間伐對人工落葉松林分和樹種多樣性的影響

間伐對人工落葉松林分和樹種多樣性的影響

森林砍伐應(yīng)影響、干擾和破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡。近年來,有關(guān)采伐的影響尤其是環(huán)境影響引起了廣泛的關(guān)注,國內(nèi)也提出了“生態(tài)性采伐”的概念,并進行了理論與實踐上的探索(史濟彥等,2001)。撫育間伐是一種重要的森林經(jīng)營措施。撫育間伐影響到森林的多個方面包括林分生長、總收獲量、林分結(jié)構(gòu)、森林環(huán)境及生物多樣性等,關(guān)于間伐的影響研究一直是一個熱點(Lahdeetal.,2002;Crowetal.,2002;Karlssonetal.,2002;Parrottaetal.,2002)。在我國,關(guān)于撫育間伐對人工純林的影響已有較多的研究(吳際友等,1995;黃家榮等,1995;杜紀山等,1996;周林等,1997;唐守正等,1999;孫曉梅,1999;王雪峰等,2000;周志翔等,2001;董希斌等,2001;朱教君等,2002),對單株直徑和蓄積生長的影響有著較為一致的結(jié)論,即隨著間伐強度的增加,直徑生長量加大;相應(yīng)地,它也提高了單株斷面積和材積生長量。由于林分的單位面積材積生長量,取決于樹高、直徑生長量和單位面積株數(shù),而撫育間伐對樹高生長量的影響較小,隨著間伐強度的增加,雖然單株的材積生長量增大,但單位面積株數(shù)減少了,因此,對于林分的生長效應(yīng)方面,所得的結(jié)論各不相同,尤其是對總收獲量的影響目前還沒有一致的結(jié)論(杜紀山等,1996)。近年來也越來越重視間伐的環(huán)境影響如生物多樣性和土壤方面等,但多為單項因子的研究(熊有強等,1995;任立忠等,2000;張鼎華等,2001;胡建偉等,1999);且對生物多樣性和土壤等因子的影響結(jié)論也不盡一致(李春明等,2003)。尤其是撫育間伐對混交林的影響研究,還不多見(鄧仕堅等,1995)。隨著混交林面積的增加,迫切需要研究混交林的經(jīng)營技術(shù)。本文以落葉松云冷杉針葉混交林為對象,通過伐后12年的觀測結(jié)果,來研究間伐對林分生長、樹種組成、生物多樣性和土壤等因子的影響,為進行合理科學的間伐活動提供依據(jù)。1氣候、地貌及土壤研究地點位于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場,130°5′—130°20′E,43°17′—43°25′N,屬吉林省東部山區(qū)長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈。地貌屬低山丘陵地帶,海拔550～1000m。陽坡較陡,陰坡平緩,平均坡度10°～25°。該區(qū)氣候?qū)偌撅L型氣候,全年平均氣溫為4℃左右,1月份氣溫最低,平均在-32℃左右,7月份氣溫最高平均32℃左右;年降水量600～700mm,且多集中在7月份;植物生長期為120d左右。土壤種類以暗棕壤為主。該區(qū)植被屬長白山植物區(qū)系。2調(diào)查和計算方法調(diào)查樣地為1964—1967年間營造的長白落葉松(Larixolgensis)純林,到1986年設(shè)置樣地時已演變?yōu)槁淙~松云冷杉混交林,優(yōu)勢樹種為長白落葉松、云杉(Piceajazoensis)、冷杉(Abiesnephrolepis),其他樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、榆樹(Ulmuspropinqua)、楊樹(Populusussuriensis)、楓樺(Betulacostata)、椴樹(Tiliaamurensis)、白樺(Betulaplatyphylla)和水曲柳(Fraxinusmandshurica)。共設(shè)樣地15塊,面積最小為0.0775hm2,最大為0.25hm2,其中間伐樣地10塊,對照樣地5塊,于1987年進行生長伐,間伐強度(蓄積)分為2級:中度(18%～21%,平均為20%)和強度(28%～37%,平均為30%)。樣地設(shè)置時林分概況見表1,立地條件基本一致。調(diào)查分別于1987年(伐前、伐后)、1990年(伐后3年)、1992年(伐后5年)、1994年(伐后7年)、1997年(伐后10年)和1999年(伐后12年)進行。調(diào)查內(nèi)容包括胸徑5cm以上的樹木每木檢尺、優(yōu)勢高和平均高、更新及林下植被等。其中蓄積量按照吉林省的一元材積式進行計算。其他調(diào)查因子包括土壤、物種多樣性、枯落物和灌草生物量等,僅在伐后12年進行。方法為在樣地四角及中心設(shè)置5個1m×1m的草本樣方、5m×5m的灌木樣方和1m×1m的枯落物樣方,記錄草本和灌木樣方內(nèi)所有物種的個數(shù)、蓋度和高度、灌草生物量鮮重,以及枯落物的厚度和質(zhì)量,并取少量樣品進行干重的計算。另在樣地內(nèi)記錄土壤各層次的厚度,并采用環(huán)刀法(馬雪華,1994)取樣測定0～20cm深的土壤水分物理性質(zhì)。研究采用的林分指標主要有:林分株數(shù)、斷面積、蓄積、斷面積平均胸徑和相應(yīng)的生長率,生長率采用普雷斯特公式(孟憲宇,1996)計算:pn=[(ya-ya—n)/(ya+ya—n)]?0/n。式中:Pn為n年間的平均生長率;ya、ya—n分別為a和a—n年的斷面積和蓄積。土壤物理性質(zhì)指標包括:腐殖質(zhì)層厚度、土壤密度、最大持水量、毛管持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。采用廣義線性模型(GLM)來研究不同間伐強度對林分生長和其他因子的影響,并在差異顯著時進行多重比較(p<0.05,LSD,t檢驗)。所有計算均用統(tǒng)計軟件SPSS完成。3結(jié)果與分析3.1影響生長3.1.1不同強度間伐對樣品地生長率的影響由表5知,采伐樣地全林分的斷面積和蓄積生長率均顯著地大于對照,而2種間伐強度間無顯著差異。分樹種(組)表現(xiàn)不盡一致,但從數(shù)量上看,間伐樣地的生長率均大于對照,且表現(xiàn)為相同的趨勢,即全林分和各樹種(組)的斷面積和蓄積生長率隨間伐強度的增加而增加。原因在于林分經(jīng)過間伐后,林內(nèi)光照增強,保留木生長空間擴大,個體間對土壤肥力和地下空間的爭奪減弱。伐后前3年的生長率最大(圖1),此后呈遞減趨勢。伐后不同時間林分的斷面積和蓄積生長率也隨間伐強度的增加而增加。3.1.2采伐樣地生長率由表6可見,對照樣地與采伐樣地的各樹種(組)的單木胸徑和材積生長率均有極顯著差異(p<0.01),除闊葉樹外,中度和強度采伐樣地間無顯著差異。間伐樣地的生長率均大于對照,且趨勢相同,即強度>中度>對照。伐后不同時間的生長表現(xiàn)為與林分相似的規(guī)律(圖2),即伐后前3年的生長率最大,此后呈遞減趨勢。伐后不同時間單木的胸徑和材積生長率也隨間伐強度的增加而增加。3.2枯損樹種間及其分布生長由表7知,對照樣地有較高的枯損率,其枯損蓄積和株數(shù)枯損率與采伐樣地間均有極顯著差異,各采伐樣地間則無顯著差異,但強度采伐比中度采伐的枯損蓄積和枯損木平均直徑要大。枯損主要是一些小的、競爭力弱的樹木。對照樣地是通過自然枯損來對保留木提供更多的生長空間,而間伐樣地則一次性地伐去了這些樹木?？輷p木主要是落葉松,因為它是強陽性樹種。不同強度間枯損木的組成則無顯著差異。3.3間伐強度對生長的影響由表8可以看出,所有樣地的進界株數(shù)都很少,進界嚴重不足。不同間伐強度樣地和對照樣地進界株數(shù)均無顯著差異。進界株數(shù)隨間伐強度的增加而增加。闊葉樹主要是色木、水曲柳和椴樹,它們都具有較強的耐蔭性,因此隨間伐強度的增加進界株數(shù)減少;而落葉松、紅松、云冷杉則隨間伐強度增加而增加。由于落葉松為強陽性樹種,其天然更新能力較弱,本研究中的對照樣地,12年間無落葉松進界。3.4采伐樣地蓄積量的測定伐前對照與采伐樣地的蓄積無顯著差異(表9),采伐導致伐后第12年對照與采伐樣地的蓄積量有顯著差異,對照樣地大于采伐樣地。但對照和采伐樣地間伐后12年間的總收獲量無顯著差異,且總收獲量有與伐前蓄積相同的趨勢,由高到低依次為:強度、對照、中度。即間伐并沒有對總收獲量產(chǎn)生顯著影響。3.5樣地伐后、伐后12年的成對t檢驗伐后12年,各樣地間樹種組成均無顯著差異(表10)。此外,各樣地伐后、與伐后12年的成對T檢驗也有相同的結(jié)果(表略)。即間伐并沒有顯著地改變林分的樹種組成。因此,目前的林分組成可能是相對穩(wěn)定的群落。落葉松、其它針葉樹、闊葉樹的比例約為6∶3∶1。3.6不同間伐強度林下植被多樣性組成落葉松云冷杉混交林的喬木樹種主要包括長白落葉松、云杉、冷杉、紅松、榆樹、楊樹、楓樺、椴樹、白樺和水曲柳等;灌木有青楷槭(Acertegmentorum)、花楷槭(Acerukurunduense)、暴馬子丁香(Syringaamurensis)、藍靛果忍冬(Loniceraedulis)、絨毛繡線菊(Spraeasericea)、毛榛(Corylusmandshurica)等;草本植物有唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、繁縷(Stellariamedia)、酢醬草(Oxalisacetosella)、小葉芹(Aegopodiumalpestre)、山茄子(Brachybotryspariformis)、大葉樟(Deyeuxialangsdorffii)、舞鶴草(Maianthemumbifolium)、羊胡苔草(Carexcalltrichos)等。不同間伐強度草本層和灌木層的共有物種數(shù)和相似系數(shù)都較高,但差別不大(表11)。物種多樣性各指數(shù)間均無顯著差異(表12)。樹種多樣性3個指標Sp、Hsp和Dsp表現(xiàn)一致,即強度間伐樣地的樹種多樣性最高,其次為對照樣地,中度間伐最低;草本層的3個指標Sp1、Hsp1和Dsp1則并不一致;灌木層的3個指標Sp2、Hsp2和Dsp2則表現(xiàn)出一致的規(guī)律,即中度間伐樣地的灌木層物種多樣性最高,其次為強度間伐,對照樣地最低。因此從數(shù)值上看,采伐樣地的下層植被多樣性指數(shù)都最高,但差別并不大。說明間伐改善了林內(nèi)的光照條件,促進了林下鄉(xiāng)土植被的生長和發(fā)育,經(jīng)過12年的恢復(fù)后,物種多樣性略有增加?？偟膩碚f,間伐對物種多樣性并未造成大的影響。3.7其他生態(tài)因素的影響3.7.1間伐后林下植被的生長由表13可以看出,與對照相比,采伐樣地的腐殖質(zhì)層厚度較小,這是由于伐后林內(nèi)光照增加,水濕條件有所改善,加速了枯落物的分解所致。另外,間伐后林下植被的增加引起土壤中的根系增加,因此采伐樣地的土壤密度比對照要低,但差別不大;最大持水量和毛管持水量都大于對照樣地;且毛管孔隙度和總孔隙度都有所增加,這可能是由于間伐改善了林內(nèi)的光照條件,有利于下層植被的生長和發(fā)育,采伐樣地的下層植被比較發(fā)達,改善了土壤的結(jié)構(gòu),在下面的灌草生物量中也說明了這一點。3.7.2枯落物厚度和質(zhì)量枯落物的厚度和質(zhì)量反映林分的蓄水能力。由表14知,間伐沒有顯著地改變枯落物的厚度和質(zhì)量,間伐樣地枯落物的厚度和質(zhì)量均小于對照。主要是由于間伐降低了林分的郁閉度,改善了林內(nèi)的光照條件。采伐樣地的林下植被生物量大于對照樣地,灌、草的生物量隨間伐強度的增加而增加。采伐樣地的灌木生物量約為對照樣地的2倍,草本層則相差不大。4枯損、進界和林分的樹種組成間伐促進了落葉松云冷杉混交林保留木生長的顯著增加。間伐樣地保留木的生長均大于對照。雖然不同間伐強度間無顯著差異,但林分及各樹種(組)單木的斷面積和蓄積生長率,均隨間伐強度的增加而增加。這與董希斌(2001)等的研究一致。間伐能否改變林分的總收獲量目前還沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論,本研究的結(jié)果表明,間伐沒有對總收獲量產(chǎn)生顯著的影響。這與Montero(2001)的結(jié)論一致。伐后12年間,對照樣地表現(xiàn)為較高的枯損,而間伐樣地則一次性地伐去了這些樹木。因此對照樣地是通過自然枯損來對保留木提供更多的生長空間?？輷p木主要是落葉松。雖然各采伐樣地的枯損無顯著差異,但強度采伐比中度采伐的枯損蓄積和枯損木平均直徑要大。所有樣地進界株數(shù)嚴重不足,尤其是落葉松。因為它是強陽性樹種,自身不能在林冠下更新生長和連續(xù)發(fā)展為長白落葉松林,所以在自然演替過程中,終被耐蔭的針闊葉樹種所更替。本研究中的長白落葉松人工純林發(fā)展成為落葉松云冷杉混交林已經(jīng)印證了這一點。進界的主要樹種是云冷杉、紅松和闊葉樹,以耐蔭樹種為主。從枯損和進界看