抚育间伐对大兴安岭用材林生态经营的影响1)

2014-08-02田军

东北林业大学学报 2014年8期

关键词：用材林间伐土壤肥力

田军

(大兴安岭地区营林局，加格达奇，165000)

毛波朱玉杰

(东北林业大学)

白永清

(大兴安岭韩家园林业局)

抚育间伐对大兴安岭用材林生态经营的影响1)

田军

(大兴安岭地区营林局，加格达奇，165000)

毛波朱玉杰

(东北林业大学)

白永清

(大兴安岭韩家园林业局)

以大兴安岭用材林为研究对象，设置8个试验区，进行轻度、中度、重度抚育间伐；应用灰色关联，综合评价抚育间伐对林内生物多样性、土壤肥力以及土壤呼吸情况的影响，优化出大兴安岭用材林最佳的生态经营模式。结果表明：抚育强度为20.86%的中等强度抚育方式，对林地生物多样性、土壤肥力、土壤呼吸情况有促进作用，有利于林分的生长。

抚育间伐；生物多样性；土壤肥力；土壤呼吸

With the timber forest in the Daxing’an Mountains, we set eight test areas in the timber forest to carry out light, middle and serious tending felling and used the grey system to make the comprehensive evaluation of biodiversity, soil fertility and soil respiration after tending felling. We built the best ecological management mode for the scientific management of tending felling. The middle tending with the intensity of 20.86% has the promoting effect on biodiversity, soil fertility and soil respiration, and is benefit for the growth of standing forest.

抚育间伐，是人为干扰森林生态系统的一种生态经营模式；研究不同的抚育方式，是实现森林可持续经营不可或缺的[1-2]。许多专家学者在这方面做了大量的研究，李长江等[3]通过研究抚育间伐对林木生长情况的影响，得出合适的抚育间伐强度，极大促进了中、幼龄林木的生长发育。雷相东等[4]对云、冷杉混交林的间伐研究得出，间伐促进森林的更新。任立忠等[5]通过山杨次生林研究，发现抚育强度对森林生物多样性的影响规律，中等强度的抚育间伐对生物多样性有促进作用，高强度的抚育间伐对生物多样性产生不利影响。土壤中储存大量的碳[6]，土壤呼吸释放大量的CO2，总量是化石燃料释放总量的10多倍[7-8]。但是，对用材林经营后土壤呼吸的测定，绝大多数集中在生长季内[9-10]，而对非生长季的土壤呼吸测定及其调控机制的研究非常少[11]，结合生物多样性、土壤肥力以及土壤呼吸，综合评价用材林的生态经营模式未见报道。本研究以大兴安岭用材林为研究对象，综合评价抚育间伐对大兴安岭用材林生物多样性、土壤肥力以及土壤呼吸情况影响，优化出最佳抚育强度的生态经营模式，为用材林的科学生态经营提供参考。

1 研究区概况

试验地设置在黑龙江省大兴安岭林区新林林业局的新林林场106、107、108、109林班内，位于东经123°41′～125°25′，北纬51°20′～52°10′。土壤种类为棕色森林土，平均厚度为15 cm；年平均积温不足1 600 ℃，属于寒温带大陆性气候。

2 研究方法

2.1 样地设置

在试验区选取8块样地，按照抚育强度将样地编为A～H，其中A号样地未采伐，作为对照样地，B～H号样地作为试验样地，每块样地均为20 m×20 m。各样地抚育强度：A(对照)样地为0、B样地为6.23%、C样地为16.75%、D样地为20.86%、E样地为27.85%、F样地为40.01%、G样地为56.51%、H样地为67.25%。

2.2 生态经营影响指标的测定

在每块试验样地内，详细记录每一株乔木的树种，并测其胸径、树高和冠幅；在每块样地中随机布设3个5 m×5 m的灌木样方，调查记录样方内灌木的种类、高度、冠幅、盖度；在3个灌木样方的中心设置1 m×1 m的草本样方，调查草本植物的种类、盖度、高度和频度。

在各样地内随机设置取样点，每个样点取土壤剖面为0～10 cm的土壤1 kg，带回实验室进行分析。土壤肥力指标包括pH值、土壤碳通量、有机质含量、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷、速效钾。土壤肥力各指标测定方法和标准，与文献[12]、[13]一致。

土壤呼吸采用LI-8150测量，30 min为一个循环周期，时间为24 h。

2.3 生态经营的综合评价方法

应用灰色关联度法，综合评价抚育强度对大兴安岭用材林生态经营的影响时，先确定决策矩阵，然后根据决策矩阵利用相关系数法求各个指标的权重，再求其灰色关联度；最后得到的关联度越高，说明该抚育强度对生态经营的影响越好。

生物多样性的测度，采用物种丰富度指数(S)、生物多样性指数(H′)和均匀度指数(J)[14]。

S=标准地内所有物种数之和；

(1)

(2)

J=H′/lnS。

(3)

评价指标的理想对象矩阵：

S={si}m×1；i=1、2、…、m。

(4)

式中：si为初始化后的决策矩阵X′中第i行的最大值。

生态经营各个指标的灰色关联系数：

(5)

在选择的影响因子中，不同的影响因子对生态经营的综合评价结果的影响程度不尽相同，需要对每个指标赋予不同的权重[15]。影响因子的相关系数法，先用SPSS计算出相关系数，再用公式(6)计算出权重[16-17]。

(6)

式中：vi为生态经营影响因子的相对系数。

根据公式(7)计算出各样地指标的关联度(bj)。

(7)

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对森林生物多样性的影响

依据调查所得数据，运用公式(1)、(2)、(3)计算各试验区生物多样性指数(见表1)。

表1 抚育间伐后林地生物多样性

利用公式(5)和(7)，结合各个生物多样性的权重，求出抚育间伐后各个试验样地生物多样性的灰色关联度：A(CK)为0.686、B为0.424、C为0.607、D为0.787、E为0.762、F为0.619、G为0.465、H为0.515。试验样地经过抚育间伐改造后，林地生物多样性的灰色关联度，D样地最大(0.787)，表明抚育强度20.86%对用材林生物多样性的影响最佳；E样地的灰色关联度(0.762)大于A样地的(0.686)，说明抚育强度27.85%的经营模式优于未采伐样地。其余的样地，灰色关联度均低于未采伐样地A，从生物多样性的角度探讨出有益的抚育强度。

3.2 抚育间伐对林地土壤肥力的影响

土壤肥力指标以及实测数据见表2。

利用SPSS计算出相关系数，结合公式(6)，计算林地土壤肥力各个指标的权重。pH值、土壤碳通量、有机质、全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K的权重，分别为0.037、0.070、0.130、0.120、0.129、0.128、0.128、0.127、0.132。

利用公式(5)和(7)，各个生物多样性的权重，求出抚育间伐后各个试验样地土壤肥力的灰色关联度：A(CK)为0.715、B为0.513、C为0.583、D为0.961、E为0.477、F为0.429、G为0.352、H为0.326。抚育间伐后用材林土壤肥力的灰色关联度表明：从抚育间伐对用材林土壤肥力影响的角度考虑，抚育强度20.86%的生态经营模式最佳。

表2 抚育间伐后土壤肥力指标的实测值

3.3 抚育间伐对林地土壤呼吸的影响

为更好的分析不同采伐强度对土壤呼吸的影响，现将各样地土壤日呼吸数据进行整理(见表3)。由表3可知，抚育间伐后，样地土壤呼吸的日变化为1.39～3.48 μmol·m-2·s-1。其中：抚育强度为6.23%、16.75%、20.86%、27.85%、40.01%的样地，土壤呼吸的日变化量，均高于对照样地。抚育强度20.86%的试验样地，土壤呼吸的日变化量最大；抚育强度56.51%的试验样地，土壤呼吸的日变化量最低。随抚育强度的加大，试验样地土壤呼吸的日变化幅度，呈现先升高后降低的趋势。

表3 不同采伐强度后土壤日呼吸的比较

3.4 抚育间伐对生态经营影响的综合评价

利用公式(5)和公式(7)，结合各个生物多样性的权重，求出抚育间伐后各个试验样地土壤肥力的灰色关联度。A(CK)、B、C、D、E、F、G、H的土壤肥力灰色关联度，分别为0.708、0.484、0.604、0.869、0.606、0.489、0.399、0.393。

4 结论与讨论

抚育强度为20.86%、27.85%中等强度抚育间伐的灰色关联度较高，分别为0.787、0.762，均高于对照样地(0.686)；其余抚育间伐强度的，生物多样性的灰色关联度均低于对照样地；说明对林分生物多样性的提高起到促进作用。但过高或过低强度的抚育间伐，对林分生物多样性将起到负面影响，甚至产生破坏作用，这与高明[18]的研究成果相似。

从土壤肥力的角度看，抚育强度为20.86%的灰色关联度(0.961)高于对照样地(0.715)，对林地土壤肥力有改善作用，这与高明[19]和徐少辉[20]的研究结果相似。

通过分析不同强度采伐后各样地土壤呼吸情况，当抚育强度较低时，土壤呼吸速率随抚育强度增加而升高；但抚育强度较高时，土壤呼吸速率随抚育强度增加而降低。因此，当采用中等强度的抚育间伐时，林地土壤呼吸速率较大，有利于林分的生长，这与郭辉[21]的研究结果相似。

在中等强度的抚育间伐条件下：林分密度趋于合理，竞争减小，有利于其生长；林地内光照、湿度等条件改善，群落内资源梯度适中，促进了林下灌木及草本植物的生长；林地内小气候发生适当变化，促进了土壤内微生物的活动，进而加快了土壤内有机物的分解，提高了土壤肥力，促进了林地内养分的循环；植物及微生物的频繁活动，促进了土壤呼吸速率的提高，加快了林地内碳循环过程。各方面因素相互促进，使林分达到最佳生态经营模式。

[1] 陈昱杉，李顺龙.基于低碳经济的森林抚育经营问题研究[J].中国林业经济，2010(6)：9-12.

[2] 邢伟，程丽秋.加强森林抚育、低效林改造是恢复森林生态系统的有效途径[J].林业科技情报，2007，39(3)：6-7.

[3] 李长江.抚育间伐对胸径、树高、材积生长情况影响[J].内蒙古林业调查设计，2012，35(3)：42-44，84.

[4] 雷相东，陆元昌，张会儒，等.抚育间伐对落叶松云冷杉混交林的影响[J].林业科学，2005，41(4)：78-85.

[5] 任立忠，罗菊春，李新彬.抚育采伐对山杨次生林植物多样性影响的研究[J].北京林业大学学报，2000，22(4)：14-17.

[6] 杨玉盛，董彬，谢锦升，等.森林土壤呼吸及其对全球变化的响应[J].生态学报，2004，24(3)：583-591.

[7] Schlesinger W H， Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry，2000，48(1)：7-20.

[8] Janssens I A， Lankreijer H， Matteucci G， et al. Productivity overshadows temperature in determining soil and ecosystem respiration acrossEuropeanforests[J]. Global Change Biology，2001，7(3)：269-278.

[9] 沈微.森林作业对小兴安岭针阔混交林土壤吸的影响[D].哈尔滨：东北林业大学，2009.

[10] 孟春，王立海，沈微.择伐对小兴安岭针阔叶混交林土壤呼吸的影响[J].应用生态学报，2008，19(4)：729-734.

[11] 王娓，汪涛，彭书时，等.冬季土壤呼吸：不可忽视的地气CO2交换过程[J].植物生态学报，2007，31(3)：394-402.

[12] 宋启亮，董希斌，李勇，等.采伐干扰和火烧对大兴安岭森林土壤化学性质的影响[J].森林工程，2010，26(5)：4-7.

[13] 毛波，董希斌.小兴安岭低质林不同改造模式土壤肥力的综合评价[J].东北林业大学学报，2013，41(12)：35-38.

[14] 宋启亮，董希斌，李芝茹.不同改造方式对大兴安岭3种类型低质林生物多样性的影响[J].东北林业大学学报，2012，40(4)：85-89.

[15] 齐照辉，张为华，范玉珠.一种新型的多属性决策权重计算方法[J].运筹与管理，2006，15(3)：36-39，65.

[16] 孙挺，耿国华，周明全.一种有效的特征权重计算方法[J].郑州大学学报：理学版，2008，40(4)：48-51.

[17] 邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42(7)：93-100.

[18] 高明，朱玉杰，董希斌，等.采伐强度对大兴安岭用材林生物多样性的影响[J].东北林业大学学报，2013，41(8)：18-21.

[19] 高明，朱玉杰，董希斌.采伐强度对大兴安岭用材林土壤化学性质的影响[J].东北林业大学学报，2013，41(12)：39-41，76.

[20] 徐少辉.不同采伐强度对闽南山地马尾松林下植被和土壤肥力的影响试验[J].林业调查规划，2008，33(4)：136-139.