遼東山區(qū)水源林改造后的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益分析1)

胡萬(wàn)良 譚學(xué)仁 丁國(guó)權(quán) 丁 磊 金 鑫 亢新剛

(遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，丹東，118002) (北京林業(yè)大學(xué))

遼東山區(qū)的森林是遼寧省重要的水源涵養(yǎng)林兼用材林資源，也被譽(yù)為“遼寧中部城市群和遼河平原的綠色屏障”和“天然綠色水庫(kù)”，在維系區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和林產(chǎn)品的可持續(xù)供應(yīng)方面占據(jù)十分重要的戰(zhàn)略位置。據(jù)測(cè)算，每年遼東山區(qū)的森林涵養(yǎng)水源120億t，為中部提供工農(nóng)業(yè)用水70億t，占中部用水量的80%以上，依靠遼東山區(qū)天然次生林涵養(yǎng)水源的作用，遼寧省年水力發(fā)電量占全省發(fā)電量的一半［1－2］。但是，由于長(zhǎng)期以來(lái)不合理的采伐和過(guò)渡開(kāi)發(fā)，陡坡毀林開(kāi)荒，無(wú)度放蠶、放牧，致使森林自我調(diào)控能力減弱，洪水和旱災(zāi)發(fā)生頻度增加。水土流失面積逐年擴(kuò)大，土壤侵蝕模數(shù)增加，水資源的供給能力日趨貧乏，地下水位下降，嚴(yán)重影響了區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，已成為遼寧中部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。水源林具有多種效益，但林權(quán)制度改革后，水源林經(jīng)營(yíng)者對(duì)低效水源林的經(jīng)營(yíng)主要采取的措施是小面積皆伐改造，利用水源林發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)也只注重經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果造成森林的生態(tài)防護(hù)功能減弱。為了提高遼東山區(qū)森林的水源涵養(yǎng)功能和其他生態(tài)防護(hù)功能，謀求水源林經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)，有必要對(duì)水源林經(jīng)營(yíng)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，以便于工程實(shí)施及具體經(jīng)營(yíng)技術(shù)措施的制定，規(guī)范水源林經(jīng)營(yíng)者對(duì)林地資源的開(kāi)發(fā)利用，從而為進(jìn)一步科學(xué)評(píng)價(jià)水源林經(jīng)營(yíng)的水源涵養(yǎng)功能和防護(hù)效能，實(shí)現(xiàn)水源林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

試驗(yàn)區(qū)地處遼寧省東部山區(qū)，位于北緯40°00＇～43°09＇，東經(jīng) 122°53＇～ 125°47＇，海拔一般在 200 ～500 m，少數(shù)山峰超過(guò)1 000 m。氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，各地年平均氣溫5～8℃，年降水量700～1 100 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 400 mm，全區(qū)≥10℃年積溫3 000℃左右，無(wú)霜期130～150 d，土壤為山地棕色森林土，土層厚30～50 cm。本區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)白山脈的延伸地區(qū)，有老爺嶺山脈、龍崗山脈和哈達(dá)嶺山脈，構(gòu)成了整個(gè)遼東中低山地。由哈達(dá)嶺北部柴河、清河流域低山丘陵，哈達(dá)嶺南部渾河流域低山丘陵，龍崗山北緣太子河流域中山山地，及遼東半島丘陵等5大地貌結(jié)構(gòu)單元組成。遼東山區(qū)的平均森林覆被率高達(dá)70%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全省的35.13%，闊葉紅松林是該區(qū)域的頂極群落。森林資源中68%為次生林，總面積150多萬(wàn)hm2，是生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品的主要基地。境內(nèi)有渾河、太子河等主要河流的發(fā)源地和集水區(qū)，有大伙房、清河、觀音閣、紅升、關(guān)門(mén)山、和隆等大中型水庫(kù)29座。

2 研究方法

2.1 低效水源林生態(tài)防護(hù)功能的測(cè)定

試驗(yàn)地設(shè)置:2002年，在遼寧省新賓縣趙家村碾子溝，選取40年生低產(chǎn)低效次生林作為試驗(yàn)區(qū)。首先將試驗(yàn)區(qū)(5 hm2)分成3等份，分為皆伐改造、撫育改造和未進(jìn)行作業(yè)的對(duì)照。作業(yè)季節(jié)為冬季。皆伐改造區(qū)伐去所有喬、灌木，全面清場(chǎng)。撫育改造區(qū)伐除非目的樹(shù)種以及彎曲、病腐、老齡、過(guò)熟木，保留胸徑8～18 cm林木300～400株·hm－2。伐后全面清場(chǎng)，栽植5年生紅松苗，株行距為1.5 m×3.0 m，同時(shí)在紅松行間栽植2年生細(xì)辛苗，株行距20 cm×20 cm。對(duì)照區(qū)不進(jìn)行任何作業(yè)。在3個(gè)區(qū)內(nèi)各設(shè)固定標(biāo)準(zhǔn)地1塊，面積40 m×25 m。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各設(shè)10 m×10 m小氣候觀測(cè)場(chǎng)，觀測(cè)氣候、土壤、下草、下木的變化。

樹(shù)冠截留量的觀測(cè):在每個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)設(shè)100 cm2的小型雨量器5個(gè)，取平均值，與皆伐地降雨量之差為樹(shù)冠截留量。2003—2005年，每年5月—10月測(cè)定降雨量。

地表徑流觀測(cè):在每個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)選2 m×5 m徑流場(chǎng)兩處，四周用由油苫紙包好的寬30 cm、厚3 mm的木板包圍，將木板埋在地下20 cm。各徑流場(chǎng)坡度一致。測(cè)定時(shí)間為2003—2005年每年5月—10月。

土壤中養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定:于2005年8月，分別在不同處理區(qū)(皆伐改造、撫育改造和對(duì)照)固定樣地內(nèi)按上、中、下選取3個(gè)樣點(diǎn)，分層(0～10 cm，10～20 cm)采集土樣作為測(cè)試土樣。pH值用電位法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用重鉻酸鉀容量法;全氮用開(kāi)氏法;速效氮用擴(kuò)散法;速效磷用鉬銻抗比色法;速效鉀用四苯硼鈉比濁法［3－4］。

灌木、下草及枯落物調(diào)查:下草、下木按德魯捷的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)［5］。遼東天然次生林中的枯落物主要是枯枝和落葉。在各塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)機(jī)械放置口徑1.13 m、高1.0 m的圓形鐵桶5個(gè)，2005年從7月1日至11月未，每隔半月收集1次枯枝落葉，取樣烘干，推算每年枯落物量。

2.2 水源林林下經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)

林分選擇:2005年，在遼寧省本溪縣正溝村倒木溝，選取30年生人工落葉松林，間伐后保留木分別為450、560株·hm－2;選取30年生低產(chǎn)低效天然次生林，改造后保留木分別為225、400株·hm－2。

栽植方法:分別在不同密度的林分內(nèi)栽植。割除灌、草，全面整地后，順山作床。床寬1.2 m，床長(zhǎng)10～20 m，高20 cm，兩床間順山步道寬0.5 m，橫山作業(yè)道寬1.0 m。在床上栽植2年生細(xì)辛苗，株行距為18 cm×24 cm，在床邊栽植5年生紅松苗(次生林改造)，株行距為1.5 m×3.0 m，每年夏季進(jìn)行除草管理。

樣地設(shè)置及調(diào)查:在不同密度林內(nèi)各設(shè)置1塊標(biāo)準(zhǔn)地(簡(jiǎn)稱落－細(xì)1、落－細(xì)2、次－細(xì) 1、次－細(xì) 2)，標(biāo)準(zhǔn)地面積20 m×20 m。調(diào)查林木株數(shù)、胸徑、樹(shù)高。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)1.0 m×1.0 m樣方4個(gè)，在樣方內(nèi)調(diào)查細(xì)辛株數(shù)、株高、頭數(shù)［每株(墩)葉片個(gè)數(shù)］、鮮質(zhì)量、風(fēng)干后質(zhì)量等。

土壤水分和孔隙狀況的測(cè)定:用一次采樣室內(nèi)連續(xù)測(cè)定法進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 低效水源林不同改造方法的生態(tài)防護(hù)功能比較

3.1.1 樹(shù)冠截留量

樹(shù)冠截留能減弱降雨對(duì)林地的直接沖刷，延緩地表徑流形成過(guò)程，從而減輕土壤侵蝕和水土流失。樹(shù)冠截留量除與樹(shù)種、林分結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與降水強(qiáng)度、降水量、降水持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。其截留率隨降水量和降水強(qiáng)度增大而減少，截留量與林冠總表面積(或林分郁閉度)呈正相關(guān)，并隨降水量和降水持續(xù)時(shí)間增加而有所增大［6－7］。由于改造方法不同，各區(qū)林冠截留量也不一樣(表1)。從表1可見(jiàn)，撫育改造區(qū)的林內(nèi)降雨量為591.1 mm，是皆伐改造區(qū)的88%、對(duì)照區(qū)的126%;截留量為81.0 mm，是對(duì)照區(qū)的40%。其原因是撫育改造伐除了非目的樹(shù)種以及彎曲、病腐、老齡、過(guò)熟木等，降低了林冠總表面積，造成樹(shù)冠截留量減少。

3.1.2 地表徑流量

由林地地表徑流量和水土流失量(表2)可見(jiàn)，皆伐改造區(qū)地表徑流、土壤流失量分別為49 544.0、249.8 kg·hm－2，為最高，其次是撫育改造區(qū)，最低為對(duì)照區(qū)。如果以對(duì)照區(qū)地表徑流量、土壤流失量為100%，則皆伐改造區(qū)為210.7%、517.6%;撫育改造區(qū)為182.2%、373.7%?？梢?jiàn)，森林對(duì)林地土壤、水分有明顯的保護(hù)作用，森林采伐對(duì)水土流失有明顯影響，森林采伐量越大，水土流失越嚴(yán)重。但是，為優(yōu)化水源林結(jié)構(gòu)，提高水源林的主導(dǎo)功能和多種效益，實(shí)現(xiàn)水源林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)［8］，就必須對(duì)水源林進(jìn)行改造和利用。所以選擇最優(yōu)改造方法，既能獲得木材滿足經(jīng)營(yíng)者經(jīng)濟(jì)需要，又不對(duì)水源林的主導(dǎo)功能和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，保持青山常在，永續(xù)利用。

表1 3種類型林地樹(shù)冠截留情況

表2 3種類型林地地表徑流量及土壤流失量

3.1.3 土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

撫育改造林冠下人工栽植細(xì)辛以后，由于細(xì)辛歷年秋季需要防寒，所以每年必須從外面收取枯枝落葉或腐殖質(zhì)土覆蓋床面，因此，撫育改造區(qū)林冠下栽過(guò)細(xì)辛的林地內(nèi)有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于皆伐地和對(duì)照區(qū)(表3)。從表3可以看出，栽過(guò)細(xì)辛地的土壤有向中性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，撫育改造區(qū)的pH值明顯高于其它區(qū)。另外，撫育改造區(qū)兩層土壤中養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有明顯差異，這與栽植細(xì)辛過(guò)程中需要細(xì)致翻地和歷年需要多次松土有關(guān)。

表3 3種類型林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.1.4 枯枝落葉量

林分改造后，林地枯落物量有明顯變化(表4)。由表4可知:對(duì)照區(qū)枯枝落葉量每年達(dá)353 kg·hm－2，為最高，其次是擇伐林地，最低是皆伐林地，分別為對(duì)照區(qū)的89.0%和46.7%。

表4 3種類型林地枯枝落葉量 kg·hm－2

3.2 水源林林下經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益

3.2.1 對(duì)土壤孔隙的影響

雖然在栽植細(xì)辛?xí)r經(jīng)過(guò)整地，土壤表層(0～20 cm)人工松動(dòng)一次，但4 a后，土壤孔隙組成情況與對(duì)照區(qū)差異不甚明顯(表5)。

表5 土壤孔隙組成

3.2.2 對(duì)土壤水分狀況的影響

由表6可知:栽植細(xì)辛的林地土壤自然含水量均大于對(duì)照區(qū)。這與細(xì)辛植株矮、葉片大、頭數(shù)多，已形成一個(gè)密集的草本層，減少了土壤表面水分蒸發(fā)有直接關(guān)系。

表6 土壤水分狀況

3.2.3 對(duì)水土流失的影響

在栽植細(xì)辛之前，進(jìn)行全面整地做床，栽后每年進(jìn)行除草管理，土壤表層受到一定程度的破壞。據(jù)調(diào)查，整個(gè)細(xì)辛地內(nèi)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一條因?yàn)檎卦约?xì)辛而造成的侵蝕溝。相反，由于細(xì)辛根系特別發(fā)達(dá)，葉片大而密集，在林下還能起到一定程度的固土保水作用。

3.2.4 林下經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益

林下經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的投入、產(chǎn)出情況見(jiàn)表7。表7中林業(yè)投入包括苗木費(fèi)、造林費(fèi)、幼林撫育費(fèi)、采伐作業(yè)費(fèi)等，產(chǎn)出為木材收入(以34年生時(shí)木材產(chǎn)量計(jì)算);細(xì)辛投入包括種苗費(fèi)、栽植費(fèi)、肥料及農(nóng)藥費(fèi)等，產(chǎn)出為干細(xì)辛、細(xì)辛籽收入。從表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，在落葉松水源林林下栽植細(xì)辛沒(méi)有增加利潤(rùn)，反而降低了利潤(rùn)。這主要是間伐減少了單位面積活立木株數(shù)，降低了單位面積木材產(chǎn)量。因此，在落葉松水源林林下栽植細(xì)辛應(yīng)結(jié)合大徑級(jí)材培育或結(jié)合伐前更新進(jìn)行。低產(chǎn)低效次生林改造林下栽植細(xì)辛可大大提高林地生產(chǎn)力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。從利潤(rùn)比較看，試驗(yàn)區(qū)次－細(xì)1和次－細(xì)2的利潤(rùn)分別是對(duì)照區(qū)的283.45%和250.99%，在經(jīng)營(yíng)管理細(xì)辛的過(guò)程中，無(wú)需對(duì)栽植的紅松采取幼林撫育措施，也能促進(jìn)紅松生長(zhǎng)，加速闊葉紅松林恢復(fù)，提高林分質(zhì)量。

表7 水源林復(fù)合經(jīng)營(yíng)投入、產(chǎn)出比較

4 結(jié)論與建議

任何一種經(jīng)營(yíng)措施都將對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生作用，主要表現(xiàn)在森林在水分循環(huán)中的作用。森林采伐后，樹(shù)冠截留量減少，地表徑流明顯增加。通過(guò)低產(chǎn)低效次生林改造，皆伐改造區(qū)地表徑流量、土壤流失量分別是對(duì)照區(qū)的210.7%、517.6%，撫育改造區(qū)地表徑流量、土壤流失量分別是對(duì)照區(qū)的182.2%、373.7%。說(shuō)明采伐強(qiáng)度越大，水土流失越嚴(yán)重。撫育改造區(qū)枯枝落葉量比對(duì)照區(qū)僅減少11%，說(shuō)明撫育改造后枯枝落葉層對(duì)降水截留影響較小。結(jié)合遼東山區(qū)天然次生林資源現(xiàn)狀和特點(diǎn)，撫育改造是較好的天然次生林恢復(fù)途徑，既不使森林環(huán)境發(fā)生重大變化，同時(shí)撫育改造后還可以在冠下引進(jìn)針葉樹(shù)，形成針闊混交林結(jié)構(gòu)，加速演替進(jìn)程，增加水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在不影響水源林發(fā)揮主導(dǎo)功能和其他生態(tài)效益的同時(shí)，進(jìn)行林下經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。林下栽植細(xì)辛可大大提高低產(chǎn)低效次生林林地生產(chǎn)力，利潤(rùn)是對(duì)照區(qū)的250.99% ～283.45%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，在經(jīng)營(yíng)管理細(xì)辛的過(guò)程中，無(wú)需對(duì)栽植的紅松采取幼林撫育措施，也能促進(jìn)紅松生長(zhǎng)，加速闊葉紅松林恢復(fù)，提高林分質(zhì)量。水源涵養(yǎng)林經(jīng)營(yíng)及林地利用要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、嚴(yán)格保護(hù)、科學(xué)經(jīng)營(yíng)、合理利用、適度開(kāi)發(fā)的原則，維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)健康和活力、維護(hù)生物多樣性和森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境服務(wù)功能最大化。對(duì)特殊保護(hù)等級(jí)水源林，實(shí)行嚴(yán)格保護(hù)，完全保持其自然狀態(tài)，實(shí)行長(zhǎng)期全面封禁，禁止人為干擾和開(kāi)展一切生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng);對(duì)重點(diǎn)保護(hù)等級(jí)水源涵養(yǎng)林，全面封禁或定期全面封禁，嚴(yán)格限制采伐、開(kāi)墾、放牧等人為干擾和一切生產(chǎn)性森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。結(jié)合培育大徑材和根據(jù)水源涵養(yǎng)林的防護(hù)成熟期進(jìn)行低強(qiáng)度的擇伐，可進(jìn)行仿自然非墾復(fù)性開(kāi)發(fā);對(duì)一般保護(hù)等級(jí)水源涵養(yǎng)林，實(shí)行一定限制措施，在普遍封管的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)允許一些以提高森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性或改善生態(tài)功能為主要目的的森林撫育、林分改造、更新采伐等生產(chǎn)性森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，采伐方式禁止皆伐。在林地開(kāi)發(fā)利用上可以起床作業(yè)，每床長(zhǎng)不超過(guò)15 m，上下床之間保留2 m以上原有植被的隔離帶，每隔10床順山保留5 m寬以上隔離帶。溝谷(溪流)、山脊與墾植區(qū)之間保留20 m以上的原有植被區(qū)。林地集中開(kāi)發(fā)的面積控制為人工林≤5 hm2，天然林≤3 hm2。

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