辽东地区刺槐抚育间伐对林分生态环境的影响

卜军(辽宁省林业基金管理总站,辽宁 沈阳 110000)

1 试验地区自然概况

辽宁东部山区地理坐标为124°59′—125°18′ E，41°51′—42°00′ N。地处长白山脉龙岗支脉，一般山峰海拔600～900 m，相对高度200～500 m，一般坡度在10～25°，属辽宁东部中低山地。气候属暖温带季风性气候，冬季漫长而寒冷，夏季炎热而多雨，年平均气温4.2 ℃，年最低气温在1月，年最高气温在7月，极端最高气温为35.8 ℃，极端最低气温为-41.5 ℃，≥5 ℃积温值为3 005.7～3 203.6 ℃，≥10 ℃积温值2 498.4～2 877.3 ℃，无霜期120～125 d。年降水量714.2～1 025.3 mm，雨量多集中在每年的7—8月，日降雨量最大为218.5 mm，年蒸发量925～1 284.1 mm。境内地车沟滚马岭下为浑河发源地，水系分为两条支流。一条是由滚马岭西侧发源的湾甸子支流，另一条是从潘家店旗盘岭西部发源的大庙支流，全长22.5 km流经大庙实验区，集水面积1 710 hm2，年集水量1 367万m3。场内土壤分为暗棕壤、草甸土、沼泽土。属长白植物区系，有植被类型22个，有植物114科418属1 139种。主要针叶乔木树种有长白落叶松、日本落叶松、红皮云杉、鱼鳞云杉、沙冷杉、油松、赤松等；主要阔叶树种有辽东栎、蒙古栎、水曲柳、花曲柳、黄波椤、春榆、裂叶榆、色木槭、五角枫、白桦、山杨等；主要灌木有胡枝子、忍冬、卫矛、鼠李、榛子等。

试验地位于抚顺市清原县南口前镇海阳村海阳工区的固定标准地，包括将未间伐的林分作为对照区，保留株数是1 440株hm-2；弱度间伐区按照株数强度15%，保留株数是1 230株hm-2；中度间伐区按照株数强度31%，保留株数990株hm-2；强度间伐区按照株数强度37.5%，保留株数是900株hm-2。计4块标准地，标准地面积分别为851 m2、856 m2、829 m2及822 m2，其林分调查因子见表1。

表1 刺槐林林分调查因子

2 试验方法

2.1 不同的抚育间伐强度林分土壤养分调查

采用环刀法测定土壤0～10 cm和10～20 cm处的土壤饱和含水量、土壤容重、土壤总孔隙度和田间持水量。每个固定标准地5个重复。称取环刀质量(M0)，沿土壤的剖面，环刀托放在环刀上，把环刀按到土里，直到环刀筒充满样品为止，用铁铲除去其他土壤，取出环刀将刀外多余的土去掉，使环刀内的土壤体积和环刀体积保持相等，把环刀两侧封闭，立即称质量(M1)，天平精度保证在0.01 g，环刀每层取一个土样。

把放原状土的环刀盖上底盖，把环刀放入水中，保持环刀口与水面齐平，但不能使水浸入环刀的顶端，以免出现封闭孔隙影响结果。水分通过底部的空隙和滤纸沿土壤孔隙上升。把环刀取出后，擦干环刀外部，放如已经称取重量的器皿中，然后连同器皿放在电子秤上，准确至0.01 g，把环刀放回原处，继续吸水待饱和再次量重，循环操作，直到恒质量M2。测定饱和含水量，重复3次。再将测定过的土壤饱和含水量的环刀底盖去掉，放在平铺于瓷盘的干土内至恒质量，盖底盖后称质量(M3)。将带土的环刀放进烘箱，在105 ℃恒温下烘干至恒质量，取出后再次称质量(M)。

2.2 枯枝落叶和养分的测定

在标准地内布设3个1 m×1 m的小样方，测量枯枝落叶的重量，计算标准地内枯枝落叶的蓄积量，取样带回实验室做物理、化学性质分析。春季在标准地内设立凋落物收集器，收集枯枝落叶，测量年凋落量。在各标准地内模拟自然状态(平放在固定标准地凋落物层中，底部应接触土壤A层)随机埋设装有当年新鲜凋落物样品的分解袋。每月中旬取出测量其重量，计算凋落物的分解速率。

全N含量：半微量开氏法

全P含量：硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法

全K含量：热硝酸浸提-火焰光度计

2.3草本多样性测定——香农-威纳指数(Shannon-Wiener Index)

在香农-威纳指数中，包含着两个成分：①种数；②各种间个体分配的均匀性(evenness)。各种之间，个体分配越均匀，H值就越大。如果每一个体都属于不同的种，多样性指数就最大；如果每一个体都属于同一种，则其多样性指数就最小

式中：Pi-第i种的个体数占群落中总个体数的比例；H-物种多样性

2.4 透光系数测定

透光系数即林冠透光面积与林地面积之比。采用投影法计算林冠透光面积，此方法计算所得的透光系数即为直射光透光系数。

2.5 评价分析方法

本文运用灰色系统理论和主成分分析相结合的方法对间伐的效益开展综合评价。

灰色系统理论是根据分析和确定因素间的相互影响程度或因子对主行为的贡献程度而进行评价的一种分析方法，根据因素之间的相似或相异程度来衡量因素间接近的程度。通过灰色关联度分析总结各指标间的关系。主成份分析的基本思想就是按照降维的思想用少数的综合指标替代多个可测变量，所得的综合指标为原来变量的线性组合。

刺槐林通过选取株数、平均胸径、植物多样性、叶面积指数、有机质含量、年凋落量作为综合评价森林生态效应的指标，开展主成分分析和关联度分析。

3 结果与分析

3.1 不同间伐伐强度对林下土壤物理性质的影响

在抚育间伐后，因林分密度降低导致林下生物量增加，林下植被量的增加导致土壤中的根系增加，林下草灌根系大多集中在0～10 cm的土层内，致使林下土壤0～10 cm层土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、总孔隙度上升。由表2可知，在不同间伐强度刺槐林内土壤容重方面，弱度间伐区和中度间伐区比对照区要低，而强度间伐区比对照区要高。在毛管空隙度、最大持水量、总孔隙度方面，弱度间伐区和中度间伐区比对照区高，而强度间伐区比对照区低，最大持水量和总孔隙度是中度区最高，毛管空隙度是弱度区最高。可见中度区土壤物理指标优于强度区和弱度区。

表2 不同间伐强度刺槐林内土壤物理性质

3.2 不同间伐强度对林内土壤化学性质的影响

表3 不同间伐强度的刺槐林地土壤化学性质 gkg-1

表3 不同间伐强度的刺槐林地土壤化学性质 gkg-1

土(cm)全N全P全K速效N速效P速效K有机质对照区0～103.1881.23419.6720.3400.0520.23683.24810～202.0580.94318.8930.1130.0310.07023.494弱度区0～104.6460.96823.7480.3930.0570.27487.54510～202.2000.86819.9530.1140.0350.10525.373中度区0～104.2161.12324.2410.3920.0630.36676.18710～202.1990.61718.6720.2150.0370.12226.153强度区0～103.3640.94920.2000.3110.0530.10262.71510～202.1190.79618.5500.1830.0400.04926.268

由表3可知，刺槐在不同间伐强度下土壤化学性质的变化。在全氮含量方面，0～10 cm、10～20 cm土层各间伐区的全氮含量均比对照区高。在全磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm各间伐区均比对照区低，0～10 cm强度区最低，10～20 cm中度区最低。在全钾含量方面，0～10 cm土层各间伐区均比对照区高；10～20 cm土层弱度区含量比对照区高，中度区和强度区均比对照区低。在速效氮含量方面，0～10 cm土层强度间伐区比对照区低，弱度区和中度区均比对照区高，四区速效氮的含量相差不明显；10～20 cm土层间伐区的含量均比对照区高。在速效磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm土层各间伐区速效磷含量均比对照区高，其中0～10 cm 中度区速效磷含量最大，10～20 cm强度区含量最大。在速效钾含量方面，0～10 cm、10～20 cm土层强度间伐区含量比对照区小，中度区和弱度区均比对照区高。在有机质含量方面，0～10 cm土层只有弱度区比对照区高，但相差不明显，中度区和强度区比对照区低；10～20 cm土层，有机质含量各间伐区均比对照区大，但各区差别不明显。这主要是由于间伐调整了林下植物的多样性，诱发土壤微生物数量和种类的增加，导致土壤肥力提高，造成含量低于对照区。

3.3 不同间伐强度林分透光系数影响

林分通过抚育间伐降低了每公顷株数，郁闭度下降，林内光照强度增加，进而提高了散射光、反射光以及透过林冠叶子的透射光强度。

表4 林分不同间伐强度透光系数

由表4可知，刺槐林内透光系数和间伐强度成正比。

3.4 不同间伐强度对林分温度影响。

表5 林分不同间伐强度林内温度

由表5可知，刺槐林内温度从大到小依次是强度区、中度区、弱度区、对照区。间伐强度和林内温度的高低与林内透光系数相同，并且各间伐强度温度最大差值都在1～2 ℃。由此分析得出林内温度与林内透光系数直接相关。

3.5 刺槐林间伐效益综合分析

通过选取叶面积指数、平均胸径、草本植物多样性、间伐保留株数、透光系数、年凋落量、土壤容重、有机质含量作为综合评价森林生态效应的指标，进行关联度分析和主成分分析。

表6 刺槐林各因子间的关联系数

由表6可知，间伐保留株数与平均胸径、叶面积指数、有机质关联度明显。透光系数与土壤容重、植物多样性相关性紧密。叶面积指数与保留株数、年凋落量的关联系数较明显。平均胸径与有机质、植物多样性的关联度明显，与株数和年凋落量的关联度次之。植物草本多样性和平均胸径关联系数最明显，与透光系数和有机质的关联度次之。年凋落量与叶面积指数、有机质含量关联度明显，和其余各项指标的关联度差异不明显。土壤容重和各指标的关联度相近。有机质含量与平均胸径、年凋落量的关联度较明显。由此分析得出株数、平均胸径、植物多样性、叶面积指数、有机质含量、年凋落量各指标的相关性高。

运用主成分分析，分析各指标的贡献率。

由表7、表8和表9可知，前2个主成分的贡献率的93.84%，表明了林分内绝大多数的信息。第1主成分贡献率是61.87%，主要包括年凋落量、叶面积指数、有机质3个指标，权重系数分别是0.428、0.432、0.408。第2主成分贡献率是31.98%，主要包括平均胸径和土壤容重两个指标，权重系数分别是-0.526、0.57。由此分析得出凋落物、土壤的理化性质、林内环境及林分生长状况是影响刺槐林间伐综合生态效果的主要因素。各间伐区综合指标从大到小依次是弱度区、对照区、中度区、强度区。

表7 规格化特征向量

注：因子1—株数，因2-透光系数，因子3-LAI，因子4-平均胸径，因子5-多样性，因子6-年凋落量，因子7-土壤容重，因子8-有机质

表8 各主成分的特征值

表9 主成分分析因子得分

根据公式：综合指标值=[λ1×Y(i,1)+λ2×Y(i,2)+λ3×Y(i,3)]/(λ1+λ2+λ3)评价各间伐区的综合指标，从大到小依次是中度区1.61、强度区0.66、弱度区-0.39、对照区-1.89。

4 结论

4.1 抚育间伐后林分土壤物理性质的变化

在抚育间伐后，林下土壤0～10 cm层土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、总孔隙度上升。不同间伐强度，林内土壤物理性质改良效果不同，刺槐以中、弱度间伐土壤物理性质改良效果佳。

4.2 抚育间伐后林分土壤化学性质的变化

在抚育间伐后，间伐调整了林下植物的多样性，诱发土壤微生物数量和种类的增加，导致土壤肥力提高。林下土壤的N、P、K含量基本上在林下0～10 cm土层表现为随间伐强度的增加而减少，即负相关；而速效性养分含量表现为随间伐强度的增加而增加，即正相关。即土壤肥力条件在抚育间伐后有所改良。

4.3 抚育间伐后林分透光系数变化

林分通过抚育间伐降低了每公顷株数，郁闭度下降，林内光照强度增加，进而提高了散射光、反射光以及透过林冠叶子的透射光强度。刺槐林分透光系数随间伐强度增加而增大，呈正相关。

4.4 抚育间伐后林分温度变化

抚育间伐把林冠疏开，使光线直接照射林地，既提高气温和地温，也促进了微生物的活动，促进了枯落物的分解，提高了林地生产力。林木生长旺盛，冠幅迅速增加，表现为与透光系数相同的变化规律，即随间伐强度增加而增大，呈正相关。

4.5 抚育间伐综合效益

凋落物、土壤的理化性质、林内环境及林分生长状况是影响刺槐林间伐综合生态效果的主要因素。各间伐区综合指标从大到小依次是弱度区、对照区、中度区、强度区。

株数、平均胸径、植物多样性、叶面积指数、有机质含量、年凋落量各指标相关性高。

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