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采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响

李明鲁 吴兆飞 邱华 张春雨 赵秀海

李明鲁, 吴兆飞, 邱华, 张春雨, 赵秀海. 采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
引用本文: 李明鲁, 吴兆飞, 邱华, 张春雨, 赵秀海. 采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
Li Minglu, Wu Zhaofei, Qiu Hua, Zhang Chunyu, Zhao Xiuhai. Short-term effects of tending felling on ecological services of mixed broadleaved-Korean pine forests at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
Citation: Li Minglu, Wu Zhaofei, Qiu Hua, Zhang Chunyu, Zhao Xiuhai. Short-term effects of tending felling on ecological services of mixed broadleaved-Korean pine forests at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442

采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2017YFC0504005),国家自然科学基金项目(31670643)
详细信息
    作者简介:

    李明鲁。主要研究方向:森林生态学。Email:472770838@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    赵秀海,教授,博士生导师。主要研究方向:森林经营理论与技术。Email:zhaoxh@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S718.55

Short-term effects of tending felling on ecological services of mixed broadleaved-Korean pine forests at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China

  • 摘要: 目的为研究采伐强度对森林生态系统功能的影响,对森林生态服务功能评价体系建立提供意见,并对今后阔叶红松林经营管理提出建议和对策。方法以吉林蛟河林业实验管理局阔叶红松林为研究对象,分别设置采伐强度为0(对照CK)、15%(弱度采伐LT)、35%(中度采伐MT)、50%(强度采伐HT)的4块样地。采用国家林业和草原局森林生态功能评价标准,选择森林群落结构、森林蓄积量、树种结构、森林自然度、植被总覆盖度、林分平均高、枯枝落叶厚度、郁闭度8个因子作为森林生态功能的评价因子,对比了不同强度采伐样地在采伐前、采伐后和采伐4年后生态功能的差异。结果(1)采伐前,各样地生态功能指数均为0.83,采伐后,不同强度采伐样地生态功能指数出现显著差异,未采伐(0.83) > 弱度采伐(0.71) > 中度采伐(0.67) > 强度采伐(0.53)。4年后,各采伐样地生态功能指数差异逐渐减小,其中弱度采伐样地的生态功能指数恢复到采伐前状态(0.83),中度采伐样地和强度采伐样地也都有不同程度的改善,生态功能指数分别为0.77和0.61。(2)林分蓄积年均增长率随着采伐强度呈先增加后减少的趋势。(3)采伐对阔叶红松混交林优势种的生长起到了一定促进作用,而对林分树高的生长并没有产生明显的促进作用。结论低强度采伐后,森林生态功能能在短时间内恢复,并表现出更好的生长潜力,提高了人类对木材资源的利用,使森林综合效益得到改善;而大强度的采伐会严重破坏森林生态系统的稳定性,影响生态系统功能,使其在短时间内无法恢复。综合考虑,采伐强度在15%比较合理,建议不超过35%。
  • 图  1  林分蓄积动态变化

    CK为对照;LT为弱度采伐;MT为中度采伐;HT为强度采伐。下同。CK, control; LT, light treatment; MT, moderate treatment; HT, high treatment. The same below.

    Figure  1.  Dynamic changes of stand stock

    图  2  采伐前后4块样地主要树种蓄积量占比

    PK, Pinus koraiensis; AM, Acer mono; UD, Ulmus davidiana var. japonica; JA, Juglans mandshurica; FM, Fraxinus mandshurica; TA, Tilia amurensis; QM, Quercus mongolica; BP, Betula platyphylla.

    Figure  2.  Proportion of main tree species in four sample plots before and after thinning

    图  3  采伐前后综合得分

    Figure  3.  Comprehensive score Y before and after thinning

    图  4  采伐前后生态功能指数的变化

    Figure  4.  Changes of ecological function index K before and after thinning

    表  1  森林生态功能评价因子及类型划分标准

    Table  1.   Evaluation factors and classification criteria of forest ecological function

    评价因子
    Evaluation factor
    类型划分标准 Classification criteria权重
    Weight
    森林蓄积量/(m3·hm−2) Forest stock volume/(m3·ha−1) ≥ 150 50 ~ 149 < 50 0.2
    森林自然度 Forest naturalness Ⅰ,Ⅱ Ⅲ,Ⅳ 0.15
    森林群落结构 Forest community structure 完整结构
    Complete structure
    较完整结构
    Relatively complete structure
    简单结构
    Simple structure
    0.15
    树种结构 Tree species structure 6,7 3,4,5 1,2 0.15
    植被总覆盖度 Total vegetation coverage ≥ 70% 50% ~ 69% < 50% 0.1
    郁闭度 Canopy closure ≥ 0.70 0.40 ~ 0.69 0.20 ~ 0.39 0.1
    平均树高 Average tree height/m ≥ 15.0 5.0 ~ 14.9 < 5.0 0.1
    枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 厚(≥ 10) Thick (≥ 10) 中(5 ~ 9) Medium (5−9) 薄(< 5) Thin (< 5) 0.05
    注:竹林的蓄积量记为Ⅱ。Note: the volume of bamboo forest is recorded as Ⅱ.
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    表  2  树种结构类型划分标准及代码表

    Table  2.   Tree species structure classification standards and code table

    树种结构类型 Structural types of tree species  划分标准 Classification standard    代码 Code
    针叶纯林 Coniferous pure forest 某一针叶树种蓄积量 ≥ 90%
    Volume of single coniferous species ≥ 90%
    1
    阔叶纯林 Broadleaved pure forest 某一阔叶树种蓄积量 ≥ 90%
    Volume of single broadleaved species ≥ 90%
    2
    针叶相对纯林 Coniferous relative pure forest 某一针叶树种蓄积占65% ~ 90%
    Single coniferous species account for 65%–90%
    3
    阔叶相对纯林 Broadleaved relative pure forest 某一阔叶树种蓄积占65% ~ 90%
    Single broadleaved species account for 65%–90%
    4
    针叶混交林 Coniferous mixed forest 针叶树种总蓄积 ≥ 65%
    Total volume of coniferous species ≥ 65%
    5
    针阔混交林 Mixed broadleaf-conifer forest 针叶树种或阔叶树种总蓄积量占35% ~ 65%
    Total volume of broadleaved or coniferous species account for 35%–65%
    6
    阔叶混交林 Broadleaved mixed forest 阔叶树种总蓄积量 ≥ 65%
    Total volume of broadleaved species ≥ 65%
    7
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    表  3  采伐前后森林自然度、森林群落结构、平均树高等因素的变化

    Table  3.   Changes of forest naturalness, forest community structure and average tree height before and after thinning

    时间 Time评价因子 Evaluation factorCKLTMTHT
    采伐前 Before thinning 森林自然度 Forest naturalness 1 1 1 1
    森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 1
    植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.9 0.9
    郁闭度 Canopy closure 0.9 0.9 0.9 0.9
    平均树高 Average tree height/m 9.7 9.6 9.7 8.8
    枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.5 2.7 2.6 2.6
    采伐后 After thinning 森林自然度 Forest naturalness 1 2 2 3
    森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 2
    植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.8 0.6
    郁闭度 Canopy closure 0.9 0.8 0.6 0.5
    平均树高 Average tree height/m 9.7 9.8 9.9 8.9
    枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.8 2.6 2.7 2.5
    2015复测 2015 retest 森林自然度 Forest naturalness 1 1 2 3
    森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 1
    植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.9 0.9
    郁闭度 Canopy closure 0.9 0.8 0.6 0.6
    平均树高 Average tree height/m 11.9 11.1 10.9 9.9
    枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.7 2.5 2.6 2.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-30
  • 修回日期:  2019-07-01
  • 网络出版日期:  2019-09-09
  • 刊出日期:  2019-09-01

采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
    基金项目:  国家重点研发计划重点专项(2017YFC0504005),国家自然科学基金项目(31670643)
    作者简介:

    李明鲁。主要研究方向:森林生态学。Email:472770838@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 赵秀海,教授,博士生导师。主要研究方向:森林经营理论与技术。Email:zhaoxh@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S718.55

摘要: 目的为研究采伐强度对森林生态系统功能的影响,对森林生态服务功能评价体系建立提供意见,并对今后阔叶红松林经营管理提出建议和对策。方法以吉林蛟河林业实验管理局阔叶红松林为研究对象,分别设置采伐强度为0(对照CK)、15%(弱度采伐LT)、35%(中度采伐MT)、50%(强度采伐HT)的4块样地。采用国家林业和草原局森林生态功能评价标准,选择森林群落结构、森林蓄积量、树种结构、森林自然度、植被总覆盖度、林分平均高、枯枝落叶厚度、郁闭度8个因子作为森林生态功能的评价因子,对比了不同强度采伐样地在采伐前、采伐后和采伐4年后生态功能的差异。结果(1)采伐前,各样地生态功能指数均为0.83,采伐后,不同强度采伐样地生态功能指数出现显著差异,未采伐(0.83) > 弱度采伐(0.71) > 中度采伐(0.67) > 强度采伐(0.53)。4年后,各采伐样地生态功能指数差异逐渐减小,其中弱度采伐样地的生态功能指数恢复到采伐前状态(0.83),中度采伐样地和强度采伐样地也都有不同程度的改善,生态功能指数分别为0.77和0.61。(2)林分蓄积年均增长率随着采伐强度呈先增加后减少的趋势。(3)采伐对阔叶红松混交林优势种的生长起到了一定促进作用,而对林分树高的生长并没有产生明显的促进作用。结论低强度采伐后,森林生态功能能在短时间内恢复,并表现出更好的生长潜力,提高了人类对木材资源的利用,使森林综合效益得到改善;而大强度的采伐会严重破坏森林生态系统的稳定性,影响生态系统功能,使其在短时间内无法恢复。综合考虑,采伐强度在15%比较合理,建议不超过35%。

English Abstract

李明鲁, 吴兆飞, 邱华, 张春雨, 赵秀海. 采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
引用本文: 李明鲁, 吴兆飞, 邱华, 张春雨, 赵秀海. 采伐对吉林蛟河阔叶红松林生态功能的短期影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
Li Minglu, Wu Zhaofei, Qiu Hua, Zhang Chunyu, Zhao Xiuhai. Short-term effects of tending felling on ecological services of mixed broadleaved-Korean pine forests at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
Citation: Li Minglu, Wu Zhaofei, Qiu Hua, Zhang Chunyu, Zhao Xiuhai. Short-term effects of tending felling on ecological services of mixed broadleaved-Korean pine forests at Jiaohe in Jilin Province, northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 40-49. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180442
  • 森林生态系统作为陆地生态系统的主体,在地球生态系统中发挥着极为重要的作用[1],而阔叶红松(Pinus koraiensis)林作为温带针阔混交林的典型代表,是我国东北东部山区的地带性森林植被类型。采伐是森林生态系统一种重要的经营举措,是提高森林综合效益、调整森林结构、改善森林质量的关键措施,了解不同采伐强度对于东北地区阔叶红松林生态功能的影响,对该区域森林的可持续发展具有十分重要的意义[2-4]。但因为林业经营者目光短浅,过度追求采伐带来的经济效益,导致了不合理的宏观林业政策,严重破坏了森林生态功能[5]。实际上,森林经济功能只是森林众多功能中的一部分,森林的生态功能例如固碳释氧、调节气候、保持水土等对于人类的生存和发展具有更大的意义,森林的生态功能一直直接地或间接地为人们提供着服务[6-8]

    国内外学者已经注意到了森林生态服务功能的重要性,它最早出现在20世纪70年代[9],Costanza等[10]在全球范围内首次将生态服务功能与人类福祉间的相互联系进行研究,使得生态服务价值的评价问题成为森林生态的研究热点。Daily等[11]和Fisher等[12]对多种价值评估方法进行了探讨,并核算了全球的生态系统服务。侯元兆[13]是首位对森林生态系统服务功能较为全面地进行总结、评价的学者,薛达元[14]则是运用了多种评价方法,评价了不同地区的生态服务功能,评价模式开启了新纪元。起初进行森林生态功能评价的方法有很多,不同评价方法得出的估值结果却不尽相同[15-16]。后来在总结了前人研究的基础上,2008年原国家林业局发布了《森林生态系统服务功能评估规范》[17],建立了一个统一的综合性评价体系,不同评价者使用这个体系得出的评估结果也不会有本质上的差别。但评价方法仍然存在一定的局限性,首先森林生态功能的评价是以经济学为基础的,通常是要转化为货币形式,具体的转化标准存在着争议,而且计算出的经济价值与市场价值并不相等,用货币单位表达的价值也不能代表市场交易价值[18];其次生态功能的评价是非常复杂的,既包括生态系统的内部属性,又包括诸多外部环境的因子[19],各个评价因子之间可能还有重复,所以目前仍未形成令人信服的标准。

    本文在前人研究基础上,从森林自身出发,摒弃了传统的货币形式的核算方法,选取森林群落结构、森林蓄积量、树种结构等8个因子作为森林生态功能的评价因子,采用国家林业和草原局森林生态功能评价指标体系,探究不同采伐强度对森林生态功能的影响,以期对森林生态服务功能评价体系建立提供意见,并对今后阔叶红松林经营管理提出一些建议和对策。

    • 吉林林业实验局位于我国东北,在吉林省蛟河市前进乡境内,位于长白山西麓,43°57′ ~ 43°58′N、127°42′ ~ 127°43′E,总面积560 km2,境内最高海拔1 177 m,平均海拔196 m。气候类型为亚温带大陆性山地气候并受季风影响,年均温为3.4 ℃,年均降水量为708.8 mm,山地暗棕色森林土为主要的土壤类型,土层深度在20 ~ 100 cm之间。植被属长白山植物区系,共计有900余种,分属108科404属,阔叶红松阔混交林是主要的森林类型。乔木树种有:红松、白牛槭(Acer mandshuricum)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、春榆(Ulmus davidiana var. japonica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、黄檗(Phellodendron amurense)等。灌木树种主要包括:簇毛槭(Acer barbinerve)、忍冬(Lonicera japonica)、毛榛(Corylus mandshurica)等。

    • 2011年夏,在阔叶红松混交林内建立了4块面积均为1 hm2(100 m × 100 m)的固定监测样地,保证4块样地森林条件相对一致,每两块样地之间设置10 m的缓冲带,各个样地用全站仪每隔20 m设一基点并用水泥桩标记,将每块样地划分为25个20 m × 20 m的连续样方。对样地内所有胸径大于1 cm的木本植物进行挂牌标记,并测量记录物种名称、枯枝落叶厚度、胸径、郁闭度、冠幅、枝下高、树高、植被总覆盖度、以及坐标等信息。其中植被总覆盖度采用目测估算法[20];郁闭度采用样点法[21],每个样地选择36个样点,样点位置为每个20 m × 20 m样方4个角的基点;枯枝落叶厚度的测量采取的是机械布点法,在每块样地机械选择10个点,用卷尺测出厚度取其平均值。

      在吉林省林业厅准许后,按照不同的强度对4块样地进行采伐处理(采伐强度按照胸高断面积计算),采伐强度分别为:50%(强度采伐,HT)、35%(中度采伐,MT)、15%(弱度采伐,LT)和0%(对照,CK)。优先伐除生长不良木、濒死木和病腐木,尽量保留水曲柳、胡桃楸等经济价值较高的树种和红松、黄檗等珍稀树种。总体采伐原则为留优去劣,间密存匀,使林分结构合理、林木分布更加均匀。伐后各样地仍为阔叶红松林,采伐后观察森林状态。2015年7月对样地进行复测。

    • 根据国家林业局在2014年发布的《国家森林资源连续清查技术规定》[22](下文简称《技术规定》)中森林生态功能评价标准,选择森林群落结构、森林蓄积量、树种结构、森林自然度、植被总覆盖度、林分平均高、枯枝落叶厚度、郁闭度8个因子作为森林生态功能的评价因子。具体采用两级评价方法,其中第1级评价(综合评价)为森林生态功能指数评价;第2级评价包括:森林蓄积量、森林自然度等8个评价因子的评价,其类型划分标准及权重见表1

      表 1  森林生态功能评价因子及类型划分标准

      Table 1.  Evaluation factors and classification criteria of forest ecological function

      评价因子
      Evaluation factor
      类型划分标准 Classification criteria权重
      Weight
      森林蓄积量/(m3·hm−2) Forest stock volume/(m3·ha−1) ≥ 150 50 ~ 149 < 50 0.2
      森林自然度 Forest naturalness Ⅰ,Ⅱ Ⅲ,Ⅳ 0.15
      森林群落结构 Forest community structure 完整结构
      Complete structure
      较完整结构
      Relatively complete structure
      简单结构
      Simple structure
      0.15
      树种结构 Tree species structure 6,7 3,4,5 1,2 0.15
      植被总覆盖度 Total vegetation coverage ≥ 70% 50% ~ 69% < 50% 0.1
      郁闭度 Canopy closure ≥ 0.70 0.40 ~ 0.69 0.20 ~ 0.39 0.1
      平均树高 Average tree height/m ≥ 15.0 5.0 ~ 14.9 < 5.0 0.1
      枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 厚(≥ 10) Thick (≥ 10) 中(5 ~ 9) Medium (5−9) 薄(< 5) Thin (< 5) 0.05
      注:竹林的蓄积量记为Ⅱ。Note: the volume of bamboo forest is recorded as Ⅱ.
    • 根据上述评价因子的调查结果以及评价标准,分别按以下公式计算各样地生态功能综合得分Y及生态功能指数K。生态功能综合得分计算式:

      $$ Y = \sum\limits_{i = 1}^8 {{W_i}{X_i}} $$

      式中:Wi表示各评价因子的权重,Xi表示第i项评价因子的得分值(等级Ⅲ、等级Ⅱ、等级Ⅰ分别取3、2、1)。综合得分Y数值越小,表明森林的生态功能越好。

      森林生态功能指数计算式:

      $$ K = \frac{1}{Y} $$

      式中:Y表示上式中的综合得分值,生态功能指数K小于等于1,数值越大,表明森林生态功能越好。

    • 林木的材积和蓄积是森林经营管理中最基本也最重要的指标。本文研究的材积不包含林木枝叶和在土壤以下部分,主要指立木状态下林木树干的体积,蓄积量通常指全林分活立木材积的总和。在进行木材蓄积量计算时,首先利用2011年与2015年2次样地调查测量的胸径和树高,计算出单株活立木的材积量,进而分别计算出单位面积内2011年采伐前后、2015年的蓄积量,参照为吉林省相关树种二元材积公式[23]

    • 根据《技术规定》中森林自然度的划分标准,将森林自然度划分成分成Ⅰ ~ Ⅴ个等级。

      Ⅰ:原始或受人为干扰很小的森林类型,基本处于原始状态。

      Ⅱ:有明显人为影响的原始林或处于演替后期的次生森林类型,树种主要为地带性顶极适应值较高的物种,明显可见顶极树种。

      Ⅲ:人为干扰很大,处于次生演替的后期阶段的次生森林类型,除先锋树种外,也有顶极树种出现。

      Ⅳ:人为干扰很大,处于极为残次的次生林阶段,出现演替逆行的现象。

      Ⅴ:持续遭受极大强度人为干扰的森林类型,处于难以恢复的逆行演替后期,地带性森林类型几乎破坏殆尽,包括各种人工森林类型。

      采伐前、采伐后、复测时分别实地观察森林状态,判断森林受人为干扰的程度,确定该林分的自然度,为确保判断的准确性,将测量人员分成多组独立判定,再整合各组的评价结果。

    • 采伐前、采伐后、复测时3个时间段分别现场观察森林层次,确定群落结构类型,为确保准确性,也采取多人分组独立判定的方式,根据《技术规定》中群落结构类型的划分标准,将具有乔木层、下木层、地被物层3个层次的林分划分为完整结构,具有乔木层和其他1个植被层的林分划分为较完整结构,有乔木1个植被层的林分划分为简单结构。

    • 计算针叶树种与阔叶树种的蓄积量,根据计算结果按表2[22]划分树种结构类型。

      表 2  树种结构类型划分标准及代码表

      Table 2.  Tree species structure classification standards and code table

      树种结构类型 Structural types of tree species  划分标准 Classification standard    代码 Code
      针叶纯林 Coniferous pure forest 某一针叶树种蓄积量 ≥ 90%
      Volume of single coniferous species ≥ 90%
      1
      阔叶纯林 Broadleaved pure forest 某一阔叶树种蓄积量 ≥ 90%
      Volume of single broadleaved species ≥ 90%
      2
      针叶相对纯林 Coniferous relative pure forest 某一针叶树种蓄积占65% ~ 90%
      Single coniferous species account for 65%–90%
      3
      阔叶相对纯林 Broadleaved relative pure forest 某一阔叶树种蓄积占65% ~ 90%
      Single broadleaved species account for 65%–90%
      4
      针叶混交林 Coniferous mixed forest 针叶树种总蓄积 ≥ 65%
      Total volume of coniferous species ≥ 65%
      5
      针阔混交林 Mixed broadleaf-conifer forest 针叶树种或阔叶树种总蓄积量占35% ~ 65%
      Total volume of broadleaved or coniferous species account for 35%–65%
      6
      阔叶混交林 Broadleaved mixed forest 阔叶树种总蓄积量 ≥ 65%
      Total volume of broadleaved species ≥ 65%
      7
    • 阔叶红松林经过不同强度采伐后,林分单位面积蓄积量动态变化,如图1所示,采伐前,每块样地的蓄积量均在150 m3以上,根据评价标准,蓄积量类型划分为Ⅰ。采伐后轻度中度强度采伐样地蓄积量都有所减少,整体表现为采伐强度越大,单位面积蓄积的减少量越多,3块样地的蓄积量类型都变为Ⅱ。4年后复测时,4块地的蓄积量类型分别为Ⅰ、Ⅰ、Ⅰ、Ⅱ。未采伐样地蓄积量呈增大趋势,4年后增长了32.8%。弱度采伐的样地单位面积蓄积量在4年后已经恢复到采伐前的水平,比采伐前增长1.7%,中度采伐和强度采伐单位面积蓄积量均低于采伐前水平,分别减少8.7%、39.6%。然而从林分蓄积量年均增长率来看,弱度采伐(8.24%) > 未采伐(8.19%) > 强度采伐(6.89%) > 中度采伐(6.71%)。

      图  1  林分蓄积动态变化

      Figure 1.  Dynamic changes of stand stock

    • 图2可知,采伐前后,根据树种结构划分标准,所有的树种结构类型均为类型7,即阔叶混交林,树种结构类型均未发生变化。在单个物种水平上,对照样地在没有采伐等干扰的情况下,各个树种所占比重几乎没有发生变化,表明森林生态系统处于一个相对稳定的状态。弱度、中度、强度采伐样地,因为采伐时优先采伐白桦等先锋树种,它们的蓄积量所占比重在采伐后有较大程度下降,复测时所占比重与采伐后基本保持一致。而红松、水曲柳等树种的比重在采伐后和复测时都有一定程度上升,采伐对这些树种的生长起到了一定的促进作用。对于春榆、色木槭等树种来说,采伐对这些树种的比重影响不大,蓄积量所占比重基本保持稳定。

      图  2  采伐前后4块样地主要树种蓄积量占比

      Figure 2.  Proportion of main tree species in four sample plots before and after thinning

    • (1)郁闭度与植被总覆盖度。采伐以前,森林是接近原始的状态,郁闭度和植被总覆盖度均大于0.7,按照表1的划分标准,郁闭度和植被总覆盖度类型均为Ⅰ,进行采伐作业后,因为植被的减少,被采伐的区域郁闭度和植被总覆盖度都有一定的减少。总体而言,采伐强度越大,郁闭度和植被总覆盖度下降越多,同样的采伐强度,郁闭度的下降程度大于植被总覆盖度的下降程度。弱度采伐郁闭度和覆盖度类型没有发生变化,中度采伐强度郁闭度类型变为Ⅱ,覆盖度类型没有发生变化,强度采伐郁闭度和覆盖度类型均变为Ⅱ。到2015年进行样地复测时,植被总覆盖度恢复较快,覆盖度类型已恢复到采伐前的水平,郁闭度恢复较慢,虽然较采伐后有些许增加,但郁闭度的类型均没有发生改变(表3)。

      表 3  采伐前后森林自然度、森林群落结构、平均树高等因素的变化

      Table 3.  Changes of forest naturalness, forest community structure and average tree height before and after thinning

      时间 Time评价因子 Evaluation factorCKLTMTHT
      采伐前 Before thinning 森林自然度 Forest naturalness 1 1 1 1
      森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 1
      植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.9 0.9
      郁闭度 Canopy closure 0.9 0.9 0.9 0.9
      平均树高 Average tree height/m 9.7 9.6 9.7 8.8
      枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.5 2.7 2.6 2.6
      采伐后 After thinning 森林自然度 Forest naturalness 1 2 2 3
      森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 2
      植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.8 0.6
      郁闭度 Canopy closure 0.9 0.8 0.6 0.5
      平均树高 Average tree height/m 9.7 9.8 9.9 8.9
      枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.8 2.6 2.7 2.5
      2015复测 2015 retest 森林自然度 Forest naturalness 1 1 2 3
      森林群落结构 Forest community structure 1 1 1 1
      植被总覆盖度 Total vegetation coverage 0.9 0.9 0.9 0.9
      郁闭度 Canopy closure 0.9 0.8 0.6 0.6
      平均树高 Average tree height/m 11.9 11.1 10.9 9.9
      枯枝落叶厚度 Litter layer thickness/cm 2.7 2.5 2.6 2.3

      (2)森林自然度与森林群落结构。采伐以前,森林为原始林,自然度类型都为Ⅰ,森林植被结构都是完整结构。采伐后,森林遭受了不同程度的干扰,弱度采伐和中度采伐的森林,自然度类型变成Ⅱ,森林结构仍为完整结构;强度采伐的森林,森林受到较大程度的破坏,森林结构变为较完整结构,森林自然度变为Ⅲ。采伐后由于形成了多个林窗,林下植被生长较快,复测时森林群落结构都恢复为完整结构,但森林自然度恢复较慢,自然度类型仍保持采伐后的水平(表3)。

      (3)平均树高与枯枝落叶厚度。采伐前后,根据表1的划分标准,平均树高与枯枝落叶厚度类型都没有发生变化,4块样地平均树高类型均为Ⅱ,枯枝落叶等级类型均为Ⅲ。采伐对凋落物厚度影响不大,重度采伐样地凋落物厚度略低于前3块样地。从4年来树高的增长情况看,采伐对林分树高的生长并没有产生明显的促进作用(表3)。

    • 根据公式计算YK的值,如图34。根据生态功能等级划分,当综合得分Y < 1.5时,森林生态功能等级为“好”;1.5 ≤ Y < 2.5时,森林生态功能等级为“中”;当Y ≥ 2.5时,森林生态功能等级为“差”。采伐前,4块样地Y值均小于1.5,根据评价标准,森林生态功能类型属于“好”的状态。进行不同强度采伐后,4块样地的生态功能等级依次为:“好”“好”“中等”“中等”,2015复测时,前3块样地森林生态功能都恢复到采伐前“好”的状态,强度采伐样地依旧为“中等”。从生态功能指数的变化趋势来看,适度的采伐森林在短期内仍能恢复到原来的状态,如弱度采伐,采伐强度增大,会增大对森林生态功能的破坏。采伐强度越大,森林恢复到原来状态的时间越长。

      图  3  采伐前后综合得分

      Figure 3.  Comprehensive score Y before and after thinning

      图  4  采伐前后生态功能指数的变化

      Figure 4.  Changes of ecological function index K before and after thinning

    • 在影响森林生态功能的8个评价因子中,根据不同驱动因子所占权重来看,蓄积量对生态功能指数影响最大,其权重达0.2,其余因子权重均小于0.15。每块样地的蓄积量等级在采伐后都发生了不同程度下降,影响了保留木蓄积量的年增长率,它也是评价抚育采伐效益的一项重要指标[24-25]。本研究表明,采伐后恢复的4年间,阔叶红松混交林蓄积生长率随采伐强度的增加呈先增加后减少趋势(图1),这与郝珉辉等[26]对采伐后蓄积增长率的研究结果相同。弱度采伐一定程度上减少了林分密度,保留木的生长空间进一步扩大,减少了林木之间的竞争,使保留木能获取更多的光照和水分[27],促进了保留木的生长;而中高强度的采伐降低了蓄积增长率,这是因为在阔叶红松混交林中,先锋树种(如白桦)生长速度较快,采伐优先去除先锋树种,使其比例急剧下降(图2),而红松等生长较慢的树种被大量保留,从而降低了蓄积增长率。此外,中高强度的采伐使保留木密度和郁闭度急剧下降,许多研究表明,突然暴露在光照、辐射更强的环境中,会导致一些树种无法正常生长,甚至枯梢、死亡[28-29]

      除了蓄积量,森林群落结构和树种结构也是对森林生态功能影响较大的因子,在评价体系中,它们所占权重达到了0.15,仅小于森林蓄积量。森林群落结构被认为是影响森林生态功能最重要因素之一,是植物对多样性、外界干扰强度、环境适应性和立地条件优劣的反映[30-31]。不同强度的采伐作业后,森林群落结构由完整结构变为了较完整结构,群落结构等级下降主要是下木层和地被物层的破坏,使垂直结构发生变化。采伐后一部分生态位空间被释放出来,林木间减少了竞争,提高了存活率[32],同时有研究发现,采伐增加了林下光照,使林下植被具备更大的生长潜力,也加快了幼苗幼树的更新,因此下木层和地被物层能较快恢复,森林群落等级上升。本研究区域生态系统抵抗力稳定性较强,采伐干扰并没有改变各个样地树种结构的评价等级,但对样地中优势种的生长起到了一定促进作用(图2)。一方面是因为采伐时优先采伐先锋树种、霸王树种或者生长状况不良的树种,使得它们采伐后仍然具有一定优势地位,适应力强;另一方面采伐使保留木密度降低,为这些树种的生长提供了空间,使得它们蓄积量所占比重增加[33]。采伐对白桦等喜光树种的生长并没有很大的促进作用,这与徐文茹[34]等、王敏等[35]研究结果不同,可能原因是样地中大量白桦被采伐,白桦保留木较少,4年的时间也较短,还没有到白桦生长最快的时期,使采伐后4年白桦蓄积量占比基本保持稳定。因此未来几年还需更加深入的研究。森林自然度在短期内变化较大,采伐后每块样地都发生了不同程度的变化,但恢复的也快,经过4年的恢复,除了重度采伐,其余样地都恢复到采伐前的水平。

      其余因子平均树高、枯枝落叶厚度所占权重较少,均未超过0.1,但它们也是评价森林生态功能很重要的几个因子。本研究发现,采伐对林分树高的生长并没有产生明显的促进作用,一方面由于采伐后林分密度降低,植物吸收的养分更多分配用于向林木四周横向伸展,减少了树干往上生长的能量分配,但未采伐林分始终保持着高郁闭状态,林木枝叶生长四周空间小,只能不断往上生长,这与巫志龙等[36]的研究结果相一致;另一方面,观测时间4年也相对较短,可能会有不确定因素的产生,复测还会持续进行,在以后会更加注重这方面的研究。采伐对凋落物厚度影响不大,凋落物厚度等级并没有发生改变,采伐后前3块样地凋落物厚度大致相等,略高于重度采伐样地,这与周新年等[37]提出的针阔混交林凋落物量随着采伐强度的增大呈递减的趋势这一观点略有不同,原因可能是弱度采伐和中度采伐对林下环境影响较少,没有改变凋落物分解的速度,重度采伐样地随着光照增加,温湿度等发生了很大变化,影响了掉落物分解的速率。

    • 生态功能指数是对森林生态功能强弱的抽象化表达,它反映了森林生态服务功能的好坏,数值越大,表明森林生态功能越好。采伐前,各样地生态功能指数相等(0.83),不同强度采伐后,生态功能指数排序依次为:未采伐(0.83) > 弱度采伐(0.71) > 中度采伐(0.67) > 强度采伐(0.53)。不同采伐强度4年后,生态功能指数排序依次为:未采伐(0.83) = 弱度采伐(0.83) > 中度采伐(0.77) > 强度采伐(0.61)。本研究表明大强度的采伐严重破坏森林生态系统的稳定性,影响生态系统功能,使其在短时间内无法恢复,这与郑丽凤等[38]的研究结果一致。而适宜强度的采伐能最大限度地降低对森林生态环境的破坏,如弱度采伐和中度采伐,其中弱度采伐样地在4年后生态功能指数与未采伐样地相等,说明此时它们的生态功能处于同一水平。但弱度采伐处理表现出了更好的生长潜力,生态功能进步一提升只是时间问题,它的蓄积增长率在所有处理中是最高的(图1),也有效促进了红松、水曲柳比例的增加(图2),何怀江等[39]在此样地研究采伐对物种多样性的短期影响,弱度采伐样地与对照样地相比,乔木层、灌木层和草木层的多样性都有所提高。此外,弱度采伐处理在生态功能恢复的基础上,通过采伐增加了一定经济效益,使森林综合效益得到提升。本结果仅能说明该森林类型短期内森林生态功能对采伐处理的响应。对于中度采伐和重度采伐,还需要更长的时间来展示生态功能的变化情况,为了更加科学和客观地评价采伐强度对森林生态功能的影响,应对样地进行长期持续监测,这也是下一步的研究方向。

      评价成功的关键是量化[40]。本研究选取8个特征因子,量化评价结果,从森林自身出发综合评价其生态服务功能,可以充分的反应森林覆盖率、森林结构、森林生物量等方面的信息,对研究生态评价的角度有一定的创新,但现有的森林生态功能评价体系建设仍然处于一个起步阶段,面临不少现实困难和理论难题,所以也存在一些不足。首先缺少了一些能直接体现森林生态功能的因子如水源涵养、固氮释氧、生物多样性等的影响作用;其次评价指标体系和定量分析方法尚不完善,在进行评价时定性因子的量化在评价中有很大的主观性和不确定性,可能对实验结果的客观性有所影响。而且生态功能的评价是个综合性评价,影响森林生态功能的因素是非常复杂的,很多评价指标之间可能会有重叠,还有一些因子的可加性也有待考证[41],今后在指标的重复性和全面性选择方面还有待进一步研究。探索更加完善的分析方法和评价因子,将为森林生态功能的评价提供更加科学的手段,更能有效指导森林可持续经营,实现森林的综合效益,满足社会发展对森林的多功能需求具有重大的参考意义。

    • 森林蓄积量、森林群落结构和树种结构的变化对森林生态功能影响较大,在采伐时应首先关注这些因子的影响;中低强度采伐后,森林生态功能能在短时间内恢复,并表现出更好的生长潜力,提高了人类对木材资源的利用,使森林综合效益得到改善;而高强度的采伐会严重破坏森林生态系统的稳定性,影响生态系统功能,使其在短时间内无法恢复。综合考虑,采伐强度在15%比较合理,建议不超过35%。

参考文献 (41)

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