祁連山排露溝流域青海云杉林天然更新質(zhì)量評(píng)價(jià)

武龍慶敬文茂許爾文趙維俊賀永巖薛春穆巧玲

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院/甘肅祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，甘肅 張掖 734000；2.甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心西水自然保護(hù)站，甘肅 張掖 734000)

隨著全球氣候變化以及人類活動(dòng)所引起的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也是顯而易見(jiàn)的，如森林資源質(zhì)量變差，生態(tài)服務(wù)功能下降，生物多樣性維持能力減弱等。如何實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提，森林天然更新便是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)與繁衍的重要途徑[1]，一定程度上能夠有效維持生物多樣性和充分發(fā)揮森林生態(tài)服務(wù)功能，而且所用物力和人力成本低，已成為生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。目前對(duì)森林天然更新研究多采用一些能表征其數(shù)量和生長(zhǎng)狀況的參數(shù)，如更新苗的密度、生長(zhǎng)形狀(基徑、株高、冠幅)等指標(biāo)來(lái)量化或者說(shuō)評(píng)判森林更新?tīng)顩r[3]。如，任學(xué)敏等研究發(fā)現(xiàn)，太白山銳齒槲櫟林其更新幼苗的密度是幼樹(shù)密度的3倍左右，而且樣地間的差異很大，更新苗分布傾向斑塊狀的聚集分布[4]。在不同火燒強(qiáng)度下，油松樹(shù)種更新苗冠幅不存在顯著性差異，而蒙古櫟、山楊、裂葉榆等樹(shù)種的更新苗冠幅存在極顯著性差異[5]。

祁連山森林群落是中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局中的蒙新荒漠半荒漠及山地針葉林地區(qū)(簡(jiǎn)稱蒙新地區(qū))植被的典型代表，以青海云杉林為代表的針葉林是祁連山的地帶性植被，其林下天然更新情況較差，甚至存在某些高度級(jí)幼苗缺失[6]。而且林下更新過(guò)程緩慢，近自然經(jīng)營(yíng)化水平不高，基本上處于全封閉的管理模式。另外，目前祁連山的青海云杉林大多處于中齡林階段，基本邁向成熟林階段，在這種情況下，加強(qiáng)林下天然更新研究迫在眉睫。可見(jiàn)，對(duì)祁連山青海云杉林天然更新質(zhì)量狀況的研究尤為重要。目前，已有專家和學(xué)者對(duì)祁連山青海云杉林進(jìn)行了更新研究，如何志龍等對(duì)海拔梯度上的青海云杉林天然更新研究表明，海拔2500m草類青海云杉林更新良好，而2900m、2930m、3000m草類青海云杉林無(wú)天然更新能力，2700m和2800m蘚類青海云杉更新一般[7]。王清濤認(rèn)為，青海云杉林經(jīng)營(yíng)管理不善導(dǎo)致青海云杉更新不良[8]。杜苗苗研究祁連山中段的青海云杉林徑級(jí)結(jié)構(gòu)表明，其結(jié)構(gòu)呈倒“J”型，為增長(zhǎng)型種群[9]。

本研究選擇分布在祁連山中段西水林場(chǎng)排露溝流域的青海云杉純林為研究對(duì)象，借助甘肅祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站建立在青海云杉林內(nèi)的固定樣地進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)調(diào)查和測(cè)定流域單元固定樣地內(nèi)的所有青海云杉林存活個(gè)體，參考國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合對(duì)青海云杉林徑級(jí)劃分的已有研究成果，對(duì)樣地內(nèi)的存活個(gè)體進(jìn)行更新等級(jí)劃分，分析整個(gè)流域和不同固定樣地青海云杉林更新苗(幼苗、幼樹(shù))和成樹(shù)的更新密度變化特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合技術(shù)規(guī)程中的天然更新等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行祁連山青海云杉林天然更新質(zhì)量評(píng)價(jià)。通過(guò)揭示青海云杉林天然更新?tīng)顩r，為祁連山青海云杉林的經(jīng)營(yíng)和管理提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要選擇在祁連山中段張掖市境內(nèi)的西水林場(chǎng)內(nèi)的典型流域——排露溝流域(E100°17′～100°18′、N38°32′～8°33′)，該流域是該林場(chǎng)的大野口流域的嵌套流域，流域總面積大小為2.74km2，是一個(gè)開(kāi)展祁連山水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的典型試驗(yàn)流域，目前已有多家單位和學(xué)者在該流域開(kāi)展了大量的科學(xué)研究。流域氣候?qū)儆诟吆敫珊瞪降厣植菰瓪夂騕10]，年均降水量為354.3mm，年均蒸發(fā)量為1018.6mm，年均相對(duì)濕度為60%。該流域小氣候、植被和土壤等具有明顯的海拔梯度變化特點(diǎn)，隨海拔梯度的升高，表現(xiàn)為年均降水量隨海拔升高100m約增加4.95%[11]，年均氣溫隨海拔升高100m降低0.58℃[12]，加上在地質(zhì)等因素的綜合影響下，形成的植被類型有山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山灌叢草甸植被和高山冰雪植被，土壤類型有山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土和高山寒漠土。本研究的研究對(duì)象青海云杉林植被類型，分布在該流域的海拔2700～3300m，其土壤為山地灰褐土，喬木層僅有青海云杉唯一優(yōu)勢(shì)種，林下分布的灌木優(yōu)勢(shì)種主要有吉拉柳(Salixgilashanica)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、金露梅(Potentilla fruticosa)，草本優(yōu)勢(shì)種主要有苔草(Carex)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)、馬先蒿(Pedicularis reaupinanta)等。土壤層上面還覆蓋一層較厚的苔蘚枯落物層，苔蘚優(yōu)勢(shì)種主要有卵葉羽苔(Plagiochila ovalifolia)、山羽蘚(Abietinella abietina)、對(duì)葉蘚(Distichium capillaceum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查

試驗(yàn)樣地選擇建立在祁連山排露溝流域青海云杉林內(nèi)的固定樣地，見(jiàn)表1，共14個(gè)青海云杉林固定樣地，樣地大小從12.5m×25m～20m×36m不等，樣地由甘肅祁連山森林生態(tài)站承建，樣地的建設(shè)要求依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建立的[13]，即通過(guò)已建立的青海云杉林固定樣地，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多個(gè)生物因子和非生物因子觀測(cè)數(shù)據(jù)，目的是為森林生態(tài)系統(tǒng)水文、土壤、氣候、生物等監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)背景資料，也為森林生態(tài)系統(tǒng)的生物群落動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究通過(guò)調(diào)查樣地的微地形信息，包括經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等信息，同時(shí)測(cè)定樣地的大小及其林分郁閉度。調(diào)查樣地內(nèi)所有胸徑≥1cm的青海云杉成年存活個(gè)體，調(diào)查其株高、枝下高、冠幅、胸徑、相對(duì)坐標(biāo)(x，y)等信息，其中株高、枝下高用紅外線測(cè)量?jī)x測(cè)定，冠幅和相對(duì)坐標(biāo)(x，y)均用皮尺測(cè)定，胸徑用圍尺測(cè)定。最后調(diào)查固定樣地內(nèi)的更新苗生長(zhǎng)情況，因固定樣地的更新苗(胸徑<1cm的青海云杉活的有機(jī)體)相對(duì)較少，因此本研究對(duì)每個(gè)固定樣地內(nèi)的所有更新苗進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括更新苗個(gè)體的株高、枝下高、冠幅、基徑、相對(duì)坐標(biāo)(x，y)等信息，其中株高、枝下高、冠幅和相對(duì)坐標(biāo)(x，y)均用鋼卷尺測(cè)定，基徑用游標(biāo)卡尺測(cè)定。

表1 樣地概況

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

1.2.2.1 更新苗和成樹(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

參考《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[14]和拓鋒等[15]對(duì)青海云杉林的徑級(jí)劃分，同時(shí)參考天然更新更新級(jí)評(píng)價(jià)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本研究中將天然更新苗包括幼苗和幼樹(shù)與成樹(shù)進(jìn)行了等級(jí)劃分，見(jiàn)表2，同時(shí)參考孫敬然[4]對(duì)天然更新苗總密度的計(jì)算，即將2株I級(jí)幼苗折算成1株幼苗。

表2 更新苗與成樹(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2.2 天然更新質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[14]和孫敬然[2]對(duì)不同高度級(jí)的更新苗的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法是將不同高度級(jí)的更新苗和成樹(shù)統(tǒng)一計(jì)算成I級(jí)幼苗的數(shù)量，進(jìn)而評(píng)判不同樣地的天然更新等級(jí)，計(jì)算公式：

折算后I級(jí)幼苗密度=I級(jí)幼苗密度+II級(jí)幼苗密度×1.667+(III、IV級(jí)幼樹(shù)+V級(jí)成樹(shù))×2

更新等級(jí)的劃分，當(dāng)折算后I級(jí)幼苗密度≥5000株·hm-2時(shí)，更新等級(jí)為良好；當(dāng)折算后I級(jí)幼苗密度≥3000株·hm-2且<5000株·hm-2時(shí)，更新等級(jí)為中等；當(dāng)<3000株·hm-2時(shí)，更新等級(jí)為不良[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉林林分更新苗和成樹(shù)密度

對(duì)流域內(nèi)青海云杉林所有樣地的更新苗和成樹(shù)的5個(gè)等級(jí)的平均密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖1。從圖1可知，青海云杉林下更新層的I級(jí)幼苗、II級(jí)幼苗、III級(jí)幼樹(shù)、IV級(jí)幼樹(shù)和V級(jí)成樹(shù)的平均密度大小依次為109株·hm-2、253株·hm-2、685株·hm-2、353株·hm-2和1427株·hm-2，V級(jí)成樹(shù)的平均密度是幼苗(I級(jí)幼苗和II級(jí)幼苗)平均密度的3.9倍多，是幼樹(shù)(III級(jí)幼樹(shù)和IV級(jí)幼樹(shù))平均密度的1.3倍多。I級(jí)幼苗、II級(jí)幼苗、III級(jí)幼樹(shù)、IV級(jí)幼樹(shù)的平均密度遠(yuǎn)小于V級(jí)成樹(shù)的平均密度，其平均密度大小順序表現(xiàn)為I級(jí)幼苗

圖1 青海云杉林林分更新苗和成樹(shù)平均密度

y=76.365e0.5473x

相關(guān)系數(shù)為0.7847。同時(shí)，從圖1可以得知，III級(jí)幼樹(shù)的更新密度在曲線方程的上方，IV級(jí)幼樹(shù)的更新密度在曲線方程的下方，IV級(jí)幼樹(shù)更新密度沒(méi)有跟上III級(jí)幼樹(shù)更新密度。

2.2 青海云杉林樣地更新苗和成樹(shù)密度

對(duì)流域內(nèi)青海云杉林15個(gè)不同樣地的更新苗和成樹(shù)的5個(gè)等級(jí)的密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表3。從表3可知，不同樣地的不同等級(jí)的更新苗存在明顯的差異，其中樣地B7的更新總密度最大，其密度為5650株·hm-2；樣地B6的更新總密度最小，其密度為1025株·hm-2；更新總密度最小的樣地是更新總密度最大的樣地的5.5倍。從表1還可以看出，不同樣地?fù)碛胁煌燃?jí)的更新苗和成樹(shù)且密度數(shù)值較大時(shí)，其更新總密度數(shù)值才能處于有利的地位。如，B7樣地?fù)碛胁煌燃?jí)的更新苗和成樹(shù)，而且密度最大，使得更新總密度也最大；而B(niǎo)6樣地未見(jiàn)I級(jí)更新苗，而且其他等級(jí)的密度較小，使得更新總密度偏小。

表3 青海云杉林不同樣地更新苗和成樹(shù)密度

2.3 青海云杉林樣地天然更新質(zhì)量評(píng)價(jià)

利用折算后I級(jí)幼苗密度對(duì)流域內(nèi)青海云杉林15個(gè)不同樣地的天然更新質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，見(jiàn)圖2。從圖2可知，15個(gè)樣地中折算后I級(jí)更新苗密度最大的樣地是B7，其數(shù)值大小為10992株·hm-2；密度最小的樣地是B6，其數(shù)值大小為2042株·hm-2，最小值是最大值的5.4倍，折算后I級(jí)更新苗密度差異明顯。從圖2還可以看出，樣地B1、B4、B7、B8、G1、G5、G6折算后I級(jí)更新苗的密度均>5000株·hm-2，更新等級(jí)為良好；樣地B2、B5、G2、G3、G4、G7折算后I級(jí)更新苗的密度均>3000株·hm-2且<5000株·hm-2，更新等級(jí)為中等；樣地B3、B6折算后I級(jí)更新苗的密度均<3000株·hm-2，更新等級(jí)為不良。另外，在15塊樣地中，更新等級(jí)為中等以上的樣地占所有樣地的86.7%，為更新樣地的大多數(shù)；更新等級(jí)為不良的樣地僅占所有樣地的13.3%。

圖2 青海云杉林不同樣地天然更新質(zhì)量

3 結(jié)論與討論

從整體上對(duì)流域內(nèi)青海云杉林不同更新等級(jí)的更新?tīng)顩r可以看出，隨著更新等級(jí)的增加，更新數(shù)量總體上呈上升的變化趨勢(shì)[16]，說(shuō)明從低齡級(jí)到高齡級(jí)青海云杉林更新植株競(jìng)爭(zhēng)逐漸減弱，在更新階段特別是幼苗階段的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈，存活的幼苗很少，這當(dāng)中涉及光照、水分、養(yǎng)分等環(huán)境因子的綜合影響。一般情況下，種群的幼苗特別是剛出土的或者說(shuō)生長(zhǎng)時(shí)間較短的更新苗居多，但在本研究中的I級(jí)幼苗平均密度統(tǒng)計(jì)值的偏低，不排除在實(shí)地調(diào)查過(guò)程中，因較厚的苔蘚枯落物層的覆蓋或者遮擋，而且更新苗更適宜分布在苔蘚枯落物層特別厚的位置處，使得對(duì)樣地內(nèi)I級(jí)幼苗調(diào)查的株數(shù)較實(shí)際的株數(shù)偏低。青海云杉林更新與苔蘚枯落物層的相互作用，有待進(jìn)行深入研究。IV級(jí)幼樹(shù)的密度小于III級(jí)幼樹(shù)的密度，可能是種群的擴(kuò)散、自疏與他疏等生物學(xué)過(guò)程所導(dǎo)致的；V級(jí)成樹(shù)的平均密度最大，主要是每年或多年新生的更新苗成功存活直至生長(zhǎng)成為成樹(shù)。青海云杉林不同等級(jí)的更新苗密度在各樣地間存在較大的標(biāo)準(zhǔn)差，一定程度上說(shuō)明青海云杉林更新苗分布不均勻，偏向于聚集分布，呈聚集性的空間分布格局，這與拓鋒等對(duì)青海云杉林樹(shù)種固有的特性研究結(jié)果一致[17]。

青海云杉林不同樣地的天然更新質(zhì)量評(píng)價(jià)表明，布置在不同海拔梯度上的青海云杉林固定樣地中，更新不良的樣地僅占所用樣地的2/15，也就是說(shuō)從整體上來(lái)講，流域內(nèi)分布的青海云杉林更新?tīng)顩r較佳，但還是有極少部分的青海云杉林更新存在困難，這其中有多方面的原因，微地形的影響，有水熱的影響，有林分結(jié)構(gòu)的影響等，也有多因子的綜合影響等，如更新不良的樣地B3中，雖然都地處陰坡，但其微地形坡度較其他樣地偏小，可能是微地形相對(duì)平坦影響了其更新，特別是幼苗；再如更新不良的樣地B6中，可能是地處高海拔地段的土壤環(huán)境特別是低的土壤溫度使得青海云杉林更新差，而且成功存活乃至生長(zhǎng)成樹(shù)的密度也小。幸運(yùn)的是，雖然青海云杉林天然更新不良所占的比例很低，青海云杉樹(shù)種可以通過(guò)實(shí)生苗或者萌生苗的方式實(shí)現(xiàn)自我更新。因此，在對(duì)青海云杉林經(jīng)營(yíng)管理的過(guò)程中，對(duì)更新中等以上的林分繼續(xù)目前的管理方式，而對(duì)更新不良的青海云杉林林分盡可能避免大的人為干擾，如放牧牲畜的踩踏，而且已有研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，去除苔蘚枯落物層，裸地上的幼苗幼樹(shù)死亡率升高[8]。