人工林是森林生态系统的重要组成部分,既发挥生态功能,又提供木材供给.采伐是人工林经营的主要措施之一.随着人工林择伐理念得到重视,坡度大于25°的人工用材林提倡实行择伐.如何确定合理的择伐强度是人工林择伐经营的关键问题之一.杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方主要商品材,广泛种植于我国南方17个省区.杉木人工林面积占全国人工林面积的13.84%,在维护区域生态平衡中发挥重大作用.在全面分析择伐强度对杉木人工林生态系统影响的基础上,综合评价择伐后生态恢复效果,以及生态与经济综合效益,选择适宜的择伐强度,旨在探索杉木人工林合理择伐强度阈值,为某一区域具体林分采取科学的择伐经营措施提供依据,推进人工林主伐方式由皆伐向择伐转变,对实现杉木人工林可持续经营具有深远的现实意义和重要的理论价值. 闽北是全国15片杉木人工林商品材基地之一.以闽北杉木人工林为研究对象,于2011年建立了杉阔人工混交林择伐与更新长期跟踪试验基地,对18a生从未间伐过的杉阔人工混交林[树种组成为60%阔叶树,40%杉木+马尾松(Pinus massoniana)],进行不同强度(中度34.6%、强度48.6%和极强度67.6%)择伐,以及皆伐作业试验;之后于2011年7月和12月、2014年7月和2016年7月,分别进行了采伐前本底、采伐当年、采伐3a后和采伐5a后调查;于2006年建立了杉木人工纯林择伐与更新长期跟踪试验基地,对33a生杉木人工纯林为培育大径材进行不同强度(弱度12.7%、中度22.9%、强度49.4%和极强度62.7%)择伐作业试验;之后于2006年7月和12月、2011年7月、2014年7月和2016年7月,分别进行了采伐前本底、采伐当年、采伐5a后、采伐8a后和采伐10a后调查;试验林采伐后均天然更新,与未采伐进行对照. 杉阔人工混交林不同采伐强度后林地生态恢复动态,以及综合评价的主要研究结果和结论如下: (1)择伐能有效地促进保留木生长,择伐后5a间,平均胸径、单株材积、断面积和蓄积量的年均生长率是未采伐的1.21~2.25倍;采伐对乔木层碳储量的影响应考虑采伐木碳储量,中度和强度择伐较有利于乔木层碳储量的恢复;中度和强度择伐有利于提高中径阶林木的比例,14cm及其以上径阶林木的比例分别是未采伐的2.88倍和1.56倍;中度择伐5a后增加了均匀分布且高混交度、优势且高混交度的林木,同时降低了不合理组合(劣势且混交度低、很不均匀且零度混交、绝对劣势且团状分布)的比例,林分平均混交度提高1.2%,林分平均角尺度降低6.2%;择伐有利于增加群落物种丰富度和多样性,中度、强度和极强度择伐5a后,群落物种丰富度分别提高22.2%、44.1%和40.1%,群落物种多样性分别提高7.8%、21.1%和17.5%,均高于未采伐的增长率,而物种均匀度无明显变化;皆伐后群落物种丰富度、多样性和均匀度都降低,皆伐5a后降幅分别达到33.3%、43.2%和59.6%. (2)中度择伐有利于维持或提高凋落物现存量、有机碳储量和养分量,中度择伐5a后分别比择伐前提高了5.2%、14.1%和12.4%,强度、极强度和皆伐后均降低;中度和强度择伐有利于土壤理化性质得到恢复和改善,相比择伐前,中度和强度择伐5a后,林地土壤密度分别降低5.3%和0.9%,土壤结构体破坏率分别降低14.5%和7.8%,土壤最大持水量分别提高13.4%和5.4%,土壤总孔隙度分别提高7.5%和4.7%,土壤有机质含量分别提高38.4%和31.2%,土壤全N含量分别提高57.3%和25.0%,水解性N含量分别提高112.3%和81.4%,极强度择伐和皆伐5a后尚未恢复到采伐前. (3)2016年7月-2017年7月,运用LI-8100A土壤碳通量自动测量系统,对不同采伐强度5a后林地土壤及其组分的呼吸速率,以及土壤5cm深处的温度和湿度,进行了为期1a定位观测研究.结果表明:择伐对林地土壤及其组分呼吸速率都没有显著影响;皆伐对林地矿质土壤层呼吸速率没有显著影响(P>0.05),但使凋落物和根系呼吸速率以及土壤总呼吸速率显著低于未采伐和择伐(P<0.05);矿质土壤呼吸对土壤总呼吸的贡献率,皆伐最高,达60.1%,其次是极强度择伐,达45.4%;择伐对土壤温度的影响不显著(P>0.05),而皆伐使林地土壤温度显著升高(P<0.05);中度和强度择伐对土壤湿度的影响不显著(P>0.05),而极强度择伐和皆伐使林地土壤湿度显著降低(P<0.05);土壤总呼吸速率与土壤温度的指数模型拟合效果最优;未采伐和择伐林地土壤总呼吸的温度敏感性较强,Q10为1.77~2.72,能解释土壤呼吸变化的77.8%~83.3%;皆伐林地土壤总呼吸的温度敏感性最弱,Q10为1.49,能解释土壤呼吸变化的35.5%.由此说明,择伐有利于杉木人工混交林土壤碳库的维持;皆伐导致其土壤碳库损失,土壤总呼吸速率显著降低;土壤总呼吸速率的季节变化主要受土壤温度的调节.这可为研究区域森林采伐干扰下土壤碳循环,以及土壤呼吸与环境因子的关系研究提供参考. (4)2016年10月,以及2017年1月、4月和7月,对不同采伐强度5a后样地内0-20cm土层林木细根(直径<2mm)进行了4次取样,借助根系图像分析系统winRHIZO(Pro2009c)和统计分析.结果表明:不同采伐强度5a后,中度和强度择伐林地的林木细根生物量与未采伐都无显著差异(P>0.05),极强度择伐和皆伐显著低于未采伐(P<0.05),分别降低47.0%和66.3%;择伐林地的林木细根比根长和比表面积与未采伐没有显著差异(P>0.05),而皆伐显著高于未采伐(P<0.05);中度和强度择伐林地的根长密度和根表面积密度与未采伐都无显著差异(P>0.05),而极强度择伐和皆伐显著降低(P<0.05).说明中度和强度择伐有利于林木维持较高的细根生物量、根长密度和根表面积,可充分利用立地资源. (5)不同采伐强度5a后,涵养水源、固土保肥和固碳释氧3方面的环境成本总量随着采伐强度的增大而增加,中度择伐的环境成本总量为2325.5元·hm-2,强度和极强度择伐分别是中度择伐的2.99倍和6.06倍,皆伐为中度择伐的12.61倍;从单位采伐量的环境成本来看,中度择伐最低,为35.9元·m-3,而皆伐最大,是中度择伐的4.06倍. (6)不同采伐强度5a后,植被、凋落物、土壤和细根等主要生态因子恢复效果综合评价值排序依次为:中度择伐(0.831)>强度择伐(0.762)>未采伐(0.621)>极强度择伐(0.543)>皆伐(0.066);生态和经济综合效益评价值排序依次为:中度择伐(0.801)>强度择伐(0.659)>极强度择伐(0.579)>皆伐(0.199). 杉木人工纯林不同择伐强度后林地生态恢复动态,以及综合评价的主要研究结果和结论如下: (1)择伐有利于促进保留木生长,在择伐后10a间,保留木的平均胸径、单株材积、断面积和蓄积量的年均生长率分别为0.6%~1.1%、1.2%~2.7%、1.2%~2.2%和1.5%~3.1%,均高于未采伐;林下灌木层和草本层物种丰富度和多样性随着择伐强度的增大,呈先增大后减小的趋势,中度和强度择伐较高,其中灌木层物种多样性在中度和强度择伐10a后分别比择伐前提高了10.3%和4.3%,草本层物种多样性在中度和强度择伐10a后分别比择伐前提高了21.4%和13.0%;灌木层和草本层物种均匀度变化不明显. (2)择伐后经过5~10a的天然恢复,凋落物现存量和养分总量随着择伐强度的增大,呈先增大后减小的趋势;中度和强度择伐10a后,凋落物现存量分别比未采伐提高了30.7%和28.6%,凋落物养分总量分别比未采伐提高了63.7%和4.2%;凋落物有机碳与择伐强度没有明显关系,中度和强度择伐10a后分别比未采伐提高了18.5%和17.5%;中度和强度择伐10a后,林地土壤密度分别比未采伐降低了11.0%和27.9%,土壤结构体破坏率分别比未采伐降低了26.8%和25.7%;土壤水分与孔隙状况和养分含量得到较好地恢复和改善. (3)不同择伐强度10a后,涵养水源、固土保肥和固碳释氧3方面的环境成本总量都为负值,即都产生环境收益;其中,强度择伐的环境收益最大,为5701.3元·hm-2,分别是弱度、中度和极强度择伐的2.38倍、2.04倍和5.94倍.单位采伐量的环境收益随择伐强度的增大而降低,弱度择伐最高,为40.1元·m-3;其次是中度和强度择伐,分别为26.8元·m-3和26.9元·m-3,极强度择伐最小,仅为3.1元·m-3. (4)不同择伐强度10a后,植被、凋落物和土壤的生态恢复综合评价值排序依次为:强度择伐(0.773)>中度择伐(0.576)>极强度择伐(0.378)>弱度择伐(0.315)>未采伐(0.201);生态与经济综合效益评价值排序依次为:强度择伐(0.892)>中度择伐(0.505)>极强度择伐(0.244)>弱度择伐(0.141). 综上所述,考虑择伐后生态恢复综合效果以及生态与经济综合效益,该区域试验林分适宜择伐强度阈值应控制在30%~50%,建议类似杉阔人工混交林以中度择伐为宜,类似培育大径材的杉木人工纯林以强度择伐为宜.这对该区域杉木人工林可持续经营具有重要的理论价值和和实际意义.
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