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日本落叶松(Larix kaempferi)于1971年引种到卧龙,因生长迅速而受到重视[1],从1971—2003年间共营造日本落叶松林985.31 hm2。大面积栽植的日本落叶松在营造速生丰产林工程建设中起到重要作用的同时,却也带来了系列严重问题。由于日本落叶松属于强阳性速生树种[2],相同年龄段,日本落叶松的生长速度显著高于同域分布的其他树木,其树高优势在林冠中上层造成了对阳光的强烈争夺,导致林下阳光透过率降低,从而造成林下植被生长不良直至死亡[3]。通过在卧龙自然保护区的监测发现,造林后8~10年日本落叶松人工林相继成林,原生于造林区域(荒山)内的乔灌逐渐枯死,形成了日本落叶松较大面积的纯林,林下除了堆积的松针外,少有或没有灌木和草本植物生长,植物多样性受到严重影响,且对大熊猫等野生动物的觅食、隐蔽、迁徙、逃逸等带来一定阻碍,被视为大熊猫栖息环境的“人工隔离带”,部分日本落叶松林8年来没有发现大熊猫活动痕迹,其他动物活动痕迹也很少[4]。此外,卧龙日本落叶松林也存在森林火灾危险等级高和病虫害隐患严重等问题[4-6]。2015年开始了以改造大熊猫适宜栖息地为目的日本落叶松人工林的改造试验和高强度间伐区域的人工林下植被恢复试验,以期获得最佳的大熊猫等野生动物栖息地改善方式,为今后卧龙保护区的日本落叶松人工林的全面改造提供依据。
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四川卧龙国家级自然保护区地处四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县西南部,面积20万hm2,是以保护大熊猫等珍稀野生动植物和高山森林生态系统为主的保护区。境内山高谷深,地形险峻,区内有高等植物159科,693属,2022种,其中国家重点保护野生植物有14科46属89种,其中许多是残遗物种和分布区极窄物种;辖区有脊椎动物104科,299属,517种,其中国家重点保护动物68种,区内有野生大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)148只,约占四川省野生大熊猫种群数的10.7%[7]。2006年,作为四川省邛崃山系大熊猫遗产地核心区域列入世界自然遗产名录。
日本落叶松造林地分布于卧龙保护区实验区和部分缓冲区内,海拔1550~2600 m,以阳坡为主,年平均气温8.4 ℃,年平均湿度80%,年平均降雨量861.8 mm,土壤母质以页岩,千枚岩为主,发育为山地黄棕壤和山地棕壤[8]。2014年调查日本落叶松保存面积985.31 hm2,其中2000—2003年栽植的林龄在17~22年的中幼龄林面积为536.2 hm2,且大部分为密度较大的退耕还林区域;林龄在23~39年的中龄林,即1977—1999年由卧龙保护区管理局荒山造林的面积为95.03 hm2;林龄在40~50年的中老龄林,即1967—1976年由卧龙森工局造林的面积为354.08 hm2;2003年以后停止栽植日本落叶松树苗,故没有林龄在17年以下幼林。
按照当时卧龙森工企业造林规程营造的荒山造林,日本落叶松林密度为1 500~2 000株·hm−2,植苗前清林砍带,随后挖窝栽植,行距略大于窝距,早期的荒山造林受自然灾害和人为干扰影响,密度均有所下降,部分区域甚至已降到100株·hm−2左右。2000—2003年营造退耕还林时直接在农耕地内挖窝栽植,为了尽快见到造林成效,窝行距相等,造林密度最高达3 000株·hm−2。因为退耕还林系国家重点工程造林项目,人为干扰弱,保存完好,其密度变化较小,形成了现存的密林。
自2015年开始对区内部分日本落叶松人工林进行不同方式的改造试验,试验样地的立地条件见表1。1号样地的改造方式为林窗间伐;2~6号样地的改造方式为均匀间伐,强度分别为伐1株留1株、伐2株留1株、伐3株留1株、伐4株留1株、伐5株留1株(见表2)。1~6号样地在间伐后进行自然恢复;7~9号样地则采用高强度间伐方式,间伐量达87%以上,在间伐后进行人工植苗恢复,选取的树种为厚朴(Magnolia officinalis)、桤木(Alnus cremastogyne)、青榨槭(Acer davidii)并适量种植了拐棍竹(Fargesia robusta)。
样方编号 造林方式 造林地点 林龄/a 海拔/m 坡向 坡位 坡度/° 土层厚度/cm 土壤pH值 土壤类型 1 退耕还林 獐牙杠 20 1 554 东北 坡下位 26 46 6.5 山地黄棕壤 2 荒山造林 七层楼沟沟口 50 1 682 东 坡下位 23 40 6.5 山地黄棕壤 3 退耕还林 黄泥坡 51 1 715 东南 坡下位 25 30 6.5 山地黄棕壤 4 荒山造林 三家寨 49 1 895 东 坡下位 40 35 6.5 山地暗棕壤 5 退耕还林 三圣号 20 2 040 南 坡中位 24 29 6.5 山地黄壤 6 退耕还林 金家坡 20 2 095 东坝 坡下位 26 18 6.5 山地暗棕壤 7 荒山造林 洞口 49 2 112 东 坡下位 35 25 6.5 山地暗棕壤 8 退耕还林 五里墩 20 2 231 东南 坡下位 33 15 6.5 山地黄棕壤 9 荒山造林 鹦鹉嘴 44 2 457 无 山谷 3 20 7 山地暗棕壤 Table 1. Stand condition of Wolong Larix kaempferi experimental plots in Wolong Nature Reserve
样地号 间伐方式 间伐强度% 密度株·hm-2 灌木(盖度·种类) 草本(盖度·种类) 伐前 伐后 伐前 伐后4a 伐前 伐后4a 1 林窗间伐 57% 1 850 796 2%·2种 40%·9种 5%·8种 92%·20种 2 伐1留1 50% 2 350 1 175 1.5%·3种 3%·4种 10%·7种 15%·8种 3 伐2留1 67% 1 875 619 10%·4种 50%·8种 40%·10种 70%·18种 4 伐3留1 75% 1 100 275 10%·4种 50%·10种 10%·6种 20%·10种 5 伐4留1 80% 1 125 225 40%·5种 90%·10种 20%·12种 60%·22种 6 伐5留1 83% 1 146 191 30%·5种 50%·11种 40%·7种 85%·15种 Table 2. Effects of different thinning intensities on understory vegetation in Larix kaempferi stand
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本次调查采用传统样方调查法,即在人工林内随机设置20 m×20 m的典型样方,乔木为每木调查,测量其胸径、树高、郁闭度、冠幅;在典型样方的四角与中心设置5个5 m×5 m灌木层样方,记录灌木种类、高度、数量和盖度。在上述灌木层样方内再设置4个1 m×1 m草本层样方,调查记录草本种类、数量和盖度等,同时调查样方中野生动物活动与人为干扰情况。
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本次调查主要对象为卧龙在4年前的9个日本落叶松林改造试验样地,由于试验样地面积较小,每个样地内只随机设置了1个典型样方;在未改造的日本落叶松林区域随机设置24个对照样方,其中在1~6号改造样地周围随机设置3个、7~9号改造样地周围随机设置2个未间伐的日本落叶松林对照样方。
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将样方调查数据录入到Excel表格,统计各样方内的乔、灌、草的种类和数量,计算不同类型样方内的乔木层、灌木层和草本层的平均盖度。
1.1. 研究区域概况
1.2. 研究方法
1.2.1. 调查方法
1.2.2. 样方的选择与设置
1.2.3. 数据统计与分析
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对24个对照样方的调查数据分析表明,日本落叶松人工密度与乔木层郁闭度、林下灌木盖度和草本盖度具有较强的相关性。其相关数据关系变化曲线如图1所示。
Figure 1. Correlation between forest density change and canopy density, understory shrub coverage and herb coverage in Larix kaempferi stand
从图1可以看出,当日本落叶松密度达到1 000株·hm−2以上时,林冠层郁闭度达85%以上,林下灌木盖度降到17%以下, 草本盖度降到3%以下。当日本落叶松密度达到1 500株·hm−2以上时,林下灌木和草本盖度均下降到2%以下,其中3个样地出现了灌木和草本盖度同时为0的情况。
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日本落叶松荒山造林之后,虽然很少进行抚育间伐,但是受自然灾害和人为干扰影响,随着时间的推移,初植密度均有不同程度的下降。而随着密度降低到一定限度,林中出现乔木树种,乔木种类主要有桤木(Alnus cremastogyne),厚朴(Magnolia officinalis),青榨槭(Acer davidii),野核桃(Juglans cathayensis),等。根据《四川森林》标准[8],5 m以上高度的树木纳入乔木统计。根据24个调查样方统计的伴生乔木数量与日本落叶松密度之间的相关性如图2所示。根据图中曲线,当日本落叶松密度下降到600株·hm−2以下时,伴生乔木数量明显增多。
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鉴于卧龙日本落叶松林密度较大的特点,2015年开始,保护区以试点的方式进行了不同强度的间伐试验(间伐样地立地条件见表1)。自然恢复4年之后,我们对各间伐试验地进行了抽样调查,结果如表2所示。
间伐4年之后,不同间伐强度的样地内,林下灌草盖度和种类呈现一定的差异,总的趋势是间伐强度越高、保留的日本落叶松数量越少,则林下灌草盖度和种类增长越多。观察林下植被恢复,间伐强度50%~83%,林分密度调整为1 175株~191株·hm−2(1号、3号、4号、5号、6号样地),林下灌草盖度和种类随间伐强度的增加(林分密度减少)有所增加,但没有自然更新的乔木出现。如果间伐后密度仍大于1 000株·hm−2时(2号样地,间伐强度50%),则林下灌草盖度增加较少,种类也没有较大变化(灌木、草本各只增加了1种)。间伐试验的结果也间接验证了图1所示的日本落叶松人工林密度与林下灌草盖度之间的相关性。
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卧龙日本落叶松人工林主要分布于落叶阔叶林和针阔叶混交林带[9]。对于进行林下植苗试验的中老龄荒山造林地,根据森林生态群落结构构成要素,需要补植一定数量的当地乔木树种和竹子等灌木作为伴生植物[10]。参照大熊猫等野生动物的适宜栖息地植物群落结构模式,7~9号样地按照87%~93%密度间伐,间伐后保留的日本落叶松密度100~200株·hm−2,按照乔木总密度不超过800株·hm−2的要求补种本地树种,并林下与乔木间隔栽植大熊猫主食竹,密度约小于乔木树种。本试验栽植的种类有厚朴(Magnolia officinalis),桤木(Alnus cremastogyne),拐棍竹(Fargesia robusta),青榨槭(Acer davidii)等。
从表3可以看出,试验按照87%~93%密度间伐,间伐后日本落叶松保持在100~200株·hm−2,按照总乔木数量350~800株·hm−2的密度补种本地树种,结果表明当地的一般树种和竹子,如青榨槭(Acer davidii)和拐棍竹(Fargesia robusta)等成活率低,且生长不良,只有耐贫瘠的当地先锋树种如厚朴(Magnolia officinalis)和桤木(Alnus cremastogyne)才具有较高的成活率。
样地号 伐前林况 伐后林况 伐后林下人工植苗 日本落叶
松密度/(株·hm−2)灌木(盖度·种数) 草本(盖度·种数) 采伐
强度日本落叶
松密度/(株·hm−2)灌木(盖度·种数) 草本(盖度·种数) 种类 密度
/(株·hm−2)苗高
/m地径
/cm成活率 长势 7 1500 3%·1种 15%·3种 87% 200 40%·6种 90%·14种 拐棍竹 475 1.2 0.62 50% 较差 青榨槭 225 1.5 0.81 45% 较差 厚朴 100 1.8 0.75 70% 良好 8 1500 2%·1种 10%·3种 93% 100 40%·6种 80%·8种 桤木 500 1.5 0.9 60% 良好 9 2000 0 10%·3种 90% 200 40%·6种 40%·13种 拐棍竹 200 1.2 0.59 20% 很差 青榨槭 150 1.1 0.74 20% 很差 Table 3. Seedlings growth after thinning in Larix kaempferi experimental plots after 4 years treatment