干旱瘠薄山地穩(wěn)定側(cè)柏人工林的生態(tài)服務(wù)功能研究

葛忠強(qiáng)，梁 燕，王 鳳，呂雷昌，李宗泰，張 靖，徐慧梅，王清華*

（1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014；2.淄博市張店區(qū)園林綠化服務(wù)中心，山東 淄博2550002；3.山東省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院 山東濟(jì)南250014；4.臨沂市河?xùn)|區(qū)湯頭街道辦事處農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 臨沂276000）

側(cè)柏（Platycladus orientalis）屬于柏科側(cè)柏屬，是我國(guó)荒山綠化時(shí)的主要造林樹(shù)種[1]。側(cè)柏人工林是山東省干旱瘠薄山地主要的生態(tài)公益林，在涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、減少?gòu)搅?、保持水土、凈化空氣等方面發(fā)揮了重要的生態(tài)功能[2]。但目前對(duì)側(cè)柏人工林生態(tài)效應(yīng)的研究相對(duì)不足，僅有少量報(bào)道[1-4]，關(guān)于側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性的研究尚屬空白。

目前，山東省山區(qū)的側(cè)柏人工林多為50年前營(yíng)造，林分密度普遍過(guò)大，多數(shù)已呈高度郁閉狀態(tài)，導(dǎo)致樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)減弱，林下植被稀疏,生物多樣性銳減，難以全面發(fā)揮其生態(tài)功能，生態(tài)穩(wěn)定性普遍較差。課題組依托山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016GNC111008） 和山東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（LYCX03-2018-14）對(duì)干旱瘠薄山地側(cè)柏人工林生態(tài)穩(wěn)定性開(kāi)展初步研究，提出了側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，將23 個(gè)典型長(zhǎng)期山地側(cè)柏人工林進(jìn)行了穩(wěn)定性分級(jí)（表1）[5]。本文以“不穩(wěn)定”側(cè)柏林為對(duì)照，探討了穩(wěn)定側(cè)柏林的生態(tài)服務(wù)功能。

1 材料與方法

1.1 林下生物多樣性

供試林分位于燕子山林場(chǎng)和黑峪林場(chǎng)，分別地處濟(jì)南歷下區(qū)和淄博市博山區(qū)，林方設(shè)置及林分具體生長(zhǎng)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[6,7]。在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各選取2 塊樣地的側(cè)柏人林進(jìn)行研究，編號(hào)為1-2、1-5、3-8 和3-9，林分基本情況見(jiàn)表2。根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，1-2 號(hào)和3-8 號(hào)側(cè)柏林的穩(wěn)定性等級(jí)為“不穩(wěn)定”，1-5 號(hào)和3-9 號(hào)則為“高度穩(wěn)定”（表1）。分別調(diào)查4 個(gè)供試林分的林下植被，計(jì)算多樣性指數(shù)：Patrick豐富度指數(shù)（Pa）、Margalef指數(shù)（Ma）、Simpson 多樣性指數(shù)（D）、Shannon-Wiener 指數(shù)（H）和Pielou 均勻度指數(shù)（Pj），具體調(diào)查和計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

表1 魯中山地典型側(cè)柏人工林的生態(tài)穩(wěn)定性等級(jí)

表2 供試側(cè)柏人工林樣地情況

1.2 林地土壤流失

供試林分為位于燕子山林場(chǎng)的1-2 和1-5 樣地，基本情況見(jiàn)表2，林方設(shè)置及林分具體生長(zhǎng)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[6,7]。在每塊側(cè)柏林地各選取3 個(gè)樣方，采用標(biāo)尺法[8]研究林分穩(wěn)定性對(duì)林地土壤流失的影響，在1-2 號(hào)林地內(nèi)的3 個(gè)樣方面積分別為3 m×5 m、4 m×4 m 和4 m×4 m，每1 m2鋪設(shè)一枚鋼釬；1-5 號(hào)林地內(nèi)的3 個(gè)樣方面積分別為3 m×4 m、2 m×8 m 和2 m×9 m，同樣也是每1 m2鋪設(shè)一枚鋼釬。雨季前用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量每枚鋼釬露出地面的高度（mm），然后在雨季后再次測(cè)量高度。根據(jù)雨季前后鋼釬高度的平均差值，土壤容重，采用下式計(jì)算得出林地土壤流失量：

式中W 為土壤流失量（T/hm2）；H1和H2分別為雨季前、后的鋼釬高度（mm）；ρ 為林地土壤容重（g/cm3）。

1.3 空氣負(fù)離子、風(fēng)速、溫度和濕度

供試林分位于燕子山林場(chǎng)和黑峪林場(chǎng)，在每個(gè)樣點(diǎn)各選取4 塊樣地的側(cè)柏林進(jìn)行研究。燕子山所選樣地編號(hào)為1-1、1-4、1-5、1-6，其中1-1 和1-6側(cè)柏林的生態(tài)穩(wěn)定性為“不穩(wěn)定”，而1-4 和1-5 為“高度穩(wěn)定”；黑峪林場(chǎng)所選樣地編號(hào)3-2、3-8、3-7和3-9，其中3-2 和3-8 側(cè)柏林的生態(tài)穩(wěn)定性為“不穩(wěn)定”，3-7 和3-9 為“高度穩(wěn)定”。林分基本情況見(jiàn)表3，林方設(shè)置及林分具體生長(zhǎng)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[6,7]。分別測(cè)定供試側(cè)柏林樣方內(nèi)距地面1.5 m 高處的溫度、濕度、負(fù)離子含量、風(fēng)速以及黑峪林場(chǎng)側(cè)柏林內(nèi)的地表溫度，同時(shí)測(cè)定林外空地相應(yīng)位置的上述指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比研究。

表3 供試側(cè)柏人工林樣地概況

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)穩(wěn)定性對(duì)側(cè)柏林下植物多樣性的影響

供試4 塊樣地側(cè)柏人工林林下的植物多樣性指數(shù)列于表4。對(duì)位于同一試驗(yàn)點(diǎn)的2 個(gè)側(cè)柏林分進(jìn)行比較，由表3中結(jié)果可以得知，生態(tài)系統(tǒng)非常穩(wěn)定的1-5 號(hào)側(cè)柏林的豐富度指數(shù)Pa 和Ma 分別較1-2 號(hào)側(cè)柏林的相應(yīng)指數(shù)增加了1.50 倍和2.67倍；多樣性指數(shù)H 和D 分別增加了14.64 倍和9.68倍；而均勻度指數(shù)Pj 增加了5.73 倍。

將生態(tài)穩(wěn)定性非常高的3-9 與不穩(wěn)定的3-8進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)算后可知，3-9 號(hào)側(cè)柏林的豐富度指數(shù)Pa 和Ma 分別較3-8 號(hào)側(cè)柏林的相應(yīng)指數(shù)增加了0.60 倍和0.89 倍；多樣性指數(shù)H 和D 分別增加了3.29 倍和3.83 倍；而均勻度指數(shù)Pj 增加了2.31 倍。

兩個(gè)調(diào)查點(diǎn)的研究結(jié)果均表明，側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性提高后可顯著增加林下植物多樣性指數(shù)，這也是導(dǎo)致林分穩(wěn)定性較高的重要影響因素。利用本研究提出的側(cè)柏林穩(wěn)定性構(gòu)建技術(shù)，提高林分生態(tài)穩(wěn)定性后，可使林下生物多樣性得到顯著提高。

表4 不同樣地側(cè)柏林的林下植物多樣性指數(shù)

2.2 生態(tài)穩(wěn)定性對(duì)側(cè)柏林地土壤流失的影響

由表5調(diào)查和計(jì)算結(jié)果可以看出，生態(tài)系統(tǒng)高度穩(wěn)定的1-5 號(hào)側(cè)柏林的土壤平均流失量為31.68 T/hm2，而不穩(wěn)定的1-2 號(hào)側(cè)柏林的土壤平均流失量為51.19 T/hm2；方差分析結(jié)果表明，這兩塊林地土壤流失量存在顯著性差異。研究結(jié)果表明，1-5 號(hào)林地較1-2 號(hào)林地的土壤流失量減少了38.11%，這說(shuō)明生態(tài)穩(wěn)定性高的側(cè)柏林有利于林地土壤的保持。

表5 不同樣地的土壤流失量

2.3 側(cè)柏林生態(tài)穩(wěn)定性對(duì)空氣負(fù)離子、風(fēng)速、溫度和濕度的影響

2.3.1 負(fù)離子含量

由表6和表7測(cè)定結(jié)果可以看出，與林外相比，側(cè)柏林內(nèi)的負(fù)離子含量和空氣濕度較林外測(cè)定結(jié)果均有明顯增加。燕子山林場(chǎng)1-1 和1-6 側(cè)柏林的負(fù)離子增幅分別為12.50%和5.26%，而生態(tài)穩(wěn)定性高的1-4 和1-5 側(cè)柏林林內(nèi)負(fù)離子增幅分別為65.71%和17.39%；黑峪林場(chǎng)側(cè)柏林內(nèi)外的負(fù)離子含量也存在相似規(guī)律，不穩(wěn)定林分（3-2 和3-8）和高度穩(wěn)定林分 （3-7 和3-9） 的增幅分別為7.50%-8.54%和26.19%-34.15%（表8）。

2.3.2 風(fēng)速

與林外風(fēng)速相比，側(cè)柏林內(nèi)風(fēng)速得到明顯降低（表6和表7）。高度穩(wěn)定側(cè)柏林對(duì)風(fēng)速的抑制作用較不穩(wěn)定側(cè)柏林有大幅增加。以黑峪林場(chǎng)供試林分為例，3-2 和3-8 均為生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定的側(cè)柏人工林，其林內(nèi)風(fēng)速分別較林外減少了20%和35.29%；而對(duì)于高度穩(wěn)定性的3-7 和3-9，降低百分比分別為84.62%和87.50%。

2.3.3 空氣溫度

兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)空氣溫度的變化規(guī)律與負(fù)離子結(jié)果相反（表6和表7）。燕子山林場(chǎng)不穩(wěn)定林分（1-1和1-6） 的林內(nèi)空氣溫度較林外下降了0.71%-3.17%，高度穩(wěn)定林分（1-4 和1-5）則降低了9.74%-5.48%。黑峪林場(chǎng)不穩(wěn)定林分（3-2 和3-8）的林內(nèi)空氣溫度較林外下降了3.37%-5.39%，高度穩(wěn)定林分（3-7 和3-9）則降低了了11.63%-12.50%。

2.3.4 空氣濕度

兩個(gè)樣點(diǎn)空氣濕度與負(fù)離子林內(nèi)外變化結(jié)果類似，燕子山林場(chǎng)不穩(wěn)定林分（1-1 和1-6）的林內(nèi)空氣濕度較林外提高了2.43%-3.17%，高度穩(wěn)定林分（1-4 和1-5）則提高了4.74%-5.87%；黑峪林場(chǎng)不穩(wěn)定林分（3-2 和3-8）的林內(nèi)空氣濕度較林外提高了6.45%-13.10%，高度穩(wěn)定林分（3-7 和3-9）則提高了28.76%-15.98%。

2.3.5 地表溫度

黑峪林場(chǎng)供試側(cè)柏林地表溫度變化規(guī)律與空氣溫度相似。由表7中結(jié)果可以看出，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定的3-2 和3-8 側(cè)柏人工林，其林內(nèi)地表溫度分別較林外減少了4.60%和5.94%；而對(duì)于高度穩(wěn)定性的3-7 和3-9，降低百分比分別為23.77%和10.75%。

表6 燕子山樣點(diǎn)供試側(cè)柏林的指標(biāo)調(diào)查結(jié)果

表7 黑峪林場(chǎng)樣點(diǎn)供試側(cè)柏林的指標(biāo)調(diào)查結(jié)果

表8 林內(nèi)各指標(biāo)較林外增加或降低幅度

3 結(jié)論

對(duì)側(cè)柏人工林林內(nèi)和林外的空氣負(fù)離子含量、空氣溫度、風(fēng)速、空氣濕度、地表溫度的測(cè)定結(jié)果表明，穩(wěn)定性高的側(cè)柏人工林在提高林內(nèi)負(fù)離子含量和空氣濕度，降低林內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速、地表溫度的效果更好，相比生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定的側(cè)柏林所發(fā)揮出的生態(tài)服務(wù)功能更強(qiáng)。