往的造林工程營造純林的比例較高，山西省北部存在較多華北落葉松人工純林。華北落葉松純林在林分空間結構、生態(tài)價值和抗逆性方面都遠低于混交林[18-19]。為了對山西省北部的華北落葉松人工純林進行改造，營造復層、混交、異齡林，精準提升森林質量，本試驗在山西省北部鄉(xiāng)土樹種白杄、白樺和山柳中選擇適宜與華北落葉松混交的樹種，通過比較不同混交樹種在不同條件下的生長量，分析如何促進華北落葉松純林向復層、混交、異齡林轉化。由圖1可知，華北落葉松混交不同樹種時，混交樹種的生長量存在明顯差異。山柳在ΔD,ΔS和ΔV三個指標上均顯著小于白杄和白樺，這是由于山柳在華北落葉松林中處于伴生地位，不適于與山西北部華北落葉松大面積混交。郝曉鵬和上官鐵梁[17]在對管涔山森林群落植物物種多樣性的研究中有類似的結論，山柳在管涔山森林群落中重要值較低，混生山柳的群落處于不穩(wěn)定狀態(tài)。孫勃和張金屯[16]在管涔山植物群落生態(tài)關系的數量分析研究中發(fā)現，山柳適宜生長在針葉闊葉林過渡的混交帶，或喬木層破壞后作為先鋒物種入侵。因此，山柳在華北落葉松林緣或受到破壞的林中空地可作為灌木樹種與華北落葉松混交。由圖1可知，華北落葉松分別與白杄和白樺混交，ΔD白樺比ΔD白杄大55.19%；ΔS白樺>ΔS白杄，但差距較ΔD縮小，ΔS白樺比ΔS白杄大35.16%；ΔV白樺與ΔV白杄不存在顯著差異。這是由于白樺屬速生樹種，其單位時間內的胸徑生長量大于白杄。白樺胸高斷面積生長量仍大于白杄，但差距已經縮小。蓄積生長量更突出了林齡和樹種不同的情況下，不同樹種間的生長量差異，白杄的蓄積生長量與白樺沒有顯著差異。這說明華北落葉松分別與白杄和白樺混交，均可促進華北落葉松快速形成混交林，對華北落葉松純林進行改造時，可采用白杄和白樺。

圖2反映了不同混交模式下華北落葉松的生長量。華北落葉松混交白樺時華北落葉松的ΔD比混交白杄時華北落葉松的ΔD大23.26%，華北落葉松混交山柳的ΔD與混交白杄和白樺差異不顯著。但是，需要注意的是，由于在天然條件下，華北落葉松與白樺的混交常見于中幼林。所以，ΔD的顯著差異可能是由于與白樺混交的華北落葉松處于中幼林階段導致的，并非是由于與白樺的混交而導致的。由此也可以說明，在天然條件下，華北落葉松與白樺的混交模式不能長期持續(xù)共存。根據圖2，華北落葉松的ΔS和ΔV在3種混交模式下沒有顯著差異。說明華北落葉松混交不同的樹種不會對華北落葉松的ΔS和ΔV產生明顯影響，混交樹種的不同不會影響華北落葉松的生長量。綜上所述，在對山西北部華北落葉松人工純林進行改造時，選擇白杄和白樺兩個樹種。

3.2 不同起源下混交樹種生長量差異

由圖3可知，在華北落葉松中幼林條件下，不同混交樹種在不同起源下的生長量各不相同；在相同起源下，不同混交樹種的生長量存在顯著差異。天然起源下，白杄、白樺和山柳分別與天然華北落葉松混交，ΔD白杄比ΔD白樺大55.64%，ΔD白杄比ΔD山柳大193.39%；ΔS白杄比ΔS白樺大70.03%，ΔS白杄比ΔS山柳大459.17%；ΔV白杄比ΔV白樺大115.67%，ΔV白杄比ΔV山柳大680.92%。且由ΔD到ΔS再到ΔV，白杄的生長量與白樺和山柳的生長量差異逐漸增大。可見在與天然起源的華北落葉松混交時，白杄的生長量相比白樺和山柳的生長量具有絕對優(yōu)勢，白杄更適合與天然起源下的華北落葉松混交，促進華北落葉松純林快速形成穩(wěn)定的華北落葉松—白杄混交林。在人工起源下，白杄、白樺和山柳分別與人工華北落葉松混交，ΔD白樺比ΔD白杄大195.37%，ΔD白樺比ΔD山柳大66.64%；ΔS白樺比ΔS白杄大259.95%，ΔS白樺比ΔS山柳大193.15%；ΔV白樺比ΔV白杄大214.74%，ΔV白樺比ΔV山柳大248.11%。且由ΔD到ΔS再到ΔV，白樺的生長量與白杄和山柳的生長量差異逐漸增大?？梢娫谌斯て鹪聪?，不同樹種與華北落葉松混交時，白樺的生長量相比白杄和山柳的生長量具有絕對優(yōu)勢，白樺更容易與人工起源下的華北落葉松純林混交，促進人工華北落葉松純林快速形成華北落葉松—白樺混交林。

3.3 同一混交樹種在不同起源下的生長量比較分析

由表2可知，白杄與天然起源華北落葉松混交的生長量顯著高于與人工起源華北落葉松混交的生長量。白杄與不同起源的華北落葉松混交時白杄的生長量為：ΔD天然比ΔD人工大175.00%，ΔS天然比ΔS人工大256.31%，ΔV天然比ΔV人工大284.54%，進一步證明了白杄更適合與天然起源的華北落葉松混交，幫助華北落葉松純林快速形成華北落葉松—白杄混交林。白樺與不同起源的華北落葉松混交時白樺的生長量為：ΔD人工比ΔD天然大57.14%，ΔS人工比ΔS天然大71.77%，ΔV人工比ΔV天然大76.88%，進一步證明了白樺更適合與人工起源的華北落葉松混交，幫助人工華北落葉松純林快速形成穩(wěn)定的華北落葉松—白樺混交林。由此可見，在促進人工華北落葉松純林形成華北落葉松—白樺混交林后，應逐步將白樺更新為白杄，以形成更加穩(wěn)定、能夠長期共存的混交結構。

3.4 山西北部人工華北落葉松純林質量精準提升中的樹種選擇策略

本研究得到在人工起源下，白樺與華北落葉松混交生長量大于白杄和山柳與華北落葉松混交，可促進人工華北落葉松純林快速形成華北落葉松—白樺混交林。在天然起源下，白杄與華北落葉松混交的生長量大于白樺和山柳，適宜與天然華北落葉松林快速形成混交林。在人工華北落葉松純林的幼齡階段，部分華北落葉松幼苗、幼樹未保存，形成林間空地。此時，可在林間空地補植白樺，構建華北落葉松與白樺的斑塊混交結構。白樺屬先鋒樹種，生長快，對土壤適應能力強，與華北落葉松混交后，可幫助華北落葉松林形成較為穩(wěn)定的森林群落結構與生態(tài)環(huán)境。第一，混交林分相比純林可優(yōu)化林分的空間結構。胡艷波，惠剛盈[20]的研究表明，調整人工純林的樹種組成，可提高樹種混交度和隔離程度，優(yōu)化林分空間結構。第二，合理的森林空間結構使得森林的生態(tài)價值更高。華北落葉松純林混交白樺后可改變林下枯落物的數量和種類，改善土壤理化性質，提高土壤動物的多樣性[21-22]。第三，針闊混交林有更強的抗逆性。針葉樹種含油較多，針葉純林發(fā)生火災的可能性大于針闊混交林[23]。華北落葉松感染病蟲害的幾率較大，華北落葉松八齒小蠹、華北落葉松種子小蜂、華北落葉松尺蛾和華北落葉松落葉病是華北落葉松常見病蟲害。人工華北落葉松純林中栽植白樺，營造針闊混交林，可減小華北落葉松發(fā)生火災和病蟲害的幾率，降低火災和病蟲害的蔓延速率，提高華北落葉松林的抗逆性。以往研究表明，混交林比純林更接近天然狀態(tài)[18]，通過白樺與華北落葉松林的斑塊混交，營造了接近天然狀態(tài)的林分結構與生態(tài)環(huán)境。白樺屬先鋒樹種，前期生長快，競爭能力強，可幫助華北落葉松林營造穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。但白樺為速生樹種，后期生長速率和競爭能力減弱[5]。與白樺相比，華北落葉松屬慢生樹種，前期生長較慢，競爭力不及白樺[5]。但華北落葉松生長周期長，隨著生長的進行，其優(yōu)勢逐漸顯現。當白樺生長量下降、生態(tài)功能減弱，開始出現枯死或病蟲害現象時，可采伐白樺中長勢不良的林木，保留生長健壯的白樺，并在林下補植白杄，促進白杄的更新。云杉(白杄、青杄)是華北落葉松林的演替樹種。在華北落葉松—白樺混交林的中齡以后人工更新云杉，符合森林群落演替規(guī)律。郭晉平，李海波[24]的研究表明，隨著光照強度的減弱，白杄幼苗的高生長增加。白杄屬陰性樹種，在華北落葉松—白樺混交林下栽植白杄，可為白杄營造適度遮陰的環(huán)境，有利于白杄幼苗的生長。郭晉平，李海波[24]研究還得出：白杄與華北落葉松混栽時的高生長比白杄單獨栽植時高，同樣說明了白杄與華北落葉松混交，有利于白杄快速生長，促進混交林的形成。由于白杄的栽植是在華北落葉松與白樺形成的混交林下栽植，此時上層的華北落葉松—白樺混交林進入中齡林后期或近熟林階段，而下層栽植的白杄仍處于幼齡階段，形成了混交、復層、異齡林。郭晉平，王石會等[25]在對管涔山云杉天然林的研究中得出，管涔山云杉—華北落葉松混交林在當地可能存在的干擾狀況下，是一種穩(wěn)定的混交結構。因此，華北落葉松—白杄混交林在管涔山可以長期穩(wěn)定共存。

4 結 論

對山西北部華北落葉松人工純林進行森林經營和林分改造時，以營造混交、復層、異齡林為目標，優(yōu)先選用白杄與白樺作為華北落葉松的混交樹種。人工華北落葉松純林的幼齡階段，在林間空地栽植白樺，構建華北落葉松—白樺斑塊混交結構，促進人工華北落葉松純林形成針闊混交林。通過與白樺的混交，華北落葉松林形成了穩(wěn)定的林分結構，營造了更接近天然狀態(tài)的生態(tài)環(huán)境。當白樺生態(tài)功能減弱，開始出現生長量下降及病蟲害現象時，采伐長勢不良的白樺，在林下栽植白杄幼苗，促進白杄幼苗的更新。下層的白杄幼苗處于幼齡階段，上層的華北落葉松—白樺混交林處于中齡后期或近熟林階段，形成了混交、復層、異齡林。隨著華北落葉松與白杄的生長，白樺逐漸衰退、死亡。華北落葉松與白杄在山西北部可以長期共生，形成穩(wěn)定的混交、復層、異齡林。