低效柏木纯林不同改造措施对水土保持功能的影响

2013-12-19黎燕琼龚固堂郑绍伟陈俊华慕长龙朱志芳吴雪仙

生态学报 2013年3期

黎燕琼，龚固堂，郑绍伟，陈俊华，慕长龙，朱志芳，吴雪仙，牛牧

(四川省林业科学研究院，成都 610081)

川中丘陵区为典型的农林复合生态系统，农地和林地镶嵌分布，加之丘陵中生代紫红色砂岩和泥岩，质地松脆，极易遭受侵蚀和风化，以及丘坡较陡，夏半年雨水集中分布等因素的影响，导致该区域水土流失严重，是四川乃至长江上游水土流失最为严重的区域之一。为降低水土流失，自20世纪60年代以来，尤其是长江防护林建设工程启动后，我国先后在川中丘陵区营造了大面积的人工桤(Alnus cremastogyne)柏(Cupressusfunebris)混交林。由于桤木为速生树种，在18—20龄左右趋于成熟，随着桤木被砍伐、衰老和死亡，林分中的桤木逐渐消退，桤柏混交林快速向柏木纯林演替［1］，并逐渐突显出林分树种单一，结构不合理;林分郁闭度过大，林下灌草稀疏，生物多样性下降等特点;尤其这些林分在25a后，水土保持功能的显著性降低［2-4］，严重威胁着长江下游生态安全。目前，亟需对这类林分进行有效的林分改造，以提高其生态效益。从2005年开始，课题组在盐亭，开展低效柏木林改造试验。

本研究以2005年改造林分为对象，研究了低效柏木纯林不同改造措施对水土保持功能的影响。这将为该区域下一步大面积低效林的改造提供具体操作技术和理论依据。

1 研究地点

研究地点位于四川中部地区盐亭县，属低山丘陵地貌，海拔350—650m。该区属亚热带湿润季风气候区，根据刘家河水文气象站1986—2010年的气象数据显示，年平均降水量674.3—825.8 mm，主要集中在5—9月，占年降雨量的80.1%;平均气温17.3℃。该区广泛出露紫色泥页岩和砂石岩地层，其中泥页岩占50%—60%，易风化崩解破碎，成土过程快，土壤抗蚀力弱［3］，土壤类型主要为紫色土。现存林分主要是20世纪70—80年代长江防护林建设工程营建的人工柏木纯林。大多柏木纯林林分密度过大，水土保持、水文效应等生态效益低下，亟需进行结构调整。

为了构建合理的林分结构，促进林分乔灌草合理配置，提高林分的水土保持等生态服务功能，从2005年开始，课题组在林山乡林园村，选择了林分林龄35—40a，林分郁闭度≥0.8，林下灌木盖度≤20%，草盖度≤45%，枯落物盖度≤50%，天然更新不良的低效柏木林，进行了带状采伐和补阔相结合的林分改造。以随机抽样的方式，在需要改造林分中设置不同强度的林分改造带和对照带。林分改造按照采伐带与保留带呈相同带宽纵向交替分布方式，分别设置带宽4、6、8、10m共4个强度和15—20m的对照带进行改造;在采伐带中，以桤木、喜树(Camptotheca acuminata)、香椿(Toona sinensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、香樟(Cinnamomum camphora)等阔叶树种进行人工补阔;经营方式采用近自然经营方式;每个改造强度设置2—3个重复。按照上述林分改造方式，进行了4个林分改造重复。布置重复试验的林分，在改造前，除分布位置不同，其林分郁闭度、乔灌草特征及土壤物理性质、营养成分含量等立地条件等均无显著性差异。

2 试验方法

2.1 样地设置

选择改造样点中，垫子边、老坟嘴、养老院对山3个样点改造林分进行样地设置。在每个调查样点，分别就不同带宽的采伐带、保留带和对照林带，按照自上而下的顺序，设置小样方进行调查，以同一改造强度内采伐带和保留带调查指标结果值取平均值作为该改造强度下林地指标值。各样带主要调查内容包括:乔木密度(胸径≥5cm)，灌木和草本盖度和高度，灌木和草本鲜重生物量，分种取鲜样测定持水率。灌木样方2m×2 m;草本样方1m×1m，分布在灌木样方的右上角和左下角;枯落物样方0.5 m×0.5 m，分布在灌木样方的四个角上，收集枯落物，装入塑料袋带回实验室处理，并计算枯落物持水。每个调查带灌木样方不得低于10个，选取3个剖面，采用环刀分0—15、15—30、30—45cm 3个层次取样，测定土壤孔隙度，取3个土层平均值为孔隙度值。其中枯落物持水按照公式(1)计算:

表1 样地概况统计表Table 1 Basic status of sampling plots

2.2 林冠截留

林冠截留按照:林冠截留量=降水量－穿透雨量－树干茎流量［5］计算。降雨量:在试验地外50 m空地上安置CR-2型自计雨量计，测定试验期间大气降雨量。树干径流测定:根据径级和冠幅大小，分别在不同改造强度的采伐带、保留带和对照样地内，每个树种选择5株标准木，用直径为1cm的聚乙烯塑料管剖开后沿树干螺旋形围绕2—3圈，固定在树干并用胶泥填补缝隙;塑料管下部与地面呈30°左右角度，接入10L塑料桶内收集树干径流，以均值作为单株的树干径流量，各树种单株径流量乘以林木密度之和，即为林分总树干径流量。穿透雨量测定:在同一样地，内随机布设10个口径为20cm塑料容器(去除周围的草本植被，使其低于容器)，收集每次降雨的穿透雨量，以均值作为穿透雨量。

2.3 灌草截留

灌草截留量采用一般的收获法和浸水法测定［6］。计算公式:

式中，I为灌草层截留量(mm);Wi为i种植物地上部分鲜重生物量(t/hm2);Ri为i种植物的持水率(%)。

2.4 土壤贮水量

采用中国生态系统研究网络陆地生态系统水环境观测规范［7］中的方法测定土壤孔隙度。土层厚度统一以45cm计算，土壤贮水量分别按照以下公式计算［8］:

式中，Wc、Wn和Wt分别为土壤毛管持水量(mm)、非毛管持水量(mm)和最大持水量(mm);Pc、Pn分别为毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%);H为土层深度(m)。

2.5 径流与产沙

试验样地中，用PVC材料，结合改造样地地形地势，自上而下，每个样带布置3—5个2 m ×4 m［4］临时径流小区，测定相同降雨条件下，不同林分类型的径流量和产沙量;以同一样带小区测定的总值为该样带测定面积的径流量和产沙量;以采伐带和保留带测定平均值为改造样地测定值。

2.6 数据处理与分析

采用Excel2003进行数据数据统计和图表制作;采用SPSS13.0进方差分析和差异性检验。

3 研究结果

3.1 林冠截留

图1为2010年和2011年不同强度改造林分降雨量与林冠截留量关系图。研究表明:改造林分和未改造林分的林冠截留量都与降雨量呈极显著的幂函数关系;林冠总截留量和单次最大降雨量的截留量的变化趋势一致，按照截留量大小排序，林分截留总体表现为:对照林分截留量最大，其单次截留最大达到8.9mm;其次是10m改造林分＞8m改造林分＞6m改造林分，4m改造林分截留量最低，单次最大截留量为5.6mm。经截留量成对t检验(表1)结果表明，各林分的林冠截留量都有极显著性差异(P＜0.01)。在不同强度的改造林分中，林冠截留量大小表现为采伐带极显著性低于保留带;保留带与采伐带中林冠截留的变化趋势相同。

图1 不同改造强度下林分降雨量与林冠截留关系图Fig.1 The relationship between rainfall and canopy interception in forests with different cutting intensity

3.2 灌草生物量与持水量

图2为不同改造强度林分灌草鲜重生物量与持水量，可以看出，灌草鲜重生物量与持水量都表现为改造林分显著性高于对照，但在不同强度的林分间有差异。灌木鲜重生物量与持水量大小排序表现为:8m改造林分＞10m改造林分＞6m改造林分≥4m改造林分;草本鲜重生物量与持水量表现为8m改造林分最高，达到了(9.93 ±0.56)t/hm2和(0.99 ±0.089)mm;6m 改造林分次之;4m 改造林分最低，为(7.10 ±0.11)t/hm2和(0.60 ±0.049)mm。

表2 不同带宽改造强度林分林冠截留成对t检验P值Table 2 P values of paired t-test on canopy interception in forests with different cutting intensity

图2 不同改造强度灌草层鲜重生物量与持水量Fig.2 Fresh biomass and water-holding capacity of shrubs and grasses in forests with different cutting intensity

在改造林分中，灌木鲜重生物量与持水量在采伐带和保留带中变化趋势大致相同。灌木生鲜重物量和持水量大小表现为:在4m改造林分中，采伐带高于保留带;其余改造强度表现为保留带高于采伐带。草本鲜重生物量均表现为采伐带低于保留带;草本持水量则表现为，在4m和10m采伐带草本持水量低于其保留带，6m和8m的保留带较高于采伐带;草本持水量在保留带和采伐带中，除6m和8m带，其余各带宽间也有显著性差异。

3.3 枯落物量及持水量

从不同改造强度下林分枯落物量与其持水量(图3)可以看出，以对照林分枯落物含量和持水量((1.28±0.081)t/hm2和(0.36±0.019)mm)显著性高于改造林分，其大小排序为对照最高，6m、8m 改造强度林分次之，10m改造强度林分最低;这主要是由于改造林分中，采伐带枯落物量和枯落物持水量较低，其范围分布在(0.59 ±0.154)—(0.65 ±0.133)t/hm2和(0.16 ±0.034)—(0.22 ±0.031)mm。林分枯落物量和枯落物持水量表现为改造林分与对照有显著性差异，改造林分间没有差异。在不同改造强度中，不同带宽采伐带间和不同带宽保留带间的枯落物量及枯落物持水量没有显著性差异(经方差分析，差异不显著(F＜F0))。

图3 不同改造强度林分枯落物量与持水量Fig.3 The biomass and water-holding capacity of litter in forests with different cutting intensity

2.4 土壤孔隙度与贮水量

林分改造后，改变了林分内微环境的改变，也改变了土壤孔隙度。从图4不同改造强度林分土壤孔隙度与贮水量状况图可以看出，改造后林分土壤的孔隙度和土壤持水量均显著性高于对照林分。其中各改造强度下林分土壤的非毛管孔隙度、总孔隙度与非毛管持水量、最大持水量与照林分均有显著性差异;毛管孔隙度和毛管持水量则表现8m和10m改造强度与对照林分有显著性差异，其余林分间没有显著性差异。在不同改造强度下，除了4m改造强度下，林分土壤的非毛管孔隙度及非毛管持水量与其余改造强度林分有显著性差异外，其余各改造强度下的土壤孔隙度与贮水量均没有显著性差异。改造林分中，其采伐带中土壤孔隙度和贮水量较高于保留带。

图4 不同改造强度林分的土壤孔隙度与贮水量Fig.4 The soil porosity and water storage in forests with different cutting intensity

2.5 径流深与产沙量

表3为2010年5—9月的降雨量和不同改造强度下林分地表径流深和产沙量。结果表明:林分总径流深以对照林分最小，且与各改造强度林分的地表径流深有极显著性差异。从不同改造强度林分径流深分配看，采伐带中径流深均明显高于保留带;经成对t检验结果显示(表4)除了8m改造强度林分与6m和10m改造林分无显著性差异外，其余各改造强度林分间的径流深有显著性差异。在改造林分不同带宽的保留带径流深，4m分别与8m和10m有显著性差异，其余带宽没有显著性差异;采伐带中除6m和8m没有显著性差异，其余带宽间均有极显著性差异。

林分总产沙量表现为对照(产沙总量达1262.52kg/hm2)极显著性高于改造林分(499.25—484.95 kg/hm2)，不同改造强度林分间的产沙量没有显著性差异。在改造林分中，保留带的产沙量低于采伐带。其保留带产沙量范围为426.61—449.19 kg/hm2，采伐带产沙量则以4m最高，为571.89 kg/hm2;经成对t检验结果显示(表4)，保留带中，4m与其余各带宽有显著性差异，其余没有;采伐带中，各带宽间均有显著性差异。

表3 不同带宽强度改造林分径流深与产沙量Table 3 The runoff depth and sediment yield in forests with different transformation intensity

表4 不同带宽改造强度林分地表径流和产沙量成对t检验的P值Table 4 P values of paired t-test on surface runoff and sediment yield in forests with different cutting intensity

4 结论与讨论

林冠截留作为森林生态系统中水源涵养效能的重要环节，一直以来，都被广泛关注并进行了大量研究［9-12］。根据林分林冠截留总量和单次最大截留量的大小排序显示，这次林分改造降低了林分的林冠截留，各改造林分林冠截留率为10.29%—11.90%，均低于对照林分17.86%。这是因为林分的林冠截留量不仅与林分内乔木层树种的密度呈相关，还与林分内树种组成相关。改造林分中树种密度均低于对照林分，且林分内补造的阔叶树种相对未改造的柏木树种，树冠冠幅较小，枝叶含量较少，对雨水的截留量较少。改造林分截留率降低，这对季节性干旱缺水的川中丘陵区而言，这样的改变有利于林分涵养水源。因为林冠对降水的截留或再分配，是森林生态系统涵养水源，调节河川径流的主要生态功能之一，但林冠截留同时也是森林的一种耗水方式，其截留量越大，被森林林冠消耗的水资源越多，进入林分的水分越少，在干旱缺水地区，对林木生长及该地区水资源将产生不利的影响。

灌草层作为森林近地表层，是连接大气、降水、根系和深层土壤的优先界面，其数量结构及根系分布对土壤结构和理化性质以及土壤的蓄水性和抗侵蚀能力等有重要影响［13-14］，其地上部分对降水的截留作用，在整个森林生态功能中也具有不可忽视的作用［15］。林下灌草鲜重生物量与截留量总体均表现为8m改造林分＞6m改造林分＞10m改造林分＞4m改造林分＞对照林分，但鲜重生物和截留的最大值与最小值分别相差6.8和7.8倍。这是因为灌草层持水量不仅与其鲜重生物量有关，还与植物个体种类(物种持水率)有关［16］。林分改造，降低了整个林分的郁闭度，增强了林下光照和水分，使得林下土壤种子库中种子得以萌发和生长，增加了林分灌草生物量。随着林下灌草的生长发育，灌草种类的多样性增加，不仅有持水率较高的悬钩子、黄荆等灌木种和竹节草、禾本科草等草本种，还有盐肤木、马桑、地瓜藤等一些持水率的灌草种也大量存在。由于各物种持水率大小不一致，导致灌草层持水量与鲜重生物量并不呈简单的线性关系。

枯落物层在森林生态系统水文功能中有着重要作用，枯落物持水也是森林蓄水的容量的重要组成部分，其持水率可以达到自重的2—5倍［17］。本次研究表明，在改造林分中枯落物持水率为其干重的2.8—3.4倍，与前人研究结论一致。从枯落物量和持水量看，改造林分均小于对照林分，大小排序与林冠截留和灌草截留量排序相反，数值上都远远低于川西高山和亚高山的子栎灌丛(8.45mm)和亚热带森林平均值(3.69mm)［18］，与闫东锋［16］等对豫南山区不同群落类型近地表层持水特性研究结论相反。这是因为在对照林分中，林分郁闭度大，林下光照低、水、热等条件差，土壤微生物数量少和多样性低［2］，枯落物的缓慢，枯落物量逐年增加;林分改造后，一方面，因林分改造，采伐带中补阔树种多处于幼林龄阶段，林下枯落物产量减少;另外一方面，林内的光照、水热等条件，促进了微生物的发育，加速了林下枯落物的分解，导致改造后林分枯落物量大量减少，从而导致了枯落物持水量减少。

林地土壤是森林涵养水源的主体，土壤孔隙则是影响土壤贮水量的重要因素。本次林分改造后，均表现为改造林分土壤的孔隙度和贮水量都显著性高于对照林分，各改造强度林分间没有显著性差异。这是由于林分改造后，部分柏木采伐，其根系，尤其是大量细根的腐朽，增加了林分土壤孔隙度;另外，随着林分改造，水、热、光照等条件的改善，土壤动物、微生物等数量增加，活动更频繁，也将增加土壤孔隙度;加之林下灌草的根系的不断发育、死亡，也增加了土壤孔隙度。森林土壤贮水量与孔隙度呈正相关，随着土壤孔隙度的增加，林分土壤贮水量增加。

林分改造后，不仅影响了林冠截留、灌草及枯落物持水量和土壤孔隙度及贮水量，也改变林分中的地表径流深和产沙量。通过不同带宽采伐和补阔措施进行的林分改造，增加了林分的地表径流，降低了径流产沙量。其中地表径流量的增加，这是因为改造林分中采伐带中补阔树种多处于幼林龄阶段，林冠截留显著性减小，进入林内降水总量明显增加;林下灌草层持水和土壤贮水能力有限，最终表现为林分径流深总量增加。而改造林分中径流产沙量的显著性降低，这是由于灌草层和枯落物是对林分水土保持有着直接的决定性作用［19］。由于林分改造后，林下灌草层的充分发育，地上部分对林冠雨，穿透雨等雨滴进行了截留，避免了雨滴对土壤的直接侵蚀;灌草层对林内雨滴的截留还延长了地面径流的汇流时间，减缓了地表径流的流速;灌草层发达的根系改良了土壤结构，提高土壤的抗冲和抗蚀性等因素的综合作用，降低了林分表径流产沙量。

通过林冠截留、灌草鲜重生物量与截留量、枯落物含量与持水、土壤孔隙度与贮水量和径流深与产沙几个方面综合表现看，利用带状采伐和补阔相结合的林分改造对提高林分的水土保持功能是有效的。从改造林分看，林分林下灌草截留和枯落物持水均以8m强度的改造林分效果最好;径流量和产沙量也表现为8m和10m的采伐强度林分中最低，且两个强度间没有显著性差异;综合各方面指标，可以看出8m带宽的改造总体表现最好，4m最差。另外，在项目针对改造林分补阔树种成活率与保存率和林下灌草生物多样性等方面的研究中，在8m带宽中，补造阔叶树种的成活率和保存率高于其它几个改造强度;林下灌草多样性种类在8m带宽以后没有增加。

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