抚育间伐强度对油松人工林群落和碳储量的影响

董百赟

(甘肃省子午岭林业管理局正宁分局,甘肃 正宁 745300)

油松是我国重要的造林树种,具有较强的适应性和抗逆能力,在恢复和重建林业生态系统中发挥着重要作用[1,2]。 党的十八大报告首次阐述了林业生态建设是生态建设的主体,在改善生态环境和维护生态安全中发挥着不可替代的作用。人工林是天然林的有效补充部分,对增加森林资源和生态总量、维护生物多样性具有重要意义。据第八次全国森林资源清查结果显示,我国森林面积为2.08 亿hm2,人工林面积0.69 亿hm2,约占全国森林面积的36%,居世界首位。 然而,我国人工林存在种植密度过大、林分结构单一、自我更新能力差等问题,导致林分产力低下、系统稳定性差、群落结构单一等问题日益严重,严重阻碍了人工林经济效益、生态效益和社会效益的协同发展[3,4]。 抚育间伐是现代营林措施之一,能够有效调控林分密度、优化林分结构、改善林分环境和增加物种多样性[5,6]。 高云昌等认为油松冠幅以及林下植物多样性均随间伐强度增加而增加,强度和中度间伐能有效的提高物种多样性,弱度间伐对物种多样性没有明显改善[7]。 强度间伐在增加林下植物多样性的同时,还会改良土壤物理结构,增加微生物可利用性资源,这能够为微生物群落多样性的发展提供良好的空间与资源[8]。目前国内外关于间伐强度对人工林生长的影响很多,如轻度间伐能够增加人工纯林单株材积,增加单株的平均胸径等,但间伐效果的综合评价相对较少。 为此,以油松人工纯林作为研究对象,研究了不同间伐强度对油松人工林植物群落特征、土壤微生物群落特征和抗病虫害能力的影响,探讨了抚育间伐对油松人工林群落中植物和土壤微生物之间的关系,以及间伐对人工林抗病虫害能力的提升效果,综合评价抚育间伐对油松人工林生态系统的影响,以期为优化现代营林技术提供决策依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地基本情况

试验在甘肃省正宁县东北部的子午岭林区进行,该地属于温带大陆性季风湿润半湿润气候,地势自东北向西南倾斜,平均海拔1 460 m。 气候阴湿多雨雾, 降雨量充足, 年均降雨量 500 ～620 mm,年均湿度为63%～68%。 无霜期长,年均气温为 7. 14 ～8. 15 ℃, 年均日照时数为2 447.4 h。 全县共有森林面积5.12 万hm2,森林覆盖率为38.8%,其中人工林面积4. 67 万hm2。研究区域主要乔木建群种为油松,主要伴生为辽东栎、榆树等乔木。

1. 2 试验设计

本研究以正宁县子午岭林区15 年林龄的油松人工林为研究对象,选择林地的地形、地貌、海拔和坡度基本相同,土壤环境和气候环境因子基本一致。 油松初植密度为3 500 株/hm2,2015 年对林场部分油松人工林(10 年)进行间伐试验。作业方式是保留目标树,清除劣质木和不利于目标树发展的林木树种,并全部移出试验样板地。目标树保留密度分别为1 000 株/hm2(强度)、1 600 株/hm2(中度)、2 200 株/hm2(轻度)3 种密度,以3 000 株/hm2作为对照。 试验采用完全随机设计,每个处理设置5 块20 m×20 m,共20 块试验样板地。

1. 3 试验方法

于2021 年8 月调查不同保留密度林地的植被特征。 对每块样板地的乔木分别进行每木尺检,测定乔木的胸径、树高、冠幅和枝下高,计算林木单株材积和蓄积量。 在每块样板地的中间位置选择5 m×5 m 的样方,测定油松苗幼树的树高、胸径、冠幅和株数;同时测定乔木灌木的高度、多度、盖度和频度。 选择1 m×1 m 草本样方,分物种测定草本的多度、盖度和频度。 采用张金纯方法测定物种Margalef 丰富度指数、物种Simpson多样性指数、Shannon 多样性指数、Pielou 均匀度指数[9]。

2017 年6 ～8 月,对四种保留密度下20 块林地以及4 块10 m×10 m 的农田进行采样。 每块样地中设置一个土壤剖面,将其分为0 ～20 cm,20～40 cm 和40 ～60 cm 3 个土层,使用环刀取样,每层4 个重复,用于测定土壤容重和含水量。 在每个样地中随机设置15 个取样点, 使用直径3.8 cm 土钻对以上3 个土层分别进行取样,然后按四分法混合取样。 土壤有机碳(SOC)测定采用硫酸—重铬酸钾氧化法,全氮(TN)测定采用凯式定氮法[10]。

1. 4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013 进行数据处理和分析,采用SPSS 22.0 软件进行数据的差异性显著检验。

2 结果与分析

2. 1 间伐强度对油松种群生长特征的影响

由表1 可知,油松胸径、树高和冠幅随着间伐强度的增加逐渐增加,与CK 相比,轻度间伐油松的树高显著增加,而胸径和树冠虽略有增加,但差异未达到显著水平;中度间伐处理和强度间伐处理油松的胸径、树高和冠幅与对照处理相比,差异均达到显著水平。 油松种群的郁闭度随着间伐强度的增加成逐渐降低趋势,轻度间伐处理的郁闭度与对照处理相比差异未达到显著水平;中度和强度间伐处理的油松种群郁闭度与对照处理相比,差异均达到显著水平。 油松种群林分蓄积量以中度间伐处理效果最佳,轻度间伐处理次之,与对照处理相比差异均达到显著水平;强度间伐处理油松种群林分蓄积量与对照处理相比略有降低,但差异未达到显著水平。 油松单株材积随着间伐强度的增加呈逐渐增加趋势,与对照处理相比,轻度、中度和强度间伐处理的油松单株材积分均显著增加。

2. 2 间伐强度对植物群落空间结构的影响

由图1 可知,灌木盖度和草本盖度均随着间伐强度的增加而增加,与对照处理相比,中度和强度间伐处理的灌木盖度和草本盖度显著增加,而轻度间伐处理的灌木盖度差异未达到显著水平,但草本盖度差异达到显著水平。 林下结构多样性随着间伐强度的增加呈逐渐增加趋势,与对照处理相比,轻度间伐处理的林下结构多样性差异未达到显著水平;但中度和强度间伐处理的林下结构多样性差异均达到显著水平。 由此可见,间伐处理能够增加林下结构的多样性和灌木盖度、草本盖度,并随着间伐强度的增加而增加。

图1 不同间伐强度下植物群落空间结构

2. 3 间伐强度对油松人工林群落物种多样性的影响

由表2 可知,油松种群结构中乔木和草本的丰富度指数、集中性指数和多样性指数均随着间伐强度增加呈逐渐增加趋势,而灌木物种的丰富度指数、集中性指数和多样性指数均随着间伐强度增加呈先降低后增加趋势。 与对照处理相比,轻度处理灌木、乔木和草本的丰富度指数、变化均未达到显著水平,油松种群结构中乔木和草本植物物种的均匀度指数随着间伐强度增加呈逐渐增加趋势,而灌木植物物种的均匀度指数随着间伐强度的增加呈先降低后增加趋势。

表2 不同间伐强度下植物物种多样性

与对照处理相比,轻度间伐处理下油松种群结构中乔木植物物种的丰富度指数、集中性指数、多样性指数和均匀度指数的变化差异不显著。 灌木和草本植物的丰富度指数和均匀度指数的变化差异不显著,但灌木植物的集中性指数和草本植物的多样性指数显著增加。 中度间伐处理下油松种群结构中乔木、灌木和草本植物的丰富度指数和多样性指数、草本植物的集中性指数和均匀度指数、乔木的集中性指数与对照处理相比均显著增加,但中度间伐处理下油松种群结构中灌木植物集中性指数和均匀度指数以及乔木植物的均匀度指数与对照处理相比,差异未达到显著水平。强度间伐处理下油松种群结构中乔木、灌木和草本植物物种的丰富度指数、集中性指数、多样性指数和均匀度指数与对照处理相比均显著增加。 由此可见,油松种群结构中乔木和草本的丰富度指数、集中性指数、多样性指数和均匀度指数在轻度间伐与对照间的差异不显著,但随着间伐强度的增加而显著增加,且强度间伐下的灌木的丰富度指数、集中性指数和多样性指数最高,草本层次之,乔木层最低,均匀度指数则以草本层＞灌木层＞乔木层。

3. 4 间伐强度对油松人工林土壤理化性质的变化

由表3 可知,油松人工林土壤容重随着土壤深度的增加而增加,0 ～20 cm 土壤容重以强度间伐处理最低,与对照处理相比差异达到显著水平,而在20 ～40 cm、40 ～60 cm 土壤深度下,不同间伐强度的土壤容重与对照处理相比差异不显著。 土壤含水量却随着土壤深度的增加而降低,0 ～20 cm 土层深度土壤含水量随着间伐强度的增加而逐渐增加,与对照处理相比,中度和强度间伐处理的土壤含水量显著增加;而轻度间伐处理的土壤含水量增加不显著。 20 ～60 cm 土壤深度下,不同间伐处理的土壤含水量与对照处理相比差异不显著。

表3 不同间伐强度下土壤基本理化特征

土壤有机碳的含量随着土壤深度的增加呈逐渐降低趋势,并随着间伐强度的增加而逐渐降低。0 ～20 cm 土层土壤有机碳含量高低表现为轻度间伐处理＞中度间伐处理＞强度间伐处理＞对照处理,与对照处理相比,中度和强度间伐处理的土壤有机碳含量显著增加,而轻度间伐处理的有机碳含量略有增加,但差异未达到显著水平。 20 ～40 cm、40 ～60 cm 土层土壤,轻度、中度和强度间伐处理的土壤有机碳含量与对照处理相比均显著增加。 不同间伐处理对不同土层深度土壤全氮含量的影响不同。 0 ～20 cm 土层中土壤全氮含量以轻度间伐处理最低,与对照处理相比显著降低;中度和强度间伐处理土壤全氮含量与对照处理相比差异不显著。 20 ～40 cm 土层中不同间伐处理与对照处理相比差异不显著。 40 ～60 cm 土层中土壤全氮含量以对照处理最低,轻度、中度和强度间伐处理的土壤全氮含量与对照处理相比均显著增加。 土壤碳氮比随着间伐强度的增加呈逐渐降低趋势,在0 ～20 cm 土层中,与对照处理相比,轻度间伐处理土壤中的碳氮比显著增加,中度和强度间伐处理土壤中的碳氮比显著降低。 20 ～40 cm土层中,强度间伐处理土壤中的碳氮比与对照处理相比显著增加,轻度和中度间伐处理土壤中的碳氮比与对照处理相比显著降低。 40 ～60 cm 土层中,与对照处理相比,轻度间伐处理土壤中的碳氮比显著增加,强度间伐处理土壤中的碳氮比显著降低,中度间伐处理土壤中的碳氮比变化差异不显著。

由此可见,合理的间伐强度有助于降低土壤容重,增加土壤含水量,降低有机碳含量,并随着土层深度的增加呈降低趋势。

3. 5 间伐强度对油松人工林生态系统碳储量的影响

由图4 可知,乔木的物种生物量随着间伐强度的增加呈逐渐降低趋势。 与对照处理相比,轻度间伐和中度间伐处理的乔木物种生物量显著增加;强度间伐处理的乔木物种生物量增加量未达到显著水平。 油松人工林灌木的物种生物量随着间伐强度的增加而逐渐增加。 轻度间伐处理与对照处理之间的差异不显著,而中度和强度间伐处理的灌木物种生物量与对照处理相比,差异达到显著水平。 草本植物的物种生物量随着间伐强度的增加呈逐渐降低趋势,与对照处理相比,中度和强度间伐处理的草本植物物种生物量显著降低;而轻度间伐处理虽比对照处理略有增加,但差异未达到显著水平。

由图2 还可以看出,油松人工林生态系统碳储量随着间伐强度的增加逐渐降低。 与对照处理相比,轻度间伐和中度间伐处理的油松人工林生态系统碳储量与对照处理相比,差异均达到显著水平;而强度间伐处理的油松人工林生态系统碳储量与对照处理相比,差异未达到显著水平。 整个油松人工林生态系统中,不同生物物种对森林生态系统的贡献值大小表现为乔木＞土壤＞灌木＞草本,其中乔木所占比例为64.72%～72.75%,土壤碳储量是森林碳系统的第二重要组分,所占比例为22. 40%～30. 96%,灌木和草本植物的碳储量所占比例3. 75%～7. 31%。 由此可见,乔木和土壤对油松人工林生态系统中贡献值最大,且随着间伐强度的增加,油松人工林碳储量逐渐降低。

图2 不同间伐强度下油松人工林生态系统碳储量的变化

土层 处理容重(g/cm3)含水量(%)SOC(g/kg)全氮(g/kg) C ∶N 20 ～40 对照 1.10 a 27.32 a 4.01 b 0.57 a 7.04 b轻度 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强度 1.14 a 25.28 a 4.85 a 0.59 a 8.22 a 40 ～60 对照 1.17 a 24.65 a 2.64 c 0.37 c 7.14 b轻度 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强度 1.14 a 25.91 a 3.09 b 0.44 b 7.02 c

3 结论与讨论

抚育间伐是调节人工林结构的重要方式。 随着间伐强度的增加,油松胸径、树高、冠幅和油松单株材均显著增加,这是因为低密度林分能为植物生长提供充足的空间与资源,是林木生长对间伐的响应,并不能代表森林的生产力[11]。 本研究发现油松种群林分蓄积量在中度间伐下达到最大值,更适于优质木材的培育。 不同间伐强度下的物种多样性不同。 与对照相比,强度和中度间伐能显著提高群落的物种丰富度和多样性,其中,强度间伐下灌木的Margalef 丰富度指数(3. 87)、Simpson 集中性指数(0. 85)和Shannon 多样性指数(2.58)最高,林下物种数目和个体密度的增加是多样性升高的主要原因,而轻度间伐下多样性无显著差异。 这是因为间伐会引起林下微环境(光照、温度和水分等)的变化,提高土壤养分有效性,进而影响物种的组成。 轻度间伐虽降低了林分密度,但并没有影响到物种组,甚至其物种数目和个体密度还略低于对照。 强度和中度间伐,相当于中等程度干扰,能显著提高乔灌草的多样性。

森林生态系统陆地上最大的碳储库和碳吸收汇,在缓解全球气候变化、维持生态系统碳平衡中发挥重要作用。 轻度间伐和中度间伐处理的油松人工林生态系统碳储量与对照处理相比,差异均达到显著水平,有利于人工林生态系统固碳,强度间伐下显著降低乔木层碳储量,进而降低森林碳储量。 土壤是油松人工林第二大碳库,不同间伐强度下储量占人工林总储量的 22. 40% ～30.96%,这也暗示人工林土壤有极大的固碳潜力。 有研究认为短期的间伐能显著增加土壤碳储量[12],但本研究发现中度和强度间伐下其储量与对照相比显著降低。

综上所述,中度间伐强度更有利与增加油松人工林生态系统碳储量的收汇,同时在一定程度上促进了目标树的生长和林下结构的多样性。 土壤微生物对环境因子变化和干扰活动十分敏感,不同间伐强度对土壤微生物群落的影响及其作用机制还有待进一步研究。