蘇文會,朱曉武,2,范少輝,曾憲禮,劉廣路

(1.國際竹藤中心國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102；2.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,昆明 650224)

采伐對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響綜述

蘇文會1,朱曉武1,2,范少輝1,曾憲禮1,劉廣路1

(1.國際竹藤中心國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100102；2.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,昆明 650224)

采伐既是收獲林產(chǎn)品,也是森林撫育的重要內(nèi)容,對森林質(zhì)量與可持續(xù)經(jīng)營意義重大。綜述了各種采伐方式對森林結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、生物多樣性及土壤質(zhì)量等森林生態(tài)系統(tǒng)要素的影響,旨在引起人們對合理森林采伐措施的重視。結(jié)合經(jīng)營目標(biāo)和森林現(xiàn)狀,提出合理的采伐方式與強(qiáng)度,以期在獲得林產(chǎn)品的同時保障森林可持續(xù)經(jīng)營與森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

采伐；森林生態(tài)系統(tǒng)；影響

森林作為地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),是全球基因庫、碳貯庫、蓄水庫和能源庫[1],森林質(zhì)量直接影響著全球生態(tài)平衡。森林采伐是指對成熟林分或林分中成熟林木進(jìn)行收獲作業(yè),也包括對中幼林的撫育采伐。合理采伐對森林可持續(xù)經(jīng)營至關(guān)重要,對森林資源有效利用、生物多樣性恢復(fù)、質(zhì)量提升及森林綜合功能的全面維持等方面意義重大。森林采伐既有以獲取木材為目的的主伐,也有以高效培育為目的的撫育采伐,在收獲林產(chǎn)品的同時,也改變了森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,因此,探討采伐對林地土壤、層次結(jié)構(gòu)、生物多樣性及林分生產(chǎn)力等方面的影響與作用方式,進(jìn)而進(jìn)行有效調(diào)控,對提升森林質(zhì)量、產(chǎn)品輸出能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

1 森林采伐內(nèi)涵及應(yīng)用

根據(jù)采伐時期和采伐目的,森林采伐主要包括中幼林的撫育采伐和成熟林的主伐[2]。國家標(biāo)準(zhǔn)《森林撫育規(guī)程》(GB/T15781-2015)對采訪方式類型有明確闡述,我國森林撫育采伐方式分主要包含透光伐、疏伐、生長伐和衛(wèi)生伐,而主伐方式主要有皆伐、擇伐和漸伐。

撫育采伐伐是改善林分結(jié)構(gòu)、提高森林質(zhì)量和生產(chǎn)力水平的的重要措施。透光伐通過伐除密度較大林分內(nèi)的部分林木,使得保留木能夠獲取足夠的生存空間和陽光,有利于保留木的生長。李俊清等[3]對紅松人工林采用透光伐,發(fā)現(xiàn)半透林和全透林都使紅松的蓄積量增加,且半透林利于目的樹種的生長,而全透林利于提高主要樹種的保存率以及闊葉樹的天然更新。疏伐能夠降低林分密度,且有利于林木結(jié)實(shí)、提升種子品質(zhì),增加種子的出種率和發(fā)芽率等[4]。生長伐的目的是加速林木生長,采取生長伐為主的綜合撫育方式在林分平均胸徑、平均樹高和蓄積等因子上甚至優(yōu)于疏伐、割灌除草等[5]。衛(wèi)生伐是一種特殊的撫育間伐方式,主要對林分衛(wèi)生狀況較差尤其是遭受病蟲危害的林分進(jìn)行針對性采伐,對于防止病蟲害大面積爆發(fā)具有顯著作用[6]。

主伐中3種采伐方式在生產(chǎn)實(shí)踐中均有較多應(yīng)用,其對森林的影響差異較明顯。皆伐是指在采伐期內(nèi),將伐區(qū)內(nèi)的全部樹木砍除[7],呂海龍等[8]對小興安嶺地區(qū)低質(zhì)林分進(jìn)行改造,發(fā)現(xiàn)水平帶狀皆伐、垂直帶狀皆伐以及林窗帶狀皆伐對低質(zhì)林分的改造效果明顯,林木的存活率達(dá)到90%以上。擇伐后的林分,由于破壞較小,森林生態(tài)系統(tǒng)不但可以穩(wěn)定保持,甚至有利于林分的更新發(fā)育,還可有效避免風(fēng)倒等自然災(zāi)害[9]。胡云云等[10]對天然云冷杉林采用強(qiáng)度為20%、周期為6年的擇伐,天然云冷杉林能保持較好的徑級結(jié)構(gòu)。漸伐是按照森林天然更新的發(fā)展過程進(jìn)行的,不僅為林分更新提供了豐富的種源,也為種子的發(fā)芽成苗、幼苗幼樹的生長發(fā)育提供了較好的條件,同時也可在較短時間內(nèi)獲得較多木材[11]。

2 采伐對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.1 對林分結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的影響

對于森林生態(tài)系統(tǒng)而言,其內(nèi)部存在一些較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)規(guī)律,在未受到自然或人為干擾的情況下,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定并持續(xù)發(fā)展。采伐作為一種干擾形式,改變了林分密度與林木分布,必然對森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力產(chǎn)生影響,并且受到采伐方式和采伐強(qiáng)度的影響。

2.1.1 對林分結(jié)構(gòu)的影響

采伐對林分結(jié)構(gòu)的影響較大,在林分的生長發(fā)育階段,由于林分密度過大時,郁閉度高,地上部分、地下部分營養(yǎng)空間日趨擁擠,林木間競爭激烈,種間關(guān)系矛盾劇烈,林分的結(jié)構(gòu)混亂,主次地位不明顯,造成系統(tǒng)總體發(fā)育狀況下降,采伐能有效緩解林木間的矛盾,使得光照、水分、養(yǎng)分等分配利用更合理,并且能有效改善林木的種間、種內(nèi)關(guān)系以及生態(tài)環(huán)境,優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)[12-13],而且一定程度的采伐有利于培養(yǎng)大徑級木材[14-15]。撫育間伐通過伐除病害木、生長不良木以及草灌,突出目的樹種的主導(dǎo)地位,使林分的結(jié)構(gòu)層次明顯,養(yǎng)分、水分的利用更加合理化；而主伐作為林分成熟后收獲林產(chǎn)品的采伐方式,也對于林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化起到了明顯的促進(jìn)作用。但是當(dāng)采伐強(qiáng)度過大時,林分密度減小,增加了其它物種的入侵機(jī)會,導(dǎo)致林分結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[16],這不利于林分生長。合理的密度結(jié)構(gòu)對林分生長非常重要,結(jié)合林分實(shí)際生長狀況,通過采伐調(diào)控適宜的林分密度結(jié)構(gòu),是促使林木良好發(fā)育的主要手段之一[17]。采伐調(diào)節(jié)林分結(jié)構(gòu)來合理分配養(yǎng)分、水分、光照等資源的最終目的就是為了提高林分的整體質(zhì)量,在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時兼顧生態(tài)效益。不同經(jīng)營目標(biāo)的林分,所需要的林分結(jié)構(gòu)不一樣,以生產(chǎn)大徑材為主的林分需要較低的林分密度,因此需要較高的采伐強(qiáng)度,但是以生產(chǎn)薪材為主要目的薪炭林則采伐強(qiáng)度較低,以維持較高的林分密度,因而只有適宜的采伐強(qiáng)度才能對目標(biāo)林分的結(jié)構(gòu)起到優(yōu)化調(diào)整作用。

2.1.2 對林分生產(chǎn)力的影響

采伐作為一種重要的干擾形式和撫育措施,直接影響著林分質(zhì)量與生產(chǎn)能力,且與采伐目標(biāo)和強(qiáng)度直接相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn),林分生產(chǎn)力與采伐強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,但過度采伐又會導(dǎo)致系統(tǒng)生產(chǎn)力的降低[18]。撫育采伐以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)林分為主要目標(biāo),為成林后獲取高質(zhì)量的木材做準(zhǔn)備。在一定的強(qiáng)度內(nèi),隨著采伐強(qiáng)度的增加,撫育采伐能使目的樹種的胸徑增加,單株材積生長量也增加,但是達(dá)到一定強(qiáng)度之后,林木單株材積增加的正效應(yīng)彌補(bǔ)不了林木株數(shù)減少的負(fù)效應(yīng),因而導(dǎo)致林分的總蓄積量減少。主伐以收獲林產(chǎn)品為主要目標(biāo),過度采伐多數(shù)情況下會對林分后續(xù)生產(chǎn)力造成負(fù)面影響,影響程度與采伐強(qiáng)度直接相關(guān)[19]。一般而言,低強(qiáng)度的采伐,林分郁閉度變化相對較小,林內(nèi)光照、溫度、濕度變化緩和,對林木生長有利,蓄積量增加,林分生產(chǎn)力提高[20-21]；而強(qiáng)度或極強(qiáng)度采伐則使林冠稀疏、光照驟然增強(qiáng),溫濕度變化劇烈,大大增加了草本植物侵入機(jī)會,養(yǎng)分等競爭增大,使林分生產(chǎn)力受到影響。因此,針對不同的林分采取適宜強(qiáng)度的采伐有利于提高生產(chǎn)力,而不同坡度帶的林分,其養(yǎng)分、水分、氣候及保留密度不同,其所適應(yīng)的采伐強(qiáng)度亦有所差異[22],生產(chǎn)中采伐作業(yè)應(yīng)考慮到實(shí)際情況。

2.2 對森林土壤的影響

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是動植物賴以生存的根本,同時,林木通過蒸騰、呼吸等新陳代謝活動及土壤微生物活動、凋落物分解、養(yǎng)分循環(huán)等方式反作用于土壤。采伐通過改變林木組成和系統(tǒng)能量分配,會對森林土壤微環(huán)境、理化性能及其質(zhì)量帶來影響。

2.2.1 對土壤微生物的影響

作為土壤的重要生物因子,土壤微生物在土壤中通過生命活動進(jìn)行代謝,時刻發(fā)生氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等生化作用,推動土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化,具有極高的靈敏性,是反映土壤質(zhì)量、人類干擾以及土地利用變化最為敏感的指標(biāo)之一,是整個生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分和能源循環(huán)的“關(guān)鍵”和“動力”,同時也是土壤養(yǎng)分重要的源庫。在林分采伐的過程中,由于林內(nèi)小氣候環(huán)境的變化,采伐會對土壤微生物的分布、活性以及多樣性造成影響。

相關(guān)研究表明,采伐對土壤微生物量及活性影響顯著[23-25]。林地進(jìn)行采伐后,微生物生物量顯著增多,主要分布在0～20cm土層,0～10cm尤其集中,并且微生物的活性也增強(qiáng)。林地采伐后,光照增加,林內(nèi)小氣候得到改善,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,凋落物積累多,分解有機(jī)質(zhì)的微生物多,并且微生物的活性提高；當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度之后,土壤結(jié)構(gòu)破壞,林下凋落物減少,水分養(yǎng)分流失,導(dǎo)致微生物的數(shù)量以及活性都降低。龍濤[26]研究了采伐與土壤微生物種類的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)采伐顯著降低了林分土壤微生物的多樣性,可能是因?yàn)槲⑸锓N類與土壤養(yǎng)分和碳氮比等因子密切相關(guān),采伐后,林地的溫濕度等環(huán)境變化加速了土壤養(yǎng)分消耗,從而影響到碳氮比,進(jìn)而影響了土壤微生物的生物多樣性。

2.2.2 對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

林分采伐后,郁閉度降低,光照增強(qiáng),溫濕度發(fā)生變化,尤其是高強(qiáng)度采伐使林地表層裸露,對太陽輻射的吸收量增加,導(dǎo)致地表溫度升高,采伐殘留物、枯枝落葉和地被物分解加速,同時,林地水分散失量和晝夜溫差增大,直接影響到土壤理化性能。

采伐對土壤化學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為養(yǎng)分和pH值變化。盧偉等[27]在大興安嶺林區(qū)落葉松林進(jìn)行采伐作業(yè)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),采伐使林地有機(jī)質(zhì)含量分別增加40.7%和20.3%,銨態(tài)氮分別增加2.1%和2.0%,全氮分別增加38.9%和22.2%,采伐改善了土壤的化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分含量。張泱等[28]對小興安嶺低質(zhì)林進(jìn)行不同采伐強(qiáng)度的改造試驗(yàn)得出采伐后林分的化學(xué)性質(zhì)變化明顯,養(yǎng)分含量明顯高于對照樣地,且隨著時間推移,差異越來越明顯,林地總體化學(xué)性能逐漸改善。而宋啟亮等[29]對林地皆伐后發(fā)現(xiàn),采伐后林地有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量均有所下降,土壤pH值升高。采伐對土壤化學(xué)性能的影響與采伐強(qiáng)度直接相關(guān)[30],高強(qiáng)度的采伐可能會降低土壤養(yǎng)分含量和土壤微生物多樣性。

采伐會導(dǎo)致林分土壤的pH值升高[31]。由于采伐使林地表面裸露,降低了林冠對雨水的截留消能作用,坡面徑流增大,使林地有機(jī)物礦化釋放的可溶性物質(zhì)隨徑流流失,大量酸性物質(zhì)隨雨水流失,因而導(dǎo)致土壤pH值升高。但也有研究表明,林分經(jīng)采伐后,到達(dá)林地的太陽輻射量增大,溫度升高,土壤水分蒸發(fā)和腐殖質(zhì)分解速度加快,經(jīng)過一定時間的恢復(fù),森林土壤的pH值逐漸降低,且土壤總體化學(xué)性能提高[32],說明采伐在某些條件下可能有利于森林更新。

2.2.3 對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性能主要包括土壤容重、孔隙狀況和持水性等,其性能的高低能夠影響土壤化學(xué)性質(zhì)以及土壤微生物的生存。有研究表明,中低強(qiáng)度的采伐對土壤物理性質(zhì)雖有影響,但影響不顯著[33-37],由于采伐后林分光照及溫濕度的變化,加之采伐作業(yè)中的壓踏干擾,土壤物理性質(zhì)發(fā)生著不同程度的改變。林分經(jīng)采伐后林地的土壤容重略有增加,其余各項(xiàng)指標(biāo)均有所改善。隨著采伐強(qiáng)度的增加,土壤容重逐漸增加,但毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和最大持水量等物理性質(zhì)指標(biāo)均逐漸降低,當(dāng)達(dá)到一定采伐強(qiáng)度之后,由于集材運(yùn)輸以及土壤裸露等原因,易使土壤板結(jié),排水透氣等性能下降,導(dǎo)致土壤退化。因此,合理的采伐對土壤物理性狀的改變是有利的。

2.3 對林地生物多樣性的影響

采伐對森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性有很大的影響,豐富的生物多樣性有利于森林生態(tài)系統(tǒng)功能的進(jìn)化,是保持森林生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定的基礎(chǔ)保證,研究采伐對林分生物多樣性的影響是制定科學(xué)森林撫育措施的重要依據(jù)。

近年來,關(guān)于采伐對林下植被物種多樣性的研究相對較多,科學(xué)采伐改善了林內(nèi)的光照等條件,導(dǎo)致林內(nèi)的小氣候、養(yǎng)分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,植物間養(yǎng)分競爭力降低,物種得到更好的生長空間,生物多樣性增加[38]。大量研究表明,撫育采伐和主伐都能增加林分物種多樣性,并且不同強(qiáng)度的采伐導(dǎo)致物種多樣性發(fā)生不同程度的變化,隨著采伐強(qiáng)度的增大物種多樣性呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢[39-45]。采伐改變了林木的年齡結(jié)構(gòu)及組成,同時改變了林分的光照等環(huán)境條件,這有利于其他物種的入侵,豐富植物種類,利于提高低質(zhì)林的物種多樣性,當(dāng)采伐達(dá)到一定強(qiáng)度后,光照溫度的劇烈變化,使得林分內(nèi)的一些物種不再適應(yīng),林分結(jié)構(gòu)破壞過大,對林分的穩(wěn)定性造成的影響較大,導(dǎo)致原有的一些物種消失,雖然經(jīng)過較長時間的恢復(fù),林分結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定,但是林分的主要特征相比之前仍有差異,林分的多樣性也發(fā)生變化[46],因此,人為干擾強(qiáng)度過大會降低林分的生物多樣性；而低強(qiáng)度的采伐雖然對林分影響最小,但是植物多樣性的變化也較小,所以林分采用中強(qiáng)度的采伐,對于林分的生物多樣性提高是最有益的。

3 評述與展望

森林既可以作為生態(tài)公益林保護(hù)環(huán)境,又可以為人類提供木材等一系列林產(chǎn)品,不僅能提供生活必需品還能增加收入,是人類發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的一部分。采伐對森林結(jié)構(gòu)、生物多樣性、土壤質(zhì)量以及整個森林生態(tài)系統(tǒng)影響較大,針對不同經(jīng)營目標(biāo)和不同生長階段和環(huán)境下的林分,科學(xué)的采伐措施對森林健康成長具有促進(jìn)作用。但是由于人類對林產(chǎn)品等森林資源日益增長的迫切需求與現(xiàn)存森林資源生產(chǎn)水平低下的矛盾激烈,導(dǎo)致生產(chǎn)實(shí)踐中大量采取不合理的采伐方式以期獲取較多的森林資源,這對森林資源造成了極大的破壞和浪費(fèi),因此加強(qiáng)科學(xué)合理的森林采伐方式研究,對森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展顯得格外迫切。鑒于此,應(yīng)該在以下幾個方面進(jìn)一步深入研究。

首先,不同地力條件、經(jīng)營目標(biāo)及目標(biāo)樹種的科學(xué)撫育采伐研究。我國資源種類豐富,地理環(huán)境以及氣候變化復(fù)雜,不同地理?xiàng)l件下不同樹種間伐的方式、時期、強(qiáng)度都不一樣,現(xiàn)階段研究的采伐方式主要針對國內(nèi)種植面積較大的部分傳統(tǒng)造林樹種,且以獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益為經(jīng)營目標(biāo),對許多其他具有良好生態(tài)價(jià)值的優(yōu)良樹種還研究較少,這與新時期加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的社會大環(huán)境有悖,因此加強(qiáng)不同地理?xiàng)l件下多樹種兼顧多效益的科學(xué)合理的撫育采伐方式研究很有必要。

其次,不同采伐方式對森林土壤微生物影響機(jī)制研究。森林土壤微生物的分布及活性在揭示森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動具有重要意義,目前,采伐對森林土壤微生物的分布、活性等的研究較少,因此,進(jìn)一步研究采伐對森林土壤微生物分布及活性的影響機(jī)制對于林分的合理采伐具有現(xiàn)實(shí)意義。

第三,主伐作業(yè)對森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。近年來,國內(nèi)外關(guān)于主伐對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響陸續(xù)開展了較多研究,尤其是對主伐方式的探討逐步深入。皆伐作業(yè)盡管效率高、收獲量大,但對于林地?fù)p傷程度也大,易造成水土流失,對環(huán)境破壞較重,研究者們普遍認(rèn)同擇伐有利于維持森林生態(tài)系統(tǒng)高效持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。然而,擇伐也有其明顯劣勢,費(fèi)時費(fèi)力,成本較高,不利于機(jī)械化作業(yè),在人工費(fèi)迅速攀升的今天,擇伐效率低、成本高的缺陷更為突出。因此,根據(jù)森林類型和經(jīng)營目標(biāo),小面積皆伐、皆伐與擇伐結(jié)合使用可能是更為理智的選擇。針對不同類型的林分進(jìn)一步研究合理的森林采伐體系極為重要,在保障林產(chǎn)品穩(wěn)定高效輸出的同時,又有利于維持森林生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)雙贏目標(biāo)。

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Review of Effects of Harvesting on Forest Ecosystem

SU Wenhui1,ZHU Xiaowu1,2,FAN Shaohui1,ZENG Xianli1,LIU Guanglu1

(1.InternationalCentreforBambooandRattan;KeyLaboratoryofScienceandTechnologyofBambooandRattan,StateForestryAdministration,Beijing100102,China;2.ForestryCollegeofSouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

Harvesting can obtain forest products,and it's also an important part of forest tending,so it has a great significance to the forest’s quality and sustainable management.This paper reviewed the effects of various cutting methods on forest ecosystem structure,productivity,biodiversity and soil quality and other factors,in order to cause people to pay more attention to reasonable forest harvesting measures,and people need proposals on reasonable cutting methods and intensities according to the objectives and current status of forest management,in order to obtain forest products and ensure sustainable forest management and the stability of forest ecological system at the same time.

harvesting,forest ecological system,influence

2017-03-16；

2017-05-10

國家重點(diǎn)計(jì)劃研發(fā)項(xiàng)目(2016YFD0600902)

蘇文會(1976-),女,河北平山人,副研究員,博士,主要從事森林培育學(xué)研究。Email：swh612@icbr.ac.cn

范少輝(1962-),男,福建永泰人,研究員,博導(dǎo),博士,主要從事森林培育學(xué)研究。Email：fansh@icbr.ac.cn

S752；S782.1

A

1002-6622(2017)03-0035-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.008