遼東地區刺槐撫育間伐對林分生態環境的影響

卜軍(遼寧省林業基金管理總站,遼寧 沈陽 110000)

1 試驗地區自然概況

遼寧東部山區地理坐標為124°59′—125°18′ E，41°51′—42°00′ N。地處長白山脈龍崗支脈，一般山峰海拔600～900 m，相對高度200～500 m，一般坡度在10～25°，屬遼寧東部中低山地。氣候屬暖溫帶季風性氣候，冬季漫長而寒冷，夏季炎熱而多雨，年平均氣溫4.2 ℃，年最低氣溫在1月，年最高氣溫在7月，極端最高氣溫為35.8 ℃，極端最低氣溫為-41.5 ℃，≥5 ℃積溫值為3 005.7～3 203.6 ℃，≥10 ℃積溫值2 498.4～2 877.3 ℃，無霜期120～125 d。年降水量714.2～1 025.3 mm，雨量多集中在每年的7—8月，日降雨量最大為218.5 mm，年蒸發量925～1 284.1 mm。境內地車溝滾馬嶺下為渾河發源地，水系分為兩條支流。一條是由滾馬嶺西側發源的灣甸子支流，另一條是從潘家店旗盤嶺西部發源的大廟支流，全長22.5 km流經大廟實驗區，集水面積1 710 hm2，年集水量1 367萬m3。場內土壤分為暗棕壤、草甸土、沼澤土。屬長白植物區系，有植被類型22個，有植物114科418屬1 139種。主要針葉喬木樹種有長白落葉松、日本落葉松、紅皮云杉、魚鱗云杉、沙冷杉、油松、赤松等；主要闊葉樹種有遼東櫟、蒙古櫟、水曲柳、花曲柳、黃波欏、春榆、裂葉榆、色木槭、五角楓、白樺、山楊等；主要灌木有胡枝子、忍冬、衛矛、鼠李、榛子等。

試驗地位于撫順市清原縣南口前鎮海陽村海陽工區的固定標準地，包括將未間伐的林分作為對照區，保留株數是1 440株hm-2；弱度間伐區按照株數強度15%，保留株數是1 230株hm-2；中度間伐區按照株數強度31%，保留株數990株hm-2；強度間伐區按照株數強度37.5%，保留株數是900株hm-2。計4塊標準地，標準地面積分別為851 m2、856 m2、829 m2及822 m2，其林分調查因子見表1。

表1 刺槐林林分調查因子

2 試驗方法

2.1 不同的撫育間伐強度林分土壤養分調查

采用環刀法測定土壤0～10 cm和10～20 cm處的土壤飽和含水量、土壤容重、土壤總孔隙度和田間持水量。每個固定標準地5個重復。稱取環刀質量(M0)，沿土壤的剖面，環刀托放在環刀上，把環刀按到土里，直到環刀筒充滿樣品為止，用鐵鏟除去其他土壤，取出環刀將刀外多余的土去掉，使環刀內的土壤體積和環刀體積保持相等，把環刀兩側封閉，立即稱質量(M1)，天平精度保證在0.01 g，環刀每層取一個土樣。

把放原狀土的環刀蓋上底蓋，把環刀放入水中，保持環刀口與水面齊平，但不能使水浸入環刀的頂端，以免出現封閉孔隙影響結果。水分通過底部的空隙和濾紙沿土壤孔隙上升。把環刀取出后，擦干環刀外部，放如已經稱取重量的器皿中，然后連同器皿放在電子秤上，準確至0.01 g，把環刀放回原處，繼續吸水待飽和再次量重，循環操作，直到恒質量M2。測定飽和含水量，重復3次。再將測定過的土壤飽和含水量的環刀底蓋去掉，放在平鋪于瓷盤的干土內至恒質量，蓋底蓋后稱質量(M3)。將帶土的環刀放進烘箱，在105 ℃恒溫下烘干至恒質量，取出后再次稱質量(M)。

2.2 枯枝落葉和養分的測定

在標準地內布設3個1 m×1 m的小樣方，測量枯枝落葉的重量，計算標準地內枯枝落葉的蓄積量，取樣帶回實驗室做物理、化學性質分析。春季在標準地內設立凋落物收集器，收集枯枝落葉，測量年凋落量。在各標準地內模擬自然狀態(平放在固定標準地凋落物層中，底部應接觸土壤A層)隨機埋設裝有當年新鮮凋落物樣品的分解袋。每月中旬取出測量其重量，計算凋落物的分解速率。

全N含量：半微量開氏法

全P含量：硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法

全K含量：熱硝酸浸提-火焰光度計

2.3草本多樣性測定——香農-威納指數(Shannon-Wiener Index)

在香農-威納指數中，包含著兩個成分：①種數；②各種間個體分配的均勻性(evenness)。各種之間，個體分配越均勻，H值就越大。如果每一個體都屬于不同的種，多樣性指數就最大；如果每一個體都屬于同一種，則其多樣性指數就最小

式中：Pi-第i種的個體數占群落中總個體數的比例；H-物種多樣性

2.4 透光系數測定

透光系數即林冠透光面積與林地面積之比。采用投影法計算林冠透光面積，此方法計算所得的透光系數即為直射光透光系數。

2.5 評價分析方法

本文運用灰色系統理論和主成分分析相結合的方法對間伐的效益開展綜合評價。

灰色系統理論是根據分析和確定因素間的相互影響程度或因子對主行為的貢獻程度而進行評價的一種分析方法，根據因素之間的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度。通過灰色關聯度分析總結各指標間的關系。主成份分析的基本思想就是按照降維的思想用少數的綜合指標替代多個可測變量，所得的綜合指標為原來變量的線性組合。

刺槐林通過選取株數、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數、有機質含量、年凋落量作為綜合評價森林生態效應的指標，開展主成分分析和關聯度分析。

3 結果與分析

3.1 不同間伐伐強度對林下土壤物理性質的影響

在撫育間伐后，因林分密度降低導致林下生物量增加，林下植被量的增加導致土壤中的根系增加，林下草灌根系大多集中在0～10 cm的土層內，致使林下土壤0～10 cm層土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、總孔隙度上升。由表2可知，在不同間伐強度刺槐林內土壤容重方面，弱度間伐區和中度間伐區比對照區要低，而強度間伐區比對照區要高。在毛管空隙度、最大持水量、總孔隙度方面，弱度間伐區和中度間伐區比對照區高，而強度間伐區比對照區低，最大持水量和總孔隙度是中度區最高，毛管空隙度是弱度區最高。可見中度區土壤物理指標優于強度區和弱度區。

表2 不同間伐強度刺槐林內土壤物理性質

3.2 不同間伐強度對林內土壤化學性質的影響

表3 不同間伐強度的刺槐林地土壤化學性質 gkg-1

表3 不同間伐強度的刺槐林地土壤化學性質 gkg-1

土(cm)全N全P全K速效N速效P速效K有機質對照區0～103.1881.23419.6720.3400.0520.23683.24810～202.0580.94318.8930.1130.0310.07023.494弱度區0～104.6460.96823.7480.3930.0570.27487.54510～202.2000.86819.9530.1140.0350.10525.373中度區0～104.2161.12324.2410.3920.0630.36676.18710～202.1990.61718.6720.2150.0370.12226.153強度區0～103.3640.94920.2000.3110.0530.10262.71510～202.1190.79618.5500.1830.0400.04926.268

由表3可知，刺槐在不同間伐強度下土壤化學性質的變化。在全氮含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層各間伐區的全氮含量均比對照區高。在全磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm各間伐區均比對照區低，0～10 cm強度區最低，10～20 cm中度區最低。在全鉀含量方面，0～10 cm土層各間伐區均比對照區高；10～20 cm土層弱度區含量比對照區高，中度區和強度區均比對照區低。在速效氮含量方面，0～10 cm土層強度間伐區比對照區低，弱度區和中度區均比對照區高，四區速效氮的含量相差不明顯；10～20 cm土層間伐區的含量均比對照區高。在速效磷含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層各間伐區速效磷含量均比對照區高，其中0～10 cm 中度區速效磷含量最大，10～20 cm強度區含量最大。在速效鉀含量方面，0～10 cm、10～20 cm土層強度間伐區含量比對照區小，中度區和弱度區均比對照區高。在有機質含量方面，0～10 cm土層只有弱度區比對照區高，但相差不明顯，中度區和強度區比對照區低；10～20 cm土層，有機質含量各間伐區均比對照區大，但各區差別不明顯。這主要是由于間伐調整了林下植物的多樣性，誘發土壤微生物數量和種類的增加，導致土壤肥力提高，造成含量低于對照區。

3.3 不同間伐強度林分透光系數影響

林分通過撫育間伐降低了每公頃株數，郁閉度下降，林內光照強度增加，進而提高了散射光、反射光以及透過林冠葉子的透射光強度。

表4 林分不同間伐強度透光系數

由表4可知，刺槐林內透光系數和間伐強度成正比。

3.4 不同間伐強度對林分溫度影響。

表5 林分不同間伐強度林內溫度

由表5可知，刺槐林內溫度從大到小依次是強度區、中度區、弱度區、對照區。間伐強度和林內溫度的高低與林內透光系數相同，并且各間伐強度溫度最大差值都在1～2 ℃。由此分析得出林內溫度與林內透光系數直接相關。

3.5 刺槐林間伐效益綜合分析

通過選取葉面積指數、平均胸徑、草本植物多樣性、間伐保留株數、透光系數、年凋落量、土壤容重、有機質含量作為綜合評價森林生態效應的指標，進行關聯度分析和主成分分析。

表6 刺槐林各因子間的關聯系數

由表6可知，間伐保留株數與平均胸徑、葉面積指數、有機質關聯度明顯。透光系數與土壤容重、植物多樣性相關性緊密。葉面積指數與保留株數、年凋落量的關聯系數較明顯。平均胸徑與有機質、植物多樣性的關聯度明顯，與株數和年凋落量的關聯度次之。植物草本多樣性和平均胸徑關聯系數最明顯，與透光系數和有機質的關聯度次之。年凋落量與葉面積指數、有機質含量關聯度明顯，和其余各項指標的關聯度差異不明顯。土壤容重和各指標的關聯度相近。有機質含量與平均胸徑、年凋落量的關聯度較明顯。由此分析得出株數、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數、有機質含量、年凋落量各指標的相關性高。

運用主成分分析，分析各指標的貢獻率。

由表7、表8和表9可知，前2個主成分的貢獻率的93.84%，表明了林分內絕大多數的信息。第1主成分貢獻率是61.87%，主要包括年凋落量、葉面積指數、有機質3個指標，權重系數分別是0.428、0.432、0.408。第2主成分貢獻率是31.98%，主要包括平均胸徑和土壤容重兩個指標，權重系數分別是-0.526、0.57。由此分析得出凋落物、土壤的理化性質、林內環境及林分生長狀況是影響刺槐林間伐綜合生態效果的主要因素。各間伐區綜合指標從大到小依次是弱度區、對照區、中度區、強度區。

表7 規格化特征向量

注：因子1—株數，因2-透光系數，因子3-LAI，因子4-平均胸徑，因子5-多樣性，因子6-年凋落量，因子7-土壤容重，因子8-有機質

表8 各主成分的特征值

表9 主成分分析因子得分

根據公式：綜合指標值=[λ1×Y(i,1)+λ2×Y(i,2)+λ3×Y(i,3)]/(λ1+λ2+λ3)評價各間伐區的綜合指標，從大到小依次是中度區1.61、強度區0.66、弱度區-0.39、對照區-1.89。

4 結論

4.1 撫育間伐后林分土壤物理性質的變化

在撫育間伐后，林下土壤0～10 cm層土壤容重下降，毛管孔隙度、最大持水量、總孔隙度上升。不同間伐強度，林內土壤物理性質改良效果不同，刺槐以中、弱度間伐土壤物理性質改良效果佳。

4.2 撫育間伐后林分土壤化學性質的變化

在撫育間伐后，間伐調整了林下植物的多樣性，誘發土壤微生物數量和種類的增加，導致土壤肥力提高。林下土壤的N、P、K含量基本上在林下0～10 cm土層表現為隨間伐強度的增加而減少，即負相關；而速效性養分含量表現為隨間伐強度的增加而增加，即正相關。即土壤肥力條件在撫育間伐后有所改良。

4.3 撫育間伐后林分透光系數變化

林分通過撫育間伐降低了每公頃株數，郁閉度下降，林內光照強度增加，進而提高了散射光、反射光以及透過林冠葉子的透射光強度。刺槐林分透光系數隨間伐強度增加而增大，呈正相關。

4.4 撫育間伐后林分溫度變化

撫育間伐把林冠疏開，使光線直接照射林地，既提高氣溫和地溫，也促進了微生物的活動，促進了枯落物的分解，提高了林地生產力。林木生長旺盛，冠幅迅速增加，表現為與透光系數相同的變化規律，即隨間伐強度增加而增大，呈正相關。

4.5 撫育間伐綜合效益

凋落物、土壤的理化性質、林內環境及林分生長狀況是影響刺槐林間伐綜合生態效果的主要因素。各間伐區綜合指標從大到小依次是弱度區、對照區、中度區、強度區。

株數、平均胸徑、植物多樣性、葉面積指數、有機質含量、年凋落量各指標相關性高。

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