林木修枝对林地环境的影响研究进展论文
摘要：修枝作为一种传统的森林经营措施, 在调节林分结构、调控林木生长、提高木材质量、维持林分稳定性等方面具有重要作用。探索科学合理的修枝技术是国内外林业科技工作者的研究热点。文中综合国内外的研究进展, 从林内小气候、林下植被以及林地土壤3个方面阐述了林木的修枝效应, 以期揭示林木修枝对环境的作用规律, 为人工林修枝技术的研究与应用提供依据;同时还初步指出当前我国林木修枝工作中存在的问题, 并提出展望, 为今后的研究和生产实践提供参考。
关键词：林木修枝; 小气候; 土壤性状; 林下植被; 间作物;
枝条是组成树冠的主要构件, 其发育和分布状况影响着树冠的结构与动态[1]。自然状态下, 由于林内光照条件限制, 林木会调整自身的枝叶量以维持体内光合产物均衡, 提高林分稳定性。林木的自然整枝实际上是对环境适应的结果[2]。随着社会发展和生活水平的提高, 人们对木材产品质量的要求也越来越高, 依靠林木自然整枝来调控木材质量和林分结构已不能满足人们迫不及待的需求。当前工业用材林培育的目标已从追求单一的速生丰产向追求定向、速生、丰产、优质、稳定与高效等多功能方向转变。人工整枝作为一项基础性营林措施, 可以有效改善木材品质[3-8], 同时也可以改变林内环境和林下生物组成与数量, 进而影响森林生态系统的结构与演替。
人工修枝是一个复杂的人为干扰过程, 相关研究已有很多, 但研究内容多集中在修枝技术及其对林木生长和材质的影响等方面[9], 往往忽略了修枝对林地环境的影响;此外, 在林农复合经营系统中, 间作物与林木之间存在光照、温度、养分、水分等多方面的竞争关系, 确定合理的林木修枝技术是提高林农复合经营综合效益的重要课题。本文将以国内外相关研究为依据, 综合阐述林木修枝对林内小气候、林地土壤性状以及林下植被 (间作物) 的影响, 初步指出当前林木修枝研究中存在的不足, 以期为今后林木修枝技术的研究和应用提供参考。
1 修枝对林内小气候的影响
1.1 林下光照
修枝可以减少下层枝叶数量, 有效缓解因相互遮阴而导致的光照不足, 同时有利于培育无节良材。一般认为修枝可提高林分透光率, 并且随着修枝强度的增大而增强。研究表明, 猴樟 (Cinnamomum bodinieri) 经1/3和2/3强度 (修枝后枝下高占树高的比例) 的修枝后, 林分透光率比对照分别提高30%和80%[10];30%、40%及50%修枝强度的杉木 (Cunninghamia lanceolata) 林分透光率分别比对照提高0.30、1.04和2.11倍[11]。修枝会引起林分叶面积指数降低, 但降低幅度远远小于林分透光率增大的幅度。段爱国等[11]研究发现, 40%的修枝强度约降低20%的林木叶面积, 对材积生长影响不大, 但能提高1倍左右的透光率。
修枝能改变林下光照强度, 徐立军等[12]对毛白杨 (Populus tomentosa) 进行修枝试验发现, 随着修枝强度的增大, 林地相应位置的光照强度会成倍增强。陈作州等[13]研究认为, 与对照相比, 在修枝林木不同距离和不同方位的林下光照强度明显不同, 总体而言, 修枝后林下光照强度可提高10%左右。高峻等[14]认为, 林木株行距不同, 则行内的光照强度日变化以及行间光照强度日变化差异明显。
修枝能增加林下光合有效辐射, 提高幅度约为对照林地的39.7%~98.9%[15], 并随着修枝强度的增加而增加。另外, 在不同生长阶段修枝对林分透光率的影响存在差异, 段爱国等[11]研究表明, 从年生长初期到年生长末期依次进行修枝, 林分透光率的增加幅度逐渐减小。受树冠投影位置与遮蔽范围的影响, 修枝后往往表现出上午和下午林内光照强度增加的幅度大, 而中午因树冠投影处于树冠正下方, 遮阴范围小, 此时修枝林分的林下光合有效辐射增加幅度较小[15-16]。
1.2 林下气温与湿度
修枝在增加林下光照强度和光合有效辐射的同时, 也会改变林下气温和相对湿度。一般认为修枝强度越大, 增温和减湿的作用越明显。Sharma和Singh[17]对芒果树 (Mangifera indica) 进行研究后认为, 修枝能明显提高林内气温, 降低空气相对湿度;孙尚伟等[15]研究了不同修枝强度对杨农复合经营生态系统内小气候的影响, 结果表明, 随着修枝强度的增加, 林内光照强度增强, 林下气温和植物叶表温度显著升高, 而空气相对湿度逐渐降低, 且越接近正午, 这种趋势越明显;李厚芳等[18]对杨-麦复合经营模式的修枝试验也得到了相似的结果。修枝后林木不同冠层处的气温和相对湿度的差异会有所减小[17]。修枝会加大林内昼夜的温差和空气相对湿度差异, 因为在太阳辐射较强的白天, 修枝林分的林下光照强度和气温往往高于不修枝林分, 空气相对湿度则低于不修枝林分, 而早晚时分, 修枝与不修枝林分之间的差异较小[16,19]。
2 修枝对林地土壤性质的影响
2.1 物理性质
通过修枝能在一定程度上改善林地土壤物理结构。高云昌等[20]对白榆 (Ulmus pumila) 人工固沙林的研究表明, 修枝后林地土壤容重降低了1.24%, 总孔隙度、毛管孔隙度与非毛管孔隙度分别增加了3.46%、3.37%和3.86%, 但可能由于修枝时间较短, 与对照相比没有显著性差异;梁元瑞[21]对杉木人工林的试验也表明, 修枝3年后, 林地土壤的容重会有所降低。修枝后如果枝叶保留在林地中, 则可较好地保护表层土壤免受雨滴击溅, 减少地表水分蒸发, 减缓地表径流流速, 在改善林地土壤物理结构的同时增加土壤对水的涵养能力[22]。
不同土层含水量对修枝的响应存在差异。孙尚伟等[15]发现, 修枝会减少杨农复合经营林分表层土壤的含水量, 但会增加深层土壤的`含水量。Jones等[23]对牧豆树 (Prosopis juliflora) 、阿拉伯金合欢树 (Acacia nilotica) 2种林农复合经营的林分进行修枝试验也发现, 修枝会显著降低浅层土壤的含水量, 而深层土壤的含水量却高于未修枝林分。土壤含水量分布出现差异的原因:一方面是由于修枝使林下光照增强, 土壤温度提高, 导致土壤水分蒸发加剧;另一方面是由于气温增高, 林下间作物蒸腾速率提高, 作物耗水量增多, 而作物的根系主要分布在浅层土壤中, 所以修枝后浅层土壤的水分消耗量增多。深层土壤中林木的根系占绝对优势, 修枝处理后减少了树木叶面的水分蒸腾, 导致树木根系吸水减少, 因而深层土壤含水量高于对照林分。
2.2 化学性质
修枝在改变林分结构的同时, 也改变了土壤物理性状, 致使土壤化学性质发生变化。高云昌等[20]研究发现, 修枝后土壤有机质和碱解氮含量有所增加, 而速效磷和速效钾含量有所降低。Chesney[24]对刺桐 (Erythrina poeppigiana) 进行为期1年的试验后认为, 修枝在短期内对土壤净矿化作用和净硝化作用无显著影响, 但能明显抑制林木细根的分布, 因此可以调控林木与间作物对土壤养分的竞争。Duguma等[25]和Kadiata等[26]对银合欢 (Leucaena leucocephala) 和墨西哥丁香 (Gliricidia sepium) 等豆科植物研究表明, 修枝能显著提高土壤全氮含量, 但会降低土壤20%的固氮速率。
Peter等[27]在肯尼亚对阿拉伯胶树 (Acacia saligna) 进行研究后认为, 修枝会增加土壤无机氮和钾流失的风险。Teklay[28]、佘宇晨等[29]认为, 修枝产生的大量残落物可增加林地土壤全碳和全氮含量, 经过分解能显著增加土壤氮磷钾等养分含量。但也有研究者认为虽然修枝能在短期内增加凋落物数量, 但是从长远看会减少林地土壤凋落物的输入量, 从而对土壤肥力和林下植被产生负面影响[30-31];刘西军等[32]对河滩地杨树林修枝前后的土壤养分进行对比研究发现, 修枝会降低林地土壤全氮含量, 但对全磷、有效磷和速效钾含量影响不显著。由此可见, 修枝对林地土壤化学性质的影响比较复杂, 修枝强度和频率、修枝凋落物的管理方式、树种种类和林下植被状况等因素都会对林地土壤化学性质以及养分状况产生影响[33]。
2.3 生化性质
土壤物理和化学性质共同制约着土壤微生物活动和土壤酶活性, 而土壤微生物和酶的状况能反映土壤肥力和林地环境质量[34-35]。土壤微生物量和土壤酶活性与修枝存在一定的关系。一般认为, 林木修枝后自然凋落物数量减少, 土壤中积累的有机碳减少, 土壤微生物活性减弱。刘兰兰等[36]和Yang等[37]研究发现, 修枝后土壤CO2释放量降低了12%~18%, 同时显著降低了土壤蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性。修枝对土壤细菌和真菌数量也有显著影响, 丁思一等[34]和佘宇晨等[29]研究表明, 修枝会降低杉木林土壤中的细菌、真菌和放线菌数量。也有研究认为, 修枝会增加土壤呼吸, 但持续时间短, 容易被根系-土壤调节系统恢复至正常水平[38]。
3 修枝对林下植被和林下间作物的影响
3.1 林下植被
林木修枝对林下植被影响的研究主要集中在林下植被多样性及生态系统稳定性等方面, 林下植被多样性主要体现在物种数量、生物量、覆盖度、多样性指数等方面, 此外还包括林下动物多样性、病虫害情况等[22]。
多数研究认为, 随着修枝强度的加大, 林内透光率提高, 有利于林下植被的生长, 从而会提高林下植被的数量。Schmidt和Wardle[39]研究表明, 修枝能促进北美圆柏 (Juniperus virginiana) 林下草本植物的生长, 有利于维持物种多样性;陈孝丑[40]对4年生杉木幼林进行连续2年不同强度修枝处理得出, 修枝林分的林下灌木层、草本层和总体植物总数、盖度、生物量、重要值和Shannon-Wiener多样性指数以及林下植被均匀度均高于未修枝林分, 且林下植被的覆盖度、生物量随着修枝强度的增加而增加。
修枝能促进林下幼苗更新, 高云昌等[20]研究发现, 经过修枝的白榆林下更新幼苗数量显著增加, 比对照提高了17.94%;Torras和Saura[41]研究了不同更新方式和抚育措施对6种森林生物多样性指标的影响表明, 修枝能够增加灌木物种丰富度。Moya等[42]对火灾后5年和10年的地中海松 (Pinus halepensis) 林分进行修枝得出, 对幼龄林进行强度修枝能够改善林分结构和植被多样性。Corley等[43]在Patagonia地区的研究认为, 松树人工林早期修枝 (即树冠郁闭前) 可显著减少害虫数量。
3.2 林下间作物
建立多种群、多功能、多效益、高产出的林农复合系统, 需要克服作物与林木之间光照、土壤养分、水分等多方面的相互竞争。林农复合系统中, 间作物的产量与林下环境条件密切相关, 一般认为林冠遮荫是林下作物减产的主要原因[44-46]。修枝可大大改善林下作物的光照条件, 弱化林农间的光竞争, 提高林下作物产量[33,47-49]。陈作州等[13]研究发现, 在修枝增加10%左右的林地光照强度的情况下, 林内小麦 (Triticum aestivum) 产量可提高3%~7%。
不同树种与林下间作物的竞争能力不同, 因此修枝产生的影响也有所差异。Jones等[23]在半干旱地区的研究结果表明, 修去牧豆树 (Prosopis juliflora) 一半左右的树冠会显著改善林下作物高粱 (Sorghum bicolor) 的光照条件, 有利于增加产量, 而采取相同修枝处理的阿拉伯金合欢 (Acacia nilotica) 对林下间作物的影响却不显著。修枝不仅减少了林木地上部分对光、热等资源的竞争, 还会减少牧豆树地下的根系密度, 降低对地下资源的竞争, 有利于满足间作物的需求。修枝能有效维持林农复合生态系统内水分的平衡, 增加林下作物的气孔导度, 提高作物光合速率和蒸腾速率[15,50]。当然, 林木修枝对林下植被气孔导度的影响因时而异, 一般在上午和中午影响比较明显;修枝强度越大林下植被的光合速率、蒸腾速率越大, 且上午和中午的促进作用大于下午[5,51]。
修枝能提高林下间作物的产量, 且随着修枝强度的增加增产效果增大。徐立军等[12]在对杨粮复合经营系统中的杨树进行修枝后发现, 随着林木修枝强度的增大, 间作物花生 (Arachis hypogaea) 的产量和生物量也随之增加;秦柱南等[52]对L35杨林分进行修枝试验表明, 修枝能显著增加林下冬小麦的穗数、单穗籽粒数、千粒重和产量, 且随着修枝强度增大提升幅度也增大, 与对照相比产量最高能提高6倍。
对不同间作物而言修枝产生的增产途径和增产效果有所不同, 例如林木修枝后林下间作物玉米 (Zea mays) 主要通过增加穗数而增产, 小麦则主要通过增加千粒重和单穗籽粒数增产[53]。Siriri等[54]研究发现, 林下间作大豆的产量比间作玉米更接近于纯农经营样地。在相同修枝条件下, 林下间作小麦和玉米分别增产10%~171%和46%~399%, 可见修枝对玉米的增产效果大于小麦[51]。
Chandrashekara[55]研究认为, 要使林下间作物产量达到最高, 理论上需要修剪50%~90%的树冠, 这在实际生产中往往难以实现, 因为修枝强度的确定除了要考虑林下植被生长对环境的需求, 更重要的是要考虑树木材积生长、劳动力投入成本、经济效益、甚至林地土壤肥力供给能力等问题。Bertomeu等[56]对云南石梓 (Gmelina arborea) 与玉米的林农复合经营系统进行修枝试验发现, 修枝强度越大, 林下间作物产量越高, 但修枝强度过大会导致林木直径生长明显受抑, 材积生长量明显减小。所以研究林木修枝效应要综合考虑多方面因素, 在确保目的树种较快生长的前提下充分发挥林地资源的综合效益和长期效益。
4 研究展望
近年来, 我国开展人工修枝的树种主要有杨树、红松 (Pinus koraiensis) 、马尾松 (Pinus massoniana) 、泡桐 (Paulownia tomentosa) 、油松 (Pinus tabuliformis) 、杉木等[40,47,57-61]。对修枝技术方面的研究主要包括修枝时间、修枝强度、修枝方式等;对林木修枝效应的研究多数集中在林木生长、材质等方面;而对林地环境影响的研究仅集中在少数林农复合经营系统中, 缺乏对天然林、工业用材林等多功能林分的研究, 与发达国家相比尚存在较大差距, 面临着较多问题[9]。今后有必要对以下问题开展系统、深入的研究。
1) 对修枝的基础理论问题研究不足。修枝对象主要是枝条, 而枝条是叶片的载体, 是光合产物、水分和养分的传输者, 枝条的生长发育状况和着生部位影响着树冠结构和林分结构。树木枝条和叶片的生长发育规律及其与环境的关系是确定修枝时间和修枝强度的重要因素, 今后有必要开展相关研究。此外, 有必要进行长期的定位试验, 掌握林木修枝对林内小气候、土壤理化性质和林下植被的影响机理和影响状况, 为科学调控林分的物种结构和空间结构, 促进林分可持续经营和高效经营提供理论依据。
2) 研究涉及的树种种类偏少, 林分类型比较单一, 且多数研究只是简单比较不同修枝处理之间的差异, 产生差异的原因尚不明确。如量化林木修枝强度对林地光照的影响, 需根据树种、林木生长发育状况、林分结构、季节、林下植被的需求 (如光饱和点、光补偿点) 等指标, 科学合理地确定适宜的修枝强度、修枝时间和修枝频率。
3) 缺乏林地效益的综合评价。在考虑林分生长效果和生态效益的同时, 应考虑经济效益和社会效益, 综合分析经济成本与产出, 以确定合理的修枝技术, 确保其具有实用性和可行性。
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