杉木閩粵栲異齡復層混交林涵養(yǎng)水源功能

黃健韜

(福建省南平市林業(yè)局，福建 南平 353000)

近年來，我國加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，新建了高速公路及快速鐵路，為保護這些基礎(chǔ)設(shè)施，將其周邊劃為重點生態(tài)區(qū)位，原先的商品用材林被劃為生態(tài)林，這部分商品林大多為馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(CunninghamialanceolataLamb.)純林，林分樹種單一，結(jié)構(gòu)簡單，針葉化程度高，生物多樣性簡單，植被覆蓋度低，土壤板結(jié)，地力衰退，保水固土能力下降，森林生態(tài)功能不強，森林質(zhì)量整體情況欠佳，抵御有害生物的能力較差，從而造成自然災害頻發(fā)[1-2]。為踐行綠水青山就是金山銀山的綠色發(fā)展理念，國家加大力度對重點生態(tài)區(qū)位的林分進行改造提升，在這些針葉純林的生境引入閩粵栲(CastanopsisfissaRehder E.H.Wilson)等闊葉樹種，營建異齡復層混交林，補強林分結(jié)構(gòu)，構(gòu)建樹種多樣、結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、長期穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)[3-4]。為揭示杉木閩粵栲異齡復層混交林涵養(yǎng)水源功能，2017年在福建沙縣開展杉木閩粵栲異齡復層混交林涵養(yǎng)水源功能研究，以期從林分生態(tài)功能角度，為南方重點生態(tài)區(qū)位的針葉純林定向改造精準提升，以及建立高效、經(jīng)濟的生態(tài)復合林重建技術(shù)的營林手段提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗林分位于福建省三明市沙縣(北緯26°15′—26°52′、東經(jīng)117°50′—118°40′)高砂林場，海拔420～560 m，年均氣溫19.3 ℃，年無霜期268 d，年均降水量1663.9 mm。林分為重點生態(tài)區(qū)位的閩粵栲杉木異齡復層林，面積57.3 hm2，試驗地坡度19°～30°，土壤為黃紅壤，土層厚63～90 cm，Ⅱ類立地類型，林下植被為山胡椒(Linderaglauca)、毛冬青(Ilexpubescens)、地楊梅(Luzulacampestris)、芒萁(Dicanopterisdichotoma)、地菍(Melastomadodecandrum)、野桂花(Osmanthusyunnanensis)、鐵絲草(Ophiopogonchingii)等[5]。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

設(shè)4個水平，杉木保留密度：450株·hm-2(以CL1表示)、600株·hm-2(以CL2表示)、750株·hm-2(以CL3表示)、900株·hm-2(以CL4表示)。于2006年5月，在預定的杉木試驗林建立試驗區(qū)，各試驗區(qū)分別設(shè)立20 m×20 m標準地各3個，共12個標準地。同年6月采用疏伐方法[6]按試驗設(shè)計進行間伐，于間伐前、后分別開展標準地的每木調(diào)查。并于伐后及時清理林地，采集0～20、20～40、40～60 cm土層的原狀土樣，重復3次。對采回的土樣進行土壤物理性質(zhì)分析，分析調(diào)查的各項數(shù)值以CK1表示。同年11月，于林分空隙處挖穴，穴規(guī)格為50 cm×30 cm×40 cm，選用1年生Ⅱ級以上閩粵栲實生苗[7]，于翌年春栽植，栽植密度1200株·hm-2，前3 a及時做好撫育工作。選擇與試驗林相似的杉木林分，設(shè)立3塊20 m×20 m標準地作為對照，無任何干預措施，以CK2表示。表1為試驗林分現(xiàn)狀。

表1 試驗林分基本情況

*：表中數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值，下同。

2.2 方法

于2017年9月下旬，對標準地進行每木調(diào)查，測出各樹種的胸徑、樹高、枝下高、冠幅等數(shù)值，同時測定相應林分不同層次的持水量及土壤抗蝕性能。比對各閩粵栲杉木異齡復層林的保水固土性能參數(shù)與栽植前和杉木純林的差異分析。

2.2.1 土壤分析 分別于2006年9月、2017年9月，在各處理林分及對照林分的樣地上，以“S”型選擇5個土壤取樣點，用環(huán)刀和飯盒采集原狀土，分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤樣本，每個土壤樣本為1 kg，3次重復。于室內(nèi)分析測定采回土樣的物理性質(zhì)。采用DS-100型土壤團聚體分析儀測定土壤團粒結(jié)構(gòu)；采用土壤水分測定儀測定土壤含水量；采用STS-55土壤滲透儀測定土壤滲透速率。

土壤最大持水量(t·hm-2)=10000×土壤總孔隙度×土層厚度

(1)

非毛管持水量(t·hm-2)=10000×土壤非毛管孔隙度×土層厚度

(2)

(3)

2.2.2 樹冠持水性能分析 選取3株樹高、胸徑值與標準地相應平均值相當(誤差≤±5%)的樣樹，測定樣樹的胸徑(地徑)、樹高與冠幅等數(shù)值，采用分層切割法，按1 m分段，分別測定其皮、干、枝、葉的鮮重，以基部、中部、頂端各截取1圓盤，測定含水量；隨機取樣品的30%烘干，測定干重，算出含水量[8-9]。另隨機取樣品的20%于水中浸漬24 h，測定持水率和持水量。3次重復。持水率(%)=水分含量/干質(zhì)量×100%，持水量(t·hm-2)=持水率×生物量(t·hm-2)。

2.2.3 植被與凋落物持水性能 對樣地的植被種類與數(shù)量進行詳查，測定鮮重。調(diào)查凋落物現(xiàn)存量用“樣方收獲法”，即在標準地的對角線上設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方，收取凋落物，按腐殖質(zhì)層(H)、半分解層(F)、未分解層(L)于室內(nèi)分別稱取重量。分別隨機取凋落物和植被樣本的20%，于水中浸漬24 h，測算出它們的持水率和持水量[10-12]。3次重復。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

對上述各方法取得的數(shù)據(jù)，采用Excel 2007進行分析處理，采用SPSS 17.0軟件分析各處理林分與對照林分間在持水性能、土壤的物理性質(zhì)、土壤的滲透與抗蝕性能上的差異性。

3 結(jié)果分析

3.1 林分地上部分持水性能分析

由表2可得，各處理林分林冠持水量和持水率與對照純林差異顯著。各處理林分林冠的持水量分別為8.28、8.92、8.55、8.74 t·hm-2，與對照杉木林相比，其林冠的持水量提高13.58%以上，以CL2的持水量最好。

由表3可得，各處理林分凋落物層和植被層的持水性能與杉木純林的差異顯著。各處理林分凋落物層的持水量分別為22.185、26.976、25.873、26.127 t·hm-2，比對照(9.537 t·hm-2)提高了122.13%以上，其植被層的持水量分別為1.463、1.359、1.292、1.155 t·hm-2，比對照(0.828 t·hm-2)提高39.49%以上。

綜上分析，各處理林分的凋落物、植被和林冠的持水性能與對照林分間有顯著差異。表明各處理林分凋落物、植被和林冠等各層次蓄水持水性能強于杉木純林，能有效截留降雨，減弱雨水對林地的沖擊，提高林分蓄水持水功能。

表2 各處理林分林冠持水性能分析

*：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，n=3；同列不同字母為差異顯著(P<0.05)，CK2為對照的杉木林，下同。

3.2 主要土壤物理性質(zhì)分析

林分涵養(yǎng)水源功能大小取決于土壤的主要物理性質(zhì)，各林分土壤主要物理性質(zhì)見表4、表5。從表4、表5可知，同一土層的土壤密度、土壤結(jié)構(gòu)體破壞率、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與對照間有顯著差異。與栽植前、對照的杉木純林相比，各處理林分0～20 cm土層，土壤密度分別下降8.86%、7.78%以上，土壤結(jié)構(gòu)體破壞率分別下降15.12%、11.30%以上，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量分別提高12.55%、9.38%以上，20～40 cm土層也有相同趨勢，只是變化幅度小些。

表3 各林分凋落物與植被的持水性能分析

通氣狀況和保水能力的重要指標是土壤孔隙狀況，從表4、表5可知，各處理林分相同土層的非毛管孔隙度、毛管孔隙度與對照間差異顯著。與栽植前、對照的杉木純林相比，各處理土壤的各土層的非毛管孔隙度、毛管隙孔度、總孔隙度均得以提高。0～20 cm土層，非毛管孔隙度分別提高14.87%、10.76%以上，毛管孔隙度分別提高15.32%、11.68%以上，總孔隙度分別提高15.25%、11.53%以上，20～40 cm土層的孔隙狀況各項指標均有提升，不過提升幅度相對小些。不同處理的林分土壤孔隙狀況各項指標提升幅度不同，以CL2為最好。

綜上分析表明，杉木林中引入閩粵栲后，土壤的壘結(jié)狀況發(fā)生變化，土壤結(jié)構(gòu)得到改善和提高，土壤物理性質(zhì)的主要指標趨好，土壤密度與>0.25mm團聚體含量下降，非毛管孔隙度與毛管孔隙度提高，土壤結(jié)構(gòu)趨于合理，土壤疏松透氣，有利于水分的滲透。

表4 各林分0～20 cm土壤的主要物理性質(zhì)分析

表5 各林分20～40 cm土壤的主要物理性質(zhì)分析

*：CK1為栽植閩粵栲的杉木林，CK2為對照的杉木林，表中D值為干篩數(shù)值，括號內(nèi)為濕篩數(shù)值，下同。

3.3 土壤持水量分析

林分持水量大小取決于土壤的持水量大小。從表6可知，杉木林分引入閩粵栲后，改善了土壤孔隙狀況，提升了持水性能。與引入閩粵栲前土壤相比，0～20 cm土層，各處理林分的田間持水量、自然含水量、最大持水量分別提高19.56%、21.70%、23.04%以上，與對照的杉木純林土壤相比則分別提高9.52%、10.27%、14.47%以上，20～40 cm土層亦表現(xiàn)出相同趨勢，只不過是提升幅度小些。顯著性分析表明，各復層林土壤的田間持水量、自然含水量和最大持水量分別與引入閩粵栲前的林分、對照林分間有顯著差異，以CL2最好。表明杉木林分引入閩粵栲可改變土壤的孔隙狀況，改善和提升了持水性能，異齡復層混交林表現(xiàn)出良好的持水蓄水性能，地表徑流減少，林分涵養(yǎng)水源功能提升。

表6 各林分土壤持水參數(shù)

3.4 林分的持水性能分析

從表7可知，各處理林分土壤持水量、林分總持水量高于杉木純林(CK2)。顯著性分析結(jié)果表明，在土壤持水量、地上部分持水量(植被層、林冠層和凋落物層)、林分總持水量上，各處理林分與對照間均存在顯著差異。各處理林分總持水量分別為1705.221、1869.230、1838.062、1809.262 t·hm-2，與對照杉木純林相比，增加218.312 t·hm-2以上，提高了14.68%以上，其中CL2總持水量增加382.321 t·hm-2，提高25.71%。表明在杉木純林中引入閩粵栲，使得林分結(jié)構(gòu)趨于合理，土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，土壤孔隙狀況等持水性能得到提升，從而提高林分地上部分和土壤的水源涵養(yǎng)量，進而提升林分涵養(yǎng)水源功能。作為對照的杉木純林由于其林分結(jié)構(gòu)簡單、土壤結(jié)構(gòu)不合理，使得林分貯水性能弱，水源涵養(yǎng)功能差。

表7 不同林分各層的持水量與總持水量 t·hm-2

3.5 土壤滲透能力分析

從表8可知，各處理林分地表徑流系數(shù)與對照的杉木林相比均有大幅下降，降幅達10.34%以上，初滲速度、穩(wěn)滲速度均大于對照的杉木林，初滲速度增加13.29%以上，穩(wěn)滲速度增加14.16%以上，其中CL2初滲速度、穩(wěn)滲速度增加了23.02%、38.19%。經(jīng)顯著性分析，各處理林分的穩(wěn)滲速度、初滲速度和地表徑流系數(shù)與杉木純林間均存在顯著差異。表明異齡復層混交林林分結(jié)構(gòu)復雜、層次多，枯枝落葉量大，形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，地表徑流小，土壤滲透性能強。

3.6 土壤抗蝕能力分析

林分抗蝕能力的大小主要取決于土壤的結(jié)構(gòu)體破壞率和D>0.25 mm團聚體含量。從表4、表5可知，與對照相比，各處理林分對應土層的結(jié)構(gòu)體破壞率大幅減小，而D>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量則大幅提高。從表8可知，與杉木純林相比，同一降水條件對各處理林分土壤侵蝕量大幅減小，顯著性分析表明，同一降水量，降水對各異齡復層混交林林地的侵蝕量與對照杉木純林的侵蝕量之間差異顯著，以CL2為最好。表明在杉木林分引入閩粵栲，可大幅提升林分土壤抗蝕性能。

表8 不同林分土壤滲透參數(shù)與抗蝕參數(shù)分析

4 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明，杉木純林間伐后，在林分間隙栽植閩粵栲，形成異齡復層混交林，可顯著改善土壤的物理性質(zhì)，提高林分的涵養(yǎng)水源功能，尤其以杉木保留600株·hm-2，閩粵栲栽植1200株·hm-2的模式最佳。此異齡復層混交林與栽植前、杉木純林相比，CL2林分土壤的0～20 cm土層，土壤密度分別下降13.45%、12.43%，土壤結(jié)構(gòu)體破壞率分別下降20.04%、16.44%，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量分別提高19.15%、15.80%，非毛管孔隙度分別提高24.97%、20.49%，毛管孔隙度分別提高18.25%、14.51%，總孔隙度分別提高19.28%、15.43%。20～40 cm土層土壤的上述各項指標均表現(xiàn)出相同變化規(guī)律。與對照杉木純林相比，林分總持水量增加了，CL2總持水量增加了382.321 t·hm-2，提高25.71%；初滲速度增加23.02%，穩(wěn)滲速度增加38.19%，地表徑流系數(shù)降幅達27.59%，CL2林分表現(xiàn)較強的保水固土性能。因此，生產(chǎn)上推廣建立杉木與閩粵栲異齡復層混交林時，可采用杉木保留600株·hm-2，閩粵栲栽植1200株·hm-2的模式。

通過疏伐杉木純林降低林分密度，栽植閩粵栲，建立杉木閩粵栲異齡復層混交林，林分樹種增加，形成層次多或冠層厚的林分結(jié)構(gòu)，林分植被的種類和數(shù)量增加，改善了林內(nèi)小氣候[13-15]。凋落物量多且分解快，腐殖質(zhì)增多，提高了土壤肥力，同時土壤的疏松度和通氣性增強，形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，土壤密度變小、孔隙度增加，提高了滲透速度，地表徑流量減小，土壤持水性能提升，林分持水量增大，另外，根系分布范圍增大，產(chǎn)生有機膠結(jié)物增多，使得土壤抗蝕能力增強，混交林表現(xiàn)出穩(wěn)定性較強，防護效能較好，提升了土壤保水、保肥能力[16]。因此，在杉木純林中栽植閩粵栲等適宜的闊葉樹種，建立針闊復層混交林可提升林分涵養(yǎng)水源性能。

林分結(jié)構(gòu)是林分特征的重要內(nèi)容，對現(xiàn)有杉木生境引入閩粵栲，樹種搭配合理，形成層次多或冠層厚的林分結(jié)構(gòu)，營建起異齡復層混交林，重建森林生態(tài)系統(tǒng)，混交林具有較高的生態(tài)功能，增強了林分的抗性，補強純林地力衰退、水土流失嚴重等生態(tài)功能脆弱這些短板，提升林分涵養(yǎng)水源的功能[17-20]，踐行了綠水青山就是金山銀山的綠色發(fā)展理念，生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益顯著，條件適宜的地區(qū)可借鑒。