干旱瘠薄山地穩定側柏人工林的生態服務功能研究

葛忠強，梁 燕，王 鳳，呂雷昌，李宗泰，張 靖，徐慧梅，王清華*

（1.山東省林業科學研究院，山東 濟南250014；2.淄博市張店區園林綠化服務中心，山東 淄博2550002；3.山東省林業監測規劃院 山東濟南250014；4.臨沂市河東區湯頭街道辦事處農業綜合服務中心，山東 臨沂276000）

側柏（Platycladus orientalis）屬于柏科側柏屬，是我國荒山綠化時的主要造林樹種[1]。側柏人工林是山東省干旱瘠薄山地主要的生態公益林，在涵養水源、防風固沙、減少徑流、保持水土、凈化空氣等方面發揮了重要的生態功能[2]。但目前對側柏人工林生態效應的研究相對不足，僅有少量報道[1-4]，關于側柏林生態穩定性的研究尚屬空白。

目前，山東省山區的側柏人工林多為50年前營造，林分密度普遍過大，多數已呈高度郁閉狀態，導致樹木長勢減弱，林下植被稀疏,生物多樣性銳減，難以全面發揮其生態功能，生態穩定性普遍較差。課題組依托山東省重點研發計劃（2016GNC111008） 和山東省林業科技創新項目（LYCX03-2018-14）對干旱瘠薄山地側柏人工林生態穩定性開展初步研究，提出了側柏林生態穩定性評價方法，將23 個典型長期山地側柏人工林進行了穩定性分級（表1）[5]。本文以“不穩定”側柏林為對照，探討了穩定側柏林的生態服務功能。

1 材料與方法

1.1 林下生物多樣性

供試林分位于燕子山林場和黑峪林場，分別地處濟南歷下區和淄博市博山區，林方設置及林分具體生長情況參見文獻[6,7]。在每個試驗點各選取2 塊樣地的側柏人林進行研究，編號為1-2、1-5、3-8 和3-9，林分基本情況見表2。根據前期調查結果及穩定性評價方法，1-2 號和3-8 號側柏林的穩定性等級為“不穩定”，1-5 號和3-9 號則為“高度穩定”（表1）。分別調查4 個供試林分的林下植被，計算多樣性指數：Patrick豐富度指數（Pa）、Margalef指數（Ma）、Simpson 多樣性指數（D）、Shannon-Wiener 指數（H）和Pielou 均勻度指數（Pj），具體調查和計算方法參見文獻[6]。

表1 魯中山地典型側柏人工林的生態穩定性等級

表2 供試側柏人工林樣地情況

1.2 林地土壤流失

供試林分為位于燕子山林場的1-2 和1-5 樣地，基本情況見表2，林方設置及林分具體生長情況參見文獻[6,7]。在每塊側柏林地各選取3 個樣方，采用標尺法[8]研究林分穩定性對林地土壤流失的影響，在1-2 號林地內的3 個樣方面積分別為3 m×5 m、4 m×4 m 和4 m×4 m，每1 m2鋪設一枚鋼釬；1-5 號林地內的3 個樣方面積分別為3 m×4 m、2 m×8 m 和2 m×9 m，同樣也是每1 m2鋪設一枚鋼釬。雨季前用游標卡尺分別測量每枚鋼釬露出地面的高度（mm），然后在雨季后再次測量高度。根據雨季前后鋼釬高度的平均差值，土壤容重，采用下式計算得出林地土壤流失量：

式中W 為土壤流失量（T/hm2）；H1和H2分別為雨季前、后的鋼釬高度（mm）；ρ 為林地土壤容重（g/cm3）。

1.3 空氣負離子、風速、溫度和濕度

供試林分位于燕子山林場和黑峪林場，在每個樣點各選取4 塊樣地的側柏林進行研究。燕子山所選樣地編號為1-1、1-4、1-5、1-6，其中1-1 和1-6側柏林的生態穩定性為“不穩定”，而1-4 和1-5 為“高度穩定”；黑峪林場所選樣地編號3-2、3-8、3-7和3-9，其中3-2 和3-8 側柏林的生態穩定性為“不穩定”，3-7 和3-9 為“高度穩定”。林分基本情況見表3，林方設置及林分具體生長情況參見文獻[6,7]。分別測定供試側柏林樣方內距地面1.5 m 高處的溫度、濕度、負離子含量、風速以及黑峪林場側柏林內的地表溫度，同時測定林外空地相應位置的上述指標，進行對比研究。

表3 供試側柏人工林樣地概況

2 結果與分析

2.1 生態穩定性對側柏林下植物多樣性的影響

供試4 塊樣地側柏人工林林下的植物多樣性指數列于表4。對位于同一試驗點的2 個側柏林分進行比較，由表3中結果可以得知，生態系統非常穩定的1-5 號側柏林的豐富度指數Pa 和Ma 分別較1-2 號側柏林的相應指數增加了1.50 倍和2.67倍；多樣性指數H 和D 分別增加了14.64 倍和9.68倍；而均勻度指數Pj 增加了5.73 倍。

將生態穩定性非常高的3-9 與不穩定的3-8進行比較，經計算后可知，3-9 號側柏林的豐富度指數Pa 和Ma 分別較3-8 號側柏林的相應指數增加了0.60 倍和0.89 倍；多樣性指數H 和D 分別增加了3.29 倍和3.83 倍；而均勻度指數Pj 增加了2.31 倍。

兩個調查點的研究結果均表明，側柏林生態穩定性提高后可顯著增加林下植物多樣性指數，這也是導致林分穩定性較高的重要影響因素。利用本研究提出的側柏林穩定性構建技術，提高林分生態穩定性后，可使林下生物多樣性得到顯著提高。

表4 不同樣地側柏林的林下植物多樣性指數

2.2 生態穩定性對側柏林地土壤流失的影響

由表5調查和計算結果可以看出，生態系統高度穩定的1-5 號側柏林的土壤平均流失量為31.68 T/hm2，而不穩定的1-2 號側柏林的土壤平均流失量為51.19 T/hm2；方差分析結果表明，這兩塊林地土壤流失量存在顯著性差異。研究結果表明，1-5 號林地較1-2 號林地的土壤流失量減少了38.11%，這說明生態穩定性高的側柏林有利于林地土壤的保持。

表5 不同樣地的土壤流失量

2.3 側柏林生態穩定性對空氣負離子、風速、溫度和濕度的影響

2.3.1 負離子含量

由表6和表7測定結果可以看出，與林外相比，側柏林內的負離子含量和空氣濕度較林外測定結果均有明顯增加。燕子山林場1-1 和1-6 側柏林的負離子增幅分別為12.50%和5.26%，而生態穩定性高的1-4 和1-5 側柏林林內負離子增幅分別為65.71%和17.39%；黑峪林場側柏林內外的負離子含量也存在相似規律，不穩定林分（3-2 和3-8）和高度穩定林分 （3-7 和3-9） 的增幅分別為7.50%-8.54%和26.19%-34.15%（表8）。

2.3.2 風速

與林外風速相比，側柏林內風速得到明顯降低（表6和表7）。高度穩定側柏林對風速的抑制作用較不穩定側柏林有大幅增加。以黑峪林場供試林分為例，3-2 和3-8 均為生態系統不穩定的側柏人工林，其林內風速分別較林外減少了20%和35.29%；而對于高度穩定性的3-7 和3-9，降低百分比分別為84.62%和87.50%。

2.3.3 空氣溫度

兩個試驗點空氣溫度的變化規律與負離子結果相反（表6和表7）。燕子山林場不穩定林分（1-1和1-6） 的林內空氣溫度較林外下降了0.71%-3.17%，高度穩定林分（1-4 和1-5）則降低了9.74%-5.48%。黑峪林場不穩定林分（3-2 和3-8）的林內空氣溫度較林外下降了3.37%-5.39%，高度穩定林分（3-7 和3-9）則降低了了11.63%-12.50%。

2.3.4 空氣濕度

兩個樣點空氣濕度與負離子林內外變化結果類似，燕子山林場不穩定林分（1-1 和1-6）的林內空氣濕度較林外提高了2.43%-3.17%，高度穩定林分（1-4 和1-5）則提高了4.74%-5.87%；黑峪林場不穩定林分（3-2 和3-8）的林內空氣濕度較林外提高了6.45%-13.10%，高度穩定林分（3-7 和3-9）則提高了28.76%-15.98%。

2.3.5 地表溫度

黑峪林場供試側柏林地表溫度變化規律與空氣溫度相似。由表7中結果可以看出，對于生態系統不穩定的3-2 和3-8 側柏人工林，其林內地表溫度分別較林外減少了4.60%和5.94%；而對于高度穩定性的3-7 和3-9，降低百分比分別為23.77%和10.75%。

表6 燕子山樣點供試側柏林的指標調查結果

表7 黑峪林場樣點供試側柏林的指標調查結果

表8 林內各指標較林外增加或降低幅度

3 結論

對側柏人工林林內和林外的空氣負離子含量、空氣溫度、風速、空氣濕度、地表溫度的測定結果表明，穩定性高的側柏人工林在提高林內負離子含量和空氣濕度，降低林內空氣溫度、風速、地表溫度的效果更好，相比生態系統不穩定的側柏林所發揮出的生態服務功能更強。