魯中南山區(qū)側(cè)柏人工林近自然經(jīng)營效果評價

顏攀，凌春輝,崔浩然，劉勝元，王華田，劉秀梅,2

(1.黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點實驗室，山東 泰安 271018；2.上海市環(huán)境學(xué)校，上海 200135)

森林具有經(jīng)濟、生態(tài)、文化和社會等服務(wù)多種功能?？茖W(xué)合理地制定營林方案并組織營林生產(chǎn)活動，對于提高森林生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益、增強森林的防護功能和多種生態(tài)效益、滿足人類社會日益增長的社會和文化需求，具有重大意義。隨著工業(yè)文明的發(fā)展和全球氣候的變化，天然林不斷減少[1,2]。在全球林產(chǎn)品需求不斷上升的情況下，世界各國越來越重視對人工林經(jīng)營的研究，人工林經(jīng)營的地位越來越突出[3,4]。中國是世界上人工林面積最大的國家[5]，人工林面積由改革開放初期的220萬hm2擴大到現(xiàn)在的787萬hm2，在我國森林面積中的占比從19%上升到37.8%[6]。然而，長期以來，我國人工林樹種和結(jié)構(gòu)單一，加之長期不合理的經(jīng)營，導(dǎo)致森林生物多樣性低[7]，生態(tài)系統(tǒng)脆弱甚至退化，生態(tài)功能明顯低于同齡天然林[8]；不少人工林歷經(jīng)長期不合理的經(jīng)營，已經(jīng)退化成疏林地或殘次林。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)、赤松(P.densiflora)、黑松(P.thunbergii)和刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林于山東省主要分布在魯中南山丘地區(qū)，營造于20世紀50年代至70年代，目前已經(jīng)相繼進入中齡林、近熟林階段，少數(shù)林分已經(jīng)進入成熟或過熟林階段。由于缺乏科學(xué)的營林理論指導(dǎo)加之營林目標不明確，導(dǎo)致營林作業(yè)施工粗放，營林效果難以達到預(yù)期目標，甚至在很大程度上造成林分結(jié)構(gòu)日趨簡單、生物多樣性低、天然更新能力差、物種多樣性低，林相嚴重衰敗且出現(xiàn)退化現(xiàn)象，亟待運用科學(xué)的營林理論和技術(shù)，開展合理地營林生產(chǎn)活動[9-11]。

側(cè)柏原產(chǎn)中國，分布廣泛，具有長壽、喜光、幼樹梢耐庇蔭、耐干旱貧瘠、抗逆性強、對土壤要求不嚴等特點。側(cè)柏作為荒山造林的主要樹種之一，在黃河中下游地區(qū)、華北和西北地區(qū)廣泛應(yīng)用于青石山、沙石山和黃土區(qū)造林[12]。本研究以魯中南青石山側(cè)柏中齡林為研究對象，以多功能恒續(xù)林長期經(jīng)營為目標，運用近自然林經(jīng)營理論，采取人工撫育措施，并對營林效果進行評價，以期為山東省側(cè)柏人工林經(jīng)營提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

2018年7月通過標準地踏查確定植被類型、森林類型、林分發(fā)展階段基礎(chǔ)信息等，在山亭區(qū)徐莊國營林場白龍灣分場進行恒續(xù)林經(jīng)營措施設(shè)計后，選取3個具有代表性的側(cè)柏人工林林分類型，在同一林分內(nèi)設(shè)置調(diào)查標準地，將林分標準地分別設(shè)置為撫育林分標準地和對照區(qū)標準地，分別設(shè)置3塊30 m×20 m樣方，四周埋設(shè)固定標樁，GPS定位后周邊用紅色噴漆，噴涂邊界內(nèi)側(cè)樹干的胸高部位，對撫育區(qū)和對照區(qū)立木分別掛設(shè)固定編號標牌，一年后于2019年10月對撫育林分進行調(diào)查和取樣分析。

1.2 調(diào)查、取樣、測定方法

1.2.1 林分調(diào)查 林分標準地按照編號順序，逐一進行實測撫育一年后標準地內(nèi)所有主林冠層立木每木檢尺，測定并記錄樹高、胸徑、冠幅、枝下高、活枝下高，冠幅以東西×南北測量值為準，除胸徑精度為0.01 cm，其他精度均為0.1 m，同時按照立木分級標準，確定并記錄立木分級。在設(shè)定試驗區(qū)和對照區(qū)標準地內(nèi)，沿標準地對角線設(shè)置3個5 m×5 m灌木調(diào)查樣方，調(diào)查并記錄灌木樣方內(nèi)灌木種類、高度、冠幅，調(diào)查精度為0.1 m，草本植物多樣性調(diào)查同灌木施工一樣，在設(shè)定試驗區(qū)和對照區(qū)標準地內(nèi)，隨機設(shè)置1 m×1 m草本樣方各3個，調(diào)查并記錄林下草本植物的種類、高度、蓋度和密度。

1.2.2 土壤樣品基本性質(zhì)的測定 撫育采伐后，林下土壤按S型隨機取樣，在喬木樣方每個標準地內(nèi)，均勻布設(shè)5個取樣點，土壤采集后帶回實驗室風(fēng)干，測定土壤理化性質(zhì)；同時在土層15～20 cm處制取環(huán)刀土樣，用于分析土壤含水量和土壤容重。

土壤pH測定以水土比例為2.5∶1無菌水(去除CO2)浸提，采用型號為BPH-252酸度計直接測量。土壤含水率采用鋁盒烘干法測定，在烘干前后分別稱質(zhì)量一次。土壤容重采用環(huán)刀法測定，在放入烘箱稱質(zhì)量1次，然后放入烘箱中在105 ℃下烘至恒重后，再次稱質(zhì)量。土壤電導(dǎo)率采用蒸餾水和風(fēng)干土5∶1的浸提液，采用型號DDSJ-308A的電導(dǎo)率直接測定。

1.2.3 土壤酶活性的測定 土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[13]。稱取5g過1 mm篩的土樣置于50 mL離心管中，加入1 mL甲苯、10%尿素溶液10 mL和檸檬酸鹽緩沖溶液(pH 6.7)20 mL，震蕩15 min搖勻后，在37 ℃恒溫箱培養(yǎng)24 h后，用定性濾紙過濾，取1 mL濾液加入50 mL離心管中，再加4 mL苯酚鈉溶液和3 mL次氯酸鈉溶液，隨加隨搖勻，20 min后在分光光度計(TU1900)與578 nm波長處比色。

土壤磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法測定[13]。稱過1 mm篩的5.0 g土樣置于50 mL離心管中，加1.5 mL甲苯、10 mL磷酸苯二鈉溶液和20 mL中性檸檬酸鹽緩沖液，仔細搖勻后，振蕩15 min后，放入恒溫箱，37 ℃下培養(yǎng)12 h。用38℃熱去離子水定容至50 mL，搖勻后迅速用定性濾紙過濾。用10 mL去離子水代替磷酸苯二鈉溶液做空白對照。取上述濾液3 mL于50 mL容量瓶中加2.5 mL緩沖液和0.5 mL 2,6-二溴對苯醌亞胺溶液，室溫平衡20 min后，用去離子水定容50 mL，在600 nm處比色測定。

采用3,5-二硝基水楊酸比色法[13]，測定土壤蔗糖酶活性。稱取5 g土壤，置于50 mL離心管中，加入15 mL 8%蔗糖溶液、5 mL磷酸緩沖液(pH 5.5)、5滴甲苯。搖勻混合物放在37 ℃恒溫箱培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)結(jié)束后，迅速取出后過濾。吸取濾液1 mL，注入50 mL容量瓶中，加入3 mL DNS試劑后，在沸騰的水浴鍋中加熱5 min，隨即將容量瓶移至流動的自來水下冷卻3 min。溶液因生成3-氨基-5-硝基水楊酸而呈橙黃色，用蒸餾定容至50 mL，并于540 nm處進行比色。

土壤過氧化氫酶活性測定采用KMnO4滴定法[13]。取5 g土壤樣品于50 mL離心管中，以不加土樣的離心管作對照，加入0.5 mL甲苯，搖勻，于4 ℃冰箱中放置30 min，取出，立刻加入經(jīng)4 ℃冷藏的3%H2O2水溶液25 mL，充分混勻后于4 ℃冰箱中放置1 h。取出后迅速加入經(jīng)4 ℃貯存的2 mol·L-1H2SO4溶液25 mL，搖勻后過濾。取1 mL濾液于三角瓶，加入5 mL蒸餾水和2 mol·L-1H2SO4溶液5 mL，用0.02 mol·L-1KMnO4溶液滴定。根據(jù)對照和樣品的滴定差，求出相當于分解的H2O2的量所消耗的KMnO4。過氧化氫酶活性以每克干土1 h內(nèi)消耗的0.1 mol·L-1KMnO4體積數(shù)表示，以mL計。

1.3 數(shù)據(jù)分析與計算方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理分析 數(shù)據(jù)分析采用Excel(2013)進行數(shù)據(jù)處理、計算，采用Origin 9.0作圖，利用Photoshop CS6處理圖片。

1.3.2 植物多樣性計算方法 通過植物多樣性指數(shù)來的評估撫育試驗區(qū)和對照區(qū)側(cè)柏人工林自我更新、綜合協(xié)調(diào)的能力，草本植物在側(cè)柏人工林生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的功能和作用。重要值是計算草本植物多樣性時的重要指標，以綜合數(shù)值表示植物生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。

按照以下公式計算：

(1)相對密度(relative density)

相對密度(%)=(某物種密度/全部物種的密度)×100

(2)相對蓋度(relative coverage)

相對蓋度(%)=(某物種蓋度/所有物種的蓋度之和)×100

(3)相對頻度(relative frequency)

相對頻度(%)=(某物種的頻度/同一生活型植物的頻度之和)×100

(4)重要值(important value,Pi)

Pi=(相對密度+相對頻度+相對蓋度)/3

以豐富度、多樣性、優(yōu)勢度、均勻度指數(shù)作為草本植物多樣性的評價指標，分別對應(yīng)選擇Gleason豐富度指數(shù)、草本植物群落辛普森多樣性優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson diversity index)、草本植物多樣性香農(nóng)-威納指數(shù)多樣性指數(shù)(Shannon-weiner index)以及不同草本植物密度分布均勻度的Pielou均勻度指數(shù)，其計算公式如下：

(5)Gleason豐富度指數(shù)(D)：

D=S/lnA

式中：S為種群中的物種數(shù)目；A為單位面積。

(6)Shannon-weiner多樣性指數(shù)(H′)：

項目不同，資金使用情況會存在差異，考核機制建立后要不斷依據(jù)不同項目的考核結(jié)果來繼續(xù)完善項目考核機制。爭取能夠建立一套完善的，符合高校實際情況，符合項目自身，可調(diào)理、可操作的考核體系，從而實現(xiàn)真正意義上的科研經(jīng)費績效考核，提高經(jīng)費的使用效率，減少經(jīng)費不合理分配造成的浪費。

H′=-∑Pi×lnPi

式中：Pi為草本植物的重要值

(7)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D′)：

式中：Pi為草本植物的重要值。

(8)Pielou均勻度指數(shù)(E′)：

E′=H′/lnS

式中：H′為Shannon-weiner多樣性指數(shù)；S為群落中的總物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對林分結(jié)構(gòu)及生長的影響

表1 撫育與對照側(cè)柏林林分生長對比

2.2 對林內(nèi)植物多樣性的影響

2.2.1 林內(nèi)灌木生物多樣性 山亭區(qū)徐莊林場林內(nèi)灌木調(diào)查結(jié)果表明，撫育處理和對照標準地共有8個科9種植物(表2)，分別為荊條(Vitexnegundo)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)、酸棗(Ziziphusjujuba)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、扁擔桿子(Grewiabiloba)、君遷子(Diospyroslotus)、刺槐、桑樹(Morusalba)、臭椿(Ailanthusaltissima)、側(cè)柏。撫育樣地中共有灌木8個科8個種，分別為荊條、花椒、酸棗、構(gòu)樹、扁擔桿子、君遷子、刺槐、側(cè)柏；對照處理中共有8個科9種灌木，分別為君遷子、桑樹、臭椿、荊條、花椒、酸棗、構(gòu)樹、扁擔桿子、側(cè)柏?？梢?，林下灌木清理對更新后的灌木種類影響較小，撫育處理中未見桑樹和臭椿生長，而對照樣地缺乏刺槐。另外，撫育樣地內(nèi)植物高度和冠幅均低于對照樣地，前者較后者高度降低為59.52%，冠幅降低65.92%；可以看出撫育處理后林下灌木的高度和冠幅相比對照標準地大為減少，這有效提高了側(cè)柏目標樹的生長空間。

表2 撫育處理與對照樣地林下灌木種類、高度和冠幅

2.2.2 林內(nèi)草本植物生物多樣性 對不同處理中側(cè)柏林下草本植物種類調(diào)查結(jié)果表明(表3)，徐莊林場側(cè)柏人工林林下共有9科15種草本植物，分別為藎草(Arthraxonhispidus)、隱子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、茜草(Rubiacordifolia)、葎草(Humulusscandens)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)、土麥冬(Liriopespicata)、何首烏(Fallopiamultiflora)、野韭(Alliumramosum)、酢漿草(Oxaliscorniculata)、馬塘(Digitariasanguinalis)、黃背草(Themedajaponica)、求米草(Oplismenusundulatifolius)、龍葵(SolanumnigrusL.)、鬼針草(Bidenspilosa)。

表3 林下草本植物種類與重要值

從種水平分析，對照處理中共有草本植物10種，分別為藎草、隱子草、狗尾草、茜草、葎草、鵝絨藤、土麥冬、何首烏、野韭、酢漿草；撫育處理中共有草本植物12種，分別為藎草、隱子草、狗尾草、馬塘、黃背草、求米草、葎草、鵝絨藤、龍葵、鬼針草、何首烏、野韭。可見，對照樣地中缺少馬塘、黃背草、求米草、龍葵、鬼針草5種草本植物；撫育樣地中則未見酢漿草、土麥冬和茜草3種植物生長。

從科水平分析，對照處理中禾本科植物最多(3種)，其次是茜草科(2種)，蓼科、蘿藦科、蔥科、酢漿草科、百合科分別為1個種；撫育樣地中禾本科植物最多(6種)，其次為蘿藦科植物共有2種，而茜草科、蔥科植物各有1種。分析林下草本植物重要值發(fā)現(xiàn)，對照林分土麥冬重要值最高為16.69%，狗尾草重要值最低，為3.25%；撫育林分與對照有所不同，其中藎草重要值最高為17.76%，狗尾草和馬塘重要值最低，為4.10%。

2.2.3 林下草本植物多樣性指數(shù) 從圖1可以看出，撫育處理后，側(cè)柏人工林林下草本植物Pielou均勻度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-weiner多樣性指數(shù)、Gleason豐富度指數(shù)分別為：0.966、0.901、2.40、1.88，對照處理中各指數(shù)分別為：0.968、0.875、2.13、1.41?？梢?，較對照處理相比，撫育采伐后除Pielou均勻度指數(shù)變化較小外，Simpson和Shannon-weiner多樣性指數(shù)以及Gleason豐富度指數(shù)均提高，分別高于對照標準地2.97%、12.82%、35.18%，這說明撫育樣地草本植物的多樣性和豐富度比對照處理豐富，植物多樣性有所增加。

2.3 對土壤理化性質(zhì)的影響

2.3.1 林下土壤基本物理性質(zhì)變化 從表4可以看出，與對照相比，撫育采伐后林下電導(dǎo)率和容重變化較小，土壤偏堿性，但土壤含水率、容積含水率以及總孔隙度則有所降低，分別為6.64%、3.18%和5.22%。

表4 撫育和對照標準地林下土壤物理性質(zhì)變化

2.3.2 林下土壤酶活性變化 從圖2可以看出，與對照相比，撫育采伐后林下土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性降低，分別為13.43%和13.95%，而脲酶和蔗糖酶活性則有所提高，分別為21.29%和15.48%?？梢姡瑩嵊煞ヌ幚韺Σ煌N酶活性的影響有所差別。

3 討論

人工林撫育間伐對整個林分結(jié)構(gòu)具有顯著而直接的影響[3]，若目標樹保留數(shù)量過少，林分蓄積量則會急劇下降[14]。研究表明，撫育采伐有利于增加側(cè)柏人工林林分的平均胸徑，與白子紅等[15]研究結(jié)果一致。撫育采伐前，林冠下常年不見光照，多數(shù)側(cè)柏過密、生長不良，不利于林木的生長，林木的生存空間競爭激烈，通過有目的地選擇樹形良好，生長健康的目標樹，伐除材質(zhì)低劣，干形不良的側(cè)柏，用人工擇伐代替自然選擇，有效提高側(cè)柏林木質(zhì)量[16]，隨著撫育年限的增加，加上人工撫育自然下種更新，側(cè)柏林木遺傳質(zhì)量也會進一步提升[17]。側(cè)柏人工林經(jīng)營作業(yè)中，通過采伐干擾木，整個林分結(jié)構(gòu)得到了調(diào)整，不僅擴增了目標樹的生長空間，還降低了個體之間生長的競爭，縮短林木成材生長時間。另外，撫育采伐后隨著側(cè)柏株數(shù)的減少，使單株側(cè)柏的冠幅增大，林分的透光率增加，光照和通風(fēng)條件得到提升，且有效改善了林分衛(wèi)生和降低或者遏制不利于林木生長的病害，同時提高了目標樹木對自然災(zāi)害的抗御能力，降低了林分的郁閉度，相對林分空間變大，優(yōu)化了林分的密度，從而促進林木的快速生長[18]。

研究發(fā)現(xiàn)，撫育采伐會使人工林林下灌木種類增加。本研究發(fā)現(xiàn)，撫育采伐后，林下灌木的種類有所減少，這可能由于人工撫育后的時間太短，所以目前效果不明顯[19]。通過人工撫育，降低了林下灌木的高度、冠幅，有效減少了灌木對側(cè)柏養(yǎng)分的競爭[20]，但是對于林下灌木種類的影響需要做長期進一步研究。

近自然林經(jīng)營撫育措施對草本植物具有顯著而直接的影響[21]，對此次林下植物多樣性發(fā)現(xiàn)，人工撫育措施能有效改變林下植物的多樣性，并且隨著時間的推移，林下植物種類會更加豐富[22]，這說明合理的撫育措施可以間接提高整個林區(qū)生物鏈和物種的多樣化[23]，從而達到生物之間的相互制約[24]，從而提高林分抵抗病蟲害的能力，避免出現(xiàn)大規(guī)模的病蟲害現(xiàn)象[25]，人工撫育會促進側(cè)柏林正向演替。

人工撫育方主要影響林下灌木和草本的多樣性和生物量，間接會影響到土壤養(yǎng)分、微生物和林分的生長發(fā)育[26]，土壤是植物生長環(huán)境的重要因素，是植物賴以生長的基礎(chǔ)[27]，保持和提高林分土壤的肥力有利于目標樹健康的生長[28]。研究發(fā)現(xiàn)，撫育采伐對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，如改變土壤水肥的供應(yīng)、土壤酶的活性[29]，影響土壤表層的理化性質(zhì)[30]，如容重、含水量、pH值等，影響土壤水分的滲透能力，進而改變土壤質(zhì)量[31]。研究表明林分間伐撫育后，由于林分條件中的水、熱狀況會發(fā)生改變[32]，導(dǎo)致土壤相關(guān)生物酶活性發(fā)生變化[33]。與對照標準地相比，經(jīng)撫育采伐后林分土壤pH值會降低，但也有林分土壤的pH值會升高[34]，本次土壤效益評價指標調(diào)查結(jié)果中，徐莊林場側(cè)柏林下土壤pH經(jīng)撫育采伐后較對照處理相比偏堿性，土壤電導(dǎo)率和總孔隙度有所提高，這說明土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)正在發(fā)生變化，在逐漸改善，土壤物理性質(zhì)越來越好，但由于撫育時間較短，對于其撫育經(jīng)營效益評價有待進一步研究。

4 結(jié)論

雖然近自然經(jīng)營時間較短，有些指標不理想或者和以前的研究結(jié)果有些相悖，但初步根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果表明，近自然林經(jīng)營方案的實施，改變了側(cè)柏人工林的林分結(jié)構(gòu)，提高了林分的生長空間，改善了林分衛(wèi)生狀況；有效保護和提高了林分內(nèi)草本植物的多樣性；土壤指標變化不大，雖然有些指標數(shù)據(jù)變化，或者相差不大，但正在發(fā)生改變，總的來看，此次撫育采伐提高了側(cè)柏人工林的生態(tài)效益。

經(jīng)營效果對林分造成的影響是長期而復(fù)雜的，由于監(jiān)測外業(yè)工作量大，受外界條件的干預(yù)和影響較大，加上撫育時間較短，側(cè)柏林齡單一，生長緩慢，有些效益評價在短時間內(nèi)不明顯，必須進行長期的監(jiān)測，并建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，才能得到更加科學(xué)可靠的結(jié)論，為將來的資源評估和規(guī)劃做基礎(chǔ)。同時，本次調(diào)查結(jié)果可為其他的相關(guān)研究提供借鑒依據(jù)。