杉木复层林伴生树种生长及水源涵养研究

汪燕明 周世水 乔卫阳 虞木奎

（1浙江省开化县林场 324300；2中国林业科学研究院亚热带林业研究所 浙江杭州 311400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方地区重要的商品用材树种，其生长快、产量高、材质好，具有较高的经济效益[1]。据第七次全国森林资源清查数据，全国杉木人工林面积为854万hm2，占全国造林面积的21.35%，其中集约经营的纯林仍有较大比重[2]。尽管杉木纯林经营管理方便，但杉木连栽导致的土壤质量退化、林分生产力降低等问题日益突出[3-5]。许多研究表明，改变纯林单一林分结构，营造混交林或者构建复层异龄林对改善林地土壤肥力，提高林地生产力和水源涵养功能发挥了重要作用[6-9]。

光是影响林木生长的最重要生态因素之一。黄德龙等[10]指出，不同密度成熟杉木林下光照强度只有空地的3.4-6.6%。因此，构建杉木复层林需根据林下弱光环境选择适宜的伴生树种，这对于整个林分综合效益的发挥至关重要。林德喜等[11]也发现，在马尾松林下栽植 5种不同树种，只有套种苦槠和格氏栲林地比马尾松纯林土壤理化性质得到显著改善。这表明不同树种对林下弱光环境的适应能力存在较大差异，伴生树种生长状况与其对土壤环境的影响密切相关。尽管近年来杉木复层林建设日益受到重视，但相关的研究仍相对贫乏，不同伴生树种在林下生长动态研究鲜见报道。为此，选择8个树种栽植于杉木林下，构建杉木复层异龄林，连续8年动态监测这些伴生树种的生长状况，同时分析了这些复层林的水源涵养效益，以期为杉木人工林的可持续经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于浙江省开化县林场城关分场（东经 118°25′，北纬 29°08′）。开化县林场经营山林面积1.27万hm2，森林蓄积量126万m3，森林覆盖率91．8%。现有人工林70%左右是杉木用材林。试验区年平均气温 16.4℃，年平均降雨量1814 mm，无霜期252d，年日照总时数1334.1h，气候属亚热带季风气候。土壤为红黄壤，pH值4.0～4.9。

1.2 实验设计和林分调查

试验林分为1992年选用杉木优良无性系容器苗造林，初植密度为2500株·hm-2。2007年6月采用下层间伐法进行林分疏伐，间伐强度20%，主要伐去平均木以下的个体，间伐后及时运出间伐木，间伐后林分郁闭度0.7。2008年春季，选择红茴香（Illiciumhenryi）、椤木石楠（Photinia davidsoniae）、蚊母树（Distylium racemosum）、杨桐（Adinandra millettii）、红豆杉（Taxus chinensis）、红叶石楠（Photinia fraseri）、茶花（Camellia japonica）和麻栎（Quercus acutissima）共8个树种分别块状栽植在杉木林下，构建复层林。所有苗木均为1年生实生苗，其中红豆杉为容器苗，其余为裸根苗。每个树种试验小区面积约0.15hm2，沿等高线栽植，株间距1m，行间距2m。本试验按照随机区组设计，3次重复。在每个试验小区内设置10m×30m的固定样地，2008-2015年每年12月份进行林分生长调查，其中2014年未调查。

在每种复层林内，随机选择3个样点，去除表层凋落物，采用环刀取土样，用于测定土壤容重、毛管持水量、非毛管持水量和饱和持水量，这些参数参考张万儒等[12]编写的“森林土壤水分-物理性质的测定”方法进行测定和计算。

所有数据采用Excel2013和SPSS19.0软件处理，不同伴生树种林下土壤持水性能的差异通过单因素方差（ANOVA）分析进行检验，并进行Tukey多重比较；土壤饱和持水量与苗高和地径的相关性采用Pearson相关分析进行检验。

2 结果与分析

2.1 林下伴生树种成活率与保存率

对林下8个伴生树种造林当年成活率的调查表明，所有树种成活率较高，均大于96%，其中红茴香和蚊母树成活率达 100%（图 1）。造林后第8年，8个树种的保存率呈现较大差异，红茴香、椤木石楠、蚊母树和杨桐保存率超过90%，红豆杉的保存率在82%，红叶石楠、茶花和麻栎的保存率在63%～72%之间（图2）。

图1 8个伴生树种的成活率Figure 1 Survival rate of 8 associated tree species

图2 8个伴生树种的保存率Figure 2Preserving rate of 8 associated tree species

2.2 林下伴生树种树高生长

8个树种高生长的调查显示，造林后前2年，不同树种之间高生长差异较小；第3年开始，树种之间差异逐渐增大（图3）。8年生红豆杉树高最大，其次为红茴香和椤木石楠，茶花生长相对缓慢。

图3 8个伴生树种的树高变化Figure 3Change of stem height of 8 associated tree species

通过8个树种树高连年生长量的分析，这些树种树高生长模式大致可以分为 4类（图4）。第一类为树高连年生长量持续增长型，如红豆杉；第二类为树高连年生长量持续降低型，如椤木石楠、杨桐、蚊母树、红茴香和红叶石楠；第三类为树高连年生长量先增加后降低型，如麻栎；第四类为树高连年生长量相对稳定型，如茶花，随林龄增大，连年生长量变幅较小。

图48 个伴生树种树高连年生长量Figure 4Annual growth of stem height of 8 associated tree species

树高年均生长量较高的前3个树种分别为红豆杉（38.9 cm）、红茴香（27.7cm）和椤木石楠（26.1 cm），茶花树高年均生长量最小，仅为 9.0 cm（图 5）。树种本身的生长特性也有显著影响，如速生树种高生长量显著高于慢生树种。

图5 8个伴生树种树高年均生长量Figure 5Mean annual growth of stem height of 8associated tree species

2.3 林下伴生树种地径生长

8个树种地径生长的调查表明，造林后前3年，不同树种之间地径生长差异较小，第4年开始，不同树种之间差异逐渐增大（图6）。8年生红茴香和红豆杉的地径生长量较大，分别为36.9 mm和35.2 mm；茶花地径生长量最低，仅为14.6 mm；其他5个树种地径在15.6～20.6 mm之间。由此可见，不同树种地径生长出现分异的时间比树高生长晚1年。

图6 8个伴生树种地径变化Figure 6 Change of ground diameter of 8 associated tree species

8个树种地径连年生长模式大致可以分为2类（图7）。第一类为地径连年生长量持续降低型，如茶花；第二类为地径连年生长量先增加后降低型，其他7个树种基本均属于这种类型。

图7 8个伴生树种地径连年生长量Figure 7Annual growth of ground diameter of 8 associated tree species

地径年均生长量较高的前3个树种分别为红茴香（4.0mm）、红豆杉（3.9 mm）和椤木石楠（2mm），茶花地径年均生长量最小（图8）。

图8 8个伴生树种地径年均生长量Figure 8 Mean annual growth of ground diameter of 8 associated tree species

2.4 复层林土壤持水量

森林土壤是水分储蓄的主要场所。林地土壤持水量作为评价森林涵养水源能力的重要指标之一，其与土壤结构和有机质含量等密切相关[9,13]。土壤饱和持水量是反映土壤蓄水能力的主要指标。从表1可以看出，复层林饱和持水量比纯林增加了2.8%～11.7%，尤其是杉木林下套种红豆杉和红茴香的饱和持水量显著增大（P＜0.05）（表1）。经相关性分析发现，土壤持水性能与这些树种的生长状况密切相关，与树高复相关系数（R2）为 0.867（P=0.005），与地径的 R2为0.921（P=0.001）。由此可见，对林下环境适应性较强的树种其水源涵养效果也较好。

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

3 讨论与结论

本研究对8个伴生树种进行连续8年的生长动态监测发现，红茴香、椤木石楠、蚊母树、杨桐和红豆杉的保存率超过80%，而红叶石楠、茶花和麻栎的保存率较低。树种保存率的高低部分反映了植物对林下环境的适应性，保存率较高的树种通常具有较好的适应性[14]。

这些伴生树种树高生长在第3年出现较大差异，地径出现较大分异的时间滞后1年，这可能受弱光环境的影响，林木优先分配较多的资源用于高生长，以获取较多的光能[15]。这与Valladares和Niinemets[16]的研究结果一致。

杉木林下套种的不同树种前5年树高和地径生长呈现不同生长模式，但5年后，多数树种生长量显著降低。这主要是间伐后随着林木生长，冠层郁闭度逐渐恢复到间伐前水平，林下光照强度减弱，显著影响了伴生树种的生长。在郁闭度为0.7的杉木林下套种的草珊瑚Sarcandra glabra苗高和地径生长显著高于郁闭度为0.9的杉木林分[17]。为了尽快取得较好的生态效益，本试验伴生树种初始造林密度较高，目前，红豆杉、红茴香和蚊母树冠幅较大，郁闭度已超过0.8。因此，必须间伐或者移除部分苗木，确保林下伴生树种获得必要的生存空间。本文仅对伴生树种前期生长规律进行初步探索，伴生树种和主栽树种和关系以及经营技术措施还有待于进一步研究。

复层林构建不同程度增加了土壤饱和持水量，其主要与伴生树种的引入导致枯落物和根系生物量增大有关。一方面凋落物输入增加了土壤有机质；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。不同复层林土壤持水量的差异主要与伴生树种生长和保存率密切相关。其他一些研究也表明，杉木混交林改善了土壤的物理结构，增加了土壤的持水能力，具有更好的水源涵养效益[9,18]。本文仅研究了杉木林下伴生树种幼林期生长特征，整个杉木培育周期内伴生树种生长及其生态效益动态监测尚需深入研究。

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