田 甜, 余樹全, 張旭東, 白彥鋒, 張華鋒, 姜春前
(1. 中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)研究所 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室, 北京100091; 2. 浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術(shù)學院, 浙江 杭州311300; 3. 浙江省杭州市臨安區(qū)農(nóng)林技術(shù)推廣中心, 浙江 杭州 311300)
毀林和森林退化導(dǎo)致了生物多樣性的大量喪失和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的下降[1-2]。 森林恢復(fù)是減緩(減少)毀林和森林退化的重要途徑, 與人類的福祉息息相關(guān)[3-4]。 中國人工林面積世界排名第1 位, 在全球森林生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位[5]。 但是, 樹種少、 同齡純林以及連片面積過大, 缺乏對本地原生植被保護等問題, 導(dǎo)致了大量人工林無法很好地發(fā)揮經(jīng)濟效益和生態(tài)效益, 還引起諸多社會環(huán)境矛盾[6-8]。杉木Cunninghamia lanceolata作為人工林種植的主要樹種和重要速生用材樹種, 分布在中國南方16 個?。▍^(qū)), 在中國森林蓄積量和木材生產(chǎn)中占有重要地位。 由于杉木人工林的針葉化、 純林化、 經(jīng)營集約化和多代連栽等現(xiàn)象的加劇, 杉木人工林普遍存在地力衰退、 生產(chǎn)力下降和生物多樣性低等一系列生態(tài)問題, 制約著森林的永續(xù)利用及其生態(tài)和經(jīng)濟效益的發(fā)揮[9-12]。 探索退化杉木人工林科學的恢復(fù)方式, 對恢復(fù)中國乃至世界人工林生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)功能具有借鑒意義。 植物多樣性對林分的養(yǎng)分循環(huán)和能量流動有關(guān)鍵作用[11,13-14], 林分結(jié)構(gòu)是對林分發(fā)展過程如更新方式、 競爭、 自然稀疏和經(jīng)歷的干擾活動的綜合反映[15]。 因而, 了解杉木林植物群落特征, 有助于進一步有效經(jīng)營利用和調(diào)控群落, 為恢復(fù)退化杉木林提供科學依據(jù)。 中國杉木林大多是人工林, 少量為次生林, 人工栽培常系純林[16]。 目前, 對杉木林植物群落特征已有大量研究, 但多集中在人工栽植的杉木林中[15-20], 對于皆伐后萌芽杉木幼齡林植物群落特征的研究未見報道。 萌芽是杉木人工林重要的起源方式之一, 是一些杉木產(chǎn)區(qū)傳統(tǒng)的育杉方式, 開展杉木萌芽林植物群落物種組成和結(jié)構(gòu)特征研究, 對杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營和森林恢復(fù)活動具有一定的理論和實踐價值。 杭州市臨安區(qū)森林資源豐富, 是浙江省9 個重點林區(qū)縣(市)之一, 杉木林是當?shù)剞r(nóng)戶收入來源之一。 當?shù)厣寄玖忠泊嬖谥址滞嘶?地力衰退等一系列的問題, 亟待施與恰當?shù)幕謴?fù)措施來進行恢復(fù), 以保障森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。 本研究選擇當?shù)卮硇远妊可寄居g林為研究對象, 對其植物群落特征進行調(diào)查分析, 以探索適合當?shù)氐纳只謴?fù)方式, 也為專家學者研究杉木林植物群落特征提供參考。
浙江省杭州市臨安區(qū)(29°56′~30°23′N, 118°51′~119°52′E)地處浙江省西北部天目山區(qū), 屬中亞熱帶季風區(qū), 氣候溫暖濕潤, 光照充足, 雨量豐沛, 四季分明。 該區(qū)北、 西、 南三面環(huán)山, 形成一個東南向的馬蹄形屏障。 境內(nèi)以丘陵山地為主, 地勢自西北向東南傾斜, 立體氣候明顯。 樣地設(shè)于臨安區(qū)於潛鎮(zhèn)昔口村, 於潛鎮(zhèn)位于西天目山南麓, 地處浙西山區(qū), 臨安區(qū)域的中心地帶, 昔口村坐落于於潛鎮(zhèn)西部, 杉木林為當?shù)剞r(nóng)戶的收入來源之一。
選取昔口村30 hm2二代萌芽杉木幼齡林作為研究對象, 設(shè)置9 塊樣地。 樣地平均海拔158 m, 平均坡度30.4°, 土壤為紅壤, 平均土壤厚度為85 cm, 平均郁閉度0.58, 平均密度3 165 株·hm-2, 平均胸徑為4.06 cm, 平均樹高為3.59 m(表1)。 該地早先為荒山, 后進行荒山改造栽植杉木人工林。 一代杉木人工林2012-2013 年皆伐, 現(xiàn)為萌芽杉木幼齡林, 林齡為5 a。
1.3.1 外業(yè)調(diào)查 在林中設(shè)置20 m × 20 m 的樣地9 塊, 調(diào)查時間為2017 年10 月。 ①喬木層調(diào)查。 樣地面積為20 m × 20 m, 胸徑1.0 cm 起測。 調(diào)查因子為胸徑、 樹高、 郁閉度。 ②灌木層調(diào)查。 在樣地四角和中心設(shè)置5 個4 m × 4 m 的小樣方, 調(diào)查灌木層的種類、 株數(shù)、 蓋度、 平均高度等。 ③草本層調(diào)查。 在樣地四角和中心設(shè)置5 個4 m × 4 m 的小樣方, 調(diào)查草本層種類、 株數(shù)、 蓋度和平均高度。
1.3.2 內(nèi)業(yè)處理 (1)物種重要值計算: 重要值=(相對多度+相對頻度+相對優(yōu)勢度)/3×100%; 相對多度=某個物種株數(shù)/所有物種的株數(shù)×100%; 相對頻度=某個物種出現(xiàn)的樣方數(shù)/所有物種出現(xiàn)的樣方數(shù)×100%; 相對優(yōu)勢度=某個物種的優(yōu)勢度/所有物種的優(yōu)勢度×100%。 本研究中, 胸高斷面積為喬木層樹種的優(yōu)勢度, 灌木和草本層物種的優(yōu)勢度為各物種蓋度[21]。(2)物種多樣性指標計算: 采用物種豐富度指數(shù)(S)、 Simpson 生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)(D)、 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)以及Pielou 均勻度指數(shù)(E)4 個指標來分析杉木萌芽林的植物多樣性[21]。
表1 昔口村杉木幼齡林基本信息Table 1 Basic information of young Chinese fir forest in Xikou Village
杉木幼齡林喬木層植物共14 種, 隸屬于11 科14 屬(表2)。 其中: 樟科Lauraceae 包含3 個屬, 占喬木層總科數(shù)的9.09%, 總屬數(shù)的21.43%, 總物種數(shù)的21.43%; 漆樹科Anacardiaceae 包含2 個屬, 占喬木層總科數(shù)的9.09%, 總屬數(shù)的14.29%, 總物種數(shù)的14.29%; 其余均為單科單屬, 占喬木層總科數(shù)的81.82%, 總屬數(shù)的64.29%, 總物種數(shù)的64.29%。 杉木是喬木層的主要樹種, 占喬木層植物總種數(shù)7.14%, 重要值為59.26%。
表2 喬木層植物重要值排序Table 2 Ranking of important value of trees
林下灌木層植物共58 種, 隸屬于32 科47 屬(表3)。 其中: 大戟科Euphorbiaceae 包含4 個屬, 分別占灌木層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的3.13%、 8.51%和6.90%; 馬鞭草科Verbenaceae、 薔薇科Rosaceae、 樟科、 豆科Fabaceae 包含3 個屬, 分別占灌木層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的12.50%、25.53%和31.04%; 五加科Araliaceae、 山茶科Theaceae、 杜鵑花科Ericaceae、 葡萄科Vitaceae、 漆樹科包含2 個屬, 分別占灌木層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的15.63%、 21.28%和18.97%; 其余均為單科單屬, 分別占灌木層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的68.75%、 44.68%和36.21%。 重要值排名前10 位的灌木層植物占灌木層植物總種數(shù)的17.24%, 重要值之和為57.80%。 除杉木外, 重要值大于10%的灌木層植物有蓬蘽, 屬薔薇科懸鉤子屬Rubus。
林下草本層植物共41 種, 隸屬于22 科37 屬(表4)。 其中: 禾本科Gramineae 包含6 個屬, 分別占草本層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的4.55%、 16.22%和14.64%; 菊科Compositae 包含6 個屬, 分別占草本層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的4.55%、 16.22%和14.64%; 金星蕨科Thelypteridaceae 包含4 個屬,分別占草本層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的4.55%、 10.81%和9.76%; 百合科Liliaceae 包含3 個屬, 分別占草本層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的4.55%、 8.11%和7.32%; 其余均為單科單屬, 分別占草本層總科數(shù)、 總屬數(shù)和總物種數(shù)的81.82%、 48.65%和53.66%。 重要值排名前10 位的草本植物占草本層植物總種數(shù)24.39%, 重要值之和為78.79%。 重要值大于10%的草本層植物有蕨、 微糙三脈紫菀與栗褐薹草, 分別隸屬于蕨科Pteridiaceae 蕨屬Pteridium、 菊科紫菀屬Aster與莎草科Cyperaceae 薹草屬Carex。
杉木幼齡林共有植物104 種(表5), 其中喬木、 灌木、 草本植物種數(shù)分別占植物總種數(shù)13.46%、55.77%、 39.42%, 物種豐富度指數(shù)、 Simpson 生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)、 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、 Pielou 均勻度指數(shù)均為灌木層>草本層>喬木層。
表3 灌木層植物重要值排序Table 3 Ranking of important value of shrubs
喬木層密度及樹種均表現(xiàn)為陽坡>陰坡, 杉木數(shù)量陽坡較陰坡多。 此外, 紅葉石楠、 楓香、 山雞椒等喜光樹種多在陽坡稀疏分布。 喬木層樹種平均胸徑在1.07~5.90 cm, 僅杉木平均胸徑(5.06 cm)>5.00 cm, 平均胸徑在3.00~4.00 cm 的樹種有東南石櫟, 平均胸徑在2.00~3.00 cm 的樹種有楓香、 光皮樺、泡桐, 其余樹種的平均胸徑均在1.00~2.00 cm。
喬木層樹種平均高度在106.00~680.00 cm, 樹種平均高度整體較低, 平均樹高在5.00 m 以下的樹種重要值之和為98.93%(表6), 重要值排名前10 位的喬木層樹種中, 僅杉木平均樹高(4.01 m)>4.00 m,平均高度在3.00~4.00 m 的樹種有楓香、 光皮樺、 泡桐, 平均高度在2.00~3.00 m 的樹種有紅葉石楠、山雞椒、 白背葉, 平均高度在1.00~2.00 m 的樹種有銀杏、 天竺桂、 鹽膚木。 杉木是喬木層的主要樹種,胸徑從1.80 cm 起至10.90 cm, 4.00~6.00 cm 分布最多, 樹高最高為8.50 m, 最低為1.60 m, 3.00~5.00 m 分布最多。
林下植被杉木在陰坡分布較多, 喜陽植物如山雞椒、 蕨, 多分布于林內(nèi)光照充足的地方, 喜陰植物如蓬蘽多分布于樹蔭下或灌叢中等陰濕處, 其他灌草根據(jù)林內(nèi)小環(huán)境的適宜程度隨機分散生長于林內(nèi)。灌木層植物種平均蓋度為0.80%, 僅杉木的種蓋度(6.52%)>5.00%, 重要值排名前10 位的灌木層植物種平均蓋度為2.82%。 草本層植物種平均蓋度為1.82%, 其中種蓋度大于5.00%的草本層植物有蕨、 五節(jié)芒、 微糙三脈紫菀、 栗褐薹草, 種蓋度分別為33.67%、 10.74%、 8.00%、 5.33%, 重要值排名前10 位的草本層植物種平均蓋度為6.72%。
表4 草本層植物重要值排序Table 4 Ranking of important value of herbs
表5 杉木幼齡林植物多樣性指數(shù)Table 5 Index of plant diversity in the young Chinese fir forest
表6 杉木幼齡林植物群落結(jié)構(gòu)Table 6 Plant community structure of the young Chinese fir forest
林下植被集中分布在0~100.00 cm, 灌木層和草本層植物種平均高度在0~100.00 cm 的重要值之和分別為98.50%和98.45%。 灌木層植物種平均高度在6.00~271.00 cm, 重要值排名前10 位的灌木層植物種平均高度為24.00~78.00 cm。 草本層植物種平均高度為2.00~99.00 cm, 重要值排名前10 位的草本層植物種平均高度為4.00~85.00 cm。
昔口村杉木林為早期荒山改造栽植的杉木人工林, 一代杉木林為傳統(tǒng)經(jīng)營的單層林, 根系分布淺,穿透力弱, 養(yǎng)分利用專一, 對林地地力消耗大, 養(yǎng)分歸還少, 在1~5 a 時, 基本沒有凋落物落下, 且杉木針葉中含有大量不易分解的物質(zhì), 再加上杉木自毒性化感物質(zhì)的積累, 對土壤的理化性質(zhì)均有不利的影響。 一代杉木林20 a 成林時皆伐, 短輪伐期皆伐, 林地失去植被遮擋, 易造成土壤養(yǎng)分大量流失。二代萌芽杉木幼齡林尚未完全郁閉, 林內(nèi)光照條件較好, 利于喜光植物生長, 大量偶然種進入群落, 種屬組成上呈現(xiàn)十分繁雜的現(xiàn)象, 但杉木仍為群落中的絕對優(yōu)勢種, 喬木層高度整體較低。 杉木萌芽能力很強, 實行矮林作業(yè)是一些杉木產(chǎn)區(qū)的傳統(tǒng)育杉方法, 可以節(jié)約成本、 提高經(jīng)濟效益[15]。 但傳統(tǒng)經(jīng)營的杉木人工林組成樹種和生態(tài)位高度一致, 生態(tài)變化單向積累, 某些生態(tài)因子持續(xù)增強或減弱, 生態(tài)系統(tǒng)多樣性低, 緩沖調(diào)節(jié)能力差。 這些特點所造成的負面影響隨著時間和栽植代數(shù)的增加逐漸加深, 大量使用外來種, 忽視鄉(xiāng)土樹種, 全面煉山、 全墾整地、 短輪伐期、 連栽、 皆伐等不合理的干擾措施更加劇了林地地力衰退, 影響森林生態(tài)系統(tǒng)平衡, 最終導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的退化。 天然生態(tài)系統(tǒng)的物種組成、 空間結(jié)構(gòu)、 年齡結(jié)構(gòu)以及資源利用等方面具有異質(zhì)性, 物種間以及生物與環(huán)境之間會形成復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng),為動植物的多樣性提供了條件, 形成良性的可持續(xù)的循環(huán)。 因此, 在進行森林恢復(fù)活動時需考慮到森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性, 選擇合理的干預(yù)措施進行干預(yù)。 同時, 也需要考慮到當?shù)剞r(nóng)戶的生計及社區(qū)的發(fā)展, 否則沒有自下而上的主動行動和地方參與, 森林恢復(fù)工作難以取得良好的成效。 例如, 在沒有充分考慮農(nóng)民對薪柴和放牧的基本需求下, 封山育林是難以實施的。
昔口村二代萌芽杉木幼齡林樹種單一, 林分結(jié)構(gòu)簡單, 若持續(xù)傳統(tǒng)的育林、 經(jīng)營方式, 勢必會導(dǎo)致林分退化、 地力衰退等問題。 按照適地適樹、 生物互利共生的原則, 選擇當?shù)剜l(xiāng)土闊葉樹種、 適生闊葉樹種, 如楓香、 天竺桂、 浙江楠Phoebe chekiangensis等進行補植, 形成混交林。 同時, 結(jié)合科學除萌、伐除干擾樹、 控制林分密度、 改善水肥條件等撫育措施進行科學撫育, 以改善林分結(jié)構(gòu)、 增加林分生物多樣性。 混交林不僅有利于杉木針葉分解, 改良土壤, 提升森林景觀效果, 且闊葉樹種的長期效益與杉木短期效益相結(jié)合, 當?shù)亓洲r(nóng)易于接受, 恢復(fù)活動具有較強的可行性。 后期需對林分進行恢復(fù)干預(yù)和長期監(jiān)測, 進一步探討何種森林恢復(fù)方式能夠?qū)崿F(xiàn)林分最優(yōu)的生態(tài)、 社會與經(jīng)濟效益。