森林生态系统稳定性研究进展

梁 燕，葛忠强，马安宝，杜振宇，王清华

(山东林业科学研究院，山东 济南 250014)

森林生态系统是由森林及其周围环境和附属物构成的，具有涵养水源、固碳释氧、保育土壤、调节气候、净化环境、保护生物多样性等作用。改革开放初期，由于人口增长过快，林地被过度开发，导致许多天然林遭受毁灭，草原荒漠化严重，生态环境不断恶化。近年来，通过大面积人工造林，不断加强保护等措施，森林面积得到恢复。根据国家林业局发布数据，2016年我国森林面积已达2.08×108hm2，森林覆盖率达21.66%，森林蓄积量为151.37×108m3.人工林保存面积已达0.69×108hm2，居全球第一。森林生态系统的稳定性已成为衡量生态系统结构和功能最重要的特性。

1 森林生态系统稳定性概念

不同的学者根据研究对象总结出了不同的森林生态系统稳定性概念。1955年，MacArthur首次提出了群落稳定性概念，即一个群落内种类组成和种群大小保持恒定不变，Eiton(1958)也提出了类似的观点。Pimm(1991)总结出了45种不同的生态系统稳定性含义。根据Volker(1997)统计，稳定性有163个相关定义和70个不同的概念，他认为稳定性不能直接定义，只能通过其它概念来表示。生态系统稳定性的一般内涵包括：抵抗力(resistance)，生态系统在达到演替顶级后，能够自我更新和维持，当面对外来干扰时生态系统内部在一定程度上能够自我调节；恢复力(resilience)，指生态系统在遭到外界干扰破坏后恢复到原状的能力；持久性(persist-ence)，指生态系统的结构和功能长期保持在较高水平；变异性(variability)，指森林生态系统受到自然或人为干扰后，功能和结构波动较小，很快能够重新平衡。

2 天然林生态系统稳定性研究

M Godron稳定性测定方法，其主要研究对象为植物群落种类的数量和频度，利用数学方法得出散点图，运算得出结果。郑元润总结提出了演替与比较相结合的方法，主要研究种群比例。此外，Macarthur(1955)用Shannon-Weaver指数来描述营养水平多样性作为稳定性的度量。岳天祥、马世俊(1991)将热力学稳定性理论应用于生态系统的研究，为稳定性的研究提供了一条新的途径。吴作明(2000)等用光谱分析法研究了栓皮栎种群动态稳定性。韩洪凌(2006)对玛纳斯流域进行了调查分析，提出干旱区生态系统稳定性评价指标体系，体系中包括自然、社会、经济多方面指标，从水土保持、环境保护、工农业经济等多角度分析，通过专家打分和实际情况相结合的方法确定了各评价指标的权重，全面评价了玛纳斯河流域的生态系统平衡状况。此方法也为生态系统稳定性研究提供了一个方向。

3 人工林生态系统稳定性研究

3.1 人工林自身特性与稳定性

人工林是人为营造的森林，在长期经营中会受到较大干扰。人工林生态系统的主要干扰包括人的活动和自然干扰，可以说人工林生态系统是在人为干预下形成的，所以人的干扰程度远大于自然干扰。干扰分为正面影响和负面干扰，常见的人为负面干扰有毁林、放牧、工业污染、检疫不完全等。森林的恢复力与干扰的形式、强度相关，皆伐将损失80%～90%的生物量，林地环境会发生显著退化，水分养分功能丧失1/2.相比较而言，择伐影响较小。傅伯杰[10]认为适度的人为干扰对生态系统有一定的积极作用。盛连喜[11]在环境生态学中也提出，适度的自然干扰是维持生态系统平衡和稳定的重要因子。

人工林生态系统形成时间短、单作、结构不合理，导致稳定性相对脆弱。盛炜彤(2001)[12]提出不稳定人工林抵抗力差、病虫害、地力衰退，同时提出立地与树种、品种相匹配、改善造林技术、进行科学的植被管理、景观配置适宜、控制林分的遗传成分、采取合理的收获作业及控制病虫7种人工林抚育措施。刘增文等(2006)[13]对刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、兴安落叶松(Larixgmelinii)和杉(Cunninghamialanceolata)4种人工林进行了典型分析，提出进行生物地球化学分类是研究功能稳定性的重要途径。

在我国人工林中，纯林占86.8%，混交林占13.2%；乔木林占64.84%，经济林占31.59%，竹林占3.57%[14]].人工林纯林居多，结构单一，大面积成片栽植，造成自然更新缓慢、土壤灰化、地力下降等问题，保持其生态系统的稳定复杂性困难。尤文忠(2007)[15]等对辽西地区水土保持林研究后得出，稳定的林分结构应抵抗性良好、恢复性良好、生长发育状况良好、自我更新能力良好、与周围环境的协同性良好，具体措施为人工诱导和近自然经营。

3.2 人工林生态系统稳定性的研究方法

人工林生态系统研究主要有2类基本方法。一类是利用研究者的经验，选择一定的评价指标，对人工林生态系统进行野外调查，得到数据，通过数学方法、调查问卷、相关经验对指标进行权重分析，构造出稳定性指标体系，并对人工林生态系统进行评价。另一类是构建反映真实生态系统特征的数学模型，如利用微分方程模型、食物网模型等，求出系统的平衡点来分析群落[16]。冯耀宗通过长期研究人工群落的种类和稳定性来反映人工雨林生态系统[17]，张真等研究了昆虫物种、种群对人工林稳定性的影响[18]，王豁然认为可通过遗传材料、栽培措施和立地环境来阐述人工林的稳定性[18]。混沌和分形的研究方法在20世纪60年代和70年代分别被用于种群动态监测和土地生态研究[20,21]，但此方法在实际操作中存在一定困难，应用较少。

3.3 人工林生态系统稳定性指标

人工林分为公益林和商品林，公益林根据营造目标分为水源涵养林、水土保持林、防风固沙林、护岸林等。人工林的经营目的不同选择的指标也不同。人工林生态系统稳定性的首要指标为立地因子和生长情况，即造林树种与立地条件是否相适应，及人工林对不良环境的抵抗力和恢复力，包括人为干扰、自然干扰、极端气候、病虫害、外来物种等指标。人工林结构指标一般是指生物多样性、目标树种的稳定性、优势群种和建群种的稳定性；功能指标一般指生物量和生产力指标。稳定的生态系统结构和功能指标均应保持在一个较高水平，波动较小。马兴洲(1986)[22]对辽西地区刺槐人工林进行调查时，选取保存率、干梢率和林相不齐等作为衡量刺槐人工林生态系统稳定性指标，在对刺槐人工林评价后，得出土壤质地和坡位2个因子对刺槐人工林的稳定性起主导作用。曾德慧等(1996)[23]对章古台和红花尔基沙地的樟子松人工固沙林稳定性进行研究，并重新定义人工林的稳定性：在一个世代的时间跨度内，在一定立地条件下，一定大小面积的林分能够完成其生命周期，并提供相应的净初级生产量的能力。冯耀宗(2002)[24]依据经验将人工生态系统稳定性指标分级，1级指标必须通过下属的2级及3级指标的平均值获得，建立评价系统后，综合评定其稳定程度。

林考焕(2009)[25]以福建省沿海地区的木麻黄人工林和潺槁树次生林为研究对象，选取生态系统层次结构、物种多样性、抗逆性指数、病虫害状况、自我更新能力、系统生产力、郁闭度、土壤恢复程度等作为生态系统稳定性评价指标体系。邢存旺(2014)[26]对黄羊滩人工固沙林的生态稳定性进行了研究，提出了以林分的生物学、抵抗力和功能3方面稳定性要素为框架，以林木保存率、年均生长量、自然更新能力、防护期、林分抗旱性、林地输沙率、土壤黏粒含量、土壤干旱指数、土壤有机质、气温日较差、空气相对湿度、物种多样性指数12项指标构建评价体系，对不同稳定状态的林分类型提出经营对策。陈颖(2015)[27]构建的群落稳定性评价指标体系包括土壤理化性质、林木生长状况和林下草本植物多样性(Margalef丰富度指数、Richness丰富度指数、Simpson多样性指数)3个方面12项指标，可为冀北地区营造稳定性高、防护功能强、短期与长期效益兼顾的防风固沙林提供建议。

4 讨论

专家学者在人工林稳定性评价系统研究中一般根据某一区域空间的目标树种，研究特定的稳定性指标，最后总结出这一区域的评价系统。综合大量的文献可知指标因子的调查不能仅仅是某一时段的静态研究，因为静态研究不能全面揭示森林的动态变化规律和趋势。人工林生态系统稳定性的研究需要对一定时间跨度内，特定空间的特定目标树种(纯林、混交林)进行研究，长远考虑，综合评价。

不管是自然林还是人工林的生态系统研究，仍属于理论准备阶段。生态系统需要长期定位监测，现在的研究大多只集中在某一方面，综合生态、社会、经济等多方面的研究较少。生态系统稳定涉及因子众多，各指标之间关系复杂，需要多角度考虑。森林生态系统稳定性的研究，对森林多种功能最大化、保持森林生态稳定、保护生物多样性、预防遏制森林病虫害、防止地力退化，让森林拥有更大生产力，实现森林的可持续发展具有重大意义。