間伐對杉木人工林水土保持功能影響的研究進(jìn)展

郭昊瀾, 趙子豪, 連曉倩, 張 婷, 吳鵬飛

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002; 2.人工林可持續(xù)經(jīng)營福建省高校工程研究中心,福建 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的用材林樹種之一，具有速生豐產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)[1]。水土保持功能是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的服務(wù)功能之一，不僅影響地力維護(hù)，對保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也有著重要作用[2]。間伐作為一種重要的森林經(jīng)營措施，通過調(diào)控林分密度改變冠層降水截留能力、土壤和凋落物的蓄水能力，以及林下植被對地表徑流的攔截能力和根系持水性能。石君杰等[3]、簡永旗等[4]研究表明，間伐后林冠層稀疏，使得葉面積指數(shù)降低，林內(nèi)降水和光照增大，溫度上升、濕度下降，從而加快凋落物分解，提升凋落物最大持水率和有效攔蓄率。凋落物分解的加快增加了植被生長所需的養(yǎng)分，從而提高林下植被生物量、物種多樣性和覆蓋度[5]，加大植物根系的覆蓋面積。而植物根系生物量、根長和根表面積的增大提升了其持水能力[6]，從而提升森林生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能。然而也有部分學(xué)者持不同觀點(diǎn)，羅應(yīng)華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同間伐強(qiáng)度馬尾松(Pinusmassoniana)人工林林下灌木層和草本層的物種多樣性與間伐前無顯著差異；鄒顯花等[8]對間伐后庫區(qū)生態(tài)公益林的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，40%、60%間伐強(qiáng)度間伐后林地的水土流失量大于不間伐處理，說明過度間伐會(huì)使森林系統(tǒng)水土保持功能下降。因此，探究間伐對杉木人工林水土保持功能的影響機(jī)制對其可持續(xù)發(fā)展具重要意義。鑒于此，本文從杉木人工林林冠層、林下植被層、凋落物層、土壤層和根系的水土保持功能入手，分析大氣降水在杉木林垂直結(jié)構(gòu)上的再分配及其對保持水土效益的影響機(jī)制，旨在為更好地開展杉木人工林間伐工作提供依據(jù)。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)降水分配途徑

由圖1可見，森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層對降水進(jìn)行初次分配，經(jīng)林冠層攔截后的降水形成林內(nèi)穿透水和樹干莖流流向地面，再經(jīng)過林下植被層、凋落物層的二次分配匯入地面形成地表徑流，最后經(jīng)過土壤滲透、植物根系吸收的三次分配，一部分進(jìn)入植物體內(nèi)和土壤層，另一部分在水量減弱后繼續(xù)以地表徑流的形式流出森林[4,9]。間伐通過調(diào)整林分密度直接或間接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠層、林下植被層、凋落物層、土壤層和植物根系等對降水的再分配能力。

圖中代表降水的箭頭越粗表示水量越大。圖1 森林降水分配示意圖Figure 1 Schematic diagram of precipitation distribution in forest

2 間伐對杉木人工林水土保持功能的影響

2.1 對林冠層降水截留能力的影響

降水是水土流失的原動(dòng)力，與地表徑流密切相關(guān)，而森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層對大氣降水進(jìn)行截留，減弱其對地表土壤的直接沖刷[9-10]。林冠層的降水截留能力主要與樹種、樹齡、林冠密度等植物特性有關(guān)[11]，通常林冠截留量與葉面積指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[12-13]。杉木人工林間伐后林分密度降低，短期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致葉面積指數(shù)減小，但隨著林木的生長，不同間伐強(qiáng)度對葉面積指數(shù)的影響呈現(xiàn)差異。朱玉杰等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在一定間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)，葉面積指數(shù)與間伐強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，但過度間伐容易使林分密度低于閾值，導(dǎo)致林冠層葉面積指數(shù)大幅降低。研究表明[15-16]，杉木林適度間伐后短期內(nèi)出現(xiàn)林分郁閉度下降，林冠降水截留能力減弱，林冠層郁閉度為0.4時(shí)，葉面積指數(shù)僅為4，林冠的截留能力較弱；但隨著林木生長，林分郁閉度及葉面積指數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，林冠截留能力也不斷增強(qiáng)。可見，間伐使杉木人工林林冠層郁閉度以及葉面積指數(shù)發(fā)生變化，從而影響林冠層對降水的截留能力[17]。

2.2 對林下植被層降水截留能力的影響

林下植被的枝葉對部分未被林冠層截留的大氣降水進(jìn)行二次阻截,而林下植被的截留能力與其生物量和蓋度呈正相關(guān)關(guān)系[18-19]。丁凱等[20]研究表明，隨著林分密度的減小，杉木林林下植被生物量和物種數(shù)量逐漸增加。這是由于林分密度減小使得林內(nèi)光照條件得以改善，有利于林下灌木層、草本層植被的恢復(fù)和發(fā)育，形成垂直的立體結(jié)構(gòu)，從而提高林下植被多樣性和覆蓋度。這與喻陽華等[21]研究結(jié)果一致，認(rèn)為林內(nèi)光照條件的改變是影響林下植被種類、數(shù)量和多樣性的重要因素，進(jìn)而對林下植被的降水截留和保持水土能力產(chǎn)生較大影響。

間伐降低了杉木人工林林分密度，使得林下植被的物種多樣性、生物量、蓋度等發(fā)生改變。李萌等[22]以13年生杉木人工林為研究對象，間伐后8 a調(diào)查發(fā)現(xiàn)，輕度(34%)、中度(50%)和重度(74%)間伐分別顯著提高了木本植物、雜草植物和蕨類植物的物種豐富度；且三者均能顯著提高藤本植物功能群的物種豐富度。Xu et al[23]對8年生杉木人工林采用輕度(20%)、中度(33%)、重度(50%)間伐，以未間伐樣地為對照，結(jié)果表明，間伐后2和3 a，林下植被的物種豐富度、總覆蓋度和生物量均隨著間伐強(qiáng)度的增大而顯著提高。在一定間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)，間伐強(qiáng)度的增大雖然使林分密度下降,但林內(nèi)光照和溫濕度的改善加速了林下植被的恢復(fù)和發(fā)展[16]。

2.3 對凋落物層持水能力的影響

森林凋落物層在防止降水沖擊、提高土壤滲透性能、改善土壤理化性質(zhì)等方面具有重要作用。凋落物層通過提高地表粗糙度來減緩地表徑流速度、延長徑流形成時(shí)間并增加入滲量，從而吸收和截留經(jīng)由林冠層和林下植被層再分配后落到地表的部分降水[24]。森林凋落物層持水能力主要取決于其組成、蓄積量和分解程度。研究表明，闊葉林和針闊混交林的凋落物層持水能力均高于單一的針葉林[25]，且凋落物層蓄積量越大持水量越高[26]。凋落物分解后與降水的接觸面積減小，使得其蓄水和入滲特性增強(qiáng)。因此，凋落物分解程度越高，分解層凋落物量越大，凋落物層的持水能力越強(qiáng)[27]。據(jù)報(bào)道，杉木林凋落物完成95%分解約6.32 a，比闊葉林凋落物分解緩慢，這可能是由于其凋落物主要以小枝條攜帶葉片掉落的方式回到林地，而枝條的分解速率較緩慢[28-30]。

間伐通過改變林分密度使得林內(nèi)光照增強(qiáng)、濕度下降，地表溫度上升，進(jìn)而影響凋落物的蓄積量和分解速率[31-32]。杉木林的凋落物層主要為葉和枝，且葉凋落物儲(chǔ)量較多[33]。余士香等[34]研究發(fā)現(xiàn)，不同間伐強(qiáng)度處理后杉木林葉凋落物分解速率在短期內(nèi)差異不顯著，重度間伐處理半年后，葉凋落物分解速率顯著提高。Xiao et al[35]研究表明，間伐雖然降低了微生物豐度，但能增強(qiáng)微生物活性從而加速凋落物分解，中度間伐(50%)可以最大限度地提高植被多樣性，為凋落物中的微生物提供大量的物質(zhì)來源，從而促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)流動(dòng)。肖文婭等[36]研究表明，中度間伐(50%)處理的杉木林凋落物分解最快，輕度間伐(30%)次之，重度間伐(70%)則會(huì)減緩凋落物的分解。這是由于過度間伐會(huì)導(dǎo)致凋落物大面積暴露在光照下，林內(nèi)濕度降低抑制了土壤微生物的數(shù)量，致使凋落物分解速率減慢；而適度間伐帶來的地表溫度環(huán)境能夠提高微生物活性，加快凋落物的分解速率，從而增加凋落物半分解層儲(chǔ)量，提高了凋落物層持水能力[35-36]。

2.4 對土壤層水土保持功能的影響

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中水分和養(yǎng)分的重要儲(chǔ)存部位，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的演替與更新，對植物的生長發(fā)育起主導(dǎo)作用，而植物的生長演替又會(huì)影響土壤的結(jié)構(gòu)與組成[37-38]。土壤的水土保持功能與其孔隙度、容重等物理性質(zhì)以及pH值、養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量等化學(xué)性質(zhì)有關(guān)[39-40]。土壤化學(xué)性質(zhì)的改善能夠促進(jìn)林下植被的生長發(fā)育，間接提升森林生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能。徐雪蕾等[41]研究表明，間伐后杉木人工林表層土壤(0～10 cm土層)的全氮、有機(jī)質(zhì)和有效磷含量均高于未間伐樣地，其中40%～50%強(qiáng)度的間伐處理最有利于保持林地的氮磷養(yǎng)分。張偉民等[42]對杉木林實(shí)施20%和37%強(qiáng)度間伐發(fā)現(xiàn)，與未間伐樣地相比，間伐樣地0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效鉀和有效磷含量均隨間伐強(qiáng)度增大而升高，且0～10 cm土層土壤碳氮磷養(yǎng)分的有效性更高；總氮含量隨間伐強(qiáng)度增大顯著升高。

土壤的物理性質(zhì)與森林水土保持功能密切聯(lián)系，其中土壤容重和孔隙度大小直接反映了其物理性狀的改變程度。土壤密度越小、結(jié)構(gòu)越稀疏，越有利于降水的滲透[43]。常見的土壤密度為1.0～1.5 g·cm-3，結(jié)構(gòu)良好的土壤密度為1.25～1.35 g·cm-3。土壤孔隙越大能容納的水分含量越高，使得土壤水分運(yùn)移速率加快，有利于植物根系吸收水分以及土壤水分的下滲[5,44]。不同林分類型土壤的物理性質(zhì)存在差異，其持水能力也不同。林立文等[43]研究發(fā)現(xiàn)，林分密度為1 755株·hm-2的15年生杉木人工林土壤容重最小且孔隙度較大，土壤疏松，有利于攔蓄降水。周全等[45]認(rèn)為，間伐主要影響土壤的表土層，土壤容重的年均減少量整體表現(xiàn)為間伐樣地大于未間伐樣地，且0～15 cm土層土壤容重減少量顯著大于15～30 cm土層。除此之外，林下植被和凋落物層對降水先后形成的二次阻截，有效減弱降水的動(dòng)能，避免降水對地面的直接濺擊，削弱了降水濺蝕和徑流對土壤的沖刷，從而有效減輕水土流失，還能增加入滲和地表粗糙度，進(jìn)而發(fā)揮阻控土壤侵蝕的作用[19,46]。

2.5 對根系固土保水能力的影響

根系作為連接植物與土壤的重要部分，不僅是植物吸收水分和營養(yǎng)的基本通道，還發(fā)揮著穿插、固結(jié)根土的作用[47]。植物根系能夠顯著影響土壤結(jié)構(gòu)，以直徑>2 mm為主的根系可以提高土壤30%～44%的大孔隙并降低土壤容重，而直徑<2 mm的根系聚集可改變土壤孔徑分布，減小孔隙直徑，增強(qiáng)毛管吸水能力，從而加強(qiáng)土壤持水能力[48]。此外，根系可以增加土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，并對土壤滲透性有明顯的改善作用。根系通過其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及分泌物將土壤顆粒進(jìn)行固定粘合，從而促進(jìn)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，其中≤1 mm的根系量與土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而<0.01 mm的根系對土壤滲透性能的改善作用突出[49]。間伐可影響植物根系形態(tài)，間伐后林內(nèi)光照增強(qiáng)，促使林木將更多的光合產(chǎn)物分配給細(xì)根，以滿足其快速生長的需求；光照還能促進(jìn)林下植被的生長發(fā)育，加大土壤表層植物根系間的競爭程度，促使喬木的根系向更深層土壤伸長。有研究報(bào)道，間伐后杉木林的細(xì)根生物量、根長密度和根數(shù)增加[50]；隨著根長密度的增加，土壤容重減小，且土壤孔隙度增大，從而提升土壤的持水性能[44,51]。然而，間伐強(qiáng)度不同產(chǎn)生的效果也不相同，王祖華等[52]對25年生杉木林進(jìn)行間伐后發(fā)現(xiàn)，隨著間伐強(qiáng)度的增大，杉木細(xì)根的平均直徑呈減小的趨勢，但平均根長則呈增加的趨勢，這有利于提升杉木根系固土保水的生態(tài)功能。

3 展望

間伐通過調(diào)整林分密度使杉木人工林的各組成部分發(fā)生改變從而影響林分整體的水土保持功能。通常情況下，適度間伐(間伐強(qiáng)度為30%～50%)且保留密度為1 500～2 500株·hm-2的杉木人工林林內(nèi)光照明顯增強(qiáng)，有效改善林內(nèi)溫濕度。杉木人工林間伐后林冠降水截留能力有所減弱，但凋落物分解速度顯著加快，促進(jìn)了林下植被發(fā)育，增加覆蓋度，加快林下植被根系的增生，從而提高土壤孔隙度，有效降低土壤容重，提升杉木林的水土保持功能。

目前，關(guān)于間伐對杉木人工林生長影響的研究報(bào)道已有很多，但探討間伐對杉木林水土保持能力影響的研究較少?；谝陨祥g伐對杉木人工林林冠層、林下植被層、凋落物層、土壤層及根系的影響機(jī)制，筆者提出如下建議：(1)目前對杉木人工林間伐的研究主要集中在提高生長速度、出材量等經(jīng)濟(jì)效益方面，忽視了對生態(tài)效益的影響。今后應(yīng)對杉木林間伐后的林地徑流、水土流失等進(jìn)行長期的定位觀測，以確定最適宜的間伐強(qiáng)度，能夠同時(shí)滿足速生豐產(chǎn)和固土保水的目的。(2)研究間伐對林冠層水土保持功能時(shí)，除了考慮林冠層的降水截留能力外,還應(yīng)注重林冠層對林區(qū)水分蒸騰的控制作用。(3)土壤是杉木林生態(tài)系統(tǒng)中主要的蓄水部位，今后應(yīng)增加對土壤入滲特征的觀測，綜合評價(jià)其水土保持功能。(4)目前，有關(guān)間伐對植物根系固土保水的影響大多停留在根系構(gòu)型等指標(biāo)帶來的物理影響，極少關(guān)注根系分泌物的土壤聯(lián)結(jié)作用。今后的研究應(yīng)注重間伐對根系分泌物的影響以及與固土保水之間的相關(guān)性。(5)林下套種闊葉樹可有效減少林分地表徑流[53]，但該營林措施對杉木林生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的影響機(jī)制還有待于深入研究。