撫育間伐對川西高海拔地區(qū)柳杉人工林生態(tài)效益的影響

胡佳怡,王瑞輝,劉凱利,張 斌,周鈺淮,李雪惠,龔映勻

(中南林業(yè)科技大學 林學院,長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 中亞熱帶林學國家長期科研基地,長沙 410004)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有固碳釋氧、調節(jié)氣候、保持水土等[1]諸多生態(tài)功能。川西地區(qū)由于海拔較高,部分區(qū)域常年有冰雪覆蓋,土層沙化嚴重,森林生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[2]。該地造林應立足于森林可持續(xù)發(fā)展,促進生物多樣性,提升地力水平,以構建更加穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)。柳杉(Cryptomeriafortunei)作為川西地區(qū)的主要造林樹種之一,具有生長迅速、樹形通直等優(yōu)點。早期柳杉造林主要以經濟效益為導向,未能考慮到川西高海拔地區(qū)的立地特殊性,加之缺乏專業(yè)性的指導,造林密度過大[3],導致目前的柳杉人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、生態(tài)效益低下、經濟效益不高,嚴重制約了柳杉人工林的可持續(xù)發(fā)展。

撫育間伐是改善森林結構、提升森林質量的重要手段,其能改變林分內光照、溫度和水分等微環(huán)境,緩解林木競爭,促進林木根系生長以及林下生物多樣性。已有研究表明,適度間伐可以促進林木個體生長和林分蓄積量的增加[4],調整林分結構[5],提高林分的生產力[6],促進林下植被更新[7]。趙衍征等[8]以落葉松(Larixgmelinii)天然次生林為研究對象,認為35.5%的間伐強度對林分結構特征的改善最有利；龔映勻等[9]通過對柳杉間伐研究后發(fā)現(xiàn),中等間伐強度對促進柳杉生長和增加土壤有機質含量的效果最好；潘秉林等[10]以13a生光皮樺(Betulaluminifera)為研究對象,認為26.4%的間伐強度有利于促進林分生長、提升土壤肥力；董凱麗等[11]通過對濕地松(Pinuselliottii)人工林研究后發(fā)現(xiàn),間伐與未間伐相比,林木徑階分布曲線的峰值明顯向右偏移,短期內林下植物多樣性明顯增加。撫育間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的,但現(xiàn)有研究大多僅考慮單個因素或少數幾個因素,較少從生態(tài)系統(tǒng)整體上對撫育間伐對生態(tài)效益的影響進行綜合評價,評價方法也較為單一。因此,深入探究撫育間伐對林木生長、林下植被發(fā)育和土壤理化性質等因子影響的規(guī)律及各因子之間的互作關系,以生態(tài)效益整體優(yōu)化為出發(fā)點篩選出最佳間伐強度,是目前森林質量提質改造的重要課題,對于高海拔生態(tài)脆弱地區(qū)柳杉人工林,此類研究更具有重要意義。

本文以9a生川西高海拔地區(qū)柳杉人工林為研究對象,設置4種間伐強度處理,從林分特征因子、林下植被多樣性、地表徑流和土壤理化性質等4個方面,探究撫育間伐對柳杉人工林生態(tài)效益的影響,利用層次分析法和熵權法建立評價體系,對不同間伐強度的生態(tài)影響進行評價,以生態(tài)效益最佳為目的確定適宜的撫育間伐強度,為川西地區(qū)柳杉人工林的可持續(xù)經營提供可借鑒的依據。

1 樣地概況

樣地位于四川省雅安市雨城國有林場羊子嶺工區(qū)(29°40 ′～30°14′N,102°51′～103°12′E),海拔約為1 500m。樣地所在的邛崍山脈二郎山支脈大相嶺,氣候屬于常年濕潤多雨的亞熱帶季風性氣候,年平均氣溫13℃,溫差小,年平均降雨1 800mm,降雨量大。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

在2015年11月選擇9a生柳杉人工純林為研究對象,林相和立地條件基本一致。按株數強度設置4個梯度處理,分別為:對照樣地(CK,0%)、輕度間伐(T1,20%)、中度間伐(T2,35%)、重度間伐(T3,50%),每處理3個重復,共12個樣地,樣地面積為20m×30m。對間伐樣地采用克拉夫特法對林木進行分級,按間伐強度依次伐去IV級木、V級木和部分Ⅲ級木,間伐木全部運出林地,對照樣地不作任何處理。樣地設置后,進行每木檢尺和相關因子調查,此后每年對樣地進行調查。間伐后樣地基本概況如表1所示。

表1 樣地基本情況表

2.2 評價指標及觀測方法

1)林分特征因子:胸徑采用每木檢尺法測定,起測直徑為5cm,樹高采用樹高曲線法,樣株樹高用測高器測定。根據樣株的胸徑和樹高,采用回歸分析方法和非線性度量誤差模型分析方法,擬合杉木樹高曲線模型,將直徑代入樹高曲線模型,得到樹高。蓄積量根據樣地單株材積進行合計計算,計算各指標在2015—2020年的變化量。二元立木材積公式為:

V=0.000058777042D1.9699831H0.89646157

(1)

式中:V為單株立木材積(m3),D為各胸徑(cm),H為樹高(m)。

2)林下植被多樣性:林下植被調查采用樣方法。在樣地4個邊角處選擇有代表的地塊設置2m×2m的灌木樣方,并在各灌木樣方內設置1m×1m的草本樣方,所有樣方均用PVC管固定4個角,確保兩次調查的樣方相同。然后,分別計算林下植被的豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和、Simpson生態(tài)優(yōu)勢度指數和Pielou均勻度指數。計算各指標在2015—2020年的變化量。公式如下:

R=S

(2)

Pi=ni/N

(3)

(4)

(5)

Pielou指數:JSW=H/lnS

(6)

式(2)—(6)中:R為物種豐富度指數；Pi為第i種的相對密度；D為Simpson指數；H′為Shannon-Wiener指數；JSW為Pielous均勻度指數；S為樣方中出現(xiàn)的物種數；N為所有物種的個體數之和,ni為第i個物種的個體數,i=1,2,…,S。

3)土壤理化性質:土壤物理性質采用環(huán)刀法取樣,在各研究樣地中,分別找出具有代表性的地段,挖3個剖面,在0～20cm深度利用100cm3環(huán)刀垂直插入各剖面采集原狀土,3個重復,測定土壤容重、最大持水率和孔隙度；同時在每個點采集一定量0～20cm深度土壤,測定水解氮、速效鉀和有效磷等。計算各指標2015—2020年的變化量。

4)地表徑流因子:利用徑流小區(qū)法,沿樣地中線順坡方向設置長10m、寬2m的矩形小區(qū),邊界用金屬板圍實,金屬板高出地面10～20cm,埋入地下30cm；小區(qū)底端設置集流槽、導流管、集流桶。觀測得到2015—2020年樣地內的地表沖刷量和徑流量,據此計算徑流系數。

2.3 評價體系構建

層次分析法[12]可以體現(xiàn)行業(yè)專家專業(yè)角度的評價標準,熵權法[13]可以體現(xiàn)不同指標客觀上的權重屬性,將兩者的賦值平均后得到綜合賦值[14],用于評價。

層次分析法的評價體系包括目標層、準則層和方案層,本研究的目標層為最佳生態(tài)效益,準則層包括林分特征因子、林下植被多樣性、土壤理化性質、地表徑流因子,方案層為4種間伐強度。專家根據不同指標的重要性對不同指標進行兩兩比較,以此構建判斷矩陣,通過計算得到每個指標在準則層所占的權重。

熵權法通過對各項指標的實際數據建立判斷矩陣,根據該矩陣算出各項指標的客觀權重。熵值越大,表明該指標提供的有效信息越多,該項指標在實際實施中越起作用,熵值越小,其所能提供的有效信息越少,其作用越小。

綜合權重的計算方法如下:

Wj=0.5Wj1+0.5Wj2

(7)

式中:Wj為第j個指標的綜合權重,Wj1為第j個指標的主觀權重,Wj2為第j個指標的客觀權重。

2.4 生態(tài)效益綜合評價

根據單因素方差分析所得的最大值和最小值,將各指標的具體數值平均劃分為5個區(qū)間,表示5個不同的評價等級。根據各指標對生態(tài)效益的影響情況,將指標分為正向指標和負向指標[15]。再按百分制對不同指標進行打分,評價等級及得分依次分為好(100)、較好(80)、中(60)、較差(40)和差(20)。不同處理的生態(tài)效益評價得分公式如下:

(8)

式中:Ai為第i種間伐強度的生態(tài)效益評價得分；Xij為第i種間伐強度的第j個指標的區(qū)間得分；Wj為第j個指標的綜合權重。

3 結果與分析

3.1 層次分析法建立判斷矩陣和一致性檢驗

邀請森林培育、生態(tài)和水土保持的多位專家對影響生態(tài)效益的因子進行打分,分別構建生態(tài)效益(表2)、林分特征因子(表3)、林下植被多樣性(表4)、土壤理化性質(表5)和地表徑流因子(表6)判斷矩形。各判斷矩陣的CR均小于0.1,說明各判斷矩陣均具有一致性,可用作指標權重計算。

表2 生態(tài)效益評價判斷矩形

表3 林分特征因子判斷矩陣

表4 林下植被多樣性判斷矩陣

表5 土壤理化性質判斷矩陣

表6 地表徑流因子判斷矩陣

3.2 撫育間伐對林分特征因子的影響

由表7可知,2015—2020年柳杉胸徑生長量和單株材積增長量表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK,樹高生長量表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK,不同處理之間均具有顯著差異(P<0.05)。蓄積年增長量為T2>T1>T3>CK,間伐與對照樣地有顯著差異(P<0.05),不同間伐強度之間無顯著性差異(P>0.05)。由此可見,間伐可以顯著促進胸徑和單株材積增長,在一定范圍內促進樹高和蓄積量的增長。

表7 2015—2020年林分特征因子指標變化量

由表8可知,對林分因子進行權重賦值后,胸徑年生長量(0.373 6)>樹高年生長量(0.278 6)>蓄積量(0.180 4)>單株材積(0.167 4)。林分特征因子中,胸徑的重要值最高,單株材積的重要值最低。

表8 林分特征因子指標權重值

3.3 撫育間伐強度對林下植被多樣性的影響

由表9可知,2015—2020年林下植被豐富度指數變化量為T3>T2>T1>CK,CK與間伐樣地均有顯著性差異(P<0.05),T3與T1有顯著性差異(P<0.05),與T2有差異不顯著(P>0.5)；Shannon-Wiener多樣性指數為T3>T1>T2>CK,CK與T1,T3有顯著性差異(P<0.05),與T2差異不顯著(P>0.5),間伐樣地之間無顯著性差異(P>0.5)；Simpson優(yōu)勢度指數為T3>T2>T1>CK,CK與T1,T3有顯著性差異(P<0.05),與T2無顯著性差異(P>0.5),T3與T1,T2均有顯著性差異(P<0.05)；Pielou均勻度指數為T3>T1>T2>CK,T3與CK,T1,T2之間均有顯著性差異(P<0.05),而CK,T1,T2相互之間均無顯著性差異(P>0.5)。由此可見,撫育間伐對林下植被多樣性具有促進作用,重度間伐促進作用最大,效果最好,輕度間伐對Simpson優(yōu)勢度指數和Pielou均勻度指數促進作用較小。

表9 2015—2020年林下植被多樣性指標變化量

由表10可知,對林下植被多樣性進行權重賦值后,其指標權重排序為:Shannon-Wiener多樣性指數(0.318 9)>Pielou 均勻度指數(0.256 4)>物種豐富度指數(0.223 0)>Simpson優(yōu)勢度指數(0.201 8),Shannon-Wiener多樣性指數的重要值最高,Simpson優(yōu)勢度指數的重要值最低。

表10 林下植被多樣性指標權重值

3.4 撫育間伐對土壤理化性質的影響

由表11可知,2015—2020年土壤水解氮變化量為T1>T3>T2>CK,CK與T1,T3有顯著性差異(P<0.5),與T2無顯著性差異(P>0.5),不同間伐強度之間均有顯著性差異(P<0.5)。土壤速效鉀變化量為T1>T2>CK>T3,CK與T1之間有顯著性差異(P<0.5),與T2,T3之間差異不顯著(P>0.5)。土壤有效磷變化量為CK>T2>T1>T3,CK與T1,T2,T3之間均有顯著性差異(P<0.5)。土壤容重減少量與最大持水率增加量均為T3>T1>T2>CK,CK與T1,T2,T3均有顯著性差異(P<0.5),不同間伐強度無顯著性差異(P>0.5)?？偪紫抖茸兓繛門2>T1>T3>CK,CK與T1,T2有顯著性差異(P<0.5),T3與其他處理之間均差異不顯著(P>0.5)。這表明,間伐可以在一定程度上增加土壤水解氮和速效鉀含量,輕度間伐效果最佳,但間伐可能導致土壤有效磷的流失；同時,間伐可以有效改善土壤物理性質,但不同間伐強度之間的差異達不到顯著水平。

表11 2015—2020年土壤理化性質指標變化量

由表12可知,對土壤理化性質進行權重賦值后,其指標權重排序為:容重(0.215 5)>總孔隙度(0.193 4)>有效磷(0.177 9)>最大持水率(0.164 6)>速效鉀(0.148 6)>水解氮(0.100 0)。土壤理化性質中,容重的重要值最大,水解氮含量的重要值最低。

表12 土壤理化性質指標權重值

3.5 撫育間伐對地表徑流的影響

由表13可知,2015—2020年度地表沖刷量CK>T1>T3>T2,CK與T1無顯著性差異(P>0.5),與T2和T3有顯著性差異(P<0.05),這表明間伐對減少土壤沖刷有一定的作用,一定范圍內間伐強度越大,其效果越好。徑流系數和徑流量為CK>T3>T1>T2,CK與間伐樣地均有顯著性差異(P<0.05),T1與T2,T3與T2之間有顯著性差異(P<0.05),這表明間伐對減少地表徑流有明顯的作用,中度間伐效果最好。

表13 2015—2020年度地表徑流量

由表14可知,對地表徑流進行權重賦值后,其指標權重排序為:沖刷量(0.487 1)>徑流系數(0.262 7)>徑流量(0.250 2)。地表徑流指數中,沖刷量的重要值最高,徑流量的重要值最低。

表14 地表徑流指標權重值

3.6 評價等級標準劃分

依據表7,9,11,13,將各指標進行等級區(qū)間劃分并賦值。其中土壤容重、沖刷量、徑流系數和徑流量為負向指標,其它均為正向指標。評價等級如表15所示。

表15 各指標生態(tài)效益評價等級

3.7 綜合評價

根據層次分析法和熵權法計算得各指標的生態(tài)效益綜合權重,再與區(qū)間賦值相結合得表16。由表16可知,柳杉人工林生態(tài)效益評價重要值得分排序為林分特征因子(0.384 4)>土壤理化性質(0.254 6)>林下植被多樣性(0.242 8)>地表徑流因子(0.118 2)；將各處理單項得分與各指標層的綜合權重進行綜合計算,得分排序為T3(71.6分)>T2(70.4分)>T1(58.9分)>CK(28.8分)。即重度間伐和中度間伐的柳杉人工林生態(tài)效益最佳,其次為輕度間伐,對照樣地的生態(tài)效益最差。

表16 生態(tài)效益指標權重值及評價得分

4 結論與討論

4.1 結論

本研究設置4個間伐強度處理,研究撫育間伐對9a生柳杉人工林生態(tài)效益的影響,利用層次分析法和熵權法對生態(tài)效益各指標進行評價。研究表明,間伐5年后,柳杉林分特征因子能得到顯著改善,林分的胸徑和樹高年生長量、單株材積和林分蓄積年增長量間伐與對照均有顯著差異,其中T3得分最高。同時,間伐促進了林下植被的生長,5年后,間伐樣地林下植被多樣性各指標相比對照樣地均有所提高,其中T3的物種豐富度、Shannon-Wiener 多樣性指數、Simpson 生態(tài)優(yōu)勢度指數和 Pielou 均勻度指數與CK 均有顯著性差異,得分最高。相比對照樣地,間伐樣地的土壤容重減小、土壤孔隙度和持水率均有所增長,土壤化學性質中土壤水解氮含量、速效鉀含量均有提升,但有效磷含量有所降低；從整體來看,T2對土壤物理性質改善效果最佳,T1對土壤化學性質的改善效果最佳,兩者土壤理化性質得分均較高。本次研究也發(fā)現(xiàn),間伐相較于對照地表徑流量均有所減少,其中T2,T3與CK在沖刷量、徑流系數和徑流量上均有顯著差異,其中T2的得分最高。4種間伐強度的綜合得分重度間伐和中度間伐較高,分別為71.6和70.2；其次為輕度間伐,得分為58.9；最低為對照樣地,得分為28.8?？梢?間伐可以提高柳杉人工林的生態(tài)效益,35%和50%的間伐強度效果最好。

4.2 討論

國內許多學者從不同角度對撫育間伐成效進行過較多研究,麻秀新等[16]、劉仁東等[17]對柳杉人工林進行撫育間伐試驗,發(fā)現(xiàn)間伐可以顯著促進柳杉生長、增加林分蓄積量；在杉木撫育間伐的成效研究方面,研究的學者更多,王友良等[18]、張丹丹[19]認為撫育間伐可以提高土壤有機質和水解氮含量,趙蘇亞等[20]、徐占勇等[21]認為撫育間伐可以增加林下植被多樣性；張?zhí)餥22]、周曉光[23]通過對不同林分進行撫育間伐后認為,間伐可以從多方面改善生態(tài)效益。目前多數學者的研究與本次的試驗結果較為一致,但對生態(tài)效益提升效果最佳的間伐強度,不同的研究有所不同,這可能是由于樹種、立地環(huán)境、初始密度等方面的差異造成的。

對于處于生長旺期密度過大的森林,合理的撫育間伐能夠提升森林的生態(tài)效益,這是許多研究者的共識。因為間伐可以調整林分結構,促進林木胸徑與樹高生長,增加林內大徑級林木的比例[24]。通過間伐,林分郁閉度降低,林窗打開后,林內光照增加,有利于林下植物的生長,林內光照增加不僅為多種植物生長創(chuàng)造了條件,同時可以提高土壤溫度,促進土壤內的微生物活動,加速枯落物分解,從而改善土壤的理化性質[25]。林內植物的生長、枯落物的增加和土壤理化性質的改善還可以提高林地的水文效應,例如,地表濺蝕減少、地表徑流降低、水源涵養(yǎng)增強等[26]。川西高海拔山區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[27],柳杉人工林的存量較大,森林質量不高,撫育間伐作為提升森林質量的關鍵舉措,在該地區(qū)顯得尤其重要。本研究表明,中度間伐和重度間伐對提高柳杉人工林的生態(tài)效益效果較好,但由于研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)具有一定脆弱性,部分試驗數據也表明,重度間伐可能導致土壤理化性質變差、水土流失短期內增加,間伐強度過大有可能對林內原有耐陰植物生長不利。因此,在對高海拔柳杉人工林進行撫育間伐時,在中度間伐和重度間伐的效果總體上接近的情況下,宜盡量采用中度間伐,即9a生柳杉人工林間伐后保留密度1 750/hm2株左右。

本研究從林分特征因子、林下植被多樣性、地表徑流和土壤理化性質等4個方面評價了撫育間伐對生態(tài)效益的影響,森林的生態(tài)效益還包括凈化空氣、固碳釋氧等方面,今后還可以進一步拓寬研究的內容。同時,人工林撫育間伐效果是具有時間效應的,適宜的間伐間隔期也是一個需要研究的問題。本研究的觀測年限為5年,對于撫育間伐對森林生態(tài)效益的長期影響還需要進行持之以恒的定位觀測。