丁 磊 胡萬良 丁國(guó)泉 金 鑫
(遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所,丹東,118002)
遼寧省現(xiàn)有天然次生林171.86萬hm2,占林地總面積的53.28%,其中90%分布在東部地區(qū),這些森林是中部城市群、遼河平原的綠色屏障和重要水源基地,又是保護(hù)本區(qū)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要資源,發(fā)揮著不可替代的重要作用[1]。遼東森林曾遭到幾次大規(guī)模的破壞,在劇烈的人為干擾下,使闊葉紅松林這一穩(wěn)定的頂極森林生態(tài)系統(tǒng)失去了平衡,產(chǎn)生了逆行演替,形成了目前的低質(zhì)、低效天然次生林。
起源于德國(guó)的近自然森林經(jīng)營(yíng),在尊重自然的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)與自然通力合作。作為兼顧森林的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益為一體的森林經(jīng)營(yíng)方式,是天然次生林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的一種可行性營(yíng)林模式。近年來,近自然森林經(jīng)營(yíng)的思想正在逐步滲入到次生林的恢復(fù)和經(jīng)營(yíng)中。彭舜磊[2]選擇秦嶺火地塘林區(qū)7個(gè)森林類型,在樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上,基于敏感性分析,選擇17個(gè)反映森林類型特征的指標(biāo),運(yùn)用層次分析法建立了秦嶺主要森林類型近自然度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并針對(duì)不同森林類型的近自然度提出了相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)措施。孟京輝[3]對(duì)海南省不同演替階段的兩類退化天然次生林林分結(jié)構(gòu)及更新能力進(jìn)行了對(duì)比分析,并以近自然森林經(jīng)營(yíng)思想為依據(jù),制定了森林發(fā)展類型。畢剛?cè)铮?]選取直徑結(jié)構(gòu)、生物多樣性、天然更新和演替階段等參數(shù),對(duì)遼東山區(qū)柞樹次生林進(jìn)行了近自然度的計(jì)算與評(píng)價(jià),提出了基于不同近自然度等級(jí)的林分改造型、撫育間伐型、采伐更新型、改造防護(hù)型4種經(jīng)營(yíng)對(duì)策。筆者以遼東山區(qū)20年生楊樺林為研究對(duì)象,采用3種近自然經(jīng)營(yíng)措施及1種皆伐改造措施,根據(jù)試驗(yàn)地近40 a的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)改造后的林分結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量進(jìn)行分析,為遼東山區(qū)天然次生林的恢復(fù)提供借鑒。
試驗(yàn)區(qū)地處遼寧省桓仁縣八里甸子鎮(zhèn)大南溝村尹家大坡,位于北緯 41°13'~41°14',東經(jīng) 124°51'~124°52',海拔高550 m。年平均氣溫4.6℃,年降水量900 mm,年蒸發(fā)量900~1 000 mm,全區(qū)≥10℃的年積溫在3 000℃左右,無霜期120 d,土壤為暗棕色森林土,土層厚20~40 cm。伐前是以山楊(Populus davidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主的低產(chǎn)雜木林,伐前林分因子及立地條件見表1。
表1 試驗(yàn)林分作業(yè)前林分因子及立地條件
根據(jù)近自然森林經(jīng)營(yíng)的方法和原則,首先確定該地區(qū)的潛在森林植被,以便確定恢復(fù)目標(biāo)。潛在植被作為一種與所處立地達(dá)到平衡的演替終態(tài),反映的是無人類干擾情況下立地所能發(fā)育形成的最穩(wěn)定的一種頂極植被類型,是一個(gè)地區(qū)現(xiàn)有植被的發(fā)展趨勢(shì)。遼東山區(qū)植被類型屬于長(zhǎng)白山植物區(qū)系,潛在森林植被為闊葉紅松林。森林植物成分具有明顯的長(zhǎng)白植物區(qū)系特征,如長(zhǎng)白植物區(qū)系的特征種紅松(Pinuskoraiensis),其它針葉樹種中的沙松(Abiesholophylla)、紫杉(Taxuscuspidata)等。因此,確定采取的近自然森林經(jīng)營(yíng)方法,是對(duì)林分進(jìn)行撫育改造或皆伐改造后引入紅松和沙松,并促進(jìn)林下珍貴闊葉樹種的天然更新,通過不斷的目標(biāo)樹作業(yè),加快林分向原生植被的演替。
試驗(yàn)中采用B、C、D 3種近自然森林經(jīng)營(yíng)方法,并設(shè)立A試驗(yàn)區(qū)為對(duì)照區(qū),具體如下。
尹Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)地為次生林撫育改造試驗(yàn)區(qū) 于1973年冬進(jìn)行撫育改造,伐后保留木200株·hm-2,胸徑4~18 cm。翌年春,在林冠下“見縫插針”人工栽植紅松3年生苗,栽植密度2 500~4 000株·hm-2,設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地1塊,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.1 hm2;栽后連續(xù)幼林撫育3 a,每年1次,在最后一次幼林撫育時(shí)保留有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和培育前途的闊葉幼樹。1981年對(duì)該林分進(jìn)行1次透光撫育,調(diào)整萌生闊葉幼樹與紅松的比例。1993年秋進(jìn)行1次上層撫育,伐除胸徑18 cm以上的闊葉樹,并對(duì)下層紅松進(jìn)行透光撫育,保留適宜針闊比,蓄積采伐強(qiáng)度為56.32%。2005年秋進(jìn)行1次撫育間伐,調(diào)整林分結(jié)構(gòu),保留適宜針闊比,蓄積采伐強(qiáng)度為30.94%,記為B。
尹Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)地為次生林撫育改造試驗(yàn)區(qū) 于1973年冬進(jìn)行撫育改造,伐后保留木320株·hm-2,胸徑4~18 cm。翌年春,在林冠下“見縫插針”人工栽植紅松3年生苗,栽植密度2 500~4 000株·hm-2,設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地1塊,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.1 hm2。栽后連續(xù)幼林撫育3 a,每年1次,在最后一次幼林撫育時(shí)保留有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和培育前途的闊葉幼樹。1981年對(duì)該林分進(jìn)行1次透光撫育,調(diào)整萌生闊葉幼樹與紅松比例。1993年秋進(jìn)行1次上層撫育,伐除胸徑18 cm以上的闊葉樹,并對(duì)下層紅松進(jìn)行透光撫育保留適宜針闊比,蓄積采伐強(qiáng)度為51.71%,記為 C。
尹Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)地為次生林皆伐改造試驗(yàn)區(qū) 1973年冬進(jìn)行全面采伐清場(chǎng),伐后營(yíng)造紅松(3年生苗),株行距1.5 m×2.0 m。造林當(dāng)年幼林撫育1次,全面割草清叢,連續(xù)3 a,在最后一次幼林撫育時(shí),保留有培育前途的萌生闊葉幼樹,設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地1塊,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.1 hm2。1981年對(duì)該林分進(jìn)行1次透光撫育,調(diào)整萌生闊葉幼樹與紅松比例。2005年秋撫育間伐1次,蓄積采伐強(qiáng)度為28.83%,調(diào)整林分結(jié)構(gòu),保留適宜針闊比,記為D。
尹Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)地為紅松純林試驗(yàn)區(qū) 設(shè)為對(duì)照區(qū),采伐與更新方法與尹Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)地相同,連續(xù)幼林撫育3次,每年1次,但在幼林撫育時(shí)一律不留萌生闊葉幼樹,設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)地1塊,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.066 7 hm2。2005年秋撫育間伐1次,蓄積采伐強(qiáng)度為24.65%,記為A。
定期(間隔3~5 a)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)胸徑3 cm以上所有喬木逐株實(shí)測(cè)胸徑,計(jì)算林分蓄積量、平均胸徑、密度、樹種組成等。
土壤理化性質(zhì)測(cè)定:2011年在每塊標(biāo)準(zhǔn)地以對(duì)角線方式進(jìn)行土壤取樣,將土層厚度(H)分為0<H≤10 cm和10 cm<H≤20 cm,取5個(gè)點(diǎn)。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度、毛管孔隙度、最大持水量等指標(biāo)[5]。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用重鉻酸鉀容量法——外加熱法。速效N質(zhì)量分?jǐn)?shù)用堿解擴(kuò)散法。速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法。速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)用醋酸氨浸提—火焰光度計(jì)法[6]。
3.1.1 近自然森林經(jīng)營(yíng)對(duì)林分平均胸徑的影響
由表2可知,由于采取不同的近自然森林經(jīng)營(yíng)措施,各試驗(yàn)區(qū)林分平均胸徑存在較大的差異。1993年林分間伐前,經(jīng)過20 a的生長(zhǎng),A試驗(yàn)區(qū)林分紅松平均胸徑最大,紅松長(zhǎng)勢(shì)良好;B試驗(yàn)區(qū)和C試驗(yàn)區(qū)闊葉樹平均胸徑比較高,但紅松平均胸徑低于A試驗(yàn)區(qū);C試驗(yàn)區(qū)紅松平均胸徑低于B試驗(yàn)區(qū)??梢?,1973年林分撫育改造時(shí),上層保留木過多,林冠下紅松生長(zhǎng)受到了影響。B試驗(yàn)區(qū)和C試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過1993年秋的上層撫育,林分狀況改善,闊葉樹和紅松長(zhǎng)勢(shì)良好,紅松長(zhǎng)勢(shì)加快。2005年林分間伐前,B試驗(yàn)區(qū)紅松平均胸徑略高于A試驗(yàn)區(qū),D試驗(yàn)區(qū)闊葉樹和紅松長(zhǎng)勢(shì)也很好,D試驗(yàn)區(qū)紅松平均胸徑略低于A試驗(yàn)區(qū),C試驗(yàn)區(qū)紅松平均胸徑最低。2011年A試驗(yàn)區(qū)紅松林分平均胸徑最大,B試驗(yàn)區(qū)紅松平均胸徑高于A試驗(yàn)區(qū),D試驗(yàn)區(qū)次之,C試驗(yàn)區(qū)最低;2011年B試驗(yàn)區(qū)闊葉樹平均胸徑最大,D試驗(yàn)區(qū)次之,C試驗(yàn)區(qū)最低。1993年以后,C試驗(yàn)區(qū)由于未進(jìn)行撫育,林木生長(zhǎng)環(huán)境得不到改善,闊葉樹和紅松長(zhǎng)勢(shì)不良,闊葉樹和紅松平均胸徑都比較低。2005年秋,A、B、D試驗(yàn)區(qū)都進(jìn)行了撫育間伐,由于林分狀況得到了改善,林木長(zhǎng)勢(shì)良好。通過近40 a的觀測(cè),次生林近自然森林經(jīng)營(yíng)的林分中,紅松平均胸徑與紅松純林平均胸徑相差無幾,并且同時(shí)可以獲得大徑級(jí)闊葉材,B試驗(yàn)區(qū)效果最好,D試驗(yàn)區(qū)次之。
3.1.2 近自然森林經(jīng)營(yíng)對(duì)林分樹種組成的影響
由表2可知,雖然經(jīng)過1973年秋的撫育改造,但到1993年林分間伐前,B、C試驗(yàn)區(qū)的白樺和山楊仍然占很大比例:C試驗(yàn)區(qū)為40%,B試驗(yàn)區(qū)達(dá)到50%。經(jīng)過1993年的上層撫育,B、C試驗(yàn)區(qū)白樺和山楊所占比例都下降到10%。B試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過2005年秋的間伐,白樺和山楊所剩無幾。C試驗(yàn)區(qū)由于1993年秋以后未進(jìn)行任何撫育間伐,白樺作為先鋒樹種又快速侵入林地中,2011年達(dá)到20%。在遼東山區(qū),白樺和山楊屬于軟闊葉樹,遼東山區(qū)次生林演替順序?yàn)椋洪熑~紅松林軟闊葉林→硬闊葉林→針闊混交林。對(duì)次生林進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng)過程中,白樺和山楊不建議過多保留。通過對(duì)試驗(yàn)林分近40a的近自然森林經(jīng)營(yíng),白樺和山楊逐年減少,刺楸、水曲柳、核桃楸和蒙古櫟等珍貴闊葉樹種逐年增多。林分現(xiàn)在已經(jīng)演替為針闊混交林。可見,對(duì)次生林進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng)改善了林分的樹種組成,加快了林分向原生植被——闊葉紅松林的演替。
表2 不同近自然森林經(jīng)營(yíng)方式林分歷年生長(zhǎng)情況
3.1.3 近自然森林經(jīng)營(yíng)對(duì)林分蓄積量的影響
由表2、表3可知,由于采取不同近自然森林經(jīng)營(yíng)措施,各試驗(yàn)區(qū)林分蓄積量存在較大的差異。1993年林分間伐前,B區(qū)林分蓄積量最高,為78.913 7 m3·hm-2,A區(qū)次之,C區(qū)最少。2005年林分間伐前,A 區(qū)林分蓄積量最高,為 196.153 4 m3·hm-2,B區(qū)次之,D區(qū)最少。B區(qū)經(jīng)過1993年秋的上層撫育,林分蓄積量比A區(qū)低了17.38%。2011年,A區(qū)林分蓄積量最高,為203.255 3 m3·hm-2,其次是B區(qū),D區(qū)最小,B區(qū)林分蓄積量?jī)H比A區(qū)低1.05%;C區(qū)闊葉樹蓄積量高于B試驗(yàn)區(qū),但C區(qū)紅松蓄積量明顯低于B區(qū)??梢?,B區(qū)經(jīng)過2005年秋的撫育間伐,雖然伐掉了很多闊葉樹,使其蓄積量有所下降,但林分狀況得到了明顯改善,林分蓄積生長(zhǎng)率明顯提高。經(jīng)過近40 a的觀測(cè)可見,對(duì)次生林進(jìn)行撫育改造、人工誘導(dǎo)形成闊葉紅松林這種近自然森林經(jīng)營(yíng)方式(B區(qū)),林分的蓄積量并不會(huì)明顯低于紅松純林,并且可以同時(shí)收獲大徑級(jí)闊葉材。
由表3看出,2011年B區(qū)林分總蓄積量最高,為 315.470 0 m3·hm-2,其次是 A 區(qū)為 275.639 0 m3·hm-2,D區(qū)最小。B區(qū)比A區(qū)提高了14.45%。C試驗(yàn)區(qū)于1993年秋進(jìn)行了1次撫育間伐,此后未進(jìn)行撫育間伐。B試驗(yàn)區(qū)于1993年秋和2005年秋進(jìn)行了兩次撫育間伐,及時(shí)利用了大量的間伐木,林分狀況得到了改善,林分總蓄積量比C區(qū)提高50.56%,林分平均胸徑提高了34.90%。C區(qū)由于保留密度過大,林木長(zhǎng)勢(shì)不良,自然稀疏嚴(yán)重,2005年至2011年共減少了420棵樹,可見C區(qū)亟須撫育間伐,以改善林木生長(zhǎng)環(huán)境,促進(jìn)林木的生長(zhǎng)。2011年B區(qū)林分中闊葉樹總蓄積量最高。綜合考慮林分紅松和闊葉樹的蓄積量與總蓄積量,B區(qū)最好,而且林分質(zhì)量最高。
表3 不同近自然森林經(jīng)營(yíng)方式林分歷年采伐蓄積量及總收獲量
土壤密度:土壤密度是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo),也是表征土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。由表4可知:0~10 cm土層土壤密度由小到大依次為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū),其中B區(qū)比A區(qū)降低了17.08%;10~20 cm土層土壤密度由小到大依次為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū)。
土壤孔隙度:土壤孔隙是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫和活動(dòng)場(chǎng)地,其數(shù)量及其分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ),也是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)。由表4可知:0~10 cm土層土壤總孔隙度由大到小依次為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū);10~20 cm土層土壤由大到小依次為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū)。
土壤持水量:林地土壤持水量是反映森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標(biāo)之一。土壤的蓄水能力常以土壤的飽和持水量(最大持水量)為表征。由表4可知:0~10 cm土層土壤最大持水量由大到小依次為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū),其中B區(qū)比A區(qū)提高了8.68%;10~20 cm土層土壤由大到小依次為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū)。與B區(qū)相比,C區(qū)只于1993年秋進(jìn)行過一次上層撫育,以后未進(jìn)行過撫育間伐,因此,土壤物理性質(zhì)較差。對(duì)林分進(jìn)行不同方式的近自然森林經(jīng)營(yíng),均能改善土壤的物理性質(zhì),提高土壤水源涵養(yǎng)能力。其中B區(qū)效果最好。
表4 不同近自然森林經(jīng)營(yíng)方式土壤的物理性質(zhì)
土壤pH值:土壤pH值是土壤化學(xué)性質(zhì)中的重要指標(biāo)之一,它直接影響植物的生長(zhǎng)、微生物的活動(dòng)以及土壤的其他性質(zhì)與肥力狀況。由表5可知:與A區(qū)相比,B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的pH值均有一定的提高。其中:0~10 cm土層由大到小為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū),提高幅度在8.73%~15.50%;10~20 cm土層由大到小為C區(qū)、B區(qū)、D區(qū)和A區(qū)??梢?,對(duì)林分進(jìn)行不同方式的近自然森林經(jīng)營(yíng),均可增加土壤的通氣性,從而提高土壤的pH值,有利于土壤養(yǎng)分的利用。
土壤有機(jī)質(zhì):在森林生態(tài)系統(tǒng)中,凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源。由于森林地被層凋落物分解所形成的有機(jī)物首先進(jìn)入土壤表層,從而使表層土壤(0~10 cm)的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于深層土壤(表5)。與A區(qū)相比,B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有一定的提高。其中:0~10 cm土層由大到小依次為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū);10~20 cm土層由大到小為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū)??梢姡瑢?duì)林分進(jìn)行不同方式的近自然森林經(jīng)營(yíng),均有利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成和積累,有利于提高林地的肥力。
表5 不同近自然森林經(jīng)營(yíng)方式土壤的化學(xué)性質(zhì)
土壤速效氮:土壤速效氮是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必須營(yíng)養(yǎng)元素之一。由表5可知,與A區(qū)相比,B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)土壤的速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所提高,其中D區(qū)提高幅度最大,0~10 cm土層提高了67.72%。
土壤速效磷:土壤速效磷是構(gòu)成植物體多種有機(jī)化合物的重要元素,在植物新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)品質(zhì)量等方面都有十分重要的作用。由表5可知,土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū)。其中B區(qū)0~10 cm土層速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比A區(qū)提高了40.01%。
土壤速效鉀:土壤速效鉀是土壤重要的理化指標(biāo),也是植物吸收量最多的營(yíng)養(yǎng)元素之一。由表5可知:0~10 cm土層土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為B區(qū)、D區(qū)、C區(qū)和A區(qū),其中B區(qū)比A區(qū)提高了66.07%;10~20 cm土層由大到小為B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)和A區(qū)。
從分析中可以看出,對(duì)次生林進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng)(無論是撫育改造還是皆伐改造),林分中土壤的肥力均高于紅松純林。其中,撫育改造、冠下引進(jìn)紅松并適時(shí)進(jìn)行撫育間伐的試驗(yàn)區(qū)(B區(qū)),土壤肥力最高。
對(duì)次生林進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng)后,林分長(zhǎng)勢(shì)良好。2011年B區(qū)林分中紅松的平均胸徑略低于紅松純林,但可以同時(shí)獲得大徑級(jí)闊葉材,效果最好。2011年B區(qū)林分總蓄積量最大,D區(qū)次之。進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng)的林分土壤質(zhì)量有所改善,B區(qū)土壤質(zhì)量最好。可見,對(duì)次生林進(jìn)行近自然森林經(jīng)營(yíng),能改善林分的質(zhì)量,有利于形成異齡復(fù)層的林分結(jié)構(gòu),提高了林分的蓄積量并改善了土壤質(zhì)量。綜合考慮,在遼東山區(qū)3種近自然森林經(jīng)營(yíng)方法中,對(duì)次生林進(jìn)行撫育改造并在林下引進(jìn)紅松,以及適時(shí)地進(jìn)行撫育間伐(B區(qū))的效果最好。A區(qū)為紅松純林,林分結(jié)構(gòu)單一、生物多樣性低。因此,對(duì)遼東山區(qū)低質(zhì)、低效次生林進(jìn)行改造時(shí),不建議營(yíng)造紅松純林。
遼東山區(qū)現(xiàn)有次生林大多已偏離闊葉紅松林的組成和結(jié)構(gòu)特征,原生群落的主要優(yōu)勢(shì)樹種的種源缺乏,如果靠自然演替,在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不可能恢復(fù)成原生群落。由于現(xiàn)有天然次生林仍保持地帶性森林植被,即闊葉紅松林的某些特征,根據(jù)近自然森林經(jīng)營(yíng)的方法和原則,以現(xiàn)有植被為主體,引進(jìn)原有而現(xiàn)在已經(jīng)失去的珍貴針葉樹種紅松、沙松等,同時(shí)將林冠下萌生的珍貴闊葉幼樹作為潛在的目標(biāo)樹加以保護(hù)和培育,通過不斷的目標(biāo)樹作業(yè),會(huì)加速林分向潛在植被——闊葉紅松林的進(jìn)展演替。
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