森林管理的生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

黃 麟

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

人類活動(dòng)大幅度改變了地球四分之三陸地表面覆蓋和自然生態(tài)過程,使全球土地資源支持人類福祉和生物多樣性的能力不斷下降[1],有限土地資源促使土地管理強(qiáng)度不斷增加,以更好地滿足社會(huì)對(duì)糧食、纖維、燃料和住房的需求[2]。自幾百年前,森林的主要功能被定義為向人類社會(huì)持續(xù)提供木材及其它林產(chǎn)品,森林管理應(yīng)用于提高木材產(chǎn)量以及追求林產(chǎn)品生產(chǎn)效益最大化[3],林業(yè)從天然林皆/擇伐到短輪伐期人工林集約經(jīng)營,為全球和區(qū)域經(jīng)濟(jì)做出了貢獻(xiàn)[4]。傳統(tǒng)森林管理側(cè)重同質(zhì)林分和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值樹種,營造速生純林,輪伐期作業(yè),樹種組成單一、垂直分層均勻[5-6]。近幾十年,人們認(rèn)識(shí)到除了增加收入和提高民生以外[7],森林作為重要陸地生態(tài)系統(tǒng),在維持物種生存、緩解氣候變化、提供清潔水源、游憩等方面的關(guān)鍵作用[8-10]。然而,全球80%以上森林由于人類活動(dòng)而發(fā)生不同程度退化[11],森林需要優(yōu)化管理以達(dá)到生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化等多維功能需求。生態(tài)文明建設(shè)中,山水林田湖草統(tǒng)籌治理理念下,如何在有限林地空間通過優(yōu)化管理以提升關(guān)鍵生態(tài)功能,是當(dāng)前生態(tài)保護(hù)修復(fù)一個(gè)亟待解決的科學(xué)問題,森林管理實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)踐趨于成熟,而對(duì)其生態(tài)效應(yīng)的研究和實(shí)踐較為零散,仍有較多爭(zhēng)論或未形成明確認(rèn)識(shí),難以直接應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。本文綜述了森林管理生態(tài)效應(yīng)的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了研究中存在的爭(zhēng)議并展望了未來研究要點(diǎn)。

1 森林管理的內(nèi)涵與現(xiàn)狀

通過管理維持森林生產(chǎn)和生態(tài)功能的意識(shí)由來已久,17世紀(jì),歐洲的Evelyn和Colbert注意到森林過度利用對(duì)持續(xù)提供森林產(chǎn)品的負(fù)面影響。20世紀(jì)初,Gifford Pinchot認(rèn)識(shí)到公眾積極參與可持續(xù)森林管理能帶來利潤[12]。21世紀(jì)初,可持續(xù)森林管理作為一項(xiàng)重要指導(dǎo)原則受到歐洲森林組織、國際熱帶木材組織、糧食及農(nóng)業(yè)組織等國際組織的鼓勵(lì)并予以實(shí)踐。歐洲的自然導(dǎo)向林業(yè)、近自然林業(yè),美國生態(tài)林業(yè),加拿大的基于自然干擾管理,南美和澳洲的保留性林業(yè),東南亞的減少影響采伐,以及我國的多功能森林經(jīng)營[13],部分森林得到了優(yōu)化管理[14]。無論傳統(tǒng)或優(yōu)化的森林管理,皆通過改變樹種組成、林分結(jié)構(gòu)、林下生物多樣性等,影響土壤、小氣候、水分循環(huán),進(jìn)而產(chǎn)生或正面或負(fù)面的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化效應(yīng)[15-16]。

不同國家、地區(qū)、行業(yè)對(duì)于森林管理概念及其內(nèi)涵的理解差異較大,《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等國際組織將其定義為可持續(xù)地實(shí)現(xiàn)森林相關(guān)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)功能,生態(tài)學(xué)者強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性、系統(tǒng)性,而行業(yè)管理部門偏重資源及其生產(chǎn)功能。由于日益增長(zhǎng)的林木產(chǎn)品需求與保持健康生態(tài)環(huán)境之間的矛盾,在不損害未來利益的前提下,如何通過管理獲得現(xiàn)有利益是可持續(xù)森林管理面臨的巨大挑戰(zhàn)[17]。因此,新時(shí)代森林管理應(yīng)該通過人類干預(yù)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)地森林資源永續(xù)利用和生態(tài)功能協(xié)同提升,意味著一方面需要提升森林生態(tài)系統(tǒng)自我更新和優(yōu)化的潛力,另一方面需要保證森林生態(tài)系統(tǒng)健康和生物多樣性。

全球已納入森林管理或已制定管理計(jì)劃的國家越來越多,1953年全球森林調(diào)查時(shí),約27%森林納入管理計(jì)劃,2010年達(dá)到70%,2015年95%以上森林制定了管理相關(guān)計(jì)劃,其中歐洲、亞洲、北美洲和中美洲的大多數(shù)森林都納入森林管理計(jì)劃。寒帶和溫帶地區(qū)分別有87%和63%納入可持續(xù)管理,而熱帶和亞熱帶地區(qū)均低于28%。森林管理國際認(rèn)證大幅增加,其中90%在寒帶和溫帶,而熱帶僅6%。從森林管理計(jì)劃中納入水土管理、社會(huì)/社區(qū)參與管理、劃定高保護(hù)價(jià)值森林3項(xiàng)管理需求的統(tǒng)計(jì)來看(圖1),60%以上國家將水土管理納入森林管理計(jì)劃,90%以上則將劃定高保護(hù)價(jià)值森林作為主要內(nèi)容[12,17]。

圖1 全球森林管理計(jì)劃及需求的國別差異[17]

2 森林管理研究歷史進(jìn)程

通過文獻(xiàn)計(jì)量分析可以揭示森林管理研究的歷史發(fā)展進(jìn)程及不同時(shí)期研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)的差異。在Web of Science與CNKI檢索篇名或主題詞包含“Forest management”和“森林管理”的文獻(xiàn),數(shù)量分別為10038篇和17645篇。從圖2可以看出,自1890年開始,國外已有森林管理文獻(xiàn)發(fā)表,至20世紀(jì)40年代,主要介紹國際上森林管理狀況；20世紀(jì)50、60年代,關(guān)注森林經(jīng)營管理及其對(duì)木材產(chǎn)業(yè)的影響；20世紀(jì)70、80年代,開始關(guān)注森林管理對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生物多樣性的影響以及衛(wèi)星遙感的應(yīng)用；20世紀(jì)90年代,關(guān)注森林管理對(duì)水、土、氣、生各要素的影響；21世紀(jì)初10年,綜合、可持續(xù)、精細(xì)地森林管理發(fā)展迅速,其景觀游憩、固碳與氣候緩解、涵養(yǎng)水源等生態(tài)效應(yīng)研究成為熱點(diǎn)；2010年至今,聚焦優(yōu)化森林管理對(duì)于促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)多項(xiàng)功能及其服務(wù)能力的綜合生態(tài)效益。可以看出,森林管理研究目標(biāo)從生產(chǎn)到生態(tài)的轉(zhuǎn)變,以及新時(shí)代森林管理聚焦的水、土、氣、生物多樣性等關(guān)鍵生態(tài)效應(yīng),涉及的管理措施包括造林、原始林改為次生林或人工林、采伐、清除采伐殘余、整地、氮素添加、樹種改造、林分密度管理與間伐、林火管理等。

圖2 基于文獻(xiàn)計(jì)量的森林管理論文發(fā)表量年代際變化趨勢(shì)

中國于20世紀(jì)60年代開始發(fā)表森林管理相關(guān)研究文獻(xiàn),至20世紀(jì)80年代,以森林管理與工業(yè)采伐、林業(yè)經(jīng)濟(jì)的關(guān)系作為核心,20世紀(jì)90年代以可持續(xù)經(jīng)營、參與性經(jīng)營、分類經(jīng)營作為森林多效益主線,21世紀(jì)初10年,推動(dòng)了國內(nèi)近自然多功能森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營,探索資源利用與公益林管理的平衡模式,關(guān)注森林管理的碳匯效應(yīng)。2010年至今,多目標(biāo)森林管理成為森林生態(tài)恢復(fù)及其質(zhì)量提升的焦點(diǎn)。近幾十年,我國學(xué)者或林業(yè)工作者依托林場(chǎng)或森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站,在四川米亞羅、江西大崗山、湖南會(huì)同、甘肅白龍江、江蘇溧水、廣西大青山、浙江臨安、福建將樂、吉林汪清、河北塞罕壩與木蘭圍場(chǎng)、北京延慶和密云、陜西火地塘與黃龍山、內(nèi)蒙古蠻漢山、遼寧清原、大興安嶺新林等區(qū)域,以云杉(PiceaasperataMast.)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、杉木(CunninghamiaLanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、油松(Pinustabuliformis)、落葉松(Larix)、華山松(Pinusarmandii)、火炬松(Pinustaeda)、濕地松(Pinuselliottii)、柏(CupressusFunebris)、楊樹(Populus)、櫟(Quercus)、樺(Betula)、桉(Eucalyptus)、椴(Tilia)等不同樹種為研究對(duì)象,通過樣地控制試驗(yàn),研究了采伐、混交、密度調(diào)控、撫育間伐、林火管理等不同管理措施對(duì)林分生長(zhǎng)因子與生產(chǎn)力、氣象因子、碳水循環(huán)、土壤理化性狀、林下植被、凋落物、動(dòng)物與微生物、生物多樣性乃至林分天然更新等的影響研究。

3 森林管理生態(tài)效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

森林管理改變森林植被-土壤-大氣界面及其生物地球物理和生物地球化學(xué)過程,影響光、水、熱、能量交換等自然特征和過程,從而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的功能及其服務(wù)效應(yīng),特別是產(chǎn)品供給、碳固定、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)效應(yīng)。這些生態(tài)效應(yīng)因地理位置、氣候背景、立地條件、林分特征等具有極大差異。

3.1 森林管理的產(chǎn)品供給效應(yīng)

森林以供給木材產(chǎn)品為主,隨著生態(tài)公益林比例大幅提升、用材林面積縮小,人類對(duì)林木產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)需求之間的矛盾凸顯。如何通過森林管理,在保證生態(tài)功能不下降甚至提升的前提下,提高木材供給量是林業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。立地條件、林地類型、樹種組成、林齡、株密度等是造成林木產(chǎn)品產(chǎn)量差異的主要因素[18]。因此,林分結(jié)構(gòu)調(diào)控是森林管理的核心內(nèi)容,直接關(guān)系到森林生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性。林分密度影響林木的生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng),從而影響林分生物量積累,為了得到合理的林分密度,根據(jù)不同林齡、樹種和立地條件采取適宜的撫育間伐、擇伐措施,充分發(fā)揮每株樹木的生長(zhǎng)潛力,最大限度地利用林地生產(chǎn)力并保證森林最大連續(xù)生長(zhǎng)量,增加林分組成和結(jié)構(gòu)的多樣性。比如,亞馬遜地區(qū)森林密度管理使得木材產(chǎn)量高出36%—50%[19]。

混交是通過疏伐補(bǔ)植調(diào)整林分的水平分布格局、樹種組成比例,將純林改造為異齡、多物種近自然林分,促進(jìn)森林生長(zhǎng)和演替進(jìn)程[20- 22],必然改變林分生產(chǎn)力、物種多樣性和地下生態(tài)過程,改善土壤理化性質(zhì)[23],隨著樹種豐富度增加可提高木材產(chǎn)品產(chǎn)量[24-25]。此外,確定合理輪伐期有助于維持人工林生產(chǎn)力的持久性,較短的采伐周期、較低的采伐強(qiáng)度、輪換采伐樹種有利于促進(jìn)森林木材的可持續(xù)生產(chǎn)[26]。采伐方式與強(qiáng)度可能改變森林的結(jié)構(gòu)和土壤水熱條件從而影響林分生物量和生產(chǎn)力[27],因此,不同林齡階段需采用不同強(qiáng)度撫育間伐以促進(jìn)生長(zhǎng)。

3.2 森林管理的碳固定效應(yīng)

適當(dāng)?shù)厣止芾肀徽J(rèn)為是增加生物量碳儲(chǔ)量[14,28-29]、提高二氧化碳吸收量[30]以緩解氣候變化的關(guān)鍵手段和有效途徑[31-32]。防火、防病蟲害、森林更新、幼林撫育、采伐剩余物和枯死木管理等[33]產(chǎn)生的碳匯可適當(dāng)?shù)窒麥厥覛怏w減排指標(biāo)。大面積幼齡林是持續(xù)地碳匯,可持續(xù)管理可能會(huì)增加更多的碳吸收,對(duì)土壤碳的影響大于植被碳[34]。因此,要使人工造林具備天然林緩解氣候的能力,必須優(yōu)化管理以增強(qiáng)其碳匯能力[31]。通過優(yōu)化物種組成、間伐或疏伐等低強(qiáng)度的管理措施可以維持或增加林分水平的碳密度,通過延長(zhǎng)輪伐期、火災(zāi)管理和病蟲害防治可以維持或增加景觀水平的碳密度[35]。

采伐使溫帶森林植被碳儲(chǔ)量減少30%,硬木林的碳損失(36%)大于針葉林或針闊混交林(20%)[36]。由于立地條件、土壤類型、林分特征、采伐方案、取樣深度等因素,采伐對(duì)土壤碳的影響存在差異,通常使土壤碳儲(chǔ)量平均減少11.2%[37],表層土壤碳(0—15cm)減少3.3%,深層土壤碳(60—100cm)減少17.7%[38],原因是伐后林內(nèi)高光、高溫小氣候刺激微生物呼吸、凋落物輸入減少或更快分解[39]。土壤碳儲(chǔ)量在伐后1—5 a開始恢復(fù)[36-37,40]。不同采伐方式的影響具有差異,全樹采伐(WTH)導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量減少6—10%[40],而純莖采伐(SOH)或增加18%[41]或無影響[42-43],擇伐可以減少與皆伐相關(guān)的土壤碳損失,因此,采伐9a后的WTH跡地是凈碳源,而擇伐跡地是凈碳匯[44]。此外,清除采伐殘留物導(dǎo)致表層土壤碳損失10%—45%,甚至>20cm土壤碳儲(chǔ)量損失10%[40]?？傊?采伐對(duì)深層土壤碳的影響存在極大不確定性,對(duì)伐后土壤碳損失及其恢復(fù)的非生物和生物機(jī)理仍需深入了解[38]。

密度控制對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響有較大差異,有研究得出高密度林分比低密度的土壤碳儲(chǔ)量高,則高密度會(huì)增加土壤碳[45],有研究認(rèn)為高密度比低密度的土壤碳儲(chǔ)量低,故而高密度減少土壤碳[46],也有試驗(yàn)認(rèn)為密度對(duì)碳儲(chǔ)量的影響不明顯[47]。撫育間伐對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響可能不顯著[40,44],也可能導(dǎo)致土壤碳損失[48-49]。比如,強(qiáng)度低于33%的輕度間伐使土壤碳增加17%,而不超過65%的重度間伐使土壤碳減少8%[50]。土壤碳在間伐后早期(≤2 a)由于分解導(dǎo)致土壤碳損失30%,但在伐后中期(2—5 a)到后期(>5 a)可恢復(fù)至未間伐林分水平[38]。

林分混交能夠提供更多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并適應(yīng)氣候變化[8,51]。由于地上和地下生態(tài)位互補(bǔ)性、地上地下凋落物輸入更多,混交林可更穩(wěn)定地增加土壤碳儲(chǔ)量。此外,混交林對(duì)氣候干擾具有更大的復(fù)原力,有助于長(zhǎng)期保持土壤碳儲(chǔ)量[52]。亞熱帶針闊混交林0—20cm土壤碳儲(chǔ)量分別比馬尾松和紅栲人工純林高14%和8%,土壤溫室氣體凈排放量也低于人工純林[21]。此外,物種多樣性對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響比樹種性狀或功能群的影響小且不一致,其影響結(jié)果與環(huán)境有關(guān)[53]。因此,為了有效利用資源,有針對(duì)性地選擇具有互補(bǔ)特性的樹種,既影響土壤碳儲(chǔ)量,也增加樹種多樣性[38]。

3.3 森林管理的水源涵養(yǎng)效應(yīng)

管理引起林分、土壤結(jié)構(gòu)變化,影響森林對(duì)大氣降水再分配過程和水質(zhì)狀況,進(jìn)而影響水源涵養(yǎng)功能及效應(yīng)。林分尺度表現(xiàn)為攔蓄降水,量化指標(biāo)包括林冠層的穿透雨量/率、林冠截留量/率、樹干徑流量/率,土壤層的土壤含水率、土壤持水量、毛管/非毛管/總孔隙度,枯落物層的自然持水率、最大持水量/率、有效攔蓄量等[54]。森林管理對(duì)林分水源涵養(yǎng)功能的作用與其措施類型和強(qiáng)度、觀測(cè)時(shí)間、森林不同組成部分有關(guān)。撫育間伐與封山育林均能促進(jìn)天然林持水能力,但前者作用更顯著[55]。不同撫育強(qiáng)度的影響不同,森林水文生調(diào)節(jié)能隨著強(qiáng)度的增加基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),中度撫育使得土壤和枯落物的最大持水量/率增加最多,水文功能最好[54,56]?；旖灰灿绊懥址炙春B(yǎng)能力,油松側(cè)柏與沙棘混交林的枯落物層持水量是純林的6.6倍,平均容水量比純林提高了15.6%,最大、最小和毛管持水量分別比純林高了11%、9.8%、10.5%,儲(chǔ)水量比純林提高了12.4%[57]。

采伐或間伐對(duì)森林冠層水源涵養(yǎng)能力具有顯著負(fù)效應(yīng),郁閉度每降低10%,林冠截留率下降3%左右[58]。間伐可以改善土壤物理性質(zhì)及其持水性能,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤初/穩(wěn)滲率[59],增加土壤入滲量/率[60],從而提高土壤水源涵養(yǎng)功能[56]。也有研究表明,間伐破壞土壤結(jié)構(gòu)[61-62],伐后土壤容重顯著增大,總/毛管孔隙減小而非毛管孔隙增大,土壤自然/毛管持水量、最小和最大持水量皆顯著下降[63],降低了土壤蓄水能力[64]。間伐方式、強(qiáng)度和伐后恢復(fù)時(shí)間顯著影響冠層截留能力,同時(shí)由于間伐造成林冠下層植物結(jié)構(gòu)、組成和生物多樣性的變化,導(dǎo)致林冠下層的水源涵養(yǎng)功能在短期內(nèi)表現(xiàn)為降低趨勢(shì),但在伐后隨著林下植被增加有所恢復(fù)[65]。輕度間伐對(duì)枯落物量和最大持水量無顯著影響,能夠提高凋落物層水源涵養(yǎng)能力[66],也有研究認(rèn)為中等強(qiáng)度間伐能夠促進(jìn)針葉林凋落物分解,進(jìn)而提高凋落物層的水源涵養(yǎng)功能[67],而皆伐后凋落物量及最大持水量均以50%以上的幅度降低[58]。伐后恢復(fù)時(shí)間極大影響上述結(jié)論,間伐后凋落物量明顯下降,持水量及降水?dāng)r蓄量均顯著降低[68],有研究表明伐后10 a,間伐強(qiáng)度40%的森林水文性能最佳[69]。

流域尺度的森林水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為水量和水質(zhì)調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)水量實(shí)現(xiàn)對(duì)河川徑流量的削洪補(bǔ)枯,一般利用管理和未管理森林的徑流量和水質(zhì)對(duì)比實(shí)現(xiàn)量化。有研究認(rèn)為間伐和皆伐均能顯著促進(jìn)流域河川年徑流量的增加[65,70],特別是顯著增加洪峰流量和融雪徑流量[71]。也有研究認(rèn)為管理與河川徑流量之間關(guān)系不顯著或表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[63]。此外,混交可以顯著地減少地表徑流,油松側(cè)柏與沙棘混交林年均產(chǎn)生地表徑流次數(shù)比純林減少近20次,年均徑流量比純林減少了90%[57],將天然林或次生林改造為純林則會(huì)大大減少徑流總量,落葉闊葉林比常綠針葉林能產(chǎn)生更高的年徑流量,也能控制洪水流量[70]。森林管理對(duì)水質(zhì)調(diào)節(jié)的影響在前蘇聯(lián)、日本、美國和我國有少量研究,采伐后森林硝態(tài)氮等氮元素流失量顯著增加,溪水徑流中生化需氧量和氮含量分別增加1.7倍和2.7倍[72]。隨間伐強(qiáng)度的增加,林內(nèi)雨和凋落物層水的pH值均呈下降趨勢(shì),Cd、Pb和Zn濃度均呈增大趨勢(shì),因此,低強(qiáng)度間伐的水質(zhì)調(diào)節(jié)效應(yīng)表現(xiàn)較好[73]。

3.4 森林管理對(duì)生物多樣性的影響

完整、原始的天然林對(duì)于生物多樣性保護(hù)具有特殊價(jià)值[11],因?yàn)槎鄻?、完整的物種組合與功能和系統(tǒng)發(fā)育多樣性有關(guān)[74]。樹種豐富度降低10%,森林生產(chǎn)力平均降低約2.7%[75]。人類活動(dòng)縮小特有種范圍、擴(kuò)大普通物種分布及生物均質(zhì)化,強(qiáng)烈威脅森林生物物種多樣性[76],僅依靠保護(hù)地不足以實(shí)現(xiàn)全球生物多樣性保護(hù)目標(biāo)[77]。森林管理改變生物棲息地及其供給資源的可用性,因管理強(qiáng)度和方向差異而或大或小的影響森林生物多樣性[78-79],比如加強(qiáng)森林管理可能對(duì)各種動(dòng)植物群體產(chǎn)生負(fù)面或不顯著影響[6,80]。森林管理對(duì)物種豐富度的影響與管理措施有密切關(guān)系,有研究得出由好到壞依次為：森林選育保留,減少影響采伐,傳統(tǒng)擇伐,皆伐,農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營,營造用材林,營造薪材林[79]。與傳統(tǒng)采伐相比,森林選育保留對(duì)生物多樣性保護(hù)的效果較好,特別強(qiáng)調(diào)維持物種和結(jié)構(gòu)多樣性[81]。因此,森林管理在保護(hù)全球生物多樣性方面可發(fā)揮重要作用[79,82]。

森林管理對(duì)林下植物多樣性的影響結(jié)論不一致,一般認(rèn)為未管理比管理森林含有更多的物種,特別是真菌、苔蘚、地衣[83],也有研究得出管理森林中維管植物的物種豐富度往往更高[6],還有發(fā)現(xiàn)未管理和管理的林下植物多樣性差別不大[84]。撫育方式和強(qiáng)度影響林下植物種類豐富度、密度、蓋度以及植被結(jié)構(gòu)。間伐能夠提高林下灌木層和草本層植物的豐富度和多樣性[22,85-87],草本層的增加尤其明顯[88]。間伐或可導(dǎo)致草本植物豐度或多樣性的長(zhǎng)期下降[89],或降低林下木本植物的豐富度[90],間伐強(qiáng)度越大,林下植物的種類越豐富,數(shù)量增加越明顯,密度、蓋度和高度也越大[91-92]。弱度、中度間伐提高了群落物種多樣性,而強(qiáng)度間伐則降低了群落物種多樣性[93]。大多數(shù)研究認(rèn)為間伐后林下植物物種多樣性比伐前高,是維持樹種多樣性最好的方式,中度和強(qiáng)度間伐都可促進(jìn)林下植被的良好發(fā)育,隨著伐后時(shí)間延長(zhǎng),植物種類明顯增加[94]。但是,立地條件同時(shí)產(chǎn)生影響,陰坡厚土林在強(qiáng)度間伐后林下植被生物多樣性最高,而陽坡薄土和陽坡厚土在中度間伐條件下灌草生物多樣性最高[95]。

森林管理引起森林結(jié)構(gòu)變化從而決定了森林野生動(dòng)物的種類、數(shù)量和分布。采伐可能導(dǎo)致棲息地碎片化,引起枯木、空洞、根盤等小生境的可用性[6],對(duì)昆蟲等擴(kuò)散能力較弱的物種造成嚴(yán)重后果[96],而線蟲和細(xì)菌受到的影響較小[97]。采伐強(qiáng)度與生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能之間呈凹形關(guān)系,表明即使是低強(qiáng)度干擾也可能導(dǎo)致敏感的甲蟲物種喪失[98]。采伐強(qiáng)度的增加導(dǎo)致大多數(shù)脊椎動(dòng)物物種豐富度的線性下降,而在低采伐強(qiáng)度下觀察到鳥類物種豐富度略有增加[99]。間伐可能降低鳥類的種類和數(shù)量,減少采伐量有望穩(wěn)定老齡林中鳥類的數(shù)量,但迄今為止還不足以扭轉(zhuǎn)其下降趨勢(shì)[100]。也有研究認(rèn)為間伐形成多層郁閉林可以增加鳥類種群數(shù)量,低強(qiáng)度間伐增加了食物供給而不危害靈長(zhǎng)類動(dòng)物。擇伐后,85%—100%的哺乳動(dòng)物、鳥類、無脊椎動(dòng)物和植物物種能夠保留[101]。不同種類對(duì)擇伐的響應(yīng)具有差異,鳥類對(duì)伐木的敏感性比哺乳動(dòng)物低,兩棲類敏感性與采伐強(qiáng)度有關(guān)[102-103]。此外,森林管理對(duì)土壤真菌多樣性、酶活性的影響遠(yuǎn)小于氣候、土壤[104],短期內(nèi)森林管理強(qiáng)度越高,外生菌根和木材棲息物種的多樣性越低[105],也有研究得出歐洲中部未管理森林的枯木真菌孢子物種豐富度低于管理森林[106]。

4 目前研究中存在的爭(zhēng)議

4.1 森林管理能否取得額外氣候效益進(jìn)而有助于氣候緩解目標(biāo)

森林管理或許比造林更有助于實(shí)現(xiàn)1.5℃或2℃升溫控制目標(biāo)[30]。然而,對(duì)于森林管理緩解氣候變化也產(chǎn)生了激烈爭(zhēng)論[14]。傳統(tǒng)采伐或擇伐導(dǎo)致碳排放增加[107-108],而減少影響伐木有利于森林恢復(fù)[101,109],可以改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供[110],如果實(shí)施得當(dāng)可將擇伐造成的全球碳排放量減少30%[107,111]。然而,森林管理亦引起地表反照率與粗糙度、生物揮發(fā)性有機(jī)化合物排放、蒸騰和顯熱通量等變化,從而導(dǎo)致其獲得的碳固定效益被增強(qiáng)、減弱甚至抵消,因此,森林管理可以抵消CO2排放,但不能阻止全球氣溫上升[32,112]。有研究認(rèn)為,目前不確定歐洲可持續(xù)森林管理到21世紀(jì)末能否減少大氣CO2增加、減少大氣頂部輻射不平衡、既不增加近地面氣溫也不減少降水量[32]。故而,通過可持續(xù)森林管理能否獲得額外的氣候效益仍有待確認(rèn)[14,32]。此外,如果維持目前的森林覆蓋率,通過森林管理獲得的額外氣候效益具有適度性和區(qū)域性,而非全球性效益[32]。

4.2 森林管理是否可以有效調(diào)節(jié)流域水文生態(tài)功能

不同氣候、地質(zhì)、植被和地形環(huán)境下,森林管理如何影響河流徑流量,目前沒有統(tǒng)一結(jié)論,有研究認(rèn)為造林可以降低土壤水分,因而森林采伐或疏伐后產(chǎn)水量普遍增加,徑流隨之增加[113],但這種短暫的徑流效益通常只持續(xù)伐后的幾年或最多幾十年[114],也有研究顯示相反效果[115-116]。植被輸送的水是下風(fēng)向區(qū)域降水的重要來源,約占大陸降水量的40%[117],因此,持續(xù)大規(guī)模森林采伐可能導(dǎo)致降水減少,但是這種影響的程度和范圍仍然難以預(yù)測(cè)[118]。森林管理對(duì)徑流影響的不確定性可能會(huì)影響聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中關(guān)于水資源和森林可持續(xù)管理目標(biāo)的政策制定[118-119]。此外,森林管理通常會(huì)對(duì)水質(zhì)造成一定影響[120],采伐后泥沙產(chǎn)量通常會(huì)增加,但擇伐導(dǎo)致泥沙量增加是暫時(shí)的、對(duì)水質(zhì)影響也很小[121]。比如,澳大利亞東南部桉樹采伐顯著地影響徑流量和懸移質(zhì)產(chǎn)沙量,但對(duì)渾濁度的影響不顯著[122]。

4.3 控制森林管理的強(qiáng)度和方向能否發(fā)揮生物多樣性保護(hù)作用

長(zhǎng)期以來,氣候變化、人類干擾等被認(rèn)為是影響森林物種多樣性的主要因素。最新研究表明,森林管理改變棲息地和資源的可用性,必然對(duì)森林生物多樣性產(chǎn)生或大或小的影響[78-79],只是在強(qiáng)度和方向上有所不同。比如,喬木基底面積或土壤微環(huán)境最能反映植物區(qū)系多樣性,基底面積與林下植被多樣性呈負(fù)相關(guān),土壤微環(huán)境與林下植物多樣性呈正相關(guān),但是,林分屬性和土壤微環(huán)境的影響有時(shí)取決于森林管理措施類型[84]。較高的擇伐強(qiáng)度會(huì)降低生物量和物種豐富度,減少影響采伐對(duì)生物豐富度的影響不明確,也可能產(chǎn)生有利結(jié)果[81,107]。從生態(tài)保護(hù)修復(fù)角度而言,我國退耕還林、天然林保護(hù)、防護(hù)林建設(shè)等生態(tài)工程以恢復(fù)森林為主,生物多樣性恢復(fù)只是次要考慮因素,然其巨大規(guī)模決定這些工程也具備潛力對(duì)中國的生物多樣性保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[74],然而,生態(tài)工程是否發(fā)揮生物多樣性保護(hù)作用、潛力如何,皆有待深入探索。

4.4 通過優(yōu)化森林管理是否可以獲得生態(tài)效應(yīng)協(xié)同共贏

追求單一功能的傳統(tǒng)森林管理弱化了其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供并對(duì)森林景觀結(jié)構(gòu)和生物多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響,最終影響人類福祉[123-124]。鑒于全球?qū)δ静某掷m(xù)地巨大需求,僅僅考慮生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性保護(hù),不考慮或優(yōu)先考慮木材生產(chǎn)皆是不可行的[79],需要通過優(yōu)化的森林管理以減少其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響,達(dá)到各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)的協(xié)同提升目標(biāo)[31,105,107]。比如,通過更新枯死木或低產(chǎn)林分、保護(hù)幼芽不受采伐損害、混交鄉(xiāng)土樹種、適度森林采伐等,達(dá)到保留林分和木材生產(chǎn)的雙贏策略[14,28,74],低強(qiáng)度擇伐獲得最優(yōu)生態(tài)效應(yīng)和最差經(jīng)濟(jì)收益,高強(qiáng)度擇伐相反,而中強(qiáng)度擇伐獲得中等收益且產(chǎn)生的生態(tài)影響最小[111]。當(dāng)然,森林管理作為促進(jìn)森林可持續(xù)利用和減少農(nóng)村貧困的一種協(xié)同方式,能否減少森林損失和減輕貧困的爭(zhēng)議未有定論[7]。因此,如何通過改善森林管理獲得木材生產(chǎn)、氣候緩解和生物多樣性等最大收益是值得深入探索的問題[10,111]。

5 未來研究展望

森林管理改變具有緩沖能力的冠層覆蓋及其結(jié)構(gòu)[78],采伐或間伐形成林窗,可能對(duì)森林光照狀況、土壤濕度、空氣溫濕度以及蒸汽壓虧缺產(chǎn)生長(zhǎng)期影響,進(jìn)而改變林內(nèi)小氣候和水分配[125]。同時(shí),森林管理改變土壤理化性質(zhì),進(jìn)而直接或間接影響土壤碳分解對(duì)氣候變化的響應(yīng)以及水文過程[126]。通過森林管理將低產(chǎn)低效森林恢復(fù)至接近本地原始狀態(tài)的完整天然林,是緩解生物多樣性危機(jī)、減緩氣候變化危害、實(shí)現(xiàn)生態(tài)服務(wù)多維供給與可持續(xù)性目標(biāo)的一個(gè)優(yōu)先選擇[11,127]。綜上所述,需要在不同區(qū)域、不同時(shí)空尺度開展各種森林管理生態(tài)效應(yīng)的觀測(cè)試驗(yàn),特別是針對(duì)林齡、郁閉度、林分密度、樹種組成等不同林分結(jié)構(gòu),氣候、地貌、土壤、水文等不同立地條件,管理與非管理以及封育、間伐、擇伐、清除、混交等不同管理措施,以及林下經(jīng)濟(jì)、森林火災(zāi)與病蟲害防治等人為干擾,通過可持續(xù)地森林管理提升我國森林質(zhì)量以及森林的生態(tài)、生產(chǎn)功能。

因此,通過對(duì)研究進(jìn)展及目前存在爭(zhēng)議的解析,森林管理生態(tài)效應(yīng)未來研究應(yīng)聚焦如下幾個(gè)方面：

5.1 優(yōu)化森林管理以應(yīng)對(duì)氣候變化

全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)下,造林/再造林、減少毀林、森林管理等林業(yè)活動(dòng)的氣候變化減緩效應(yīng)有待優(yōu)化,對(duì)于林業(yè)土地利用變化的CO2凈排放量,IPCC評(píng)估報(bào)告的全球模型模擬結(jié)果與UNFCCC國家溫室氣體清單結(jié)果之間存在4Gt差異,其中約3.2Gt源于森林管理導(dǎo)致的森林碳匯估算差異[128]。適度地森林管理意味著,適應(yīng)未來氣候也許需要大規(guī)模改變林分組成和造林方式,既不產(chǎn)生積極也不產(chǎn)生消極的氣候影響,追求生態(tài)系統(tǒng)景觀、結(jié)構(gòu)、功能多樣性[32,129]。

5.2 優(yōu)化森林管理增強(qiáng)流域水文效應(yīng)

森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、水分調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化等水文效應(yīng)極大地影響流域水生態(tài)安全,這種效應(yīng)因森林類型及其管理導(dǎo)致的植被、枯落、苔蘚、土壤層差異而表現(xiàn)不同。因此,森林管理的水文生態(tài)效應(yīng)值得全面深入分析[118],不同區(qū)域、不同森林管理方式與強(qiáng)度對(duì)于不同類型森林及流域水文生態(tài)功能的長(zhǎng)期影響有待深入研究。

5.3 優(yōu)化森林管理促進(jìn)生物多樣性保護(hù)

維持或改善生物多樣性是可持續(xù)森林管理的一個(gè)重要目標(biāo)[130],以木材為主的森林管理與保護(hù)森林生物多樣性并不矛盾[131],故而優(yōu)化森林管理可能作為自然保護(hù)地以外全球生物多樣性保護(hù)的重要補(bǔ)充[132-133]。因此,定量了解不同區(qū)域、不同管理措施對(duì)生物多樣性的影響,對(duì)于協(xié)調(diào)生物多樣性保護(hù)和經(jīng)濟(jì)利益至關(guān)重要[81]。從保護(hù)角度,還需要研究管理對(duì)森林生物群落棲息地的氣候適宜性[134]。

5.4 優(yōu)化森林管理的多維協(xié)同生態(tài)效應(yīng)

優(yōu)化森林管理的目標(biāo)是形成完整的近自然林[11],以增加結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、保持大樹和林冠間隙以促進(jìn)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給[9],管理良好的完整森林對(duì)于穩(wěn)定陸地碳儲(chǔ)量、保護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)水文狀況和提供其他生態(tài)功能極為重要[135],也有助于減輕低收入?yún)^(qū)域的貧窮,支持聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[127]。如何優(yōu)化森林管理獲得協(xié)同生態(tài)效應(yīng),有待深入研究。