馬尾松閩粵栲異齡復(fù)層林土壤肥力及涵養(yǎng)水源功能

洪宜聰，樂興釗，羅志梁

(福建省沙縣林業(yè)局，福建 三明 365500)

在我國(guó)南方，商品用材林基地中有相當(dāng)數(shù)量的針葉純林，林權(quán)經(jīng)營(yíng)者為追求最大的經(jīng)濟(jì)效益，營(yíng)造連片的馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(CunninghamialanceolataLamb.)等針葉樹種純林[1]。近年來，不少處于重要區(qū)位的商品林被劃為生態(tài)林。為維護(hù)林農(nóng)利益，國(guó)家采取科學(xué)規(guī)劃，廣泛籌集資金，通過開展重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位商品林贖買，解決了他們收益的問題，但這些林分樹種單一，林齡老化，已進(jìn)入生長(zhǎng)衰弱期，造成林分生態(tài)功能脆弱，抗逆性差，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，有害生物猖獗[2]，水土流失日益趨重，林分發(fā)揮不了保護(hù)區(qū)域生態(tài)的作用。因此，如何改造生態(tài)區(qū)位針葉純林，使之成為樹種多樣、林分結(jié)構(gòu)合理、生態(tài)涵養(yǎng)功能健全、生物多樣性豐富的森林生態(tài)系統(tǒng)，提升重點(diǎn)區(qū)位針葉林的生態(tài)功能，是重點(diǎn)區(qū)位生態(tài)林管護(hù)亟待解決的重要問題。探索一條應(yīng)用于改造重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位的針葉純林而又有效、經(jīng)濟(jì)、可操作的營(yíng)林途徑，補(bǔ)齊重點(diǎn)區(qū)位生態(tài)林生態(tài)功能不強(qiáng)的短板，為完成重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位商品林贖買后其針葉純林定向改造及生態(tài)復(fù)合林重建提供科學(xué)依據(jù)，從而解決生態(tài)區(qū)位針葉林生態(tài)功能脆弱的問題，筑牢重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位的綠色屏障，是林業(yè)工作者急需完成的課題。

閩粵栲(CastanopsisfissaRehder E.H.Wilson)是福建省常綠鄉(xiāng)土闊葉樹種，其幼樹較耐蔭，對(duì)立地條件要求不高，是造林的先鋒樹種[3]。為揭示重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位的馬尾松純林下栽植閩粵栲對(duì)林分的土壤肥力和涵養(yǎng)水源功能的影響，探索營(yíng)建針闊異齡復(fù)層林的新途徑、改善林分結(jié)構(gòu)、提高林分生態(tài)功能，2006年在福建省沙縣進(jìn)行重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位的馬尾松純林下栽植閩粵栲試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

在福建省沙縣高砂鎮(zhèn)林場(chǎng)(北緯26°6′—26°46′、東經(jīng)117°32′—118°6′)陽溪、玉口工區(qū)17林班9大班1、3、4、5、7、9小班和相鄰18林班5大班6小班的馬尾松純林設(shè)立試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)海拔180～310 m，年均氣溫15.6～19.8 ℃，最低氣溫-7.1 ℃，最高氣溫40.3 ℃，≥10 ℃年積溫4482～5860.1 ℃，年無霜期309～316 d，年均降水量1530～1820 mm，相對(duì)濕度82.3%。試驗(yàn)林為25年生馬尾松重點(diǎn)區(qū)位生態(tài)林，面積為129.6 hm2，林分保留密度為2730～2985株·hm-2，平均樹高19.5 m，平均胸徑22.8 cm，郁閉度0.81。林地為Ⅱ類地，土壤類型為黃紅壤。林下植被主要為芒萁(Dicranopterisdichotoma)、紫萼(Hostaventricosa)、烏蕨(Stenolomachusanum)、地菍(Melastomadodecandrum)、翠云草(Selaginellauncinata)、闊葉箬竹(Indocalamuslatifolius)等[4]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2006年9月，對(duì)預(yù)定試驗(yàn)區(qū)的馬尾松林以機(jī)械均勻方式進(jìn)行擇伐[5]，伐后保留密度設(shè)為300、450、600、750、900、1050株·hm-2，分別以A、B、C、D、E、F表示。伐后，清理林地并于保留的馬尾松間隙挖穴，規(guī)格50 cm×40 cm×40 cm，于翌年春選用閩粵栲(1年生實(shí)生苗)栽植，苗木質(zhì)量要求：苗高≥50 cm，地徑≥0.5 cm[6]，閩粵栲的栽植密度均為1200株·hm-2。

用裂區(qū)設(shè)計(jì)排列各試驗(yàn)小區(qū)，在套種林分上設(shè)立面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，重復(fù)3次。栽植后前3 a，每年在栽植的閩粵栲周圍進(jìn)行小團(tuán)狀鋤草撫育。選擇與試驗(yàn)區(qū)相鄰的立地條件相同的馬尾松純林，設(shè)立面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，作為對(duì)照林分，沒有進(jìn)行擇伐等任何措施，以CK表示。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 喬木層生物量和持水量測(cè)定 2016年10月，于標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取胸徑、樹高與平均值相近(誤差≤±5%)的樣樹5株，分別測(cè)定其胸徑(地徑)、樹高與冠幅。運(yùn)用Monsi法分層切割，以每1 m為區(qū)分段，分段鋸斷稱量，分別測(cè)定樣樹的干、枝、葉、皮的鮮質(zhì)量；分別從樹干基部、中部及頂端鋸取1個(gè)圓盤，測(cè)定含水量。隨機(jī)選取30%樣品烘干，測(cè)定其干質(zhì)量，計(jì)算出含水量和林分單位面積的生物量。再隨機(jī)選取20%樣品浸水24 h，測(cè)定持水率并以林分生物量(鮮質(zhì)量)計(jì)算出持水量[7-8]。

2.2.2 林下植被和凋落物調(diào)查 2016年10月于標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，以“S”路線設(shè)置5個(gè)2 m×2 m的樣方進(jìn)行灌木層調(diào)查，再設(shè)5個(gè)1 m×1 m的小樣方進(jìn)行草本層調(diào)查，詳細(xì)調(diào)查林地植被的種類和數(shù)量。用樣方收獲法測(cè)定小樣方內(nèi)凋落物生物量，在室內(nèi)按L層(未分解的枯枝落葉層，由新凋落的葉、細(xì)枝、莖、樹皮、果實(shí)等凋落物及動(dòng)物殘?bào)w所組成，它們的原形尚可辨識(shí))、F層(半分解的枯枝落葉層，該層動(dòng)植物殘?bào)w已經(jīng)部分分解，但它們的部分結(jié)構(gòu)尚可分辨)、H層(粗腐殖質(zhì)化的枯枝落葉層，該層動(dòng)植物殘?bào)w已經(jīng)全部分解)分別測(cè)定其質(zhì)量；隨機(jī)選取30%樣品烘干，測(cè)定其干質(zhì)量，計(jì)算出含水量；再隨機(jī)選取20%樣品浸水24 h，測(cè)定持水率并以林分生物量(鮮質(zhì)量)計(jì)算出持水量[7-8]。

2.2.3 土壤分析 2006年11月和2016年10月，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地上選擇2棵樹間挖土壤剖面，分別采集0～20、20～40 cm土層的原狀土樣用于土壤物理性質(zhì)的分析測(cè)定，土壤滲透速率測(cè)定用土壤滲透儀，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)測(cè)定用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀(北京強(qiáng)盛分析儀器制造中心)[9]；并取各層次混合土樣，用TFW-VIIA土壤養(yǎng)分水分綜合測(cè)定儀(杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn))分析測(cè)定其化學(xué)性質(zhì)。各種測(cè)定均5個(gè)重復(fù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理方法 運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，對(duì)處理林分各層的生物量(包括喬木、林下植被和凋落物)、土壤物理化學(xué)性質(zhì)的主要參數(shù)、林分各層的持水量(含地上部分和土壤)、土壤滲透性能和土壤抗蝕性能等進(jìn)行顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力分析

各處理林分土壤養(yǎng)分狀況見表1。與栽植前相比，土壤各土層的養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)均有提高。各處理0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀分別比栽植前提高29.32%、27.35%、27.67%、23.30%以上，水解氮、速效磷、速效鉀分別比栽植前提高11.01%、13.95%、14.16%以上，pH值和C/N分別比栽植前提高5.20%、5.29%以上，以C處理和D處理提高最多。各處理20～40 cm土層的養(yǎng)分狀況亦均有相同趨勢(shì)。而馬尾松純林0～20 cm土層歷經(jīng)10 a后，其有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷、速效鉀則只增加13.23%、10.19%、5.31%、4.90%、4.45%、6.87%、4.53%，pH值、C/N則提高3.14%、1.79%，增幅不大；其20～40 cm土層也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。表明馬尾松林下栽植閩粵栲后，隨著回歸林地的枯枝落葉數(shù)量增加，土壤養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)提高，養(yǎng)分狀況得以改善，土壤肥力提高，進(jìn)而增加了林分的生物量，增強(qiáng)了林分生態(tài)功能。在現(xiàn)有馬尾松純林栽植閩粵栲對(duì)于其生態(tài)功能的提升有著重要意義。

表1 各處理林分土壤養(yǎng)分狀況

表1(續(xù))

3.2 林分涵養(yǎng)水源功能

3.2.1 土壤孔隙狀況 各處理土壤的孔隙狀況見表2。與栽植前相比，各處理土壤密度變小，而非毛管孔隙度與土壤總孔隙度變大，0～20 cm土層最明顯。各處理0～20 cm土層土壤密度與栽植前相比下降8.29%以上，以C處理和D處理最好。而馬尾松純林歷經(jīng)10 a只下降2.56%，降幅很小。與栽植前相比，非毛管孔隙、總孔隙度增幅均大于23.60%、15.76%，以C處理和D處理增幅最大。而馬尾松純林0～20 cm土層的非毛管孔隙、總孔隙度歷經(jīng)10 a則增加4.10%、2.77%。各林分20～40 cm土層也有同樣趨勢(shì)，只是增加幅度小些。表明馬尾松林下栽植閩粵栲后，由于閩粵栲根系在各土層盤結(jié)、穿插、分割等活動(dòng)，改善了孔隙狀況和土壤結(jié)構(gòu)，使土壤疏松、透氣，利于養(yǎng)分輸送和水分滲透，從而使林地蓄水能力得以提高，森林生態(tài)功能得到提升。

3.2.2 土壤水分狀況 土壤的水分狀況是體現(xiàn)土壤功能的重要因素。各處理土壤水分狀況見表2。各處理0～20 cm土層的毛管持水量、田間持水量、最大持水量與栽植前相比，增幅分別大于13.61%、15.50%、28.33%；與馬尾松純林相比，增幅分別超過9.75%、10.76%、22.69%，C處理、D處理增幅最大。各處理20～40 cm土層的趨勢(shì)相同，不過增幅小些。而馬尾松純林0～20 cm土層歷經(jīng)10 a后，其毛管持水量、田間持水量、最大持水量只增加4.32%、4.92%、8.19%，增幅很小，其20～40 cm土層也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。表明馬尾松林下栽植閩粵栲林分土壤的孔隙狀況得以改善，優(yōu)化了土壤的水分狀況，其表土層土壤的水分狀況優(yōu)于馬尾松純林，有良好的保水功能，土壤的持水力得以提高。

表2 各林分土壤孔隙度與水分狀況

表2(續(xù))

3.2.3 林分持水能力 各處理林分樹冠層持水量見表3。馬尾松純林樹冠層持水量為10.128 t·hm-2，A、B、C、D、E、F處理的林分樹冠持水量依次為11.248、11.422、11.721、11.798、11.849、11.872 t·hm-2，比馬尾松純林高出11.06%以上，C處理和D處理持水量最大。

表3 各處理林分樹冠層持水量

*：同列不同小寫字母為差異顯著；不同大寫字母為差異極顯著；下同。

各處理林下植被層及凋落物層的持水量見表4。馬尾松純林林下植被層、凋落物層持水量為0.823、17.163 t·hm-2。A、B、C、D、E、F處理林下植被層持水量依次為1.191、1.143、1.100、1.058、1.025、0.986 t·hm-2，與馬尾松純林相比增加24.54%以上，以C處理和D處理增加最高；A、B、C、D、E、F各處理林下凋落物持水量依次為25.351、26.367、27.586、27.602、27.226、26.827 t·hm-2，與馬尾松純林相比增加47.71%以上(表5)，以C處理和D處理最好。植被層持水量表明由于各處理林分植被的種類與數(shù)量增大，凋落物現(xiàn)存量增加，其持水量也增大，林分持水性能也提升。

林分發(fā)揮涵養(yǎng)水源作用最大貢獻(xiàn)者是林分的土壤。各處理土壤持水量見表4，馬尾松純林0～40 cm土層持水量為1627.357 t·hm-2，A、B、C、D、E、F處理0～40 cm土層的持水量依次為1933.056、1934.251、1936.632、1935.879、1934.623、1933.759 t·hm-2，與馬尾松純林相比高出305.699 t·hm-2以上，提高了18.78%以上，以C處理和D處理土壤持水量最高。

馬尾松純林總持水量為1655.471 t·hm-2，A、B、C、D、E、F處理林分總持水量依次為1970.846、1973.147、1977.039、1976.337、1974.723、1973.444 t·hm-2，與馬尾松純林相比均高出315.375 t·hm-2以上，提高了19.05%以上，以C處理和D處理最好，土壤層持水量約占林分總持水量的98.0%。表明馬尾松林下栽植閩粵栲，建立起穩(wěn)定的異齡復(fù)層林，土壤結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)得到改善，從而提升林分涵養(yǎng)水源性能；而馬尾松純林由于樹種單一，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)不合理，林分涵養(yǎng)水源性能較差。

表4 各處理林分各層的持水量

表5 各處理林分各層的持水量與馬尾松純林各層的持水量相比增加量 %

3.2.4 土壤滲透性能 土壤滲透性能是評(píng)價(jià)林分涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，不同林分土壤的孔隙狀況也不同，導(dǎo)致入滲性能和產(chǎn)生徑流的差異。各處理林分土壤滲透性能與抗蝕強(qiáng)度見表6，各處理土壤的初滲速度均大于4.21 mm·min-1，是馬尾松純林的1.1倍以上；穩(wěn)滲速度超過2.96 mm·min-1，是馬尾松純林的1.32倍，C處理和D處理的土壤滲透性能最佳。表明馬尾松與閩粵栲建立的異齡復(fù)層林具有多層次結(jié)構(gòu)，土壤結(jié)構(gòu)合理，入滲能力得以提升。

表6 各處理土壤滲透性能與抗蝕強(qiáng)度

3.2.5 土壤抗蝕性 各處理在不同降水條件下抗蝕強(qiáng)度見表6。各處理在5種降水強(qiáng)度下，土壤的侵蝕量有差異，經(jīng)方差分析，在同樣降水量時(shí)各處理林分與馬尾松純林抗蝕性能差異極顯著，以C處理和D處理抗蝕性能最好。表明在馬尾松林下栽植閩粵栲可提升土壤的抗蝕性能。

4 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位馬尾松純林采取機(jī)械均勻方法間伐，伐后在馬尾松林下栽植閩粵栲，閩粵栲套種密度1200株·hm-2，上層馬尾松林保留密度600～750株·hm-2為宜。

利用重點(diǎn)生態(tài)區(qū)位馬尾松現(xiàn)有生長(zhǎng)環(huán)境，按一定的密度調(diào)控間伐，在其林下栽植閩粵栲，建立穩(wěn)定的異齡復(fù)層針闊混交林，將單一結(jié)構(gòu)的馬尾松純林改變?yōu)槎鄻浞N復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種復(fù)層針闊混交林使得凋落物現(xiàn)存量增加，分解速度加快，凋落物分解后釋放出大量的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，改善了土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，對(duì)提高土壤肥力、維持森林土壤養(yǎng)分循環(huán)和提高林分生產(chǎn)力起重要作用[10]。本研究的各處理土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效鉀含量，pH值和C/N等各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)比栽植前和馬尾松純林均有大幅提升，復(fù)層林的土壤養(yǎng)分增加[11]。水、氣、肥條件的改善，促進(jìn)了馬尾松和閩粵栲生長(zhǎng)[12]。各處理土壤的孔隙度、毛管持水量、田間持水量和最大持水量等比栽植前大幅提高，土壤的孔隙狀況亦大幅改善。從而提升林分土壤蓄水能力，地表徑流減少，土壤滲透性能與抗蝕強(qiáng)度大幅提升，入滲能力得以提升，增強(qiáng)土壤抗蝕性能[13]?；旖涣址值暮B(yǎng)水源和保持水土的功能得到提升，提高了林分保水固土能力[14]。而馬尾松林由于樹種單一，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)不合理，林分涵養(yǎng)水源性能較差。因此，異齡復(fù)層林表現(xiàn)出比馬尾松純林更強(qiáng)的涵養(yǎng)水源及保持水土的性能。

在現(xiàn)有馬尾松純林下栽植閩粵栲，營(yíng)建針闊異齡復(fù)層林，這一措施是重點(diǎn)區(qū)位生態(tài)針葉林定向改造及生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)更新的手段。針闊異齡復(fù)層林的營(yíng)建，重塑了林分結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、合理，不但下層的林木對(duì)上層林木影響很小，而且改善林分生態(tài)，形成小環(huán)境，土壤得到改良，地力得到提高，進(jìn)而促進(jìn)了林木的生長(zhǎng)，林分抗逆性得以提升[15-16]?？山鉀Q大面積針葉純林導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)脆弱、地力衰退的問題，是重建中亞熱帶常綠針闊混交林的好途徑，可為重點(diǎn)區(qū)位生態(tài)針葉林定向改造及生態(tài)系統(tǒng)重建、馬尾松純林改造與經(jīng)營(yíng)提供參考[17-18]，有條件的地區(qū)可推廣。

[1]黃清麟，李元紅.中亞熱帶天然闊葉林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的若干問題[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20(1)：1-5.

[2]洪宜聰.不同植物源殺蟲劑對(duì)閩粵栲食葉害蟲防治效果分析[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5)：71-76.

[3]周洋，鄭小賢，王琦，等.福建三明栲類次生林主要樹種更新生態(tài)位研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，30(4)：84-88.

[4]樊艷榮，陳雙林，林華，等.不同林下植被干擾措施對(duì)毛竹林下植物種群分布格局的影響[J].生物多樣性，2013，21(6)：709-714.

[5]陳存及，賴學(xué)舜，李貸一，等.DB35/T 76—2003.主要針葉造林樹種撫育間伐技術(shù)規(guī)程[S].福州：福建省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2003.

[6]洪宜聰，鄭雙全，林華，等.DB35/T 1525—2015.閩粵栲栽培技術(shù)規(guī)范[S].福州：福建省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2015.

[7]洪宜聰.杉木閩粵栲混交林分特征與水土保持功能研究[J].江蘇林業(yè)科技，2016，43(5)：18-24.

[8]PRESCOTT C E.Do rates of litter decomposition tell us anything we reallyneed to know[J].Forest Ecology and Management，2005，220(1/3)：66-74.

[9]趙磊，王兵，蔡體久，等.江西大崗山不同密度杉木林枯落物持水與土壤貯水能力研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27(1)：203-208.

[10]曾鋒，邱治軍，許秀玉.森林凋落物分解研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(1)：239-243.

[11]鄭路，盧立.我國(guó)森林地表凋落物現(xiàn)存量及養(yǎng)分特征[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，27(1)：63-69.

[12]丁敏，倪榮新，毛軒平.馬尾松林下套種闊葉樹生長(zhǎng)狀況初報(bào)[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(3)：463-466.

[13]洪宜聰.馬尾松閩粵栲異齡復(fù)層混交林的林分特征及涵養(yǎng)水源能力[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，45(4)：54-59.

[14]祁金虎，楊會(huì)俠，丁國(guó)泉，等.撫育間伐對(duì)遼東山區(qū)人工紅松林土壤物理性質(zhì)及持水特性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44(5)：48-51.

[15]洪宜聰.杉木林套種閩粵栲林分特性及其涵養(yǎng)水源功能[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，32(3)：71-77.

[16]樂興釗.馬尾松閩粵栲套種林的林木生長(zhǎng)狀況分析[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2017，42(3)：108-112.

[17]樂興釗.閩粵栲人工促進(jìn)天然更新林分特征及土壤肥力[J].林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2016，36(4)：19-21.

[18]洪宜聰，樂興釗.閩粵栲人促林的土壤肥力與涵養(yǎng)水源功能[J].福建林業(yè)科技，2017，44(2)：51-57.