關(guān)帝山天然次生針葉林林下云杉更新苗特征研究

王旭剛，韓有志，許卓婧，仇宏格，耿 帥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

關(guān)帝山天然次生針葉林林下云杉更新苗特征研究

王旭剛，韓有志，許卓婧，仇宏格，耿 帥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

云杉是寒溫性常綠針葉林主要組成樹種，其對華北山地次生林的天然更新、森林資源的再生產(chǎn)、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)具有十分重要的作用。以山西關(guān)帝山天然次生針葉（云杉林、華北落葉松林、云杉華北落葉松混交林）為研究對象，探究不同林分中云杉更新苗的萌發(fā)狀況、年齡構(gòu)成以及空間分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種林分中均有云杉更新苗，云杉林中，更新苗密度為1.925萬～2.225萬株/hm2，平均高12.6～13.4 cm；華北落葉松林中，更新苗密度為5 500～7 750株/hm2，平均高20.7～22.8 cm；云杉華北落葉松混交林中，更新苗密度1.25萬～1.35萬株/hm2，平均高10.6～12.4 cm；云杉林中，更新苗以1～15 a最為常見；云杉林與云杉華北落葉松混交林中，1～5 a更新苗數(shù)量遠(yuǎn)大于其他年齡階段；云杉林與云杉華北落葉杉混交林中，云杉更新苗主要分布在母樹下方，聚集格局明顯；華北落葉松林中，更新苗聚集格局不明顯。

云杉；更新苗；年齡結(jié)構(gòu)；分布特征

森林更新對于豐富樹種的組成、提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的作用，森林更新主要是通過幼樹與幼苗的更新來實(shí)現(xiàn)，它們的更新狀況決定著未來群落的發(fā)展趨勢[1-4]。學(xué)者已對更新苗的生長狀況、生長特點(diǎn)、分布格局、散布格局、與母樹之間的分布關(guān)系等進(jìn)行了大量研究[5-8]，更新苗的萌發(fā)狀況與分布格局受多重因素影響，如環(huán)境、林分密度的大小、動物的干擾、地形及降水因子等的影響[9-11]，這些影響因素直接影響到未來幼苗長成樹木后的結(jié)構(gòu)、組成以及動態(tài)等方面。由此可見，研究更新苗的結(jié)構(gòu)特征與分布格局，對于深入了解更新格局與動態(tài)背后潛在的生態(tài)學(xué)特征具有重要的意義。

山西省龐泉溝國家級自然保護(hù)區(qū)保存著具有代表性的寒溫性常綠針葉林——云杉林（Picea meyeri,Picea wilsonii）、寒溫性落葉針葉林——華北落葉松林（Larix principis-rupprechtii）、寒溫性常綠、落葉針葉混交林——云杉華北落葉松林。

本研究以密度相近的云杉林、華北落葉松林、云杉華北落葉松混交林為研究對象，探討這3種不同林分中云杉更新苗的萌發(fā)狀況、云杉更新苗的年齡結(jié)構(gòu)特征以及云杉更新苗的空間分布格局特征，旨在為了解云杉更新格局與動態(tài)背后潛在的生態(tài)學(xué)特征提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地設(shè)在山西省關(guān)帝山龐泉溝國家自然保護(hù)區(qū)（N37°55′，E117°33′）。海拔1 800～2 830 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫4.5℃，7月均溫18℃，1月均溫-12.4℃，無霜期平均100～130 d，年降水量825 mm[8]；林分土壤為棕壤土，無侵蝕現(xiàn)象；林下灌木主要為金花忍冬（Lonicera chrysantha）、茶藨子（R.komarovii A.）、水栒子（Contoneaster multifiorous）等；林下草本主要為華北苔草（Carex. hancockiana）、舞鶴草（Maianthemum bifolium）、北重樓（Paris Verticillata）等。

1.2 樣地設(shè)置

本研究區(qū)的云杉林、華北落葉松林、云杉華北落葉松混交林曾經(jīng)進(jìn)行過人工撫育，1980年設(shè)立自然保護(hù)區(qū)后，林分未再進(jìn)行過撫育采伐。

2016年6—8月選擇林分密度相近的云杉林、華北落葉松林、云杉華北落葉松混交林各3塊，分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣地，分別將云杉林樣地記錄為P-1，P-2，P-3，華北落葉松林樣地記錄為L-1，L-2，L-3，云杉華北落葉松混交林樣地記錄為PL-1，PL-2，PL-3，詳細(xì)記錄9塊樣地所在位置的海拔高度、坡向、坡位等因子，對9塊樣地中所有的喬木進(jìn)行胸徑、樹高的測量，并標(biāo)明所在位置（表1）。

表1 9塊樣地基本情況

對9塊樣地分別以2 m的抽樣間隔于每個(gè)樣地中機(jī)械布置50個(gè)2 m×2 m的格子樣方，測量樣方中的所有更新苗的高度、地徑，觀察其年齡，定位其坐標(biāo)，并標(biāo)明每一樣方中灌木與草本的種類，灌木的高度以及草本植物的郁閉度。

本研究中，將高度在2 m以下的云杉幼樹和幼苗統(tǒng)一記錄為云杉更新苗[8]；在云杉落葉松混交林中，有60%的樹種為云杉，有40%的樹種為華北落葉松。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

應(yīng)用SPASS for Windows 15.0軟件分析不同林分中更新苗的平均高度、平均地徑、平均密度等，應(yīng)用MicrosoftOffice Excel2003軟件做出柱形圖并對更新苗的年齡結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)用Map GIS6.7軟件對更新苗的空間位置進(jìn)行分析，采用負(fù)二項(xiàng)參數(shù)（K）、方差均值比率（V/m）、叢生指數(shù)（I）、聚塊性指標(biāo)（z）、Cassie指標(biāo)（CA）對更新苗的聚集度進(jìn)行分析[12-13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 云杉更新苗密度及生長情況

由表2可知，在云杉林中（P-1，P-2，P-3），云杉更新苗密度為1.925萬～2.225萬株/hm2，平均高12.6～14.4 cm，平均地徑0.21～0.23 cm；調(diào)查小樣方中17%的樣方?jīng)]有云杉更新苗，更新苗株數(shù)不多于5株的樣方占46%，樣方中云杉更新苗數(shù)量最多的為40株；云杉幼苗數(shù)量的變異系數(shù)為92.3%～111.6%。

在華北落葉松林中（L-1，L-2，L-3），云杉更新苗密度為5 500～7 750株/hm2，平均高20.7～22.8 cm，平均地徑0.34～0.36 cm；調(diào)查小樣方中17%的樣方?jīng)]有云杉更新苗，更新苗株數(shù)不多于5株的樣方占89%，樣方中云杉更新苗數(shù)量最多的為12株；云杉幼苗數(shù)量的變異系數(shù)為80.2%～85.5%。

在云杉華北落葉松混交林中（PL-1，PL-2，PL-3），云杉更新苗密度為1.25萬～1.35萬株/hm2，平均高10.6～12.4 cm，平均地徑0.24～0.27 cm；調(diào)查小樣方中13%的樣方?jīng)]有云杉更新苗，更新苗株數(shù)不多于5株的樣方占64%，樣方中云杉更新苗數(shù)量最多的為25株；云杉幼苗數(shù)量的變異系數(shù)為82.9%～95.5%。

表2 不同林分中云杉更新苗統(tǒng)計(jì)及方差分析結(jié)果

2.2 更新苗年齡分布特征

由圖1可知，以1～5 a最為常見，所占比例最大，為47.6%；6～10 a比例次之，為27%；1～15 a占所有更新苗比例的88.6%；15 a以上的云杉更新苗所占比例較小，僅為11.4%。更新苗數(shù)量隨著年齡的增大逐漸減少，呈倒J型分布。16～20 a，21～25 a，26～30 a云杉更新苗的數(shù)量相近，說明在更新苗成熟后，數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定；1～15 a更新苗的數(shù)量遠(yuǎn)高于16～30 a更新苗的數(shù)量，在一定程度上說明了當(dāng)條件適宜時(shí)，云杉母樹的更新能力較強(qiáng)，而大量的更新苗受種內(nèi)競爭與環(huán)境因素的影響，數(shù)量逐漸減少。

由圖2可知，在云杉林與云杉華北落葉松混交林中，1～5 a的更新苗所占比例最大，且隨著年齡的增大，更新苗數(shù)量逐漸減少，可能是由于本研究的云杉林結(jié)實(shí)量較高，林冠冠幅較大，林下蔭蔽的環(huán)境為云杉種子的萌發(fā)提供了適宜的光照、溫度和水分，有利于幼苗的形成；1～5 a更新苗數(shù)量遠(yuǎn)大于其他年齡階段，是由于云杉幼苗數(shù)量的增多，種內(nèi)競爭逐漸變得激烈，在1～5 a之后，無法適應(yīng)環(huán)境的更新苗逐漸死亡。

在華北落葉松林中，更新苗各個(gè)年齡階段的幼苗數(shù)量相差不大，6～10 a最多，1～5 a相對較少，是因?yàn)樵粕挤N子主要通過風(fēng)力、鳥類傳播等方式進(jìn)入華北落葉松林中[14-15]，數(shù)量相對較少，種內(nèi)競爭壓力較小，有利于幼苗的存活；另外，由于華北落葉松林調(diào)查地位于八道溝野生植物保護(hù)中心，減小了動物啃食、踩踏等因素的影響，因此，各個(gè)年齡段云杉更新苗的數(shù)量相對均勻，林下更新苗的出生率與死亡率保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平上。

2.3 云杉更新苗空間分布

對9塊樣地云杉更新苗位置的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在云杉林與落葉松云杉混交林中，云杉更新苗集中分布在母樹冠幅以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，母樹下更新苗較多，可能是由于母樹附近種子多，幼苗發(fā)生機(jī)會多。一些單株的云杉更新苗距母樹的距離并不遠(yuǎn)，表明云杉更新苗的分布受種子重力傳播的影響較大；在落葉松林中，更新苗分布隨機(jī)，由于云杉種子帶翅，受風(fēng)力與動物傳播的影響，幼苗發(fā)生機(jī)會相近。

當(dāng)樣方個(gè)體數(shù)呈負(fù)二項(xiàng)分布時(shí)，可以采用負(fù)二項(xiàng)參數(shù)K進(jìn)行分析，當(dāng)K值減小時(shí)，聚集強(qiáng)度逐漸增大。由表3可知，在9塊樣地中，云杉更新苗的分布均呈聚集分布，云杉林與云杉落葉松混交林中，聚集格局明顯，可能是由于母樹位置影響更新苗的分布；在華北落葉松林中，更新苗聚集格局不明顯，可能是由于種子數(shù)量少且分布呈現(xiàn)出較大的隨機(jī)性。因此，可初步認(rèn)為云杉更新苗在不同林分中的分布均呈現(xiàn)聚集分布的格局。

表3 不同林分中云杉更新苗聚集強(qiáng)度測定

3 結(jié)論與討論

3.1 不同林分中云杉更新苗的萌發(fā)狀況

從更新苗的樹種組成來看，在9個(gè)林分樣地中，林下更新苗主要為云杉更新苗，有極少量的華北落葉松、樺樹與遼東櫟更新苗。從云杉更新苗數(shù)量來看，云杉林中云杉更新苗的數(shù)量最多，華北落葉松林中云杉更新苗數(shù)量最少，主要是由于在林分密度相近的情況下，云杉林中云杉母樹最多，種子飄來的機(jī)會最大，幼苗發(fā)生機(jī)會也最大。楊莎[9]對關(guān)帝山天然次生針葉林更新苗的研究表明，在云杉林中，隨著云杉母樹密度的增加，更新苗的數(shù)量逐漸增加。高潤梅等[16]對文峪河華北落葉松種子雨研究表明，種子主要來源于相鄰母樹，數(shù)量與密度呈正相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。從林下更新苗的高度來看，華北落葉松林中云杉更新苗的苗高顯著高于其他2種林分的幼苗高度，可能是由于華北落葉松林中云杉種子主要是通過種子雨的途徑進(jìn)行傳播，數(shù)量較少，種內(nèi)競爭壓力較小，有利于云杉幼苗的生長。

3.2 不同林分中云杉更新苗的年齡構(gòu)成

3種林分中云杉更新苗數(shù)量隨年齡的增大逐漸減少，呈倒J型分布，可能是由于云杉幼苗受到光照、水分、土壤營養(yǎng)、林冠蓋度等環(huán)境因素的干擾，不能適應(yīng)環(huán)境條件的幼苗逐漸死亡。大量研究表明，云杉種子對光照與水分較為敏感，當(dāng)透光性達(dá)到20%、土壤含水量達(dá)到15%時(shí)，云杉種子發(fā)芽率最高[17-19]。在云杉林中變化最明顯，可能是由于云杉母樹的冠幅可達(dá)到10～15 m，大量的云杉幼苗分布在冠幅以下，但母樹吸收水分、幼苗集中在一起同樣需要水分，形成了競爭關(guān)系，多數(shù)幼苗無法適應(yīng)而死亡。在華北落葉松林中，各個(gè)年齡階段的云杉更新苗數(shù)量相對保持穩(wěn)定，一是由于華北落葉松林中云杉更新苗數(shù)量相對較少，分布也較為分散，減小了種內(nèi)競爭壓力；二是由于調(diào)查樣地處于受保護(hù)區(qū)域，最大程度地減少了外界環(huán)境因素的干擾，因此年齡結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。劉帥[20]對長白山針闊混交林喬木幼苗動態(tài)的研究表明，幼苗個(gè)體之間存在競爭現(xiàn)象，較多的幼苗鄰體會顯著降低幼苗的成活率。本研究中，云杉林分幼苗數(shù)量變化最明顯，與劉帥研究結(jié)果一致。通過種內(nèi)競爭與環(huán)境因素的影響，篩去大量不良個(gè)體，留存下來的幼苗成功建立，維持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 不同林分中云杉更新苗的空間分布

在云杉林與落葉松云杉混交林中，大量的更新苗集中分布在母樹周圍，母樹周圍樣方中的更新苗數(shù)量與遠(yuǎn)離母樹的樣方中的更新苗數(shù)量差異較大，主要是由于云杉的果實(shí)是球果，成熟后種鱗開裂，種子靠重力進(jìn)行傳播。韓有志等[21]對水曲柳種子雨研究表明，種子在母樹附近聚集分布，遠(yuǎn)離母樹隨機(jī)分布，與本研究結(jié)果相同。在華北落葉松林中，云杉種子主要是通過風(fēng)力與動物進(jìn)行傳播，各個(gè)樣方中云杉更新苗數(shù)量差異不大。對3種林分中云杉更新苗的分布類型進(jìn)行計(jì)算，可以初步認(rèn)為，云杉更新苗呈現(xiàn)聚集分布的格局，且在云杉林中云杉幼苗聚集格局明顯，華北落葉松林中云杉幼苗聚集格局不明顯。

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Study on Characteristics of Seedling Recruitment in Guandi Mountain Natural Secondary Coniferous Forests of Picea asperata

WANGXugang，HANYouzhi，XUZhuojing，QIUHongge，GENGShuai

（College ofForestry，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu 030801，China）

Picea asperata is the main tree species in cold temperate evergreen coniferous forest,and itplays an importantrole in the regeneration of natural forests,the reproduction of forest resources and the restoration of degraded ecosystems.This paper took Shanxi Guandishan secondary coniferous（Picea asperata,Larix gmelinii,Picea asperata and Larix gmelinii mixed forestin North China）as the research object,to investigate the germination status,age structure and spatial distribution of the regeneration seedlings in different stands.The results showed that all the three kinds of stands had Picea regeneration seedlings.In the Picea forest,the regeneration seedling density was 19 250-22 250 plants/hm2.The average heightwas 12.6-13.4 cm.In the Larix forest,the regeneration ofseedling density was 5 500-7 750 plants/hm2.The average height was 20.7-22.8 cm.In the Picea and Larix mixed forest,the regeneration of seedling density was 12 500-13 500 plants/hm2.The average heightwas 10.6-12.4 cm.Among the three stands,the most common age was 1～15 a.In the Picea forest and the Picea and Larix mixed forest,the number of 1～5 regeneration was much higher than that of other age groups.In the Picea forestand the Picea and Larix mixed forest,Picea seedlings were mainly distributed in the tree below,and the aggregation pattern was obvious.In the Larix forest,the aggregation pattern ofthe regeneration seedling was notobvious.

Picea asperata;seedling recruitment;age structure;distribution characteristics

S791.18

：A

：1002-2481（2017）09-1517-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.29

2017-03-29

王旭剛（1992-），男，山西忻州人，在讀碩士，研究方向：森林資源培育。韓有志為通信作者。