抚育间伐对川西高海拔地区柳杉人工林生态效益的影响

胡佳怡,王瑞辉,刘凯利,张 斌,周钰淮,李雪惠,龚映匀

(中南林业科技大学 林学院,长沙 410004；2.中南林业科技大学 中亚热带林学国家长期科研基地,长沙 410004)

森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,具有固碳释氧、调节气候、保持水土等[1]诸多生态功能。川西地区由于海拔较高,部分区域常年有冰雪覆盖,土层沙化严重,森林生态系统较为脆弱[2]。该地造林应立足于森林可持续发展,促进生物多样性,提升地力水平,以构建更加稳定的森林生态系统。柳杉(Cryptomeriafortunei)作为川西地区的主要造林树种之一,具有生长迅速、树形通直等优点。早期柳杉造林主要以经济效益为导向,未能考虑到川西高海拔地区的立地特殊性,加之缺乏专业性的指导,造林密度过大[3],导致目前的柳杉人工林生态系统稳定性差、生态效益低下、经济效益不高,严重制约了柳杉人工林的可持续发展。

抚育间伐是改善森林结构、提升森林质量的重要手段,其能改变林分内光照、温度和水分等微环境,缓解林木竞争,促进林木根系生长以及林下生物多样性。已有研究表明,适度间伐可以促进林木个体生长和林分蓄积量的增加[4],调整林分结构[5],提高林分的生产力[6],促进林下植被更新[7]。赵衍征等[8]以落叶松(Larixgmelinii)天然次生林为研究对象,认为35.5%的间伐强度对林分结构特征的改善最有利；龚映匀等[9]通过对柳杉间伐研究后发现,中等间伐强度对促进柳杉生长和增加土壤有机质含量的效果最好；潘秉林等[10]以13a生光皮桦(Betulaluminifera)为研究对象,认为26.4%的间伐强度有利于促进林分生长、提升土壤肥力；董凯丽等[11]通过对湿地松(Pinuselliottii)人工林研究后发现,间伐与未间伐相比,林木径阶分布曲线的峰值明显向右偏移,短期内林下植物多样性明显增加。抚育间伐对森林生态系统的影响是多方面的,但现有研究大多仅考虑单个因素或少数几个因素,较少从生态系统整体上对抚育间伐对生态效益的影响进行综合评价,评价方法也较为单一。因此,深入探究抚育间伐对林木生长、林下植被发育和土壤理化性质等因子影响的规律及各因子之间的互作关系,以生态效益整体优化为出发点筛选出最佳间伐强度,是目前森林质量提质改造的重要课题,对于高海拔生态脆弱地区柳杉人工林,此类研究更具有重要意义。

本文以9a生川西高海拔地区柳杉人工林为研究对象,设置4种间伐强度处理,从林分特征因子、林下植被多样性、地表径流和土壤理化性质等4个方面,探究抚育间伐对柳杉人工林生态效益的影响,利用层次分析法和熵权法建立评价体系,对不同间伐强度的生态影响进行评价,以生态效益最佳为目的确定适宜的抚育间伐强度,为川西地区柳杉人工林的可持续经营提供可借鉴的依据。

1 样地概况

样地位于四川省雅安市雨城国有林场羊子岭工区(29°40 ′～30°14′N,102°51′～103°12′E),海拔约为1 500m。样地所在的邛崃山脉二郎山支脉大相岭,气候属于常年湿润多雨的亚热带季风性气候,年平均气温13℃,温差小,年平均降雨1 800mm,降雨量大。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

在2015年11月选择9a生柳杉人工纯林为研究对象,林相和立地条件基本一致。按株数强度设置4个梯度处理,分别为:对照样地(CK,0%)、轻度间伐(T1,20%)、中度间伐(T2,35%)、重度间伐(T3,50%),每处理3个重复,共12个样地,样地面积为20m×30m。对间伐样地采用克拉夫特法对林木进行分级,按间伐强度依次伐去IV级木、V级木和部分Ⅲ级木,间伐木全部运出林地,对照样地不作任何处理。样地设置后,进行每木检尺和相关因子调查,此后每年对样地进行调查。间伐后样地基本概况如表1所示。

表1 样地基本情况表

2.2 评价指标及观测方法

1)林分特征因子:胸径采用每木检尺法测定,起测直径为5cm,树高采用树高曲线法,样株树高用测高器测定。根据样株的胸径和树高,采用回归分析方法和非线性度量误差模型分析方法,拟合杉木树高曲线模型,将直径代入树高曲线模型,得到树高。蓄积量根据样地单株材积进行合计计算,计算各指标在2015—2020年的变化量。二元立木材积公式为:

V=0.000058777042D1.9699831H0.89646157

(1)

式中:V为单株立木材积(m3),D为各胸径(cm),H为树高(m)。

2)林下植被多样性:林下植被调查采用样方法。在样地4个边角处选择有代表的地块设置2m×2m的灌木样方,并在各灌木样方内设置1m×1m的草本样方,所有样方均用PVC管固定4个角,确保两次调查的样方相同。然后,分别计算林下植被的丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和、Simpson生态优势度指数和Pielou均匀度指数。计算各指标在2015—2020年的变化量。公式如下:

R=S

(2)

Pi=ni/N

(3)

(4)

(5)

Pielou指数:JSW=H/lnS

(6)

式(2)—(6)中:R为物种丰富度指数；Pi为第i种的相对密度；D为Simpson指数；H′为Shannon-Wiener指数；JSW为Pielous均匀度指数；S为样方中出现的物种数；N为所有物种的个体数之和,ni为第i个物种的个体数,i=1,2,…,S。

3)土壤理化性质:土壤物理性质采用环刀法取样,在各研究样地中,分别找出具有代表性的地段,挖3个剖面,在0～20cm深度利用100cm3环刀垂直插入各剖面采集原状土,3个重复,测定土壤容重、最大持水率和孔隙度；同时在每个点采集一定量0～20cm深度土壤,测定水解氮、速效钾和有效磷等。计算各指标2015—2020年的变化量。

4)地表径流因子:利用径流小区法,沿样地中线顺坡方向设置长10m、宽2m的矩形小区,边界用金属板围实,金属板高出地面10～20cm,埋入地下30cm；小区底端设置集流槽、导流管、集流桶。观测得到2015—2020年样地内的地表冲刷量和径流量,据此计算径流系数。

2.3 评价体系构建

层次分析法[12]可以体现行业专家专业角度的评价标准,熵权法[13]可以体现不同指标客观上的权重属性,将两者的赋值平均后得到综合赋值[14],用于评价。

层次分析法的评价体系包括目标层、准则层和方案层,本研究的目标层为最佳生态效益,准则层包括林分特征因子、林下植被多样性、土壤理化性质、地表径流因子,方案层为4种间伐强度。专家根据不同指标的重要性对不同指标进行两两比较,以此构建判断矩阵,通过计算得到每个指标在准则层所占的权重。

熵权法通过对各项指标的实际数据建立判断矩阵,根据该矩阵算出各项指标的客观权重。熵值越大,表明该指标提供的有效信息越多,该项指标在实际实施中越起作用,熵值越小,其所能提供的有效信息越少,其作用越小。

综合权重的计算方法如下:

Wj=0.5Wj1+0.5Wj2

(7)

式中:Wj为第j个指标的综合权重,Wj1为第j个指标的主观权重,Wj2为第j个指标的客观权重。

2.4 生态效益综合评价

根据单因素方差分析所得的最大值和最小值,将各指标的具体数值平均划分为5个区间,表示5个不同的评价等级。根据各指标对生态效益的影响情况,将指标分为正向指标和负向指标[15]。再按百分制对不同指标进行打分,评价等级及得分依次分为好(100)、较好(80)、中(60)、较差(40)和差(20)。不同处理的生态效益评价得分公式如下:

(8)

式中:Ai为第i种间伐强度的生态效益评价得分；Xij为第i种间伐强度的第j个指标的区间得分；Wj为第j个指标的综合权重。

3 结果与分析

3.1 层次分析法建立判断矩阵和一致性检验

邀请森林培育、生态和水土保持的多位专家对影响生态效益的因子进行打分,分别构建生态效益(表2)、林分特征因子(表3)、林下植被多样性(表4)、土壤理化性质(表5)和地表径流因子(表6)判断矩形。各判断矩阵的CR均小于0.1,说明各判断矩阵均具有一致性,可用作指标权重计算。

表2 生态效益评价判断矩形

表3 林分特征因子判断矩阵

表4 林下植被多样性判断矩阵

表5 土壤理化性质判断矩阵

表6 地表径流因子判断矩阵

3.2 抚育间伐对林分特征因子的影响

由表7可知,2015—2020年柳杉胸径生长量和单株材积增长量表现为T3>T2>T1>CK,树高生长量表现为T2>T3>T1>CK,不同处理之间均具有显著差异(P<0.05)。蓄积年增长量为T2>T1>T3>CK,间伐与对照样地有显著差异(P<0.05),不同间伐强度之间无显著性差异(P>0.05)。由此可见,间伐可以显著促进胸径和单株材积增长,在一定范围内促进树高和蓄积量的增长。

表7 2015—2020年林分特征因子指标变化量

由表8可知,对林分因子进行权重赋值后,胸径年生长量(0.373 6)>树高年生长量(0.278 6)>蓄积量(0.180 4)>单株材积(0.167 4)。林分特征因子中,胸径的重要值最高,单株材积的重要值最低。

表8 林分特征因子指标权重值

3.3 抚育间伐强度对林下植被多样性的影响

由表9可知,2015—2020年林下植被丰富度指数变化量为T3>T2>T1>CK,CK与间伐样地均有显著性差异(P<0.05),T3与T1有显著性差异(P<0.05),与T2有差异不显著(P>0.5)；Shannon-Wiener多样性指数为T3>T1>T2>CK,CK与T1,T3有显著性差异(P<0.05),与T2差异不显著(P>0.5),间伐样地之间无显著性差异(P>0.5)；Simpson优势度指数为T3>T2>T1>CK,CK与T1,T3有显著性差异(P<0.05),与T2无显著性差异(P>0.5),T3与T1,T2均有显著性差异(P<0.05)；Pielou均匀度指数为T3>T1>T2>CK,T3与CK,T1,T2之间均有显著性差异(P<0.05),而CK,T1,T2相互之间均无显著性差异(P>0.5)。由此可见,抚育间伐对林下植被多样性具有促进作用,重度间伐促进作用最大,效果最好,轻度间伐对Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数促进作用较小。

表9 2015—2020年林下植被多样性指标变化量

由表10可知,对林下植被多样性进行权重赋值后,其指标权重排序为:Shannon-Wiener多样性指数(0.318 9)>Pielou 均匀度指数(0.256 4)>物种丰富度指数(0.223 0)>Simpson优势度指数(0.201 8),Shannon-Wiener多样性指数的重要值最高,Simpson优势度指数的重要值最低。

表10 林下植被多样性指标权重值

3.4 抚育间伐对土壤理化性质的影响

由表11可知,2015—2020年土壤水解氮变化量为T1>T3>T2>CK,CK与T1,T3有显著性差异(P<0.5),与T2无显著性差异(P>0.5),不同间伐强度之间均有显著性差异(P<0.5)。土壤速效钾变化量为T1>T2>CK>T3,CK与T1之间有显著性差异(P<0.5),与T2,T3之间差异不显著(P>0.5)。土壤有效磷变化量为CK>T2>T1>T3,CK与T1,T2,T3之间均有显著性差异(P<0.5)。土壤容重减少量与最大持水率增加量均为T3>T1>T2>CK,CK与T1,T2,T3均有显著性差异(P<0.5),不同间伐强度无显著性差异(P>0.5)。总孔隙度变化量为T2>T1>T3>CK,CK与T1,T2有显著性差异(P<0.5),T3与其他处理之间均差异不显著(P>0.5)。这表明,间伐可以在一定程度上增加土壤水解氮和速效钾含量,轻度间伐效果最佳,但间伐可能导致土壤有效磷的流失；同时,间伐可以有效改善土壤物理性质,但不同间伐强度之间的差异达不到显著水平。

表11 2015—2020年土壤理化性质指标变化量

由表12可知,对土壤理化性质进行权重赋值后,其指标权重排序为:容重(0.215 5)>总孔隙度(0.193 4)>有效磷(0.177 9)>最大持水率(0.164 6)>速效钾(0.148 6)>水解氮(0.100 0)。土壤理化性质中,容重的重要值最大,水解氮含量的重要值最低。

表12 土壤理化性质指标权重值

3.5 抚育间伐对地表径流的影响

由表13可知,2015—2020年度地表冲刷量CK>T1>T3>T2,CK与T1无显著性差异(P>0.5),与T2和T3有显著性差异(P<0.05),这表明间伐对减少土壤冲刷有一定的作用,一定范围内间伐强度越大,其效果越好。径流系数和径流量为CK>T3>T1>T2,CK与间伐样地均有显著性差异(P<0.05),T1与T2,T3与T2之间有显著性差异(P<0.05),这表明间伐对减少地表径流有明显的作用,中度间伐效果最好。

表13 2015—2020年度地表径流量

由表14可知,对地表径流进行权重赋值后,其指标权重排序为:冲刷量(0.487 1)>径流系数(0.262 7)>径流量(0.250 2)。地表径流指数中,冲刷量的重要值最高,径流量的重要值最低。

表14 地表径流指标权重值

3.6 评价等级标准划分

依据表7,9,11,13,将各指标进行等级区间划分并赋值。其中土壤容重、冲刷量、径流系数和径流量为负向指标,其它均为正向指标。评价等级如表15所示。

表15 各指标生态效益评价等级

3.7 综合评价

根据层次分析法和熵权法计算得各指标的生态效益综合权重,再与区间赋值相结合得表16。由表16可知,柳杉人工林生态效益评价重要值得分排序为林分特征因子(0.384 4)>土壤理化性质(0.254 6)>林下植被多样性(0.242 8)>地表径流因子(0.118 2)；将各处理单项得分与各指标层的综合权重进行综合计算,得分排序为T3(71.6分)>T2(70.4分)>T1(58.9分)>CK(28.8分)。即重度间伐和中度间伐的柳杉人工林生态效益最佳,其次为轻度间伐,对照样地的生态效益最差。

表16 生态效益指标权重值及评价得分

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究设置4个间伐强度处理,研究抚育间伐对9a生柳杉人工林生态效益的影响,利用层次分析法和熵权法对生态效益各指标进行评价。研究表明,间伐5年后,柳杉林分特征因子能得到显著改善,林分的胸径和树高年生长量、单株材积和林分蓄积年增长量间伐与对照均有显著差异,其中T3得分最高。同时,间伐促进了林下植被的生长,5年后,间伐样地林下植被多样性各指标相比对照样地均有所提高,其中T3的物种丰富度、Shannon-Wiener 多样性指数、Simpson 生态优势度指数和 Pielou 均匀度指数与CK 均有显著性差异,得分最高。相比对照样地,间伐样地的土壤容重减小、土壤孔隙度和持水率均有所增长,土壤化学性质中土壤水解氮含量、速效钾含量均有提升,但有效磷含量有所降低；从整体来看,T2对土壤物理性质改善效果最佳,T1对土壤化学性质的改善效果最佳,两者土壤理化性质得分均较高。本次研究也发现,间伐相较于对照地表径流量均有所减少,其中T2,T3与CK在冲刷量、径流系数和径流量上均有显著差异,其中T2的得分最高。4种间伐强度的综合得分重度间伐和中度间伐较高,分别为71.6和70.2；其次为轻度间伐,得分为58.9；最低为对照样地,得分为28.8。可见,间伐可以提高柳杉人工林的生态效益,35%和50%的间伐强度效果最好。

4.2 讨论

国内许多学者从不同角度对抚育间伐成效进行过较多研究,麻秀新等[16]、刘仁东等[17]对柳杉人工林进行抚育间伐试验,发现间伐可以显著促进柳杉生长、增加林分蓄积量；在杉木抚育间伐的成效研究方面,研究的学者更多,王友良等[18]、张丹丹[19]认为抚育间伐可以提高土壤有机质和水解氮含量,赵苏亚等[20]、徐占勇等[21]认为抚育间伐可以增加林下植被多样性；张甜[22]、周晓光[23]通过对不同林分进行抚育间伐后认为,间伐可以从多方面改善生态效益。目前多数学者的研究与本次的试验结果较为一致,但对生态效益提升效果最佳的间伐强度,不同的研究有所不同,这可能是由于树种、立地环境、初始密度等方面的差异造成的。

对于处于生长旺期密度过大的森林,合理的抚育间伐能够提升森林的生态效益,这是许多研究者的共识。因为间伐可以调整林分结构,促进林木胸径与树高生长,增加林内大径级林木的比例[24]。通过间伐,林分郁闭度降低,林窗打开后,林内光照增加,有利于林下植物的生长,林内光照增加不仅为多种植物生长创造了条件,同时可以提高土壤温度,促进土壤内的微生物活动,加速枯落物分解,从而改善土壤的理化性质[25]。林内植物的生长、枯落物的增加和土壤理化性质的改善还可以提高林地的水文效应,例如,地表溅蚀减少、地表径流降低、水源涵养增强等[26]。川西高海拔山区是典型的生态脆弱区[27],柳杉人工林的存量较大,森林质量不高,抚育间伐作为提升森林质量的关键举措,在该地区显得尤其重要。本研究表明,中度间伐和重度间伐对提高柳杉人工林的生态效益效果较好,但由于研究区的生态系统具有一定脆弱性,部分试验数据也表明,重度间伐可能导致土壤理化性质变差、水土流失短期内增加,间伐强度过大有可能对林内原有耐阴植物生长不利。因此,在对高海拔柳杉人工林进行抚育间伐时,在中度间伐和重度间伐的效果总体上接近的情况下,宜尽量采用中度间伐,即9a生柳杉人工林间伐后保留密度1 750/hm2株左右。

本研究从林分特征因子、林下植被多样性、地表径流和土壤理化性质等4个方面评价了抚育间伐对生态效益的影响,森林的生态效益还包括净化空气、固碳释氧等方面,今后还可以进一步拓宽研究的内容。同时,人工林抚育间伐效果是具有时间效应的,适宜的间伐间隔期也是一个需要研究的问题。本研究的观测年限为5年,对于抚育间伐对森林生态效益的长期影响还需要进行持之以恒的定位观测。