第28届北京青少年科技创新大赛

关于长白山次生白桦林中红松更新问题的初步研究

北师大实验中学高二（7）班 艾濛 吴小霜

指导教师 赵大昌 刚永运

摘 要：

    红松是一种珍贵并具有高经济价值的树种，在我国只分布在东北的小兴安岭到长白山一带。近几十年来，红松林受到采伐、开垦和火烧，大面积的阔叶红松林演变为次生白桦林。因此，长期以来红松林的更新问题一直受到人们的关注。通过我们在长白山的考察和研究，主要探究了影响红松更新的因素（自然因素与人为因素），初步调查了长白山次生白桦林红松天然更新的情况，揭示了人类的某些经济活动对红松天然更新的影响，并提出了我们的建议。

关键词：红松天然更新种源长白山

1．前言

1．1 红松特征及其经济价值

    红松（Pinus koraiensis），松科，松属。常绿针叶乔木,别名果松，是名贵而又稀有的树种。幼树树皮灰褐色，大树树干上部常分杈。枝近平展，树冠呈圆锥形，冬芽淡红褐色，圆柱状卵形。针叶5针一束，长6-12cm，粗硬，树脂道3个，叶鞘早落，球果圆锥状卵形，长9-14cm，直径6-8cm，种子大，倒卵状三角形：花期6月，球果翌年9-10月成熟。红松幼树需要一定的遮荫，随树龄增长需光量逐渐增大，要求温和凉爽的气候，在土壤PH值5.5-6.5的山坡地带生长良好。在我国只分布在东北的长白山到小兴安岭一带。国外也只分布在日本、朝鲜和俄罗斯东部的部分区域。

    红松是著名的珍贵经济树木，树高入云，挺拔顺直，是天然的栋梁之材。红松材质轻软，结构细腻，纹理密直通达，形色美观又不容易变形，并且耐腐朽力强，所以是建筑、桥梁、家具制作的上等木料。即使是红松的枝丫、树皮、树根也可用来制造纸浆和纤维板。从松根、松叶、松脂中还能提炼出松节油、松针油、松香等工业原料。鉴于红松的高经济价值和自然价值，红松一直是国家重点保护对象，也是科学家研究的热点之一。[1]

1．2 长白山阔叶红松林的地理概况及现状

    红松林是我国东北东部地区山地森林生态系统的主体。长白山区（41o-43o30’N）阔叶红松林是我国阔叶红松林的中心分布区。长白山在我国境内的最高山峰为白云峰，海拔2691米，自上而下形成4个明显的垂直分布带。阔叶红松林带分布于海拔500m-1100m的玄武岩台地上，这里气候温和，坡度平缓，土壤为暗棕色森林土，发源于火山灰沙砾土，适于各种树种生长，因此很少出现单优性的红松纯林。阔叶红松林带树种资源丰富，红松为主要成林树种，并与其他针阔叶林种，如鱼鳞云杉、臭冷杉、杉松、紫缎、水曲柳等等形成针阔混交林（阔叶红松林）。

    由于几十年以来的破坏与过度砍伐，阔叶红松林的分布范围日益缩小，目前在127oE以西地区，基本见不到天然红松林的存在。此线以东，除长白山自然保护区内和部分交通不便的偏僻山地尚存有原生的阔叶红松林外，大部分地区已失掉原生林面貌而形成半原生状态的过伐林。林分组成中红松一般仅占二至三成。[2]

1．3 探究红松更新问题的意义和价值

    长白山阔叶红松林是一个巨大的基因库，有多样性的生态环境和丰富的物种。而红松作为主要树种，对维持阔叶红松林的基因库起着极其重要的作用。另外，长白山阔叶红松林是我国重要林区之一，也是主要的木材供应基地。尤其是建国以来为国家供应了大量木材，做出了重大贡献。除木材外，红松球果也是当地的重要资源之一。红松具有如此重要的自然价值和经济价值，其更新则更值得人们关注。尤其在当地红松经过几十年的采伐，被砍伐殆尽的情况下，研究红松天然更新对保护长白山森林结构及基因库完整以及为当地创造经济效益都具有更重要的意义和价值。

    另外，由于多年以来人类对红松的采伐及对其球果的采摘，红松的天然更新受到了严重影响。探究红松天然更新的条件及人类对更新的影响，对于保护红松也具有重要的意义。

2．研究方法

2．1样地的立地条件

    调查样地位于长白山山门前2km的公路旁，地形平坦、坡度很小，有5度左右。林分郁闭度在0.7左右，林下光线适中，土壤比较湿润，肥力好。海拔1150m左右，属于阔叶红松林植被，但因在60多年前被全部采伐而形成了天然更新的次生白桦林。

2．2样地调查

2．2．1 样地的选择

    我们在次生白桦林中选择树木分布比较均匀，林下有灌木和草本植物并且有针叶树种更新的林地作为调查样地。树木之间的距离适当，便于我们在林中圈画样地，移动观察，记录数据。

2．2．2 样地的面积及数目

    总面积：200平方米

    分割数目：8

    用塑料绳围出10米乘20米的样地，并以5米乘5米的正方形为单位将样地分割为8块。

    样地实际照片见下图1。

图1 样地实际情况照片

2．3样地调查项目

    对每块5m×5m正方形样地内的乔木、灌木、藤本植物、草本植物的种类、数目进行登记，并根据所得资料分析出样地的群落垂直结构状况以及各种植物的数量特征。

    在数量特征方面，我们主要记录研究以下三点：

2．3．1多度（abundance）

    多度是对物种个体数目多少的一种估测指标。我们采用国内较常用的七级制多度，即：
    Soc（Sociales）极多，植物地上部分郁闭
    Cop3（Copiosae）数量很多
    Cop2 数量多
    Cop1 数量尚多
    Sp（Sparsae）数量不多而分散
    Sol（Solitariae）数量很少而稀疏
    Un（Unicum）个别或单株

2．3．2盖度（cover degree，或coverage）

    盖度指的是植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比，即投影盖度[3]。为此，我们绘制了树冠投影图。

2．3．3频度（Frequency）

    频度指群落中某种植物出现的样方百分比。我们采用Raunkier植物频度定律：共分5级A(1～20%)、B（21～40%）、C(41～50%)、D(51～80%)、E(81～100%)

2．4 种源调查

    在样地及样地周边调查红松树龄与数目，查询当地历史资料，探究在考察范围内有无种源。并通过采访、查阅资料等方式调查红松种源的去向。最后依据各项结果得出样地红松是否满足天然更新的条件。

3．研究结果

3．1群落立地方面的考察结果

    所选择的白桦林比较茂盛。有较多的树种，且树木高度较高。草本种类较少，平均高度不高。灌木种类相对较多，但比较稀疏，而且平均高度不高，原因可能为次生白桦树生长较高，且树冠较大，遮挡住阳光，使灌木不能生长得较高。样地中的藤木非常少。林中比较湿润，且较为阴暗。此环境有利于红松苗的生长。

3．2群落垂直结构状况

    群落的垂直结构即群落的层次性[4]。经过实地考察得知，我们的样地成层现象较明显，可以从上往下依次划分为以下三个主要层次：乔木层(高度大于或等于6m的乔木或灌木种类),灌木层(高度小于6 m的乔木或灌木种类)和草本层。乔木层主要由白桦组成，另有山杨、紫椴。平均高度约为12m。灌木层植物种类丰富，槭类植物占优势，分布有一定数量的红松幼苗，平均高度约为1.5m，盖度约为30%。草本层以山尖子、木贼等草本植物为主，还有少量攀附在乔木及灌木上不高的藤本植物，平均高度不高，约为0.4 m，盖度约为30﹪。

3．3植物种类

样地中乔木种类

白桦

Betula platyphylla

红松

Pinus koraiensis

假色槭

Acer pseudo-sieboldianum

簇毛槭

Acer barbinerve

紫椴

Tilia amurensis

山杨

Populus davidiana

色木槭

Acer mono

样地灌木种类

刺五加

Acanthopanax senticosus

蓝靛果

Lonicena edulis

毛榛子

Corylus mandshurica

大叶小檗

Berberis amurensis

瘤枝卫矛

Euonymus pauciflorus

光叶东北茶藨

Ribes mandshuricum var. subglabrum

样地藤本植物种类

五味子

Schisandra chinensis

狗枣子

Actinidia kolomikta

山葡萄

Vitis amurensis

样地草本植物种类

山尖子

Cacalia hastate

小叶芹

Aegopodium alpestre

一枝黄花

Solidago

木贼

Hippochaete sylvaticum

苔草

Carex sp.

3．4数量特征

3．4．1多度与频度

表1 样地乔木层植物的多度与频度

中文名

拉丁文名

多度

频度

白桦

Betula platyphylla

Sp

B

紫椴

Tilia amurensis

Un

A

山杨

Populus davidiana

Un

A

表2 样地灌木层植物的多度、频度

中文名

拉丁文名

多度

频度

假色槭

Acer pseudo-sieboldianum

Sol

A

簇毛槭

Acer barbinerve

Sp

A

色木槭

Acer mono

Sol-Sp

A

红松（幼苗）

Pinus koraiensis

Sol

A

毛榛子

Corylus mandshurica

Sp

B

大叶小檗

Berberis amurensis

Sol

A

瘤枝卫矛

Euonymus pauciflorus

Sol-Sp

A

光叶东北茶藨

Ribes mandshuricum var. subglabrum

Sol-Sp

B

刺五加

Acanthopanax senticosus

Sol

A

蓝靛果

Lonicena edulis

Un

A

表3样地草本层植物的多度、频度

中文名

拉丁文名

多度

频度

五味子

Schisandra chinensis

Sol-Sp

A

狗枣子

Actinidia kolomikta

Sp.gr

B

山葡萄

Vitis amurensis

Un

A

山尖子

Cacalia hastate

Sol-Un

A

小叶芹

Aegopodium alpestre

Sol

A

一枝黄花

Solidago virgalis

Un

A

木贼

Hippochaete sylvaticum

Sol-Sp

B

苔草

Carex sp.

Sol

A

3．4．2树冠投影图

    根据调查结果绘制的树冠投影图如下图2所示：

图2 考察白桦林样地树冠投影图

注：该树冠投影图依据树木真实定位在坐标纸上绘制，树冠范围为目测，有一定误差。

    右侧文字：树木编号及植物名称黑色示：乔木名及其树冠投影

    红色示：红松位置及其树冠投影蓝色示：灌木名及其树冠投影

3．5 红松数目调查结果与种源情况调查结果

3．5．1红松调查结果

    在200平方米的样地中共统计到红松13株。其树高、大致树龄如表4：

表4 样地红松情况

序号

树高

树龄

4

0.7m

19年

8

0.5m

12年

14

0.9m

23年

19

0.75m

21年

20

1.1m

19年

25

1.25m

23年

27

1.45m

24年

28

2.1m

34年

32

0.4m

14年

35

1.2m

19年

36

2.05m

35年

37

0.5m

12年

38

0.3m

8年

    注：序号：所登记乔木与灌木中红松序号。树高：红松株高，准确测量，误差较小。

    树龄：根据红松生长特点由其分枝数估测，有一定误差。

    在已知红松苗较准确树高的情况下，我们根据红松的分枝情况与树皮的老化程度对树龄进行了估测。红松普遍情况下一年分枝一次。而由于树皮是树干表皮层老化细胞的残体，生长年份越久，死细胞数量越多，就会越粗糙[5]。树龄越久，则树皮的裂口越深。综合上述原因，我们得到了上表中的树龄。

3．5．2种源情况调查结果

    经调查与采访得知，在二十世纪之前，由于清朝政府对进出长白山的限制，阔叶红松林得到了完整而有效的保护。但在日军入侵东北以后，侵略者为掠夺木材资源及防止抗日联军的伏击，对长白山1200m以下的公路两旁200m范围内的林木进行了砍伐。采伐迹地被种子小并且有翼的白桦所更替。在样地范围内没有能够结实的红松大树。

4．结果与分析

4．1 红松天然更新条件

图3 红松种子示意图

    如图3所示，红松球果长9～14厘米,成熟后种鳞不张开或微张开种子不脱落,无翅。红松种子在自然状态下是整个球果落地，不能开裂。完整的红松球果不能萌发出红松幼苗。红松种子不能自然移位和传布，只有通过灰鼠、松鼠和星鸦根据其贮藏食物的本性所遗留下来的红松种子才得以有发芽的机会而形成幼苗幼林。

    通过查询资料可知，星鸦是一种具有贮食行为的鸟类。在食物充裕时，储藏部分食物，食物缺乏时再取出食用。秋季，红松种子成熟，星鸦在取食的同时储藏大量种子作为冬季和早春的食物，这些种子中未被完全吃掉的遗留部分在第二年春天即可发芽。星鸦主要将种子贮藏在下列8种环境中：林缘（路边）、保护区周围空阔地、人工落叶松林、人工臭冷杉林、人工红松林、人工红皮云杉林、天然更新的杨桦林和天然原始红松阔叶林（母树林）。而星鸦收集到种子后会飞行5km左右的距离然后进行贮藏[6]。所调查的样地也符合上述条件。由此可见星鸦能有效地扩散了红松种子。

    除星鸦以外，松鼠、灰鼠等啮齿类动物的贮食行为也对红松种子的传播有利。尽管松鼠等的活动范围要小于鸟类，但它们对于红松种子的传播仍起到了不可忽视的作用。其大致情况如下图4所示：

    松鼠被紫貂等动物吃掉，种子成为“遗产”

    松鼠采到松果将松果嗑开，把松子埋在地下

    松鼠吃剩下的种子和遗忘了埋藏地点的种子

     种子有机会发展成幼苗、幼树

图4 松鼠对红松天然更新影响示意图

4．2 影响红松天然更新的主要因素

    通过归纳红松生长习性，得出红松正常进行天然更新的条件如下：

4．2．1充足种源：

    任何植物的发育都需要种子，因此，具有充足的种源是红松进行天然更新的主要条件。在所调查的样地中个体数量多、投影盖度大、生物量高、体积较大、生活能力较强，即优势度较大的种——各层的优势种[7]并不包括红松。白桦是乔木层的优势种，同时也是建群种（优势层中的优势种）。可以说，红松在这片样地处于劣势的地位，种源主要依靠动物和鸟类而得以传播。然而，所调查到的红松幼苗依然长势良好，这还要取决于红松幼苗对于环境的需求。

4．2．2良好环境：

    红松种子的萌发需肥沃、湿润的土壤，幼树的生长则需要良好的光线环境。这就要求样地有较高、树冠面积较大的乔木且植物较茂盛，为红松幼苗的生长提供适宜的光照条件和湿润的环境。

    在所选样地中，林中的白桦已具有较高的高度，其树冠下的树阴为红松幼苗的生长提供了良好的条件。因此，在近一二十年间，红松幼苗逐渐生长出来。

4．2．3种源可进行传播：

    红松种子无法自身进行传播，只有依靠食用红松球果的动物来进行传播。这要求样地或样地附近存在可以传播红松球果的动物。

4．3 影响种源的人为因素

    为了更好地了解影响种源的人为因素，我们采访了常年在长白山定位站工作并及其了解当地历史的司机杨师傅。同时，我们也查阅了大量资料，综合得出人为因素对红松种源的影响如下：

4．3．1民间采收因素：

    由于政府对民间采收红松种子没有严格的限制，使得民间采收红松种子的现象比较普遍，这也导致成年红松的种子中的一部分被民间采收，无法作为种源。另外，由于民间采收没有专业的技法和工具，所以采收对红松的破坏较为严重，这也在一定程度上影响了种源的数量。

4．3．2承包采收因素：

    本地森林管理部门从2000年开始将林地承包给个人，因此出现了个人承包林地并大规模采收承包地种红松种子的现象。这使得大量的种子流入市场，严重减少了种源的数量。

4．3．3采收方法因素：

    以前由于人们采收时往往会将高处的松枝砍下以采取松果，因为红松是在树梢结果，因此采收松果会对红松的树梢带来很大的伤害，影响红松的生长和结果，也会影响到种源的多少。

4．3．4运输促进害虫传播因素：

    红松的球果中存在一种吃食松果的“球果螟”。球果螟危害时在球果基部或球果内蛀食,其内如果有1-2条幼虫蛀食时整个球果便会枯萎早落[8]。这种昆虫原本分布范围不甚广泛，但是自人们开始大量采集红松种子并运往各地，这种昆虫分布的范围变得越来越广泛，它们对球果的危害也越来越严重。从2000年开始，红松球果害虫危害一直十分严重,个别地区部分结实林分球果被害率达到40%左右,它们对球果的危害使得种源的数量急剧减少。

4．4结论

    在样地调查中有13株红松幼树，树龄在8~35年生，可以说是在人类对红松球果的采集活动还比较轻的条件下所形成的。如果这些红松幼树能得到正常的生长、发育条件，不再被破坏，还能够恢复到阔叶红松林。

    样地没有8年以下幼树表明，人类对红松球果的采集活动会对次生白桦林中红松的更新产生负面影响。即如果延续这种方式的红松球果采集，可能会导致红松种源锐减，从而阻碍红松的更新甚至导致其绝迹；还会使森林生态系统中食物网发生改变，即导致食红松球果动物种群数量减少。同时优质的红松木材资源也会减少甚至消失。

5．建议

    当前，红松的天然更新已成为长白山森林发展的大问题，没有红松更新的阔叶红松林就谈不上持续发展，其中最主要的问题就是红松球果的采集与森林持续发展的矛盾。因此建议当地林业保护部门要严格限制红松的砍伐，再绝对保护区内要禁止采集红松球果，以利于红松的天然更新。在一般保护区内，也要控制红松球果的采集量，以保证森林的发展和动物的活动得到协调，维持生态平衡，使次生林中的红松也能得到天然更新。

    同时，要综合考虑生态学原理和实地情况，从全面、长远考虑，制定出较合理的可持续发展方案，以保证林业发展与经济效益同步增长。

6．感受与体会

    因为是第一次做有关于森林生态系统的调查工作，所以经验的确实成为了调查进程的阻碍。但过程中我们很积极地向指导教师学习、提问，调查工作也得以较顺利地完成。所以在科研过程中，我们学习到，一定要注重吸取前人的经验，尽量避免走无谓的弯路。

    另外，这次的探究是我们认识到生态效益绝对是不可以轻视和忽略的。当人类的行动影响了生物自然的繁衍生息，人类也必受到影响。因此，我们在看重经济效益的同时，也要注意维持生态环境，保护生物和生态。我们相信，科学的、适度的利用自然，才能在不破坏自然的前提下更好的发展。

参考文献

致谢

    长白山定位站的各位专家和工作人员为我们的探究提供了大量的支持、指导、帮助，在此向他们表示感谢。