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森林退化是全球环境发展的七大难题之一,由于人类对森林资源的长期过度利用,世界范围内大部分原始森林退化为次生林,已经进入“次生林时代”。中国东北林区拥有全国最大面积的次生林生态系统(次生林和落叶松人工林),不仅是林木产品的主要产地,更是东北平原和城市群重要的生态屏障,对区域经济社会发展、生态安全和生态文明建设具有无可替代的作用。然而,经历半个多世纪的发展,当前东北次生林生态系统表现出诸如次生林建群树种更新差、落叶松人工林结构单一、稳定性低等问题,为满足国家新时代对森林资源的多元化需求,如何针对不同问题制定合理的经营方案是次生林生态系统恢复的关键。 由于森林经营定位的改变(由原来以生产木材为主,转变为以可持续利用生态功能为主),次生林生态系统的生态功能至关重要,大规模、高强度的人为干预不符合当前森林可持续发展的要求。为此,本论文以近自然经营理念为基础,围绕森林中最普遍的小尺度干扰——林窗干扰开展相关研究;通过人工采伐的方式在次生林设置大林窗(825士175m2)、中林窗(491±15m2)和小林窗(212±39m2),在落叶松人工林设置小林窗(160±33m2)、微林窗(45±9m2)和间伐样地(25%间伐强度),沿不同环境梯度栽植三种主要树种幼苗(胡桃楸,Juglans mandshurica Maxim.,阳性树种;色木槭,Acer mono Maxim.,中性树种:云杉,Picea koraiensis Nakai,耐阴树种),对幼苗的存活、生长、碳水化合物积累与分配、形态特征和生理特征进行监测,系统研究林窗对植被更新的影响以及不同树种在林窗内的更新机理,为在维持现有生态服务功能的前提下,实现次生林生态系统的恢复提供理论和实践参考。主要结果如下: 三种幼苗在林窗内的平均存活率均显著高于林下。阳性树种胡桃楸在大、中林窗内的存活率高于小林窗,且林窗边缘区的存活率相对较低。中性树种色木槭的存活表现出随机性,但整体存活率不足10%。耐阴树种云杉的存活几乎不受林窗环境的影响。与色木槭相比,云杉和胡桃楸的死亡风险分别低了85%和65%。在幼苗存活动态监测期间,树种存活始终呈现云杉>胡桃楸>色木槭的趋势。幼苗存活率与其初始生物量密切相关,较低的生物量不利于幼苗栽植初期定植。 选取存活率较高的胡桃楸和云杉作为进一步研究对象。胡桃楸幼苗的高度、基径和碳水化合物总量随着光照强度的增加而增加,整体表现出林窗高于林下,大、中林窗高于小林窗,林窗中心区和过渡区高于边缘区、且差异随着林窗面积增加而增加的趋势。云杉幼苗的高度在不同环境下无明显差异,基径和碳水化合物总量在林窗内高于林下,且呈现出随着林窗面积增加而增加的趋势,但受林窗内位置影响较小。幼苗的碳水化合物分配主要受树种耐阴性影响,阳性树种胡桃楸主要将碳水化合物存储于地下部分(根),而耐阴树种云杉主要将碳水化合物存储于地上部分(叶和茎)。环境差异对胡桃楸幼苗的碳水化合物分配有一定影响,胡桃楸地上部分(尤其是叶)的碳水化合物比例在林窗中心区和过渡区高于边缘区,但差异随着林窗面积减小逐渐消失;云杉幼苗的碳水化合物分配几乎不受影响。 胡桃楸的净光合速率随着光照强度的增加而增加,整体表现出林窗大于林下,大、中林窗大于小林窗,林窗中心区和过渡区大于边缘区的特征。比叶面积的变化趋势与净光合速率相反。叶绿素含量、叶片氮含量和各组分非结构性碳水化合物浓度仅表现出林窗与林下的差异。云杉的形态特征和生理特征受环境影响相对较小,仅净光合速率在低光环境下随光照强度的增加而增加,比叶面积、叶绿素含量和非结构性碳水化合物浓度随环境变化不明显。 在落叶松人工林内,胡桃楸和云杉在林窗内的存活率显著高于林下,且云杉的平均存活率显著高于胡桃楸。胡桃楸幼苗在小林窗内的高生长和基径生长显著高于林下对照,但云杉仅表现出基径生长的差异。胡桃楸幼苗在小林窗内的碳水化合物总量是其他处理的2倍以上,而云杉幼苗的碳水化合物总量表现出随处理强度增强而逐渐增加的趋势。幼苗非结构性碳水化合物浓度、碳水化合物分配格局仅表现出树种间的差异,几乎不受林冠处理的影响。 综上所述,在移除竞争的前提下,林窗可以显著促进胡桃楸和云杉幼苗的更新,与植物耐阴性无关。但林窗大小和林窗内位置主要影响胡桃楸的更新过程,对云杉影响较小。阳性树种胡桃楸可通过调节碳分配过程、形态特征和生理特征,在林窗中心等高光区域迅速生长,支持林窗分区假说。耐阴树种云杉受林窗面积和林窗内位置的影响较小,幼苗适应性强,适度改善光环境即可满足其生长,对假说的支持有限。因此,林窗分区假说可能仅适用于解释胡桃楸等阳性树种的更新过程。树种之间的更新差异为其在林窗内共存提供了基础,造林时可根据经营目的采取不同的栽植组合,提高林地利用效率,缩短森林恢复周期。