按樹人工林采伐跡地更新模式對比及其生態(tài)效應(yīng)評價(jià)

0 引言

桉樹原產(chǎn)于澳大利亞，是世界著名的速生材樹種。桉樹在我國已有130多年的種植歷史。國家林業(yè)和草原局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國桉樹人工林種植面積已達(dá)480萬 ，占速生豐產(chǎn)用材林總面積的 35% 。選擇合適的按樹采伐跡地更新模式對林分生產(chǎn)力的持續(xù)發(fā)揮和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要[1。國際林業(yè)研究機(jī)構(gòu)研究表明，不同的采伐方式會(huì)對更新苗的根系發(fā)育和生長速率產(chǎn)生顯著的影響。長期監(jiān)測結(jié)果顯示，不同采伐方式下土壤質(zhì)量變化存在顯著差異，國內(nèi)相關(guān)研究證實(shí)，采伐作業(yè)對水土保持效應(yīng)具有重要影響。這些研究成果為按樹人工林采伐更新技術(shù)的改進(jìn)提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。研究選擇廣西壯族自治區(qū)國有三門江林場作為試驗(yàn)基地，通過建立采伐更新試驗(yàn)示范區(qū)，探索適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的按樹人工林采伐更新模式。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為 ，極端最高溫度為 ，極端最低溫度為 。年降水量為 ，年日照時(shí)數(shù)為1650h ，無霜期長達(dá) 325d 。該地區(qū)的地形以低山丘陵為主，海拔在 。土壤類型以紅壤和黃壤為主，其 $＼mathrm{＼DeltapH}$ 值介于 4.8～6.2 ，王層厚度 40～ 120cm 。研究區(qū)桉樹林分為2008年種植的尾葉桉，這些樹木平均胸徑為 22.3cm ，平均樹高為 18.5m ，郁閉度為0.85，林分蓄積量為 。林下植被種類多樣，主要包括芒萁、蕨類、野古草等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

2020年12月，在三門江林場125林班采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置機(jī)械化采伐和人工采伐2種處理，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，每個(gè)樣地面積為 30m×30m 。樣地之間設(shè)置 10m 寬的隔離帶。所選樣地地形坡度控制在 ，確保各樣地立地條件一致。樣地四角采用混凝土管樁進(jìn)行標(biāo)記，并用GPS記錄具體坐標(biāo)位置。

1.2.2 調(diào)查指標(biāo)

更新苗生長指標(biāo)包括存活率、苗高、地徑、生物量、根冠比等多個(gè)方面。存活率調(diào)查采用全面調(diào)查方法，每個(gè)樣地選擇100株更新苗進(jìn)行標(biāo)記和跟蹤觀察。苗高和地徑每3個(gè)月測量一次。生物量調(diào)查采用收獲法進(jìn)行，每個(gè)樣地隨機(jī)選擇10株更新苗并對其進(jìn)行全株收獲和稱量。根冠比則是通過稱量根系和地上部分的質(zhì)量計(jì)算獲得。

林地環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)包括土壤理化性質(zhì)、水分狀況、凋落物現(xiàn)存量等。土壤取樣的采集采用多點(diǎn)混合取樣法，每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，并按照 0～10cm 、10～20cm？20～40cm 三個(gè)不同層次取樣[3。土壤理化指標(biāo)包括容重、孔隙度、pH值、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效養(yǎng)分含量等。土壤水分采用時(shí)域反射儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。調(diào)落物調(diào)查采用 樣框收集法。

1.2.3 生物多樣性調(diào)查

研究采用樣方法調(diào)查林下植物群落組成和物種多樣性。在樣地內(nèi)分別設(shè)置 5m×5m 的喬木幼樹樣方 的灌木樣方、 的草本樣方，每個(gè)處理重復(fù)5次。記錄物種名稱、數(shù)量、高度、蓋度等指標(biāo)。計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。

1.3采伐作業(yè)方式

1.3.1 機(jī)械化采伐

機(jī)械化采伐采用卡特彼勒320D2GC型液壓挖掘機(jī)改裝的采伐機(jī)進(jìn)行作業(yè)。采伐機(jī)配備 旋轉(zhuǎn)抓木器、液壓鋸切裝置和自動(dòng)集材裝置。在作業(yè)時(shí)，采用定向伐倒技術(shù)，確保伐倒方向能夠得到有效控制，以免對保留木和更新苗造成損傷[4]。采伐作業(yè)從上坡到下坡方向進(jìn)行，集材道間距控制在 25m 。伐樁高度控制在 15cm 以下，采伐現(xiàn)場及時(shí)清理集材。采伐作業(yè)嚴(yán)格按照《森林采伐作業(yè)規(guī)程》（LY/T1646—2005）的技術(shù)要求執(zhí)行。

1.3.2 人工采伐

人工采伐采用油鋸伐倒，人工集材。作業(yè)人員經(jīng)過專門培訓(xùn)，持證上崗。采用定向伐倒技術(shù)，設(shè)置安全防護(hù)區(qū)域。伐樁高度控制在 20cm 以下。人工集材采用人力搬運(yùn)和滑木道運(yùn)輸相結(jié)合的方式，全程注意保護(hù)更新苗和林地植被。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。樣地間差異顯著性采用單因素方差分析（One-wayANOVA）檢驗(yàn)，多重比較采用LSD法。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)。在計(jì)算物種多樣性指數(shù)時(shí)，采用R軟件vegan程序包。所有數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 研究結(jié)果分析

2.1不同采伐作業(yè)方式下更新苗生長狀況

2.1.1 更新苗存活情況

機(jī)械化采伐區(qū)更新苗存活率始終高于人工采伐區(qū)，見表1。2種采伐方式下更新苗存活率均隨時(shí)間的推移呈逐漸下降的趨勢。機(jī)械化采伐區(qū)存活率下降幅度小于人工采伐區(qū)。機(jī)械化采伐區(qū)24個(gè)月存活率（ 87.6% 明顯高于人工采伐區(qū)（ 76.3% ）。統(tǒng)計(jì)分析表明，采伐方式對更新苗存活率的影響在各個(gè)時(shí)期均具有顯著性差異 （Plt;0.05） 。

2.1.2 更新苗生長量

機(jī)械化采伐區(qū)更新苗各項(xiàng)生長指標(biāo)均優(yōu)于人工采伐區(qū)，見表2。機(jī)械化采伐區(qū)更新苗平均苗高比人工采伐區(qū)高出 14.4% 。此外，機(jī)械化采伐區(qū)地徑也顯著大于人工采伐區(qū)。機(jī)械化采伐區(qū)更新苗單株生物量平均達(dá)到了 456.8g ，高出人工采伐區(qū)18.6% 。根冠比數(shù)據(jù)表明，機(jī)械化采伐區(qū)更新苗根系發(fā)育較好。

2.2 不同采伐作業(yè)方式對林地環(huán)境的影響

2.2.1 土壤理化性質(zhì)變化

機(jī)械化采伐對土壤理化性質(zhì)的影響程度大于人工采伐，見表3。機(jī)械化采伐區(qū)土壤容重增加較為明顯，表層土壤增幅達(dá)到 16.8% 。此外，機(jī)械化采伐區(qū)土壤孔隙度也出現(xiàn)較大幅度下降。在有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面，2種采伐方式均有所下降，但機(jī)械化采伐區(qū)下降幅度更為顯著，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相似。

2.2.2 水分狀況變化

機(jī)械化采伐區(qū)土壤含水量普遍低于人工采伐區(qū)，見表4。土壤含水量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征。夏季是降水集中時(shí)期，土壤含水量最高。2種采伐方式的土壤含水量差異在表層土壤中更為顯著。

2.2.3林下植物群落特征

人工采伐區(qū)林下植物群落多樣性指數(shù)高于機(jī)械化采伐區(qū)，見表5。植物群落物種組成調(diào)查記錄顯示，維管束植物有52科86屬125種，群落優(yōu)勢種包括芒萁、野古草、細(xì)葉芒等。人工采伐區(qū)植物種類數(shù)量和分布均勻度均優(yōu)于機(jī)械化采伐區(qū)。

2.3 更新模式的經(jīng)濟(jì)效益分析

2.3.1 作業(yè)成本構(gòu)成

機(jī)械化采伐和人工采伐在成本方面具有顯著性差異。機(jī)械化采伐前期采伐設(shè)備投人成本較高，但后期工作效率較高。相反，人工采伐前期設(shè)備投入較小，但后期需要大量人力，因此，后期人工成本較高。由此可見，機(jī)械化采伐綜合成本低于人工采伐成本，見表6。

2.3.2 木材產(chǎn)出效益

機(jī)械化采伐木材產(chǎn)出效益明顯高于人工采伐， 見表7。機(jī)械化采伐量和木材價(jià)格均高于人工采 伐，且機(jī)械化采伐損耗率和材質(zhì)貶值率均低于人工 采伐。

2.3.3 綜合經(jīng)濟(jì)效益

機(jī)械化采伐綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于人工采伐，見表8。機(jī)械化采伐純收益高出人工采伐純收益的 29.7% O機(jī)械化采伐的產(chǎn)出比為1：2.85，人工采伐的投入產(chǎn)出比為1：2.32。

3討論與結(jié)論

研究在按樹人工林采伐更新技術(shù)方面有3項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。定向伐倒與自動(dòng)化集材的組合不僅解決了傳統(tǒng)采伐中的技術(shù)難題，還揭示了林地土壤壓實(shí)與更新苗生長之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械化采伐導(dǎo)致的表層土壤壓實(shí)，是制約更新苗生長的主要環(huán)境因素，生物炭一腐殖酸組合處理能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，使表層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升 18.6% 這一發(fā)現(xiàn)為解決機(jī)械化采伐的生態(tài)影響提供了新的技術(shù)思路。根系調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，土壤改良措施顯著促進(jìn)了更新苗的根系發(fā)育，細(xì)根生物量增加了23.5% ，根系活力提高了 。此外，研究發(fā)現(xiàn)的坡度、土壤含水量等因素實(shí)際反映了當(dāng)前采伐機(jī)械設(shè)備的技術(shù)短板，特別是在坡度大于 的區(qū)域，機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性和作業(yè)精度都會(huì)顯著下降。這些問題需要通過改進(jìn)設(shè)備性能和優(yōu)化作業(yè)工藝來解決，比如開發(fā)新型履帶系統(tǒng)提高設(shè)備通過性或者采用智能控制技術(shù)提升作業(yè)精度。

研究結(jié)果顯示，大型機(jī)械采伐作業(yè)存在顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。年采伐量5萬 是機(jī)械化作業(yè)的經(jīng)濟(jì)臨界點(diǎn)，這一發(fā)現(xiàn)為林場機(jī)械化改造提供了決策依據(jù)。經(jīng)濟(jì)效益分析表明，在達(dá)到臨界點(diǎn)規(guī)模后，機(jī)械化采伐的單位成本每增加 經(jīng)濟(jì)效益可降低 2.8% 。采伐規(guī)模、立地條件與經(jīng)濟(jì)效益的定量關(guān)系明確了目前按樹人工林機(jī)械化采伐的適用范圍，也為未來的技術(shù)改進(jìn)指明了方向。此外，土壤改良措施雖然增加了作業(yè)成本，平均每公頃增加投人2500元，但通過提高更新苗成活率獲得了更好的長期經(jīng)濟(jì)效益，投資回收期通常在 。這種投人產(chǎn)出關(guān)系的量化分析對優(yōu)化采伐作業(yè)方案具有重要的指導(dǎo)意義。機(jī)械化采伐在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面還表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，如采伐損傷率降低了62% ，材質(zhì)貶值率降低了 41% O

目前的研究結(jié)果主要來源于三門江林場的數(shù)據(jù)。在推廣應(yīng)用時(shí)，需要考慮不同地區(qū)的實(shí)際情況和環(huán)境特點(diǎn)。特別是在坡度較大的山地環(huán)境中，機(jī)械化采伐技術(shù)的難度和環(huán)境影響都需要進(jìn)一步驗(yàn)證。不同土壤類型對機(jī)械化采伐也存在差異，如紅壤區(qū)域的土壤恢復(fù)周期明顯長于黃壤區(qū)域。林分密度和立地類型也會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的作業(yè)效率，因此，需要建立更完善的作業(yè)參數(shù)體系。研究建議重點(diǎn)開展以下工作。 ① 優(yōu)化采伐機(jī)械設(shè)備的接地壓力參數(shù)，將目前的 85kPa 降低到 $65＼mathrm{＼kPa}$ 以下； ② 開發(fā)適應(yīng)山地地形的專用設(shè)備，重點(diǎn)解決橫向穩(wěn)定性問題； ③ 探索更高效的土壤改良技術(shù)，研究不同改良材料的組合效應(yīng)； ④ 建立長期定位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以評價(jià)采伐作業(yè)的生態(tài)影響。這些工作的實(shí)施對提升桉樹人工林經(jīng)營水平具有重要意義。特別需要注意的是，在推廣機(jī)械化采伐技術(shù)時(shí)，必須根據(jù)不同地區(qū)的具體條件制定相應(yīng)的作業(yè)規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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