不同密度控制下油松人工林的生态效益评估

张英豪,毛炎新,奉国强

(国家林业局经济发展研究中心,100714,北京)

不同密度控制下油松人工林的生态效益评估

张英豪,毛炎新,奉国强

(国家林业局经济发展研究中心,100714,北京)

采用分布式测算方法,建立山西太岳山不同密度调整强度油松人工林的生态效益评估指标体系,并参照相关价格参数,评估不同密度调整强度下油松人工林涵养水源、保育土壤、固碳释氧和林木积累营养物质等4种生态效益。结果表明:1)对照林分(CK)、轻度调整(LT)、中度调整(MT)和重度调整(HT)4种林分生态效益分别为5 822.98、6 188.82、6 731.21和5 515.38元/(hm2·a),其中LT、MT较CK分别提高了6.28%和15.60%,HT较CK降低了5.28%；2)生态效益主要以固碳释氧效益为主,其次为林木积累营养物质效益,涵养水源和保育土壤效益所占比例较小。评估结果对山西太岳山地区林业生产经营活动具有一定的借鉴意义和实际应用价值,可以为华北山地森林的可持续经营管理提供科学可靠的理论基础和切实可行的技术指导。

密度控制；油松人工林；生态效益；物质量；价值量

森林是陆地生态系统的主体,在保持水土、涵养水源、改善环境、调节气候等方面发挥着重要作用。人工林是世界森林资源重要的组成部分,随着人工林面积和蓄积量的持续增加,人工林在全球气候变化中占据了越来越重要的位置[1]。而通常情况下,我国人工林初始种植密度过大,林分结构较差,生态效益没有得到充分发挥。通过管理林分密度,改善林地的微气候、养分循环以及生态系统的活力等[2-4],改善态系统生态效益。合理的密度可使林内的光、水、热及土壤养分状况得到改善,使林分发挥最大的生态效益[5-7]。

油松(Pinus tabulaeformis)人工林是我国北方地区最重要的森林生态系统之一,山西太岳山是我国油松的典型分布区,20世纪50—60年代,该区营造了大面积油松人工纯林,因初植密度过大,以及经营管理滞后,导致现有林分过密,成为典型的低产低效林。合理的密度可显著提升林分生态效益,是提升人工林生态系统生态效益的重要措施。前期研究表明:光照是限制油松净光合速率的关键因子,最大净光合速率、净光合速率日均值、暗呼吸、光饱和点、光补偿点随林分密度减小而增大[8]；油松人工林水文效应受林分密度影响[9]；油松人工林土壤呼吸速随林分密度减小而增加,土壤碳输入和输出也均随林分密度减小而增大[10-11],油松人工林土壤具有较大的增汇潜力,对油松人工幼龄林进行适当的密度调整可以增大土壤碳汇功能[12]:但这些研究大都是单一的植物生理、生态学研究,缺乏从整合研究的角度对生态系统的生态效益进行评价。笔者以山西太岳山油松人工林为研究对象,以不同的密度梯度调控来量化人为干扰的强度,研究不同密度油松人工林生态效益的变化,探索油松人工公益林多功能经营技术新模式。

1 研究地概况

马泉林场位于太岳林区东侧,沁源县东部。东与沁县瓮城山林场接壤,南与马西林场毗邻,西与候神岭林场相接,北与龙泉、伏牛山两林场相邻。地理坐标为E112°18′～112°33′,N36°31′～36°44′。全场东西宽约20 km,南北长约32.5 km。林场地势东北高、西南低,大部分海拔在1 100～1 500 m之间。林场境内海拔800～1 400 m,岩石主要为砂岩,属低山区。属暖温带大陆性季风气候,具有一年四季明显,冬季少雪干旱,春季多风干燥,夏季雨量集中的特点,气候温和干燥,年平均气温约8.3℃,日均温≥10℃的年积温2 700℃左右,年降水量650 mm,多集中在7、8月,年日照时间2 600 h,无霜期125 d。土壤主要为淋溶褐土和褐土。马泉林场人工林优势树种为油松,油松人工林占森林面积的95.2%,是山西省涵养水源用材林基地之一。灌木主要有毛叶三裂绣线菊(Spiraea trilobata)、悬钩子(Rubus corchorifolius)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和杠柳(Periploca sepium)等,草本层主要有细叶苔草(Carex rigescens)、火绒草(Leontopodium leontopodioides)和大油芒(Spodiopogon sibiricus)等。

2 研究方法

2.1 实验设计

实验地点位于山西太岳山马泉林场宋家沟。1994年春,在生长有绣线菊、沙棘、胡枝子等灌丛植被的山地上沿等高线穴状整地,栽植3年生油松苗,初植密度为6 000株/hm2。2011年初,选择西南坡坡向、中下坡位、坡度20°、生长状况相似的地段进行密度调控处理。处理1(CK)密度为6 000株/ hm2,处理2(LT)密度为4 800株/hm2,处理3(MT)密度为4 200株/hm2,处理4(HT)密度为3 600株/ hm2。每个处理各设立3块20 m×20 m的样地,共设置12个样地。每个样地之间有10 m的过渡带。2013年生长旺盛期,对4种不同处理的样地进行了复查。样地基本情况见表1。

2.2 评价方法

根据LY/T 1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》[13]的评估指标及其计算公式,开展涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质4项功能的生态效益评估。

表1 油松人工林不同密度样地概况Tab.1 General situation of stands in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

涵养水源功能主要是指森林地降水的截留、吸收和贮存,将地表水转化为地表径流或地下水的作用,主要功能表现在增加可利用的水资源、净化水质和调节径流3方面。本研究选取调节水量和净化水质2个指标,反映山西油松人工林在不同经营模式下的涵养水源功能。

森林保育土壤是指林中活地被物和凋落物层截留降水、降低水滴对地表土的冲击和地表径流的侵蚀作用；同时林木根系固持土壤,防止土壤崩塌泻溜,减少土壤肥力损失以及改善土壤结构的功能。由此,森林的保育土壤功能可以通过土壤侵蚀程度表现出来,对于山西油松人工林不同经营措施下的保育土壤功能的评价主要从固土和保肥2方面来进行。

森林生态系统固碳释氧是指通过植被、土壤动物和微生物固定碳素,释放氧气的功能,这对维持大气中二氧化碳和氧气的动态平衡、减少温室效应有着巨大和不可替代的作用。本研究选取固碳量、释氧量2个指标反映山西油松人工林固碳释氧功能。

本研究对于山西油松人工林林木积累营养物质量主要通过计算每年数目吸收的营养物质——氮(N)、磷(P)、钾(K)主要营养元素来体现。

3 结果与分析

3.1 涵养水源效益评估

结果(表2)表明:CK、LT、MT、HT 4种密度油松人工林的地表径流量分别为4.44、5.12、3.64和5.87 mm/a,占降雨总量的0.75%、0.86%、0.61%和0.99%；蒸散量分别为412.23、419.56、408.67和410.96 mm/a,占降雨总量的 69.86%、71.10%、69.25%和69.64%。其中:通过地表径流流出的水量所占比例较小,平均占总降雨量0.81%,大部分水量以蒸散形式散失,平均占69.96%。通过水量平衡公式计算,4种密度油松人工林单位面积的年调节水量分别为8.67、8.27、8.89和8.66 m3,MT处理下的水源涵养量最大,较对照多涵养水量0.22 m3,HT和LT2种处理水源涵养量均低于对照。从不同密度调整的林分地表径流量差异可以看出, MT林分的地表径流量较其他林分的小,因此,MT林分减缓洪水能力最强。

表2 不同密度油松人工林涵养水源物质量Tab.2 Matter amount of water conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

4种密度油松人工林涵养水源价值量如表3所示,CK、LT、MT、HT的年涵养水源价值分别为100.07、95.45、102.58和99.98元/(hm2·a)。其中:年调节水量价值分别为73.19、69.81、75.03和 73.12元/(hm2·a)；年净化水质价值分别为26.88、25.64、27.56和26.86元/(hm2·a)。综上所述,MT处理的水源涵养效益最优,较CK提高效益1.87%；其次是HT和LT,较CK降低了5.21%和0.72%。

表3 不同密度油松人工林涵养水源价值量Tab.3 Value of water conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

3.2 保育土壤效益评估

4种密度油松人工林保育土壤物质量如表4所示。CK、LT、MT、HT4种密度油松人工林减少土壤流失量在2.3 t左右,固土量由大到小依次表现为CK＞LT＞MT＞HT。由于不同密度油松人工林的土壤各组分质量分数不同,MT林分有机质、氮(N)、磷(P)质量分数均最大,CK林分钾(K)质量分数最大,与固土量的大小分布结果存在一定差异；综合4种组分之后的结果显示,保育土壤各组分物质量大小依次表现为MT＞HT＞CK＞LT。

表4 不同密度油松人工林保育土壤各组分物质量Tab.4 Matter amount of soil conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities kg/(hm2·a)_

对4种密度油松人工林的固土量和各组分价值量进行核算之后,结果如表5所示。CK、LT、MT、HT年保育土壤价值量分别为228.92、228.75、267.00和232.30元/(hm2·a)。MT处理保育土壤效益为最优,较CK提高了16.63%；其次为HT,较CK提高了1.48%；LT较CK效益降低了0.07%。

表5 不同密度油松人工林保育土壤价值量Tab.5 Value of soil conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densitiesyuan/(hm2·a)

3.3 固碳释氧效益评估

对固碳释氧生态效益的评价以年净初级生产力(NPP)为基础进行评估。4种密度油松人工林的固碳释氧物质量如表6所示,CK、LT、MT、HT单位面积的年净初级生产力分别为1.763、1.885、2.041和1.643 t/(hm2·a)。其中:LT、MT的年净初级生产力分别比对照多0.122和0.278 t/(hm2·a),HT的年净初级生产力比对照低0.120 t/(hm2·a)。4种密度油松人工林年固碳量分别为0.968、1.027、1.122和0.951 t/(hm2·a)。其中:植被固碳占各处理固碳总量在76.76%～81.60%之间,土壤固碳在18.40%～23.24%之间；年释氧量分别为2.098、2.244、2.428和1.955 t/(hm2·a)。

CK、LT、MT、HT固碳释氧价值量分别为3 965.13、4 229.96、4 591.69和3 758.30元/(hm2·a) (表7)；LT、MT的固碳释氧效益分别比CK处理提高了6.68%和15.80%,HT较CK降低了5.22%。

3.4 林木积累营养物质效益评估

通过实测林分年净生产力及林木各组分养分元素含量,得到林木营养年积累量。4种密度油松人工林的林木积累营养物质量如表8所示。CK、LT、MT、HT林木年积累氮元素物质量分别为54.052、57.792、62.575和50.373 kg/(hm2·a)；磷元素物质量分别为6.722、7.188、7.782和6.265 kg/(hm2·a)；钾元素物质量分别为19.088、20.409、22.098和17.789 kg/(hm2· a)；不同密度油松人工林之间的3种元素积累量均表现为MT＞LT＞CK＞HT。其中,林木积累总营养物质量LT和MT较对照多5.527和12.593 kg/(hm2·a)。HT比对照少5.435 kg/(hm2·a)。

表6 不同密度油松人工林固碳释氧物质量Tab.6 Matter amount of carbon fixation and oxygen release in P.tabulaeformis plantation with different stand densitiest/(hm2·a)

表7 不同密度油松人工林固碳释氧价值量Tab.7 Value of carbon fixation and oxygen release in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

表8 不同密度油松人工林林木积累营养物质量Tab.8 Matter amount of nutrient accumulation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities kg/(hm2·a)

CK、LT、MT、HT林木年积累营养物质价值量分别为1 528.86、1 634.66、1 769.94和1 424.80元/ (hm2·a)(表9)。4种密度油松人工林的林木积累营养物质效益总体表现为MT＞LT＞CK＞HT,其中LT、MT较CK分别提高了6.92%和15.77%,HT较CK降低了6.81%。

表9 不同密度油松人工林林木积累营养物质价值量Tab.9 Value of nutrient accumulation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

3.5 不同密度油松人工林生态效益评估

对4种密度油松人工林的涵养水源、保育土壤、固碳释氧和林木积累营养物质等4种生态效益进行了核算。结果表明,4种生态效益的分布(图1)中:固碳释氧效益所占比例最大,平均达到了68.20%；其次为林木积累营养物质效益,平均占比26.20%；涵养水源和保育土壤效益所占比例较小,平均占1.65%和3.95%。综合4种类型的生态效益后,4种不同密度油松人工林的总体效益表现为MT＞LT＞CK＞HT。其中 LT、MT较 CK分别提高了6.28%和15.60%,HT较CK降低了5.28%。

图1 不同密度油松人工林生态效益价值量Fig.1 Value of ecological effects in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

4 结论

CK、LT、MT、HT的年涵养水源价值分别为100.07、95.45、102.58和99.98元/hm2；年保育土壤价值量分别为228.92、228.75、267.00和232.30元/hm2；固碳释氧价值量分别为 3 965.132、4 229.96、4 591.69和3 758.30元/hm2；林木年积累营养物质价值量分别为 1 528.86、1 634.66、1 769.94和1 424.80元/hm2。

CK、LT、MT、HT的生态效益分别为5 822.98、6 188.82、6 731.21、5 515.38元/(hm2·a),轻度和中度调整林分总生态效益较对照林分提高6.28%和15.60%。不同密度油松人工林各项生态效益价值量中,固碳释氧效益所占比例最大,其下依次为林木积累营养物质效益、涵养水源效益和保育土壤效益。由于强度调整的年净初级生产力比对照低0.120 t,因此强度调整林分总生态效益较对照林分降低了5.28%。

油松林是华北地区温性针叶林的代表类型,油松是山西省最主要的造林树种之一,面积约占全省林地总面积的33%,多为中幼龄林,由于初始种植密度过大,林分结构较差,生态效益没有得到充分发挥。根据不同密度调整强度生态效益变化分析结果得出,中等强度密度调整可有效加强油松人工林的可持续经营水平,提高林分生产力和生态功能。林分密度调整和生态功能之间的反映有一定的滞后性,同时由于密度调整时间较短,林分生长指标变化幅度小,本研究仅是一些初步的结果。在今后的研究中将加强监测,进一步加强林分密度管理措施,提高现有林地生态功能功效。

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(责任编辑:程 云)

Evaluation of ecological benefits in Pinus tabulaeformis plantation with different stand densities

Zhang Yinghao,Mao Yanxin,Feng Guoqiang
(Economic Development Research Center of the State Forestry Administration,100714,Beijing,China)

Pinus tabulaeformis Carr.,a prominent species in forest plantations of Shanxi Province,is a common coniferous species in the cool temperate zone of North China and plays a very important role in soil and water conservation and improving soil fertility in North China mountainous regions.Based on the distributed measurement method,we suggest an assessment system for the ecological benefit value of P. tabulaeformis plantation with unthinned(CK),light(LT),medium(MT)and high intensity(HT) thinning in Maquan Foresty of Taiyue Forest Bureau's Shanxi,China.And with reference to some related price parameters,accuracy analysis and evaluation were made to P.tabulaeformis plantation with different stand densities from the perspective of ecological benefit.The results showed that the value of water conservation followed the order of MT(102.58 yuan/(hm2·a))＞CK(100.07 yuan/(hm2·a))＞HT(99.98 yuan/(hm2·a))＞LT(95.45 yuan/(hm2·a)).The values of soil conservation in CK, LT,MT and HT were 228.92,228.75,267.00 and 232.30 yuan/(hm2·a),respectively.The total annual value of carbon fixation and oxygen release was 3 965.13 yuan/(hm2·a)in CK,4 229.96 yuan/ (hm2·a)in LT,4 591.69 yuan/(hm2·a)in MT,and 3 758.30 yuan/(hm2·a)in HT.Value of nutrient accumulation ranged from 1 424.80 yuan/(hm2·a)in HT to1 769.94 yuan/(hm2·a)in MT. Overall,the ecological benefit had notable difference at four densities,having the order of medium thinning stand＞low thinning stand＞control stand＞high thinning stand.The ecological benefit of low thinning and medium thinning stands were increased by 6.28%and 15.60%than control stand.In contrast,the ecological benefit of high thinning stand was 5.28% lower than control stand.The ecological benefit mainly came from carbon fixation and oxygen release.Our evaluation results havecertain contribution and practical application value to the forestry management and production activities in the Taiyue Mountain area.It also provides scientific and reliable theoretical basis and practical technical guidance for the sustainable management of forests in North China.

tree density；Pinus tabulaeformis plantation；ecological benefit；matter amount；value of ecological benefit

S718.56

A

1672-3007(2015)04-0080-06

2015- 04- 22

2015- 06- 24

张英豪(1973—),女,工程师。主要研究方向:林业产业经济。E-mail:yinghao731016@163.com