董百赟

(甘肅省子午嶺林業(yè)管理局正寧分局,甘肅 正寧 745300)

油松是我國重要的造林樹種,具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆能力,在恢復(fù)和重建林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1,2]。 黨的十八大報(bào)告首次闡述了林業(yè)生態(tài)建設(shè)是生態(tài)建設(shè)的主體,在改善生態(tài)環(huán)境和維護(hù)生態(tài)安全中發(fā)揮著不可替代的作用。人工林是天然林的有效補(bǔ)充部分,對增加森林資源和生態(tài)總量、維護(hù)生物多樣性具有重要意義。據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示,我國森林面積為2.08 億hm2,人工林面積0.69 億hm2,約占全國森林面積的36%,居世界首位。 然而,我國人工林存在種植密度過大、林分結(jié)構(gòu)單一、自我更新能力差等問題,導(dǎo)致林分產(chǎn)力低下、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、群落結(jié)構(gòu)單一等問題日益嚴(yán)重,嚴(yán)重阻礙了人工林經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益的協(xié)同發(fā)展[3,4]。 撫育間伐是現(xiàn)代營林措施之一,能夠有效調(diào)控林分密度、優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)、改善林分環(huán)境和增加物種多樣性[5,6]。 高云昌等認(rèn)為油松冠幅以及林下植物多樣性均隨間伐強(qiáng)度增加而增加,強(qiáng)度和中度間伐能有效的提高物種多樣性,弱度間伐對物種多樣性沒有明顯改善[7]。 強(qiáng)度間伐在增加林下植物多樣性的同時(shí),還會改良土壤物理結(jié)構(gòu),增加微生物可利用性資源,這能夠?yàn)槲⑸锶郝涠鄻有缘陌l(fā)展提供良好的空間與資源[8]。目前國內(nèi)外關(guān)于間伐強(qiáng)度對人工林生長的影響很多,如輕度間伐能夠增加人工純林單株材積,增加單株的平均胸徑等,但間伐效果的綜合評價(jià)相對較少。 為此,以油松人工純林作為研究對象,研究了不同間伐強(qiáng)度對油松人工林植物群落特征、土壤微生物群落特征和抗病蟲害能力的影響,探討了撫育間伐對油松人工林群落中植物和土壤微生物之間的關(guān)系,以及間伐對人工林抗病蟲害能力的提升效果,綜合評價(jià)撫育間伐對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)的影響,以期為優(yōu)化現(xiàn)代營林技術(shù)提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)在甘肅省正寧縣東北部的子午嶺林區(qū)進(jìn)行,該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)濕潤半濕潤氣候,地勢自東北向西南傾斜,平均海拔1 460 m。 氣候陰濕多雨霧, 降雨量充足, 年均降雨量 500 ～620 mm,年均濕度為63%～68%。 無霜期長,年均氣溫為 7. 14 ～8. 15 ℃, 年均日照時(shí)數(shù)為2 447.4 h。 全縣共有森林面積5.12 萬hm2,森林覆蓋率為38.8%,其中人工林面積4. 67 萬hm2。研究區(qū)域主要喬木建群種為油松,主要伴生為遼東櫟、榆樹等喬木。

1. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以正寧縣子午嶺林區(qū)15 年林齡的油松人工林為研究對象,選擇林地的地形、地貌、海拔和坡度基本相同,土壤環(huán)境和氣候環(huán)境因子基本一致。 油松初植密度為3 500 株/hm2,2015 年對林場部分油松人工林(10 年)進(jìn)行間伐試驗(yàn)。作業(yè)方式是保留目標(biāo)樹,清除劣質(zhì)木和不利于目標(biāo)樹發(fā)展的林木樹種,并全部移出試驗(yàn)樣板地。目標(biāo)樹保留密度分別為1 000 株/hm2(強(qiáng)度)、1 600 株/hm2(中度)、2 200 株/hm2(輕度)3 種密度,以3 000 株/hm2作為對照。 試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì),每個(gè)處理設(shè)置5 塊20 m×20 m,共20 塊試驗(yàn)樣板地。

1. 3 試驗(yàn)方法

于2021 年8 月調(diào)查不同保留密度林地的植被特征。 對每塊樣板地的喬木分別進(jìn)行每木尺檢,測定喬木的胸徑、樹高、冠幅和枝下高,計(jì)算林木單株材積和蓄積量。 在每塊樣板地的中間位置選擇5 m×5 m 的樣方,測定油松苗幼樹的樹高、胸徑、冠幅和株數(shù);同時(shí)測定喬木灌木的高度、多度、蓋度和頻度。 選擇1 m×1 m 草本樣方,分物種測定草本的多度、蓋度和頻度。 采用張金純方法測定物種Margalef 豐富度指數(shù)、物種Simpson多樣性指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)[9]。

2017 年6 ～8 月,對四種保留密度下20 塊林地以及4 塊10 m×10 m 的農(nóng)田進(jìn)行采樣。 每塊樣地中設(shè)置一個(gè)土壤剖面,將其分為0 ～20 cm,20～40 cm 和40 ～60 cm 3 個(gè)土層,使用環(huán)刀取樣,每層4 個(gè)重復(fù),用于測定土壤容重和含水量。 在每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置15 個(gè)取樣點(diǎn), 使用直徑3.8 cm 土鉆對以上3 個(gè)土層分別進(jìn)行取樣,然后按四分法混合取樣。 土壤有機(jī)碳(SOC)測定采用硫酸—重鉻酸鉀氧化法,全氮(TN)測定采用凱式定氮法[10]。

1. 4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性顯著檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 間伐強(qiáng)度對油松種群生長特征的影響

由表1 可知,油松胸徑、樹高和冠幅隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸增加,與CK 相比,輕度間伐油松的樹高顯著增加,而胸徑和樹冠雖略有增加,但差異未達(dá)到顯著水平;中度間伐處理和強(qiáng)度間伐處理油松的胸徑、樹高和冠幅與對照處理相比,差異均達(dá)到顯著水平。 油松種群的郁閉度隨著間伐強(qiáng)度的增加成逐漸降低趨勢,輕度間伐處理的郁閉度與對照處理相比差異未達(dá)到顯著水平;中度和強(qiáng)度間伐處理的油松種群郁閉度與對照處理相比,差異均達(dá)到顯著水平。 油松種群林分蓄積量以中度間伐處理效果最佳,輕度間伐處理次之,與對照處理相比差異均達(dá)到顯著水平;強(qiáng)度間伐處理油松種群林分蓄積量與對照處理相比略有降低,但差異未達(dá)到顯著水平。 油松單株材積隨著間伐強(qiáng)度的增加呈逐漸增加趨勢,與對照處理相比,輕度、中度和強(qiáng)度間伐處理的油松單株材積分均顯著增加。

2. 2 間伐強(qiáng)度對植物群落空間結(jié)構(gòu)的影響

由圖1 可知,灌木蓋度和草本蓋度均隨著間伐強(qiáng)度的增加而增加,與對照處理相比,中度和強(qiáng)度間伐處理的灌木蓋度和草本蓋度顯著增加,而輕度間伐處理的灌木蓋度差異未達(dá)到顯著水平,但草本蓋度差異達(dá)到顯著水平。 林下結(jié)構(gòu)多樣性隨著間伐強(qiáng)度的增加呈逐漸增加趨勢,與對照處理相比,輕度間伐處理的林下結(jié)構(gòu)多樣性差異未達(dá)到顯著水平;但中度和強(qiáng)度間伐處理的林下結(jié)構(gòu)多樣性差異均達(dá)到顯著水平。 由此可見,間伐處理能夠增加林下結(jié)構(gòu)的多樣性和灌木蓋度、草本蓋度,并隨著間伐強(qiáng)度的增加而增加。

圖1 不同間伐強(qiáng)度下植物群落空間結(jié)構(gòu)

2. 3 間伐強(qiáng)度對油松人工林群落物種多樣性的影響

由表2 可知,油松種群結(jié)構(gòu)中喬木和草本的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)和多樣性指數(shù)均隨著間伐強(qiáng)度增加呈逐漸增加趨勢,而灌木物種的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)和多樣性指數(shù)均隨著間伐強(qiáng)度增加呈先降低后增加趨勢。 與對照處理相比,輕度處理灌木、喬木和草本的豐富度指數(shù)、變化均未達(dá)到顯著水平,油松種群結(jié)構(gòu)中喬木和草本植物物種的均勻度指數(shù)隨著間伐強(qiáng)度增加呈逐漸增加趨勢,而灌木植物物種的均勻度指數(shù)隨著間伐強(qiáng)度的增加呈先降低后增加趨勢。

表2 不同間伐強(qiáng)度下植物物種多樣性

與對照處理相比,輕度間伐處理下油松種群結(jié)構(gòu)中喬木植物物種的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的變化差異不顯著。 灌木和草本植物的豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)的變化差異不顯著,但灌木植物的集中性指數(shù)和草本植物的多樣性指數(shù)顯著增加。 中度間伐處理下油松種群結(jié)構(gòu)中喬木、灌木和草本植物的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)、草本植物的集中性指數(shù)和均勻度指數(shù)、喬木的集中性指數(shù)與對照處理相比均顯著增加,但中度間伐處理下油松種群結(jié)構(gòu)中灌木植物集中性指數(shù)和均勻度指數(shù)以及喬木植物的均勻度指數(shù)與對照處理相比,差異未達(dá)到顯著水平。強(qiáng)度間伐處理下油松種群結(jié)構(gòu)中喬木、灌木和草本植物物種的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)與對照處理相比均顯著增加。 由此可見,油松種群結(jié)構(gòu)中喬木和草本的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在輕度間伐與對照間的差異不顯著,但隨著間伐強(qiáng)度的增加而顯著增加,且強(qiáng)度間伐下的灌木的豐富度指數(shù)、集中性指數(shù)和多樣性指數(shù)最高,草本層次之,喬木層最低,均勻度指數(shù)則以草本層＞灌木層＞喬木層。

3. 4 間伐強(qiáng)度對油松人工林土壤理化性質(zhì)的變化

由表3 可知,油松人工林土壤容重隨著土壤深度的增加而增加,0 ～20 cm 土壤容重以強(qiáng)度間伐處理最低,與對照處理相比差異達(dá)到顯著水平,而在20 ～40 cm、40 ～60 cm 土壤深度下,不同間伐強(qiáng)度的土壤容重與對照處理相比差異不顯著。 土壤含水量卻隨著土壤深度的增加而降低,0 ～20 cm 土層深度土壤含水量隨著間伐強(qiáng)度的增加而逐漸增加,與對照處理相比,中度和強(qiáng)度間伐處理的土壤含水量顯著增加;而輕度間伐處理的土壤含水量增加不顯著。 20 ～60 cm 土壤深度下,不同間伐處理的土壤含水量與對照處理相比差異不顯著。

表3 不同間伐強(qiáng)度下土壤基本理化特征

土壤有機(jī)碳的含量隨著土壤深度的增加呈逐漸降低趨勢,并隨著間伐強(qiáng)度的增加而逐漸降低。0 ～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量高低表現(xiàn)為輕度間伐處理＞中度間伐處理＞強(qiáng)度間伐處理＞對照處理,與對照處理相比,中度和強(qiáng)度間伐處理的土壤有機(jī)碳含量顯著增加,而輕度間伐處理的有機(jī)碳含量略有增加,但差異未達(dá)到顯著水平。 20 ～40 cm、40 ～60 cm 土層土壤,輕度、中度和強(qiáng)度間伐處理的土壤有機(jī)碳含量與對照處理相比均顯著增加。 不同間伐處理對不同土層深度土壤全氮含量的影響不同。 0 ～20 cm 土層中土壤全氮含量以輕度間伐處理最低,與對照處理相比顯著降低;中度和強(qiáng)度間伐處理土壤全氮含量與對照處理相比差異不顯著。 20 ～40 cm 土層中不同間伐處理與對照處理相比差異不顯著。 40 ～60 cm 土層中土壤全氮含量以對照處理最低,輕度、中度和強(qiáng)度間伐處理的土壤全氮含量與對照處理相比均顯著增加。 土壤碳氮比隨著間伐強(qiáng)度的增加呈逐漸降低趨勢,在0 ～20 cm 土層中,與對照處理相比,輕度間伐處理土壤中的碳氮比顯著增加,中度和強(qiáng)度間伐處理土壤中的碳氮比顯著降低。 20 ～40 cm土層中,強(qiáng)度間伐處理土壤中的碳氮比與對照處理相比顯著增加,輕度和中度間伐處理土壤中的碳氮比與對照處理相比顯著降低。 40 ～60 cm 土層中,與對照處理相比,輕度間伐處理土壤中的碳氮比顯著增加,強(qiáng)度間伐處理土壤中的碳氮比顯著降低,中度間伐處理土壤中的碳氮比變化差異不顯著。

由此可見,合理的間伐強(qiáng)度有助于降低土壤容重,增加土壤含水量,降低有機(jī)碳含量,并隨著土層深度的增加呈降低趨勢。

3. 5 間伐強(qiáng)度對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

由圖4 可知,喬木的物種生物量隨著間伐強(qiáng)度的增加呈逐漸降低趨勢。 與對照處理相比,輕度間伐和中度間伐處理的喬木物種生物量顯著增加;強(qiáng)度間伐處理的喬木物種生物量增加量未達(dá)到顯著水平。 油松人工林灌木的物種生物量隨著間伐強(qiáng)度的增加而逐漸增加。 輕度間伐處理與對照處理之間的差異不顯著,而中度和強(qiáng)度間伐處理的灌木物種生物量與對照處理相比,差異達(dá)到顯著水平。 草本植物的物種生物量隨著間伐強(qiáng)度的增加呈逐漸降低趨勢,與對照處理相比,中度和強(qiáng)度間伐處理的草本植物物種生物量顯著降低;而輕度間伐處理雖比對照處理略有增加,但差異未達(dá)到顯著水平。

由圖2 還可以看出,油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨著間伐強(qiáng)度的增加逐漸降低。 與對照處理相比,輕度間伐和中度間伐處理的油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與對照處理相比,差異均達(dá)到顯著水平;而強(qiáng)度間伐處理的油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與對照處理相比,差異未達(dá)到顯著水平。 整個(gè)油松人工林生態(tài)系統(tǒng)中,不同生物物種對森林生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值大小表現(xiàn)為喬木＞土壤＞灌木＞草本,其中喬木所占比例為64.72%～72.75%,土壤碳儲量是森林碳系統(tǒng)的第二重要組分,所占比例為22. 40%～30. 96%,灌木和草本植物的碳儲量所占比例3. 75%～7. 31%。 由此可見,喬木和土壤對油松人工林生態(tài)系統(tǒng)中貢獻(xiàn)值最大,且隨著間伐強(qiáng)度的增加,油松人工林碳儲量逐漸降低。

圖2 不同間伐強(qiáng)度下油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化

土層 處理容重(g/cm3)含水量(%)SOC(g/kg)全氮(g/kg) C ∶N 20 ～40 對照 1.10 a 27.32 a 4.01 b 0.57 a 7.04 b輕度 1.09 a 27.57 a 4.88 a 0.62 a 7.87 ab中度 1.09 a 27.5 a 4.94 a 0.63 a 7.84 ab強(qiáng)度 1.14 a 25.28 a 4.85 a 0.59 a 8.22 a 40 ～60 對照 1.17 a 24.65 a 2.64 c 0.37 c 7.14 b輕度 1.13 a 26.54 a 3.79 a 0.51 a 7.43 a中度 1.14 a 26.40 a 3.38 ab 0.47 ab 7.19 b強(qiáng)度 1.14 a 25.91 a 3.09 b 0.44 b 7.02 c

3 結(jié)論與討論

撫育間伐是調(diào)節(jié)人工林結(jié)構(gòu)的重要方式。 隨著間伐強(qiáng)度的增加,油松胸徑、樹高、冠幅和油松單株材均顯著增加,這是因?yàn)榈兔芏攘址帜転橹参锷L提供充足的空間與資源,是林木生長對間伐的響應(yīng),并不能代表森林的生產(chǎn)力[11]。 本研究發(fā)現(xiàn)油松種群林分蓄積量在中度間伐下達(dá)到最大值,更適于優(yōu)質(zhì)木材的培育。 不同間伐強(qiáng)度下的物種多樣性不同。 與對照相比,強(qiáng)度和中度間伐能顯著提高群落的物種豐富度和多樣性,其中,強(qiáng)度間伐下灌木的Margalef 豐富度指數(shù)(3. 87)、Simpson 集中性指數(shù)(0. 85)和Shannon 多樣性指數(shù)(2.58)最高,林下物種數(shù)目和個(gè)體密度的增加是多樣性升高的主要原因,而輕度間伐下多樣性無顯著差異。 這是因?yàn)殚g伐會引起林下微環(huán)境(光照、溫度和水分等)的變化,提高土壤養(yǎng)分有效性,進(jìn)而影響物種的組成。 輕度間伐雖降低了林分密度,但并沒有影響到物種組,甚至其物種數(shù)目和個(gè)體密度還略低于對照。 強(qiáng)度和中度間伐,相當(dāng)于中等程度干擾,能顯著提高喬灌草的多樣性。

森林生態(tài)系統(tǒng)陸地上最大的碳儲庫和碳吸收匯,在緩解全球氣候變化、維持生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中發(fā)揮重要作用。 輕度間伐和中度間伐處理的油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與對照處理相比,差異均達(dá)到顯著水平,有利于人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳,強(qiáng)度間伐下顯著降低喬木層碳儲量,進(jìn)而降低森林碳儲量。 土壤是油松人工林第二大碳庫,不同間伐強(qiáng)度下儲量占人工林總儲量的 22. 40% ～30.96%,這也暗示人工林土壤有極大的固碳潛力。 有研究認(rèn)為短期的間伐能顯著增加土壤碳儲量[12],但本研究發(fā)現(xiàn)中度和強(qiáng)度間伐下其儲量與對照相比顯著降低。

綜上所述,中度間伐強(qiáng)度更有利與增加油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的收匯,同時(shí)在一定程度上促進(jìn)了目標(biāo)樹的生長和林下結(jié)構(gòu)的多樣性。 土壤微生物對環(huán)境因子變化和干擾活動十分敏感,不同間伐強(qiáng)度對土壤微生物群落的影響及其作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。