毛竹生境引入格氏栲對林分涵養(yǎng)水源功能的影響

沈彩霞

(福建省三明莘口格氏栲自然保護區(qū)服務(wù)站 福建三明 365000)

在我國南方重點生態(tài)區(qū)位林中，有相當數(shù)量為毛竹(Phyllostachysheterocycle)林。近年來，竹農(nóng)為培育毛竹高效豐產(chǎn)林，紛紛伐去竹林中的闊葉樹種，以獲取最大經(jīng)濟效益[1-2]。大面積毛竹純林營建、高強度林地復墾及過度施用化肥與農(nóng)藥等林業(yè)作業(yè)，造成竹林結(jié)構(gòu)單一，抗逆性差，水土流失和病蟲為害加劇[3]，林分涵養(yǎng)水源功能下降[4]。為踐行綠水青山就是金山銀山的綠色發(fā)展理念，改善城鄉(xiāng)人居環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)人與自然和諧共生，迫切需要對生態(tài)區(qū)位中的毛竹純林進行改造，重塑林分結(jié)構(gòu)，恢復森林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和各種生態(tài)功能。因此，探索經(jīng)濟有效、操作性強的毛竹純林改造措施，精準提升生態(tài)區(qū)位中的毛竹林生態(tài)功能，筑牢重點生態(tài)區(qū)位的綠色屏障，是當前急需解決的課題。已有學者在杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)等純林生境中引入閩粵栲(Castanopsisfissa)等闊葉樹種，用以改善林分的土壤水肥條件和保水固土性能，均取得了較好的效果[5-7]。

格氏栲(Castanopsiskawakami)又名吊皮錐、青鉤栲，殼斗科錐屬常綠闊葉喬木，幼齡期較耐蔭，分布于我國福建、臺灣、廣東、江西和廣西等地，適生于海拔1 000 m以下的山地，是我國漸危樹種。格氏栲為重要用材樹種，其材質(zhì)致密，紋理粗擴，不收縮、不易爆裂、易于加工，是優(yōu)質(zhì)的家具和建筑用材，有重要的培育價值。

為揭示毛竹生境引入格氏栲后對林分涵養(yǎng)水源功能的影響，探索改善竹林結(jié)構(gòu)和營建竹闊復層混交林的新途徑[8]，2009年在福建省三明市三元區(qū)開展不同密度毛竹林引入格氏栲后的林分涵養(yǎng)水源功能變化研究，以期為重點生態(tài)區(qū)位的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)修復及林分質(zhì)量精準提升提供參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)于福建省三明市三元區(qū)莘口鎮(zhèn)樓源村(北緯26°05′—26°41′，東經(jīng)117°05′—118°06′)。該處自然資源豐富，植被茂密，森林覆蓋率達80%，地貌以丘陵、山地為主，海拔為210～1 510 m；為亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均溫度17.0～19.4 ℃，無霜期296 d，年均降水量1 600～1 800 mm，相對濕度82.6%。試驗區(qū)內(nèi)的毛竹純林為重點區(qū)位生態(tài)公益林，面積129.6 hm2，立竹量2 370～2 715株/hm2，郁閉度0.72，土壤為黃壤。林下灌木主要有：多花野牡丹(Melastomaaffine)、野牡丹(Melastomacandidum)、楊桐(Adinandramillettii)、柃木(Euryajaponica)、銹茅莓(Rubusreflexus)、南燭(Vacciniumbracteatum)、寒莓(Rubusbuergeri)、山胡椒(Linderaglauca)、毛冬青(Ilexpubescens)等，蓋度為8.2%。林下草本主要有：纖花耳草(Hedyotistenellifloa)、紫萼(Hostaventricosa)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、芒(Miscanthussinensis)、地菍(Melastomadodecandrum)、烏蕨(Stenolomachusanum)、闊葉箬竹(Indocalamuslatifolius)、翠云草(Selaginellauncinata)等[9]，蓋度為56.3%。

2 材料與方法

2.1 試驗林建立

2009年10月在試驗區(qū)的毛竹林中建立試驗林，采用機械均勻方式伐竹[10]，伐去老竹、病竹和弱竹，竹林密度控制為2 400、2 700、3 000、3 300和3 600株/hm2等5個水平，分別以CL1、CL2、CL3、CL4、CL5表示。伐后將竹梢、竹枝清理出竹林，于竹林中選擇空隙地挖穴，穴規(guī)格為50 cm × 30 cm × 30 cm。翌年3月初，選擇適宜天氣，在穴中栽植2年生格氏栲Ⅰ級容器苗，栽植密度均為900株/hm2[11]。

各竹林試驗區(qū)采用裂區(qū)設(shè)計排列，在每片試驗林中設(shè)3塊標準地，每塊面積為20 m × 20 m。栽植后前3 a，每年對栽植格氏栲的毛竹林進行劈草撫育，并伐去與新竹等量的老竹。選擇立地條件與試驗區(qū)相似的毛竹純林作為對照(CK)，并設(shè)立3塊大小為20 m × 20 m的標準地，每年進行劈草撫育并伐去與新竹等量的老竹以維持相對穩(wěn)定的竹林密度。試驗林基本情況見表1。

表1 試驗竹林概況Tab.1 General situation of experimental bamboo forests

2.2 主要測量儀器

DQL-12Z森林羅盤儀(上海隆拓儀器設(shè)備有限公司)；防水電子秤(深圳市恒志福科技有限公司)；DM200-Ⅳ型土壤團聚體分析儀(上海德碼信息技術(shù)有限公司)；TST-55土壤滲透儀(上海雷韻試驗儀器)；TDR350土壤水分測定儀(北京沃特蘭德科技有限公司)；電子分析天平[捷久計量衡器(上海)有限公司]；HD-E804-A電熱恒溫鼓風干燥箱(廈門海達精密儀器有限公司)；取土器、鋁盒、環(huán)刀(西安亞星儀器公司)。

2.3 調(diào)查方法

于2009年6月、2009年11月和2019年10月，在設(shè)立的標準地分別測定疏伐前后及栽植格氏栲10 a后竹林中毛竹的胸徑、樹高、冠幅、枝下高等指標，同時調(diào)查竹林植被層和凋落物的生物量、土壤物理性質(zhì)和涵養(yǎng)水源功能[12-15]。

2.3.1 土壤物理性質(zhì)分析

2009年11月和2019年10月，分別于各標準地和對照樣地，采用“S”型混合采樣法各選5個取樣點，每個取樣點按土層深度A層(0

2.3.2 植被和凋落物的生物量及持水量

于2009年11月和2019年10月，沿著標準地對角線分別設(shè)置5個灌木樣方，樣方大小為2 m × 2 m，并于每個灌木樣方四角設(shè)置草本樣方，樣方大小1 m × 1 m；詳細調(diào)查格氏栲栽植前及栽植10 a后林地植被的種類和數(shù)量；于標準地中以“S”路線設(shè)置5個大小為1 m × 1 m小樣方，測定栽植前及栽植10 a后凋落物生物量(樣方收獲法)，按L(未分解)、F(半分解)、H(腐殖質(zhì))層分層收集，帶回室內(nèi)分別測定其質(zhì)量[17-18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹純林改造前后土壤性質(zhì)變化

3.1.1 土壤結(jié)構(gòu)

由表2可知，毛竹純林栽植格氏栲10 a后，A土層與栽植前和毛竹純林相比，各處理林分的土壤密度均出現(xiàn)下降，幅度最低為8.09%和7.17%，以CL3、CL4、CL5處理最好；而>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量則明顯提高，較栽植前最低提高10.52%，較毛竹純林最低提高6.98%，以CL3、CL4、CL5處理最好。對照的毛竹純林歷經(jīng)10 a，土壤密度只下降2.03%，>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量只增加1.93%，變化幅度很小。各處理林分B土層的土壤密度和>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與A土層呈現(xiàn)相同變化趨勢，只是變化幅度較小。表明栽植格氏栲后可大幅度提高土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量，降低土壤密度，土壤物理性質(zhì)得到改善。

3.1.2 土壤結(jié)構(gòu)體破壞率

從表2可知，栽植格氏栲10 a后，各處理林分A土層的土壤結(jié)構(gòu)體破壞率與栽植前相比均大幅度下降，降幅最低為12.16%，以CL3、CL4、CL5處理降幅最大；10 a后毛竹純林的土壤結(jié)構(gòu)體破壞率只下降4.37%，降幅不大，B土層的土壤結(jié)構(gòu)體破壞率與A土層表現(xiàn)出相同趨勢。各處理林分的土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)于毛竹純林，表明栽植格氏栲后土壤團聚體的數(shù)量得到提高，土壤穩(wěn)定性增強，土壤結(jié)構(gòu)得到改良，土壤抗蝕性能得以增強。

表2 栽植格氏栲10 a后各處理林分土壤結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Tab.2 Main soil structure parameters of different treatments after planting C. kawakami for 10 years

3.1.3 土壤孔隙狀況

栽植格氏栲10 a后各處理林分土壤的孔隙狀況見表3。可知，各處理林分與栽植前和毛竹純林相比，其A土層的非毛管孔隙度與土壤總孔隙度明顯變大，非毛管隙、總孔隙度與栽植前和毛竹純林相比增幅最低分別為21.12%、10.32%和15.96%、7.40%，以CL3和CL4增幅最大。而毛竹純林A土層在歷經(jīng)10 a后，其非毛管孔隙度與總孔隙度只增加3.14%、2.72%。各林分的B土層土壤孔隙狀況與A土層也呈現(xiàn)相同變化趨勢，但增加幅度略小些。表明在毛竹林栽植格氏栲后，由于格氏栲根系在土壤中活動，使得土壤疏松、透氣，蓄水能力增強。

表3 栽植格氏栲10 a后各處理林分土壤孔隙狀況Tab.3 Soil porosity of different treatments after planting C. kawakami for 10 years

3.1.4 土壤水分狀況

表4為栽植格氏栲10 a后各處理林分土壤水分狀況?？芍?，與栽植前相比，各處理林分A土層的田間持水量、毛管持水量和最大持水量的增幅最低分別為13.61%、14.38%和23.10%，與毛竹純林相比，增幅最低分別為11.27%、10.10%和23.46%，以CL3、CL4處理增幅最大。各林分的B土層水分狀況也呈現(xiàn)相同變化趨勢，但增加幅度略小些。在歷經(jīng)10 a后，毛竹純林A土層其田間持水量、毛管持水量和最大持水量則只增加3.67%、1.91%和2.34%，增幅不大，B土層相同表現(xiàn)增幅更小。表明毛竹林下栽植格氏栲改善了土壤孔隙狀況，土壤水分狀況得以優(yōu)化，保水功能提升。

表4 栽植格氏栲10 a后各處理林分土壤水分狀況Tab.4 Soil water status of different treatments after planting C. kawakami for 10 years

3.2 毛竹純林改造后林分涵養(yǎng)水源功能

3.2.1 植被層和凋落物層持水能力

毛竹純林改造后各處理林分植被層及凋落物層的持水量見表5?？芍址值厣喜糠指鲗哟蔚某炙恳缘蚵湮飳映炙首畲?；毛竹純林植被層和凋落物層的持水量分別為0.692和12.072 t/hm2，CL1、CL2、CL3、CL4、CL5各處理林分植被層持水量依次為1.122、1.086、1.031、0.987、0.943 t/hm2，與毛竹純林相比最低增加26.62%，以CL3、CL4處理增加最多； CL1、CL2、CL3、CL4、CL5處理林分凋落物持水量依次為21.276、22.157、25.271、25.526、23.672 t/hm2，與毛竹純林相比最低增加43.26%，以CL3、CL4處理增幅最大。表明各處理林分由于植被的種類與數(shù)量、凋落物現(xiàn)存量增加，林分的持水性能得以提升。

表5 毛竹純林改造后各處理林分的持水量Tab.5 Water holding capacity of different treatments after the transformation of moso bamboo pure forest

3.2.2 土壤持水量

土壤持水量的大小反映著土壤涵養(yǎng)水源功能的強弱，也是林分涵養(yǎng)水源性能的最大貢獻者。毛竹純林改造后各處理林分土壤水分狀況見表4和表5?？芍魈幚砹址諥土層的土壤持水量從大到小依次為CL1、CL2、CL5、CL3、CL4，與毛竹純林相比最低增加321.204 t/hm2，最低增幅為17.39%；各處理林分B土層的持水量呈現(xiàn)相同變化趨勢，只是增幅小些。表明毛竹純林栽植格氏栲后，土壤孔隙度得到改良與優(yōu)化，表土層土壤的持水量好于毛竹純林。

統(tǒng)計顯示，土壤層持水量約占林分總持水量的98.0%，表明毛竹純林中栽植格氏栲可以建立起穩(wěn)定的竹闊混交林，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，林分涵養(yǎng)水源功能提高。

3.2.3 土壤滲透性能和抗蝕性

林分土壤孔隙狀況影響著土壤的入滲性能和地表徑流。從表6可知，各處理林分的初滲速度和穩(wěn)滲速度最低為3.92 和2.72 mm/min，分別為毛竹純林的1.09倍和1.32倍以上，以CL3、CL3處理表現(xiàn)出滲透性能最佳。土壤抗蝕性能方面，各處理林分在5種有效降雨條件下，土壤侵蝕量均不同，方差分析結(jié)果顯示，當同一降水量時各處理林分與毛竹純林間的抗蝕性能存在著顯著差異，且相互間也存在著差異，抗蝕性能最好的是CL3、CL3處理。表明毛竹純林引入格氏栲10 a后土壤的抗蝕性能大幅提升。

表6 各處理林分土壤滲透性能與抗蝕強度Tab.6 Soil permeability and corrosion resistance of each treated stand

4 結(jié)論與討論

本研究表明，對毛竹純林采取機械均勻方法擇伐釋放出空間，并栽植格氏栲，可大幅度提高林分的涵養(yǎng)水源功能。毛竹適宜保留密度為2 400～3 600株/hm2，格氏栲栽植密度為900株/hm2。

利用毛竹純林已有生境栽植格氏栲，將單一結(jié)構(gòu)毛竹林改變?yōu)橹耖熁旖涣?，大大提高了林分的穩(wěn)定性及提供生態(tài)服務(wù)的能力。凋落物數(shù)量和分解狀況對增加土壤肥力、維持森林土壤養(yǎng)分循環(huán)和提高林分生產(chǎn)力發(fā)揮著重要作用[19-20]。竹闊混交林增加了凋落物現(xiàn)存量，并加快了分解速度，使得土壤物理、化學性質(zhì)得到改善。

毛竹純林因樹種單一，土壤結(jié)構(gòu)不合理，林分涵養(yǎng)水源能力較差；引入格氏栲后，林分土壤結(jié)構(gòu)得到改善，喬木層、植被層等生物量增加[21]，土壤層的持水量大幅度增加，增強了土壤入滲能力和抗蝕性能，進而提高了林分保水固土能力[22-23]。這與洪宜聰、樂興釗等研究結(jié)論相同[24-26]。

林分地上部分可攔截降雨并對水分進行再分配，削弱雨水對表土層的沖刷。其中凋落物層發(fā)揮著較大作用，同時凋落物可吸收自身質(zhì)量1～3倍的水分，為良好的持水體，土壤蓄水能力提升可減少地表徑流[27]。毛竹純林改為竹闊混交林后，林分凋落物增加，大大提高了林分的水源涵養(yǎng)功能。

在現(xiàn)有毛竹純林中通過一定的技術(shù)方式引入格氏栲，建立起竹闊混交林，重塑了林分結(jié)構(gòu)，改良了土壤，提高了地力，促進了林木的生長，林分抗逆性提升，有害生物為害減少。這一措施可解決大面積毛竹純林導致的生態(tài)系統(tǒng)脆弱、地力衰退等問題，可為毛竹純林改造與經(jīng)營提供借鑒，有條件的地區(qū)可推廣。