干旱瘠薄山地稳定侧柏人工林的生态服务功能研究

葛忠强，梁 燕，王 凤，吕雷昌，李宗泰，张 靖，徐慧梅，王清华*

（1.山东省林业科学研究院，山东 济南250014；2.淄博市张店区园林绿化服务中心，山东 淄博2550002；3.山东省林业监测规划院 山东济南250014；4.临沂市河东区汤头街道办事处农业综合服务中心，山东 临沂276000）

侧柏（Platycladus orientalis）属于柏科侧柏属，是我国荒山绿化时的主要造林树种[1]。侧柏人工林是山东省干旱瘠薄山地主要的生态公益林，在涵养水源、防风固沙、减少径流、保持水土、净化空气等方面发挥了重要的生态功能[2]。但目前对侧柏人工林生态效应的研究相对不足，仅有少量报道[1-4]，关于侧柏林生态稳定性的研究尚属空白。

目前，山东省山区的侧柏人工林多为50年前营造，林分密度普遍过大，多数已呈高度郁闭状态，导致树木长势减弱，林下植被稀疏,生物多样性锐减，难以全面发挥其生态功能，生态稳定性普遍较差。课题组依托山东省重点研发计划（2016GNC111008） 和山东省林业科技创新项目（LYCX03-2018-14）对干旱瘠薄山地侧柏人工林生态稳定性开展初步研究，提出了侧柏林生态稳定性评价方法，将23 个典型长期山地侧柏人工林进行了稳定性分级（表1）[5]。本文以“不稳定”侧柏林为对照，探讨了稳定侧柏林的生态服务功能。

1 材料与方法

1.1 林下生物多样性

供试林分位于燕子山林场和黑峪林场，分别地处济南历下区和淄博市博山区，林方设置及林分具体生长情况参见文献[6,7]。在每个试验点各选取2 块样地的侧柏人林进行研究，编号为1-2、1-5、3-8 和3-9，林分基本情况见表2。根据前期调查结果及稳定性评价方法，1-2 号和3-8 号侧柏林的稳定性等级为“不稳定”，1-5 号和3-9 号则为“高度稳定”（表1）。分别调查4 个供试林分的林下植被，计算多样性指数：Patrick丰富度指数（Pa）、Margalef指数（Ma）、Simpson 多样性指数（D）、Shannon-Wiener 指数（H）和Pielou 均匀度指数（Pj），具体调查和计算方法参见文献[6]。

表1 鲁中山地典型侧柏人工林的生态稳定性等级

表2 供试侧柏人工林样地情况

1.2 林地土壤流失

供试林分为位于燕子山林场的1-2 和1-5 样地，基本情况见表2，林方设置及林分具体生长情况参见文献[6,7]。在每块侧柏林地各选取3 个样方，采用标尺法[8]研究林分稳定性对林地土壤流失的影响，在1-2 号林地内的3 个样方面积分别为3 m×5 m、4 m×4 m 和4 m×4 m，每1 m2铺设一枚钢钎；1-5 号林地内的3 个样方面积分别为3 m×4 m、2 m×8 m 和2 m×9 m，同样也是每1 m2铺设一枚钢钎。雨季前用游标卡尺分别测量每枚钢钎露出地面的高度（mm），然后在雨季后再次测量高度。根据雨季前后钢钎高度的平均差值，土壤容重，采用下式计算得出林地土壤流失量：

式中W 为土壤流失量（T/hm2）；H1和H2分别为雨季前、后的钢钎高度（mm）；ρ 为林地土壤容重（g/cm3）。

1.3 空气负离子、风速、温度和湿度

供试林分位于燕子山林场和黑峪林场，在每个样点各选取4 块样地的侧柏林进行研究。燕子山所选样地编号为1-1、1-4、1-5、1-6，其中1-1 和1-6侧柏林的生态稳定性为“不稳定”，而1-4 和1-5 为“高度稳定”；黑峪林场所选样地编号3-2、3-8、3-7和3-9，其中3-2 和3-8 侧柏林的生态稳定性为“不稳定”，3-7 和3-9 为“高度稳定”。林分基本情况见表3，林方设置及林分具体生长情况参见文献[6,7]。分别测定供试侧柏林样方内距地面1.5 m 高处的温度、湿度、负离子含量、风速以及黑峪林场侧柏林内的地表温度，同时测定林外空地相应位置的上述指标，进行对比研究。

表3 供试侧柏人工林样地概况

2 结果与分析

2.1 生态稳定性对侧柏林下植物多样性的影响

供试4 块样地侧柏人工林林下的植物多样性指数列于表4。对位于同一试验点的2 个侧柏林分进行比较，由表3中结果可以得知，生态系统非常稳定的1-5 号侧柏林的丰富度指数Pa 和Ma 分别较1-2 号侧柏林的相应指数增加了1.50 倍和2.67倍；多样性指数H 和D 分别增加了14.64 倍和9.68倍；而均匀度指数Pj 增加了5.73 倍。

将生态稳定性非常高的3-9 与不稳定的3-8进行比较，经计算后可知，3-9 号侧柏林的丰富度指数Pa 和Ma 分别较3-8 号侧柏林的相应指数增加了0.60 倍和0.89 倍；多样性指数H 和D 分别增加了3.29 倍和3.83 倍；而均匀度指数Pj 增加了2.31 倍。

两个调查点的研究结果均表明，侧柏林生态稳定性提高后可显著增加林下植物多样性指数，这也是导致林分稳定性较高的重要影响因素。利用本研究提出的侧柏林稳定性构建技术，提高林分生态稳定性后，可使林下生物多样性得到显著提高。

表4 不同样地侧柏林的林下植物多样性指数

2.2 生态稳定性对侧柏林地土壤流失的影响

由表5调查和计算结果可以看出，生态系统高度稳定的1-5 号侧柏林的土壤平均流失量为31.68 T/hm2，而不稳定的1-2 号侧柏林的土壤平均流失量为51.19 T/hm2；方差分析结果表明，这两块林地土壤流失量存在显著性差异。研究结果表明，1-5 号林地较1-2 号林地的土壤流失量减少了38.11%，这说明生态稳定性高的侧柏林有利于林地土壤的保持。

表5 不同样地的土壤流失量

2.3 侧柏林生态稳定性对空气负离子、风速、温度和湿度的影响

2.3.1 负离子含量

由表6和表7测定结果可以看出，与林外相比，侧柏林内的负离子含量和空气湿度较林外测定结果均有明显增加。燕子山林场1-1 和1-6 侧柏林的负离子增幅分别为12.50%和5.26%，而生态稳定性高的1-4 和1-5 侧柏林林内负离子增幅分别为65.71%和17.39%；黑峪林场侧柏林内外的负离子含量也存在相似规律，不稳定林分（3-2 和3-8）和高度稳定林分 （3-7 和3-9） 的增幅分别为7.50%-8.54%和26.19%-34.15%（表8）。

2.3.2 风速

与林外风速相比，侧柏林内风速得到明显降低（表6和表7）。高度稳定侧柏林对风速的抑制作用较不稳定侧柏林有大幅增加。以黑峪林场供试林分为例，3-2 和3-8 均为生态系统不稳定的侧柏人工林，其林内风速分别较林外减少了20%和35.29%；而对于高度稳定性的3-7 和3-9，降低百分比分别为84.62%和87.50%。

2.3.3 空气温度

两个试验点空气温度的变化规律与负离子结果相反（表6和表7）。燕子山林场不稳定林分（1-1和1-6） 的林内空气温度较林外下降了0.71%-3.17%，高度稳定林分（1-4 和1-5）则降低了9.74%-5.48%。黑峪林场不稳定林分（3-2 和3-8）的林内空气温度较林外下降了3.37%-5.39%，高度稳定林分（3-7 和3-9）则降低了了11.63%-12.50%。

2.3.4 空气湿度

两个样点空气湿度与负离子林内外变化结果类似，燕子山林场不稳定林分（1-1 和1-6）的林内空气湿度较林外提高了2.43%-3.17%，高度稳定林分（1-4 和1-5）则提高了4.74%-5.87%；黑峪林场不稳定林分（3-2 和3-8）的林内空气湿度较林外提高了6.45%-13.10%，高度稳定林分（3-7 和3-9）则提高了28.76%-15.98%。

2.3.5 地表温度

黑峪林场供试侧柏林地表温度变化规律与空气温度相似。由表7中结果可以看出，对于生态系统不稳定的3-2 和3-8 侧柏人工林，其林内地表温度分别较林外减少了4.60%和5.94%；而对于高度稳定性的3-7 和3-9，降低百分比分别为23.77%和10.75%。

表6 燕子山样点供试侧柏林的指标调查结果

表7 黑峪林场样点供试侧柏林的指标调查结果

表8 林内各指标较林外增加或降低幅度

3 结论

对侧柏人工林林内和林外的空气负离子含量、空气温度、风速、空气湿度、地表温度的测定结果表明，稳定性高的侧柏人工林在提高林内负离子含量和空气湿度，降低林内空气温度、风速、地表温度的效果更好，相比生态系统不稳定的侧柏林所发挥出的生态服务功能更强。