马尾松闽粤栲异龄复层混交林的林分特征及涵养水源能力1)
2017-06-01洪宜聪
洪宜聪
(福建省沙县林业局，三明，365500)
马尾松闽粤栲异龄复层混交林的林分特征及涵养水源能力1)
洪宜聪
(福建省沙县林业局，三明，365500)
为探讨马尾松林套种闽粤栲后形成的异龄复层混交林的林分特征和固土保水能力，恢复与建立针阔异龄复层混交林，培育马尾松大径材，揭示马尾松与闽粤栲异龄复层混交林的林分特征、土壤肥力、涵养水源功能及林内物种多样性，以闽粤栲、马尾松人工纯林为对照，测定了异龄复层混交林中各林木生长状况、林分各层的生物量、土壤的物理化学性质及涵养水源能力。结果表明：马尾松林内套种闽粤栲，上层林马尾松保留密度为450～600株/hm2建立的异龄复层混交林林分各林木生长良好，提高了林木生长量得到提高，土壤肥力得到得以改善，林分的固土保水能力提高。总结出马尾松林套种闽粤栲的更新技术，为马尾松纯林改造与经营管理、指导针阔异龄复层混交林培育和马尾松大径材培育提供科学依据。
马尾松；闽粤栲；异龄复层林；大径材；物种多样性；更新技术
马尾松(PinusmassonianaLamb.)是福建省主要造林针叶树种。长期以来，人们对阔叶林所具有的功能及作用认识不足，盲目追求经济效益，过多营造马尾松纯林，造成林分针叶化日趋严重[1]。马尾松纯林树种单一，林分稳定性、抗逆性差，生态系统十分脆弱，水土流失严重，地力衰退，生态环境恶化，有害生物猖獗[2]，林分生物多样性锐减，林地生产力下降；由于轮伐期较短，无法培育大径材，导致大径材资源溃乏。因此，采用科学、高效的营林技术营造异龄复层林，以达到马尾松大径材培育、提高林分生态功能的目的，已成为林业生产上急需解决的首要问题。
闽粤栲(CastanopsisfissaRehder E.H.Wilson)为福建省常绿阔叶林建群主要树种之一，是培育食用菌的优良用材林。为探索营建针阔异龄复层林的新途径、改善林分结构、提高林分生态功能[3]、培育优质的马尾松大径材、保护和发展福建省常绿阔叶林树种，从而实现林分多种经营新途径，笔者于2005年在福建省沙县，开展在马尾松林下套种闽粤栲的试验。
1 试验区概况
试验区设在福建省沙县(北纬26°6′～26°46′，东经117°32′～118°6′)高桥镇林场的马尾松用材林。该地海拔420～530 m，无霜期308 d，年均气温19.7 ℃，年均降水量1 810 mm，相对湿度82.3%。试验林分为20年生马尾松用材林，面积为129.6 hm2。林下主要植被为乌蕨(Stenolomachusana)、紫萼(Hostaventricosa)、翠云草(Selaginellauncinata)、地菍(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicanopterisdichtoma)、阔叶箬竹(Indocalamuslatifolius)等[4]。
2 材料与方法
2.1 试验林设计
对20年生的马尾松试验林分采用机械均匀方式进行间伐[5]，伐前林分保留密度为2 730～2 985株/hm2，伐后保留密度设为0、300、450、600和900株/hm2等5个水平，分别用A、B、C、D、E表示。伐后清理林地，并在保留的马尾松间隙挖穴，规格50 cm×40 cm×40 cm，用1年生的闽粤栲实生苗春季栽植，苗高≥50 cm，地径≥0.5 cm[6]，套种闽粤栲的密度均是1 200株/hm2。
用裂区设计排列各试验小区，在套种林中设立标准地，每个标准地面积为20 m×20 m，重复3次。栽植后前3 a，每年在套种闽粤栲植株周围开展小团状锄草抚育。在立地条件与试验区相似的马尾松纯林、闽粤栲纯林各设立3块标准地，面积为20 m×20 m，作为对照林分，采取不间伐，用CK表示。
表1 试验林概况
2.2 仪器
测绘仪(浙江温州市华昌测绘仪器厂)；土壤渗透仪(绍兴市上虞舜龙实验仪器厂生产)；TTF-100型土壤团聚体分析仪(绍兴市上虞舜龙实验仪器厂生产)；TFW-VIIA土壤养分水分综合测定仪(杭州汇尔仪器设备有限公司生产)；XL-101-2电热鼓风干燥箱(上海征飞电炉有限公司生产)；FA1004B电子分析天平(上海平轩科学仪器有限公司)；228防水系列电子秤(上海高致精密仪器有限公司)；环刀、铝盒、取土器(杭州汇尔仪器设备有限公司生产)。
2.3 方法
于2006年5月份、2006年11月份和2016年10月份，对标准地内开展每木调查，详细测定间伐前、后及套种10a后林木的树高、胸径、枝下高、冠幅等因子，调查闽粤栲成活率。采用阔叶树、马尾松二元立木材积计算公式(福建省林业勘察设计院编制)计算立木材积。详细调查马尾松、闽粤栲的生长状况、林分各生物量、土壤物理化学性质和水源涵养功能,调查各林分植物种类，进行物种多样性分析。
2.3.1 标准木根系调查
采用撩壕干掘法测定马尾松标准木的根系[7]，即以标准木伐桩由内向外挖掘，将其整个根系完全挖出，根据根系的粗细和长短，绘制整个根系断面图。用土柱法，设每10 cm为1层，分层掘出根系，分析其生长分布状况，测定侧根、粗根、细根等根质量，在室内测定其干质量，计算其含水量和生物量。
2.3.2 林分生物量和持水量测定
在标准地内选取胸径、树高与平均值相近(误差±5%)的树为样树，调查其地径、胸径、树高及冠幅。采用Monsi分层切割法，每1 m分段锯断称量，分别测定样树的枝、叶、干、皮的鲜质量；分别锯取树干基部、中部及顶端1个圆盘，测定其含水量。抽取30%样品，烘干测定其干质量，计算出含水量；根据林分密度，计算出单位面积林分的生物量。抽取样品的20%浸水24 h，测定其持水率，依据林分的生物量(鲜质量)计算持水量[8]。
2.3.3 林下植被和凋落物调查
以“S”路线于标准地中设置5个小样方，大小为1 m×1 m，在小样方内用样方收获法测定凋落物的生物量，带回室内分L(枯枝落叶层)、F(半分解层)、H(腐殖质层)层分别称质量。
2.3.4 土壤分析
在样地内选择2棵树间挖土壤剖面，分0 3.1 林分特征 3.1.1 闽粤栲生长状况 闽粤栲在5种不同密度马尾松林下的生长状况见表2。可知，不同密度的马尾松林下闽粤栲栽植的成活率不同，闽粤栲在A水平(裸地)成活率只有47.6%，在D水平成活率达到91.5%，经LSD检验，相互间成活率有显著差异，从大到小依次为E、D、C、B、A，成活率随马尾松密度的增加而增加。这表明闽粤栲在幼龄阶段喜阴湿，马尾松的保留密度对闽粤栲的造林成活率影响极为明显，在马尾松林下开展闽粤栲栽植，可提高闽粤栲栽植的成活率。 表2 闽粤栲在10年生马尾松林下生长状况 注：数据后同列具不同字母表示差异显著，小写字母表示P<0.05，大写字母表示P<0.01。 不同马尾松保留密度下闽粤栲生长量存在差异。10年生闽粤栲E水平的平均树高增幅最大，分别比A、B、C、D水平增加了13.8%、10.9%、6.9%、5.8%；C水平的平均胸径增幅最大，分别比A、B、D、E水平增加了8.5%、4.8%、3.5%、4.7%；C水平立木材积增幅最大，分别比A、B、D、E水平增加了156.9%、80.1%、9.7%、2.4%。 3.1.2 马尾松生长状况 3.1.2.1 马尾松胸径生长量 不同保留密度下马尾松胸径生长量见表3。可知，套种10 a后，马尾松胸径平均增长量从大到小依次是C、D、E、B，C处理的增长量最大，为10.6 cm；B处理增长量最小，为9.2 cm。方差分析和多重比较见表4、表5，可知，B、C、D、E处理的马尾松胸径生长量与CK相互间的差异为极显著，C、D处理与B处理间马尾松胸径生长量亦达到极显著，E处理与B处理间达显著水平。这表明马尾松的平均胸径生长量与其间伐保留密度有关，大径材培育的目的是提高胸径生长量，不同保留密度对大径材的培育影响较大。各处理与其相应的对照间胸径平均增长量差异极显著，表明间伐套种闽粤栲改善了马尾松的生长环境，促进马尾松胸径的生长，间伐对林分平均胸径的生长有显著的影响[9]。 表3 各保留密度马尾松生长状况 表4 不同保留密度马尾松胸径生长量方差分析 注：** 表示相互差异极显著。 表5 不同保留密度马尾松胸径生长量多重比较 注：*表示相互差异显著；** 表示相互差异极显著。 3.1.2.2 马尾松高生长量 各保留密度马尾松的高生长量见表3。可知，套种林中马尾松高生长有不同的变化；保留密度大，其树高增长量的平均值也大；保留密度小，其树高增长量的平均值较小。从表6可知，马尾松树高生长量，B、C、D、E处理与CK相互间的差异为极显著，4种处理间差异不显著，表明间伐后套种闽粤栲促进了马尾松高生长。 表6 不同保留密度马尾松树高与材积生长量方差分析 注：数据后同列不同字母表示差异显著，小写字母代表P<0.05，大写字母代表P<0.01。 3.1.2.3 立木材积生长量 不同保留密度的套种林马尾松的立木材积生长情况见表3。可知，套种林中马尾松的立木材积表现出不同程度的提高，C处理最大，B处理最小，表明马尾松保留密度以C处理最好。从表6可知，10 a马尾松的材积生长量与CK间的差异为显著，4种处理间差异不显著。这表明在调控马尾松密度林下套种闽粤栲，可早期取得间伐材收益，改善林分结构，实现马尾松大径材培育，实现从单一树种的林分向多树种林分转变。 3.1.3 根系生长分布特征 2种林分的根系生长分布特征见表7。可知，套种林各土层的根系量、根幅均大于马尾松纯林，表明套种闽粤栲后，林地的土壤有机质增加，土壤结构得到改善，促进了马尾松的根系生长。其根系在土壤中的水平方向、垂直方向均得到扩展，分布的范围加大，根系总量增加，有利于林分保持水土[10]。 表7 2种林分的根系生长分布特征 注：d≥3 cm为粗根、1≤d<3 cm为侧根、d<1 cm为细根。 3.1.4 林分乔木层生物量 各种林分乔木层的生物量见表8。可知，林分乔木层生物量从大到小依次是闽粤栲纯林、马尾松套种林、马尾松纯林。 表8 各林分的生物量 t·hm-2 3.1.5 林下植被与生物量 不同的林分结构其林下植被的种类及生长状况均有差异。各林分林下植被的生物量见表8。闽粤栲纯林的林下植被主要有檗、乌蕨、野胡椒、狗脊蕨、紫萼、翠云草、阔叶箬竹等，植被层的生物量为3.99 t/hm2；马尾松纯林的林下植被主要有杜鹃、地菍、芒萁、小径竹等，植被层的生物量为2.36 t/hm2。套种林的林下植被主要有杜鹃、地菍、芒萁、小径竹、狗脊蕨、紫萼等，植被层的生物量为3.36 t/hm2。 3.1.6 枯枝落叶层的生物量 不同的林分组成，其凋落物层的现状也不同。凋落物分解后，释放出大量有机质和养分，能改善土壤物理、化学性质，促进林木生长，因此凋落物的分解状况对提高土壤肥力、维持森林土壤养分循环和提高林分生产力起重要作用[11-14]。马尾松林内套种闽粤栲，其树种组成发生了变化，林分结构也发生变化，其枯枝落叶的状况也不同。不同林分枯枝落叶现存量见表8、表9。可知：各保留密度套种林凋落物现存量普遍提高。有明显F、H和L，枯枝落叶现存量从大到小依次为C、D、E、B、A。套种林的半分解和腐殖质与枯枝落叶的比值为0.67和0.88，马尾松纯林的半分解和腐殖质与枯枝落叶的比值为0.19和0.27，可见套种后枯枝落叶分解速率比马尾松快。套种林L层枯枝落叶现存量为10.98 t/hm2，占39.2%；马尾松为7.01 t/hm2，占68.4%。这表明闽粤栲的凋落物多，且易于分解，分解后可改善结构和土壤肥力，促进了林木的生长，实现森林可持续性经营。 表9 不同林分枯枝落叶现存量 t·hm-2 3.2 林分的生态功能 3.2.1 土壤肥力 3.2.1.1 土壤结构 土壤团聚体性状(粒径>0.25 mm)是影响土壤功能的重要因素之一，它很大程度改变土壤性质，对土壤物理性质和化学性质产生影响。各林分土壤结构见表10。可知，套种林下土壤0 表10 各林分土壤结构 注：括号外为干筛数值，括号内为湿筛数值。 从表10中可以看出，套种林0 3.2.1.2 土壤孔隙状况 土壤的通气状况取决于土壤的孔隙状况，是土壤的主要物理性质，土壤紧实度的最重要的因子是土壤密度[15]。各林分土壤孔隙状况见表11。可知，套种林与套种前和马尾松纯林相比，密度变小，土壤总孔隙度与非毛管孔隙度变大，以0 表11 各林分土壤孔隙状况 3.2.1.3 土壤水分状况 土壤功能的重要因素是土壤的水分状况。各林分土壤水分状况见表12。可知，套种后，林地孔隙状况得到改善，土壤的持水能力得到提高。套种林与套种前和马尾松纯林相比，0 表12 各林分土壤水分状况 3.2.1.4 土壤养分状况 各林分土壤养分状况见表13。可知，套种林与套种前和纯林相比，土壤的各项养分指标均有提高。套种林0 表13 各林分土壤养分状况 3.2.2 林分固土保水功能 在马尾松林下套种闽粤栲，使得林分结构发生变化，凋落物生物量提高及分解速率加快，导致土壤结构发生变化，林分的固土保水能力也发生变化。 3.2.2.1 林分持水量 林分地上部分可拦截降雨并对水分进行再分配，削弱雨水对林地表土层的冲刷，土壤层的蓄水量使得地表径流减少，林分表现出较强的固土保水功能。不同林分林冠层的持水量见表14。可知，套种林林冠的持水量为11.227 t/hm2，比纯林高10.9%。 表14 不同林分林冠层持水量 不同林分植被层及凋落物层的持水量见表15。可知。套种林植被层持水量为1.04 t/hm2，比纯林增加23.1%，这与套种林植被的种类和数量增加有关。凋落物层在持水蓄水方面占有较重要的地位，它能阻止降水对地表土壤直接冲击，有削弱降水的性能。凋落物是良好的持水体，它能吸收自身质量1～3倍的水分。套种林凋落物层持水量为27.586 t/hm2比纯林增加138.4%，表明套种林能拦截削弱降水并进行再分配，对固土保水有积极作用。 林分地上部分不同层次的持水率从大到小为凋落物层、乔木层、草本层、灌木层，以凋落物层持水率最大。在马尾松林下套种闽粤栲，其林分地上部分持水性能得到加强，降水经过异龄复层的林冠层、植被层、凋落物层的截留，削弱了雨滴冲击力，迟缓雨滴到地面时间，减少了地表径流，套种林表现出比纯林更好的涵养水源及保持水土的功能。 表15 不同林分种林分各层的持水量 3.2.2.2 土壤持水量 涵养水源最主要的部分是土壤。2种林分土壤层持水能力见表15，可知套种林0 3.2.2.3 土壤渗透性能 土壤渗透性能是评价林分涵养水源的重要指标，不同林分土壤的孔隙状况也不同，导致入渗性能和产生径流的差异。不同林分土壤渗透的抗蚀性能见表16。可知，套种林的初渗速度4.68 mm/min，是纯林的1.2倍；稳渗速度3.05 mm/min，是纯林1.34倍。这表明套种林具有多层次结构，土壤结构合理，土壤的入渗能力得到提高。 表16 不同林分土壤渗透与抗蚀性能 3.2.2.4 土壤抗蚀性 土壤抗蚀性的表征指标主要是水稳性团聚体量、结构体破坏率[17]。从表16可知，套种林0 3.3 林分物种多样性变化 不同林分物种多样性分见表17。可知，套种林乔木层增加一种，灌木层增加17种，草本层增加11种；表明套种林的林分种群丰富度增加，套种林有利于物种的多样化。在马尾松林下开展闽粤栲栽植，培育针阔异龄复层林，可提高森林群落的树种多样性。 表17 不同林分种林分物种多样性分析 物种多样性指数均以复层林分高于纯林。物种多样性是生物多样性的主要组成层次。在现有树种单一、结构简单的林分中采取间伐，林下套种闽粤栲，一定程度上模拟了天然林分，重塑改善了林分结构，在物种多样性上表现出了差异。 采取机械均匀间伐方法，在马尾松林内套种闽粤栲，造林成活率较高，上层林马尾松保留密度选择控制450～600株/hm2为宜，闽粤栲套种密度1 200株/hm2。 利用现有马尾松生长环境，经间伐调控密度，释放出林木生长的水肥空间，在其林下套种闽粤栲，改变结构单一的马尾松纯林，形成稳定的异龄复层针阔混交林，改善了林分结构，提高了林地的覆盖率，形成了特有林分小气候。林分生物总量增加，根系发达，根的总量增加，分布空间增大；凋落物总量增加，枯枝落叶分解速率加快，改良土壤结构，土壤的水肥状况得到提高，改善了林木的生长环境，促进马尾松和闽粤栲的生长。形成的异龄复层林提高了土壤的物理、化学性质，土壤渗透力增强，表现出混交林分的涵养水源及保持水土的功能，提高了林分保水固土能力。针阔异龄复层林增强了林分的生物多样性，提高了林地种群的丰富度，林地生产力得到提升，林分经营效益显著。 在马尾松林形成的森林环境下套种闽粤栲，培育建立针阔异龄复层林，这一经营措施是一种可行的造林更新的手段。其复层林分空间结构的独特性和合理性，使得林下发育的物种不仅对上层林木影响较少，且改善了生态小环境，促进乔木层林木生长，增加木材产量，改良土壤，改善地力，增强了林分抗逆性。针阔异龄复层林的建立，重塑了林分结构，是有效解决大面积纯林导致生态系统脆弱、地力衰退的好途径，是修复中亚热带的常绿针阔叶混交林的便捷途径，可为马尾松纯林改造与经营管理提供理论依据，实现森林可持续性经营[18-19]，条件适宜的地区可借鉴。 [1] 黄清麟,李元红.中亚热带天然阔叶林可持续经营的若干问题[J].福建林学院学报2000,20(1)：1-5. 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The pureC.fissaplantation and pureP.massonianaplantation was used as control treatment. Growth characters, biomass of different layers in the plantation, soil physical and chemical properties and water conservation capacity were measured, respectively. The tree growth of bothP.massonianaandC.fissawas increased in the mixed plantation with upper layer ofP.massonianadensity of 450-600 ind./hm2than that in the control. The soil fertility was improved, and soil and water conservation capacity was enhanced. Stand renewal technology ofP.massonianamixed withC.fissawas established. This update technology can guide the transformation and management of pureP.massonianaplantation, and silviculture of coniferous and broad-leaved mixed plantation cultivation of different ages as well as large diameter timber cultivations. Pinusmassoniana;Castanopsisfissa; Different age forests complex; Large diameter timber; Species diversity; Update technology 洪宜聪，男，1966年7月生，福建省沙县林业局，高级工程师。E-mail：honghyc_886@sina.com。 2016年12月21日。 S725.2 1)福建省地方标准项目(闽质监标[2015]94号)；福建省标准化专项资金(闽财建指[2016]75号)；三明市林业科技研究项目(明财(农)指[2015]54号)。 责任编辑：戴芳天。3 结果与分析
4 结论与讨论
