地表覆盖栽培雷竹林植被退化特征分析

2018-01-23刘亚迪范少辉蔡春菊刘广路肖复明

竹子学报 2017年3期

刘亚迪，范少辉，蔡春菊，刘广路，肖复明

(1.国际竹藤中心，国家林业局竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102；2.湖州师范学院农村发展研究院，中国生态文明研究院，浙江湖州 313000； 3.江西省林业科学院，江西南昌 330032)

雷竹(Phyllostachyspraecox)作为一种优良的人工栽培笋用经济竹种，近年来随着以冬季地表增温覆盖和施肥为核心的早产高效栽培技术的推广，雷竹在适生区得到了规模化的引种栽培。然而随着经营年限的增加，高强度的人为经营模式使得雷竹林系统的稳定性失衡，竹林出现了大面积退化现象。林地退化是当前林学以及生态学研究的热点问题之一，而对退化程度的诊断和评价是研究生态系统退化过程中首先必须解决的问题[1]。雷竹林个体农户“农作物式”分散经营的栽培方式，使得雷竹林的林分结构、经济产出以及立地条件在不同农户之间存在极大的差异，这给雷竹林退化评价工作的进行增加了一定的难度。鉴于地表增温覆盖雷竹林在生物学特性以及经营模式方面所具有的经济林和农作物双重属性的特点，我们借鉴人工林和农作物退化评价工作中的经验，然而雷竹林农户分散经营使得林地土壤理化性质在不同农户之间具有极大差异，不能完全代表雷竹林生态系统特征[2]，因此在进行退化评价指标的选择过程中有必要排除雷竹林土壤理化性质对评价的干扰作用。基于此，本文以雷竹林植被退化为研究主体，充分考虑雷竹林产生巨大经济效益这一经济和社会属性，以经济作物林地退化评价中选用的经济效益为评价目标，同时兼顾人工竹林中立竹密度、林分平均胸径和立竹年龄结构[3-5]等林分结构因子对竹笋产量的影响以及在衡量竹林生长状况和生产力高低方面发挥的重要作用，选择竹笋产量和林分结构因子为评价指标开展雷竹林植被退化程度等级划分的研究，以期为开展地表覆盖雷竹林退化特征机制以及恢复工作提供理论依据。

1 试验地概况与研究方法

1.1 试验地概况

本研究选取浙江省杭州市临安区太湖源镇和江西省万年县大源镇2个试验点的雷竹林作为研究对象。两地的雷竹林均由水稻田退耕改植，以农户分散经营为主，经营方式基本上采用以覆盖和施肥为主的栽培技术，即：雷竹种植后一般从第5年开始进行地表覆盖和大量施肥，地表覆盖基本上采用的是稻草+砻糠双层覆盖法，即下层增温层采用稻草作为发热增温材料，厚度为10～15 cm；上层保温层采用砻糠作为保温材料，厚度为15～20 cm。下层的稻草经过一个冬春的发酵和雨雪水的淋泡己基本腐烂入土。翌年3-4月份天气转暖，揭去未腐烂的砻糠回收利用，一般与新砻糠混合使用3次，逐年新加1/3。施肥一般每年3-4次，6月施长鞭肥，9月施催芽肥，11-12月施孕笋肥，次年3-4月可施长笋肥。以此技术为指导，不同地区、不同农户在实施过程中亦存有差异。

(1)浙江省杭州市临安区太湖源镇(30°14′N，119°42′E)。位于国家级自然保护区天目山东麓，属亚热带湿润性季风气候，四季分明，气候温和，雨水充沛，年均降水量为1 550 mm。历年平均年日照时数为1 939 h，无霜期236 d。年均气温15.9 ℃，7月为最热月，历年平均气温为28.1 ℃，1月为最冷月，历年平均气温为3.4 ℃，极端高温为41.9 ℃，极端低温为-13.3 ℃。土壤为发育于砂页岩的红壤土类，黄红壤亚类。太湖源镇属浙江省雷竹原产地和重点产区，雷竹栽培历史在20 a以上，同时也是雷竹早产高效栽培技术推广最早、应用面积最大的乡镇之一。目前，竹笋产业已成为当地经济社会发展的支柱产业以及农民家庭经济收入的主要来源。然而由于长期集约经营和林地连年覆盖，雷竹主产区出现的竹林大面积退化的现象，已经严重影响到竹产业的可持续发展。

(2)江西省万年县大源镇荷溪村(28°43′45″N，117°09′33″E)。属亚热带湿润性季风气候，气候温和，光照充足，雨水充沛，无霜期为261 d，年均日照1 887.2 h，年均气温17.7 ℃，年均降水量1 766 mm，林业用地面积64 600 hm2，森林覆盖率达64.2%。土壤以水稻土为主，红壤、湖土次之，并有少量的紫色土和红色灰土，适应多种农作物和亚热带植被的生长。自20世纪90年代末，在国家“退耕还林工程”建设的积极响应下，针对山区农民人均耕地少的实际，该县开始鼓励农民栽植雷竹，并引进了覆盖栽培技术，目前该县已把雷竹做成优势产业，仅大源镇雷竹栽植户就超过1 000户，面积约为1 000 hm2，其中400 hm2进入丰产期，年收入20万元以上的种植户有20多户。万年县雷竹林的栽植覆盖年限不超过10年，较高的经济产出使得农户经营管理的积极性很高，但关于该地雷竹林生产经营状况以及是否存在林地退化等方面的研究还很少有学者涉及。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择与设置在对浙江和江西2省雷竹林详细踏查、对当地农户进行咨询访问、查阅相关文献和林业部门档案资料的基础上，同时充分考虑雷竹林人工经营的历史阶段，即未实施地表覆盖栽培经营阶段、实施地表覆盖栽培高效经营阶段、地表覆盖栽培雷竹林低效经营阶段以及针对低效雷竹林实施相应改善经营阶段，从这4类经营阶段的雷竹林中设置试验样点共40个(具体概况见表1，其中覆盖年限为连年覆盖年限)，每个样点3个样地重复，样地规格为10 m×10 m。每个试验样点均由当地不同农户分别经营。

表1 雷竹林退化评价试验点设置概况

1.2.2林分结构因子以及竹笋产量调查[2]在每块样地内，分别按照竹龄(1年生、2年生、3年生以及以上)进行立竹检尺，调查立竹密度、立竹胸径、立竹年龄、立竹枝下高等林分结构主要因子。出笋期，在每块样地内，保留正常经营所需要留养的竹笋数量，以实际采收的竹笋统计竹笋产量。新竹长成后，调查样地中的新竹数、新竹胸径、新竹枝下高等。

1.2.3数据统计与分析试验中的各项调查因子分别表示如下：

x1—立竹密度(万株·hm-2)，x2—1年生立竹比例(%)，x3—1年生立竹平均胸径(cm)，x4—1年生立竹平均枝下高(m)，x5—2年生立竹比例(%)，x6—2年生立竹平均胸径(cm)，x7—2年生立竹平均枝下高(m)，x8—3年生及以上立竹比例(%)，x9—3年生及以上立竹平均胸径(cm)，x10—3年生及以上立竹平均枝下高(m)，x11—新竹比例(%)，x12—新竹平均胸径(cm)；x13—新竹枝下高(m)，x14—竹笋产量(t·hm-2)。

本文使用SPSS 13.0统计软件进行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，对40块雷竹试验林的14项林分结构因子以及竹笋产量等指标进行主成分提取[6]，通过主成分分析所确定的不同主成分量的线性组合计算不同样点每个主成分的得分和综合得分，对每个样点的主成分得分进行聚类分析，进而对不同试验点雷竹林进行基于林分结构因子和竹笋产量的植被退化等级划分和综合评价。

2 结果与分析

2.1 林分因子各指标的相关性分析

对40块雷竹试验林的14项林分因子指标进行调查的结果见表2，对这14项指标进行相关分析(见表3)可知：各测量指标之间存在一定的相关性，其中不同年龄立竹比例之间存在一定的联系，1年生和2年生立竹比例与3年生及以上立竹比例呈极显著负相关(P<0.01)，1年生立竹比例与新竹比例之间存在极显著正相关，说明雷竹林在不同程度经营水平下存在一定的年龄结构比例。2年生以及新竹的立竹平均胸径分别与各自年龄结构的立竹平均枝下高呈极显著正相关(P<0.01)，刘丽等[2]认为立竹枝下高是立竹胸径的从属因子，许多研究也表明二者相关关系显著[7-8]，因此可以充分考虑二者的关系进行退化程度评价指标的筛选。2年生立竹平均胸径分别与1年生、3年生及以上立竹平均胸径有极显著的正相关关系，这也揭示了不同年龄立竹对林地养分利用呈一定的比例关系。此外，竹笋产量与1年生立竹平均胸径、2年生立竹平均胸径、2年生立竹平均枝下高、3年生及以上立竹平均枝下高、新竹胸径、新竹枝下高之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)，王光剑等[4]在进行合江方竹竹笋产量与林分平均胸径之间的相关性研究时认为林分平均胸径是衡量竹笋产量高低的主要直接指标，而年龄结构和密度结构往往通过林分平均胸径对竹笋产量产生间接效应，本文中雷竹林林分结构因子各指标之间的相关关系也证实了这一点。立竹枝下高这一调查指标的高低同样对竹笋产量具有明显效应。有研究[9]认为这与光合空间对竹林养分利用规律的影响有关。此外，有研究认为在丰产林分结构的立竹密度范围内，立竹密度与立竹平均胸径具有显著相关关系[10]，而本研究中所选的不同经营程度的雷竹林立竹密度与其他林分结构因子之间并没有显著相关关系，这说明试验雷竹林中存在低产退化现象，林分结构趋于不合理，有必要展开进一步研究。

表2 续

表3 林分因子各指标的相关性分析

说明：*示0.05显著水平；**示0.01极显著水平。

2.2 雷竹林植被退化等级划分

2.2.1主成分提取及其意义识别由于各调查指标之间有一定的相关性，因而由这些指标进行统计分析所反映的信息在一定程度上有所重叠。进行主成分分析的目的就是为了利用较少的综合指标将原始指标所代表的信息更集中地体现出来[11]。

进行主成分分析首先要对指标变量进行检验以判断其是否适合做主成分分析。表4显示的就是对调查指标进行KMO检验和Bartlett球度检验的结果，其中KMO值为0.613，根据统计学家Kaiser给出的标准，KMO取值大于0.6，适合主成分分析[11]。而Bartlett球度检验给出的相伴概率为0.000，小于显著性水平0.05，因此拒绝Bartlett球度检验的零假设，认为原有调查指标适合进行主成分分析。特征值在某种程度上被认为是表示主成分影响力度大小的指标，主成分个数提取原则就是将主成分对应的特征值大于 1的主成分为纳入标准[11]。表5反映的是14项指标对主成分的载荷矩阵以及特征值和贡献率，根据特征值大于1的的原则提取了5个主成分，其特征值分别为4.595，42.534，1.686，1.248，1.039，5个主成分的方差贡献率分别为32.819%、18.098%、12.045%、8.912%、7.420%，累积贡献率达79.294%，说明提取的5个主成分已经代表了表征雷竹林植被退化程度指标的79.294%的信息，因此可以用5个新变量来代替原来的14个变量，5个主成分记作F1～F5。

表4 KMO检验和Bartlett球度检验

主成分载荷矩阵刻画了各单项调查指标对于主成分的重要程度，同时决定了该主成分的实际意义。表5中显示可知1年生立竹平均胸径、2年生立竹平均胸径、2年生立竹平均枝下高、3年生及以上立竹平均枝下高、新竹平均胸径、新竹枝下高、竹笋产量在第一主成分上有较高载荷；3年生及以上立竹比例在第二主成分上有较高载荷，说明第二主成分基本反映了老龄竹立竹比例的信息；1年生立竹比例、2年生立竹比例在第三主成分上有较高载荷，说明第三主成分基本反映了壮龄竹立竹比例的信息；1年生立竹平均枝下高在第四主成分上有较高载荷；立竹密度在第五主成分上有较高载荷。本文分析所得出的各主成分所表达的实际意义与前人研究的结果[2]略有不同，初步分析认为与试验林分选择的不同有关，但综合分析的结果同样能说明立竹年龄结构、立竹胸径、立竹枝下高以及竹笋产量可以用来作为雷竹林植被退化评价的主要指标。

表5 主成分分析表

2.2.2植被退化程度评价由表5中主成分载荷矩阵中的数据分别除以与之对应的主成分特征根值的开方得到各个主成分的表达式系数[12]，再分别根据各主成分系数与原14项调查指标的标准化数据的线性组合求得不同样点各主成分的得分，而各主成分的方差贡献率作为综合评价的权重，5个主成分按各自的权重加权相加即为综合评价得分，结果见表6。

表6 各样点主成分得分及综合得分

表6 续

将各主成分的综合得分作为植被退化指数进行综合评价，通过对主成分综合得分进行系统聚类分析，可对40个试验样点的雷竹林进行如下植被退化等级划分(表7)，共分为4大类7个等级：第1类退化指数(综合得分)区间为A≥1，可视为未退化(Ⅰ)；第2类0.05≤A<1，可视为轻度退化(Ⅱ、Ⅲ)、第3类-1≤A<0.05，可视为中度退化(Ⅳ、Ⅴ)；第4类A<-1，可视为重度退化(Ⅵ、Ⅶ)，其中重度、中度、轻度退化的林地占所有调查总林地数量的比例分别为15.00%、40.00%、35.00%，而未退化的雷竹林所占的比例仅为10.00%，可见调查试验区不同经营程度的雷竹林已经呈现出严重退化的趋势。

表7 地表覆盖雷竹林退化程度划分

2.3 基于林分结构因子与竹笋产量的雷竹林退化特征

表8显示的是不同退化程度雷竹林林分结构指标与竹笋产量情况，数据显示立竹平均胸径，立竹平均枝下高以及竹笋产量随退化程度的加重基本上呈逐渐降低的趋势，这种退化雷竹林3个指标之间变化趋势的一致性显示出立竹质量对竹笋产量的重要影响。

立竹结构是竹林地上部分的密度结构以及年龄结构的组成状态，是竹林能否充分利用光能和水肥条件生产有机物质的基础[13]。本研究中平均立竹密度随退化程度的加重并没有明显的变化趋势，但其变异系数却有增大的趋势，有学者通过调查研究得出地表覆盖退化雷竹林立竹密度区间为0.8～2.8万株·hm-2，变异系数为0.31[14-15]，而本文所调查的退化雷竹林中部分林分的立竹密度超出了上述范围，这可能与自然灾害以及人为因素的过度干扰有关，由此可见：退化雷竹林的立竹密度受多重因素的影响，具有极大的波动性。而退化雷竹林立竹密度的变异系数与前人研究的结论[14]相一致，这说明多数退化林分的立竹密度处于过大或过小的两极，这是因为立竹密度过大会加剧竹子个体间的种内竞争，林分不能充分地利用资源条件，从而导致出笋量、笋个体质量以及新竹径级的显著下降；而立竹密度过小，环境资源利用率降低，林分制造的光合产物就减少，出笋量也显著下降[16]。此外，本研究中未退化雷竹林的平均立竹密度为1.65万株·hm-2，这与周国模等[14]经过调研得出丰产雷竹林所应保持的立竹密度极为一致。而不同退化程度雷竹林的年龄结构比例(1年生立竹∶2年生立竹∶3年生及以上立竹)分别为：未退化1∶1.47∶1.03，轻度退化1∶1.38∶0.89，中度退化1∶1.26∶0.96，重度退化1∶1.68∶1.67，可见随着退化程度的加深，2年生立竹比例逐渐降低，而3年生及以上老龄竹的比例逐渐升高；相比未退化雷竹林，重度退化雷竹林的新竹比例最低，此时新竹留养困难，林分自我更新能力降低。上述结果显示了年龄结构对雷竹林退化程度的较大影响，同时也从一定程度上揭示了立竹密度会通过年龄结构来对雷竹林退化程度产生影响。

表8 不同退化程度雷竹林林分结构特征与竹笋产量

2.4 人工经营措施对雷竹林植被退化的影响

通过对表1雷竹林试验点设置情况以及表7中雷竹林退化程度划分的综合分析，可以看出江西省万年县所调查的12个试验点中，没有出现重度退化的雷竹林，而未退化以及轻度退化试验点数所占的比例则高达75%，这可能说明江西省万年县雷竹林由于栽植年限短(10 a以下)，加上早产高效栽培技术的大力推广，目前竹林仍处于平稳高产阶段，少许中度退化程度的雷竹林也只是个别农户由于覆盖物清理不及时、施肥过量以及竹园管理不科学等因素所导致。而在浙江省太湖源镇所调查的28个试验点中不同退化程度雷竹林所占的比例为(依据退化程度逐渐加重的顺序)2∶7∶13∶6，其中中度和重度2种退化程度雷竹林中栽植年限达10 a及以上的雷竹林比例高达94.74%，而覆盖年限4 a及以上的高达88.89%，可见栽植年限以及覆盖年限的增大均会引起竹林不同程度的退化。

徐祖祥等[17]通过对临安雷竹土壤连续8 a的定位监测研究就曾证明连续种植雷竹林的土壤会呈现大量元素含量增加，微量元素减少，土壤酸度增强等一系列养分不平衡的趋势；黄芳等[18]、孙达等[19]也通过研究分别证明了雷竹林土壤氮素、磷素随栽植年限的增长而增加。目前学者们通过调研普遍认为随着栽培年限的增长，雷竹林长期大量施用肥料使土壤养分长年过量累积，养分失衡、地力衰竭会直接导致竹笋产量下降等竹林退化现象的发生，而同时林地连年冬季地表覆盖会使林地土壤长期处于高湿和缺氧状态，极易改变土壤理化性状以及土壤酶活性的状态[20-21]，同样会直接导致留养母竹困难和地下鞭营养代谢失调，从而导致立竹结构乃至整个林分的退化。而目前对此类退化竹林尚无理想的修复技术的前提下，从竹林经营投入成本与经济产出的角度考虑，竹农往往会对退化竹林疏于管理或弃管，从而又使竹林立竹密度迅速增大，立竹平均胸径也随之下降到较低水平。此外，表7中显示的浙赣两地均存在栽植10 a以下以及覆盖年限很低的退化雷竹林，这可能与个别农户经营不当有关，例如施肥不合理或覆盖物撤除不及时，会使地下鞭分布明显上浮，竹林中当年新竹数量不够留养标准，新竹生长势弱，从而使竹林的立竹年龄比例不合理，若给予一定的科学管理，此类退化林地一般有修复的可能。

3 结论与讨论

刘丽等[2]认为通过林分结构因子和竹笋产量等指标对有机材料覆盖雷竹林进行退化程度诊断是一种生物途径的诊断方式[22]，而雷竹林作为一种特殊的人工林，林分因子能很好地反映种植区生态环境质量随人为干扰的变化，是人工林生态系统各因子最直接、最综合的反映，而林分因子方面的退化特征属于人工林植被退化研究的范畴[23-24]，因而本文将基于林分结构因子和竹笋产量的退化评价过程认定为是对雷竹林植被退化进行诊断的一种方式，并不能完全诊断土壤退化程度，进一步对研究内容进行科学定位。

本文应用主成分分析法对浙江、江西两地雷竹主产区40块雷竹试验林的14项林分因子指标进行植被退化程度等级划分，得出立竹年龄结构、立竹胸径和竹笋产量是地表覆盖雷竹林退化程度评价的主要指标。通过对每个样点的主成分得分进行聚类分析，将40块不同经营程度的雷竹试验林划分为未退化(Ⅰ)、轻度退化(Ⅱ、Ⅲ)、中度退化(Ⅳ、Ⅴ)和重度退化(Ⅵ、Ⅶ)4 类和 7个等级，退化竹林的比例(90%)显著高于未退化竹林(10%)，反映出以施肥和地表增温覆盖为核心的早产高效栽培技术在增加竹林经济产出的同时，极易造成竹林退化，而不同农户由于经营程度的不同又使竹林呈现出不同程度的退化特征，在对退化雷竹林进行评价的基础上如何对其进行科学修复从而实现雷竹林高效可持续经营是目前该研究领域亟待解决的问题。

在栽植年限和覆盖年限一致的情况下，两地雷竹林样地退化等级划分并不存在明显的地域差异，这说明雷竹林植被退化并不存在明显的区域性。在江西省万年县所调查的12个试验点中，没有重度退化雷竹林，而浙江省太湖源镇中度和重度2种退化程度的雷竹林所占的比例高达67.86%，其中栽植年限10 a及以上的雷竹林占到94.74%，覆盖年限4 a及以上的也高达88.89%，这与林地肥料的长期大量施用以及长期地表增温覆盖使得土壤质量下降有直接关系。一般来说，土壤质量下降是一个不可逆的过程，因此对由于经营时间过长导致土壤退化的雷竹林再进行退化修复就比较困难，这也是重度植被退化雷竹林的一个明显的特征。

不同退化程度雷竹林林分结构因子以及竹笋产量的数据揭示出退化雷竹林新竹留养困难，立竹质量下降，竹林立竹结构不合理的特征，这些已然成为高产高效雷竹林经营和发展的严重障碍。保持良好的立竹结构是保证竹林更新生长以及竹林持续丰产的必备条件，因而立竹密度、立竹胸径和立竹年龄结构等林分结构主要因子是进行退化雷竹林恢复的重要的调控对象。而仅从林分因子层面探索雷竹林退化特征及其内在机制进而开展退化修复工作是远远不够的，本研究中将34，37，38号样地与5，6，13，14，23号样地进行对比分析，两类样地覆盖年限相同，栽植年限15 a的仅轻度退化，而种植年限10 a的却达到中度甚至重度退化。可见，栽植年限的增长并不能明显导致植被退化，造成雷竹林植被退化的因素是多方面的，其中既有竹林自身生长代谢的因素，也有人工经营措施方面的因素，而后者又包括个别农户经营措施不当的因素以及高产经营技术与竹林可持续经营理念之间如何权衡的问题。

综上所述，雷竹林植被退化程度与竹农的经济收入休戚相关，采取适当的经营措施保持合理的林分结构可以从一定程度上减轻雷竹林植被退化，但一味追求高效益改变竹林生态系统自身生长代谢规律，土壤退化严重，其损失将不可逆转。改变不合理的人工经营措施，间隔覆盖年限，采取适当的农林立体复合经营模式，鼓励竹农林下套种，发展林下经济，是目前提高林地生产力、发展生态循环经济，实现生态效益和经济效益“双赢”的有效措施，也是政策决策者以及竹林培育专家学者共同努力和研究的方向。

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