森林生態系統穩定性研究進展

梁 燕，葛忠強，馬安寶，杜振宇，王清華

(山東林業科學研究院，山東 濟南 250014)

森林生態系統是由森林及其周圍環境和附屬物構成的，具有涵養水源、固碳釋氧、保育土壤、調節氣候、凈化環境、保護生物多樣性等作用。改革開放初期，由于人口增長過快，林地被過度開發，導致許多天然林遭受毀滅，草原荒漠化嚴重，生態環境不斷惡化。近年來，通過大面積人工造林，不斷加強保護等措施，森林面積得到恢復。根據國家林業局發布數據，2016年我國森林面積已達2.08×108hm2，森林覆蓋率達21.66%，森林蓄積量為151.37×108m3.人工林保存面積已達0.69×108hm2，居全球第一。森林生態系統的穩定性已成為衡量生態系統結構和功能最重要的特性。

1 森林生態系統穩定性概念

不同的學者根據研究對象總結出了不同的森林生態系統穩定性概念。1955年，MacArthur首次提出了群落穩定性概念，即一個群落內種類組成和種群大小保持恒定不變，Eiton(1958)也提出了類似的觀點。Pimm(1991)總結出了45種不同的生態系統穩定性含義。根據Volker(1997)統計，穩定性有163個相關定義和70個不同的概念，他認為穩定性不能直接定義，只能通過其它概念來表示。生態系統穩定性的一般內涵包括：抵抗力(resistance)，生態系統在達到演替頂級后，能夠自我更新和維持，當面對外來干擾時生態系統內部在一定程度上能夠自我調節；恢復力(resilience)，指生態系統在遭到外界干擾破壞后恢復到原狀的能力；持久性(persist-ence)，指生態系統的結構和功能長期保持在較高水平；變異性(variability)，指森林生態系統受到自然或人為干擾后，功能和結構波動較小，很快能夠重新平衡。

2 天然林生態系統穩定性研究

M Godron穩定性測定方法，其主要研究對象為植物群落種類的數量和頻度，利用數學方法得出散點圖，運算得出結果。鄭元潤總結提出了演替與比較相結合的方法，主要研究種群比例。此外，Macarthur(1955)用Shannon-Weaver指數來描述營養水平多樣性作為穩定性的度量。岳天祥、馬世俊(1991)將熱力學穩定性理論應用于生態系統的研究，為穩定性的研究提供了一條新的途徑。吳作明(2000)等用光譜分析法研究了栓皮櫟種群動態穩定性。韓洪凌(2006)對瑪納斯流域進行了調查分析，提出干旱區生態系統穩定性評價指標體系，體系中包括自然、社會、經濟多方面指標，從水土保持、環境保護、工農業經濟等多角度分析，通過專家打分和實際情況相結合的方法確定了各評價指標的權重，全面評價了瑪納斯河流域的生態系統平衡狀況。此方法也為生態系統穩定性研究提供了一個方向。

3 人工林生態系統穩定性研究

3.1 人工林自身特性與穩定性

人工林是人為營造的森林，在長期經營中會受到較大干擾。人工林生態系統的主要干擾包括人的活動和自然干擾，可以說人工林生態系統是在人為干預下形成的，所以人的干擾程度遠大于自然干擾。干擾分為正面影響和負面干擾，常見的人為負面干擾有毀林、放牧、工業污染、檢疫不完全等。森林的恢復力與干擾的形式、強度相關，皆伐將損失80%～90%的生物量，林地環境會發生顯著退化，水分養分功能喪失1/2.相比較而言，擇伐影響較小。傅伯杰[10]認為適度的人為干擾對生態系統有一定的積極作用。盛連喜[11]在環境生態學中也提出，適度的自然干擾是維持生態系統平衡和穩定的重要因子。

人工林生態系統形成時間短、單作、結構不合理，導致穩定性相對脆弱。盛煒彤(2001)[12]提出不穩定人工林抵抗力差、病蟲害、地力衰退，同時提出立地與樹種、品種相匹配、改善造林技術、進行科學的植被管理、景觀配置適宜、控制林分的遺傳成分、采取合理的收獲作業及控制病蟲7種人工林撫育措施。劉增文等(2006)[13]對刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、興安落葉松(Larixgmelinii)和杉(Cunninghamialanceolata)4種人工林進行了典型分析，提出進行生物地球化學分類是研究功能穩定性的重要途徑。

在我國人工林中，純林占86.8%，混交林占13.2%；喬木林占64.84%，經濟林占31.59%，竹林占3.57%[14]].人工林純林居多，結構單一，大面積成片栽植，造成自然更新緩慢、土壤灰化、地力下降等問題，保持其生態系統的穩定復雜性困難。尤文忠(2007)[15]等對遼西地區水土保持林研究后得出，穩定的林分結構應抵抗性良好、恢復性良好、生長發育狀況良好、自我更新能力良好、與周圍環境的協同性良好，具體措施為人工誘導和近自然經營。

3.2 人工林生態系統穩定性的研究方法

人工林生態系統研究主要有2類基本方法。一類是利用研究者的經驗，選擇一定的評價指標，對人工林生態系統進行野外調查，得到數據，通過數學方法、調查問卷、相關經驗對指標進行權重分析，構造出穩定性指標體系，并對人工林生態系統進行評價。另一類是構建反映真實生態系統特征的數學模型，如利用微分方程模型、食物網模型等，求出系統的平衡點來分析群落[16]。馮耀宗通過長期研究人工群落的種類和穩定性來反映人工雨林生態系統[17]，張真等研究了昆蟲物種、種群對人工林穩定性的影響[18]，王豁然認為可通過遺傳材料、栽培措施和立地環境來闡述人工林的穩定性[18]。混沌和分形的研究方法在20世紀60年代和70年代分別被用于種群動態監測和土地生態研究[20,21]，但此方法在實際操作中存在一定困難，應用較少。

3.3 人工林生態系統穩定性指標

人工林分為公益林和商品林，公益林根據營造目標分為水源涵養林、水土保持林、防風固沙林、護岸林等。人工林的經營目的不同選擇的指標也不同。人工林生態系統穩定性的首要指標為立地因子和生長情況，即造林樹種與立地條件是否相適應，及人工林對不良環境的抵抗力和恢復力，包括人為干擾、自然干擾、極端氣候、病蟲害、外來物種等指標。人工林結構指標一般是指生物多樣性、目標樹種的穩定性、優勢群種和建群種的穩定性；功能指標一般指生物量和生產力指標。穩定的生態系統結構和功能指標均應保持在一個較高水平，波動較小。馬興洲(1986)[22]對遼西地區刺槐人工林進行調查時，選取保存率、干梢率和林相不齊等作為衡量刺槐人工林生態系統穩定性指標，在對刺槐人工林評價后，得出土壤質地和坡位2個因子對刺槐人工林的穩定性起主導作用。曾德慧等(1996)[23]對章古臺和紅花爾基沙地的樟子松人工固沙林穩定性進行研究，并重新定義人工林的穩定性：在一個世代的時間跨度內，在一定立地條件下，一定大小面積的林分能夠完成其生命周期，并提供相應的凈初級生產量的能力。馮耀宗(2002)[24]依據經驗將人工生態系統穩定性指標分級，1級指標必須通過下屬的2級及3級指標的平均值獲得，建立評價系統后，綜合評定其穩定程度。

林考煥(2009)[25]以福建省沿海地區的木麻黃人工林和潺槁樹次生林為研究對象，選取生態系統層次結構、物種多樣性、抗逆性指數、病蟲害狀況、自我更新能力、系統生產力、郁閉度、土壤恢復程度等作為生態系統穩定性評價指標體系。邢存旺(2014)[26]對黃羊灘人工固沙林的生態穩定性進行了研究，提出了以林分的生物學、抵抗力和功能3方面穩定性要素為框架，以林木保存率、年均生長量、自然更新能力、防護期、林分抗旱性、林地輸沙率、土壤黏粒含量、土壤干旱指數、土壤有機質、氣溫日較差、空氣相對濕度、物種多樣性指數12項指標構建評價體系，對不同穩定狀態的林分類型提出經營對策。陳穎(2015)[27]構建的群落穩定性評價指標體系包括土壤理化性質、林木生長狀況和林下草本植物多樣性(Margalef豐富度指數、Richness豐富度指數、Simpson多樣性指數)3個方面12項指標，可為冀北地區營造穩定性高、防護功能強、短期與長期效益兼顧的防風固沙林提供建議。

4 討論

專家學者在人工林穩定性評價系統研究中一般根據某一區域空間的目標樹種，研究特定的穩定性指標，最后總結出這一區域的評價系統。綜合大量的文獻可知指標因子的調查不能僅僅是某一時段的靜態研究，因為靜態研究不能全面揭示森林的動態變化規律和趨勢。人工林生態系統穩定性的研究需要對一定時間跨度內，特定空間的特定目標樹種(純林、混交林)進行研究，長遠考慮，綜合評價。

不管是自然林還是人工林的生態系統研究，仍屬于理論準備階段。生態系統需要長期定位監測，現在的研究大多只集中在某一方面，綜合生態、社會、經濟等多方面的研究較少。生態系統穩定涉及因子眾多，各指標之間關系復雜，需要多角度考慮。森林生態系統穩定性的研究，對森林多種功能最大化、保持森林生態穩定、保護生物多樣性、預防遏制森林病蟲害、防止地力退化，讓森林擁有更大生產力，實現森林的可持續發展具有重大意義。