林木修枝對林地環境的影響研究進展論文
摘要：修枝作為一種傳統的森林經營措施, 在調節林分結構、調控林木生長、提高木材質量、維持林分穩定性等方面具有重要作用。探索科學合理的修枝技術是國內外林業科技工作者的研究熱點。文中綜合國內外的研究進展, 從林內小氣候、林下植被以及林地土壤3個方面闡述了林木的修枝效應, 以期揭示林木修枝對環境的作用規律, 為人工林修枝技術的研究與應用提供依據;同時還初步指出當前我國林木修枝工作中存在的問題, 並提出展望, 為今後的研究和生產實踐提供參考。
關鍵詞：林木修枝; 小氣候; 土壤性狀; 林下植被; 間作物;
枝條是組成樹冠的主要構件, 其發育和分佈狀況影響著樹冠的結構與動態[1]。自然狀態下, 由於林內光照條件限制, 林木會調整自身的枝葉量以維持體內光合產物均衡, 提高林分穩定性。林木的自然整枝實際上是對環境適應的結果[2]。隨著社會發展和生活水平的提高, 人們對木材產品質量的要求也越來越高, 依靠林木自然整枝來調控木材質量和林分結構已不能滿足人們迫不及待的需求。當前工業用材林培育的目標已從追求單一的速生豐產向追求定向、速生、豐產、優質、穩定與高效等多功能方向轉變。人工整枝作為一項基礎性營林措施, 可以有效改善木材品質[3-8], 同時也可以改變林內環境和林下生物組成與數量, 進而影響森林生態系統的結構與演替。
人工修枝是一個複雜的人為干擾過程, 相關研究已有很多, 但研究內容多集中在修枝技術及其對林木生長和材質的影響等方面[9], 往往忽略了修枝對林地環境的影響;此外, 在林農複合經營系統中, 間作物與林木之間存在光照、溫度、養分、水分等多方面的競爭關係, 確定合理的林木修枝技術是提高林農複合經營綜合效益的重要課題。本文將以國內外相關研究為依據, 綜合闡述林木修枝對林內小氣候、林地土壤性狀以及林下植被 (間作物) 的影響, 初步指出當前林木修枝研究中存在的不足, 以期為今後林木修枝技術的研究和應用提供參考。
1 修枝對林內小氣候的影響
1.1 林下光照
修枝可以減少下層枝葉數量, 有效緩解因相互遮陰而導致的光照不足, 同時有利於培育無節良材。一般認為修枝可提高林分透光率, 並且隨著修枝強度的增大而增強。研究表明, 猴樟 (Cinnamomum bodinieri) 經1/3和2/3強度 (修枝後枝下高佔樹高的比例) 的修枝後, 林分透光率比對照分別提高30%和80%[10];30%、40%及50%修枝強度的杉木 (Cunninghamia lanceolata) 林分透光率分別比對照提高0.30、1.04和2.11倍[11]。修枝會引起林分葉面積指數降低, 但降低幅度遠遠小於林分透光率增大的幅度。段愛國等[11]研究發現, 40%的修枝強度約降低20%的林木葉面積, 對材積生長影響不大, 但能提高1倍左右的透光率。
修枝能改變林下光照強度, 徐立軍等[12]對毛白楊 (Populus tomentosa) 進行修枝試驗發現, 隨著修枝強度的增大, 林地相應位置的光照強度會成倍增強。陳作州等[13]研究認為, 與對照相比, 在修枝林木不同距離和不同方位的林下光照強度明顯不同, 總體而言, 修枝後林下光照強度可提高10%左右。高峻等[14]認為, 林木株行距不同, 則行內的光照強度日變化以及行間光照強度日變化差異明顯。
修枝能增加林下光合有效輻射, 提高幅度約為對照林地的39.7%~98.9%[15], 並隨著修枝強度的增加而增加。另外, 在不同生長階段修枝對林分透光率的影響存在差異, 段愛國等[11]研究表明, 從年生長初期到年生長末期依次進行修枝, 林分透光率的增加幅度逐漸減小。受樹冠投影位置與遮蔽範圍的影響, 修枝後往往表現出上午和下午林內光照強度增加的幅度大, 而中午因樹冠投影處於樹冠正下方, 遮陰範圍小, 此時修枝林分的林下光合有效輻射增加幅度較小[15-16]。
1.2 林下氣溫與溼度
修枝在增加林下光照強度和光合有效輻射的同時, 也會改變林下氣溫和相對溼度。一般認為修枝強度越大, 增溫和減溼的作用越明顯。Sharma和Singh[17]對芒果樹 (Mangifera indica) 進行研究後認為, 修枝能明顯提高林內氣溫, 降低空氣相對溼度;孫尚偉等[15]研究了不同修枝強度對楊農複合經營生態系統內小氣候的影響, 結果表明, 隨著修枝強度的增加, 林內光照強度增強, 林下氣溫和植物葉表溫度顯著升高, 而空氣相對溼度逐漸降低, 且越接近正午, 這種趨勢越明顯;李厚芳等[18]對楊-麥複合經營模式的修枝試驗也得到了相似的結果。修枝後林木不同冠層處的氣溫和相對溼度的差異會有所減小[17]。修枝會加大林內晝夜的溫差和空氣相對溼度差異, 因為在太陽輻射較強的白天, 修枝林分的林下光照強度和氣溫往往高於不修枝林分, 空氣相對溼度則低於不修枝林分, 而早晚時分, 修枝與不修枝林分之間的差異較小[16,19]。
2 修枝對林地土壤性質的影響
2.1 物理性質
透過修枝能在一定程度上改善林地土壤物理結構。高雲昌等[20]對白榆 (Ulmus pumila) 人工固沙林的研究表明, 修枝後林地土壤容重降低了1.24%, 總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度分別增加了3.46%、3.37%和3.86%, 但可能由於修枝時間較短, 與對照相比沒有顯著性差異;梁元瑞[21]對杉木人工林的試驗也表明, 修枝3年後, 林地土壤的容重會有所降低。修枝後如果枝葉保留在林地中, 則可較好地保護表層土壤免受雨滴擊濺, 減少地表水分蒸發, 減緩地表徑流流速, 在改善林地土壤物理結構的同時增加土壤對水的涵養能力[22]。
不同土層含水量對修枝的響應存在差異。孫尚偉等[15]發現, 修枝會減少楊農複合經營林分表層土壤的含水量, 但會增加深層土壤的`含水量。Jones等[23]對牧豆樹 (Prosopis juliflora) 、阿拉伯金合歡樹 (Acacia nilotica) 2種林農複合經營的林分進行修枝試驗也發現, 修枝會顯著降低淺層土壤的含水量, 而深層土壤的含水量卻高於未修枝林分。土壤含水量分佈出現差異的原因:一方面是由於修枝使林下光照增強, 土壤溫度提高, 導致土壤水分蒸發加劇;另一方面是由於氣溫增高, 林下間作物蒸騰速率提高, 作物耗水量增多, 而作物的根系主要分佈在淺層土壤中, 所以修枝後淺層土壤的水分消耗量增多。深層土壤中林木的根系佔絕對優勢, 修枝處理後減少了樹木葉面的水分蒸騰, 導致樹木根系吸水減少, 因而深層土壤含水量高於對照林分。
2.2 化學性質
修枝在改變林分結構的同時, 也改變了土壤物理性狀, 致使土壤化學性質發生變化。高雲昌等[20]研究發現, 修枝后土壤有機質和鹼解氮含量有所增加, 而速效磷和速效鉀含量有所降低。Chesney[24]對刺桐 (Erythrina poeppigiana) 進行為期1年的試驗後認為, 修枝在短期內對土壤淨礦化作用和淨硝化作用無顯著影響, 但能明顯抑制林木細根的分佈, 因此可以調控林木與間作物對土壤養分的競爭。Duguma等[25]和Kadiata等[26]對銀合歡 (Leucaena leucocephala) 和墨西哥丁香 (Gliricidia sepium) 等豆科植物研究表明, 修枝能顯著提高土壤全氮含量, 但會降低土壤20%的固氮速率。
Peter等[27]在肯亞對阿拉伯膠樹 (Acacia saligna) 進行研究後認為, 修枝會增加土壤無機氮和鉀流失的風險。Teklay[28]、佘宇晨等[29]認為, 修枝產生的大量殘落物可增加林地土壤全碳和全氮含量, 經過分解能顯著增加土壤氮磷鉀等養分含量。但也有研究者認為雖然修枝能在短期內增加凋落物數量, 但是從長遠看會減少林地土壤凋落物的輸入量, 從而對土壤肥力和林下植被產生負面影響[30-31];劉西軍等[32]對河灘地楊樹林修枝前後的土壤養分進行對比研究發現, 修枝會降低林地土壤全氮含量, 但對全磷、有效磷和速效鉀含量影響不顯著。由此可見, 修枝對林地土壤化學性質的影響比較複雜, 修枝強度和頻率、修枝凋落物的管理方式、樹種種類和林下植被狀況等因素都會對林地土壤化學性質以及養分狀況產生影響[33]。
2.3 生化性質
土壤物理和化學性質共同制約著土壤微生物活動和土壤酶活性, 而土壤微生物和酶的狀況能反映土壤肥力和林地環境質量[34-35]。土壤微生物量和土壤酶活性與修枝存在一定的關係。一般認為, 林木修枝後自然凋落物數量減少, 土壤中積累的有機碳減少, 土壤微生物活性減弱。劉蘭蘭等[36]和Yang等[37]研究發現, 修枝后土壤CO2釋放量降低了12%~18%, 同時顯著降低了土壤蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性。修枝對土壤細菌和真菌數量也有顯著影響, 丁思一等[34]和佘宇晨等[29]研究表明, 修枝會降低杉木林土壤中的細菌、真菌和放線菌數量。也有研究認為, 修枝會增加土壤呼吸, 但持續時間短, 容易被根系-土壤調節系統恢復至正常水平[38]。
3 修枝對林下植被和林下間作物的影響
3.1 林下植被
林木修枝對林下植被影響的研究主要集中在林下植被多樣性及生態系統穩定性等方面, 林下植被多樣性主要體現在物種數量、生物量、覆蓋度、多樣性指數等方面, 此外還包括林下動物多樣性、病蟲害情況等[22]。
多數研究認為, 隨著修枝強度的加大, 林內透光率提高, 有利於林下植被的生長, 從而會提高林下植被的數量。Schmidt和Wardle[39]研究表明, 修枝能促進北美圓柏 (Juniperus virginiana) 林下草本植物的生長, 有利於維持物種多樣性;陳孝醜[40]對4年生杉木幼林進行連續2年不同強度修枝處理得出, 修枝林分的林下灌木層、草本層和總體植物總數、蓋度、生物量、重要值和Shannon-Wiener多樣性指數以及林下植被均勻度均高於未修枝林分, 且林下植被的覆蓋度、生物量隨著修枝強度的增加而增加。
修枝能促進林下幼苗更新, 高雲昌等[20]研究發現, 經過修枝的白榆林下更新幼苗數量顯著增加, 比對照提高了17.94%;Torras和Saura[41]研究了不同更新方式和撫育措施對6種森林生物多樣性指標的影響表明, 修枝能夠增加灌木物種豐富度。Moya等[42]對火災後5年和10年的地中海松 (Pinus halepensis) 林分進行修枝得出, 對幼齡林進行強度修枝能夠改善林分結構和植被多樣性。Corley等[43]在Patagonia地區的研究認為, 松樹人工林早期修枝 (即樹冠鬱閉前) 可顯著減少害蟲數量。
3.2 林下間作物
建立多種群、多功能、多效益、高產出的林農複合系統, 需要克服作物與林木之間光照、土壤養分、水分等多方面的相互競爭。林農複合系統中, 間作物的產量與林下環境條件密切相關, 一般認為林冠遮蔭是林下作物減產的主要原因[44-46]。修枝可大大改善林下作物的光照條件, 弱化林農間的光競爭, 提高林下作物產量[33,47-49]。陳作州等[13]研究發現, 在修枝增加10%左右的林地光照強度的情況下, 林內小麥 (Triticum aestivum) 產量可提高3%~7%。
不同樹種與林下間作物的競爭能力不同, 因此修枝產生的影響也有所差異。Jones等[23]在半乾旱地區的研究結果表明, 修去牧豆樹 (Prosopis juliflora) 一半左右的樹冠會顯著改善林下作物高粱 (Sorghum bicolor) 的光照條件, 有利於增加產量, 而採取相同修枝處理的阿拉伯金合歡 (Acacia nilotica) 對林下間作物的影響卻不顯著。修枝不僅減少了林木地上部分對光、熱等資源的競爭, 還會減少牧豆樹地下的根系密度, 降低對地下資源的競爭, 有利於滿足間作物的需求。修枝能有效維持林農複合生態系統內水分的平衡, 增加林下作物的氣孔導度, 提高作物光合速率和蒸騰速率[15,50]。當然, 林木修枝對林下植被氣孔導度的影響因時而異, 一般在上午和中午影響比較明顯;修枝強度越大林下植被的光合速率、蒸騰速率越大, 且上午和中午的促進作用大於下午[5,51]。
修枝能提高林下間作物的產量, 且隨著修枝強度的增加增產效果增大。徐立軍等[12]在對楊糧複合經營系統中的楊樹進行修枝後發現, 隨著林木修枝強度的增大, 間作物花生 (Arachis hypogaea) 的產量和生物量也隨之增加;秦柱南等[52]對L35楊林分進行修枝試驗表明, 修枝能顯著增加林下冬小麥的穗數、單穗籽粒數、千粒重和產量, 且隨著修枝強度增大提升幅度也增大, 與對照相比產量最高能提高6倍。
對不同間作物而言修枝產生的增產途徑和增產效果有所不同, 例如林木修枝後林下間作物玉米 (Zea mays) 主要透過增加穗數而增產, 小麥則主要透過增加千粒重和單穗籽粒數增產[53]。Siriri等[54]研究發現, 林下間作大豆的產量比間作玉米更接近於純農經營樣地。在相同修枝條件下, 林下間作小麥和玉米分別增產10%~171%和46%~399%, 可見修枝對玉米的增產效果大於小麥[51]。
Chandrashekara[55]研究認為, 要使林下間作物產量達到最高, 理論上需要修剪50%~90%的樹冠, 這在實際生產中往往難以實現, 因為修枝強度的確定除了要考慮林下植被生長對環境的需求, 更重要的是要考慮樹木材積生長、勞動力投入成本、經濟效益、甚至林地土壤肥力供給能力等問題。Bertomeu等[56]對雲南石梓 (Gmelina arborea) 與玉米的林農複合經營系統進行修枝試驗發現, 修枝強度越大, 林下間作物產量越高, 但修枝強度過大會導致林木直徑生長明顯受抑, 材積生長量明顯減小。所以研究林木修枝效應要綜合考慮多方面因素, 在確保目的樹種較快生長的前提下充分發揮林地資源的綜合效益和長期效益。
4 研究展望
近年來, 我國開展人工修枝的樹種主要有楊樹、紅松 (Pinus koraiensis) 、馬尾松 (Pinus massoniana) 、泡桐 (Paulownia tomentosa) 、油松 (Pinus tabuliformis) 、杉木等[40,47,57-61]。對修枝技術方面的研究主要包括修枝時間、修枝強度、修枝方式等;對林木修枝效應的研究多數集中在林木生長、材質等方面;而對林地環境影響的研究僅集中在少數林農複合經營系統中, 缺乏對天然林、工業用材林等多功能林分的研究, 與發達國家相比尚存在較大差距, 面臨著較多問題[9]。今後有必要對以下問題開展系統、深入的研究。
1) 對修枝的基礎理論問題研究不足。修枝物件主要是枝條, 而枝條是葉片的載體, 是光合產物、水分和養分的傳輸者, 枝條的生長髮育狀況和著生部位影響著樹冠結構和林分結構。樹木枝條和葉片的生長髮育規律及其與環境的關係是確定修枝時間和修枝強度的重要因素, 今後有必要開展相關研究。此外, 有必要進行長期的定位試驗, 掌握林木修枝對林內小氣候、土壤理化性質和林下植被的影響機理和影響狀況, 為科學調控林分的物種結構和空間結構, 促進林分可持續經營和高效經營提供理論依據。
2) 研究涉及的樹種種類偏少, 林分型別比較單一, 且多數研究只是簡單比較不同修枝處理之間的差異, 產生差異的原因尚不明確。如量化林木修枝強度對林地光照的影響, 需根據樹種、林木生長髮育狀況、林分結構、季節、林下植被的需求 (如光飽和點、光補償點) 等指標, 科學合理地確定適宜的修枝強度、修枝時間和修枝頻率。
3) 缺乏林地效益的綜合評價。在考慮林分生長效果和生態效益的同時, 應考慮經濟效益和社會效益, 綜合分析經濟成本與產出, 以確定合理的修枝技術, 確保其具有實用性和可行性。
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