近自然化改造在甘肅省馬尾松和杉木人工純林中的應(yīng)用效果探析

摘 要 為提高人工林地培育樹種的質(zhì)量，研究自然化改造對林分結(jié)構(gòu)的影響，以甘肅省小隴山林區(qū)對馬尾松和杉木人工純林的近自然化改造為論述對象，分析了近自然化改造后的林分結(jié)構(gòu)變化情況。結(jié)果表明，通過對馬尾松林進行近自然改造，在弱、中等、強、極強混交4個級別上，林分個體數(shù)量的比重均有所提高，尤其是極強混交所占比重為25%，平均混交度由改造前的0提高至0.82。林分角尺度上，馬尾松林中隨機性個體數(shù)目所占的比重較大，但在近自然化改造后，隨機性個體數(shù)目所占的比重降低至41.67%，而團狀分布則上升至8.33%。林分大小比數(shù)方面，杉木對照林分近自然化改造后優(yōu)勢木與中等木所占比重分別增長了28.00%與20.00%，而其他種類木所占比重則呈下降趨勢，林分的平均大小比數(shù)也從改造前的0.52下降到0.46。近自然改造可以改善林分結(jié)構(gòu)和林地土壤肥力，增加林間物種多樣性。但過度擇伐也會產(chǎn)生反作用，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。

關(guān)鍵詞 近自然化改造；馬尾松；林分結(jié)構(gòu)；杉木；甘肅省小隴山林區(qū)

中圖分類號：S791.24；S791.27 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.22.068

馬尾松和杉木都是我國的重要用材樹種，在我國大部分地區(qū)都有分布，多作為造林先鋒樹種，主要應(yīng)用于防護林、水源涵養(yǎng)林、水土保持林、經(jīng)濟林等領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境問題的日益凸顯，如何通過有效的措施對馬尾松人工林和杉木人工林進行改造，提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和碳匯功能，成了目前研究的熱點。

在天然更新過程中，馬尾松人工林和杉木人工林常出現(xiàn)林分郁閉度高、林分生長量低等問題，因此，近年來許多學(xué)者開展了人工誘導(dǎo)馬尾松純林和杉木純林更新的研究。對馬尾松和杉木人工純林進行自然化改造是一種簡單且有效的更新方式，可在一定程度上提高林分生長量、蓄積量和生物量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省小隴山林區(qū)地跨長江、黃河兩大流域，是兼有我國南北方特點的典型天然次生林區(qū)，也是全國天然林保護工程重點實施區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°22′～106°43′、北緯33°30′～34°49′，海拔700～3 300 m，年均氣溫7～12 ℃，年均降水量460～800 mm，無霜期140～218 d。小隴山林區(qū)氣候溫和，雨量充沛，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，自然條件優(yōu)越，動植物種類繁多。野生動物有61科389種；植物兼有南北植物區(qū)系的特點，有224科945屬2 800多種，其中木本植物800余種。

選取1995年營造的馬尾松和杉木兩種人工純林，在造林后的3年內(nèi)對新植的幼苗進行撫育，造林密度為3 500株·hm-2，2002年后再對幼苗進行透光伐，2006、2009年后再對幼苗進行兩次撫育間伐，留下375～450株·hm-2的樹木。2010年起，實行近自然化改造，進行了一年生闊葉樹種的補植，馬尾松林補植香梓楠、紅錐和黃毛榕，杉木林補植麻楝、羅浮柿，補植后進行3年撫育管理。

1.2 試驗設(shè)計

以馬尾松、杉木為研究對象，試驗共設(shè)16塊樣地，其中兩塊馬尾松人工純林、兩塊杉木人工純林，人工純林不補植其他樹種；近自然化改造地塊12塊，馬尾松和杉木近自然化改造各6塊，每個地塊均補植珍貴樹種，馬尾松種植林區(qū)補植香梓楠、紅錐和黃葉榕，杉木林補植麻楝、羅浮柿。

為了使林分結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，在針闊林中引入多種喬木，使其具有更好的競爭優(yōu)勢，更好地發(fā)揮其生態(tài)互補價值，從而構(gòu)成針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；通過對優(yōu)勢單株、樹種及林分結(jié)構(gòu)的管理，實現(xiàn)加速土壤發(fā)育、增加林分生長量、改善森林生態(tài)環(huán)境的總體目標(biāo)[1]。管理設(shè)計的重點是上層以目標(biāo)樹種為核心，進行單一樹種的生長撫育，下層以6個闊葉樹種的補種為主，進行整體性的撫育。本研究擬選擇4種不同的補植方式，各補植面積為0.067～0.133 hm2，株距為4.5 m×3.0 m，以1∶1為比例，通過組合4種不同的補植方式，構(gòu)建大面積混合林分。

1.3 生長觀測

在林分中設(shè)置一個面積為400 m2的圓狀標(biāo)準(zhǔn)地，并以此為基礎(chǔ)，對該樣地內(nèi)胸徑大于5 cm的林木按照從中心到外圍順時針排列的順序，進行統(tǒng)計分析。利用DQL-12Z正像森林羅盤儀測定方位角，利用激光測距儀測量距離。調(diào)查的主要內(nèi)容有：林分情況，包括海拔、坡向、健康狀況、郁閉度、人為干擾及森林退化等；測量樹木的個體參數(shù)，包括胸徑、樹高、枝下高度、樹干形態(tài)、生長勢、損傷程度等；幼樹與灌木，包括在5 m×5 m范圍內(nèi)，對每一棵幼樹（胸徑＜5 cm，高＞30 cm）高度、灌木種類、數(shù)量、平均高、覆蓋度等方面的調(diào)查[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分結(jié)構(gòu)變化

2.1.1 林分直徑結(jié)構(gòu)

由圖1可知，馬尾松人工純林主要為14～26 cm的中等直徑，并且分布較為集中，整體上呈現(xiàn)出同期人工純林直徑分布特點，服從正態(tài)性分布。近自然化改造的林分中，較小尺度的樹木所占比重較大，6 cm尺度的樹木以羅浮柿等樹種為主，且呈現(xiàn)出異齡林直徑分布特點，以及倒“J”型發(fā)展傾向。

從杉木人工純林直徑數(shù)據(jù)中可以看出，未改造林主要分布在6 cm和14～22 cm直徑級別，特別是16～18 cm，總樹木數(shù)量相對較多。相比之下，近自然化改造林直徑分布范圍較廣，集中在6 cm和18～22 cm直徑級別，呈現(xiàn)更小直徑級別的趨勢。未改造林可能出于木材采伐的考慮，更注重對大直徑級別樹木的培養(yǎng)。總的來說，近自然化改造林強調(diào)適當(dāng)?shù)拿芏群椭睆郊墑e，保護生態(tài)系統(tǒng)，而未改造林傾向于自然生長和樹木多樣性。

2.1.2 林分樹高結(jié)構(gòu)

從圖2林分樹高的變化情況來看，未改造前馬尾松人工純林樹高結(jié)構(gòu)為單峰型，以16～20 m為主，而杉木人工純林樹高結(jié)構(gòu)為雙峰型，有少數(shù)樹木高度為6～8 m，較多樹木高度在14～20 m。近自然化改造的林分樹木高度均呈現(xiàn)雙峰型，其中馬尾松平均高度4～12 m、杉木平均高度16～18 m，兩種樹木總體呈現(xiàn)逐漸向主體層靠攏的趨勢，并已初步形成垂直結(jié)構(gòu)。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)變化

2.2.1 林分混交度

混交度的劃分是依據(jù)林木之間存在的種間關(guān)系和其在空間上的分布模式?jīng)Q定的。樹木周圍的鄰近樹種如果全為相同種，則混交度為0，該片林分認(rèn)為是零度混交；以此類推，混交度0.25為弱度、0.50為重度、0.75為強度，1.00為極強度。由圖3可知，在馬尾松近自然改造林分中，隨著香梓楠、紅錐、黃毛榕等原生樹種逐漸進入主體，在弱、中等、強、極強混交4個級別上，林分個體數(shù)量的比重均有所提高。各樹種混交程度如表1所示，馬尾松和杉木平均混交度為0%、7%，近自然化改造后混交度為58%、83%，為重度混交和強度混交，表明近自然化造成后，杉木和馬尾松單種聚焦現(xiàn)象明顯降低。

在杉木對照林分中，麻楝、羅浮柿等樹種在其中所占的比重較大，混交程度主要是零度混交，弱度、中度、強度混交所占的比重也較大，在近自然化改造林分中，強度混交所占比重為39.29%，極強度混交所占比重為50%，林分平均混交度也從改造前的0.16增至0.89。

2.2.2 林分角尺度

由圖4可知，在近自然化改造中，林分內(nèi)干擾樹木的砍伐多以目標(biāo)樹木為參考，未考慮它們之間的角度關(guān)系，因此在不同層次角尺度上，干擾樹木的角度變化較小。

對角尺度的劃分，0為絕對均勻分布、0.25為均勻分布、0.50為隨機分布、0.75為不均勻分布，1.00為團狀分布。馬尾松林中隨機的個體數(shù)比例均較高，但在近自然化改造后的林分中，隨機分布所占的比重從57.14%降低到41.67%，而團狀分布則上升至8.33%；兩個林分平均角尺度分別為0.49、0.50，其大小介于0.475～0.517，表明了兩個林分的整體分布是隨機的。杉木對照林分的角尺度為0.400＜0.475，總體上呈均勻分布，與人工林分特征相吻合。經(jīng)近自然化改造后的林分角尺度大小為0.550＞0.517，呈團狀分布。

2.2.3 林分大小比數(shù)

由圖5可知，在馬尾松對照林分中，林分的大小比數(shù)平均值為0.57，各項大小比數(shù)的頻度分布較為均衡，總體上保持在中等水平。在近自然化改造林分中，優(yōu)勢個體（0）所占比重從14%提升至33%，中等個體（0.50）所占比重由21%降低至8%，而在受壓生長條件下，弱勢（0.75）與極弱勢個體（1）所占比重基本不變，表明近自然化改造對保留木材的生長與高質(zhì)量大直徑木材所占比重提高均有作用。

杉木對照林分的平均大小比數(shù)為0.52，中等個體比例約為4%，處于優(yōu)勢生長狀態(tài)下的個體樹種占比為17%（見表2），表明林分穩(wěn)定性較差。近自然化改造后，優(yōu)勢木與中等木所占比重分別增長了10個百分點和16個百分點，而其他種類木所占比則呈下降趨勢；林分的平均大小比數(shù)也從改造前的0.52下降到0.46，表明改良后的林分正逐漸向穩(wěn)定方向發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

3.1 近自然化改造對林分結(jié)構(gòu)的影響

林分結(jié)構(gòu)是林分各主要組分對長期生存環(huán)境的適應(yīng)性和對生境影響的綜合體現(xiàn)，決定了林分的諸多特性，也是評價森林可持續(xù)管理水平的一個重要指標(biāo)。近自然改造是林分結(jié)構(gòu)變化的主要原因，林分結(jié)構(gòu)可分為空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)兩類，其中樹種組成、年齡、直徑分布等是非空間結(jié)構(gòu)的主要特征；空間結(jié)構(gòu)是指樹木在林分中的空間配置模式和空間分布模式。

目前，關(guān)于近自然化改造如何影響林分結(jié)構(gòu)的研究較少，而且大多數(shù)都是近年來剛剛開始。彭文成等人通過對4種馬尾松林近自然化改造后的林分混交程度和空間分布方式的研究，表明近自然化改造后林分內(nèi)混交程度顯著增加，樹木的空間分布方式也從原來的均勻分布，逐漸變成了群集和隨機分布；經(jīng)過輕、中等程度的采伐，松林的分布趨向于群落結(jié)構(gòu)，這對物種的保持是有利的[3]。張俊艷等人對人工云南松林進行了近自然改造，發(fā)現(xiàn)云南松在林分中的重要性降低，而林分混交程度提高[4]。肖堯等研究發(fā)現(xiàn)人工林經(jīng)過6 a的近自然化改造后，其近自然度得到了明顯改善[5]。王希華等人利用木荷、楓香等對次生馬尾松林進行近自然化改造后，10 a后已形成相對穩(wěn)定的針闊混交林，且林下植被從陽性向中性、陰性轉(zhuǎn)化[6]。因此對林分進行近自然化改造，可為林木的多功能效應(yīng)的充分發(fā)揮提供強有力的保證。

3.2 近自然化改造對林地土壤肥力的影響

森林土壤是樹木生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，其理化特性和土壤肥力對林分有一定程度的影響。人工純林，特別是針葉純林，其地力退化關(guān)系到人工林的可持續(xù)管理和利用。近自然改造可以改善林內(nèi)環(huán)境，改良林地肥力和土壤性質(zhì)，增加林間物種多樣性。

國內(nèi)外學(xué)者對該問題進行了大量的研究，例如Tian等人以湖南省20年生馬尾松為研究對象，通過間伐與去枯處理發(fā)現(xiàn)，間伐能夠明顯改善土壤溫濕狀況，并促進土壤碳儲量提高[7]。曲杭峰等人對馬尾松和杉木等樹種進行了間伐實驗，結(jié)果證明了間伐能顯著地改善土壤的肥力[8]。王亞麗等人通過研究由馬尾松純林改造成的針闊葉林土壤化學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，改造后的針闊葉林下土壤有機質(zhì)、氮、磷含量均顯著提高[9]。通過對落葉松人工林近自然化改造后土壤微生物與營養(yǎng)物質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)小林隙中的微生物群落多樣性明顯增加，大林隙第1 a的土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量則明顯升高。

盡管間伐等近自然改造處理措施對林分具有正向作用，但過度擇伐在長期內(nèi)也會產(chǎn)生反作用。鄭麗鳳等人在高強度砍伐后，通過研究10 a林分土壤物理化學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，高強度擇伐會導(dǎo)致土壤致密度、孔隙率、通氣性、保水性降低，且擇伐10年后仍然沒有得到改善；在森林擇伐的前期，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)含量明顯提高，而到了擇伐的后期，則急劇下降，這與過度的砍伐造成林地裸露和嚴(yán)重的土壤侵蝕有關(guān)[10]。這一點也在周新年等人以天然針闊混交林為對象，測定4種不同強度采伐10 a后林地凋落物及其養(yǎng)分含量的研究中得到了進一步的證實[11]。因此，在近自然改造中，需要控制林木采伐強度，也可以采用套種促更新，只有將以上兩種方法相互結(jié)合，才能避免采伐對林木的不良影響。

從林分的非空間結(jié)構(gòu)來看，近自然化改造改善了林分的物種構(gòu)成，使異齡林的徑級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出倒“J”型的特點。在林分空間結(jié)構(gòu)方面，近自然化改造林分逐漸去除了人工純林的零度或弱度混交、水平均勻分布與中庸?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)特點。林分中的補植樹種與天然更新樹種的成長，使林分混交程度增強，物種多樣性增強，林分空間結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，使林分趨向于異齡復(fù)層林。

參考文獻：

[1] 張可欣，劉憲釗，雷相東，等.馬尾松人工林不同經(jīng)營方式短期經(jīng)濟效益分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2022，44（5）：43-54.

[2] 丁磊，李慶軍.遼東山區(qū)落葉松林近自然化改造短期效果分析[J].遼寧林業(yè)科技，2019（5）：5-7.

[3] 彭文成，楊佳，黃士綺，等.近自然改造對馬占相思人工林生長更新及物種多樣性影響[J].熱帶林業(yè)，2022，50（4）：13-17.

[4] 張俊艷，陸元昌，成克武，等.近自然改造對云南松人工林群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性的影響[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，33（3）：72-77.

[5] 肖堯.桓仁縣紅松人工林灌草層種質(zhì)資源的現(xiàn)狀、存在問題與對策建議[J].吉林林業(yè)科技，2022，51（5）：39-41.

[6] 王希華，宋永昌，王良衍.馬尾松林恢復(fù)為常綠闊葉林的研究[J].生態(tài)學(xué)雜志，2001，20（1）：30-32.

[7] TIAN D L，PENG Y Y，YAN W D，et al.Effects of thinning and litter fall removal on fine root production and soil organic carbon content in masson pine plantations[J].Pedosphere，2010，20（4）：486-493.

[8] 曲杭峰，董希斌，魏娜，等.撫育間伐強度對天然針闊混交林土壤肥力的影響[J].溫帶林業(yè)研究，2022，5（4）：22-27.

[9] 王亞麗，許武成，杜忠.馬尾松低效人工林土壤易氧化有機碳在不同改造措施下的分布特征[J].四川林業(yè)科技，2021，42（1）：35-39.

[10] 鄭麗鳳，周新年.擇伐強度對天然林樹種組成及物種多樣性影響動態(tài)[J].山地學(xué)報，2008，26（6）：699-706.

[11] 周新年，巫志龍，鄭麗鳳，等.天然林擇伐10年后凋落物現(xiàn)存量及其養(yǎng)分含量[J].林業(yè)科學(xué)，2008，4（10）：25-28.

（責(zé)任編輯：張春雨）