張英豪,毛炎新,奉國強(qiáng)

(國家林業(yè)局經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心,100714,北京)

不同密度控制下油松人工林的生態(tài)效益評估

張英豪,毛炎新,奉國強(qiáng)

(國家林業(yè)局經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心,100714,北京)

采用分布式測算方法,建立山西太岳山不同密度調(diào)整強(qiáng)度油松人工林的生態(tài)效益評估指標(biāo)體系,并參照相關(guān)價格參數(shù),評估不同密度調(diào)整強(qiáng)度下油松人工林涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧和林木積累營養(yǎng)物質(zhì)等4種生態(tài)效益。結(jié)果表明:1)對照林分(CK)、輕度調(diào)整(LT)、中度調(diào)整(MT)和重度調(diào)整(HT)4種林分生態(tài)效益分別為5 822.98、6 188.82、6 731.21和5 515.38元/(hm2·a),其中LT、MT較CK分別提高了6.28%和15.60%,HT較CK降低了5.28%；2)生態(tài)效益主要以固碳釋氧效益為主,其次為林木積累營養(yǎng)物質(zhì)效益,涵養(yǎng)水源和保育土壤效益所占比例較小。評估結(jié)果對山西太岳山地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動具有一定的借鑒意義和實(shí)際應(yīng)用價值,可以為華北山地森林的可持續(xù)經(jīng)營管理提供科學(xué)可靠的理論基礎(chǔ)和切實(shí)可行的技術(shù)指導(dǎo)。

密度控制；油松人工林；生態(tài)效益；物質(zhì)量；價值量

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在保持水土、涵養(yǎng)水源、改善環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候等方面發(fā)揮著重要作用。人工林是世界森林資源重要的組成部分,隨著人工林面積和蓄積量的持續(xù)增加,人工林在全球氣候變化中占據(jù)了越來越重要的位置[1]。而通常情況下,我國人工林初始種植密度過大,林分結(jié)構(gòu)較差,生態(tài)效益沒有得到充分發(fā)揮。通過管理林分密度,改善林地的微氣候、養(yǎng)分循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)的活力等[2-4],改善態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益。合理的密度可使林內(nèi)的光、水、熱及土壤養(yǎng)分狀況得到改善,使林分發(fā)揮最大的生態(tài)效益[5-7]。

油松(Pinus tabulaeformis)人工林是我國北方地區(qū)最重要的森林生態(tài)系統(tǒng)之一,山西太岳山是我國油松的典型分布區(qū),20世紀(jì)50—60年代,該區(qū)營造了大面積油松人工純林,因初植密度過大,以及經(jīng)營管理滯后,導(dǎo)致現(xiàn)有林分過密,成為典型的低產(chǎn)低效林。合理的密度可顯著提升林分生態(tài)效益,是提升人工林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益的重要措施。前期研究表明:光照是限制油松凈光合速率的關(guān)鍵因子,最大凈光合速率、凈光合速率日均值、暗呼吸、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)隨林分密度減小而增大[8]；油松人工林水文效應(yīng)受林分密度影響[9]；油松人工林土壤呼吸速隨林分密度減小而增加,土壤碳輸入和輸出也均隨林分密度減小而增大[10-11],油松人工林土壤具有較大的增匯潛力,對油松人工幼齡林進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芏日{(diào)整可以增大土壤碳匯功能[12]:但這些研究大都是單一的植物生理、生態(tài)學(xué)研究,缺乏從整合研究的角度對生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益進(jìn)行評價。筆者以山西太岳山油松人工林為研究對象,以不同的密度梯度調(diào)控來量化人為干擾的強(qiáng)度,研究不同密度油松人工林生態(tài)效益的變化,探索油松人工公益林多功能經(jīng)營技術(shù)新模式。

1 研究地概況

馬泉林場位于太岳林區(qū)東側(cè),沁源縣東部。東與沁縣甕城山林場接壤,南與馬西林場毗鄰,西與候神嶺林場相接,北與龍泉、伏牛山兩林場相鄰。地理坐標(biāo)為E112°18′～112°33′,N36°31′～36°44′。全場東西寬約20 km,南北長約32.5 km。林場地勢東北高、西南低,大部分海拔在1 100～1 500 m之間。林場境內(nèi)海拔800～1 400 m,巖石主要為砂巖,屬低山區(qū)。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,具有一年四季明顯,冬季少雪干旱,春季多風(fēng)干燥,夏季雨量集中的特點(diǎn),氣候溫和干燥,年平均氣溫約8.3℃,日均溫≥10℃的年積溫2 700℃左右,年降水量650 mm,多集中在7、8月,年日照時間2 600 h,無霜期125 d。土壤主要為淋溶褐土和褐土。馬泉林場人工林優(yōu)勢樹種為油松,油松人工林占森林面積的95.2%,是山西省涵養(yǎng)水源用材林基地之一。灌木主要有毛葉三裂繡線菊(Spiraea trilobata)、懸鉤子(Rubus corchorifolius)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和杠柳(Periploca sepium)等,草本層主要有細(xì)葉苔草(Carex rigescens)、火絨草(Leontopodium leontopodioides)和大油芒(Spodiopogon sibiricus)等。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于山西太岳山馬泉林場宋家溝。1994年春,在生長有繡線菊、沙棘、胡枝子等灌叢植被的山地上沿等高線穴狀整地,栽植3年生油松苗,初植密度為6 000株/hm2。2011年初,選擇西南坡坡向、中下坡位、坡度20°、生長狀況相似的地段進(jìn)行密度調(diào)控處理。處理1(CK)密度為6 000株/ hm2,處理2(LT)密度為4 800株/hm2,處理3(MT)密度為4 200株/hm2,處理4(HT)密度為3 600株/ hm2。每個處理各設(shè)立3塊20 m×20 m的樣地,共設(shè)置12個樣地。每個樣地之間有10 m的過渡帶。2013年生長旺盛期,對4種不同處理的樣地進(jìn)行了復(fù)查。樣地基本情況見表1。

2.2 評價方法

根據(jù)LY/T 1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[13]的評估指標(biāo)及其計算公式,開展涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養(yǎng)物質(zhì)4項功能的生態(tài)效益評估。

表1 油松人工林不同密度樣地概況Tab.1 General situation of stands in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

涵養(yǎng)水源功能主要是指森林地降水的截留、吸收和貯存,將地表水轉(zhuǎn)化為地表徑流或地下水的作用,主要功能表現(xiàn)在增加可利用的水資源、凈化水質(zhì)和調(diào)節(jié)徑流3方面。本研究選取調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)2個指標(biāo),反映山西油松人工林在不同經(jīng)營模式下的涵養(yǎng)水源功能。

森林保育土壤是指林中活地被物和凋落物層截留降水、降低水滴對地表土的沖擊和地表徑流的侵蝕作用；同時林木根系固持土壤,防止土壤崩塌瀉溜,減少土壤肥力損失以及改善土壤結(jié)構(gòu)的功能。由此,森林的保育土壤功能可以通過土壤侵蝕程度表現(xiàn)出來,對于山西油松人工林不同經(jīng)營措施下的保育土壤功能的評價主要從固土和保肥2方面來進(jìn)行。

森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧是指通過植被、土壤動物和微生物固定碳素,釋放氧氣的功能,這對維持大氣中二氧化碳和氧氣的動態(tài)平衡、減少溫室效應(yīng)有著巨大和不可替代的作用。本研究選取固碳量、釋氧量2個指標(biāo)反映山西油松人工林固碳釋氧功能。

本研究對于山西油松人工林林木積累營養(yǎng)物質(zhì)量主要通過計算每年數(shù)目吸收的營養(yǎng)物質(zhì)——氮(N)、磷(P)、鉀(K)主要營養(yǎng)元素來體現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 涵養(yǎng)水源效益評估

結(jié)果(表2)表明:CK、LT、MT、HT 4種密度油松人工林的地表徑流量分別為4.44、5.12、3.64和5.87 mm/a,占降雨總量的0.75%、0.86%、0.61%和0.99%；蒸散量分別為412.23、419.56、408.67和410.96 mm/a,占降雨總量的 69.86%、71.10%、69.25%和69.64%。其中:通過地表徑流流出的水量所占比例較小,平均占總降雨量0.81%,大部分水量以蒸散形式散失,平均占69.96%。通過水量平衡公式計算,4種密度油松人工林單位面積的年調(diào)節(jié)水量分別為8.67、8.27、8.89和8.66 m3,MT處理下的水源涵養(yǎng)量最大,較對照多涵養(yǎng)水量0.22 m3,HT和LT2種處理水源涵養(yǎng)量均低于對照。從不同密度調(diào)整的林分地表徑流量差異可以看出, MT林分的地表徑流量較其他林分的小,因此,MT林分減緩洪水能力最強(qiáng)。

表2 不同密度油松人工林涵養(yǎng)水源物質(zhì)量Tab.2 Matter amount of water conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

4種密度油松人工林涵養(yǎng)水源價值量如表3所示,CK、LT、MT、HT的年涵養(yǎng)水源價值分別為100.07、95.45、102.58和99.98元/(hm2·a)。其中:年調(diào)節(jié)水量價值分別為73.19、69.81、75.03和 73.12元/(hm2·a)；年凈化水質(zhì)價值分別為26.88、25.64、27.56和26.86元/(hm2·a)。綜上所述,MT處理的水源涵養(yǎng)效益最優(yōu),較CK提高效益1.87%；其次是HT和LT,較CK降低了5.21%和0.72%。

表3 不同密度油松人工林涵養(yǎng)水源價值量Tab.3 Value of water conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

3.2 保育土壤效益評估

4種密度油松人工林保育土壤物質(zhì)量如表4所示。CK、LT、MT、HT4種密度油松人工林減少土壤流失量在2.3 t左右,固土量由大到小依次表現(xiàn)為CK＞LT＞MT＞HT。由于不同密度油松人工林的土壤各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,MT林分有機(jī)質(zhì)、氮(N)、磷(P)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最大,CK林分鉀(K)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,與固土量的大小分布結(jié)果存在一定差異；綜合4種組分之后的結(jié)果顯示,保育土壤各組分物質(zhì)量大小依次表現(xiàn)為MT＞HT＞CK＞LT。

表4 不同密度油松人工林保育土壤各組分物質(zhì)量Tab.4 Matter amount of soil conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities kg/(hm2·a)_

對4種密度油松人工林的固土量和各組分價值量進(jìn)行核算之后,結(jié)果如表5所示。CK、LT、MT、HT年保育土壤價值量分別為228.92、228.75、267.00和232.30元/(hm2·a)。MT處理保育土壤效益為最優(yōu),較CK提高了16.63%；其次為HT,較CK提高了1.48%；LT較CK效益降低了0.07%。

表5 不同密度油松人工林保育土壤價值量Tab.5 Value of soil conservation in P.tabulaeformis plantation with different stand densitiesyuan/(hm2·a)

3.3 固碳釋氧效益評估

對固碳釋氧生態(tài)效益的評價以年凈初級生產(chǎn)力(NPP)為基礎(chǔ)進(jìn)行評估。4種密度油松人工林的固碳釋氧物質(zhì)量如表6所示,CK、LT、MT、HT單位面積的年凈初級生產(chǎn)力分別為1.763、1.885、2.041和1.643 t/(hm2·a)。其中:LT、MT的年凈初級生產(chǎn)力分別比對照多0.122和0.278 t/(hm2·a),HT的年凈初級生產(chǎn)力比對照低0.120 t/(hm2·a)。4種密度油松人工林年固碳量分別為0.968、1.027、1.122和0.951 t/(hm2·a)。其中:植被固碳占各處理固碳總量在76.76%～81.60%之間,土壤固碳在18.40%～23.24%之間；年釋氧量分別為2.098、2.244、2.428和1.955 t/(hm2·a)。

CK、LT、MT、HT固碳釋氧價值量分別為3 965.13、4 229.96、4 591.69和3 758.30元/(hm2·a) (表7)；LT、MT的固碳釋氧效益分別比CK處理提高了6.68%和15.80%,HT較CK降低了5.22%。

3.4 林木積累營養(yǎng)物質(zhì)效益評估

通過實(shí)測林分年凈生產(chǎn)力及林木各組分養(yǎng)分元素含量,得到林木營養(yǎng)年積累量。4種密度油松人工林的林木積累營養(yǎng)物質(zhì)量如表8所示。CK、LT、MT、HT林木年積累氮元素物質(zhì)量分別為54.052、57.792、62.575和50.373 kg/(hm2·a)；磷元素物質(zhì)量分別為6.722、7.188、7.782和6.265 kg/(hm2·a)；鉀元素物質(zhì)量分別為19.088、20.409、22.098和17.789 kg/(hm2· a)；不同密度油松人工林之間的3種元素積累量均表現(xiàn)為MT＞LT＞CK＞HT。其中,林木積累總營養(yǎng)物質(zhì)量LT和MT較對照多5.527和12.593 kg/(hm2·a)。HT比對照少5.435 kg/(hm2·a)。

表6 不同密度油松人工林固碳釋氧物質(zhì)量Tab.6 Matter amount of carbon fixation and oxygen release in P.tabulaeformis plantation with different stand densitiest/(hm2·a)

表7 不同密度油松人工林固碳釋氧價值量Tab.7 Value of carbon fixation and oxygen release in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

表8 不同密度油松人工林林木積累營養(yǎng)物質(zhì)量Tab.8 Matter amount of nutrient accumulation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities kg/(hm2·a)

CK、LT、MT、HT林木年積累營養(yǎng)物質(zhì)價值量分別為1 528.86、1 634.66、1 769.94和1 424.80元/ (hm2·a)(表9)。4種密度油松人工林的林木積累營養(yǎng)物質(zhì)效益總體表現(xiàn)為MT＞LT＞CK＞HT,其中LT、MT較CK分別提高了6.92%和15.77%,HT較CK降低了6.81%。

表9 不同密度油松人工林林木積累營養(yǎng)物質(zhì)價值量Tab.9 Value of nutrient accumulation in P.tabulaeformis plantation with different stand densities yuan/(hm2·a)

3.5 不同密度油松人工林生態(tài)效益評估

對4種密度油松人工林的涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧和林木積累營養(yǎng)物質(zhì)等4種生態(tài)效益進(jìn)行了核算。結(jié)果表明,4種生態(tài)效益的分布(圖1)中:固碳釋氧效益所占比例最大,平均達(dá)到了68.20%；其次為林木積累營養(yǎng)物質(zhì)效益,平均占比26.20%；涵養(yǎng)水源和保育土壤效益所占比例較小,平均占1.65%和3.95%。綜合4種類型的生態(tài)效益后,4種不同密度油松人工林的總體效益表現(xiàn)為MT＞LT＞CK＞HT。其中 LT、MT較 CK分別提高了6.28%和15.60%,HT較CK降低了5.28%。

圖1 不同密度油松人工林生態(tài)效益價值量Fig.1 Value of ecological effects in P.tabulaeformis plantation with different stand densities

4 結(jié)論

CK、LT、MT、HT的年涵養(yǎng)水源價值分別為100.07、95.45、102.58和99.98元/hm2；年保育土壤價值量分別為228.92、228.75、267.00和232.30元/hm2；固碳釋氧價值量分別為 3 965.132、4 229.96、4 591.69和3 758.30元/hm2；林木年積累營養(yǎng)物質(zhì)價值量分別為 1 528.86、1 634.66、1 769.94和1 424.80元/hm2。

CK、LT、MT、HT的生態(tài)效益分別為5 822.98、6 188.82、6 731.21、5 515.38元/(hm2·a),輕度和中度調(diào)整林分總生態(tài)效益較對照林分提高6.28%和15.60%。不同密度油松人工林各項生態(tài)效益價值量中,固碳釋氧效益所占比例最大,其下依次為林木積累營養(yǎng)物質(zhì)效益、涵養(yǎng)水源效益和保育土壤效益。由于強(qiáng)度調(diào)整的年凈初級生產(chǎn)力比對照低0.120 t,因此強(qiáng)度調(diào)整林分總生態(tài)效益較對照林分降低了5.28%。

油松林是華北地區(qū)溫性針葉林的代表類型,油松是山西省最主要的造林樹種之一,面積約占全省林地總面積的33%,多為中幼齡林,由于初始種植密度過大,林分結(jié)構(gòu)較差,生態(tài)效益沒有得到充分發(fā)揮。根據(jù)不同密度調(diào)整強(qiáng)度生態(tài)效益變化分析結(jié)果得出,中等強(qiáng)度密度調(diào)整可有效加強(qiáng)油松人工林的可持續(xù)經(jīng)營水平,提高林分生產(chǎn)力和生態(tài)功能。林分密度調(diào)整和生態(tài)功能之間的反映有一定的滯后性,同時由于密度調(diào)整時間較短,林分生長指標(biāo)變化幅度小,本研究僅是一些初步的結(jié)果。在今后的研究中將加強(qiáng)監(jiān)測,進(jìn)一步加強(qiáng)林分密度管理措施,提高現(xiàn)有林地生態(tài)功能功效。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Evaluation of ecological benefits in Pinus tabulaeformis plantation with different stand densities

Zhang Yinghao,Mao Yanxin,Feng Guoqiang
(Economic Development Research Center of the State Forestry Administration,100714,Beijing,China)

Pinus tabulaeformis Carr.,a prominent species in forest plantations of Shanxi Province,is a common coniferous species in the cool temperate zone of North China and plays a very important role in soil and water conservation and improving soil fertility in North China mountainous regions.Based on the distributed measurement method,we suggest an assessment system for the ecological benefit value of P. tabulaeformis plantation with unthinned(CK),light(LT),medium(MT)and high intensity(HT) thinning in Maquan Foresty of Taiyue Forest Bureau's Shanxi,China.And with reference to some related price parameters,accuracy analysis and evaluation were made to P.tabulaeformis plantation with different stand densities from the perspective of ecological benefit.The results showed that the value of water conservation followed the order of MT(102.58 yuan/(hm2·a))＞CK(100.07 yuan/(hm2·a))＞HT(99.98 yuan/(hm2·a))＞LT(95.45 yuan/(hm2·a)).The values of soil conservation in CK, LT,MT and HT were 228.92,228.75,267.00 and 232.30 yuan/(hm2·a),respectively.The total annual value of carbon fixation and oxygen release was 3 965.13 yuan/(hm2·a)in CK,4 229.96 yuan/ (hm2·a)in LT,4 591.69 yuan/(hm2·a)in MT,and 3 758.30 yuan/(hm2·a)in HT.Value of nutrient accumulation ranged from 1 424.80 yuan/(hm2·a)in HT to1 769.94 yuan/(hm2·a)in MT. Overall,the ecological benefit had notable difference at four densities,having the order of medium thinning stand＞low thinning stand＞control stand＞high thinning stand.The ecological benefit of low thinning and medium thinning stands were increased by 6.28%and 15.60%than control stand.In contrast,the ecological benefit of high thinning stand was 5.28% lower than control stand.The ecological benefit mainly came from carbon fixation and oxygen release.Our evaluation results havecertain contribution and practical application value to the forestry management and production activities in the Taiyue Mountain area.It also provides scientific and reliable theoretical basis and practical technical guidance for the sustainable management of forests in North China.

tree density；Pinus tabulaeformis plantation；ecological benefit；matter amount；value of ecological benefit

S718.56

A

1672-3007(2015)04-0080-06

2015- 04- 22

2015- 06- 24

張英豪(1973—),女,工程師。主要研究方向:林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。E-mail:yinghao731016@163.com