由巨桉人工林轉(zhuǎn)型的13年生青岡櫟天然林特征*

王金池 黃清麟 嚴(yán)銘海 黃如楚 鄭群瑞

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 北京 100091； 2.國(guó)家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營(yíng)與生長(zhǎng)模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；3.永安市林業(yè)局 永安 366000； 4.建甌萬(wàn)木林省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處 建甌 353105)

天然林具有極強(qiáng)的群落穩(wěn)定性和極為豐富的生物多樣性，是森林資源最重要的組成部分之一，也是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要生物資源。如何擴(kuò)大地帶性植被類型的天然林面積，即如何將需要轉(zhuǎn)型且具備轉(zhuǎn)型基本條件(具有足夠多的天然更新鄉(xiāng)土喬木與幼樹)的人工林成功轉(zhuǎn)型為地帶性植被類型的天然林，是天然林保護(hù)修復(fù)制度的重要內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外已有通過天然更新將人工純林或采伐跡地恢復(fù)為混交林的報(bào)道(蔡道雄等， 2007； Zerbe， 2002； Arévaloetal.， 2005)，但現(xiàn)有研究大多關(guān)注人工林下鄉(xiāng)土樹種的天然更新狀況(Leeetal.， 2005； Spracklenetal.， 2013； Yamagawaetal.， 2010)以及天然更新在植被恢復(fù)過程中對(duì)豐富人工林物種多樣性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期生產(chǎn)力(Onaindiaetal.， 2013； Jacobetal.， 2017)的作用等方面，恢復(fù)形成的混交林分仍處于以栽培種為主體的半天然狀態(tài)(平亮等， 2009； 王希華等， 2001； 陳紹栓等， 2001； Yamagawaetal.， 2010)，將人工林成功轉(zhuǎn)型為地帶性植被類型的天然林的研究鮮見報(bào)道。

青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)為殼斗科(Fagaceae)青岡屬常綠喬木，在我國(guó)廣泛分布，具有壽命長(zhǎng)、對(duì)土壤要求不嚴(yán)格、萌芽能力極強(qiáng)等特點(diǎn)，常形成較穩(wěn)定的群落。青岡櫟木材材質(zhì)堅(jiān)硬、耐腐耐磨、耐水濕，可作為制造車輛、運(yùn)動(dòng)器械、樂器和木梭的原材料； 用其燒制的木炭質(zhì)量極佳，是良好的薪炭材； 種子含大量淀粉，可作為飼料及釀酒原料(陳存及等， 2000； 福建森林編輯委員會(huì)， 1993)。目前，對(duì)青岡櫟天然林(特別是幼林階段的青岡櫟天然林)的樹種組成和多樣性以及林分結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)狀況等林分特征的研究甚少。

本研究以福建省永安市持續(xù)遭受嚴(yán)重凍害的巨桉(Eucalyptusgrandis)人工林(前茬植被為人促闊葉林)為研究對(duì)象，分析由巨桉人工林轉(zhuǎn)型的13年生青岡櫟天然林特征，以期為探究中亞熱帶人工林成功轉(zhuǎn)型為天然闊葉林的基本條件、人工林的植被控制、天然闊葉林的保護(hù)和鄉(xiāng)土闊葉樹的發(fā)展(盛煒彤， 2014)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省永安市(116°56′—117°47′E，25°33′—26°12′N)，地處閩中偏西，總面積2 942 km2。屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫和降水量分別為14.3～19.2 ℃和1 490～2 050 mm，極端高溫和低溫分別可達(dá)-7.1和40.5 ℃，境內(nèi)山脈眾多、地形復(fù)雜，海拔相對(duì)高差較大，導(dǎo)致小區(qū)域間的氣候差異較大。主要土壤類型為紅壤和黃壤。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，常見人工林類型有杉木(Cunninghamialanceolata)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林和桉樹(Eucalyptusspp.)林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

試驗(yàn)林分位于福建省永安市西洋鎮(zhèn)嶺頭村65林班4大班8小班(Ⅱ類地，南坡向，中上部坡位，平均坡度20°)，林分類型為由巨桉人工林轉(zhuǎn)型的13年生青岡櫟天然林。巨桉人工林于2004年造林(造林密度1 950株·hm-2)，其前茬林分是以青岡櫟為優(yōu)勢(shì)種的人促闊葉林，闊葉林皆伐后未經(jīng)煉山，僅進(jìn)行全面林地清理、帶狀整地和挖穴造林活動(dòng)，并分別于造林當(dāng)年和次年進(jìn)行過每年2次的幼林撫育； 2011年12月巨桉遭受嚴(yán)重低溫凍害后全部枯死，之后未對(duì)該林分進(jìn)行截干萌芽或采伐利用等任何經(jīng)營(yíng)活動(dòng)； 2012年初，約1/3巨桉枯死木根莖處重新長(zhǎng)出萌條； 2015年12月再次遭受嚴(yán)重低溫凍害，巨桉萌條全部枯死，此后基本未再長(zhǎng)出萌條，即第一次凍害前巨桉人工林生長(zhǎng)了8年，第一次凍害后長(zhǎng)出的巨桉萌芽林又生長(zhǎng)了4年；2016年1月起對(duì)該林分進(jìn)行封育觀測(cè)，將巨桉人工林停止所有人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)之時(shí)(即2005年底完成幼林撫育之時(shí))作為青岡櫟天然林的年齡計(jì)測(cè)起點(diǎn)；2019年3月，在該林分內(nèi)進(jìn)行樣地布設(shè)與調(diào)查，此時(shí)青岡櫟天然林年齡為13年。

樣地面積需同時(shí)滿足測(cè)樹因子代表性要求和種-面積曲線確定的最小取樣面積要求，單塊樣地面積為400 m2。在林分內(nèi)選擇具有代表性地段進(jìn)行樣地布設(shè)，共設(shè)置3塊20 m×20 m樣地，每塊樣地分割成4個(gè)10 m×10 m樣方，并在每塊樣地中心設(shè)置1個(gè)4 m×4 m的小樣方，以樣方為基本單元對(duì)喬木層和灌木層林木進(jìn)行每木調(diào)查，在小樣方內(nèi)進(jìn)行草本層調(diào)查，對(duì)灌木層而言，每塊樣地僅選擇1個(gè)有代表性的樣方進(jìn)行調(diào)查。本研究中，喬木層指林分內(nèi)所有樹冠能接收到垂直光照的林木，即常規(guī)中亞熱帶天然闊葉林中所有受光層林木(莊崇洋等， 2017)，灌木層指所有樹高≥0.33 m且未達(dá)喬木層林木標(biāo)準(zhǔn)的林木(包括喬木幼樹和灌木)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

喬、灌木層的樹種組成與多樣性選用物種重要值(IV)和物種多樣性指標(biāo)(物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener均勻度、Simpson生態(tài)優(yōu)勢(shì)度)進(jìn)行綜合測(cè)度，用測(cè)樹因子分析林分特征(包括林分結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng))。各指標(biāo)的計(jì)算公式詳見參考文獻(xiàn)(王伯蓀等， 1996； 宋永昌， 2001)。對(duì)于灌木層林木，考慮其樹高可能小于1.3 m，故用樹高代替胸徑計(jì)算相對(duì)優(yōu)勢(shì)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)狀況

林分內(nèi)原有巨桉(包括2011年凍害后重新長(zhǎng)出的萌條)均以枯立木(密度為966株·hm-2、平均胸徑10.3 cm)或枯倒木形式存在，從水平和垂直層次來看，林內(nèi)桉樹枯立木分布較為均勻且大多處于林冠上層。

13年生青岡櫟天然林密度為6 308株·hm-2，蓄積量為 94.43 m3·hm-2。林分胸徑范圍為1.0～25.8 cm，平均為6.2 cm，變異系數(shù)高達(dá)68.63%，胸徑最大的3株分別為南酸棗(Choerospondiasaxillaris)25.8 cm、檫木(Sassafrastzumu)23.9 cm和南酸棗23.7 cm； 相對(duì)胸徑而言，林分樹高跨度相對(duì)較小，樹高范圍為3.5～18.0 m，平均為9.5 m，變異系數(shù)僅36.11%。林分具有較大的高徑比，林木高徑比范圍為41～380，平均高徑比達(dá)155。

對(duì)于胸徑和樹高，分別以2 cm和1 m為間距進(jìn)行徑階整化和樹高分組，林分直徑和樹高分布如圖1所示。從圖1可知，林分直徑和樹高分布曲線極為相似，均傾向于反J形且為連續(xù)分布； 林分內(nèi)林木胸徑大多在2～8 cm徑階，4 cm徑階林木株數(shù)最多，此后各徑階株數(shù)隨徑階增大而減少； 林分內(nèi)超過80%的林木樹高集中在3.5～8.5 m，其中3.5～4.5、4.5～5.5、5.5～6.5和6.5～7.5 m這4個(gè)樹高組林木株數(shù)相差不大。

由于巨桉人工林前茬林分是以青岡櫟為優(yōu)勢(shì)種的人促闊葉林，青岡櫟和許多闊葉樹種如絲栗栲(Castanopsisfargesii)、細(xì)枝柃(Euryaloquaiana)等均具有較強(qiáng)萌芽更新能力，因此轉(zhuǎn)型的天然闊葉林中萌芽個(gè)體占有一定比重。對(duì)林分內(nèi)萌生個(gè)體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，萌生個(gè)體的密度為2 333株·hm-2，算術(shù)平均高為6.7 m； 株數(shù)、胸高斷面積和蓄積量分別占全林的36.99%、35.75%和33.06%； 林分內(nèi)每個(gè)伐樁平均萌芽3株，主要萌生樹種有青岡櫟、米櫧(Castanopsiscarlesii)和杉木等，其中萌生青岡櫟的比重最大，占總萌生個(gè)體數(shù)的57.86%，占林分內(nèi)青岡櫟總株數(shù)的66.12%。

圖1 林分直徑和樹高分布Fig.1 Diameter and height distribution of the stand

3.2 喬木層的樹種組成與多樣性

喬木層共計(jì)45個(gè)樹種(喬木樹種34種、灌木樹種11種)，隸屬于24科33屬。喬木樹種是喬木層的主體，其株數(shù)和胸高斷面積占比分別為88.90%和97.55%，重要值達(dá)88.65%。喬木層的Shannon-Wiener指數(shù)為3.74、均勻度為0.68、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度為0.14，各樹種的重要值、相對(duì)多度等指標(biāo)如表1所示(僅列出重要值大于1%的樹種)。層內(nèi)有18個(gè)樹種的重要值超過1%，其重要值總和為85.46%，青岡櫟是喬木層的優(yōu)勢(shì)種，其相對(duì)多度(32.36%)、相對(duì)頻度(7.69%)、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(16.75%)和重要值(18.94%)均為層內(nèi)最高。層內(nèi)有不少珍貴或高價(jià)值用材樹種(黃清麟等， 2012)，如木荷(Schimasuperba)、沉水樟(Cinnamomummicranthum)、米櫧、檫木和福建青岡(Cyclobalanopsischungii)等。

24個(gè)科中，樹種數(shù)最多的為殼斗科和樟科(Lauraceae)，均各有6種，其次是山礬科(Symplocaceae)有4種，大戟科(Euphorbiaceae)、五列木科(Pentaphylacaceae)和山茶科(Theaceae)各有3種，冬青科(Aquifoliaceae)和安息香科(Styracaceae)各有2種，其余16個(gè)科均只有1種。

喬木層以常綠闊葉喬木為主。層內(nèi)針葉樹有杉木和馬尾松2種，二者占總株數(shù)的5.68%、總胸高斷面積的8.61%、重要值總和為7.54%。43個(gè)闊葉樹種中以常綠闊葉樹為主，常綠和落葉樹種分別有28和15種； 常綠闊葉樹的株數(shù)和胸高斷面積分別占總株數(shù)和總胸高斷面積的62.88%和60.22%，重要值為59.84%，其中常綠闊葉喬木有20種，其株數(shù)和胸高斷面積分別占總株數(shù)和總胸高斷面積的55.88%和58.42%，重要值為51.78%，常綠闊葉灌木有8種，株數(shù)和胸高斷面積占比分別為7.00%和1.79%，重要值為8.06%； 落葉闊葉樹的株數(shù)和胸高斷面積占比分別為31.44%和31.17%，重要值為32.62%，其中落葉闊葉喬木有12種，株數(shù)占比、胸高斷面積占比和重要值分別為27.34%、30.51%和29.33%； 落葉闊葉灌木有3種，株數(shù)占比、胸高斷面積占比和重要值分別為4.09%、0.66%和3.29%。

表1 喬木層各樹種相對(duì)多度、相對(duì)頻度、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度及重要值①Tab.1 Relative abundance, relative frequency, relative dominance, and important value of tree species in arbor layer

3.3 灌木層的樹種組成與多樣性

灌木層的密度為4 533株·hm-2，樹高平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為1.5 m、0.9 m和58.55%。灌木層的物種豐富度(27種)明顯少于喬木層，Shannon-Wiener指數(shù)(3.69)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)度(0.13)與喬木層相近，但由于樹種分布比較均勻，均勻度(0.78)較喬木層更高。各樹種的重要值、相對(duì)多度等指標(biāo)如表2所示(僅列出重要值大于2%的樹種)。灌木層有12個(gè)樹種的重要值超過2%，茶是灌木層的優(yōu)勢(shì)種，層內(nèi)有楓香(Liquidambarformosana)、木荷和米櫧等珍貴或高價(jià)值用材樹種。

灌木層27個(gè)樹種隸屬于18科23屬，其中樟科、五列木科和山茶科樹種數(shù)最多，均各有3種樹種，安息香科、殼斗科和茜草科(Rubiaceae)均各有2種樹種，其余12科均只有1種樹種。灌木層內(nèi)喬木和灌木樹種的樹種數(shù)接近，分別有15和12種，株數(shù)占比分別為30.15%和69.85%，重要值分別為39.13%和60.87%，灌木樹種在灌木層中占優(yōu)勢(shì)。

從生長(zhǎng)型來看，常綠樹種是灌木層的主體，層內(nèi)常綠和落葉樹種分別有18和9種，除物種數(shù)外，常綠樹種的相對(duì)多度(71.32%)、相對(duì)頻度(67.57%)、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(61.50%)和重要值(66.80%)均遠(yuǎn)高于落葉樹種。18個(gè)常綠樹種中，喬木和灌木樹種均各有9種，灌木樹種的相對(duì)多度(50.00%)、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(41.24%)和重要值(41.23%)均高于喬木樹種，但灌木樹種的相對(duì)頻度(32.43%)較喬木樹種更低。8個(gè)落葉樹種中僅有3種灌木樹種，灌木樹種的相對(duì)多度(19.85%)、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(30.97%)和重要值(19.64%)均高于喬木樹種，但其相對(duì)頻度(8.11%)低于喬木樹種。

表2 灌木層各樹種相對(duì)多度、相對(duì)頻度、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度及重要值①Tab.2 Relative abundance, relative frequency, relative dominance, and important value of tree species in arbor layer

3.4 草本層的物種組成

草本層的物種豐富度相對(duì)較低，大多為蕨類植物，如金星蕨(Parathelypterisglandulgera)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、鳳尾蕨(Pteriscreticavar.nervosa)和狗脊(Woodwardiajaponica)等，藤本植物有菝葜(Smilaxchina)和蛇葡萄(Ampelopsisglandulosa)，喬、灌木幼苗有絲栗栲、黃毛潤(rùn)楠(Machiluschrysotricha)和朱砂根(Ardisiacrenata)等。

4 討論

從林分結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)狀況、喬木層和灌木層的樹種組成與多樣性以及草本層的物種組成等林分特征來看，由巨桉人工林轉(zhuǎn)型的13年生青岡櫟天然林與相近年齡的人促闊葉林(黃清麟， 1998)以及萌芽力極強(qiáng)的相近年齡人促福建青岡林(黃清麟等， 1995)和青岡櫟或福建青岡天然林(福建森林編輯委員會(huì)， 1993)的林分特征無(wú)本質(zhì)區(qū)別，屬典型的幼林階段中亞熱帶天然闊葉林，是中亞熱帶人工林成功轉(zhuǎn)型天然闊葉林的典型案例。

天然更新是森林資源再生產(chǎn)的重要生態(tài)過程之一，本研究中巨桉人工林向青岡櫟天然林的轉(zhuǎn)型實(shí)質(zhì)上是通過鄉(xiāng)土闊葉樹的天然更新實(shí)現(xiàn)的，但并非所有林下有天然更新的人工林都能實(shí)現(xiàn)向天然林轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型成功與否取決于人工林下是否有良好的鄉(xiāng)土樹種天然更新，這種良好的鄉(xiāng)土樹種天然更新體現(xiàn)在數(shù)量和質(zhì)量2方面，即林分內(nèi)天然更新林木的密度已經(jīng)足夠大，且天然更新林木的物種多樣性較為豐富、分布較為均勻。本研究中，巨桉人工林下的天然更新林木密度大、物種多樣性豐富且分布均勻，保障了巨桉人工林向天然林的成功轉(zhuǎn)型，而2次嚴(yán)重低溫凍害導(dǎo)致的巨桉死亡加速了這種轉(zhuǎn)型。因此，對(duì)于需要進(jìn)行植被控制或轉(zhuǎn)型為天然林的人工林來說，一方面需保護(hù)和利用林下已有的天然更新，同時(shí)也可采取環(huán)剝、伐除人工林木等措施加速轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

本研究中，巨桉人工林造林前地類是以青岡櫟為主的人促闊葉林采伐跡地，且造林時(shí)未經(jīng)煉山，原有天然闊葉林土壤種子庫(kù)、來自試驗(yàn)地周邊現(xiàn)存天然闊葉林斑塊及散生闊葉樹的種子傳播為巨桉人工林向青岡櫟天然林成功轉(zhuǎn)型提供了種源保證。由于青岡櫟具有很強(qiáng)的萌芽能力，結(jié)合林分歷史及青岡櫟樹種特性可以推測(cè)，轉(zhuǎn)型的青岡櫟天然林中實(shí)生青岡櫟主要來自土壤種子庫(kù)，而萌生青岡櫟可能有以下2種來源：一是采伐跡地中原有的青岡櫟伐樁，二是土壤種子庫(kù)中青岡櫟種子長(zhǎng)成的實(shí)生青岡櫟幼樹經(jīng)幼林撫育形成的小伐樁。

與福建順昌同齡一般人促闊葉林(黃清麟， 1998)相比，本研究中13年生青岡櫟天然林的平均胸徑(6.2 cm)和蓄積量(94.43 m3·hm-2)均約為一般人促闊葉林平均胸徑(12.0 cm)和蓄積量(175.6 m3·hm-2)的一半，平均高(9.5 m)與一般人促闊葉林(平均高9.6 m)相近，密度(6 038株·hm-2)約為一般人促闊葉林密度(3 045株·hm-2)的2倍。造成這種現(xiàn)象的原因可能有以下幾點(diǎn)： 第一，該天然闊葉林優(yōu)勢(shì)樹種為青岡櫟，青岡櫟木材密度大、生長(zhǎng)緩慢，特別是前期生長(zhǎng)更慢，決定了該天然闊葉林蓄積量不高； 第二，從巨桉人工林幼林撫育結(jié)束到遭受第一次嚴(yán)重低溫凍害的6年時(shí)間里，林下天然闊葉樹始終處在上層巨桉林冠的遮蔽下，不僅不能接收到充足的光照，生長(zhǎng)空間還被人工巨桉林木嚴(yán)重?cái)D壓，天然闊葉樹的生長(zhǎng)受到影響，而林下光熱條件較差使得生長(zhǎng)較快的落葉闊葉樹無(wú)法侵入，導(dǎo)致該天然闊葉林蓄積不高； 第三，后期巨桉枯立木仍然占據(jù)部分生長(zhǎng)空間，在一定程度上影響該天然闊葉林的生長(zhǎng)。

5 結(jié)論

巨桉人工林已經(jīng)成功轉(zhuǎn)型為13年生青岡櫟天然林。林分異齡林特征明顯，具有豐富的物種多樣性，一定的蓄積量，較高的郁閉度、株數(shù)密度和林木高徑比。林分內(nèi)萌生林木占36.99%，其中青岡櫟的比重最大。林分喬木層和灌木層的物種多樣性均較為豐富，喬木層和灌木層的主體分別為鄉(xiāng)土常綠闊葉喬木和鄉(xiāng)土常綠闊葉樹，優(yōu)勢(shì)種分別為青岡櫟和茶； 林內(nèi)有不少珍貴或高價(jià)值用材樹種。該林分與相近年齡的人促闊葉林以及萌芽力極強(qiáng)的相近年齡的人促福建青岡林和青岡櫟或福建青岡天然林的林分特征已無(wú)本質(zhì)區(qū)別，屬典型的幼林階段中亞熱帶天然闊葉林，是中亞熱帶人工林成功轉(zhuǎn)型天然闊葉林的典型案例。