龍竹叢狀采伐恢復后林分小氣候特征分析*

陶航，涂丹丹，劉蔚漪，輝朝茂，王友

(1.西南林業(yè)大學，竹藤科學研究院，叢生竹工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224；2.云南經(jīng)濟管理學院，云南 安寧 650106)

竹資源是森林資源的重要組成部分，我國擁有大量的竹資源。由于地形地貌限制，勞動力成本逐漸上升，機械自動化程度低，竹資源利用程度低、種類少等因素造成了大量竹資源未得到有效采伐利用[1]。竹林是異齡林，傳統(tǒng)采伐方式以擇伐為主，采伐原則為采伐老齡竹、衰老竹，留存幼齡竹、壯齡竹，在林地里始終保持留存有各個齡級的林木[2]，傳統(tǒng)擇伐方式目前已經(jīng)無法滿足竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對毛竹(Phyllostachysedulis)一類的散生竹提出了一種全新采伐方式——帶狀采伐，即按照一定寬度對毛竹林實施條帶式皆伐[3]；針對小型叢生硬頭黃竹(Bambusarigida)也有帶狀皆伐對其生長及其產(chǎn)量的影響的研究[4]。但對于大型材用叢生竹傳統(tǒng)擇伐作業(yè)困難、采伐成本高等問題，需探索出適用于大型叢生竹培育、能改善傳統(tǒng)采伐方式帶來的弊端并適用于機械化采伐的龍竹(Dendrocalamusgiganteus)叢狀采伐技術(shù)模式。由于叢狀采伐的采伐強度和采伐面積較大，可能會對龍竹林內(nèi)小氣候造成一些影響，從而影響到新竹的生長，因此有必要對不同采伐方式下的林間小氣候因子進行研究。

森林小氣候是森林植被影響下形成的特殊小氣候，是森林中水、氣、熱等各種氣象要素綜合作用的結(jié)果[5]。森林小氣候?qū)α窒轮参锏纳L和發(fā)育、有機質(zhì)分解、土壤溫度、土壤酶活性等生態(tài)過程都有影響[6]。小氣候的改變會引起植物物種組成、蓋度、生物量、生理生態(tài)因子等發(fā)生相應的變化，森林生態(tài)系統(tǒng)能發(fā)揮其生態(tài)系統(tǒng)屏障功能，對植物的生長發(fā)育、氣候調(diào)節(jié)和改善環(huán)境均有重大意義[7]。現(xiàn)國內(nèi)外對撫育采伐對森林小氣候的影響和改變傳統(tǒng)竹林經(jīng)營模式以達到豐產(chǎn)的研究較多，但這些研究大都是針對傳統(tǒng)林分[8-11]以及散生竹竹林開展的[12-14]，而關(guān)于龍竹這類的大型叢生竹的撫育改造以及小氣候的動態(tài)變化對新竹生長影響的研究尚處于空白階段。

龍竹是禾本科(Poaceae)牡竹屬(DendrocalamusNees)的一種大型材用叢生竹，在中國云南東南至西南部各地均有分布，臺灣也有栽培，國外在亞洲熱帶和亞熱帶各國家都有栽培[15]，可作為建筑和篾用竹材。本研究通過對不同采伐強度的龍竹林內(nèi)主要氣象因子、新竹生長對不同叢狀采伐強度小氣候響應的分析和研究，探討不同強度叢狀采伐對龍竹林內(nèi)小氣候的動態(tài)變化進而篩選出影響新竹生長的主要因子，以了解龍竹林經(jīng)營過程中生態(tài)環(huán)境氣候因子與生產(chǎn)之間的關(guān)系，為建立適用于機械化作業(yè)的叢生竹林的培育技術(shù)模式提供理論依據(jù)和科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省臨滄市滄源縣勐角鄉(xiāng)(99°13′23″～99°15′24″E、23°12′01″～23°10′18″N，海拔1 474～1 850 m)，土壤為紅壤，土層厚度80 cm以上，肥力中上，適宜龍竹生長。區(qū)域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，日照充足，冬無嚴寒，夏無酷暑。年極端最低氣溫-4.3 ℃，最高氣溫為33.7 ℃，年平均氣溫17.4 ℃，年平均日照為1 876.7 h。年均降水量1 763.5 mm，全年無霜期長達317 d。

1.2 試驗設置與數(shù)據(jù)收集

于2018年冬季建立了龍竹機械化采伐培育試驗示范林66 666.67 m2，試驗設置4種采伐強度處理，分別為：A 常規(guī)擇伐、B 1/2叢伐、C 1/3叢伐，D全叢采伐(小區(qū)之間間隔30 m)，按生長健壯的高效培育林分結(jié)構(gòu)算，平均666.67 m2約18叢。為保證試驗數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學意義，選擇大約1 000叢龍竹來做試驗，設置4個小區(qū)，A、B、C每個試驗小區(qū)的邊長大約為180 m×20 m，各有9個標準樣地(20 m×20 m)，D試驗小區(qū)的邊長大約為360 m×20 m，有18個標準樣地(20 m×20 m)。2019年3、6、9、12月中旬，監(jiān)測樣地內(nèi)光照強度(Lx)、風速(km/h)、空氣濕度(%)、空氣溫度(℃)、50 cm土層土壤溫度(℃)等小氣候因子的變化，設置每1 h讀存數(shù)據(jù)一次。

竹林調(diào)查 在采伐后第一年內(nèi)(6—10月)對發(fā)筍時間、發(fā)筍數(shù)量(株/叢)等進行跟蹤調(diào)查，待筍期結(jié)束后以每叢為單位調(diào)查新竹數(shù)量(株/叢)、胸徑(cm)等。

新竹生物量測定 將新竹地上部分伐倒，測量并記錄新竹胸徑(cm)、株高(m)。將竹稈、竹枝、竹葉分離并稱量其鮮重。把竹稈進行分段，每段1 m，將每段新竹稈破開于中部取樣0.6～0.9 kg。竹枝、竹葉分離前將竹株上、中、下3個部位取樣并混合，取樣質(zhì)量分別控制在0.4～0.5 kg、0.3～0.4 kg。將樣品帶回實驗室置于105 ℃的烘箱中烘至恒量，計算得到含水率(%)。再通過將各器官鮮重含水率換算成干重，得到竹稈、竹枝、竹葉生物量(t/hm2)，把各器官生物量相加得到單株生物量(t/hm2)。

光照因子測量儀器為TES-1332A光照強度計(TES，Taiwan)，土壤溫度因子測量儀器為WatchDog紐扣式溫度，記錄儀風速、空氣濕度、空氣溫度因子測量儀器為Testo-610溫濕度儀(Testo AG，Germany)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

將太陽光照強度、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、風速等小氣候因子進行步進逐步回歸分析，逐步輸入自變量，剔除未進入模型的變量，以進行關(guān)鍵生態(tài)因子的篩選。

利用方差分析探討采伐方式對龍竹林內(nèi)光照強度、土壤溫度的影響。

各小氣候因子進行相關(guān)性分析，衡量各小氣候因子與新竹生長之間的關(guān)系。

采用主成分分析進行降維，得到綜合指標。將不同的樣地小氣候數(shù)據(jù)通過主成分分析，構(gòu)建出主成分函數(shù)表達式，計算出各叢狀采伐樣地綜合得分，通過各叢狀采伐樣地恢復后小氣候綜合得分，來評價各采伐樣地小氣候優(yōu)異程度。

以上分析均在SPSS 25.0中進行。

各系數(shù)計算公式如下[16]：

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵生態(tài)因子篩選

通過對小氣候因子進行步進回歸，最后得到進入模型的3個小氣候因子為太陽光照強度、土壤溫度和空氣溫度，得到回歸模型(P=0.000，R2=0.996)：

Y=32.740-0.38X1+0.122X2+0.9X3

式中：Y為新竹生物量，X1表示太陽光照強度，X2表示空氣溫度，X3表示土壤溫度。由回歸模型可知，采伐恢復后影響新竹生物量的主要因子是太陽光照強度、土壤溫度和空氣溫度。

2.2 不同采伐方式對龍竹林內(nèi)光照強度的影響

不同季節(jié)龍竹林內(nèi)光照強度日變化如圖1所示。隨著太陽高度角的變化和日照時間的長短變化，春季、秋季、冬季的光照強度在12:00達到最大值，夏季的光照強度在13:00達到最大值，光照強度日變化呈低—高—低單峰曲線走勢。4個季節(jié)內(nèi)，全叢采伐下的林內(nèi)光照強度最大(16 460～140 400 Lx)。在春季，1/3叢伐下的林內(nèi)光照強度變化幅度不大，趨于平穩(wěn)，常規(guī)采伐、1/2叢伐、全叢采伐下的林內(nèi)光照強度變化幅度較大；在夏季，全叢采伐光照強度皆高于其他林分；在秋季，1/3叢伐在10:00至11:00小幅度的下降，之后開始上升，1/2叢伐12:00至13:00保持不變，之后開始減小，常規(guī)擇伐和全叢采伐變化趨勢基本一致；在冬季，常規(guī)擇伐、1/2叢伐、1/3叢伐光照強度變化趨勢基本一致，全叢采伐在12:00達到峰值后開始下降，在13:00至14:00呈小幅度上升，之后開始下降。

2.3 不同采伐方式對龍竹林林內(nèi)土壤溫度的影響

龍竹林內(nèi)不同季節(jié)土壤溫度差異如表2所示。全叢采伐樣地土壤溫度均高于其他3種采伐樣地土壤溫度，夏、秋季節(jié)常規(guī)擇伐樣地土壤溫度最高。同一季節(jié)內(nèi)不同采伐處理下的平均土壤溫度差異顯著(P<0.05)，夏季和秋季常規(guī)擇伐龍竹林內(nèi)土壤溫度皆比其他林分高，春季和冬季又以全叢采伐土壤溫度最高。

表2 樣地土壤溫度差異

2.4 相關(guān)性分析

各小氣候因子相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。光照強度和空氣溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；空氣濕度和光照強度、空氣溫度呈現(xiàn)負相關(guān)。風速和光照強度、空氣溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，和空氣濕度呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)。土壤溫度和光照強度呈現(xiàn)正相關(guān)，和空氣溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與空氣濕度呈現(xiàn)負相關(guān)。生物量和發(fā)筍數(shù)呈現(xiàn)負相關(guān)，發(fā)筍數(shù)和光照強度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。結(jié)果表明光照強度越高，空氣溫度越高，發(fā)筍數(shù)越高；光照強度和空氣溫度越高，空氣濕度越高；空氣溫度越高，土壤溫度越高。光照和空氣溫度增高，空氣濕度相對降低，但是影響不顯著。

表3 各小氣候因子相關(guān)性分析

2.5 采伐效果評價

將不同叢狀采伐樣地的各小氣候因子和新竹生物量以及單位面積發(fā)筍數(shù)進行主成分分析，得到不同叢狀采伐樣地主成分方差貢獻率(表4)。得到方差特征值大于1的主成分有3個，累計方差達到81.149%。主成分載荷矩陣見表5，主成分1包含的因素是溫度、風速、和光照，主成分2包含的因素是空氣濕度，主成分3包含的因素是土壤溫度、生物量和發(fā)筍數(shù)。

表4 不同叢狀采伐樣地主成分方差貢獻率

表5 不同叢狀采伐樣地主成分載荷矩陣

主成分1、2、3的函數(shù)表達式如下。

Y1=0.49X1+0.46X2+0.43X3-0.36X4+0.32X5+0.35X6-0.11X7

Y2=0.24X1-0.47X2+0.34X3+0.61X4+0.03X5+0.36X6-0.32X7

Y3=0.35X1-0.05X2-0.35X3-0.09X4-0.56X5+0.55X6+0.36X7

式中:Y1、Y2、Y3分別代表主成分1、2、3的特征成分權(quán)重；X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別為空氣溫度、風速、光照強度、空氣濕度、發(fā)筍個數(shù)、土壤溫度和生物量標準化數(shù)據(jù)；Y為樣地綜合得分，Z1、Z2、Z3為主成分1、2、3中的主成分特征值。

將X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7代入主成分1、2、3的函數(shù)表達式中得出Y1、Y2、Y3，再根據(jù)樣地綜合得分式計算出各樣地綜合得分(表6)。

表6 不同叢狀采伐樣地綜合得分

不同叢狀采伐樣地綜合得分如表6所示，1/2叢采伐得分最高，全叢采伐樣地次之，其次是1/3叢采伐，最后是常規(guī)采伐。

2.6 采伐后恢復特征

不同叢狀采伐樣地新竹生物量如表7所示。不同叢狀采伐處理間新竹生物量、發(fā)筍數(shù)、胸徑、成竹數(shù)間皆顯著(P<0.05)。1/2叢伐新竹生物量最大，其次是常規(guī)擇伐，然后是1/3叢采伐僅次之，全叢采伐新竹生物量最??；發(fā)筍數(shù)全叢采伐皆高于常規(guī)采伐、1/2叢伐、1/3叢伐，但只比1/2叢伐高出1.6株/叢；胸徑以1/3叢伐最大，全叢采伐的最小。全叢采伐叢間發(fā)筍數(shù)多，成竹數(shù)也多，叢間密度相對較大，相互競爭吸收養(yǎng)分，最終生物量較另外3種叢狀采伐后新竹生物量要小。

表7 不同叢狀采伐后恢復更新對比

3 討論與結(jié)論

楊建祥等[17]認為在撫育采伐前單位面積林地上植物株數(shù)較多，林冠郁閉度大，森林內(nèi)光照強度較差，經(jīng)過采伐后，密度減小，林內(nèi)光照強度增加。林內(nèi)光照輻射量隨著林下全天空系數(shù)的增加而增加，全天空系數(shù)對林下光照起著至關(guān)重要的作用[18]。葉冠開度大，葉面積指數(shù)小的林型林下光照強度強，林分郁閉度高，葉片濃密的林型林下光照強度弱[19]。因此，林內(nèi)光照輻射會因林冠郁閉度、林冠開度、天空系數(shù)等因素的差異而發(fā)生變化。本研究結(jié)果顯示不同采伐方式對龍竹林內(nèi)光照輻射皆有影響，全叢采伐林內(nèi)光照輻射響應最為明顯。主要是因為4個樣地對龍竹林不同程度的采伐，改變了龍竹林分密度以及冠層，導致林隙增大，林內(nèi)光照強度增加，太陽光照強度達到顯著性差異[20]。

土壤溫度除受海拔、經(jīng)度、緯度等因素影響外還受地表覆蓋、土壤質(zhì)地、土壤濕度等因素的影響[21]。郁閉度、冠長、冠幅等因子對40～60 cm深處的土壤溫度影響最為顯著，太陽輻射對土壤溫度的影響越大，那么郁閉度、冠長冠幅等因子就越小，并且林分胸徑和樹高生長與土壤溫度成負相關(guān)[22]。本研究顯示，不同采伐強度處理下同一土層(50 cm)土壤溫度之間差異顯著(P<0.05)，證明了采伐對土壤溫度是有影響的；林冠冠幅減小，影響龍竹林郁閉度，光照強度增大，太陽光直射地面，太陽輻射對土壤溫度的影響增大，這也是全叢伐胸徑最小的原因。與溫亮[23]對遼東山區(qū)人工紅松(Pinuskoraiensis)林進行的小氣候特征研究得到的2—3月間林內(nèi)土壤溫度開始低于林外，9—10月間林內(nèi)土壤溫度開始高于林外，以及杜穎等[24]對長白山闊葉紅松林溫度效應的研究得到的3—10月間林內(nèi)的土壤溫度低于林外的結(jié)果有所不同。春、冬季節(jié)，全叢采伐土壤溫度皆高于常規(guī)擇伐、1/2叢伐和1/3叢伐，夏、秋季節(jié)，常規(guī)采伐土壤溫度皆高于1/2叢伐、1/3叢伐以及全叢采伐。可能是由于地理環(huán)境的不同和林分的差異造成的，龍竹地下莖發(fā)達，夏、秋季節(jié)屬于龍竹生長季，春、冬季節(jié)龍竹生長速度減慢，地下根系不活躍，再加上枯枝落葉層對土壤熱收支起阻隔作用，從而導致對土壤溫度季節(jié)變化的影響有所差異。

曾憲禮等[3]在安徽省黃山區(qū)毛竹林帶狀采伐后恢復質(zhì)量特征研究中得到最強采伐帶處理下單位面積新竹生物量小于中度采伐處理的結(jié)果。在本研究中，龍竹林在全叢采伐這一高強度采伐后表現(xiàn)為新竹生物量最低，1/2叢伐區(qū)新竹生物量最大。適度采伐增加林內(nèi)光照強度、空氣溫度和土壤溫度等小氣候因子，對新竹生物量有一定的影響，雖然全叢采伐時各小氣候因子都是最大值，但是生物量卻是最小的，這也是太陽光照強度與生物量呈負相關(guān)的原因；生物量最小，這可能是由于全叢采伐強度過大，前一年中新竹光合作用比較弱，沒有留竹等原因所致，這種情況下小氣候因子對新竹生物量的影響還是有限的。

綜上所述，不同叢狀采伐強度小氣候的變化，對后期龍竹林的竹筍生長和龍竹林分更新以及新竹生長產(chǎn)生影響。從各樣地綜合評價得分以及新竹生長對采伐強度的響應及森林資源可持續(xù)利用與可持續(xù)發(fā)展等來看，1/2叢伐是最適宜的叢狀采伐方式。

龍竹叢狀采伐后恢復是一個長期的過程，本文僅初步研究了龍竹竹叢在不同采伐程度下經(jīng)營一年林內(nèi)小氣候的變化以及新竹生長情況，采伐撫育間隔時間較短，龍竹林仍處于生長恢復期。所以，想要更科學的掌握不同叢狀采伐強度對龍竹林下小氣候變化規(guī)律以及對新竹生長變化的影響仍需進行長期的觀測，收集更多數(shù)據(jù)進行研究分析，進而對建立高效龍竹林培育模式與可持續(xù)經(jīng)營和科學管理模式提供更有利的參考。