黄土丘陵区人工油松林生态系统服务功能研究

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本研究选择黄土丘陵区幼龄至成熟的典型人工油松林,以皆伐上层油松乔木后自然恢复的灌草顶级群落(以下简称“采伐地”)及撂荒地为对照,采用空间代替时间及定位观测的方法,系统研究了人工油松林生态服务功能及其动态变化,并在此基础上对生态服务功能进行价值化,以期为黄土丘陵区人工林生态系统管理工作提供依据和指导。本研究主要得出以下结论:(1)在物质生产功能方面,人工油松林有较强的物质生产能力和潜力,9a、23a、33a、46a人工油松林的生态系统生物量分别为24.62t·hmx-2、68.31t·hmx-2、102.70t·hmx-2、173.43t·hmx-2,其中乔木层生物量的增长是林分生物量增长的主要原因;对照的采伐地生态系统生物量为44.67t·hmx-2,仅为46a成熟人工油松林的1/4。研究的典型人工油松林在近熟林和成熟林时期保持着较高的生产力,表明合理的经营可以延长了林分保持较高生产力水平的时间。(2)在累积营养物质及维持土壤肥力方面,人工油松林累积营养物质能力较差,但在造林初期就有达到一定的水平,随着林龄的增长,油松林营养元素累积量逐渐升高;46a成熟林对N、P、K元素的累积量分别为589.50kg·hmx-2、21.80kg·hmx-2、304.37kg·hmx-2,略高于较采伐地的累积量。人工油松林0-100cm土壤有机碳及N元素含量随着林龄的增长呈先增大后减小趋势,约在近熟林时期达到峰值;而土壤P和K元素含量随林龄增长呈先减小后增加趋势,在幼龄时期最高,中龄林时期最低;采伐地的土壤养分条件优于46a成熟油松林。随着土层深度的增加,土壤有机碳和N含量逐渐减小,而P及K元素含量则基本上不受土壤层深度的影响。(3)在固碳释氧方面,人工油松林具有较强的固碳能力,9a、23a、33a、46a态系统碳储量分别为78.81t·hmx-2、102.30t·hmx-2、147.95t·hmx-2、154.41t·hmx-2,其中土壤碳所占比例较高(43.43%~86.02%),植物层碳储量所占的比例随着林龄的增长显著升高(10.62%~49.72%),枯落物层碳储量占5.00%左右。46a内人工油松林生态系统固碳潜力为93.42t·hmx-2,采伐地生态系统固碳潜力为34.05t·hmx-2;人工油松林生态系统固碳潜力组成中,以植物层活体生物量及地表枯落物形式储存的碳为主(占92.80%),土壤层地固碳潜力很低,提高土壤层的碳储量是提高生态系统固碳潜力的关键。土壤碳密度随C/N比的增加呈先增大后减小趋势,在C/N比为10左右达到峰值;土壤C/P比和C/K比的增大有利于土壤碳的储存;土壤容重越小,越有利于土壤碳的储存。人工油松林生态系统年均固碳速率随林龄的增长呈先增大后减小趋势,其中中龄林时期年均固碳速率最高(3.70t·hmx-2),成熟林期间最低(0.50t·hmx-2)。(4)在理水和保育土壤功能方面,人工油松林从中龄林到成熟林过程中,林冠层对降水量的年截留率呈增加趋势(17.00%~29.70%),其年平均截留率为采伐地灌草层的5倍左右;油松林树干年茎流率平均为2.8%,与林龄和年降水量的关系不明显;油松林地枯落物层对降水的年截留率为9.70%,在中龄后基本保持稳定,且与采伐地差异不明显;油松林0~300cm土壤层年均储水量为420.10mm,比采伐地减少139.20mm,并以1.80mm·a-1的平均速率减少。人工油松林涵养水源能力不及采伐地,在幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林时期年均水源涵养量分别为2301.95m3·hmx-2、2377.28m3·hmx-2、2285.48m3·hmx-2、1948.79m3·hmx-2,其中林冠截留和土壤蒸发的大小是影响林分水源涵养量的主要因素。人工油松林具有良好的保育土壤功能,其中土壤流失量最高的幼龄林时期,仅为750.40kg·hmx-2·a-1,中龄林以后基本上没有土壤和养分的流失,采伐地水土流失也不严重。(5)在净化大气和保育生物多样性功能方面,人工油松林生态系统净化大气的能力随着林龄的增长逐渐升高,46a成熟林净化大气的各项功能约为采伐地的6倍。人工油松林乔木层物种丰富度和生物多样性指数都处于较低水平,灌木层和草本层物种丰富度和生物多样性指数均较高。油松林生态系统的总丰富度为28~38,其Simpson指数和Shannon-Wiener指数分别介于0.50~0.62和1.15~1.58之间;对照的采伐地生态系统丰富度和生物多样性和油松林差异不明显。(6)对人工油松林提供有机物质、累积营养物质、固碳释氧、涵养水源、保育土壤、净化大气、保育生物多样性7项主要生态服务功能指标进行价值化。人工油松林在幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林时期生态服务功能年均价值量分别为3.60万元·hmx-2、4.53万元·hmx-2、3.88万元·hmx-2和3.24万元·hmx-2。其中涵养水源、固碳释氧和保育生物多样性三项功能的经济价值较为突出;提供木材及薪材有机物质的价值量仅占6.00%~15.00%,表明滥砍滥伐一味的索取林分木材和薪材只获得了林分生态服务功能价值的一小部分,而更多的服务价值将会由此而遭到损失。
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