马尾松闽粤栲异龄复层林土壤肥力及涵养水源功能

2018-01-12洪宜聪乐兴钊罗志梁

福建林业科技 2017年4期

洪宜聪，乐兴钊，罗志梁

(福建省沙县林业局，福建三明 365500)

在我国南方，商品用材林基地中有相当数量的针叶纯林，林权经营者为追求最大的经济效益，营造连片的马尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(CunninghamialanceolataLamb.)等针叶树种纯林[1]。近年来，不少处于重要区位的商品林被划为生态林。为维护林农利益，国家采取科学规划，广泛筹集资金，通过开展重点生态区位商品林赎买，解决了他们收益的问题，但这些林分树种单一，林龄老化，已进入生长衰弱期，造成林分生态功能脆弱，抗逆性差，各种自然灾害频发，有害生物猖獗[2]，水土流失日益趋重，林分发挥不了保护区域生态的作用。因此，如何改造生态区位针叶纯林，使之成为树种多样、林分结构合理、生态涵养功能健全、生物多样性丰富的森林生态系统，提升重点区位针叶林的生态功能，是重点区位生态林管护亟待解决的重要问题。探索一条应用于改造重点生态区位的针叶纯林而又有效、经济、可操作的营林途径，补齐重点区位生态林生态功能不强的短板，为完成重点生态区位商品林赎买后其针叶纯林定向改造及生态复合林重建提供科学依据，从而解决生态区位针叶林生态功能脆弱的问题，筑牢重点生态区位的绿色屏障，是林业工作者急需完成的课题。

闽粤栲(CastanopsisfissaRehder E.H.Wilson)是福建省常绿乡土阔叶树种，其幼树较耐荫，对立地条件要求不高，是造林的先锋树种[3]。为揭示重点生态区位的马尾松纯林下栽植闽粤栲对林分的土壤肥力和涵养水源功能的影响，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，2006年在福建省沙县进行重点生态区位的马尾松纯林下栽植闽粤栲试验。

1 试验区概况

在福建省沙县高砂镇林场(北纬26°6′—26°46′、东经117°32′—118°6′)阳溪、玉口工区17林班9大班1、3、4、5、7、9小班和相邻18林班5大班6小班的马尾松纯林设立试验区。试验区海拔180～310 m，年均气温15.6～19.8 ℃，最低气温-7.1 ℃，最高气温40.3 ℃，≥10 ℃年积温4482～5860.1 ℃，年无霜期309～316 d，年均降水量1530～1820 mm，相对湿度82.3%。试验林为25年生马尾松重点区位生态林，面积为129.6 hm2，林分保留密度为2730～2985株·hm-2，平均树高19.5 m，平均胸径22.8 cm，郁闭度0.81。林地为Ⅱ类地，土壤类型为黄红壤。林下植被主要为芒萁(Dicranopterisdichotoma)、紫萼(Hostaventricosa)、乌蕨(Stenolomachusanum)、地菍(Melastomadodecandrum)、翠云草(Selaginellauncinata)、阔叶箬竹(Indocalamuslatifolius)等[4]。

2 材料与方法

2.1 试验设计

于2006年9月，对预定试验区的马尾松林以机械均匀方式进行择伐[5]，伐后保留密度设为300、450、600、750、900、1050株·hm-2，分别以A、B、C、D、E、F表示。伐后，清理林地并于保留的马尾松间隙挖穴，规格50 cm×40 cm×40 cm，于翌年春选用闽粤栲(1年生实生苗)栽植，苗木质量要求：苗高≥50 cm，地径≥0.5 cm[6]，闽粤栲的栽植密度均为1200株·hm-2。

用裂区设计排列各试验小区，在套种林分上设立面积为20 m×20 m的标准地，重复3次。栽植后前3 a，每年在栽植的闽粤栲周围进行小团状锄草抚育。选择与试验区相邻的立地条件相同的马尾松纯林，设立面积为20 m×20 m的标准地3块，作为对照林分，没有进行择伐等任何措施，以CK表示。

2.2 试验方法

2.2.1 乔木层生物量和持水量测定 2016年10月，于标准地内选取胸径、树高与平均值相近(误差≤±5%)的样树5株，分别测定其胸径(地径)、树高与冠幅。运用Monsi法分层切割，以每1 m为区分段，分段锯断称量，分别测定样树的干、枝、叶、皮的鲜质量；分别从树干基部、中部及顶端锯取1个圆盘，测定含水量。随机选取30%样品烘干，测定其干质量，计算出含水量和林分单位面积的生物量。再随机选取20%样品浸水24 h，测定持水率并以林分生物量(鲜质量)计算出持水量[7-8]。

2.2.2 林下植被和凋落物调查 2016年10月于标准地内，以“S”路线设置5个2 m×2 m的样方进行灌木层调查，再设5个1 m×1 m的小样方进行草本层调查，详细调查林地植被的种类和数量。用样方收获法测定小样方内凋落物生物量，在室内按L层(未分解的枯枝落叶层，由新凋落的叶、细枝、茎、树皮、果实等凋落物及动物残体所组成，它们的原形尚可辨识)、F层(半分解的枯枝落叶层，该层动植物残体已经部分分解，但它们的部分结构尚可分辨)、H层(粗腐殖质化的枯枝落叶层，该层动植物残体已经全部分解)分别测定其质量；随机选取30%样品烘干，测定其干质量，计算出含水量；再随机选取20%样品浸水24 h，测定持水率并以林分生物量(鲜质量)计算出持水量[7-8]。

2.2.3 土壤分析 2006年11月和2016年10月，在每个标准地上选择2棵树间挖土壤剖面，分别采集0～20、20～40 cm土层的原状土样用于土壤物理性质的分析测定，土壤渗透速率测定用土壤渗透仪，土壤团粒结构测定用TTF-100型土壤团聚体分析仪(北京强盛分析仪器制造中心)[9]；并取各层次混合土样，用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)分析测定其化学性质。各种测定均5个重复。

2.2.4 数据处理方法运用Excel 2007进行数据分析处理，用SPSS 17.0软件进行方差分析，对处理林分各层的生物量(包括乔木、林下植被和凋落物)、土壤物理化学性质的主要参数、林分各层的持水量(含地上部分和土壤)、土壤渗透性能和土壤抗蚀性能等进行显著性分析。

3 结果与分析

3.1 土壤肥力分析

各处理林分土壤养分状况见表1。与栽植前相比，土壤各土层的养分各项指标均有提高。各处理0～20 cm土层的有机质、全氮、全磷、全钾分别比栽植前提高29.32%、27.35%、27.67%、23.30%以上，水解氮、速效磷、速效钾分别比栽植前提高11.01%、13.95%、14.16%以上，pH值和C/N分别比栽植前提高5.20%、5.29%以上，以C处理和D处理提高最多。各处理20～40 cm土层的养分状况亦均有相同趋势。而马尾松纯林0～20 cm土层历经10 a后，其有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、速效磷、速效钾则只增加13.23%、10.19%、5.31%、4.90%、4.45%、6.87%、4.53%，pH值、C/N则提高3.14%、1.79%，增幅不大；其20～40 cm土层也表现出相同趋势。表明马尾松林下栽植闽粤栲后，随着回归林地的枯枝落叶数量增加，土壤养分各项指标提高，养分状况得以改善，土壤肥力提高，进而增加了林分的生物量，增强了林分生态功能。在现有马尾松纯林栽植闽粤栲对于其生态功能的提升有着重要意义。

表1 各处理林分土壤养分状况

表1(续)

3.2 林分涵养水源功能

3.2.1 土壤孔隙状况各处理土壤的孔隙状况见表2。与栽植前相比，各处理土壤密度变小，而非毛管孔隙度与土壤总孔隙度变大，0～20 cm土层最明显。各处理0～20 cm土层土壤密度与栽植前相比下降8.29%以上，以C处理和D处理最好。而马尾松纯林历经10 a只下降2.56%，降幅很小。与栽植前相比，非毛管孔隙、总孔隙度增幅均大于23.60%、15.76%，以C处理和D处理增幅最大。而马尾松纯林0～20 cm土层的非毛管孔隙、总孔隙度历经10 a则增加4.10%、2.77%。各林分20～40 cm土层也有同样趋势，只是增加幅度小些。表明马尾松林下栽植闽粤栲后，由于闽粤栲根系在各土层盘结、穿插、分割等活动，改善了孔隙状况和土壤结构，使土壤疏松、透气，利于养分输送和水分渗透，从而使林地蓄水能力得以提高，森林生态功能得到提升。

3.2.2 土壤水分状况土壤的水分状况是体现土壤功能的重要因素。各处理土壤水分状况见表2。各处理0～20 cm土层的毛管持水量、田间持水量、最大持水量与栽植前相比，增幅分别大于13.61%、15.50%、28.33%；与马尾松纯林相比，增幅分别超过9.75%、10.76%、22.69%，C处理、D处理增幅最大。各处理20～40 cm土层的趋势相同，不过增幅小些。而马尾松纯林0～20 cm土层历经10 a后，其毛管持水量、田间持水量、最大持水量只增加4.32%、4.92%、8.19%，增幅很小，其20～40 cm土层也表现出相同趋势。表明马尾松林下栽植闽粤栲林分土壤的孔隙状况得以改善，优化了土壤的水分状况，其表土层土壤的水分状况优于马尾松纯林，有良好的保水功能，土壤的持水力得以提高。

表2 各林分土壤孔隙度与水分状况

表2(续)

3.2.3 林分持水能力各处理林分树冠层持水量见表3。马尾松纯林树冠层持水量为10.128 t·hm-2，A、B、C、D、E、F处理的林分树冠持水量依次为11.248、11.422、11.721、11.798、11.849、11.872 t·hm-2，比马尾松纯林高出11.06%以上，C处理和D处理持水量最大。

表3 各处理林分树冠层持水量

*：同列不同小写字母为差异显著；不同大写字母为差异极显著；下同。

各处理林下植被层及凋落物层的持水量见表4。马尾松纯林林下植被层、凋落物层持水量为0.823、17.163 t·hm-2。A、B、C、D、E、F处理林下植被层持水量依次为1.191、1.143、1.100、1.058、1.025、0.986 t·hm-2，与马尾松纯林相比增加24.54%以上，以C处理和D处理增加最高；A、B、C、D、E、F各处理林下凋落物持水量依次为25.351、26.367、27.586、27.602、27.226、26.827 t·hm-2，与马尾松纯林相比增加47.71%以上(表5)，以C处理和D处理最好。植被层持水量表明由于各处理林分植被的种类与数量增大，凋落物现存量增加，其持水量也增大，林分持水性能也提升。

林分发挥涵养水源作用最大贡献者是林分的土壤。各处理土壤持水量见表4，马尾松纯林0～40 cm土层持水量为1627.357 t·hm-2，A、B、C、D、E、F处理0～40 cm土层的持水量依次为1933.056、1934.251、1936.632、1935.879、1934.623、1933.759 t·hm-2，与马尾松纯林相比高出305.699 t·hm-2以上，提高了18.78%以上，以C处理和D处理土壤持水量最高。

马尾松纯林总持水量为1655.471 t·hm-2，A、B、C、D、E、F处理林分总持水量依次为1970.846、1973.147、1977.039、1976.337、1974.723、1973.444 t·hm-2，与马尾松纯林相比均高出315.375 t·hm-2以上，提高了19.05%以上，以C处理和D处理最好，土壤层持水量约占林分总持水量的98.0%。表明马尾松林下栽植闽粤栲，建立起稳定的异龄复层林，土壤结构各项参数得到改善，从而提升林分涵养水源性能；而马尾松纯林由于树种单一，导致土壤结构不合理，林分涵养水源性能较差。

表4 各处理林分各层的持水量

表5 各处理林分各层的持水量与马尾松纯林各层的持水量相比增加量 %

3.2.4 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。各处理林分土壤渗透性能与抗蚀强度见表6，各处理土壤的初渗速度均大于4.21 mm·min-1，是马尾松纯林的1.1倍以上；稳渗速度超过2.96 mm·min-1，是马尾松纯林的1.32倍，C处理和D处理的土壤渗透性能最佳。表明马尾松与闽粤栲建立的异龄复层林具有多层次结构，土壤结构合理，入渗能力得以提升。

表6 各处理土壤渗透性能与抗蚀强度

3.2.5 土壤抗蚀性各处理在不同降水条件下抗蚀强度见表6。各处理在5种降水强度下，土壤的侵蚀量有差异，经方差分析，在同样降水量时各处理林分与马尾松纯林抗蚀性能差异极显著，以C处理和D处理抗蚀性能最好。表明在马尾松林下栽植闽粤栲可提升土壤的抗蚀性能。

4 结论与讨论

试验结果表明：对重点生态区位马尾松纯林采取机械均匀方法间伐，伐后在马尾松林下栽植闽粤栲，闽粤栲套种密度1200株·hm-2，上层马尾松林保留密度600～750株·hm-2为宜。

利用重点生态区位马尾松现有生长环境，按一定的密度调控间伐，在其林下栽植闽粤栲，建立稳定的异龄复层针阔混交林，将单一结构的马尾松纯林改变为多树种复合结构。这种复层针阔混交林使得凋落物现存量增加，分解速度加快，凋落物分解后释放出大量的有机质和养分，改善了土壤物理、化学性质，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[10]。本研究的各处理土壤的有机质、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效钾含量，pH值和C/N等各项养分指标比栽植前和马尾松纯林均有大幅提升，复层林的土壤养分增加[11]。水、气、肥条件的改善，促进了马尾松和闽粤栲生长[12]。各处理土壤的孔隙度、毛管持水量、田间持水量和最大持水量等比栽植前大幅提高，土壤的孔隙状况亦大幅改善。从而提升林分土壤蓄水能力，地表径流减少，土壤渗透性能与抗蚀强度大幅提升，入渗能力得以提升，增强土壤抗蚀性能[13]。混交林分的涵养水源和保持水土的功能得到提升，提高了林分保水固土能力[14]。而马尾松林由于树种单一，导致土壤结构不合理，林分涵养水源性能较差。因此，异龄复层林表现出比马尾松纯林更强的涵养水源及保持水土的性能。

在现有马尾松纯林下栽植闽粤栲，营建针阔异龄复层林，这一措施是重点区位生态针叶林定向改造及生态系统重建技术更新的手段。针阔异龄复层林的营建，重塑了林分结构，其结构独特、合理，不但下层的林木对上层林木影响很小，而且改善林分生态，形成小环境，土壤得到改良，地力得到提高，进而促进了林木的生长，林分抗逆性得以提升[15-16]。可解决大面积针叶纯林导致生态系统脆弱、地力衰退的问题，是重建中亚热带常绿针阔混交林的好途径，可为重点区位生态针叶林定向改造及生态系统重建、马尾松纯林改造与经营提供参考[17-18]，有条件的地区可推广。

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