森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究進(jìn)展

梁 燕，葛忠強(qiáng)，馬安寶，杜振宇，王清華

(山東林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014)

森林生態(tài)系統(tǒng)是由森林及其周圍環(huán)境和附屬物構(gòu)成的，具有涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保育土壤、調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等作用。改革開放初期，由于人口增長(zhǎng)過快，林地被過度開發(fā)，導(dǎo)致許多天然林遭受毀滅，草原荒漠化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。近年來(lái)，通過大面積人工造林，不斷加強(qiáng)保護(hù)等措施，森林面積得到恢復(fù)。根據(jù)國(guó)家林業(yè)局發(fā)布數(shù)據(jù)，2016年我國(guó)森林面積已達(dá)2.08×108hm2，森林覆蓋率達(dá)21.66%，森林蓄積量為151.37×108m3.人工林保存面積已達(dá)0.69×108hm2，居全球第一。森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為衡量生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能最重要的特性。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念

不同的學(xué)者根據(jù)研究對(duì)象總結(jié)出了不同的森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念。1955年，MacArthur首次提出了群落穩(wěn)定性概念，即一個(gè)群落內(nèi)種類組成和種群大小保持恒定不變，Eiton(1958)也提出了類似的觀點(diǎn)。Pimm(1991)總結(jié)出了45種不同的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性含義。根據(jù)Volker(1997)統(tǒng)計(jì)，穩(wěn)定性有163個(gè)相關(guān)定義和70個(gè)不同的概念，他認(rèn)為穩(wěn)定性不能直接定義，只能通過其它概念來(lái)表示。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般內(nèi)涵包括：抵抗力(resistance)，生態(tài)系統(tǒng)在達(dá)到演替頂級(jí)后，能夠自我更新和維持，當(dāng)面對(duì)外來(lái)干擾時(shí)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部在一定程度上能夠自我調(diào)節(jié)；恢復(fù)力(resilience)，指生態(tài)系統(tǒng)在遭到外界干擾破壞后恢復(fù)到原狀的能力；持久性(persist-ence)，指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能長(zhǎng)期保持在較高水平；變異性(variability)，指森林生態(tài)系統(tǒng)受到自然或人為干擾后，功能和結(jié)構(gòu)波動(dòng)較小，很快能夠重新平衡。

2 天然林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

M Godron穩(wěn)定性測(cè)定方法，其主要研究對(duì)象為植物群落種類的數(shù)量和頻度，利用數(shù)學(xué)方法得出散點(diǎn)圖，運(yùn)算得出結(jié)果。鄭元潤(rùn)總結(jié)提出了演替與比較相結(jié)合的方法，主要研究種群比例。此外，Macarthur(1955)用Shannon-Weaver指數(shù)來(lái)描述營(yíng)養(yǎng)水平多樣性作為穩(wěn)定性的度量。岳天祥、馬世俊(1991)將熱力學(xué)穩(wěn)定性理論應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)的研究，為穩(wěn)定性的研究提供了一條新的途徑。吳作明(2000)等用光譜分析法研究了栓皮櫟種群動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。韓洪凌(2006)對(duì)瑪納斯流域進(jìn)行了調(diào)查分析，提出干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，體系中包括自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)多方面指標(biāo)，從水土保持、環(huán)境保護(hù)、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)等多角度分析，通過專家打分和實(shí)際情況相結(jié)合的方法確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，全面評(píng)價(jià)了瑪納斯河流域的生態(tài)系統(tǒng)平衡狀況。此方法也為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供了一個(gè)方向。

3 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

3.1 人工林自身特性與穩(wěn)定性

人工林是人為營(yíng)造的森林，在長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)中會(huì)受到較大干擾。人工林生態(tài)系統(tǒng)的主要干擾包括人的活動(dòng)和自然干擾，可以說人工林生態(tài)系統(tǒng)是在人為干預(yù)下形成的，所以人的干擾程度遠(yuǎn)大于自然干擾。干擾分為正面影響和負(fù)面干擾，常見的人為負(fù)面干擾有毀林、放牧、工業(yè)污染、檢疫不完全等。森林的恢復(fù)力與干擾的形式、強(qiáng)度相關(guān)，皆伐將損失80%～90%的生物量，林地環(huán)境會(huì)發(fā)生顯著退化，水分養(yǎng)分功能喪失1/2.相比較而言，擇伐影響較小。傅伯杰[10]認(rèn)為適度的人為干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有一定的積極作用。盛連喜[11]在環(huán)境生態(tài)學(xué)中也提出，適度的自然干擾是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的重要因子。

人工林生態(tài)系統(tǒng)形成時(shí)間短、單作、結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致穩(wěn)定性相對(duì)脆弱。盛煒彤(2001)[12]提出不穩(wěn)定人工林抵抗力差、病蟲害、地力衰退，同時(shí)提出立地與樹種、品種相匹配、改善造林技術(shù)、進(jìn)行科學(xué)的植被管理、景觀配置適宜、控制林分的遺傳成分、采取合理的收獲作業(yè)及控制病蟲7種人工林撫育措施。劉增文等(2006)[13]對(duì)刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、興安落葉松(Larixgmelinii)和杉(Cunninghamialanceolata)4種人工林進(jìn)行了典型分析，提出進(jìn)行生物地球化學(xué)分類是研究功能穩(wěn)定性的重要途徑。

在我國(guó)人工林中，純林占86.8%，混交林占13.2%；喬木林占64.84%，經(jīng)濟(jì)林占31.59%，竹林占3.57%[14]].人工林純林居多，結(jié)構(gòu)單一，大面積成片栽植，造成自然更新緩慢、土壤灰化、地力下降等問題，保持其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定復(fù)雜性困難。尤文忠(2007)[15]等對(duì)遼西地區(qū)水土保持林研究后得出，穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)應(yīng)抵抗性良好、恢復(fù)性良好、生長(zhǎng)發(fā)育狀況良好、自我更新能力良好、與周圍環(huán)境的協(xié)同性良好，具體措施為人工誘導(dǎo)和近自然經(jīng)營(yíng)。

3.2 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法

人工林生態(tài)系統(tǒng)研究主要有2類基本方法。一類是利用研究者的經(jīng)驗(yàn)，選擇一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行野外調(diào)查，得到數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法、調(diào)查問卷、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析，構(gòu)造出穩(wěn)定性指標(biāo)體系，并對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。另一類是構(gòu)建反映真實(shí)生態(tài)系統(tǒng)特征的數(shù)學(xué)模型，如利用微分方程模型、食物網(wǎng)模型等，求出系統(tǒng)的平衡點(diǎn)來(lái)分析群落[16]。馮耀宗通過長(zhǎng)期研究人工群落的種類和穩(wěn)定性來(lái)反映人工雨林生態(tài)系統(tǒng)[17]，張真等研究了昆蟲物種、種群對(duì)人工林穩(wěn)定性的影響[18]，王豁然認(rèn)為可通過遺傳材料、栽培措施和立地環(huán)境來(lái)闡述人工林的穩(wěn)定性[18]?；煦绾头中蔚难芯糠椒ㄔ?0世紀(jì)60年代和70年代分別被用于種群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和土地生態(tài)研究[20,21]，但此方法在實(shí)際操作中存在一定困難，應(yīng)用較少。

3.3 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)

人工林分為公益林和商品林，公益林根據(jù)營(yíng)造目標(biāo)分為水源涵養(yǎng)林、水土保持林、防風(fēng)固沙林、護(hù)岸林等。人工林的經(jīng)營(yíng)目的不同選擇的指標(biāo)也不同。人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的首要指標(biāo)為立地因子和生長(zhǎng)情況，即造林樹種與立地條件是否相適應(yīng)，及人工林對(duì)不良環(huán)境的抵抗力和恢復(fù)力，包括人為干擾、自然干擾、極端氣候、病蟲害、外來(lái)物種等指標(biāo)。人工林結(jié)構(gòu)指標(biāo)一般是指生物多樣性、目標(biāo)樹種的穩(wěn)定性、優(yōu)勢(shì)群種和建群種的穩(wěn)定性；功能指標(biāo)一般指生物量和生產(chǎn)力指標(biāo)。穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能指標(biāo)均應(yīng)保持在一個(gè)較高水平，波動(dòng)較小。馬興洲(1986)[22]對(duì)遼西地區(qū)刺槐人工林進(jìn)行調(diào)查時(shí)，選取保存率、干梢率和林相不齊等作為衡量刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)，在對(duì)刺槐人工林評(píng)價(jià)后，得出土壤質(zhì)地和坡位2個(gè)因子對(duì)刺槐人工林的穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用。曾德慧等(1996)[23]對(duì)章古臺(tái)和紅花爾基沙地的樟子松人工固沙林穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并重新定義人工林的穩(wěn)定性：在一個(gè)世代的時(shí)間跨度內(nèi)，在一定立地條件下，一定大小面積的林分能夠完成其生命周期，并提供相應(yīng)的凈初級(jí)生產(chǎn)量的能力。馮耀宗(2002)[24]依據(jù)經(jīng)驗(yàn)將人工生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)分級(jí)，1級(jí)指標(biāo)必須通過下屬的2級(jí)及3級(jí)指標(biāo)的平均值獲得，建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)后，綜合評(píng)定其穩(wěn)定程度。

林考煥(2009)[25]以福建省沿海地區(qū)的木麻黃人工林和潺槁樹次生林為研究對(duì)象，選取生態(tài)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、物種多樣性、抗逆性指數(shù)、病蟲害狀況、自我更新能力、系統(tǒng)生產(chǎn)力、郁閉度、土壤恢復(fù)程度等作為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。邢存旺(2014)[26]對(duì)黃羊?yàn)┤斯す躺沉值纳鷳B(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了以林分的生物學(xué)、抵抗力和功能3方面穩(wěn)定性要素為框架，以林木保存率、年均生長(zhǎng)量、自然更新能力、防護(hù)期、林分抗旱性、林地輸沙率、土壤黏粒含量、土壤干旱指數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)、氣溫日較差、空氣相對(duì)濕度、物種多樣性指數(shù)12項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，對(duì)不同穩(wěn)定狀態(tài)的林分類型提出經(jīng)營(yíng)對(duì)策。陳穎(2015)[27]構(gòu)建的群落穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括土壤理化性質(zhì)、林木生長(zhǎng)狀況和林下草本植物多樣性(Margalef豐富度指數(shù)、Richness豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù))3個(gè)方面12項(xiàng)指標(biāo)，可為冀北地區(qū)營(yíng)造穩(wěn)定性高、防護(hù)功能強(qiáng)、短期與長(zhǎng)期效益兼顧的防風(fēng)固沙林提供建議。

4 討論

專家學(xué)者在人工林穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究中一般根據(jù)某一區(qū)域空間的目標(biāo)樹種，研究特定的穩(wěn)定性指標(biāo)，最后總結(jié)出這一區(qū)域的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。綜合大量的文獻(xiàn)可知指標(biāo)因子的調(diào)查不能僅僅是某一時(shí)段的靜態(tài)研究，因?yàn)殪o態(tài)研究不能全面揭示森林的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和趨勢(shì)。人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究需要對(duì)一定時(shí)間跨度內(nèi)，特定空間的特定目標(biāo)樹種(純林、混交林)進(jìn)行研究，長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，綜合評(píng)價(jià)。

不管是自然林還是人工林的生態(tài)系統(tǒng)研究，仍屬于理論準(zhǔn)備階段。生態(tài)系統(tǒng)需要長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在的研究大多只集中在某一方面，綜合生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多方面的研究較少。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定涉及因子眾多，各指標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜，需要多角度考慮。森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，對(duì)森林多種功能最大化、保持森林生態(tài)穩(wěn)定、保護(hù)生物多樣性、預(yù)防遏制森林病蟲害、防止地力退化，讓森林擁有更大生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。