杉木林改造后空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化及其關(guān)系

胡園杰，李際平，曹小玉，陳 娟

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是林木生長(zhǎng)發(fā)育重要的環(huán)境因素之一，對(duì)調(diào)節(jié)徑流洪峰、涵養(yǎng)水源、保持水土、改善水質(zhì)具有重要作用[1-2]。人工林由于長(zhǎng)期不合理的利用，土壤退化，林地生產(chǎn)力下降，土壤水源涵養(yǎng)功能的研究日益受到關(guān)注。大量科學(xué)研究表明土壤水源涵養(yǎng)功能變化主要受到森林的樹(shù)種組成、林分空間結(jié)構(gòu)及非空間結(jié)構(gòu)的影響[3-5]，而林分空間結(jié)構(gòu)是林分結(jié)構(gòu)最直觀的表現(xiàn)和基礎(chǔ)調(diào)控因子，研究林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系具有重要理論意義。目前已有大量關(guān)于影響土壤水源涵養(yǎng)功能因子的研究。何斌等[6]對(duì)相同立地條件下厚莢相思林、尾巨桉林和灌草叢3種不同植被類(lèi)型的土壤性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了研究，揭示了不同植被對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響。朱華德[7]通過(guò)研究高程、坡度、坡向等環(huán)境因子對(duì)五龍池小流域土壤水分的影響，闡明了不同環(huán)境因子對(duì)土壤水分的影響。王威[8]選取了樹(shù)種組成、林分年齡、郁閉度、生物量等林分結(jié)構(gòu)因子分析北京山區(qū)水源林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。已有研究多是關(guān)于環(huán)境因子以及林分非空間結(jié)構(gòu)因子對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能影響的研究，而針對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能間關(guān)系的研究較少。

本研究以湖南省福壽林場(chǎng)杉木人工林為研究對(duì)象，在量化分析不同齡組杉木林空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析挖掘影響水源涵養(yǎng)功能的主要空間結(jié)構(gòu)因子，為充分發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于湖南省平江縣南部福壽國(guó)有林場(chǎng)（28°41′15″～ 28°32′30″N，113°41′15″～113°41′00″E）內(nèi)，總面積 1 274.9 hm2，海拔 835～1 573.2 m，平均坡度22°～27°，地處中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的氣候帶，屬濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫33.4℃，極端最低氣溫-15℃，年平均降水量2 100～2 300 mm，年平均相對(duì)濕度87%，森林覆蓋率93%。林場(chǎng)內(nèi)海拔800 m以下的土壤為山地黃壤；800～1 400 m為山地黃棕壤；海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。研究區(qū)內(nèi)所有的杉木林均于2004年被劃分為生態(tài)公益林經(jīng)營(yíng)。研究的樣地是皆伐跡地上人工更新后形成的杉木純林。幼齡林是在2006年?duì)I造的，截止到2012年樣地調(diào)查時(shí)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)撫育；中齡林是在1999年?duì)I造的，期間2007年林場(chǎng)進(jìn)行了1次人工撫育；近熟林是在1989年?duì)I造的，期間在1996和2007年林場(chǎng)分別進(jìn)行了2次人工撫育。2013年上半年，在杉木幼、中齡林中進(jìn)行撫育間伐，并在幼齡林內(nèi)補(bǔ)植馬褂木Liriodendron tulipifera和欒樹(shù)Koelreuteria paniculata，補(bǔ)植后馬褂木、欒樹(shù)、柳杉等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到50%左右；中齡林補(bǔ)植馬褂木、欒樹(shù)和深山含笑Michelia maudiae，補(bǔ)植后馬褂木、欒樹(shù)和深山含笑等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到40%左右；在近熟林補(bǔ)植紅豆杉Taxus chinensis，補(bǔ)植后紅豆杉、毛竹等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到30%左右。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查

2012年通過(guò)對(duì)林場(chǎng)內(nèi)杉木人工林進(jìn)行全面踏查，選擇立地條件一樣的幼、中、近熟林3個(gè)齡組作為研究對(duì)象，分別設(shè)置6塊面積為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地，共18塊，采用相鄰網(wǎng)格調(diào)查法，將標(biāo)準(zhǔn)地劃分為6個(gè)10 m×10 m的調(diào)查單元，并測(cè)量樣方內(nèi)全部林木的坐標(biāo)（X，Y）、胸徑、樹(shù)高、冠幅等基本測(cè)樹(shù)因子（具體情況見(jiàn)表1）。同時(shí)，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中選擇具有代表性的位置設(shè)置寬度為0.8～1.0 m，深度為0.6～0.8 m的土壤剖面，于0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm以及45～60 cm 4層，用體積100 cm 3的環(huán)刀分層取原狀土，每層取3個(gè)重復(fù)土樣，測(cè)定土壤的持水量、孔隙度和容重等物理性質(zhì)。2014年7月～2017年7月，每年對(duì)18塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行復(fù)測(cè)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本概況Table 1 Basic information of the sample plots

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)的計(jì)算

（1）全混交度（Mci）

全混交度是用來(lái)描述樹(shù)種間隔離程度的參數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，Di為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元的辛普森指數(shù)；Mi為對(duì)象木i的簡(jiǎn)單混交度；n為鄰近木株數(shù)；si為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元的樹(shù)種數(shù)量；nj為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元中第j樹(shù)種株數(shù)；ni為鄰近木中不同樹(shù)種數(shù)量?

顯然Mci∈[0,1]，將Mci的取值劃分為0、（0,0.25]、（0.25,0.50]、（0.50,0.75]、（0.75,1.00]5個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)林木間零度混交、弱度混交、中度混交、強(qiáng)度混交和極強(qiáng)度混交。

（2）競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（CIi）

競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)反映了林木所承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力，計(jì)算公式為：

式中，di為對(duì)象木i的胸徑，dj為鄰近木j的胸徑，Lij為對(duì)象木i與鄰近木j間的距離，ni為對(duì)象木i的鄰近木株數(shù)。

顯然CIi∈[0,+∞)，競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)越大，表明林木承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力越大。

（3）開(kāi)闊比數(shù)（OPi）

開(kāi)闊比數(shù)反映的是對(duì)象木受鄰近木遮蔽的程度，計(jì)算公式為：

顯 然OPi∈ (0,1]，OPi取 值 為 0、0.25、0.50、0.75、1.00分別對(duì)應(yīng)對(duì)象木所處的透光條件為完全遮擋、遮擋、中等開(kāi)闊、開(kāi)闊和非常開(kāi)闊。

（4）林層指數(shù)（Si）

林層指數(shù)是描述林層多樣性的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中，zi為對(duì)象木i所在空間結(jié)構(gòu)單元中林層個(gè)數(shù)；

顯然Si∈(0,1]，林層指數(shù)越接近1，表明林分在垂直方向上的成層性越復(fù)雜。

（5）角尺度（Wi）

角尺度是用來(lái)反映林木水平分布格局，計(jì)算公式為：

顯 然Wi∈ (0，1]， 將Wi的取值劃分為[0,0.327)、[0.327,0.357]、(0.357,1.00]3個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)林木水平分布格局趨于均勻分布、隨機(jī)分布和團(tuán)狀分布。

計(jì)算林分的全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)與角尺度時(shí)，將林分內(nèi)所有林木各指標(biāo)值的和除以林木總株數(shù)即可。

2.3 土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的計(jì)算

（1）土壤容重（Y）

式中，Y為土壤容重（g/cm3）；g為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量（g）；V為環(huán)刀體積（cm3）；W為樣品含水百分?jǐn)?shù)（%）。

（2）土壤持水量（W0）

式中，W0為土壤毛管持水量（%）；Pt為環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量（g）；P0為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量（g）。

（3）土壤毛管孔隙度（P1）

式中，P1為土壤毛管孔隙度（%）；Y為土壤容重（g/cm3）；W0為土壤持水量（%）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

（1）初值化處理

由于各指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同，沒(méi)有可比性，采用初值化的方法對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變化和處理。

（2）灰色關(guān)聯(lián)分析

為深入研究林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系，將杉木林不同齡組的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)和土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)視為灰色系統(tǒng)，以土壤持水量、土壤毛管孔隙度和土壤容重為參考序列，以全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)和角尺度為子序列，見(jiàn)公式10，運(yùn)用Matlab進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析[9]。

式中，x0(t)表示第t年的土壤水源涵養(yǎng)功能各指標(biāo)初值化值；xs(t)表示第t年的林分空間結(jié)構(gòu)各指標(biāo)初值化值；表示分辨系數(shù)，本研究取值為0.5；ξi(k)表示第i個(gè)林分空間指標(biāo)與各土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)；表示各林分空間指標(biāo)與各土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

數(shù)據(jù)分析利用 SPSS 20.0 和 Matlab 2014a軟件，圖表繪制與數(shù)據(jù)處理在 Microsoft Excel 2013中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

由圖1可知，杉木林3個(gè)齡組的全混交度均隨時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，2017年較2012年幼、中、近熟林的全混交度分別提高了80.57%，208.97%，36.33%，其中幼齡林從弱度混交變成中度混交，說(shuō)明林分的樹(shù)種空間隔離程度大大提高；近熟林的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)跟全混交度變化相似，隨時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，由2012年的3.635 5上升為2017年的4.372 1，而幼齡林與中齡林的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)分別下降了6.44%和7.16%，變化幅度較??；幼齡林的開(kāi)闊比數(shù)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而減少，由2012年的0.897 7下降為2017年的0.698 7，林分的透光條件從非常開(kāi)闊變?yōu)殚_(kāi)闊，而中齡林和近熟林的開(kāi)闊比數(shù)隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢(shì)，分別下降了35.95%和25.09%，林分的透光條件從開(kāi)闊變?yōu)橹械乳_(kāi)闊；幼齡林未達(dá)到劃分林層的標(biāo)準(zhǔn)，中齡林和近熟林的林層指數(shù)隨著時(shí)間增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，2014年達(dá)到最大值分別為0.523 9和0.412 5，2017年較2012年分別提高了26.72%和92.52%，說(shuō)明補(bǔ)植后林分在垂直結(jié)構(gòu)上分層現(xiàn)象越來(lái)越復(fù)雜；幼齡林的角尺度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減少，由2012年的0.448 6下降為2017年的0.357 6，林分水平分布格局從團(tuán)狀分布變?yōu)楦m合生長(zhǎng)的隨機(jī)分布，說(shuō)明通過(guò)間伐補(bǔ)植使幼齡林的水平分布格局更合理，而中齡林和近熟林的角尺度分別在0.325 9～0.349 0和0.351 3～0.361 4內(nèi)上下波動(dòng)，林分水平分布格局更趨向于均勻分布的隨機(jī)分布。方差分析表明， 幼、中、近熟林的全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)與角尺度這5個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)存在顯著差異（P＜0.05）。

3.2 不同齡組土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)分析

由圖2可知，杉木幼、中、近熟林的土壤持水量變動(dòng)范圍分別在37.50%～45.27%，33.84%～47.05%和40.03%～55.21%之間，均隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，2017年較2012年分別提高了18.85%，36.94%，32.78%；幼齡林的土壤毛管孔隙度在50.84%～51.14%內(nèi)上下波動(dòng)，中齡林和近熟林的土壤毛管孔隙度變動(dòng)范圍分別在46.51%～53.96% 和51.89%～57.33%之間，隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，2017年較2012年分別提高了0.59%，11.57%和8.58%；幼齡林和近熟林的土壤容重變動(dòng)范圍分別在1.11～1.37 g/cm3和1.03～1.30 g/cm3之間，均隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，2017年較2012年分別減少了16.06%和18.46%，而且幼齡林土壤松緊度從緊密變成適度，近熟林從稍緊變成疏松，中齡林的土壤容重變動(dòng)范圍在1.13～1.39 g/cm3之間，隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減少，2017年較2012年減少了18.71%，而且土壤松緊度從緊密變成疏松；說(shuō)明林分經(jīng)過(guò)間伐補(bǔ)植后，土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善。方差分析表明， 幼、中、近熟林的土壤持水量、土壤毛管孔隙度與土壤容重這3個(gè)土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)存在顯著差異（P＜0.05）。

3.3 不同齡組空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)聯(lián)分析

圖1 不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamic changes of stand spatial structure in different age groups

由表2可知，幼齡林中，空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榻浅叨龋?.750 5）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.728 4）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.621 0）＞全混交度（0.535 6），與土壤毛管孔隙度關(guān)聯(lián)度排序?yàn)殚_(kāi)闊比數(shù)（0.615 1）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.513 5）＞全混交度（0.499 5）＞角尺度（0.487 7），與土壤容重關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榻浅叨龋?.747 4）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.733 7）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.603 5）＞全混交度（0.538 1）；中齡林中，空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榱謱又笖?shù)（0.768 3）＞全混交度（0.518 3）＞角尺度（0.511 3）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.510 0）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.487 7），與土壤毛管孔隙度排序?yàn)榻浅叨龋?.776 2）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.776 1）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.557 3）＞林層指數(shù)（0.544 6）＞全混交度（0.500 3），與土壤容重排序?yàn)榻浅叨龋?.645 0）＞林層指數(shù)（0.638 0）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.637 4）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.529 6）＞全混交度（0.506 6）；近熟林中，空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)槿旖欢龋?.809 6）＞林層指數(shù)（0.807 9）＞角尺度（0.517 6）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.492 9）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.477 7），與土壤毛管孔隙度排序?yàn)榻浅叨龋?.845 6）＞全混交度（0.732 0）＞林層指數(shù)（0.674 7）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.616 4）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.588 6），與土壤容重排序?yàn)槿旖欢龋?.823 0）＞林層指數(shù)（0.789 0）＞角尺度（0.628 5）＞開(kāi)闊比數(shù)（0.529 0）＞競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（0.526 7）?？梢钥闯觯寄玖值牟煌L(zhǎng)發(fā)育階段，空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)關(guān)聯(lián)序存在差異?？傮w而言，對(duì)幼齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是角尺度跟開(kāi)闊比數(shù)，對(duì)中齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是角尺度跟林層指數(shù)，對(duì)近熟林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是全混交度跟角尺度。

圖2 不同齡組土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of soil water conservation function in different age groups

表2 土壤水源涵養(yǎng)功能與空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度及其排序Table 2 The correlativity and sort of soil water conservation function and spatial structure

4 結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)間伐補(bǔ)植，不同齡組杉木林的混交度和林層指數(shù)顯著提高，林木水平分布格局更趨向于均勻分布的隨機(jī)分布，林分的透光條件變差，幼、中齡林林木競(jìng)爭(zhēng)降低，而近熟林林木競(jìng)爭(zhēng)加劇，這主要是由于幼、中齡林進(jìn)行了撫育間伐，并在樣地的空曠地帶補(bǔ)植了鄉(xiāng)土樹(shù)種，使得林木分布更加均勻，樹(shù)種多樣性提高，下層林木數(shù)量增加，再加上林木生長(zhǎng)發(fā)育，因此林分郁閉度逐漸增大，透光條件變差，而近熟林未進(jìn)行撫育間伐直接補(bǔ)植，造成補(bǔ)植后近熟林中林木間競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈；幼、中、近熟林的土壤持水量分別增加了18.85%，36.94%，32.78%，土壤毛管孔隙度分別增加了0.59%，11.57%，8.58%，土壤容重分別減少了16.06%，18.71%，18.46%，這主要是由于杉木林改造后，林木分布更加均勻，混交度的增加，有利于根系和微生物活動(dòng)，使土壤通透性和土壤養(yǎng)分增加，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)。

對(duì)幼齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是角尺度跟開(kāi)闊比數(shù)，這可能是因?yàn)榱址稚形从糸]，水平空間未充分利用，比較開(kāi)闊，樹(shù)冠層稀疏，林分進(jìn)行間伐補(bǔ)植后，一方面林木分布均勻化，使林木對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收更為合理，土壤微生物活動(dòng)更劇烈，使土壤通透性增加，另一方面促進(jìn)林木枝葉生長(zhǎng)，使林分開(kāi)闊程度下降，林地內(nèi)枯枝落葉相對(duì)增加，影響土壤養(yǎng)分，從而有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善[10-11]；對(duì)中齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是角尺度跟林層指數(shù)，這可能是因?yàn)榱址钟糸]，樹(shù)冠層較茂密，林分進(jìn)行間伐補(bǔ)植后，一方面林木分布均勻化，影響枯落物及光斑分布，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，另一方面大大增加了林層指數(shù)，充分利用了林分的垂直空間，使林木垂直方向上樹(shù)冠重疊交錯(cuò)，林地內(nèi)易形成較多的枯枝落葉，增加土壤的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)影響林下光照、溫度及濕度，土壤微生物活動(dòng)更劇烈[12]；對(duì)近熟林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是全混交度跟角尺度，這可能是因?yàn)榱址纸?jīng)過(guò)補(bǔ)植紅豆杉后，林分的枯枝落葉含量增加，有利于土壤養(yǎng)分積累，進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)；與樊丙玉[5]的研究結(jié)果相似。在實(shí)際經(jīng)營(yíng)中，為提高土壤水源涵養(yǎng)功能，應(yīng)隨著林木的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)整不同的林分空間結(jié)構(gòu)因子。

本研究在探索杉木林不同齡組空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系時(shí)，由于研究樣本數(shù)量有限，以后可擴(kuò)大樣本數(shù)量，建立土壤水源涵養(yǎng)功能與林分空間結(jié)構(gòu)因子之間的關(guān)系模型，為進(jìn)一步探明林分空間結(jié)構(gòu)影響土壤水源涵養(yǎng)功能的機(jī)理提供科學(xué)的依據(jù)。