苏文会,朱晓武,2,范少辉,曾宪礼,刘广路

(1.国际竹藤中心国家林业局竹藤科学与技术重点实验室,北京 100102；2.西南林业大学 林学院,昆明 650224)

采伐对森林生态系统的影响综述

苏文会1,朱晓武1,2,范少辉1,曾宪礼1,刘广路1

(1.国际竹藤中心国家林业局竹藤科学与技术重点实验室,北京 100102；2.西南林业大学 林学院,昆明 650224)

采伐既是收获林产品,也是森林抚育的重要内容,对森林质量与可持续经营意义重大。综述了各种采伐方式对森林结构、生产力、生物多样性及土壤质量等森林生态系统要素的影响,旨在引起人们对合理森林采伐措施的重视。结合经营目标和森林现状,提出合理的采伐方式与强度,以期在获得林产品的同时保障森林可持续经营与森林生态系统稳定。

采伐；森林生态系统；影响

森林作为地球上最大的陆地生态系统,是全球基因库、碳贮库、蓄水库和能源库[1],森林质量直接影响着全球生态平衡。森林采伐是指对成熟林分或林分中成熟林木进行收获作业,也包括对中幼林的抚育采伐。合理采伐对森林可持续经营至关重要,对森林资源有效利用、生物多样性恢复、质量提升及森林综合功能的全面维持等方面意义重大。森林采伐既有以获取木材为目的的主伐,也有以高效培育为目的的抚育采伐,在收获林产品的同时,也改变了森林生态系统结构与功能,因此,探讨采伐对林地土壤、层次结构、生物多样性及林分生产力等方面的影响与作用方式,进而进行有效调控,对提升森林质量、产品输出能力、系统稳定性具有重要意义。

1 森林采伐内涵及应用

根据采伐时期和采伐目的,森林采伐主要包括中幼林的抚育采伐和成熟林的主伐[2]。国家标准《森林抚育规程》(GB/T15781-2015)对采访方式类型有明确阐述,我国森林抚育采伐方式分主要包含透光伐、疏伐、生长伐和卫生伐,而主伐方式主要有皆伐、择伐和渐伐。

抚育采伐伐是改善林分结构、提高森林质量和生产力水平的的重要措施。透光伐通过伐除密度较大林分内的部分林木,使得保留木能够获取足够的生存空间和阳光,有利于保留木的生长。李俊清等[3]对红松人工林采用透光伐,发现半透林和全透林都使红松的蓄积量增加,且半透林利于目的树种的生长,而全透林利于提高主要树种的保存率以及阔叶树的天然更新。疏伐能够降低林分密度,且有利于林木结实、提升种子品质,增加种子的出种率和发芽率等[4]。生长伐的目的是加速林木生长,采取生长伐为主的综合抚育方式在林分平均胸径、平均树高和蓄积等因子上甚至优于疏伐、割灌除草等[5]。卫生伐是一种特殊的抚育间伐方式,主要对林分卫生状况较差尤其是遭受病虫危害的林分进行针对性采伐,对于防止病虫害大面积爆发具有显著作用[6]。

主伐中3种采伐方式在生产实践中均有较多应用,其对森林的影响差异较明显。皆伐是指在采伐期内,将伐区内的全部树木砍除[7],吕海龙等[8]对小兴安岭地区低质林分进行改造,发现水平带状皆伐、垂直带状皆伐以及林窗带状皆伐对低质林分的改造效果明显,林木的存活率达到90%以上。择伐后的林分,由于破坏较小,森林生态系统不但可以稳定保持,甚至有利于林分的更新发育,还可有效避免风倒等自然灾害[9]。胡云云等[10]对天然云冷杉林采用强度为20%、周期为6年的择伐,天然云冷杉林能保持较好的径级结构。渐伐是按照森林天然更新的发展过程进行的,不仅为林分更新提供了丰富的种源,也为种子的发芽成苗、幼苗幼树的生长发育提供了较好的条件,同时也可在较短时间内获得较多木材[11]。

2 采伐对森林生态系统的影响

2.1 对林分结构和生产力的影响

对于森林生态系统而言,其内部存在一些较稳定的结构规律,在未受到自然或人为干扰的情况下,系统结构相对稳定并持续发展。采伐作为一种干扰形式,改变了林分密度与林木分布,必然对森林生态系统结构及生产力产生影响,并且受到采伐方式和采伐强度的影响。

2.1.1 对林分结构的影响

采伐对林分结构的影响较大,在林分的生长发育阶段,由于林分密度过大时,郁闭度高,地上部分、地下部分营养空间日趋拥挤,林木间竞争激烈,种间关系矛盾剧烈,林分的结构混乱,主次地位不明显,造成系统总体发育状况下降,采伐能有效缓解林木间的矛盾,使得光照、水分、养分等分配利用更合理,并且能有效改善林木的种间、种内关系以及生态环境,优化林分结构[12-13],而且一定程度的采伐有利于培养大径级木材[14-15]。抚育间伐通过伐除病害木、生长不良木以及草灌,突出目的树种的主导地位,使林分的结构层次明显,养分、水分的利用更加合理化；而主伐作为林分成熟后收获林产品的采伐方式,也对于林分结构的优化起到了明显的促进作用。但是当采伐强度过大时,林分密度减小,增加了其它物种的入侵机会,导致林分结构不稳定[16],这不利于林分生长。合理的密度结构对林分生长非常重要,结合林分实际生长状况,通过采伐调控适宜的林分密度结构,是促使林木良好发育的主要手段之一[17]。采伐调节林分结构来合理分配养分、水分、光照等资源的最终目的就是为了提高林分的整体质量,在取得经济效益的同时兼顾生态效益。不同经营目标的林分,所需要的林分结构不一样,以生产大径材为主的林分需要较低的林分密度,因此需要较高的采伐强度,但是以生产薪材为主要目的薪炭林则采伐强度较低,以维持较高的林分密度,因而只有适宜的采伐强度才能对目标林分的结构起到优化调整作用。

2.1.2 对林分生产力的影响

采伐作为一种重要的干扰形式和抚育措施,直接影响着林分质量与生产能力,且与采伐目标和强度直接相关。有研究发现,林分生产力与采伐强度呈正相关关系,但过度采伐又会导致系统生产力的降低[18]。抚育采伐以培养优质林分为主要目标,为成林后获取高质量的木材做准备。在一定的强度内,随着采伐强度的增加,抚育采伐能使目的树种的胸径增加,单株材积生长量也增加,但是达到一定强度之后,林木单株材积增加的正效应弥补不了林木株数减少的负效应,因而导致林分的总蓄积量减少。主伐以收获林产品为主要目标,过度采伐多数情况下会对林分后续生产力造成负面影响,影响程度与采伐强度直接相关[19]。一般而言,低强度的采伐,林分郁闭度变化相对较小,林内光照、温度、湿度变化缓和,对林木生长有利,蓄积量增加,林分生产力提高[20-21]；而强度或极强度采伐则使林冠稀疏、光照骤然增强,温湿度变化剧烈,大大增加了草本植物侵入机会,养分等竞争增大,使林分生产力受到影响。因此,针对不同的林分采取适宜强度的采伐有利于提高生产力,而不同坡度带的林分,其养分、水分、气候及保留密度不同,其所适应的采伐强度亦有所差异[22],生产中采伐作业应考虑到实际情况。

2.2 对森林土壤的影响

土壤是森林生态系统的重要组成部分,是动植物赖以生存的根本,同时,林木通过蒸腾、呼吸等新陈代谢活动及土壤微生物活动、凋落物分解、养分循环等方式反作用于土壤。采伐通过改变林木组成和系统能量分配,会对森林土壤微环境、理化性能及其质量带来影响。

2.2.1 对土壤微生物的影响

作为土壤的重要生物因子,土壤微生物在土壤中通过生命活动进行代谢,时刻发生氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等生化作用,推动土壤有机质的分解以及养分的转化,具有极高的灵敏性,是反映土壤质量、人类干扰以及土地利用变化最为敏感的指标之一,是整个生态系统的养分和能源循环的“关键”和“动力”,同时也是土壤养分重要的源库。在林分采伐的过程中,由于林内小气候环境的变化,采伐会对土壤微生物的分布、活性以及多样性造成影响。

相关研究表明,采伐对土壤微生物量及活性影响显著[23-25]。林地进行采伐后,微生物生物量显著增多,主要分布在0～20cm土层,0～10cm尤其集中,并且微生物的活性也增强。林地采伐后,光照增加,林内小气候得到改善,土壤结构稳定,凋落物积累多,分解有机质的微生物多,并且微生物的活性提高；当达到一定强度之后,土壤结构破坏,林下凋落物减少,水分养分流失,导致微生物的数量以及活性都降低。龙涛[26]研究了采伐与土壤微生物种类的关系,发现采伐显著降低了林分土壤微生物的多样性,可能是因为微生物种类与土壤养分和碳氮比等因子密切相关,采伐后,林地的温湿度等环境变化加速了土壤养分消耗,从而影响到碳氮比,进而影响了土壤微生物的生物多样性。

2.2.2 对土壤化学性质的影响

林分采伐后,郁闭度降低,光照增强,温湿度发生变化,尤其是高强度采伐使林地表层裸露,对太阳辐射的吸收量增加,导致地表温度升高,采伐残留物、枯枝落叶和地被物分解加速,同时,林地水分散失量和昼夜温差增大,直接影响到土壤理化性能。

采伐对土壤化学性能的影响主要表现为养分和pH值变化。卢伟等[27]在大兴安岭林区落叶松林进行采伐作业试验研究发现,采伐使林地有机质含量分别增加40.7%和20.3%,铵态氮分别增加2.1%和2.0%,全氮分别增加38.9%和22.2%,采伐改善了土壤的化学性质和养分含量。张泱等[28]对小兴安岭低质林进行不同采伐强度的改造试验得出采伐后林分的化学性质变化明显,养分含量明显高于对照样地,且随着时间推移,差异越来越明显,林地总体化学性能逐渐改善。而宋启亮等[29]对林地皆伐后发现,采伐后林地有机质及营养元素含量均有所下降,土壤pH值升高。采伐对土壤化学性能的影响与采伐强度直接相关[30],高强度的采伐可能会降低土壤养分含量和土壤微生物多样性。

采伐会导致林分土壤的pH值升高[31]。由于采伐使林地表面裸露,降低了林冠对雨水的截留消能作用,坡面径流增大,使林地有机物矿化释放的可溶性物质随径流流失,大量酸性物质随雨水流失,因而导致土壤pH值升高。但也有研究表明,林分经采伐后,到达林地的太阳辐射量增大,温度升高,土壤水分蒸发和腐殖质分解速度加快,经过一定时间的恢复,森林土壤的pH值逐渐降低,且土壤总体化学性能提高[32],说明采伐在某些条件下可能有利于森林更新。

2.2.3 对土壤物理性质的影响

土壤物理性能主要包括土壤容重、孔隙状况和持水性等,其性能的高低能够影响土壤化学性质以及土壤微生物的生存。有研究表明,中低强度的采伐对土壤物理性质虽有影响,但影响不显著[33-37],由于采伐后林分光照及温湿度的变化,加之采伐作业中的压踏干扰,土壤物理性质发生着不同程度的改变。林分经采伐后林地的土壤容重略有增加,其余各项指标均有所改善。随着采伐强度的增加,土壤容重逐渐增加,但毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和最大持水量等物理性质指标均逐渐降低,当达到一定采伐强度之后,由于集材运输以及土壤裸露等原因,易使土壤板结,排水透气等性能下降,导致土壤退化。因此,合理的采伐对土壤物理性状的改变是有利的。

2.3 对林地生物多样性的影响

采伐对森林生态系统生物多样性有很大的影响,丰富的生物多样性有利于森林生态系统功能的进化,是保持森林生态系统平衡稳定的基础保证,研究采伐对林分生物多样性的影响是制定科学森林抚育措施的重要依据。

近年来,关于采伐对林下植被物种多样性的研究相对较多,科学采伐改善了林内的光照等条件,导致林内的小气候、养分结构发生变化,植物间养分竞争力降低,物种得到更好的生长空间,生物多样性增加[38]。大量研究表明,抚育采伐和主伐都能增加林分物种多样性,并且不同强度的采伐导致物种多样性发生不同程度的变化,随着采伐强度的增大物种多样性呈现出先增加后下降的趋势[39-45]。采伐改变了林木的年龄结构及组成,同时改变了林分的光照等环境条件,这有利于其他物种的入侵,丰富植物种类,利于提高低质林的物种多样性,当采伐达到一定强度后,光照温度的剧烈变化,使得林分内的一些物种不再适应,林分结构破坏过大,对林分的稳定性造成的影响较大,导致原有的一些物种消失,虽然经过较长时间的恢复,林分结构逐步稳定,但是林分的主要特征相比之前仍有差异,林分的多样性也发生变化[46],因此,人为干扰强度过大会降低林分的生物多样性；而低强度的采伐虽然对林分影响最小,但是植物多样性的变化也较小,所以林分采用中强度的采伐,对于林分的生物多样性提高是最有益的。

3 评述与展望

森林既可以作为生态公益林保护环境,又可以为人类提供木材等一系列林产品,不仅能提供生活必需品还能增加收入,是人类发展进程中不可或缺的一部分。采伐对森林结构、生物多样性、土壤质量以及整个森林生态系统影响较大,针对不同经营目标和不同生长阶段和环境下的林分,科学的采伐措施对森林健康成长具有促进作用。但是由于人类对林产品等森林资源日益增长的迫切需求与现存森林资源生产水平低下的矛盾激烈,导致生产实践中大量采取不合理的采伐方式以期获取较多的森林资源,这对森林资源造成了极大的破坏和浪费,因此加强科学合理的森林采伐方式研究,对森林生态系统保护和经济社会发展显得格外迫切。鉴于此,应该在以下几个方面进一步深入研究。

首先,不同地力条件、经营目标及目标树种的科学抚育采伐研究。我国资源种类丰富,地理环境以及气候变化复杂,不同地理条件下不同树种间伐的方式、时期、强度都不一样,现阶段研究的采伐方式主要针对国内种植面积较大的部分传统造林树种,且以获得最大的经济利益为经营目标,对许多其他具有良好生态价值的优良树种还研究较少,这与新时期加强生态文明建设的社会大环境有悖,因此加强不同地理条件下多树种兼顾多效益的科学合理的抚育采伐方式研究很有必要。

其次,不同采伐方式对森林土壤微生物影响机制研究。森林土壤微生物的分布及活性在揭示森林生态系统的物质循环和能量流动具有重要意义,目前,采伐对森林土壤微生物的分布、活性等的研究较少,因此,进一步研究采伐对森林土壤微生物分布及活性的影响机制对于林分的合理采伐具有现实意义。

第三,主伐作业对森林生态系统稳定性的影响。近年来,国内外关于主伐对森林生态系统的影响陆续开展了较多研究,尤其是对主伐方式的探讨逐步深入。皆伐作业尽管效率高、收获量大,但对于林地损伤程度也大,易造成水土流失,对环境破坏较重,研究者们普遍认同择伐有利于维持森林生态系统高效持续运转。然而,择伐也有其明显劣势,费时费力,成本较高,不利于机械化作业,在人工费迅速攀升的今天,择伐效率低、成本高的缺陷更为突出。因此,根据森林类型和经营目标,小面积皆伐、皆伐与择伐结合使用可能是更为理智的选择。针对不同类型的林分进一步研究合理的森林采伐体系极为重要,在保障林产品稳定高效输出的同时,又有利于维持森林生态系统的健康稳定,实现双赢目标。

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Review of Effects of Harvesting on Forest Ecosystem

SU Wenhui1,ZHU Xiaowu1,2,FAN Shaohui1,ZENG Xianli1,LIU Guanglu1

(1.InternationalCentreforBambooandRattan;KeyLaboratoryofScienceandTechnologyofBambooandRattan,StateForestryAdministration,Beijing100102,China;2.ForestryCollegeofSouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

Harvesting can obtain forest products,and it's also an important part of forest tending,so it has a great significance to the forest’s quality and sustainable management.This paper reviewed the effects of various cutting methods on forest ecosystem structure,productivity,biodiversity and soil quality and other factors,in order to cause people to pay more attention to reasonable forest harvesting measures,and people need proposals on reasonable cutting methods and intensities according to the objectives and current status of forest management,in order to obtain forest products and ensure sustainable forest management and the stability of forest ecological system at the same time.

harvesting,forest ecological system,influence

2017-03-16；

2017-05-10

国家重点计划研发项目(2016YFD0600902)

苏文会(1976-),女,河北平山人,副研究员,博士,主要从事森林培育学研究。Email：swh612@icbr.ac.cn

范少辉(1962-),男,福建永泰人,研究员,博导,博士,主要从事森林培育学研究。Email：fansh@icbr.ac.cn

S752；S782.1

A

1002-6622(2017)03-0035-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.008