辽东山区水源林改造后的生态与经济效益分析1)

胡万良 谭学仁 丁国权 丁 磊 金 鑫 亢新刚

(辽宁省森林经营研究所，丹东，118002) (北京林业大学)

辽东山区的森林是辽宁省重要的水源涵养林兼用材林资源，也被誉为“辽宁中部城市群和辽河平原的绿色屏障”和“天然绿色水库”，在维系区域内生态环境和林产品的可持续供应方面占据十分重要的战略位置。据测算，每年辽东山区的森林涵养水源120亿t，为中部提供工农业用水70亿t，占中部用水量的80%以上，依靠辽东山区天然次生林涵养水源的作用，辽宁省年水力发电量占全省发电量的一半［1－2］。但是，由于长期以来不合理的采伐和过渡开发，陡坡毁林开荒，无度放蚕、放牧，致使森林自我调控能力减弱，洪水和旱灾发生频度增加。水土流失面积逐年扩大，土壤侵蚀模数增加，水资源的供给能力日趋贫乏，地下水位下降，严重影响了区域内工农业生产和人民生活，已成为辽宁中部经济发展的制约因素。水源林具有多种效益，但林权制度改革后，水源林经营者对低效水源林的经营主要采取的措施是小面积皆伐改造，利用水源林发展林下经济也只注重经济效益，结果造成森林的生态防护功能减弱。为了提高辽东山区森林的水源涵养功能和其他生态防护功能，谋求水源林经营的经济效益与生态效益和社会效益的协调，有必要对水源林经营的生态、经济效益进行分析，以便于工程实施及具体经营技术措施的制定，规范水源林经营者对林地资源的开发利用，从而为进一步科学评价水源林经营的水源涵养功能和防护效能，实现水源林可持续经营提供科学依据。

1 研究区自然概况

试验区地处辽宁省东部山区，位于北纬40°00＇～43°09＇，东经 122°53＇～ 125°47＇，海拔一般在 200 ～500 m，少数山峰超过1 000 m。气候属温带季风气候，各地年平均气温5～8℃，年降水量700～1 100 mm，年蒸发量1 000～1 400 mm，全区≥10℃年积温3 000℃左右，无霜期130～150 d，土壤为山地棕色森林土，土层厚30～50 cm。本区域为长白山脉的延伸地区，有老爷岭山脉、龙岗山脉和哈达岭山脉，构成了整个辽东中低山地。由哈达岭北部柴河、清河流域低山丘陵，哈达岭南部浑河流域低山丘陵，龙岗山北缘太子河流域中山山地，及辽东半岛丘陵等5大地貌结构单元组成。辽东山区的平均森林覆被率高达70%以上，远远高于全省的35.13%，阔叶红松林是该区域的顶极群落。森林资源中68%为次生林，总面积150多万hm2，是生产生态系统产品的主要基地。境内有浑河、太子河等主要河流的发源地和集水区，有大伙房、清河、观音阁、红升、关门山、和隆等大中型水库29座。

2 研究方法

2.1 低效水源林生态防护功能的测定

试验地设置:2002年，在辽宁省新宾县赵家村碾子沟，选取40年生低产低效次生林作为试验区。首先将试验区(5 hm2)分成3等份，分为皆伐改造、抚育改造和未进行作业的对照。作业季节为冬季。皆伐改造区伐去所有乔、灌木，全面清场。抚育改造区伐除非目的树种以及弯曲、病腐、老龄、过熟木，保留胸径8～18 cm林木300～400株·hm－2。伐后全面清场，栽植5年生红松苗，株行距为1.5 m×3.0 m，同时在红松行间栽植2年生细辛苗，株行距20 cm×20 cm。对照区不进行任何作业。在3个区内各设固定标准地1块，面积40 m×25 m。在标准地内各设10 m×10 m小气候观测场，观测气候、土壤、下草、下木的变化。

树冠截留量的观测:在每个观测场内设100 cm2的小型雨量器5个，取平均值，与皆伐地降雨量之差为树冠截留量。2003—2005年，每年5月—10月测定降雨量。

地表径流观测:在每个观测场内选2 m×5 m径流场两处，四周用由油苫纸包好的宽30 cm、厚3 mm的木板包围，将木板埋在地下20 cm。各径流场坡度一致。测定时间为2003—2005年每年5月—10月。

土壤中养分质量分数的测定:于2005年8月，分别在不同处理区(皆伐改造、抚育改造和对照)固定样地内按上、中、下选取3个样点，分层(0～10 cm，10～20 cm)采集土样作为测试土样。pH值用电位法测定;有机质质量分数用重铬酸钾容量法;全氮用开氏法;速效氮用扩散法;速效磷用钼锑抗比色法;速效钾用四苯硼钠比浊法［3－4］。

灌木、下草及枯落物调查:下草、下木按德鲁捷的等级标准统计［5］。辽东天然次生林中的枯落物主要是枯枝和落叶。在各块标准地内机械放置口径1.13 m、高1.0 m的圆形铁桶5个，2005年从7月1日至11月未，每隔半月收集1次枯枝落叶，取样烘干，推算每年枯落物量。

2.2 水源林林下经济开发

林分选择:2005年，在辽宁省本溪县正沟村倒木沟，选取30年生人工落叶松林，间伐后保留木分别为450、560株·hm－2;选取30年生低产低效天然次生林，改造后保留木分别为225、400株·hm－2。

栽植方法:分别在不同密度的林分内栽植。割除灌、草，全面整地后，顺山作床。床宽1.2 m，床长10～20 m，高20 cm，两床间顺山步道宽0.5 m，横山作业道宽1.0 m。在床上栽植2年生细辛苗，株行距为18 cm×24 cm，在床边栽植5年生红松苗(次生林改造)，株行距为1.5 m×3.0 m，每年夏季进行除草管理。

样地设置及调查:在不同密度林内各设置1块标准地(简称落－细1、落－细2、次－细 1、次－细 2)，标准地面积20 m×20 m。调查林木株数、胸径、树高。在标准地内设1.0 m×1.0 m样方4个，在样方内调查细辛株数、株高、头数［每株(墩)叶片个数］、鲜质量、风干后质量等。

土壤水分和孔隙状况的测定:用一次采样室内连续测定法进行。

3 结果与分析

3.1 低效水源林不同改造方法的生态防护功能比较

3.1.1 树冠截留量

树冠截留能减弱降雨对林地的直接冲刷，延缓地表径流形成过程，从而减轻土壤侵蚀和水土流失。树冠截留量除与树种、林分结构有关外，还与降水强度、降水量、降水持续时间等因素有关。其截留率随降水量和降水强度增大而减少，截留量与林冠总表面积(或林分郁闭度)呈正相关，并随降水量和降水持续时间增加而有所增大［6－7］。由于改造方法不同，各区林冠截留量也不一样(表1)。从表1可见，抚育改造区的林内降雨量为591.1 mm，是皆伐改造区的88%、对照区的126%;截留量为81.0 mm，是对照区的40%。其原因是抚育改造伐除了非目的树种以及弯曲、病腐、老龄、过熟木等，降低了林冠总表面积，造成树冠截留量减少。

3.1.2 地表径流量

由林地地表径流量和水土流失量(表2)可见，皆伐改造区地表径流、土壤流失量分别为49 544.0、249.8 kg·hm－2，为最高，其次是抚育改造区，最低为对照区。如果以对照区地表径流量、土壤流失量为100%，则皆伐改造区为210.7%、517.6%;抚育改造区为182.2%、373.7%。可见，森林对林地土壤、水分有明显的保护作用，森林采伐对水土流失有明显影响，森林采伐量越大，水土流失越严重。但是，为优化水源林结构，提高水源林的主导功能和多种效益，实现水源林的可持续经营［8］，就必须对水源林进行改造和利用。所以选择最优改造方法，既能获得木材满足经营者经济需要，又不对水源林的主导功能和生态环境造成严重破坏，保持青山常在，永续利用。

表1 3种类型林地树冠截留情况

表2 3种类型林地地表径流量及土壤流失量

3.1.3 土壤养分质量分数

抚育改造林冠下人工栽植细辛以后，由于细辛历年秋季需要防寒，所以每年必须从外面收取枯枝落叶或腐殖质土覆盖床面，因此，抚育改造区林冠下栽过细辛的林地内有机质、全氮、速效磷、速效钾的质量分数显著高于皆伐地和对照区(表3)。从表3可以看出，栽过细辛地的土壤有向中性转化的趋势，抚育改造区的pH值明显高于其它区。另外，抚育改造区两层土壤中养分质量分数没有明显差异，这与栽植细辛过程中需要细致翻地和历年需要多次松土有关。

表3 3种类型林地土壤养分质量分数

3.1.4 枯枝落叶量

林分改造后，林地枯落物量有明显变化(表4)。由表4可知:对照区枯枝落叶量每年达353 kg·hm－2，为最高，其次是择伐林地，最低是皆伐林地，分别为对照区的89.0%和46.7%。

表4 3种类型林地枯枝落叶量 kg·hm－2

3.2 水源林林下经济开发的生态、经济效益

3.2.1 对土壤孔隙的影响

虽然在栽植细辛时经过整地，土壤表层(0～20 cm)人工松动一次，但4 a后，土壤孔隙组成情况与对照区差异不甚明显(表5)。

表5 土壤孔隙组成

3.2.2 对土壤水分状况的影响

由表6可知:栽植细辛的林地土壤自然含水量均大于对照区。这与细辛植株矮、叶片大、头数多，已形成一个密集的草本层，减少了土壤表面水分蒸发有直接关系。

表6 土壤水分状况

3.2.3 对水土流失的影响

在栽植细辛之前，进行全面整地做床，栽后每年进行除草管理，土壤表层受到一定程度的破坏。据调查，整个细辛地内，没有发现一条因为整地栽细辛而造成的侵蚀沟。相反，由于细辛根系特别发达，叶片大而密集，在林下还能起到一定程度的固土保水作用。

3.2.4 林下经济开发的经济效益

林下经济开发的投入、产出情况见表7。表7中林业投入包括苗木费、造林费、幼林抚育费、采伐作业费等，产出为木材收入(以34年生时木材产量计算);细辛投入包括种苗费、栽植费、肥料及农药费等，产出为干细辛、细辛籽收入。从表7统计结果看出，在落叶松水源林林下栽植细辛没有增加利润，反而降低了利润。这主要是间伐减少了单位面积活立木株数，降低了单位面积木材产量。因此，在落叶松水源林林下栽植细辛应结合大径级材培育或结合伐前更新进行。低产低效次生林改造林下栽植细辛可大大提高林地生产力，经济效益显著。从利润比较看，试验区次－细1和次－细2的利润分别是对照区的283.45%和250.99%，在经营管理细辛的过程中，无需对栽植的红松采取幼林抚育措施，也能促进红松生长，加速阔叶红松林恢复，提高林分质量。

表7 水源林复合经营投入、产出比较

4 结论与建议

任何一种经营措施都将对森林生态系统发生作用，主要表现在森林在水分循环中的作用。森林采伐后，树冠截留量减少，地表径流明显增加。通过低产低效次生林改造，皆伐改造区地表径流量、土壤流失量分别是对照区的210.7%、517.6%，抚育改造区地表径流量、土壤流失量分别是对照区的182.2%、373.7%。说明采伐强度越大，水土流失越严重。抚育改造区枯枝落叶量比对照区仅减少11%，说明抚育改造后枯枝落叶层对降水截留影响较小。结合辽东山区天然次生林资源现状和特点，抚育改造是较好的天然次生林恢复途径，既不使森林环境发生重大变化，同时抚育改造后还可以在冠下引进针叶树，形成针阔混交林结构，加速演替进程，增加水源涵养林生态系统的稳定性。

在不影响水源林发挥主导功能和其他生态效益的同时，进行林下经济开发。林下栽植细辛可大大提高低产低效次生林林地生产力，利润是对照区的250.99% ～283.45%，经济效益显著。同时，在经营管理细辛的过程中，无需对栽植的红松采取幼林抚育措施，也能促进红松生长，加速阔叶红松林恢复，提高林分质量。水源涵养林经营及林地利用要坚持生态优先、严格保护、科学经营、合理利用、适度开发的原则，维护森林生态系统健康和活力、维护生物多样性和森林生态系统环境服务功能最大化。对特殊保护等级水源林，实行严格保护，完全保持其自然状态，实行长期全面封禁，禁止人为干扰和开展一切生产经营活动;对重点保护等级水源涵养林，全面封禁或定期全面封禁，严格限制采伐、开垦、放牧等人为干扰和一切生产性森林经营活动。结合培育大径材和根据水源涵养林的防护成熟期进行低强度的择伐，可进行仿自然非垦复性开发;对一般保护等级水源涵养林，实行一定限制措施，在普遍封管的基础上，经过批准允许一些以提高森林生态系统稳定性或改善生态功能为主要目的的森林抚育、林分改造、更新采伐等生产性森林经营活动，采伐方式禁止皆伐。在林地开发利用上可以起床作业，每床长不超过15 m，上下床之间保留2 m以上原有植被的隔离带，每隔10床顺山保留5 m宽以上隔离带。沟谷(溪流)、山脊与垦植区之间保留20 m以上的原有植被区。林地集中开发的面积控制为人工林≤5 hm2，天然林≤3 hm2。

［1］陈天民.实施天然林保护工程是生态建设的重要任务:辽宁省天然林对生态环境建设的影响［J］.辽宁林业科技，1999(2):3－8.

［2］王力华，张颂云，丁振芳.辽宁东部山区水源涵养林建设技术纲要［M］.沈阳:东北大学出版社，2001:11－17.

［3］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京:中国农业出版社，1999.

［4］张万儒.森林土壤定位研究方法［M］.北京:中国林业出版社，1986.

［5］李景文.森林生态学［M］.北京:中国林业出版社，1994.

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［7］周择福，林富荣，宋吉红.不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究［J］.林业科学研究，2003，16(2):189－195.

［8］李金良，郑小贤.水源林经营目标与经营原则体系研究［J］.西北林学院学报，2007，22(6):157－160.