文章信息
- 陈绍栓, 许建伟, 吴载璋, 陈彬, 李晨燕
- CHEN Shaoshuan, XU Jianwei, WU Zaizhang, CHEN Bin, LI Chenyan.
- 不同强度疏伐改造对马尾松林分水源涵养功能时空格局的影响
- Effects of different thinning intensities on temporal and spatial patterns of water conservation of Pinus massoniana
- 生态学报. 2017, 37(20): 6753-6760
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(20): 6753-6760
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201608081628
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文章历史
- 收稿日期: 2016-08-08
- 修订日期: 2017-03-14
2. 福建省三明市国有林场管理处, 三明 365000;
3. 三明市速生丰产用材林基地办公室, 三明 365000
2. The Management of State-owend Tree Farm of Sanming City Fujian Province, Sanming 365000, China;
3. Fast-Growing and High-Yielding Timber Base Office of Sanming City, Sanming 365000, China
水源涵养功能是森林最重要的生态功能之一[1-2]。在干旱地区, 森林水源涵养功能可能突出表现为森林的蓄水、保水能力;在雨水充沛地区, 森林水源涵养功能的重要作用则表现在持水和固沙保土方面[2-4]。经过长期植树造林, 我国南方8省红壤区水土流失面积从1986年25.0万km2减少到2002年19.6万km2, 但形势依然严峻, 特别是坡度15°以上的山地水土流失面积约占总流失面积的70%[5-7]。已有研究表明, 马尾松(Pinus massoniana)纯林持水能力明显低于常绿阔叶林或针阔混交林[4, 8], 可是南方早期造林绿化树种主要以马尾松为主[9]。近年来, 由于马尾松林分的水土流失问题和松材线虫病问题, 很多地区开展了马尾松的林分改造[10-11]。林分改造过程中疏伐强度是关键。疏伐强度过低, 套种阔叶树在林下难以生长或成林;疏伐强度过高, 林分持水和保土能力骤变, 溜方或水土流失等灾害发生的几率增大[12-14]。目前, 国内关于马尾松纯林改造过程中林分持水量动态变化的研究极少, 导致生产上在马尾松纯林改造工作中存在较大的盲目性。有鉴于此, 本试验选在福建省尤溪国有林场的马尾松城镇景观林基地, 通过研究不同疏伐强度套种阔叶树[细柄阿丁枫(Altingia gracilipes)]后林分持水量和土壤持水量的动态变化, 探索马尾松林分改造过程中水源涵养功能时空格局的动态变化, 以期从水土保持方面为今后马尾松林分改造提供经验参考及理论依据。
1 试验地概况试验地位于福建省尤溪县的福建省尤溪国有林场, 尤溪县地处闽中、戴云山脉以北(117°80′—118°60′E, 25°80′—26°40′N), 属中亚热带海洋性季风气候, 年均气温为19.2℃, 年平均降水量为1620 mm。试验地土壤为红壤, 海拔300—600m, 土层50—70 cm, 坡度28°。试验林为1973年植苗造林的马尾松林, 初植密度为2400株/hm2, 种植2a后保存密度1800—2000株/hm2, 1985年进行一次透光伐抚育, 保留密度1000—1200株/hm2。改造前林分为单层同龄林(部分山脊有3—4行木荷), 林冠层为马尾松;林下植被层中灌木有冬青(Ilex chinensis Sims)、毛冬青(Ilex pubescens Hook)、山矾(Symplocos sumuntia)、微毛柃(Eurya hebeclados Ling)、赤楠(Syzygium buxifolium Hook)、木荷幼苗(Schima superba)等, 草本有芒萁(Dicranopteris dichotoma)、地念(Melastoma dodecandrum)、中华里白(Diplopterygium chinense)等, 另外还有苦竹(Pleioblastus amarus)、刚竹(Phyllostachys viridis)、茶杆竹(Pseudosasa amabilis)等竹类。植被层高度80—100 cm, 盖度80%—90%。
1994年进行疏伐改造, 改造前林分密度为960株/hm2, 平均胸径16.2 cm、平均树高13.4 m、郁闭度0.8—0.9。疏伐原则为总体控制林分均匀度、局部去小留大, 伐后林分顶层空间保持均匀。疏伐强度分别为50%、35%、20%, 不疏伐林分作为对照(强度为0%)。疏伐后套种细柄阿丁枫(细柄阿丁枫是当地乡土树种, 种植面积广、林农接受度高), 套种密度均为1500株/hm2。1995年和1996年, 每年在5—6月份和9—10月份各进行1次块状锄草抚育;之后3 a每年7—8月份再进行1次劈草抚育。改造林分情况见表 1。
间伐强度/%Thinning intensity | 面积/hm2Area | 坡度/(°)Slope | 郁闭度Canopy density | 马尾松胸径/cmDBH of Pinus massoniana | 细柄阿丁枫胸径/cmDBH of Altingia gracilipes | |||||||||
1994 | 1999 | 2004 | 2014 | 1994 | 1999 | 2004 | 2014 | 1999 | 2004 | 2014 | ||||
0 | 5.2 | 27 | 0.8 | 0.8 | 0.9 | 0.9 | 18.5 | 19.3 | 20.0 | 21.7 | — | — | — | |
20 | 4.8 | 25 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 20.5 | 22.0 | 23.7 | 26.4 | 3.2 | 6.6 | 12.9 | |
35 | 5.6 | 28 | 0.5 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 22.6 | 24.6 | 26.4 | 29.2 | 3.8 | 7.5 | 13.4 | |
50 | 4.6 | 25 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 0.9 | 24.6 | 27.1 | 29.4 | 32.6 | 4.5 | 9.1 | 15.0 |
样地设置采用完全随机区组设计, 每个处理4次重复, 标准地面积为20 m×20 m, 共布设16块标准地。分别于改造当年(1994年)、改造后第5年(1999年)、改造后第10年(2004年)和改造后第20年(2014年)对标准地进行每木调查(见表 1)。
2.2 持水量测定与计算 2.2.1 乔木层持水量测定参考陈绍栓[15]乔木层持水量测定方法。在标准地内调查树高、胸径, 每块标准地确定标准木, 伐倒标准木, 分树种对其叶、枝称重, 并取样带回试验室测定含水率和最大持水率, 分别计算各树种的叶、枝持水量。公式为:
(1) |
式中, W为持水量(t/hm2), w为标准木枝或叶的鲜重(t), p为含水率(%), P为最大持水率(%), N为每公顷株数。
2.2.2 林下植被层和凋落物层持水量测定参考黎燕琼等[12]、巍强等[16]灌草层和凋落物层持水量测定方法。在每个标准地沿对角线设4个1 m×1 m的小样方, 称取样方内的林下植被层和凋落物层重量, 取样带回试验室测定含水率和最大持水率, 分别计算林下植被层和凋落物层的生物量和持水量。公式为:
(2) |
式中, W为持水量(t/hm2), w为标准地1 m2林下植被层或凋落物层的鲜重(t), p为含水率(%), P为最大持水率(%)。
2.2.3 土壤层持水量测定在每个标准地按S型设置5个取样点, 通过挖掘土壤剖面进行取样, 取样时分为土壤层1(0—20 cm)和土壤层2(20—40 cm)两层收集样品, 样品带回试验室测定土壤孔隙度和土壤最大含水率, 分别计算土壤层1及土壤层2的持水量。公式为:
(3) |
式中, W为土壤层持水量(t/hm2), H为土层厚度(c m), QV为土壤重最大持水率(%), d为水的比重(g/cm3)。
2.3 数据处理采用Spss 17.0单因素方差分析, 差异显著性用LSD检验, 结果以平均值±标准误表示。所有插图均采用SigmaPlot 10.0进行绘制。
3 结果与分析 3.1 不同强度疏伐改造后马尾松林分水源涵养量的时间动态马尾松林分疏伐改造后, 林分水源涵养量随时间的推移呈增加趋势(图 1)。对照林分水源涵养量从1994年(1657.16±29.17) t/hm2升高到2014年的(1690.89±18.75) t/hm2, 但差异不显著(P >0.05);疏伐改造后的林分, 无论是20%疏伐强度还是35%和50%疏伐强度, 林分水源涵养量均是随林分改造后时间的推移而增加, 改造后第5年(1999年)与改造当年(1994年)差异不显著(P >0.05), 改造后第10年(2004年)、改造后第20年(2014年)显著提升(P <0.05)。比如50%疏伐强度改造的林分, 林分水源涵养量从1994年的(1624.52±24.42) t/hm2显著提高到2014年的(1892.19±21.05) t/hm2(P<0.05), 提高16.48%。
林分改造当年(1994年), 基本上是疏伐强度越大林分水源涵养量越低, 虽然差异不显著(P>0.05), 但是不同疏伐强度样地间最大差异达到8.96%。林分改造后第5年(1999年), 林分水源涵养量随疏伐强度增加呈上升趋势, 同样未达到显著差异(P >0.05)。林分改造后第10年(2004年), 对照林分水源涵养量显著低于改造林分(P <0.05);50%强度疏伐改造林分水源涵养量略高于20%和35%强度疏伐改造林分, 但差异不显著(P >0.05)。林分改造后第20年(2014年), 不同强度疏伐改造林分水源涵养量变化趋势同改造后第10年趋势基本类似。
3.2 不同强度疏伐改造后马尾松林分水源涵养量的空间动态本研究中, 林分水源涵养量由林冠层、林下植被层、凋落物层、土壤层1和土壤层2的持水量构成, 不同层次持水量间存在显著差异(P <0.05, 图 2)。改造当年(1994年), 4种处理林分的持水量分布均是土壤层1>土壤层2>林下植被层>林冠层>凋落物层, 其中土壤层1显著高于其它层(P <0.05), 土壤层2显著高于林冠层、林下植被层和凋落物层(P <0.05), 林冠层、林下植被层和凋落物层3个层次间无显著差异(P >0.05, 图 2)。改造后第5年(1999年), 各层次的持水量同样是土壤层1显著高于其它层(P <0.05), 土壤层2显著高于林冠层、林下植被层和凋落物层(P <0.05), 林冠层、林下植被层和凋落物层间无显著差异(P >0.05, 图 2);但是此时3种改造处理的林分持水量是林冠层>林下植被层>凋落物层(P >0.05), 对照林分持水量仍是林下植被层>林冠层>凋落物层(P >0.05)。改造后第10年(2004年), 各层次的持水量也是土壤层1显著高于其它层(P <0.05), 土壤层2显著高于林冠层、林下植被层和凋落物层(P <0.05);但是此时3种改造处理林分持水量又变化为林冠层>凋落物层>林下植被层, 并且20%和35%强度疏伐改造林分的林冠层与林下植被层间的差异达到显著性(P <0.05), 对照林分持水量则变成林冠层>林下植被层>凋落物层(P >0.05)。改造后第20年(2014年), 不同处理林分各层次持水量变化和改造后第10年类似, 只是林冠层持水量显著高于林下植被层和凋落物层(P <0.05)。
同一层次不同处理间持水量也存在差异(图 2)。林冠层在改造当年(1994年)随疏伐强度的增加显著降低(P <0.05);改造后第5年(1999年), 对照林分林冠层持水量仍高于改造的林分, 并且与35%和50%强度疏伐改造林分形成显著差异(P <0.05);改造后第10年(2004年)和改造后第20年(2014年), 林冠层持水量是20%强度疏伐改造林分>35%强度疏伐改造林分>50%强度疏伐改造林分>对照林分(P <0.05)。林下植被层在改造当年(1994年)4种处理间未表现出显著差异(P >0.05);改造后第5年(1999年)、第10年(2004年)和第20年(2014年), 林下植被层持水量是对照林分>20%强度疏伐改造林分>35%强度疏伐改造林分>50%强度疏伐改造林分(P <0.05)。凋落物层在改造当年(1994年)4种处理间未表现出显著差异(P >0.05);改造后第5年(1999年)、第10年(2004年)和第20年(2014年), 凋落物层与林下植被层正好相反, 持水量是50%强度疏伐改造林分>35%强度疏伐改造林分>20%强度疏伐改造林分>对照林分(P <0.05)。无论是土壤层1还是土壤层2, 在改造当年(1994年)和改造后第5年(1999年), 不同处理间持水量无显著差异(P >0.05);改造后第10年(2004年)和改造后第20年(2014年), 对照林分持水量均显著低于改造的林分(P <0.05)。
3.3 不同强度疏伐改造后马尾松林分水源涵养量的时空动态格局随着改造时间的推移, 马尾松林分各层持水量比重呈现动态变化。从表 2可以看出, 马尾松林分持水量主要分布在土壤层1和土壤层2, 两者所占比重一直在95%以上;其它各层次比重一直在5%以下。马尾松林分改造后, 持水量变化最明显的层次是林冠层和林下植被层。林冠层持水量比重随时间的推移均显著增加(P <0.05), 改造20a后, 对照林分增加了51.22%、20%强度疏伐改造林分增加了204.12%、35%强度疏伐改造林分增加了225.56%、50%强度疏伐改造林分增加了275.00%。相反, 林下植被层持水量比重随时间的推移均减小, 对照林分20a后减小了4.17%(P >0.05);20%强度疏伐改造林分减少了75.00%(P<0.05);35%强度疏伐改造林分减少了77.62%(P <0.05);50%强度疏伐改造林分减少了79.45%(P <0.05)。凋落物层持水量比重变化趋势与林冠层类似, 疏伐改造林分是随时间推移显著增长(P <0.05), 改造20a后, 20%强度疏伐改造林分增加了35.59%、35%强度疏伐改造林分增加了42.37%、50%强度疏伐改造林分增加了43.33%;对照林分变化趋势不明显。各种处理的林分, 土壤层2持水量比重未随时间呈显著变化趋势(P >0.05)。土壤层1持水量比重, 20%强度疏伐改造林分和35%强度疏伐改造林分在改造10a后显著降低(P <0.05)。
间伐强度/%Thinning intensity | 层次Layer | 不同年份持水比重Water holding ratio in different years | |||
1994 | 1999 | 2004 | 2014 | ||
0 | 林冠层 | 1.23±0.02a | 1.34±0.02b | 1.48±0.02c | 1.86±0.04d |
林下植被层 | 1.44±0.02a | 1.44±0.02a | 1.36±0.03a | 1.38±0.02a | |
凋落物层 | 0.57±0.00a | 0.58±0.00a | 0.58±0.02a | 0.55±0.02a | |
土壤层1 | 54.22±0.37a | 54.16±0.29a | 53.99±0.23a | 53.88±0.19a | |
土壤层2 | 42.55±0.38a | 42.49±0.32a | 42.61±0.29a | 42.34±0.24a | |
20 | 林冠层 | 0.97±0.03a | 1.31±0.03b | 1.78±0.02c | 2.95±0.05d |
林下植被层 | 1.44±0.02a | 0.98±0.02b | 0.62±0.01c | 0.36±0.00d | |
凋落物层 | 0.59±0.01a | 0.70±0.02b | 0.79±0.00c | 0.80±0.01c | |
土壤层1 | 54.65±0.15a | 54.73±0.20a | 53.82±0.11b | 53.39±0.39b | |
土壤层2 | 42.35±0.19a | 42.30±0.25a | 43.00±0.09a | 42.51±0.36a | |
35 | 林冠层 | 0.90±0.02a | 1.25±0.03b | 1.73±0.03c | 2.93±0.03d |
林下植被层 | 1.43±0.03a | 0.93±0.01b | 0.59±0.01c | 0.32±0.01d | |
凋落物层 | 0.59±0.02a | 0.72±0.02b | 0.80±0.01c | 0.84±0.01c | |
土壤层1 | 55.21±0.21a | 55.17±0.20a | 54.31±0.32b | 53.22±0.30c | |
土壤层2 | 41.88±0.20a | 41.93±0.24a | 42.57±0.33a | 42.70±0.30a | |
50 | 林冠层 | 0.76±0.01a | 1.16±0.01b | 1.64±0.03c | 2.85±0.03d |
林下植被层 | 1.46±0.03a | 0.92±0.01b | 0.57±0.01c | 0.30±0.01d | |
凋落物层 | 0.60±0.03a | 0.74±0.02b | 0.82±0.00c | 0.86±0.00c | |
土壤层1 | 54.04±0.04a | 54.10±0.10a | 54.16±0.52a | 53.65±0.20a | |
土壤层2 | 43.15±0.05a | 43.08±0.12a | 42.82±0.53a | 42.36±0.21a | |
同行不同小写字母表示数据存在显著差异(P<0.05) |
森林通过林冠截留、凋落物阻延吸收、土壤渗透等调节、转化和再分配降水, 发挥水土保持和水源涵养功能[13, 17-19]。而森林植被改变会使林冠层的叶面积、林下植被层的组成、凋落物的数量和土壤的孔隙度发生变化[3, 20-21], 进而使森林的持水能力发生改变[14, 22]。因此, 在林分改造过程中也应重视改造林分持水量的时空动态格局, 减少林分改造过程中的水土流失。
本研究发现, 每种处理的林分总持水量随着时间的推移呈上升趋势, 且在改造5a后疏伐改造林分总持水量开始高于对照林分总持水量, 特别是改造10a后疏伐改造林分总持水量显著高于对照林分总持水量(P <0.05), 说明马尾松林分采用20%、35%和50%3种强度疏伐改造后(本文改造指套种细柄阿丁枫), 林分最大持水量不会降低、反而会提高, 改造后林分的水源涵养功能总体得到提升。但在改造初期(特别改造当年), 疏伐强度越大林分总持水量较对照减少越多, 如用50%强度疏伐时, 林分总持水量较对照林分减少1.97%(即32.64 t/hm2), 相当于当年对照林分地上部分持水量的60.96%。因此, 从水土保持角度考虑, 在马尾松林分改造时一次疏伐强度不宜过大, 也应避免采用带状或块状采伐方式改造。
有研究表明, 森林土壤作为森林涵养水源的主要载体, 持水量占林分总持水量的85%以上[3]。从表 2中可以看出, 土壤层1持水量占总持水量比重的(53.22±0.30)%—(55.21±0.21)%、土壤层2持水量占总持水量比重的(41.88±0.20)%—(43.15±0.05)%, 在时间上土壤层持水量比重相对稳定、差异变化较小(除土壤层1在20%和35%强度疏伐改造外, P >0.05)。因为混交林的根系对空间的高效利用更利于土壤水分的入渗和保持[23-25], 所以改造10a后(图 2), 对照林分无论是土壤层1还是土壤层2持水量均显著低于疏伐改造林分(P <0.05), 表明改造10 a后的林分土壤层蓄水和保水能力增强。综上两点说明林分改造后土壤层的水源涵养功能能够维持一个整体稳定并朝向好趋势发展, 并保证林分水源涵养功能的稳定发挥。
林分地上部分持水量的大小对森林生态系统水源涵养功能的发挥具有积极作用[2]。在本研究中, 所有监测样地林分地上部分持水量仅占林分水源涵养量的2.82%(45.64 t/hm2)—4.11%(76.81 t/hm2), 但是大量研究证明, 高效空间配置和合理稳定的林分结构是森林充分发挥水土保持功能的关键[13, 26]。林冠层和林下植被层不仅拦截储留降水还通过附加截留量的形式将部分雨水直接蒸发返回到大气[2, 4], 同时灌木和草本的发达根系会改善土壤结构和理化性质提高土壤蓄水和抗侵蚀能力[12, 27-28], 而凋落物层的吸持水量一般可达自身重量的2—5倍[4]。马尾松林分经过不同强度疏伐改造后, 林分地上部分持水量会发生显著变化(P <0.05)。改造当年(1994年), 林冠层持水量由于受疏伐的影响随着疏伐强度的加大显著降低(P <0.05), 林下植被层和凋落物层持水量基本持平, 此时期出现了整个试验被监测过程中林分地上部分持水量的最低值, 即疏伐强度为50%的改造林分。随着改造林分的不断生长, 改造10 a后, 林分地上部分持水量(20%强度疏伐改造林分为55.76 t/hm2、35%强度疏伐改造林分为54.65 t/hm2、50%强度疏伐改造林分为53.34 t/hm2、)逐步恢复或超过改造前的水平(53.53 t/hm2)。同时, 由于套种阔叶树水源涵养功能的显现[29], 疏伐改造林分林冠层和凋落物层水源涵养功能显著高于对照林分(P <0.05)。特别是改造20a后凋落物层, 明显由于改造后林分枯枝落叶数量的增加使其持水量表现出随疏伐强度的增加呈明显升高的趋势[4, 13, 30](P <0.05)。而随林分生长郁闭度的增加和高强度疏伐套种阔叶树后郁闭度的增加, 林下植被层数量、种类减少, 持水量及比重也相应下降, 但这并不会影响改造林分地上部分总的持水量的增加, 改造20a后无论哪种疏伐强调改造的林分地上部分持水量均高于对照林分。
因此, 可以得出:1) 改造前期是林分持水量发生改变的时期, 此时期林分持水量随改造林分疏伐强度增大而降低, 林分改造过程中存在水土流失的风险;2) 土壤层持水量占林分总持水量的95.89%—97.18%, 是林分涵养水源的主要载体, 也是维持林分改造过程中持水稳定的根本;3) 改造5a后林分总持水量超过改造前水平, 改造10a后林分地上部分持水量达到改造前水平, 改造20a后林分地上部分持水量超过对照林分, 因此改造林分持水量稳定并充分发挥混交林水源涵养功能至少需要5—20a。
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