遼東地區(qū)刺槐撫育間伐對(duì)林分生態(tài)環(huán)境的影響

卜軍(遼寧省林業(yè)基金管理總站,遼寧 沈陽 110000)

1 試驗(yàn)地區(qū)自然概況

遼寧東部山區(qū)地理坐標(biāo)為124°59′—125°18′ E，41°51′—42°00′ N。地處長(zhǎng)白山脈龍崗支脈，一般山峰海拔600～900 m，相對(duì)高度200～500 m，一般坡度在10～25°，屬遼寧東部中低山地。氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)性氣候，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季炎熱而多雨，年平均氣溫4.2 ℃，年最低氣溫在1月，年最高氣溫在7月，極端最高氣溫為35.8 ℃，極端最低氣溫為-41.5 ℃，≥5 ℃積溫值為3 005.7～3 203.6 ℃，≥10 ℃積溫值2 498.4～2 877.3 ℃，無霜期120～125 d。年降水量714.2～1 025.3 mm，雨量多集中在每年的7—8月，日降雨量最大為218.5 mm，年蒸發(fā)量925～1 284.1 mm。境內(nèi)地車溝滾馬嶺下為渾河發(fā)源地，水系分為兩條支流。一條是由滾馬嶺西側(cè)發(fā)源的灣甸子支流，另一條是從潘家店旗盤嶺西部發(fā)源的大廟支流，全長(zhǎng)22.5 km流經(jīng)大廟實(shí)驗(yàn)區(qū)，集水面積1 710 hm2，年集水量1 367萬m3。場(chǎng)內(nèi)土壤分為暗棕壤、草甸土、沼澤土。屬長(zhǎng)白植物區(qū)系，有植被類型22個(gè)，有植物114科418屬1 139種。主要針葉喬木樹種有長(zhǎng)白落葉松、日本落葉松、紅皮云杉、魚鱗云杉、沙冷杉、油松、赤松等；主要闊葉樹種有遼東櫟、蒙古櫟、水曲柳、花曲柳、黃波欏、春榆、裂葉榆、色木槭、五角楓、白樺、山楊等；主要灌木有胡枝子、忍冬、衛(wèi)矛、鼠李、榛子等。

試驗(yàn)地位于撫順市清原縣南口前鎮(zhèn)海陽村海陽工區(qū)的固定標(biāo)準(zhǔn)地，包括將未間伐的林分作為對(duì)照區(qū)，保留株數(shù)是1 440株hm-2；弱度間伐區(qū)按照株數(shù)強(qiáng)度15%，保留株數(shù)是1 230株hm-2；中度間伐區(qū)按照株數(shù)強(qiáng)度31%，保留株數(shù)990株hm-2；強(qiáng)度間伐區(qū)按照株數(shù)強(qiáng)度37.5%，保留株數(shù)是900株hm-2。計(jì)4塊標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地面積分別為851 m2、856 m2、829 m2及822 m2，其林分調(diào)查因子見表1。

表1 刺槐林林分調(diào)查因子

2 試驗(yàn)方法

2.1 不同的撫育間伐強(qiáng)度林分土壤養(yǎng)分調(diào)查

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤0～10 cm和10～20 cm處的土壤飽和含水量、土壤容重、土壤總孔隙度和田間持水量。每個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)地5個(gè)重復(fù)。稱取環(huán)刀質(zhì)量(M0)，沿土壤的剖面，環(huán)刀托放在環(huán)刀上，把環(huán)刀按到土里，直到環(huán)刀筒充滿樣品為止，用鐵鏟除去其他土壤，取出環(huán)刀將刀外多余的土去掉，使環(huán)刀內(nèi)的土壤體積和環(huán)刀體積保持相等，把環(huán)刀兩側(cè)封閉，立即稱質(zhì)量(M1)，天平精度保證在0.01 g，環(huán)刀每層取一個(gè)土樣。

把放原狀土的環(huán)刀蓋上底蓋，把環(huán)刀放入水中，保持環(huán)刀口與水面齊平，但不能使水浸入環(huán)刀的頂端，以免出現(xiàn)封閉孔隙影響結(jié)果。水分通過底部的空隙和濾紙沿土壤孔隙上升。把環(huán)刀取出后，擦干環(huán)刀外部，放如已經(jīng)稱取重量的器皿中，然后連同器皿放在電子秤上，準(zhǔn)確至0.01 g，把環(huán)刀放回原處，繼續(xù)吸水待飽和再次量重，循環(huán)操作，直到恒質(zhì)量M2。測(cè)定飽和含水量，重復(fù)3次。再將測(cè)定過的土壤飽和含水量的環(huán)刀底蓋去掉，放在平鋪于瓷盤的干土內(nèi)至恒質(zhì)量，蓋底蓋后稱質(zhì)量(M3)。將帶土的環(huán)刀放進(jìn)烘箱，在105 ℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，取出后再次稱質(zhì)量(M)。

2.2 枯枝落葉和養(yǎng)分的測(cè)定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)布設(shè)3個(gè)1 m×1 m的小樣方，測(cè)量枯枝落葉的重量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)枯枝落葉的蓄積量，取樣帶回實(shí)驗(yàn)室做物理、化學(xué)性質(zhì)分析。春季在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)立凋落物收集器，收集枯枝落葉，測(cè)量年凋落量。在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)模擬自然狀態(tài)(平放在固定標(biāo)準(zhǔn)地凋落物層中，底部應(yīng)接觸土壤A層)隨機(jī)埋設(shè)裝有當(dāng)年新鮮凋落物樣品的分解袋。每月中旬取出測(cè)量其重量，計(jì)算凋落物的分解速率。

全N含量：半微量開氏法

全P含量：硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法

全K含量：熱硝酸浸提-火焰光度計(jì)

2.3草本多樣性測(cè)定——香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Wiener Index)

在香農(nóng)-威納指數(shù)中，包含著兩個(gè)成分：①種數(shù)；②各種間個(gè)體分配的均勻性(evenness)。各種之間，個(gè)體分配越均勻，H值就越大。如果每一個(gè)體都屬于不同的種，多樣性指數(shù)就最大；如果每一個(gè)體都屬于同一種，則其多樣性指數(shù)就最小

式中：Pi-第i種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例；H-物種多樣性

2.4 透光系數(shù)測(cè)定

透光系數(shù)即林冠透光面積與林地面積之比。采用投影法計(jì)算林冠透光面積，此方法計(jì)算所得的透光系數(shù)即為直射光透光系數(shù)。

2.5 評(píng)價(jià)分析方法

本文運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論和主成分分析相結(jié)合的方法對(duì)間伐的效益開展綜合評(píng)價(jià)。

灰色系統(tǒng)理論是根據(jù)分析和確定因素間的相互影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)程度而進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種分析方法，根據(jù)因素之間的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析總結(jié)各指標(biāo)間的關(guān)系。主成份分析的基本思想就是按照降維的思想用少數(shù)的綜合指標(biāo)替代多個(gè)可測(cè)變量，所得的綜合指標(biāo)為原來變量的線性組合。

刺槐林通過選取株數(shù)、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、年凋落量作為綜合評(píng)價(jià)森林生態(tài)效應(yīng)的指標(biāo)，開展主成分分析和關(guān)聯(lián)度分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐伐強(qiáng)度對(duì)林下土壤物理性質(zhì)的影響

在撫育間伐后，因林分密度降低導(dǎo)致林下生物量增加，林下植被量的增加導(dǎo)致土壤中的根系增加，林下草灌根系大多集中在0～10 cm的土層內(nèi)，致使林下土壤0～10 cm層土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、總孔隙度上升。由表2可知，在不同間伐強(qiáng)度刺槐林內(nèi)土壤容重方面，弱度間伐區(qū)和中度間伐區(qū)比對(duì)照區(qū)要低，而強(qiáng)度間伐區(qū)比對(duì)照區(qū)要高。在毛管空隙度、最大持水量、總孔隙度方面，弱度間伐區(qū)和中度間伐區(qū)比對(duì)照區(qū)高，而強(qiáng)度間伐區(qū)比對(duì)照區(qū)低，最大持水量和總孔隙度是中度區(qū)最高，毛管空隙度是弱度區(qū)最高?？梢娭卸葏^(qū)土壤物理指標(biāo)優(yōu)于強(qiáng)度區(qū)和弱度區(qū)。

表2 不同間伐強(qiáng)度刺槐林內(nèi)土壤物理性質(zhì)

3.2 不同間伐強(qiáng)度對(duì)林內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

表3 不同間伐強(qiáng)度的刺槐林地土壤化學(xué)性質(zhì) gkg-1

表3 不同間伐強(qiáng)度的刺槐林地土壤化學(xué)性質(zhì) gkg-1

土(cm)全N全P全K速效N速效P速效K有機(jī)質(zhì)對(duì)照區(qū)0～103.1881.23419.6720.3400.0520.23683.24810～202.0580.94318.8930.1130.0310.07023.494弱度區(qū)0～104.6460.96823.7480.3930.0570.27487.54510～202.2000.86819.9530.1140.0350.10525.373中度區(qū)0～104.2161.12324.2410.3920.0630.36676.18710～202.1990.61718.6720.2150.0370.12226.153強(qiáng)度區(qū)0～103.3640.94920.2000.3110.0530.10262.71510～202.1190.79618.5500.1830.0400.04926.268

由表3可知，刺槐在不同間伐強(qiáng)度下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。在全氮含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層各間伐區(qū)的全氮含量均比對(duì)照區(qū)高。在全磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm各間伐區(qū)均比對(duì)照區(qū)低，0～10 cm強(qiáng)度區(qū)最低，10～20 cm中度區(qū)最低。在全鉀含量方面，0～10 cm土層各間伐區(qū)均比對(duì)照區(qū)高；10～20 cm土層弱度區(qū)含量比對(duì)照區(qū)高，中度區(qū)和強(qiáng)度區(qū)均比對(duì)照區(qū)低。在速效氮含量方面，0～10 cm土層強(qiáng)度間伐區(qū)比對(duì)照區(qū)低，弱度區(qū)和中度區(qū)均比對(duì)照區(qū)高，四區(qū)速效氮的含量相差不明顯；10～20 cm土層間伐區(qū)的含量均比對(duì)照區(qū)高。在速效磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層各間伐區(qū)速效磷含量均比對(duì)照區(qū)高，其中0～10 cm 中度區(qū)速效磷含量最大，10～20 cm強(qiáng)度區(qū)含量最大。在速效鉀含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層強(qiáng)度間伐區(qū)含量比對(duì)照區(qū)小，中度區(qū)和弱度區(qū)均比對(duì)照區(qū)高。在有機(jī)質(zhì)含量方面，0～10 cm土層只有弱度區(qū)比對(duì)照區(qū)高，但相差不明顯，中度區(qū)和強(qiáng)度區(qū)比對(duì)照區(qū)低；10～20 cm土層，有機(jī)質(zhì)含量各間伐區(qū)均比對(duì)照區(qū)大，但各區(qū)差別不明顯。這主要是由于間伐調(diào)整了林下植物的多樣性，誘發(fā)土壤微生物數(shù)量和種類的增加，導(dǎo)致土壤肥力提高，造成含量低于對(duì)照區(qū)。

3.3 不同間伐強(qiáng)度林分透光系數(shù)影響

林分通過撫育間伐降低了每公頃株數(shù)，郁閉度下降，林內(nèi)光照強(qiáng)度增加，進(jìn)而提高了散射光、反射光以及透過林冠葉子的透射光強(qiáng)度。

表4 林分不同間伐強(qiáng)度透光系數(shù)

由表4可知，刺槐林內(nèi)透光系數(shù)和間伐強(qiáng)度成正比。

3.4 不同間伐強(qiáng)度對(duì)林分溫度影響。

表5 林分不同間伐強(qiáng)度林內(nèi)溫度

由表5可知，刺槐林內(nèi)溫度從大到小依次是強(qiáng)度區(qū)、中度區(qū)、弱度區(qū)、對(duì)照區(qū)。間伐強(qiáng)度和林內(nèi)溫度的高低與林內(nèi)透光系數(shù)相同，并且各間伐強(qiáng)度溫度最大差值都在1～2 ℃。由此分析得出林內(nèi)溫度與林內(nèi)透光系數(shù)直接相關(guān)。

3.5 刺槐林間伐效益綜合分析

通過選取葉面積指數(shù)、平均胸徑、草本植物多樣性、間伐保留株數(shù)、透光系數(shù)、年凋落量、土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量作為綜合評(píng)價(jià)森林生態(tài)效應(yīng)的指標(biāo)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析和主成分分析。

表6 刺槐林各因子間的關(guān)聯(lián)系數(shù)

由表6可知，間伐保留株數(shù)與平均胸徑、葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)關(guān)聯(lián)度明顯。透光系數(shù)與土壤容重、植物多樣性相關(guān)性緊密。葉面積指數(shù)與保留株數(shù)、年凋落量的關(guān)聯(lián)系數(shù)較明顯。平均胸徑與有機(jī)質(zhì)、植物多樣性的關(guān)聯(lián)度明顯，與株數(shù)和年凋落量的關(guān)聯(lián)度次之。植物草本多樣性和平均胸徑關(guān)聯(lián)系數(shù)最明顯，與透光系數(shù)和有機(jī)質(zhì)的關(guān)聯(lián)度次之。年凋落量與葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量關(guān)聯(lián)度明顯，和其余各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度差異不明顯。土壤容重和各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度相近。有機(jī)質(zhì)含量與平均胸徑、年凋落量的關(guān)聯(lián)度較明顯。由此分析得出株數(shù)、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、年凋落量各指標(biāo)的相關(guān)性高。

運(yùn)用主成分分析，分析各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

由表7、表8和表9可知，前2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率的93.84%，表明了林分內(nèi)絕大多數(shù)的信息。第1主成分貢獻(xiàn)率是61.87%，主要包括年凋落量、葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)3個(gè)指標(biāo)，權(quán)重系數(shù)分別是0.428、0.432、0.408。第2主成分貢獻(xiàn)率是31.98%，主要包括平均胸徑和土壤容重兩個(gè)指標(biāo)，權(quán)重系數(shù)分別是-0.526、0.57。由此分析得出凋落物、土壤的理化性質(zhì)、林內(nèi)環(huán)境及林分生長(zhǎng)狀況是影響刺槐林間伐綜合生態(tài)效果的主要因素。各間伐區(qū)綜合指標(biāo)從大到小依次是弱度區(qū)、對(duì)照區(qū)、中度區(qū)、強(qiáng)度區(qū)。

表7 規(guī)格化特征向量

注：因子1—株數(shù)，因2-透光系數(shù)，因子3-LAI，因子4-平均胸徑，因子5-多樣性，因子6-年凋落量，因子7-土壤容重，因子8-有機(jī)質(zhì)

表8 各主成分的特征值

表9 主成分分析因子得分

根據(jù)公式：綜合指標(biāo)值=[λ1×Y(i,1)+λ2×Y(i,2)+λ3×Y(i,3)]/(λ1+λ2+λ3)評(píng)價(jià)各間伐區(qū)的綜合指標(biāo)，從大到小依次是中度區(qū)1.61、強(qiáng)度區(qū)0.66、弱度區(qū)-0.39、對(duì)照區(qū)-1.89。

4 結(jié)論

4.1 撫育間伐后林分土壤物理性質(zhì)的變化

在撫育間伐后，林下土壤0～10 cm層土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、總孔隙度上升。不同間伐強(qiáng)度，林內(nèi)土壤物理性質(zhì)改良效果不同，刺槐以中、弱度間伐土壤物理性質(zhì)改良效果佳。

4.2 撫育間伐后林分土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

在撫育間伐后，間伐調(diào)整了林下植物的多樣性，誘發(fā)土壤微生物數(shù)量和種類的增加，導(dǎo)致土壤肥力提高。林下土壤的N、P、K含量基本上在林下0～10 cm土層表現(xiàn)為隨間伐強(qiáng)度的增加而減少，即負(fù)相關(guān)；而速效性養(yǎng)分含量表現(xiàn)為隨間伐強(qiáng)度的增加而增加，即正相關(guān)。即土壤肥力條件在撫育間伐后有所改良。

4.3 撫育間伐后林分透光系數(shù)變化

林分通過撫育間伐降低了每公頃株數(shù)，郁閉度下降，林內(nèi)光照強(qiáng)度增加，進(jìn)而提高了散射光、反射光以及透過林冠葉子的透射光強(qiáng)度。刺槐林分透光系數(shù)隨間伐強(qiáng)度增加而增大，呈正相關(guān)。

4.4 撫育間伐后林分溫度變化

撫育間伐把林冠疏開，使光線直接照射林地，既提高氣溫和地溫，也促進(jìn)了微生物的活動(dòng)，促進(jìn)了枯落物的分解，提高了林地生產(chǎn)力。林木生長(zhǎng)旺盛，冠幅迅速增加，表現(xiàn)為與透光系數(shù)相同的變化規(guī)律，即隨間伐強(qiáng)度增加而增大，呈正相關(guān)。

4.5 撫育間伐綜合效益

凋落物、土壤的理化性質(zhì)、林內(nèi)環(huán)境及林分生長(zhǎng)狀況是影響刺槐林間伐綜合生態(tài)效果的主要因素。各間伐區(qū)綜合指標(biāo)從大到小依次是弱度區(qū)、對(duì)照區(qū)、中度區(qū)、強(qiáng)度區(qū)。

株數(shù)、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、年凋落量各指標(biāo)相關(guān)性高。

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