混牧林(林牧结合)的存在形式, 在辽宁东部山区可谓历史悠久。林区牧业不但是林业经济的重要补充, 也更关系到这一区域的民生。近些年来, 由于乡村经济的发展, 相应牵动了林区牧业的快速发展, 主要表现形式为单位面积山林载畜量迅速增加。辽东山区经过几十年的营林建设, 原荒山荒地已基本被不同年龄阶段的人工林所取代。一方面单位面积山林载畜量增加, 而另一方面宜牧区域又相对减少。故此, 林牧矛盾遍布辽东山区, 尤其表现在集体林部分, 已成为近一时期该区域林业焦点问题之一。初步测算, 涉及面积不下2×10⁶hm²。

截止目前, 有关这方面的研究报导, 尤其是国内具有针对性的基础理论研究较为少见。如何协调林牧两者关系, 如何对森林生态环境进行保护性综合利用, 进行必要的基本理论研究, 并为规范林区牧业, 制定必要的放牧强度阈值, 以期达到混牧林业的可持续发展, 是本项研究的主要目的。

1 研究地域的自然概况

本项研究采用以定位观测为主, 典型样地调查为辅的方法。定位观测试验场设置于辽东山地中部极具代表意义的本溪县草河口镇正沟村弯沟子林班内, 该林班位于北纬40°53′, 东经123°54′, 海拔410~620 m, 年平均温度6.0 ℃, 年降水量926.3 mm, 无霜期114~145 d。该林班森林植被良好, 木本植物约50科80属200种, 常见草本植物约60科70属300种以上。该试验区为完整小流域体系, 具有辽东山地植被区系及地理地貌的典型特征。观测场总面积56.4 hm², 其中1~50年生人工落叶松林约20 hm², 15~50年生天然林20 hm², 林间旷地6.7 hm², 灌木林、林道、沟谷约3.3 hm²。

2 研究方法 2.1 固定观测场的设置

本项试验在充分考虑了辽东山地特征的基础上, 又根据试验区的实际情况, 设置不同林分类型, 不同立地条件的固定观测场12个, 每观测场面积400 m², 另设对照区200 m²。又在每观测场中心部位用铁刺线圈定2 m×3 m绝对禁牧的对照小区一处。试验工作伊始即固定是不同年龄、不同体重黄牛(Yellow cattle)一群(14头), 平均年龄3.5岁, 平均体重212.3 kg, 计11.9个标准牛单位(畜牧名词术语标准, 1987), 并固定专人按试验总体方案的要求进行规律性放牧。

2.2 研究内容及方法

观测场内除对林分因子进行常规测定以外。重点对如下方面进行观测:

定期观测试验区及对照区土壤物理性状、土壤坚实度的变化规律。土壤物理测定方法则依森林土壤物理分析(国家标准局, 1988)操作和计算, 每次土壤调查设重复1次, 而土壤坚实度测定为土壤坚实度测定仪在手柄压力60N (探头压强157.89N/cm²)下测探头入土深度, 每样地每次测样点数不少于30个, 连续2 a分春秋两季重复测定。

于1997年春设置地表迳流观测场3组。其中第1组为新植落叶松幼林地牧场, 每间隔10日放牧一次, 第2组为21年生阔叶林下, 牧场每间隔20日放牧1次, 每3组为5年生落叶松幼林地牧场, 平均每5 d放牧1次。每组分设试验区及对照区, 对照区亦为铁刺线圈定的绝对禁牧区, 并设临时气象观测哨。测定内容为:降雨量、温度、湿度、试验及对照区迳流量、迳流的泥沙携带量、各试验区迳流出现及消退时间、气象观测皆采用常规方法。而地表迳流场则采用25 cm宽木板经缠绕塑料薄膜后围10 m²地表, 并呈“ ”型, 木板距地表高度15 cm, 下口处塑料桶接流, 迳流经充分沉淀后量测, 其泥沙经烘干称重求算。经1年规律性放牧后于1998年8月4日~10日启测。

为测定不同类型林分条件在牧压下的物种多样性、均匀度指数、现存量等的变动规律, 在3 a的研究期间内, 生长季每年3次在对照区及试验区进行牧草种类、株数、高度、鲜重等的系统观测。

利用常规方法对63种重要牧草种类进行了营物质含量测定。

对不同体重(标准牛单位)黄牛的日采食量, 排泄量及对不同植物种类选定适口性进行追踪调查。

3 结果分析 3.1 不同类型林分的牧草系统基本特征及可利用程度测定 3.1.1 混牧林牧草生态型分析

辽东山地由于自然环境条件优越, 牧草产量也相对较高。但林下牧场的牧草层生物产量(指地上部分, 下同)、物种种类等又受上层林木疏密程度的控制, 因此辽东山地混牧林牧草层的生境生态位始终处于一种被动的消长与演替的过程之中。

混牧林牧草生态型标志该种植物的抗牧压能力, 又可从不同侧面反应作为牧草生物产量与质量的高低。将几组试验地植物生活型调查结果归纳后列表 1。

从调查表中分析得知, 混牧林中多年生草本植物占据绝大部分比例, 在3种林下牧场中阔叶林下为95.2 %; 针叶林下为91.6 %; 林间旷地为90.7 %, 生物产量也同样占据绝对位置, 依次为91.6 %、93.4 %、91.2 %。由此可见:多年生草本植物决定了林下牧场的生产能力与资源质量。这种基本结构特征表明, 辽东混牧林牧草系统具备较为牢固的生境生态位, 具备适度开发利用的潜能。

3.1.2 不同类型林分牧草生物产量

从1996年春开始至1998年末, 对不同类型林分的产草量进行定位观测研究。3年6次的观测结果表明:不同环境条件下的牧草产量值(y)相差巨大(表 2), 而导致差别产生的主导因子为林分郁闭度(x₁), 并呈明显的线性关系。

(1)

而另一重要因子为立地坡度(x₂) :

(2)

在与牧草产量与土层厚度(x₃)的分析中则呈:

(3)

对不同环境条件所产牧草喜食的程度, 呈阔叶树林下(76.43%) > 落叶松林下(62.56%) > 柞树纯林下(42.67%) > 林间旷地(41.15%)序列。在表 2中也表现出, 黄牛对郁闭度0.5~0.8间条件下所产牧草似乎更有其偏好。

3.1.3 典型环境下牧草连年生产能力与抗牧压程度分析

在设置的固定观测场中, 1996年至1998年内, 在每年的6、7、8、9月末4次同一位置模拟牛食草方式对样地牧草进行不同强度刈割试验, 以求不同刈割强度对翌年产草能力的影响。为使该部分试验结果能在生产中简便运用和参考, 同样采取旷地牧场试验区、阔叶林下牧场试验区、落叶松林下牧场试验区形式归类。其试验结果经统计后列表 3。

刈割试验区内, 每年4次的刈割结果统计表明:30 %以上强度的刈割均可引起次年产草能力的下降, 这一规律非常明显的呈现随刈割强度增加, 次年产草量递减的趋势。通过几组不同刈割强度对次年牧草再生能力的测定表明:截取利用50 %左右的牧草生物量、是一个截取量相对较大, 而又对次年牧草产量影响力相对较小的一个阈值, 亦可称之谓可持续利用线。同样采取将12组观测样地进行林间旷地牧场、阔叶林下牧场、针叶林下牧场形式归类, 将每类型牧场试验区(不含对照)经连续3年的放牧食草过程、单位面积牧草物种数(N)、单位面积牧草株数(n)、单位面积上的牧草高度(cm)、生物产量(g/m²)的四种指标变动过程作图 1、2、3。

3种类型试验场在“标准牛单位/3.9 hm²”的牧压下, 4种测定指标均呈下降趋势, 其中:平均高度递减30 %; 单位面积株数递减28 %; 单位面积牧草物种数则微呈上升趋势。而下降速度表现最为明显的是单位面积现存量, 3 a间积累递减33.8 %, 就其递减速度, 放牧第1年陡然递减约为总下降数量的50 %, 第2、3年速度变缓并趋于平稳。

3.1.4 连续放牧对牧草群落生态作用

Shannon和Weaver曾定义:均匀度指群落中种群的多度配置状况, 以群落实测多样性和群落中各种多度完全均匀分布时的群落多样性之比来衡量(龙金·奥德姆, 1981)本项研究采用Shannon多样性指数(H) :

(4)

均匀度指数(E) :

(5)

来计算, 并以群落中地上植物量占群落总地上植物量的比例来表示该种的重要值Pi; S为植物群落中所含的植物种数。由此求得牧压下及对照两个群落的均匀度和多样性变化趋势。由图 4可看出, 3种类型放牧试验场对照区与试验区之间均存在相似的规律性, 即使均匀度与多样性指数变化不是很大, 但对照区群落的牧草植物多样性均低于放牧试验区的相对指数。因此, 从植物多样性保护角度看, 对森林生态环境进行适度放牧开发利用, 不仅可获得较高经济效益, 对刺激牧场草本植物物种多样性增加有一定好处。这与草原牧场物种多样性研究结果基本相吻合(李永宏, 1993; 1988;王仁宗, 1988)。

在我们的研究中发现, 林分内牧草群落中的物种数即使在年内也处于一种动态的变化之中, 年中不同季节所表现的牧草物种数, 在3种类型牧场中, 林间旷地与另两个林下牧场的牧草物种量出现高峰值略有不同, 林间旷地高峰值出现于8月下旬, 而林下牧场由于受林冠层及牧压的双重影响, 没有上述相同规律, 阔叶林下高峰值出现于9月下旬, 针叶林下则出现于5月中旬。

3.1.5 主要牧草种类营养物质含量测定与截取阈值确定

混牧林应以可持续发展为前提, 而本项研究的目的是寻求林牧最佳结合阈值, 以期达到林牧双重最大产出量。对林下牧草的开发利用, 实质上是森林生态系统营养物质循环过程中的一种截取性利用, 因此对不同牧草物种的营养物质含量及可利用程度分析、营养物质衰退过程等进行研究是必要的。在12块固定观测场中, 分不同生长季节采集优势代表种植物地上部分进行主要营养物质含量测定。并将生物产量值较大、对牧草组成有较大影响种类的测定结果列表 4。其主要营养物质含量粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪含量的平均值呈阔叶林下 > 针叶林下 > 林间旷地, 而灰分则呈林间旷地 > 针叶林下 > 阔叶林下趋势。这正与放牧过程中牛较喜食阔叶林下牧草的现象相吻合。在各类型试验场中, 各季节优势代表种之间的养分含量呈不规律状态。

在56.4 hm²的试验场经连续3年不间断观测, 试验区内平均年产牧草生物量为82.63 g/m², 若设:对牧草采食率控制在50 %为可持续利用线(表 3), 则弯沟子试验区次级层片年产出可利用能量值分别为:粗蛋白47.58 kg/hm²·a; 粗淀粉75.75 kg/hm²·a; 粗纤维69.44 kg/hm²·a; 粗脂肪9.65 kg/hm²·a; 粗灰分43.35 kg/hm²·a。

经实测的结果得出:不同体重黄牛与食草量(x)关系分析,

(6)

以250 kg黄牛为本试验的标准牛单位; 依放牧180天计, 在牧期内一个标准牛单位食草生物量总和为7905 kg。据分析的结果, 牧期食草量合理阈值应控制在年总生物产量的50 %, 则以牧草生物产量为标准的放牧强度经验式为:

(7)

式中:A为合理载牛头数; S为牧场总面积(hm²); QW为单位面积牧草生物产量(kg/m²); L为平均干物质量系数(0.24);Pw为标准牛单位180天内采食量(kg)。

3.2 放牧对土壤的物理作用 3.2.1 牧压下的林地表土壤物理性状变动分析

混牧林中, 在牛群不发生耍角等直接损伤林木的情况下, 对林分产生直接影响的因素既是对林地土壤物理性状的影响, 尤其作用于A层。将1997年春至1998年秋4次测定数据列表 5。各类型牧场试验区与对照区间差异是显著的, 而试验区内变化幅度较大的是林间旷地牧场, 10 ℃水渗透系数, 2年间差值达0.6。依次是人工幼林地牧场, 差值为0.2;落叶松林下牧场差值0.2;阔叶林下牧场最低为0.1。通过对土壤容重的分析也可看出:经一年的放牧践踏后, 试验区A层土壤容重值与对照区A层土比较, 增大9.01 %, 而试验区与对照区B层土的容重值比较则变化不大。在其它各项物理性状指标分析中, 也基本遵循这一规律。

3.2.2 牧压下的林地土壤坚实度变动分析

从上述分析中可大致看出, 试验场地表的多项物理指标变化皆与土壤结构或土壤密度变化有关, 为此, 对由牲畜践踏所引起的地表坚实化过程进行了专项观测。对所设12个试验场进行了2年4次固定区域的连续测定, 每观测场试验区与对照区两部分同时进行, 每次测定样点数不少于30个。经2年“标准牛单位/3.9 hm²”的牧压下, 各类型牧场内土壤坚实程度皆发生相应规律变化。将在各类型牧场中所测对照区与试验区间所形成的绝对差值作图 5。

由图 5可看出:不同类型的牧场因放牧而产生的坚实度差值与各自对照比各有所不同, 依次序列为落叶松林(3.88cm/60N) > 阔叶树林下(2.58cm/60N) > 落叶松幼林地(2.24cm/60N) > 林间旷地(2.09cm/60N); 连续放牧对林地表坚实度的作用呈累积作用, 从图 5的分析中可看出11~4月间通过林地由结冻至融化的物理作用, 可使土壤迅速恢复疏松, 一般恢复的能力在50%~80%之间, 恢复能力依次序列为:落叶松林下80.3 % > 落叶松幼林地70 % > 阔叶林下62.1 % > 旷地牧场46.4 %。这种恢复能力的高低可能与土壤腐殖质含量的高低有关。

3.2.3 放牧与地表迳流关系分析

于1997年春季设置观测场, 经一年的规律性放牧后, 1998年夏季正式启测。测定期间产生迳流的降雨有3次, 降雨总量为173.2 mm, 平均降雨强度为8.24 mm/h, 将3次测定结果统计后列表 6。统计分析的结果证明, 各组试验与对照区之间的差异是十分明显的, 并呈随降雨强度增强迳流量与携带泥沙量增加。但我们也可看出由于立地环境及牧压程度的不同上述两种指标差距巨大。由此可看出, 在相同牧压下因立地环境的不同所引起的水土流失趋势。尤其不同坡度值对水土流失作用致关重要。由表 6可看出30°以上应划为禁牧区。在我们的观测中, 既使对照区经2年的地被物保护, 迳流中同样存在泥沙, 只是量上有所差别而已。

3.3 混牧林综合效益评判及几个阈值界定

辽宁东部山区的林牧矛盾由来已久, 其根结所在是如何规范、如何科学放养的问题。利用好现有森林环境资源同样存在巨大经济效益潜能。在可持续发展的原则和基础上, 适度发展林牧业, 于国于民皆可为利大于弊。研究的结果表明:试验区内林冠下牧草群落的能量物质流动过程中所能容忍的最大截取量是牧草生物量的50 %, 可获取黄牛增长所必须的营养物质合计245.745 kg/hm², 一个放牧周期标准牛单位(Cattle unit), 可得日增重值0.552 kg/牛单位。牧业直接经济效益值与林分蓄积量增长值因牧场林分状况不同而不同(图 6)。由于混牧的结果, 各林分平均经济效益产出率分别提高:阔叶林下600元/hm²、针叶林下400元/hm²、林间旷地1000元/hm²左右。

受辽东山区自然环境条件的制约, 虽林分混牧后可获得较高的经济效益, 一旦发生不合理放牧, 对林分生态环境的破坏也是随放牧强度加大而加重的。依可持续发展的观点, 规范牧区林业, 并为生产者提供必要的适宜牧阈值, 可谓对该问题研究的初衷。

单位面积合理载畜量应根据林分郁闭度及立地条件的优劣有所不同。据观测的结果:若以弯沟子试验区平均单位面积地上部分牧草生物量推算, 并确定采食量不大于50 %, 则一标准牛单位(250kg)应占有混牧林面积的9.75 hm²。

当林地坡度大于30°时, 在“标准牛单位/3.9 hm²”的牧压下, 所引起的泥土流失量比对照高29.7倍, 故30°以上区应禁牧。

在现实的生产实践中, 幼林地内牧草不但产量高且质量优良, 从调查的结果看, 当新植幼林高度低于1.5 m时, 易招践踏而毁林, 从长远考虑, 1.5 m以下幼林区应划为禁牧区。