鲁中南山区侧柏人工林近自然经营效果评价

颜攀，凌春辉,崔浩然，刘胜元，王华田，刘秀梅,2

(1.黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室，山东 泰安 271018；2.上海市环境学校，上海 200135)

森林具有经济、生态、文化和社会等服务多种功能。科学合理地制定营林方案并组织营林生产活动，对于提高森林生产力和经济效益、增强森林的防护功能和多种生态效益、满足人类社会日益增长的社会和文化需求，具有重大意义。随着工业文明的发展和全球气候的变化，天然林不断减少[1,2]。在全球林产品需求不断上升的情况下，世界各国越来越重视对人工林经营的研究，人工林经营的地位越来越突出[3,4]。中国是世界上人工林面积最大的国家[5]，人工林面积由改革开放初期的220万hm2扩大到现在的787万hm2，在我国森林面积中的占比从19%上升到37.8%[6]。然而，长期以来，我国人工林树种和结构单一，加之长期不合理的经营，导致森林生物多样性低[7]，生态系统脆弱甚至退化，生态功能明显低于同龄天然林[8]；不少人工林历经长期不合理的经营，已经退化成疏林地或残次林。

调查发现，侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)、赤松(P.densiflora)、黑松(P.thunbergii)和刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林于山东省主要分布在鲁中南山丘地区，营造于20世纪50年代至70年代，目前已经相继进入中龄林、近熟林阶段，少数林分已经进入成熟或过熟林阶段。由于缺乏科学的营林理论指导加之营林目标不明确，导致营林作业施工粗放，营林效果难以达到预期目标，甚至在很大程度上造成林分结构日趋简单、生物多样性低、天然更新能力差、物种多样性低，林相严重衰败且出现退化现象，亟待运用科学的营林理论和技术，开展合理地营林生产活动[9-11]。

侧柏原产中国，分布广泛，具有长寿、喜光、幼树梢耐庇荫、耐干旱贫瘠、抗逆性强、对土壤要求不严等特点。侧柏作为荒山造林的主要树种之一，在黄河中下游地区、华北和西北地区广泛应用于青石山、沙石山和黄土区造林[12]。本研究以鲁中南青石山侧柏中龄林为研究对象，以多功能恒续林长期经营为目标，运用近自然林经营理论，采取人工抚育措施，并对营林效果进行评价，以期为山东省侧柏人工林经营提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

2018年7月通过标准地踏查确定植被类型、森林类型、林分发展阶段基础信息等，在山亭区徐庄国营林场白龙湾分场进行恒续林经营措施设计后，选取3个具有代表性的侧柏人工林林分类型，在同一林分内设置调查标准地，将林分标准地分别设置为抚育林分标准地和对照区标准地，分别设置3块30 m×20 m样方，四周埋设固定标桩，GPS定位后周边用红色喷漆，喷涂边界内侧树干的胸高部位，对抚育区和对照区立木分别挂设固定编号标牌，一年后于2019年10月对抚育林分进行调查和取样分析。

1.2 调查、取样、测定方法

1.2.1 林分调查 林分标准地按照编号顺序，逐一进行实测抚育一年后标准地内所有主林冠层立木每木检尺，测定并记录树高、胸径、冠幅、枝下高、活枝下高，冠幅以东西×南北测量值为准，除胸径精度为0.01 cm，其他精度均为0.1 m，同时按照立木分级标准，确定并记录立木分级。在设定试验区和对照区标准地内，沿标准地对角线设置3个5 m×5 m灌木调查样方，调查并记录灌木样方内灌木种类、高度、冠幅，调查精度为0.1 m，草本植物多样性调查同灌木施工一样，在设定试验区和对照区标准地内，随机设置1 m×1 m草本样方各3个，调查并记录林下草本植物的种类、高度、盖度和密度。

1.2.2 土壤样品基本性质的测定 抚育采伐后，林下土壤按S型随机取样，在乔木样方每个标准地内，均匀布设5个取样点，土壤采集后带回实验室风干，测定土壤理化性质；同时在土层15～20 cm处制取环刀土样，用于分析土壤含水量和土壤容重。

土壤pH测定以水土比例为2.5∶1无菌水(去除CO2)浸提，采用型号为BPH-252酸度计直接测量。土壤含水率采用铝盒烘干法测定，在烘干前后分别称质量一次。土壤容重采用环刀法测定，在放入烘箱称质量1次，然后放入烘箱中在105 ℃下烘至恒重后，再次称质量。土壤电导率采用蒸馏水和风干土5∶1的浸提液，采用型号DDSJ-308A的电导率直接测定。

1.2.3 土壤酶活性的测定 土壤脲酶活性的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法[13]。称取5g过1 mm筛的土样置于50 mL离心管中，加入1 mL甲苯、10%尿素溶液10 mL和柠檬酸盐缓冲溶液(pH 6.7)20 mL，震荡15 min摇匀后，在37 ℃恒温箱培养24 h后，用定性滤纸过滤，取1 mL滤液加入50 mL离心管中，再加4 mL苯酚钠溶液和3 mL次氯酸钠溶液，随加随摇匀，20 min后在分光光度计(TU1900)与578 nm波长处比色。

土壤磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法测定[13]。称过1 mm筛的5.0 g土样置于50 mL离心管中，加1.5 mL甲苯、10 mL磷酸苯二钠溶液和20 mL中性柠檬酸盐缓冲液，仔细摇匀后，振荡15 min后，放入恒温箱，37 ℃下培养12 h。用38℃热去离子水定容至50 mL，摇匀后迅速用定性滤纸过滤。用10 mL去离子水代替磷酸苯二钠溶液做空白对照。取上述滤液3 mL于50 mL容量瓶中加2.5 mL缓冲液和0.5 mL 2,6-二溴对苯醌亚胺溶液，室温平衡20 min后，用去离子水定容50 mL，在600 nm处比色测定。

采用3,5-二硝基水杨酸比色法[13]，测定土壤蔗糖酶活性。称取5 g土壤，置于50 mL离心管中，加入15 mL 8%蔗糖溶液、5 mL磷酸缓冲液(pH 5.5)、5滴甲苯。摇匀混合物放在37 ℃恒温箱培养24 h。培养结束后，迅速取出后过滤。吸取滤液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加入3 mL DNS试剂后，在沸腾的水浴锅中加热5 min，随即将容量瓶移至流动的自来水下冷却3 min。溶液因生成3-氨基-5-硝基水杨酸而呈橙黄色，用蒸馏定容至50 mL，并于540 nm处进行比色。

土壤过氧化氢酶活性测定采用KMnO4滴定法[13]。取5 g土壤样品于50 mL离心管中，以不加土样的离心管作对照，加入0.5 mL甲苯，摇匀，于4 ℃冰箱中放置30 min，取出，立刻加入经4 ℃冷藏的3%H2O2水溶液25 mL，充分混匀后于4 ℃冰箱中放置1 h。取出后迅速加入经4 ℃贮存的2 mol·L-1H2SO4溶液25 mL，摇匀后过滤。取1 mL滤液于三角瓶，加入5 mL蒸馏水和2 mol·L-1H2SO4溶液5 mL，用0.02 mol·L-1KMnO4溶液滴定。根据对照和样品的滴定差，求出相当于分解的H2O2的量所消耗的KMnO4。过氧化氢酶活性以每克干土1 h内消耗的0.1 mol·L-1KMnO4体积数表示，以mL计。

1.3 数据分析与计算方法

1.3.1 数据处理分析 数据分析采用Excel(2013)进行数据处理、计算，采用Origin 9.0作图，利用Photoshop CS6处理图片。

1.3.2 植物多样性计算方法 通过植物多样性指数来的评估抚育试验区和对照区侧柏人工林自我更新、综合协调的能力，草本植物在侧柏人工林生态系统中具有重要的功能和作用。重要值是计算草本植物多样性时的重要指标，以综合数值表示植物生态系统的多样性。

按照以下公式计算：

(1)相对密度(relative density)

相对密度(%)=(某物种密度/全部物种的密度)×100

(2)相对盖度(relative coverage)

相对盖度(%)=(某物种盖度/所有物种的盖度之和)×100

(3)相对频度(relative frequency)

相对频度(%)=(某物种的频度/同一生活型植物的频度之和)×100

(4)重要值(important value,Pi)

Pi=(相对密度+相对频度+相对盖度)/3

以丰富度、多样性、优势度、均匀度指数作为草本植物多样性的评价指标，分别对应选择Gleason丰富度指数、草本植物群落辛普森多样性优势度指数(Simpson diversity index)、草本植物多样性香农-威纳指数多样性指数(Shannon-weiner index)以及不同草本植物密度分布均匀度的Pielou均匀度指数，其计算公式如下：

(5)Gleason丰富度指数(D)：

D=S/lnA

式中：S为种群中的物种数目；A为单位面积。

(6)Shannon-weiner多样性指数(H′)：

项目不同，资金使用情况会存在差异，考核机制建立后要不断依据不同项目的考核结果来继续完善项目考核机制。争取能够建立一套完善的，符合高校实际情况，符合项目自身，可调理、可操作的考核体系，从而实现真正意义上的科研经费绩效考核，提高经费的使用效率，减少经费不合理分配造成的浪费。

H′=-∑Pi×lnPi

式中：Pi为草本植物的重要值

(7)Simpson优势度指数(D′)：

式中：Pi为草本植物的重要值。

(8)Pielou均匀度指数(E′)：

E′=H′/lnS

式中：H′为Shannon-weiner多样性指数；S为群落中的总物种数。

2 结果与分析

2.1 对林分结构及生长的影响

表1 抚育与对照侧柏林林分生长对比

2.2 对林内植物多样性的影响

2.2.1 林内灌木生物多样性 山亭区徐庄林场林内灌木调查结果表明，抚育处理和对照标准地共有8个科9种植物(表2)，分别为荆条(Vitexnegundo)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、酸枣(Ziziphusjujuba)、构树(Broussonetiapapyrifera)、扁担杆子(Grewiabiloba)、君迁子(Diospyroslotus)、刺槐、桑树(Morusalba)、臭椿(Ailanthusaltissima)、侧柏。抚育样地中共有灌木8个科8个种，分别为荆条、花椒、酸枣、构树、扁担杆子、君迁子、刺槐、侧柏；对照处理中共有8个科9种灌木，分别为君迁子、桑树、臭椿、荆条、花椒、酸枣、构树、扁担杆子、侧柏。可见，林下灌木清理对更新后的灌木种类影响较小，抚育处理中未见桑树和臭椿生长，而对照样地缺乏刺槐。另外，抚育样地内植物高度和冠幅均低于对照样地，前者较后者高度降低为59.52%，冠幅降低65.92%；可以看出抚育处理后林下灌木的高度和冠幅相比对照标准地大为减少，这有效提高了侧柏目标树的生长空间。

表2 抚育处理与对照样地林下灌木种类、高度和冠幅

2.2.2 林内草本植物生物多样性 对不同处理中侧柏林下草本植物种类调查结果表明(表3)，徐庄林场侧柏人工林林下共有9科15种草本植物，分别为荩草(Arthraxonhispidus)、隐子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、茜草(Rubiacordifolia)、葎草(Humulusscandens)、鹅绒藤(Cynanchumchinense)、土麦冬(Liriopespicata)、何首乌(Fallopiamultiflora)、野韭(Alliumramosum)、酢浆草(Oxaliscorniculata)、马塘(Digitariasanguinalis)、黄背草(Themedajaponica)、求米草(Oplismenusundulatifolius)、龙葵(SolanumnigrusL.)、鬼针草(Bidenspilosa)。

表3 林下草本植物种类与重要值

从种水平分析，对照处理中共有草本植物10种，分别为荩草、隐子草、狗尾草、茜草、葎草、鹅绒藤、土麦冬、何首乌、野韭、酢浆草；抚育处理中共有草本植物12种，分别为荩草、隐子草、狗尾草、马塘、黄背草、求米草、葎草、鹅绒藤、龙葵、鬼针草、何首乌、野韭。可见，对照样地中缺少马塘、黄背草、求米草、龙葵、鬼针草5种草本植物；抚育样地中则未见酢浆草、土麦冬和茜草3种植物生长。

从科水平分析，对照处理中禾本科植物最多(3种)，其次是茜草科(2种)，蓼科、萝藦科、葱科、酢浆草科、百合科分别为1个种；抚育样地中禾本科植物最多(6种)，其次为萝藦科植物共有2种，而茜草科、葱科植物各有1种。分析林下草本植物重要值发现，对照林分土麦冬重要值最高为16.69%，狗尾草重要值最低，为3.25%；抚育林分与对照有所不同，其中荩草重要值最高为17.76%，狗尾草和马塘重要值最低，为4.10%。

2.2.3 林下草本植物多样性指数 从图1可以看出，抚育处理后，侧柏人工林林下草本植物Pielou均匀度指数、Simpson多样性指数、Shannon-weiner多样性指数、Gleason丰富度指数分别为：0.966、0.901、2.40、1.88，对照处理中各指数分别为：0.968、0.875、2.13、1.41。可见，较对照处理相比，抚育采伐后除Pielou均匀度指数变化较小外，Simpson和Shannon-weiner多样性指数以及Gleason丰富度指数均提高，分别高于对照标准地2.97%、12.82%、35.18%，这说明抚育样地草本植物的多样性和丰富度比对照处理丰富，植物多样性有所增加。

2.3 对土壤理化性质的影响

2.3.1 林下土壤基本物理性质变化 从表4可以看出，与对照相比，抚育采伐后林下电导率和容重变化较小，土壤偏碱性，但土壤含水率、容积含水率以及总孔隙度则有所降低，分别为6.64%、3.18%和5.22%。

表4 抚育和对照标准地林下土壤物理性质变化

2.3.2 林下土壤酶活性变化 从图2可以看出，与对照相比，抚育采伐后林下土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性降低，分别为13.43%和13.95%，而脲酶和蔗糖酶活性则有所提高，分别为21.29%和15.48%。可见，抚育采伐处理对不同种酶活性的影响有所差别。

3 讨论

人工林抚育间伐对整个林分结构具有显著而直接的影响[3]，若目标树保留数量过少，林分蓄积量则会急剧下降[14]。研究表明，抚育采伐有利于增加侧柏人工林林分的平均胸径，与白子红等[15]研究结果一致。抚育采伐前，林冠下常年不见光照，多数侧柏过密、生长不良，不利于林木的生长，林木的生存空间竞争激烈，通过有目的地选择树形良好，生长健康的目标树，伐除材质低劣，干形不良的侧柏，用人工择伐代替自然选择，有效提高侧柏林木质量[16]，随着抚育年限的增加，加上人工抚育自然下种更新，侧柏林木遗传质量也会进一步提升[17]。侧柏人工林经营作业中，通过采伐干扰木，整个林分结构得到了调整，不仅扩增了目标树的生长空间，还降低了个体之间生长的竞争，缩短林木成材生长时间。另外，抚育采伐后随着侧柏株数的减少，使单株侧柏的冠幅增大，林分的透光率增加，光照和通风条件得到提升，且有效改善了林分卫生和降低或者遏制不利于林木生长的病害，同时提高了目标树木对自然灾害的抗御能力，降低了林分的郁闭度，相对林分空间变大，优化了林分的密度，从而促进林木的快速生长[18]。

研究发现，抚育采伐会使人工林林下灌木种类增加。本研究发现，抚育采伐后，林下灌木的种类有所减少，这可能由于人工抚育后的时间太短，所以目前效果不明显[19]。通过人工抚育，降低了林下灌木的高度、冠幅，有效减少了灌木对侧柏养分的竞争[20]，但是对于林下灌木种类的影响需要做长期进一步研究。

近自然林经营抚育措施对草本植物具有显著而直接的影响[21]，对此次林下植物多样性发现，人工抚育措施能有效改变林下植物的多样性，并且随着时间的推移，林下植物种类会更加丰富[22]，这说明合理的抚育措施可以间接提高整个林区生物链和物种的多样化[23]，从而达到生物之间的相互制约[24]，从而提高林分抵抗病虫害的能力，避免出现大规模的病虫害现象[25]，人工抚育会促进侧柏林正向演替。

人工抚育方主要影响林下灌木和草本的多样性和生物量，间接会影响到土壤养分、微生物和林分的生长发育[26]，土壤是植物生长环境的重要因素，是植物赖以生长的基础[27]，保持和提高林分土壤的肥力有利于目标树健康的生长[28]。研究发现，抚育采伐对土壤理化性质产生一定影响，如改变土壤水肥的供应、土壤酶的活性[29]，影响土壤表层的理化性质[30]，如容重、含水量、pH值等，影响土壤水分的渗透能力，进而改变土壤质量[31]。研究表明林分间伐抚育后，由于林分条件中的水、热状况会发生改变[32]，导致土壤相关生物酶活性发生变化[33]。与对照标准地相比，经抚育采伐后林分土壤pH值会降低，但也有林分土壤的pH值会升高[34]，本次土壤效益评价指标调查结果中，徐庄林场侧柏林下土壤pH经抚育采伐后较对照处理相比偏碱性，土壤电导率和总孔隙度有所提高，这说明土壤基础物理性质正在发生变化，在逐渐改善，土壤物理性质越来越好，但由于抚育时间较短，对于其抚育经营效益评价有待进一步研究。

4 结论

虽然近自然经营时间较短，有些指标不理想或者和以前的研究结果有些相悖，但初步根据本次调查结果表明，近自然林经营方案的实施，改变了侧柏人工林的林分结构，提高了林分的生长空间，改善了林分卫生状况；有效保护和提高了林分内草本植物的多样性；土壤指标变化不大，虽然有些指标数据变化，或者相差不大，但正在发生改变，总的来看，此次抚育采伐提高了侧柏人工林的生态效益。

经营效果对林分造成的影响是长期而复杂的，由于监测外业工作量大，受外界条件的干预和影响较大，加上抚育时间较短，侧柏林龄单一，生长缓慢，有些效益评价在短时间内不明显，必须进行长期的监测，并建立监测数据库，才能得到更加科学可靠的结论，为将来的资源评估和规划做基础。同时，本次调查结果可为其他的相关研究提供借鉴依据。