南太行山低山丘陵区主要灌木林生态服务功能及可持续经营研究

【摘要】灌木林作为南太行山低山丘陵区主要次生植被类型，对于维护该区生态环境具有重要意义。尤其近年来太行山绿化工程的实施，导致很多低效林产生，而作为该区主要植被的灌木林在生态建设常常被忽视，严重影响了当地植被恢复和生态重建效果。因此，开展该区灌木林生态系统服务功能价值评价，尤其是对灌木树种划分不同类型进行研究，对于正确认识灌木林在该区的生态地位非常必要，可为灌木林分类经营和生态效益补偿提供理论依据和参考，具有重要的生态学生产指导意义。文章在对南太行山低山丘陵区主要灌木林黄荆、酸枣、野皂荚进行了类型划分的基础上，通过实地观测和定位监测，依据《森林生态系统服务功能评估规范》分别从水源涵养、固土保费、固碳释氧、营养物质积累、生物多样性保育等指标对其生态服务功能进行了价值评估研究，同时探讨了该区灌木林的可持续经营与利用研究，为该区灌木林可持续分类经营和生态效益补偿制定提供科学依据。研究结果表明：1）参考已有研究成果，结合本研究实际，以灌木树种为主导，采用灌木树种个体、种群和群落特征值，以灌木平均高度、灌木平均密度和重要值以及灌木林群落生物多样性Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数（Jsw）等5个指标为灌木林类型划分体系，类型划分，把黄荆灌木林可分为4种类型，酸枣和野皂荚灌木林分别分为3种类型。真实反映了以灌木树种空间异质性，既大大减少了灌木林划分类型的数量，也满足了灌木林生态服务功能价值评估空间异质性的需要；2）对该区主要灌木林土壤物理性质研究结果表明，黄荆、酸枣、野皂荚灌木不同类型间土壤厚度平均值分别在28.38-54.11cm、21.35-53.57㎝、15.49-40.92cm之间；3种灌木林土壤中的粉粒、粘粒含量0-20cm层分别在17.42-31.47%、6.27-20.78%之间，20-40层分别为14.44-23.93%、5.37-16.46%之间；土壤容重在1.09-1.31之间；3种灌木林林地土壤总孔隙度在48.49%-60.81%之间，非毛管孔隙度在11.87-21.26%之间。灌木林可明显促进土壤结构改善，有利于生态效益发挥；3）对该区主要灌木林土壤化学性质研究结果表明，黄荆、酸枣、野皂荚灌木林土壤有机质含量0-20cm层在0.86-3.43%之间，差异显著。变异系数在10.40-71.70之间，类型间比较差异也显著；土壤养分N、P、K含量0-20cm土层分别在0.063-0.23%、0.021-0.080%、1.3-1.64%之间。20-40cm土层含量低于表层土。土壤有机质和土壤养分含量20-40cm都低于0-20cm层，表明土壤上下层物质交流较少，水土流失会极大改变土壤养分状况，不利于生态恢复和重建；4）对灌木林持水特征研究表明：黄荆、酸枣、野皂荚林冠降雨截持率分别平均为33.12%、24.91%、25.81%，3种灌木林林冠对降雨截持在0.25mm～0.66mm之间；林下枯落物对降雨的截持量变化范围0.65㎜～2.16㎜，变化规律如下：群落组成由简单到复杂，立地条件由差倒好，群落结构由简单到复杂，林地枯落物对降雨的截持量由小变大；3种灌木林土壤有效持水量分别是513.6㎜、554.7㎜、343.4㎜，种间变化随群落结构由简单到复杂，呈增加的趋势；酸枣是野皂荚的1.62倍；3种灌木林地的土壤厚度最大值和最小值分别为54.11cm和15.49cm，相差近4倍；5）灌木林地水文特征研究表明：黄荆、酸枣、野皂荚林地土壤含水率0-20cm土层在5.14%和10.16之间，土壤含水率随土层厚度增加而减少，随群落趋于稳定而增加；土层20～40cm层也有类似规律。但部分类型土层较薄，没有20-40cm土层；土壤渗透性能不同类型间土壤初渗和稳渗速度受土壤质地和土壤含水率影响明显。土壤初渗速度和稳渗速度0～20cm土层分别在7.43-9.77mm/min之间和5.72-6.17mm/min之间。初渗速度受土壤质地影响较大，稳渗速度受土壤含水量影响大；3种灌木林土壤含水率随着植被类型逐渐复杂和土厚度增加，灌木林地土壤含水率分布呈正相关和负相关。在0-20cm土层排序为黄荆﹥酸枣﹥野皂荚，平均含水率分别为8.57%、8.18%、7.08%；6）降雨特征及地表径流特征研究表明：3种灌木林实验区2008-2010年年降雨量和年有效降雨量极不平衡。3种灌木林地3年年降雨平均分别为380.87mm、520.70mm、547.23mm。降雨主要集中在6-9月份，尤其是7、8月居多。大雨以上降雨比较集中，3灌木实验区均占全年有效降雨约60%；不同灌木林地地表径流差异显著：黄荆3年平均径流量在2.93-11.90㎜之间；酸枣3年平均地表径流量分别为14.97㎜、8.07㎜、4.20㎜；野皂荚3年平均地表径流量13.53㎜、10.23㎜、3.50㎜。因此对灌木林通过类型划分来进行该区灌木林水土保持效益计量和价值评估是必要的；7）对灌木林生物量及固C和养分循环特征研究结果表明：3种灌木不同类型间总生物量在1661.79-4622.61㎏/hm２之间，各类型间差异显著。生物量分配有一定规律，根占百分比在20-30％之间，枝和叶分别在30-40%之间。年生物量叶占65%以上，灌木林每年大部分生产物都进入了系统物质循环；黄荆、酸枣、野皂荚生物C量和养分循环结果表明，每年灌木可为林地土壤提供有机C量在283.7-735.87㎏/hm2之间，是固碳总量的31.75-43%。是该区生态系统C循环的重要环节；灌木林养分年留存量较小，最高为酸枣平均的36.98㎏/hm2，不同类型间差异明显。养分循环速率N和P2O53种灌木均为90%以上。生态系统内碳和养分循环规律是灌木林生态服务功能发挥的重要内涵，同时该研究结果也为灌木林分类经营提供了基础数据；8）南太行山低山丘陵区主要灌木林生态服务功能价值评估指标体系建立：运用采取频度分析法，同时结合太行山低山丘陵区生态背景特征、主要问题以及生态条件等，征询有关专家意见，对指标进行筛选及其调整，并最终得到太行山低山丘陵区主要灌木林生态系统服务功能评价指标体系：选取涵养水源、水土保持、固碳制氧、积累营养物质、生物多样性保护等指标为本次研究的指标体系；9）对该太行山低山丘陵区生态服务功能各指标进行精确的计量结果表明，灌木林各类型间各指标生态服务量存在差异性显著，在该区进行灌木林类型划分来对生态服务功能计量是科学合理的。其中水土保持量３种灌木林不同类型间减少水土流失量差异性显著，最大为黄荆Ⅵ303.53t/hm2,是最小酸枣Ⅰ7.13t/hm2的40多倍；水源涵养量各灌木林之间相差较大，最大和最小值相差1392.7t/hm2，因此过去把森林作为无差异性进行的生态服务能评价可能因为植被群落的生态异质性而产生很大误差；太行山低山丘陵区３种主要灌木固Ｃ释氧量年度变化分别在352.16-1054.79㎏/hm２之间和1042.74-2880.36㎏/hm２之间。不同灌木群落内各类型间差异显著；由于受不同树种叶片中养分含量不同，不同树种营养物质积累量各养分元素也不一样，其中P各灌木树种差异较小；N元素以酸枣灌木积累量最大；K元素以野皂荚最大。这一结果也为不同灌木林地的分类经营和灌木林定向培育奠定了理论基础；黄荆、酸枣、野皂荚不同类型Shannon-Wiener指数在0.5659-2.5652之间，可见3种灌木林在该区的生物多样性相对简单；10）对南太行山低山丘陵区主要灌木林生态服务功能价值计算结构表明：不同生态服务功能指标价值比较结果为，固土保肥和水源涵养效益价值占总价值的约80%左右，固碳释氧和养分积累约占6-8%，生物多样性价值所占百分比在13-16%之间。可见该区的灌木植被主要的生态服务功能表现为固土保肥和水源涵养，这符合该区生态建设实际；尽管固碳释氧和养分积累价值不大，但由于该区土壤瘠薄，生态脆弱，因此该效益具有重要的生态学意义；对不同灌木树种的价值计算加过表明：黄荆、酸枣、野皂荚生态服务功能价值为黄荆4个类型生态服务功能依次为31803.05元/a.hm2、35793.58元/a.hm2、37739.81元/a.hm2、50954.46元/a.hm2；酸枣各类型生态服务功能依次为36960.35元/a.hm2、50489.86元/a.hm2、62809.13元/a.hm2；野皂荚各类型生态服务功能依次为42071.48元/a.hm2、45404.28元/a.hm2、62847.53元/a.hm2。黄荆平均为39072.72元/a.hm2、酸枣为51753.11元/a.hm2、野皂荚为50107.76元/a.hm2。3种灌木林分类的生态服务功能价值，真实反映了各类型间的差异，而平均值不能很好反映灌木群落的空间异质性，因此本结果真实可靠，可为灌木林的分类经营和生态效益补偿提供参考依据；11）对灌木林经营措施和利用研究结果表明：不同经营措施对灌木林生物量影响不一致，不同季节刈割黄荆、酸枣、野皂荚生物量均以秋季最大，分别为2.51㎏/株，1.89㎏/株、2.84㎏/株，与春季相比分别增长26.13%、15.24%、51.87%；刈割高度为5cm最好，生物量分别比刈割高度为15cm的处理增加16.08%、9.83%、20.93%；施肥处理随施肥量增加生物量呈递增趋势，其中8g/m2处理比对照生物量分别增加36.23%、6.98%、19.25%;覆草处理分别比对照增加20.29%、9.3%、4.97%。由此可知，不同处理措施对灌木生物量影响不一样，除个别处理单个树种表现差异性显著外，其他均不显著。利用研究结果表明，野皂荚、酸枣、黄荆热值分别相当于0.56g，0.49g、0.56g标准煤，是很好的薪炭材。生物油制取结果表明在裂解温度为500℃，气化气流速为4m3/h，进料速度为3kg·h-1工艺下，液体产率高达60%。但产物含氧高达40%，须进一步精制才能扩大其使用范围。
【作者】杨海青；
【导师】范国强；樊巍；
【作者基本信息】河南农业大学，森林培育，2013，博士
【关键词】Restorationecology；Degradedecosystem；Ecologicalcharacter；Vegetationrestoration；Soil；Speciesdiversity；Biomass；Microclimate；Naturalrestorationsuccession；HillyareasofTaihangmountains；

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