杉木復(fù)層林伴生樹種生長及水源涵養(yǎng)研究

汪燕明 周世水 喬衛(wèi)陽 虞木奎

（1浙江省開化縣林場 324300；2中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所 浙江杭州 311400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方地區(qū)重要的商品用材樹種，其生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好，具有較高的經(jīng)濟效益[1]。據(jù)第七次全國森林資源清查數(shù)據(jù)，全國杉木人工林面積為854萬hm2，占全國造林面積的21.35%，其中集約經(jīng)營的純林仍有較大比重[2]。盡管杉木純林經(jīng)營管理方便，但杉木連栽導(dǎo)致的土壤質(zhì)量退化、林分生產(chǎn)力降低等問題日益突出[3-5]。許多研究表明，改變純林單一林分結(jié)構(gòu)，營造混交林或者構(gòu)建復(fù)層異齡林對改善林地土壤肥力，提高林地生產(chǎn)力和水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮了重要作用[6-9]。

光是影響林木生長的最重要生態(tài)因素之一。黃德龍等[10]指出，不同密度成熟杉木林下光照強度只有空地的3.4-6.6%。因此，構(gòu)建杉木復(fù)層林需根據(jù)林下弱光環(huán)境選擇適宜的伴生樹種，這對于整個林分綜合效益的發(fā)揮至關(guān)重要。林德喜等[11]也發(fā)現(xiàn)，在馬尾松林下栽植 5種不同樹種，只有套種苦櫧和格氏栲林地比馬尾松純林土壤理化性質(zhì)得到顯著改善。這表明不同樹種對林下弱光環(huán)境的適應(yīng)能力存在較大差異，伴生樹種生長狀況與其對土壤環(huán)境的影響密切相關(guān)。盡管近年來杉木復(fù)層林建設(shè)日益受到重視，但相關(guān)的研究仍相對貧乏，不同伴生樹種在林下生長動態(tài)研究鮮見報道。為此，選擇8個樹種栽植于杉木林下，構(gòu)建杉木復(fù)層異齡林，連續(xù)8年動態(tài)監(jiān)測這些伴生樹種的生長狀況，同時分析了這些復(fù)層林的水源涵養(yǎng)效益，以期為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于浙江省開化縣林場城關(guān)分場（東經(jīng) 118°25′，北緯 29°08′）。開化縣林場經(jīng)營山林面積1.27萬hm2，森林蓄積量126萬m3，森林覆蓋率91．8%。現(xiàn)有人工林70%左右是杉木用材林。試驗區(qū)年平均氣溫 16.4℃，年平均降雨量1814 mm，無霜期252d，年日照總時數(shù)1334.1h，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候。土壤為紅黃壤，pH值4.0～4.9。

1.2 實驗設(shè)計和林分調(diào)查

試驗林分為1992年選用杉木優(yōu)良無性系容器苗造林，初植密度為2500株·hm-2。2007年6月采用下層間伐法進行林分疏伐，間伐強度20%，主要伐去平均木以下的個體，間伐后及時運出間伐木，間伐后林分郁閉度0.7。2008年春季，選擇紅茴香（Illiciumhenryi）、欏木石楠（Photinia davidsoniae）、蚊母樹（Distylium racemosum）、楊桐（Adinandra millettii）、紅豆杉（Taxus chinensis）、紅葉石楠（Photinia fraseri）、茶花（Camellia japonica）和麻櫟（Quercus acutissima）共8個樹種分別塊狀栽植在杉木林下，構(gòu)建復(fù)層林。所有苗木均為1年生實生苗，其中紅豆杉為容器苗，其余為裸根苗。每個樹種試驗小區(qū)面積約0.15hm2，沿等高線栽植，株間距1m，行間距2m。本試驗按照隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。在每個試驗小區(qū)內(nèi)設(shè)置10m×30m的固定樣地，2008-2015年每年12月份進行林分生長調(diào)查，其中2014年未調(diào)查。

在每種復(fù)層林內(nèi)，隨機選擇3個樣點，去除表層凋落物，采用環(huán)刀取土樣，用于測定土壤容重、毛管持水量、非毛管持水量和飽和持水量，這些參數(shù)參考張萬儒等[12]編寫的“森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定”方法進行測定和計算。

所有數(shù)據(jù)采用Excel2013和SPSS19.0軟件處理，不同伴生樹種林下土壤持水性能的差異通過單因素方差（ANOVA）分析進行檢驗，并進行Tukey多重比較；土壤飽和持水量與苗高和地徑的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下伴生樹種成活率與保存率

對林下8個伴生樹種造林當年成活率的調(diào)查表明，所有樹種成活率較高，均大于96%，其中紅茴香和蚊母樹成活率達 100%（圖 1）。造林后第8年，8個樹種的保存率呈現(xiàn)較大差異，紅茴香、欏木石楠、蚊母樹和楊桐保存率超過90%，紅豆杉的保存率在82%，紅葉石楠、茶花和麻櫟的保存率在63%～72%之間（圖2）。

圖1 8個伴生樹種的成活率Figure 1 Survival rate of 8 associated tree species

圖2 8個伴生樹種的保存率Figure 2Preserving rate of 8 associated tree species

2.2 林下伴生樹種樹高生長

8個樹種高生長的調(diào)查顯示，造林后前2年，不同樹種之間高生長差異較??；第3年開始，樹種之間差異逐漸增大（圖3）。8年生紅豆杉樹高最大，其次為紅茴香和欏木石楠，茶花生長相對緩慢。

圖3 8個伴生樹種的樹高變化Figure 3Change of stem height of 8 associated tree species

通過8個樹種樹高連年生長量的分析，這些樹種樹高生長模式大致可以分為 4類（圖4）。第一類為樹高連年生長量持續(xù)增長型，如紅豆杉；第二類為樹高連年生長量持續(xù)降低型，如欏木石楠、楊桐、蚊母樹、紅茴香和紅葉石楠；第三類為樹高連年生長量先增加后降低型，如麻櫟；第四類為樹高連年生長量相對穩(wěn)定型，如茶花，隨林齡增大，連年生長量變幅較小。

圖48 個伴生樹種樹高連年生長量Figure 4Annual growth of stem height of 8 associated tree species

樹高年均生長量較高的前3個樹種分別為紅豆杉（38.9 cm）、紅茴香（27.7cm）和欏木石楠（26.1 cm），茶花樹高年均生長量最小，僅為 9.0 cm（圖 5）。樹種本身的生長特性也有顯著影響，如速生樹種高生長量顯著高于慢生樹種。

圖5 8個伴生樹種樹高年均生長量Figure 5Mean annual growth of stem height of 8associated tree species

2.3 林下伴生樹種地徑生長

8個樹種地徑生長的調(diào)查表明，造林后前3年，不同樹種之間地徑生長差異較小，第4年開始，不同樹種之間差異逐漸增大（圖6）。8年生紅茴香和紅豆杉的地徑生長量較大，分別為36.9 mm和35.2 mm；茶花地徑生長量最低，僅為14.6 mm；其他5個樹種地徑在15.6～20.6 mm之間。由此可見，不同樹種地徑生長出現(xiàn)分異的時間比樹高生長晚1年。

圖6 8個伴生樹種地徑變化Figure 6 Change of ground diameter of 8 associated tree species

8個樹種地徑連年生長模式大致可以分為2類（圖7）。第一類為地徑連年生長量持續(xù)降低型，如茶花；第二類為地徑連年生長量先增加后降低型，其他7個樹種基本均屬于這種類型。

圖7 8個伴生樹種地徑連年生長量Figure 7Annual growth of ground diameter of 8 associated tree species

地徑年均生長量較高的前3個樹種分別為紅茴香（4.0mm）、紅豆杉（3.9 mm）和欏木石楠（2mm），茶花地徑年均生長量最小（圖8）。

圖8 8個伴生樹種地徑年均生長量Figure 8 Mean annual growth of ground diameter of 8 associated tree species

2.4 復(fù)層林土壤持水量

森林土壤是水分儲蓄的主要場所。林地土壤持水量作為評價森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標之一，其與土壤結(jié)構(gòu)和有機質(zhì)含量等密切相關(guān)[9,13]。土壤飽和持水量是反映土壤蓄水能力的主要指標。從表1可以看出，復(fù)層林飽和持水量比純林增加了2.8%～11.7%，尤其是杉木林下套種紅豆杉和紅茴香的飽和持水量顯著增大（P＜0.05）（表1）。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤持水性能與這些樹種的生長狀況密切相關(guān)，與樹高復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）為 0.867（P=0.005），與地徑的 R2為0.921（P=0.001）。由此可見，對林下環(huán)境適應(yīng)性較強的樹種其水源涵養(yǎng)效果也較好。

表1 不同復(fù)層林土壤持水量（0～20 cm）Table 1 Soil water holding capacity (0～20 cm) indifferent multi-storied stands

3 討論與結(jié)論

本研究對8個伴生樹種進行連續(xù)8年的生長動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，紅茴香、欏木石楠、蚊母樹、楊桐和紅豆杉的保存率超過80%，而紅葉石楠、茶花和麻櫟的保存率較低。樹種保存率的高低部分反映了植物對林下環(huán)境的適應(yīng)性，保存率較高的樹種通常具有較好的適應(yīng)性[14]。

這些伴生樹種樹高生長在第3年出現(xiàn)較大差異，地徑出現(xiàn)較大分異的時間滯后1年，這可能受弱光環(huán)境的影響，林木優(yōu)先分配較多的資源用于高生長，以獲取較多的光能[15]。這與Valladares和Niinemets[16]的研究結(jié)果一致。

杉木林下套種的不同樹種前5年樹高和地徑生長呈現(xiàn)不同生長模式，但5年后，多數(shù)樹種生長量顯著降低。這主要是間伐后隨著林木生長，冠層郁閉度逐漸恢復(fù)到間伐前水平，林下光照強度減弱，顯著影響了伴生樹種的生長。在郁閉度為0.7的杉木林下套種的草珊瑚Sarcandra glabra苗高和地徑生長顯著高于郁閉度為0.9的杉木林分[17]。為了盡快取得較好的生態(tài)效益，本試驗伴生樹種初始造林密度較高，目前，紅豆杉、紅茴香和蚊母樹冠幅較大，郁閉度已超過0.8。因此，必須間伐或者移除部分苗木，確保林下伴生樹種獲得必要的生存空間。本文僅對伴生樹種前期生長規(guī)律進行初步探索，伴生樹種和主栽樹種和關(guān)系以及經(jīng)營技術(shù)措施還有待于進一步研究。

復(fù)層林構(gòu)建不同程度增加了土壤飽和持水量，其主要與伴生樹種的引入導(dǎo)致枯落物和根系生物量增大有關(guān)。一方面凋落物輸入增加了土壤有機質(zhì)；另一方面，根系生物量增加，增大了土壤的穿插作用，非毛管孔隙增加。不同復(fù)層林土壤持水量的差異主要與伴生樹種生長和保存率密切相關(guān)。其他一些研究也表明，杉木混交林改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，增加了土壤的持水能力，具有更好的水源涵養(yǎng)效益[9,18]。本文僅研究了杉木林下伴生樹種幼林期生長特征，整個杉木培育周期內(nèi)伴生樹種生長及其生態(tài)效益動態(tài)監(jiān)測尚需深入研究。

[1]徐金良，毛玉明，鄭成忠，等. 撫育間伐對杉木人工林生長及出材量的影響[J]. 林業(yè)科學(xué)研究,2014, 27(1):99-107.

[2]張雄清，張建國，段愛國. 基于單木水平和林分水平的杉木兼容性林分蓄積量模型[J]. 林業(yè)科學(xué)，2014，50（1）：82-87.

[3]羅云建，張小全．杉木(Cunninghamia lanceolata)連栽地力退化和杉闊混交林的土壤改良作用[J]．生態(tài)學(xué)報，2007，27( 2) :715–724．

[4]陳楚瑩，廖利平，汪思龍.杉木人工林生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[5]俞元春，鄧西海，盛煒彤，等.杉木連載對土壤物理性質(zhì)的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，24(6):36–40.

[6]舒駿，江斌，成向榮，等. 馬尾松復(fù)層林伴生樹種生長及對土壤養(yǎng)分的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29(10):82-86.

[7]葛樂，虞木奎，成向榮，等.杉木林下套種不同樹種對土壤改良效應(yīng)初探[J]. 土壤通報，2011，（4）：948-952.

[8]徐雪蕾，盧妮妮，王新杰，等. 不同套種模式下草珊瑚生物量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，44（10）：61-64.

[9]王光玉. 杉木混交林水源涵養(yǎng)和土壤性質(zhì)研究[J].林業(yè)科學(xué)，2003，39（S1）：15-20.

[10]黃德龍，黃秀美，邱爾發(fā).不同密度近熟杉木林套種毛竹生態(tài)效應(yīng)研究[J]. 內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報，1999，（3）：69-74.

[11]林德喜，樊后保，蘇兵強，等.馬尾松林下套種闊葉樹土壤理化性質(zhì)的研究[J].土壤學(xué)報，2004，41(4):655-659.

[12]張萬儒，楊光左，屠星南，等.中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準：森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定（LY /T 1215- 1999）[S].1999.

[13]成向榮，虞木奎，周衛(wèi)兵，等.不同林齡雜交楝(Azadirachtaindica×Melia azedarach)人工林土壤水土保持功能研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2012，28(31):46-50.

[14]王亞濤. 造林保存率淺析[J]. 林業(yè)科技情報，2009，41（2）：1.

[15]Cheng X, Yu M, Wang GG, et al. Growth,morphology and biomass allocation in response to light gradient in five subtropical evergreen broadleaved tree seedlings[J].Journal of Tropical Forest Science, 2013, 25(4): 537–546.

[16]Valladares F &Niinemets ü. Shade tolerance, a key plant feature of complex nature and consequences[J].Annual Review of Ecology Evolution and Systematics, 2008, 39: 237–257.

[17]林建芳. 不同郁閉度杉木林下套種的草珊瑚生長差異[J]. 防護林科技，2014，（8）:8-10.

[18]姚慶端.不同杉木混交模式土壤肥力及土壤蓄水量研究[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報，1996，16(3)：282-286.