森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究進展

梁 燕，葛忠強，馬安寶，杜振宇，王清華

(山東林業(yè)科學研究院，山東 濟南 250014)

森林生態(tài)系統(tǒng)是由森林及其周圍環(huán)境和附屬物構成的，具有涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、保育土壤、調節(jié)氣候、凈化環(huán)境、保護生物多樣性等作用。改革開放初期，由于人口增長過快，林地被過度開發(fā)，導致許多天然林遭受毀滅，草原荒漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。近年來，通過大面積人工造林，不斷加強保護等措施，森林面積得到恢復。根據(jù)國家林業(yè)局發(fā)布數(shù)據(jù)，2016年我國森林面積已達2.08×108hm2，森林覆蓋率達21.66%，森林蓄積量為151.37×108m3.人工林保存面積已達0.69×108hm2，居全球第一。森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為衡量生態(tài)系統(tǒng)結構和功能最重要的特性。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念

不同的學者根據(jù)研究對象總結出了不同的森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性概念。1955年，MacArthur首次提出了群落穩(wěn)定性概念，即一個群落內(nèi)種類組成和種群大小保持恒定不變，Eiton(1958)也提出了類似的觀點。Pimm(1991)總結出了45種不同的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性含義。根據(jù)Volker(1997)統(tǒng)計，穩(wěn)定性有163個相關定義和70個不同的概念，他認為穩(wěn)定性不能直接定義，只能通過其它概念來表示。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般內(nèi)涵包括：抵抗力(resistance)，生態(tài)系統(tǒng)在達到演替頂級后，能夠自我更新和維持，當面對外來干擾時生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部在一定程度上能夠自我調節(jié)；恢復力(resilience)，指生態(tài)系統(tǒng)在遭到外界干擾破壞后恢復到原狀的能力；持久性(persist-ence)，指生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能長期保持在較高水平；變異性(variability)，指森林生態(tài)系統(tǒng)受到自然或人為干擾后，功能和結構波動較小，很快能夠重新平衡。

2 天然林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

M Godron穩(wěn)定性測定方法，其主要研究對象為植物群落種類的數(shù)量和頻度，利用數(shù)學方法得出散點圖，運算得出結果。鄭元潤總結提出了演替與比較相結合的方法，主要研究種群比例。此外，Macarthur(1955)用Shannon-Weaver指數(shù)來描述營養(yǎng)水平多樣性作為穩(wěn)定性的度量。岳天祥、馬世俊(1991)將熱力學穩(wěn)定性理論應用于生態(tài)系統(tǒng)的研究，為穩(wěn)定性的研究提供了一條新的途徑。吳作明(2000)等用光譜分析法研究了栓皮櫟種群動態(tài)穩(wěn)定性。韓洪凌(2006)對瑪納斯流域進行了調查分析，提出干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價指標體系，體系中包括自然、社會、經(jīng)濟多方面指標，從水土保持、環(huán)境保護、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟等多角度分析，通過專家打分和實際情況相結合的方法確定了各評價指標的權重，全面評價了瑪納斯河流域的生態(tài)系統(tǒng)平衡狀況。此方法也為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供了一個方向。

3 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

3.1 人工林自身特性與穩(wěn)定性

人工林是人為營造的森林，在長期經(jīng)營中會受到較大干擾。人工林生態(tài)系統(tǒng)的主要干擾包括人的活動和自然干擾，可以說人工林生態(tài)系統(tǒng)是在人為干預下形成的，所以人的干擾程度遠大于自然干擾。干擾分為正面影響和負面干擾，常見的人為負面干擾有毀林、放牧、工業(yè)污染、檢疫不完全等。森林的恢復力與干擾的形式、強度相關，皆伐將損失80%～90%的生物量，林地環(huán)境會發(fā)生顯著退化，水分養(yǎng)分功能喪失1/2.相比較而言，擇伐影響較小。傅伯杰[10]認為適度的人為干擾對生態(tài)系統(tǒng)有一定的積極作用。盛連喜[11]在環(huán)境生態(tài)學中也提出，適度的自然干擾是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的重要因子。

人工林生態(tài)系統(tǒng)形成時間短、單作、結構不合理，導致穩(wěn)定性相對脆弱。盛煒彤(2001)[12]提出不穩(wěn)定人工林抵抗力差、病蟲害、地力衰退，同時提出立地與樹種、品種相匹配、改善造林技術、進行科學的植被管理、景觀配置適宜、控制林分的遺傳成分、采取合理的收獲作業(yè)及控制病蟲7種人工林撫育措施。劉增文等(2006)[13]對刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、興安落葉松(Larixgmelinii)和杉(Cunninghamialanceolata)4種人工林進行了典型分析，提出進行生物地球化學分類是研究功能穩(wěn)定性的重要途徑。

在我國人工林中，純林占86.8%，混交林占13.2%；喬木林占64.84%，經(jīng)濟林占31.59%，竹林占3.57%[14]].人工林純林居多，結構單一，大面積成片栽植，造成自然更新緩慢、土壤灰化、地力下降等問題，保持其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定復雜性困難。尤文忠(2007)[15]等對遼西地區(qū)水土保持林研究后得出，穩(wěn)定的林分結構應抵抗性良好、恢復性良好、生長發(fā)育狀況良好、自我更新能力良好、與周圍環(huán)境的協(xié)同性良好，具體措施為人工誘導和近自然經(jīng)營。

3.2 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法

人工林生態(tài)系統(tǒng)研究主要有2類基本方法。一類是利用研究者的經(jīng)驗，選擇一定的評價指標，對人工林生態(tài)系統(tǒng)進行野外調查，得到數(shù)據(jù)，通過數(shù)學方法、調查問卷、相關經(jīng)驗對指標進行權重分析，構造出穩(wěn)定性指標體系，并對人工林生態(tài)系統(tǒng)進行評價。另一類是構建反映真實生態(tài)系統(tǒng)特征的數(shù)學模型，如利用微分方程模型、食物網(wǎng)模型等，求出系統(tǒng)的平衡點來分析群落[16]。馮耀宗通過長期研究人工群落的種類和穩(wěn)定性來反映人工雨林生態(tài)系統(tǒng)[17]，張真等研究了昆蟲物種、種群對人工林穩(wěn)定性的影響[18]，王豁然認為可通過遺傳材料、栽培措施和立地環(huán)境來闡述人工林的穩(wěn)定性[18]。混沌和分形的研究方法在20世紀60年代和70年代分別被用于種群動態(tài)監(jiān)測和土地生態(tài)研究[20,21]，但此方法在實際操作中存在一定困難，應用較少。

3.3 人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標

人工林分為公益林和商品林，公益林根據(jù)營造目標分為水源涵養(yǎng)林、水土保持林、防風固沙林、護岸林等。人工林的經(jīng)營目的不同選擇的指標也不同。人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的首要指標為立地因子和生長情況，即造林樹種與立地條件是否相適應，及人工林對不良環(huán)境的抵抗力和恢復力，包括人為干擾、自然干擾、極端氣候、病蟲害、外來物種等指標。人工林結構指標一般是指生物多樣性、目標樹種的穩(wěn)定性、優(yōu)勢群種和建群種的穩(wěn)定性；功能指標一般指生物量和生產(chǎn)力指標。穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能指標均應保持在一個較高水平，波動較小。馬興洲(1986)[22]對遼西地區(qū)刺槐人工林進行調查時，選取保存率、干梢率和林相不齊等作為衡量刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標，在對刺槐人工林評價后，得出土壤質地和坡位2個因子對刺槐人工林的穩(wěn)定性起主導作用。曾德慧等(1996)[23]對章古臺和紅花爾基沙地的樟子松人工固沙林穩(wěn)定性進行研究，并重新定義人工林的穩(wěn)定性：在一個世代的時間跨度內(nèi)，在一定立地條件下，一定大小面積的林分能夠完成其生命周期，并提供相應的凈初級生產(chǎn)量的能力。馮耀宗(2002)[24]依據(jù)經(jīng)驗將人工生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標分級，1級指標必須通過下屬的2級及3級指標的平均值獲得，建立評價系統(tǒng)后，綜合評定其穩(wěn)定程度。

林考煥(2009)[25]以福建省沿海地區(qū)的木麻黃人工林和潺槁樹次生林為研究對象，選取生態(tài)系統(tǒng)層次結構、物種多樣性、抗逆性指數(shù)、病蟲害狀況、自我更新能力、系統(tǒng)生產(chǎn)力、郁閉度、土壤恢復程度等作為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價指標體系。邢存旺(2014)[26]對黃羊灘人工固沙林的生態(tài)穩(wěn)定性進行了研究，提出了以林分的生物學、抵抗力和功能3方面穩(wěn)定性要素為框架，以林木保存率、年均生長量、自然更新能力、防護期、林分抗旱性、林地輸沙率、土壤黏粒含量、土壤干旱指數(shù)、土壤有機質、氣溫日較差、空氣相對濕度、物種多樣性指數(shù)12項指標構建評價體系，對不同穩(wěn)定狀態(tài)的林分類型提出經(jīng)營對策。陳穎(2015)[27]構建的群落穩(wěn)定性評價指標體系包括土壤理化性質、林木生長狀況和林下草本植物多樣性(Margalef豐富度指數(shù)、Richness豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù))3個方面12項指標，可為冀北地區(qū)營造穩(wěn)定性高、防護功能強、短期與長期效益兼顧的防風固沙林提供建議。

4 討論

專家學者在人工林穩(wěn)定性評價系統(tǒng)研究中一般根據(jù)某一區(qū)域空間的目標樹種，研究特定的穩(wěn)定性指標，最后總結出這一區(qū)域的評價系統(tǒng)。綜合大量的文獻可知指標因子的調查不能僅僅是某一時段的靜態(tài)研究，因為靜態(tài)研究不能全面揭示森林的動態(tài)變化規(guī)律和趨勢。人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究需要對一定時間跨度內(nèi)，特定空間的特定目標樹種(純林、混交林)進行研究，長遠考慮，綜合評價。

不管是自然林還是人工林的生態(tài)系統(tǒng)研究，仍屬于理論準備階段。生態(tài)系統(tǒng)需要長期定位監(jiān)測，現(xiàn)在的研究大多只集中在某一方面，綜合生態(tài)、社會、經(jīng)濟等多方面的研究較少。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定涉及因子眾多，各指標之間關系復雜，需要多角度考慮。森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，對森林多種功能最大化、保持森林生態(tài)穩(wěn)定、保護生物多樣性、預防遏制森林病蟲害、防止地力退化，讓森林擁有更大生產(chǎn)力，實現(xiàn)森林的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。