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,具有較強的適應性和抗逆能力,在恢復和重建林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1,2]。 黨的十八大報告首次闡述了林業(yè)生態(tài)建設是生態(tài)建設的主體,在改善生態(tài)環(huán)境和維護生態(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充部分,對增加森林資源和生態(tài)總量、維護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、林分結構單一、自我更新能力差等問題,導致林分產(chǎn)力低下、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、群落結構單一等問題日益嚴重,嚴重阻礙了人工林經(jīng)濟效益、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)化林分結構、改善林分環(huán)境和增加物種多樣性[5,6]。 高云昌等認為油松冠幅以及林下植物多樣性均隨間伐強度增加而增加,強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]。 強度間伐在增加林下植物多樣性的同時,還會改良土壤物理結構,增加微生物可利用性資源,這能夠為微生物群落多樣性的發(fā)展提供良好的空間與資源[8]。目前國內(nèi)外關于間伐強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系,以及間伐對人工林抗病蟲害能力的提升效果,綜合評價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)代營林技術提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗地基本情況

試驗在甘肅省正寧縣東北部的子午嶺林區(qū)進行,該地屬于溫帶大陸性季風濕潤半濕潤氣候,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 試驗設計

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)進行間伐試驗。作業(yè)方式是保留目標樹,清除劣質(zhì)木和不利于目標樹發(fā)展的林木樹種,并全部移出試驗樣板地。目標樹保留密度分別為1 000 株/hm2(強度)、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。 試驗采用完全隨機設計,每個處理設置5 塊20 m×20 m,共20 塊試驗樣板地。

1. 3 試驗方法

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行每木尺檢,測定喬木的胸徑、樹高、冠幅和枝下高,計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)田進行采樣。 每塊樣地中設置一個土壤剖面,將其分為0 ～20 cm,20～40 cm 和40 ～60 cm 3 個土層,使用環(huán)刀取樣,每層4 個重復,用于測定土壤容重和含水量。 在每個樣地中隨機設置15 個取樣點, 使用直徑3.8 cm 土鉆對以上3 個土層分別進行取樣,然后按四分法混合取樣。 土壤有機碳(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 進行數(shù)據(jù)處理和分析,采用SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)的差異性顯著檢驗。

2 結果與分析

2. 1 間伐強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,但差異未達到顯著水平;中度間伐處理和強度間伐處理油松的胸徑、樹高和冠幅與對照處理相比,差異均達到顯著水平。 油松種群的郁閉度隨著間伐強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到顯著水平;中度和強度間伐處理的油松種群郁閉度與對照處理相比,差異均達到顯著水平。 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到顯著水平;強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,但差異未達到顯著水平。 油松單株材積隨著間伐強度的增加呈逐漸增加趨勢,與對照處理相比,輕度、中度和強度間伐處理的油松單株材積分均顯著增加。

2. 2 間伐強度對植物群落空間結構的影響

由圖1 可知,灌木蓋度和草本蓋度均隨著間伐強度的增加而增加,與對照處理相比,中度和強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到顯著水平,但草本蓋度差異達到顯著水平。 林下結構多樣性隨著間伐強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構多樣性差異未達到顯著水平;但中度和強度間伐處理的林下結構多樣性差異均達到顯著水平。 由此可見,間伐處理能夠增加林下結構的多樣性和灌木蓋度、草本蓋度,并隨著間伐強度的增加而增加。

圖1 不同間伐強度下植物群落空間結構

2. 3 間伐強度對油松人工林群落物種多樣性的影響

由表2 可知,油松種群結構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)、變化均未達到顯著水平,油松種群結構中喬木和草本植物物種的均勻度指數(shù)隨著間伐強度增加呈逐漸增加趨勢,而灌木植物物種的均勻度指數(shù)隨著間伐強度的增加呈先降低后增加趨勢。

表2 不同間伐強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構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構中喬木、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構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,差異未達到顯著水平。強度間伐處理下油松種群結構中喬木、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,油松種群結構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,但隨著間伐強度的增加而顯著增加,且強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 土壤容重以強度間伐處理最低,與對照處理相比差異達到顯著水平,而在20 ～40 cm、40 ～60 cm 土壤深度下,不同間伐強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度的增加而逐漸增加,與對照處理相比,中度和強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 不同間伐強度下土壤基本理化特征

土壤有機碳的含量隨著土壤深度的增加呈逐漸降低趨勢,并隨著間伐強度的增加而逐漸降低。0 ～20 cm 土層土壤有機碳含量高低表現(xiàn)為輕度間伐處理＞中度間伐處理＞強度間伐處理＞對照處理,與對照處理相比,中度和強度間伐處理的土壤有機碳含量顯著增加,而輕度間伐處理的有機碳含量略有增加,但差異未達到顯著水平。 20 ～40 cm、40 ～60 cm 土層土壤,輕度、中度和強度間伐處理的土壤有機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,中度和強度間伐處理土壤中的碳氮比顯著降低。 20 ～40 cm土層中,強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,合理的間伐強度有助于降低土壤容重,增加土壤含水量,降低有機碳含量,并隨著土層深度的增加呈降低趨勢。

3. 5 間伐強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;強度間伐處理的喬木物種生物量增加量未達到顯著水平。 油松人工林灌木的物種生物量隨著間伐強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,而中度和強度間伐處理的灌木物種生物量與對照處理相比,差異達到顯著水平。 草本植物的物種生物量隨著間伐強度的增加呈逐漸降低趨勢,與對照處理相比,中度和強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,差異均達到顯著水平;而強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,差異未達到顯著水平。 整個油松人工林生態(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)中貢獻值最大,且隨著間伐強度的增加,油松人工林碳儲量逐漸降低。

圖2 不同間伐強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強度 1.14 a 25.91 a 3.09 b 0.44 b 7.02 c

3 結論與討論

撫育間伐是調(diào)節(jié)人工林結構的重要方式。 隨著間伐強度的增加,油松胸徑、樹高、冠幅和油松單株材均顯著增加,這是因為低密度林分能為植物生長提供充足的空間與資源,是林木生長對間伐的響應,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到最大值,更適于優(yōu)質(zhì)木材的培育。 不同間伐強度下的物種多樣性不同。 與對照相比,強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。 這是因為間伐會引起林下微環(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)目和個體密度還略低于對照。 強度和中度間伐,相當于中等程度干擾,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,差異均達到顯著水平,有利于人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳,強度間伐下顯著降低喬木層碳儲量,進而降低森林碳儲量。 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,同時在一定程度上促進了目標樹的生長和林下結構的多樣性。 土壤微生物對環(huán)境因子變化和干擾活動十分敏感,不同間伐強度對土壤微生物群落的影響及其作用機制還有待進一步研究。