套種闊葉樹(shù)對(duì)水土流失區(qū)馬尾松林分質(zhì)量提升效果分析
——以福建長(zhǎng)汀為例

王益和

(福建省龍巖市林業(yè)科學(xué)研究所,福建 龍巖 364000)

長(zhǎng)汀水土流失區(qū)是我國(guó)南方紅壤區(qū)中水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū),其流失面積之廣、程度之重、危害之大居南方各省之首[1-2]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的治理,水土流失區(qū)已基本覆綠,達(dá)到初步治理的效果[3-5],然而目前水土保持林以馬尾松林為主,林分結(jié)構(gòu)單一、防火防病蟲(chóng)害能力差、水源涵養(yǎng)能力低、土壤質(zhì)量差等生態(tài)脆弱問(wèn)題[6-7]。因此,如提升水土保持林的林分質(zhì)量,成為長(zhǎng)汀水土流失區(qū)治理的工作重點(diǎn)。近年來(lái)的研究表明,對(duì)馬尾松林分進(jìn)行施肥、間伐、套種闊葉樹(shù)等改造措施,可以有效提高林分的生物量、物種多樣性,增加土壤保水能力,改善土壤養(yǎng)分等林分質(zhì)量[8-11]。本文通過(guò)在馬尾松林下套種無(wú)患子、楓香、木荷、閩粵栲等闊葉樹(shù)的方法,探索促進(jìn)水土流失區(qū)馬尾松林分質(zhì)量提升的合適途徑,為進(jìn)一步解決長(zhǎng)汀水土流失生態(tài)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn),地理位置為北緯25°35′-25°46′,東經(jīng)116°16′-116°30′,海拔300～500m。該區(qū)氣候溫和,雨量充沛,年均氣溫17～19.5℃,歷史上最高氣溫39.8℃,最低氣溫-4.9℃,年無(wú)霜期265d,年降雨量1 700mm。水、光、氣、熱配備良好,具有自然條件優(yōu)勢(shì),適宜各種亞熱帶、溫帶植物生長(zhǎng)[12-13]。土壤以花崗巖、片麻巖、花崗斑巖等母巖形成的紅壤為主,含砂量大,肥力較低。試驗(yàn)地原有植被為飛播造林的馬尾松小老頭林,地面植被以芒萁為主[14]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2012年春季,在長(zhǎng)汀水土流失初步治理區(qū),選擇郁閉度0.6～0.8,中下坡位、立地條件基本一致的馬尾松林分,開(kāi)展闊葉樹(shù)種套種試驗(yàn)。選擇4種闊葉樹(shù)(A1,無(wú)患子；A2,楓香；A3,木荷；A4,閩粵栲),并設(shè)置馬尾松純林為CK對(duì)照,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共15個(gè)試驗(yàn)處理。試驗(yàn)地樣方面積為20m×20m,根據(jù)林分郁閉度情況,每塊樣方內(nèi)種植30～50株闊葉樹(shù)。

套種的闊葉樹(shù)規(guī)格:無(wú)患子米徑約為8cm的大苗,楓香、木荷和閩粵栲為3a生大苗(米徑1.5～2cm)。套種采取塊狀整地的方式,即在種植穴周圍2m2以內(nèi)進(jìn)行整地,按100cm×80cm×80cm的規(guī)格,挖種植穴,每穴施鈣鎂磷500g做為基肥,回表土。每年3—4月份結(jié)合擴(kuò)穴培土進(jìn)行施肥,每穴施尿素及復(fù)合肥各500g作為追肥。

2.2 調(diào)查方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

于2018年11月底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查,每個(gè)處理設(shè)置400m2(20m×20m)標(biāo)準(zhǔn)地,進(jìn)行林分生長(zhǎng)、植被多樣性、土壤理化性質(zhì)調(diào)查。

2.2.2喬木層物種多樣性調(diào)查

將每個(gè)400m2(20m×20m)的大樣方劃分成 4個(gè)100m2(10m×10m)的中樣方。以樹(shù)高4m 以上作為喬木層的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行每木檢尺調(diào)查,記錄其種名、胸徑、樹(shù)高、枝下高、冠幅、分枝角等指標(biāo)。

2.2.3灌木層 草本層物種多樣性調(diào)查及計(jì)算

在每個(gè)中樣方(10m×10m)左上角設(shè)置 1 個(gè) 25m2(5m×5m)的小樣方。在小樣方內(nèi)調(diào)查灌木層和草本層各植物的種名、株數(shù)或從數(shù)、高度、覆蓋度等數(shù)據(jù),包括喬木的幼苗幼樹(shù)及藤本植物[15]。

植物物種多樣性計(jì)算:

1) 植被物種多樣性

Ni=(相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度)/3

2) 物種豐富度指數(shù)

M=(S-1)/lnN

3) 多樣性指數(shù)

式中:S為樣地中物種總數(shù)目；N為樣地中所有物種重要值之和；Ni為第i個(gè)物種的重要值；Pi為第i個(gè)物種的相對(duì)重要值,Pi=Ni/N。

2.2.4土壤層持水量測(cè)定

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地按S 型設(shè)置5 個(gè)取樣點(diǎn),通過(guò)挖掘土壤剖面進(jìn)行取樣,取樣時(shí)分為土壤層1(0～20 cm) 和土壤層2(20～40 cm) 收集樣品,樣品帶回試驗(yàn)室測(cè)定土壤最大含水率、土壤密度、比重和土壤孔隙度,分別計(jì)算土壤層1及土壤層2 的持水量。

計(jì)算公式為:W=100×H×QV×d

式中:W為土壤層持水量(t/hm2),H為土層厚度(cm),QV為土壤最大持水率(%),d為水的比重(g/cm3)。

2.2.5土壤各元素調(diào)查

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地分布狀況,采用“S”形布點(diǎn)采樣。采樣時(shí)要求每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度及采樣量應(yīng)均勻一致,土樣上層與下層的比例要相同。取樣器應(yīng)垂直于地面入土,深度相同[16]。

1) 樣品量。每個(gè)樣點(diǎn)采集0～40 cm土層的混合土樣(全土)以取土0.5kg左右為宜?？捎盟姆址▽⒍嘤嗟耐寥罈壢?。方法是將采集的土壤樣品放在盤(pán)子里或塑料布上,弄碎、混勻,鋪成正方形,劃對(duì)角線將土樣分成4份,把對(duì)角的2份分別合并成1份,保留1份,棄去1份。如果所得的樣品依然很多,可再用四分法處理,直至所需數(shù)量為止。

2) 樣品標(biāo)記。采集的樣品放入樣品袋,用鉛筆寫(xiě)好標(biāo)簽,內(nèi)外各1張。采集的土壤樣品,測(cè)定土壤速效養(yǎng)分含量,包括土壤水解N、速效K、有效P、全N、全P、全K和有機(jī)質(zhì)等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel分析軟進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性分析和制圖； 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,包括單因素分析、LSD多重比較、方差分析等,應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同套種模式對(duì)林分生長(zhǎng)的影響

3.1.1馬尾松林生長(zhǎng)比較

由圖1可知,不同套種模式的馬尾松胸徑、樹(shù)高、冠幅、枝下枝各不相同,其中樹(shù)高和枝下高的差異達(dá)到極顯著水平；而胸徑和冠幅雖有所差異,但不顯著。各套種模式的馬尾松樹(shù)高從大到小排序?yàn)闊o(wú)患子模式>木荷模式>楓香模式>閩粵栲模式>馬尾松純林,其中無(wú)患子模式的馬尾松平均樹(shù)高達(dá)14.5m,與其他模式差異極顯著；枝下高從大到小的排序?yàn)闊o(wú)患子模式>木荷模式>閩粵栲模式>楓香模式>馬尾松純林,其中木荷模式和無(wú)

注：不同大、小字母分別表示差異達(dá)1%和5%顯著水平。

患子模式的馬尾松枝下高分別為9.57m和9.5m,兩者差異不顯著,但與其他3個(gè)處理的差異達(dá)到極顯著水平；胸徑從大到小排序?yàn)闊o(wú)患子模式>木荷模式>閩粵栲模式>馬尾松純林>楓香模式；冠幅從大到小排序?yàn)闊o(wú)患子模式>楓香模式>馬尾松純林>木荷模式>閩粵栲模式。馬尾松冠幅與林分郁閉度關(guān)系密切,其中木荷模式和閩粵栲模式的馬尾松密度明顯大于其他模式,這應(yīng)該是造成這2種模式冠幅較小的主要原因。

調(diào)查了不同模式馬尾松分枝角的情況(表1),結(jié)果表明，不同套種模式的馬尾松分枝角有極顯著的差異,分枝角從大到小的排序?yàn)闊o(wú)患子模式>馬尾松純林>楓香模式>閩粵栲模式>木荷模式。

表1 不同套種模式對(duì)馬尾松分枝角的影響

3.1.2闊葉樹(shù)生長(zhǎng)比較

不同套種模式下闊葉樹(shù)生長(zhǎng)情況如表2所示。不同模式對(duì)闊葉樹(shù)胸徑、冠幅、枝下高和分枝角均有顯著影響,對(duì)樹(shù)高的影響達(dá)到極顯著水平。各闊葉樹(shù)胸徑從大到小排序?yàn)闊o(wú)患子>木荷>楓香>閩粵栲；樹(shù)高從大到小排序?yàn)槟竞?無(wú)患子>楓香>閩粵栲；冠幅從大到小排序?yàn)榛甲?木荷>楓香>閩粵栲；枝下高從大到小排序?yàn)槟竞?患子>楓香>閩粵栲；分枝角從大到小排序?yàn)槟竞?楓香>無(wú)患子>閩粵栲。樹(shù)高和胸徑是林木生長(zhǎng)情況的代表指標(biāo)。綜合2個(gè)指標(biāo)來(lái)看,木荷套種6年后,其平均胸徑為6.9cm,平均樹(shù)高達(dá)7.4m,整體長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于試驗(yàn)中的其他3種闊葉樹(shù)種。

3.2 不同套種模式對(duì)林分植被多樣性的影響

3.2.1林下植物物種組成

1) 灌木層。不同套種模式中林下灌木層物種共有34種(表3),石斑木為各套種模式灌木層的優(yōu)勢(shì)種,其次為小葉石楠,胡枝子等。套種無(wú)患子的林分中,灌木層物種最豐富,共有19個(gè)種,分屬15個(gè)科18個(gè)屬；套種木荷的林分中,灌木層的物種最少,僅有8個(gè)種,分屬于6個(gè)科8個(gè)屬。CK對(duì)照灌木層僅有3個(gè)物種,與之相比,馬尾松林中套種闊葉樹(shù)之后,灌木層的物種多樣性明顯提高。

2) 草本層。不同套種模式中林下草本層物種共有13種(表3),芒萁為各套種模式灌木層的優(yōu)勢(shì)種,其次為斑茅、黑莎草等。套種無(wú)患子的林分中,草本層物種最豐富,共有12個(gè)種,分屬11個(gè)科12個(gè)屬；套種楓香、木荷、閩粵栲及CK對(duì)照的林分中,草本層的物種都為4個(gè)種。

表2 不同套種模式對(duì)闊葉樹(shù)生長(zhǎng)的影響

表3 不同套種模式林下植被物種組成

3) 植被蓋度。馬尾松林中套種闊葉樹(shù)之后,其草本層的蓋度明顯提高了,套種無(wú)患子、楓香、木荷的林分中,草本層蓋度均達(dá)到70%以上,套種閩粵栲的林分草本層蓋度也達(dá)到55.4%,而CK對(duì)照的蓋度僅有43.1%。灌木層的蓋度,以套種楓香的最高為27.0%；木荷的最低僅為3.3%；而CK對(duì)照的也有6.1%。

3.2.2林下植被多樣性

從灌木層生物多樣性來(lái)看,各套種模式的Shannon-Wienner指數(shù)和豐富度指數(shù)均比CK對(duì)照有不同程度地明顯提高(表4),Shannon-Wienner指數(shù)排序是無(wú)患子>閩粵栲>木荷>楓香；豐富度指數(shù)的排序?yàn)闊o(wú)患子>閩粵栲>楓香>木荷。從草本層生物多樣性來(lái)看,套種闊葉樹(shù)對(duì)馬尾松林下草本層的影響較小,除套種無(wú)患子的林下草本層的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)有較大程度的提高,其他套種模式并沒(méi)有明顯的提高,其中套種木荷的林分,Shannon-Wienner指數(shù)甚至比CK對(duì)照還要低?？偟脕?lái)看,馬尾松林下套種闊葉樹(shù)對(duì)提高林分灌木層的物種多樣性和豐富度都有明顯的促進(jìn)作用,而對(duì)草本層的影響則明顯較弱。綜合來(lái)看,套種無(wú)患子對(duì)提高林分的物種多樣性具有較大的促進(jìn)作用。

表4 不同套種模式林下植被多樣性指數(shù)

3.3 不同套種模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.3.1土壤理化性質(zhì)

不同套種模式馬尾松林分土壤物理性質(zhì)如表5所示。0～20cm和20～40cm土層中,各套種模式的土壤的H2O-均小于馬尾松純林的對(duì)照；密度、比重、孔隙度等指標(biāo)與對(duì)照相比,差別不明顯。進(jìn)一步對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行方差分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同處理之間的差異不顯著。由此可見(jiàn),套種闊葉樹(shù)尚未對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響,改善土壤理化性質(zhì)不明顯,這可能與套種時(shí)間還比較短有關(guān)系。

表5 不同套種模式馬尾松林土壤物理性質(zhì)

3.3.2土壤養(yǎng)分

不同套種模式馬尾松林土壤養(yǎng)分如表6所示:土壤pH值最高的是套種楓香的模式為4.98,最低的是套種閩粵栲為4.32；套種楓香的水解N含量最高為21.68μg/g,是CK對(duì)照的1.9倍；速效K含量最高的是CK對(duì)照,為154.73 mg/kg,最低的是套種閩粵栲為28.792 mg/kg；套種楓香的全N含量最高為0.34g/kg,最低的是CK對(duì)照為0.18 g/kg；全P含量最高的為套種閩粵栲模式,達(dá)108.83μg/g,最低的為套種無(wú)患子模式,僅73.57μg/g；全K含量最高的是套種無(wú)患子模式,達(dá)5.09%,最低的為CK對(duì)照,僅0.81%；有機(jī)質(zhì)含量最高的為套種楓香模式,達(dá)到8.11 g/kg,最低的是CK對(duì)照,僅有4.99 g/kg。

表6 不同套種模式的馬尾松林土壤養(yǎng)分

將表6中各指標(biāo)的數(shù)據(jù),進(jìn)一步進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表7所示。不同套種模式對(duì)土壤pH值的影響顯著,對(duì)土壤全P、全K 2個(gè)指標(biāo)的影響達(dá)到極顯著水平,但對(duì)水解N、速效K、全N和有機(jī)質(zhì)的影響不顯著。進(jìn)一步LSD多重比較結(jié)果表明(表6),套種楓香模式的pH值最高為4.98,全P含量為105.7μg/g(略低于套種閩粵栲的108.83μg/g,但差異不顯著)；而全K含量最高的為套種無(wú)患子模式,高達(dá)5.09%。綜合對(duì)比各指標(biāo)顯示,套種閩葉樹(shù)可明顯改善林分土壤的養(yǎng)分,其中以套種楓香或木荷的模式效果最佳。

表7 不同套種模式馬尾松林土壤養(yǎng)分各指標(biāo)方差分析

4 結(jié)論

1)套種闊葉樹(shù)對(duì)馬尾松林分生長(zhǎng)量有明顯的影響,其中套種無(wú)患子的模式效果最佳,其樹(shù)高、胸徑、枝下高、冠幅分別達(dá)到9.5m，14.5cm，4.5m，4.3m,都與CK對(duì)照有顯著差異；而4種闊葉樹(shù)中,以木荷的長(zhǎng)勢(shì)最佳,其平均胸徑為6.9cm、平均樹(shù)高達(dá)7.4m。由此可見(jiàn),馬尾松林下套種闊葉樹(shù)對(duì)林分生長(zhǎng)量生長(zhǎng)有很大的促進(jìn)作用。

2)套種闊葉樹(shù)可有效提高林分的物種多樣性,尤其對(duì)林下灌木層的影響達(dá)到顯著水平,其中套種無(wú)患子模式的灌木層物種豐富度指數(shù)達(dá)3.91,明顯高于CK對(duì)照的0.43。

3)套種閩葉樹(shù)對(duì)土壤理化性質(zhì)影響不明顯,這可能是套種時(shí)間較短,土壤結(jié)構(gòu)變化不明顯；套種闊葉樹(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分改善明顯,其中以套種木荷或楓香的效果最佳。