于洋洋 廖博一 程 飛 林俊平 蔡泉星 劉愛(ài)琴
(1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002;2. 國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350002;3. 華安西陂國(guó)有林場(chǎng),福建 漳州 363800)
林下植被主要由灌木和草本組成,是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,越來(lái)越多的研究證明林下植被在維持養(yǎng)分循環(huán)、能量流動(dòng)、水土保持、提高林地生產(chǎn)力及促進(jìn)森林更新和演替等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。另外,林下植被多樣性和生態(tài)系統(tǒng)復(fù)原能力密切相關(guān),即物種多樣性越高、有效生態(tài)位空間越廣泛,群落越能更好地適應(yīng)干擾和抵抗入侵,維持林內(nèi)小環(huán)境的穩(wěn)定[3]。林下植被通過(guò)控制局部人工林小氣候和調(diào)節(jié)水、氣、肥、熱的競(jìng)爭(zhēng)而影響上層林木的生長(zhǎng),同時(shí)能夠?yàn)閭鞑シN子的動(dòng)物提供棲息地和食物來(lái)源。因此,林下植被一直是森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)、生物多樣性保護(hù)和森林功能維持的關(guān)鍵,成為衡量林內(nèi)生態(tài)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的重要指標(biāo)[4]。
桉樹(shù)起源于澳大利亞,是桃金娘科 (Myrtaceae) 桉屬 (Eucalyptus) 植物的統(tǒng)稱(chēng),隨著桉樹(shù)木材被選用為造紙的優(yōu)質(zhì)原材料,20世紀(jì)中、后期桉樹(shù)人工林在熱帶和亞熱帶地區(qū)得到快速發(fā)展,目前桉樹(shù)人工林已成為世界上單位面積森林生產(chǎn)力最大的森林生態(tài)系統(tǒng)[5]。另外,桉樹(shù)具有生長(zhǎng)快、抗腐能力強(qiáng)、干形通直,出材率高等優(yōu)良特點(diǎn)而被世界各國(guó)廣泛引種種植,已成為我國(guó)南方速生豐產(chǎn)林的主要造林樹(shù)種[6]。但桉樹(shù)人工林連作易造成地力衰退、群落結(jié)構(gòu)單一、物種多樣性減少等一系列生態(tài)問(wèn)題,導(dǎo)致林地生產(chǎn)力下降[7]。因此,研究不同營(yíng)林措施下的桉樹(shù)人工林喬木層及林下植被的生長(zhǎng),對(duì)桉樹(shù)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。
幼林撫育是營(yíng)林措施中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),適當(dāng)?shù)挠琢謸嵊龑?duì)桉樹(shù)生長(zhǎng)、林下植被多樣性具有重要作用[8],常見(jiàn)的幼林撫育措施包括塊狀撫育和擴(kuò)穴連帶撫育[9]。塊狀撫育不受地形條件限制,保土力強(qiáng),且省工省時(shí),多用于土壤沖刷嚴(yán)重的地區(qū)。擴(kuò)穴連帶撫育的優(yōu)點(diǎn)及其適用范圍與塊狀撫育相似,撫育范圍較寬,對(duì)苗木生長(zhǎng)影響更好,但使用勞動(dòng)力較多。目前有關(guān)撫育措施對(duì)人工林及林下植被生長(zhǎng)影響的研究已有很多。如林聲慶[10]采用不同撫育措施研究發(fā)現(xiàn),擴(kuò)穴連帶撫育處理下的桉樹(shù)人工林生長(zhǎng)狀況優(yōu)于塊狀撫育和不撫育處理。林開(kāi)敏等[11]研究認(rèn)為塊狀撫育處理能夠提高杉木 (Cunninghamialanceolata) 的保存率, 有利于林木的生長(zhǎng),且比帶狀撫育處理省時(shí)省工,節(jié)省費(fèi)用。馬祥慶等[12]采用不同撫育措施研究發(fā)現(xiàn),擴(kuò)穴連帶撫育改善了林地的水分物理性質(zhì),其林地土壤水分物理性質(zhì)略好于塊狀撫育。已有的研究多將重點(diǎn)放在不同撫育后林木生長(zhǎng)、林地土壤持水性和經(jīng)濟(jì)效益等方面,而對(duì)林木和林下植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化的研究則較少。鑒于此,本研究選擇福建省華安縣的尾巨桉 (Eucalyptusurophylla×E.grandis) 人工林對(duì)采用不同撫育措施處理后3年生的尾巨桉人工林喬木層及林下植被生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)查,并對(duì)尾巨桉生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、林下植被種類(lèi)、物種豐富度、群落蓋度、多樣性和均勻度等進(jìn)行比較分析,選出最優(yōu)的撫育措施,為尾巨桉人工林的生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。
研究區(qū)位于福建省漳州市華安縣西陂國(guó)有林場(chǎng),地處北緯25°11′,東經(jīng)117°40′。氣候類(lèi)型屬南亞熱帶氣候,溫和多雨,夏季有暖濕的海洋性季風(fēng)入侵。年平均氣溫20.4~21.3 ℃,極端最高氣溫39.5 ℃,極端最低氣溫-3.8 ℃。年日照時(shí)數(shù)為1 889.2 h,無(wú)霜期320 d,多年平均降雨量1 656 mm。地貌以山地、丘陵為主,地勢(shì)西北高,東南低,由西北向東南呈階梯狀遞減。土壤類(lèi)型一般為紅壤和磚紅壤,成土母巖主要為花崗巖、閃長(zhǎng)巖等。林業(yè)用地106 667 hm2,有林地92 000 hm2,天然林面積29 333 hm2,木材蓄積量380萬(wàn)m3,森林覆蓋率達(dá)72%。主要植被有原生亞熱帶季雨林、常綠闊葉林、稀樹(shù)灌草叢等。
試驗(yàn)樣地選擇在華安縣西陂國(guó)有林場(chǎng)尾巨桉2代人工林林地,樣地的成土母質(zhì)、土層厚度、植被、坡度等立地條件一致,新造林的樹(shù)種一致。于2010年底經(jīng)過(guò)煉山,2011年4月?tīng)I(yíng)造尾巨桉無(wú)性系林分,造林密度1 660株/hm2。本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)3個(gè)區(qū)組,第1區(qū)組海拔299 m、第2區(qū)組海拔308 m、第3區(qū)組海拔317 m,且3個(gè)區(qū)組均設(shè)置在中坡,坡向?yàn)闁|南方向。每個(gè)區(qū)組設(shè)置2種不同撫育措施,分別是塊狀撫育和擴(kuò)穴連帶撫育。以不撫育為對(duì)照,共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū),樣地面積20 m × 20 m,具體見(jiàn)表1。
表1 不同撫育措施試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design of different tending measures
2.2.1喬木層生長(zhǎng)量調(diào)查
在2011年10月、2012年4月、2012年10月、2014年4月對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺,實(shí)測(cè)尾巨桉樹(shù)高 (h) 和胸徑 (DBH)。
林分材積量是林業(yè)生產(chǎn)單位最為關(guān)注的測(cè)樹(shù)指標(biāo),是林分平均樹(shù)高、平均胸徑等的綜合體現(xiàn)[13]。材積 (V) 按照黃建海[14]2006年編制出的漳州市桉樹(shù)二元立木材積公式進(jìn)行計(jì)算,其方法見(jiàn)公式 (1)。
V=0.000 075 4
(-5.256 314 9+1.591 151 6DBH)1.449 105
(1.890 976+1.627 500h)0.974 065 95
(1)
生長(zhǎng)量是指一段時(shí)期內(nèi)林地木材增長(zhǎng)量,是評(píng)價(jià)林地生產(chǎn)力、經(jīng)營(yíng)方式效果的重要指標(biāo),它能反應(yīng)不同撫育措施后人工林生長(zhǎng)的變化規(guī)律[15]。本試驗(yàn)生長(zhǎng)量依據(jù)前后2次調(diào)查的數(shù)值差得出。
2.2.2林下植被調(diào)查
對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)地分別劃分5個(gè)2 m × 2 m的小樣方作為灌木樣方和草本樣方。2012年10月和2014年4月進(jìn)行林下植被調(diào)查,調(diào)查樣方內(nèi)林下植被種類(lèi)、數(shù)量、蓋度、頻度、平均高度等。
采用Margale豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)以及Pielou均勻度指數(shù)[16-18]來(lái)分析林下植被的數(shù)量特征,計(jì)算方法見(jiàn)公式 (2)~(4)。
Margalef豐富度指數(shù)(M):
M=(S-1)/lnN
(2)
Shannon-Wiener多樣性指數(shù) (H):
H=-∑[(Ni/N)ln(Ni/N)]
(3)
Pielou均勻度指數(shù) (J):
J=H/lnS
(4)
式中:S為物種數(shù);N為全部物種的個(gè)體總數(shù);Ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)。
采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,應(yīng)用單因素方差分析和最小顯著差法 (LSD) 進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 9.0軟件制圖。
3.1.1不同撫育措施對(duì)林分生長(zhǎng)量的動(dòng)態(tài)影響
不同撫育措施對(duì)尾巨桉人工林喬木層生長(zhǎng)影響見(jiàn)表2。由表2可知,不同撫育措施下尾巨桉人工林樹(shù)高存在顯著差異 (P< 0.05)。2011年10月,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉樹(shù)高最高為3.58 m,與塊狀撫育和對(duì)照的差異均顯著 (P< 0.05),分別比塊狀撫育和對(duì)照高4.07%和4.68%;2012年4月和2012年10月,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉樹(shù)高依舊高于塊狀撫育和對(duì)照;到第3年,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉樹(shù)高為13.49 m,與塊狀撫育和對(duì)照的差異均顯著 (P< 0.05),分別比塊狀撫育和對(duì)照的高1.35%和7.40%。
不同撫育措施下尾巨桉人工林胸徑存在顯著差異 (P< 0.05)。2011年10月擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉胸徑最大為3.43 cm,與塊狀撫育和對(duì)照的差異也均顯著 (P< 0.05),分別比塊狀撫育和對(duì)照大6.52%和7.19%。2012年4月和2012年10月,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉胸徑依舊高于塊狀撫育和對(duì)照;到第3年,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉胸徑為12.94 cm,與塊狀撫育和對(duì)照的差異均顯著 (P< 0.05),分別比塊狀撫育和對(duì)照的大5.03%和9.66%。
不同撫育措施下尾巨桉人工林單株材積存在顯著差異 (P< 0.05)。造林前期2012年4月2種撫育措施下的尾巨桉人工林單株材積差異較??;2012年10月單株材積生長(zhǎng)變化明顯,其中擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉單株材積最大為0.024 6 m3,分別比塊狀撫育和對(duì)照多13.36%和41.38%;到第3年,擴(kuò)穴連帶撫育處理的單株材積為0.076 0 m3,分別比塊狀撫育和對(duì)照的單株材積多15.68%和31.26%。2011年10月—2014年10月尾巨桉人工林?jǐn)U穴連帶撫育處理的林分生長(zhǎng)量均高于其他撫育方式,具體生長(zhǎng)量排序?yàn)椋簲U(kuò)穴連帶撫育 > 塊狀撫育 > 對(duì)照,可見(jiàn)擴(kuò)穴連帶撫育方式對(duì)尾巨桉人工林生長(zhǎng)具有明顯促進(jìn)作用。
表2 不同撫育措施尾巨桉人工林的生長(zhǎng)量Table 2 Growth of E.urophylla × E.grandis plantation by different tending measures
注:不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著 (P< 0.05)。
3.1.2不同撫育措施對(duì)尾巨桉人工林凈生長(zhǎng)量的動(dòng)態(tài)影響
由表3可知,不同撫育措施下的尾巨桉人工林樹(shù)高、胸徑和單株材積凈生長(zhǎng)量存在明顯差異。2011年10月—2012年4月,除了塊狀撫育處理的尾巨桉樹(shù)高凈生長(zhǎng)量略占優(yōu)勢(shì)外,尾巨桉胸徑和單株材積凈生長(zhǎng)量最多的均為擴(kuò)穴連帶撫育處理。2012年4月—2012年10月,尾巨桉人工林樹(shù)高和單株材積凈生長(zhǎng)量最高的均是擴(kuò)穴連帶撫育。2012年10月—2014年4月,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉人工林胸徑和單株材積凈生長(zhǎng)量依舊最高,胸徑分別比塊狀撫育和對(duì)照大10.09%和10.61%;單株材積分別比塊狀撫育和對(duì)照大16.82%和26.91%。
從2011年10月—2014年4月尾巨桉人工林樹(shù)高年平均增長(zhǎng)情況表現(xiàn)為擴(kuò)穴連帶撫育 > 塊狀撫育 > 對(duì)照,擴(kuò)穴連帶撫育處理的樹(shù)高年平均增長(zhǎng)量分別比塊狀撫育和對(duì)照的大0.28%和8.43%;尾巨桉人工林在3 a間的胸徑年平均增長(zhǎng)規(guī)律與樹(shù)高一致,表現(xiàn)為擴(kuò)穴連帶撫育 > 塊狀撫育 > 對(duì)照,擴(kuò)穴連帶撫育處理的胸徑年平均增長(zhǎng)量分別比塊狀撫育和對(duì)照的大4.53%和10.54%;單株材積年平均增長(zhǎng)情況表現(xiàn)為擴(kuò)穴連帶撫育 > 塊狀撫育 > 對(duì)照,擴(kuò)穴連帶撫育處理的材積年平均增長(zhǎng)量分別比塊狀撫育和對(duì)照大15.81%和31.55%。
表3 不同撫育措施尾巨桉林分的凈生長(zhǎng)量Table 3 Net growth of E.urophylla × E.grandis plantation by different tending measures
3.2.1不同撫育措施對(duì)林下植被種類(lèi)的影響
林下植被主要由灌木、草本組成,灌草植物不僅以凋落物的形式為林地提供養(yǎng)分,而且還能為野生動(dòng)物提供食物和棲息地,在促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)物種多樣性方面發(fā)揮重大作用[3]。由表4可知,2種撫育措施對(duì)3年生尾巨桉人工林林下植被物種種類(lèi)的影響不同,其中塊狀撫育處理的林下植被數(shù)量最大,為8種,灌木6種、草本2種,隸屬6科7屬;群落中含有禾本科 (Poaceae),烏毛蕨科 (Blechnaceae),山茶科 (Theaceae),薔薇科 (Rosaceae),鼠李科 (Rhamnaceae),大戟科 (Euphorbiaceae)。擴(kuò)穴連帶撫育處理尾巨桉人工林林下植被為7種,灌木2種、草本5種,隸屬于5科6屬;群落中含有禾本科,烏毛蕨科,山茶科,百合科 (Liliaceae),菊科 (Asteraceae)。對(duì)照群落物種組成最少,僅為5種,灌木3種、草本2種,隸屬5科5屬;群落中含有禾本科,桑科 (Moraceae),薔薇科,苦木科 (Simaroubaceae),葡萄科,菊科。總的來(lái)看,塊狀撫育處理林下植被數(shù)量最豐富。
表4 尾巨桉人工林林下植被名錄Table 4 List of undergrowth vegetation of E.urophylla × E. grandis plantation
3.2.2不同撫育措施對(duì)林下植被多樣性的動(dòng)態(tài)影響
植被多樣性指標(biāo)一般包括物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù),其中不同指數(shù)從不同角度體現(xiàn)物種多樣性的變化,成為衡量林內(nèi)生態(tài)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的重要指標(biāo)[4]。由表5可以看出,2種撫育措施對(duì)尾巨桉人工林林下植被物種多樣性影響不同。2012年10月和2014年4月林下植被豐富度、群落蓋度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)最大的均是塊狀撫育處理,擴(kuò)穴連帶撫育次之,對(duì)照最低。這說(shuō)明適度撫育有利于林地植被物種多樣性的提高。
表5 不同撫育措施下林下植被多樣性的動(dòng)態(tài)變化Table 5 Dynamic of different tending measures on plant diversity under forest
2012年10月2種撫育措施的植被豐富度、群落蓋度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與第3年相比指數(shù)基本上保持原來(lái)的大小,只有小范圍的上下浮動(dòng)。
撫育能給幼樹(shù)創(chuàng)造良好的環(huán)境條件,滿(mǎn)足幼樹(shù)對(duì)水、氣、肥、熱的需求,從而促進(jìn)幼樹(shù)的生長(zhǎng)[19]。本研究采用2種撫育措施對(duì)尾巨桉林地進(jìn)行處理,半年后調(diào)查發(fā)現(xiàn),擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉人工林生長(zhǎng)狀況與塊狀撫育處理和對(duì)照相比具有明顯優(yōu)勢(shì),且差異性達(dá)到了顯著水平 (P< 0.05)。從生長(zhǎng)初期到第3年,擴(kuò)穴連帶撫育處理的尾巨桉人工林生長(zhǎng)均優(yōu)于其他撫育方式,樹(shù)高、胸徑和材積大小排序均為:擴(kuò)穴連帶撫育 > 塊狀撫育 > 對(duì)照。造成這種現(xiàn)象的原因,一方面可能是由于擴(kuò)穴連帶撫育可以很好地清除林地的雜灌和野草,減少養(yǎng)分的損失,另一方面撫育過(guò)程中將樹(shù)周?chē)耐寥廊克蓜?dòng),利于土壤肥力的釋放和水肥的下滲,便于尾巨桉根系伸展和發(fā)育,形成龐大的根系網(wǎng),大大增強(qiáng)根系的呼吸作用,從而促進(jìn)了尾巨桉植株的生長(zhǎng);塊狀撫育因撫育強(qiáng)度較小,僅除去苗木周?chē)?0 cm × 70 cm的雜草,由于灌木、草本等的干擾及水肥的消耗,延緩幼樹(shù)生長(zhǎng)[20]。徐明華[21]采用不同撫育技術(shù)措施研究發(fā)現(xiàn),造林2 a后,擴(kuò)穴連帶撫育處理下馬尾松 (Pinusmassoniana) 樹(shù)高和胸徑最大;6 a后,生長(zhǎng)規(guī)律和2 a基本相同;到第10年,依舊是擴(kuò)穴連帶撫育處理下的馬尾松人工林分生長(zhǎng)最好,塊狀撫育處理次之,不撫育最差,也印證了本研究的觀點(diǎn)。
林下植被在人工林循環(huán)系統(tǒng)中充當(dāng)一個(gè)庫(kù)源的角色,一方面對(duì)林地營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行吸收和積累,以有機(jī)物的形式歸還給土壤,另一方面,有助于上層林木枯枝落葉的分解,提升養(yǎng)分歸還速率[2]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,2種撫育措施林下植被豐富度、群落蓋度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)最大的均是塊狀撫育處理,其次是擴(kuò)穴連帶撫育,對(duì)照最低。這可能是由于塊狀撫育處理后,絕大多數(shù)灌木、草本植物的地上部分被除去,其根系完好的保存在土壤中,因此灌草植物能快速恢復(fù),形成喬灌草多層次分布的結(jié)構(gòu),提升人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[22];擴(kuò)穴連帶撫育經(jīng)過(guò)松土,多數(shù)灌木、草本連根除去,失去再生能力[23]。這與林開(kāi)敏等[11]研究不同撫育措施對(duì)杉木林下植被的影響相似,即塊狀撫育林下植被的Shannon-wiener多樣性指數(shù) 、Simpson 多樣性指數(shù)均最高,帶狀撫育次之,不撫育最低。
本研究發(fā)現(xiàn),擴(kuò)穴連帶撫育林下植被多樣性不如塊狀撫育,但林分生長(zhǎng)最優(yōu),可能是因?yàn)閿U(kuò)穴連帶撫育林下植被的草本數(shù)量較多,占總數(shù)的71.43%。由于擴(kuò)穴連帶撫育需要帶狀鋤草松土,在松土4 cm左右時(shí),會(huì)切斷土壤表層的毛細(xì)管,提高土壤透氣性和透水性,加速地表層腐殖質(zhì)分解,便于釋放養(yǎng)分,提升水肥條件,有利于草本層生長(zhǎng),而草本植物吸收營(yíng)養(yǎng)的95%以凋落物的形式歸還給土壤,大部分養(yǎng)分當(dāng)年就可以歸還,且草本植物的凋落物很容易分解,因此養(yǎng)分歸還速度較快,利于尾巨桉人工林林分生長(zhǎng)[24-25]。而塊狀撫育的林下植被以灌木為主,占植被總數(shù)的75.00%,灌木旺盛生長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)抑制草本植物生長(zhǎng),不利于養(yǎng)分的積累,同時(shí)由于灌木特有的鞭、根系統(tǒng),扎根較深,會(huì)與目的樹(shù)種競(jìng)爭(zhēng)水肥,與草本相比會(huì)抑制尾巨桉人工林的生長(zhǎng)[26]。
通過(guò)對(duì)2種撫育措施下3年生尾巨桉人工林及林下植被生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)可以得出,以尾巨桉生長(zhǎng)量為主因子時(shí),擴(kuò)穴連帶撫育最好,塊狀撫育次之,對(duì)照最低;以林下植被為主因子時(shí),塊狀撫育最好,擴(kuò)穴連帶撫育次之,對(duì)照最低。本試驗(yàn)結(jié)論僅是基于撫育后3 a的調(diào)查數(shù)據(jù)得出的,只能說(shuō)明不同撫育措施對(duì)尾巨桉人工林林分和林下植被生長(zhǎng)的短期動(dòng)態(tài)變化,可為其他樹(shù)種的相關(guān)研究提供參考,或?yàn)殚L(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化的研究提供基礎(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但撫育對(duì)整個(gè)人工林生態(tài)系統(tǒng)的影響是復(fù)雜、持久的,需要進(jìn)行長(zhǎng)期、系統(tǒng)的觀測(cè)才能探究更為科學(xué)的機(jī)理。