杉木林改造后空间结构与土壤水源涵养功能动态变化及其关系

胡园杰，李际平，曹小玉，陈 娟

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，是林木生长发育重要的环境因素之一，对调节径流洪峰、涵养水源、保持水土、改善水质具有重要作用[1-2]。人工林由于长期不合理的利用，土壤退化，林地生产力下降，土壤水源涵养功能的研究日益受到关注。大量科学研究表明土壤水源涵养功能变化主要受到森林的树种组成、林分空间结构及非空间结构的影响[3-5]，而林分空间结构是林分结构最直观的表现和基础调控因子，研究林分空间结构与土壤水源涵养功能的关系具有重要理论意义。目前已有大量关于影响土壤水源涵养功能因子的研究。何斌等[6]对相同立地条件下厚荚相思林、尾巨桉林和灌草丛3种不同植被类型的土壤性质和水源涵养功能进行了研究，揭示了不同植被对土壤水源涵养功能的影响。朱华德[7]通过研究高程、坡度、坡向等环境因子对五龙池小流域土壤水分的影响，阐明了不同环境因子对土壤水分的影响。王威[8]选取了树种组成、林分年龄、郁闭度、生物量等林分结构因子分析北京山区水源林结构与功能的关系。已有研究多是关于环境因子以及林分非空间结构因子对土壤水源涵养功能影响的研究，而针对林分空间结构与土壤水源涵养功能间关系的研究较少。

本研究以湖南省福寿林场杉木人工林为研究对象，在量化分析不同龄组杉木林空间结构与土壤水源涵养功能动态变化的基础上，应用灰色关联分析挖掘影响水源涵养功能的主要空间结构因子，为充分发挥其水源涵养功能提供理论依据。

1 研究区概况

研究地点位于湖南省平江县南部福寿国有林场（28°41′15″～ 28°32′30″N，113°41′15″～113°41′00″E）内，总面积 1 274.9 hm2，海拔 835～1 573.2 m，平均坡度22°～27°，地处中亚热带向北亚热带过渡的气候带，属湿润的大陆性季风气候，年平均气温12.1℃，极端最高气温33.4℃，极端最低气温-15℃，年平均降水量2 100～2 300 mm，年平均相对湿度87%，森林覆盖率93%。林场内海拔800 m以下的土壤为山地黄壤；800～1 400 m为山地黄棕壤；海拔1 400 m以上的山顶、山脊有小块草甸土。研究区内所有的杉木林均于2004年被划分为生态公益林经营。研究的样地是皆伐迹地上人工更新后形成的杉木纯林。幼龄林是在2006年营造的，截止到2012年样地调查时没有进行过抚育；中龄林是在1999年营造的，期间2007年林场进行了1次人工抚育；近熟林是在1989年营造的，期间在1996和2007年林场分别进行了2次人工抚育。2013年上半年，在杉木幼、中龄林中进行抚育间伐，并在幼龄林内补植马褂木Liriodendron tulipifera和栾树Koelreuteria paniculata，补植后马褂木、栾树、柳杉等混交树种总的株数占比达到50%左右；中龄林补植马褂木、栾树和深山含笑Michelia maudiae，补植后马褂木、栾树和深山含笑等混交树种总的株数占比达到40%左右；在近熟林补植红豆杉Taxus chinensis，补植后红豆杉、毛竹等混交树种总的株数占比达到30%左右。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查

2012年通过对林场内杉木人工林进行全面踏查，选择立地条件一样的幼、中、近熟林3个龄组作为研究对象，分别设置6块面积为20 m×30 m的标准地，共18块，采用相邻网格调查法，将标准地划分为6个10 m×10 m的调查单元，并测量样方内全部林木的坐标（X，Y）、胸径、树高、冠幅等基本测树因子（具体情况见表1）。同时，在每块标准地中选择具有代表性的位置设置宽度为0.8～1.0 m，深度为0.6～0.8 m的土壤剖面，于0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm以及45～60 cm 4层，用体积100 cm 3的环刀分层取原状土，每层取3个重复土样，测定土壤的持水量、孔隙度和容重等物理性质。2014年7月～2017年7月，每年对18块标准地进行复测。

表1 标准地基本概况Table 1 Basic information of the sample plots

2.2 林分空间结构指标的计算

（1）全混交度（Mci）

全混交度是用来描述树种间隔离程度的参数，计算公式为：

式中，Di为对象木i所处空间结构单元的辛普森指数；Mi为对象木i的简单混交度；n为邻近木株数；si为对象木i所处空间结构单元的树种数量；nj为对象木i所处空间结构单元中第j树种株数；ni为邻近木中不同树种数量｡

显然Mci∈[0,1]，将Mci的取值划分为0、（0,0.25]、（0.25,0.50]、（0.50,0.75]、（0.75,1.00]5个区间，分别对应林木间零度混交、弱度混交、中度混交、强度混交和极强度混交。

（2）竞争指数（CIi）

竞争指数反映了林木所承受的竞争压力，计算公式为：

式中，di为对象木i的胸径，dj为邻近木j的胸径，Lij为对象木i与邻近木j间的距离，ni为对象木i的邻近木株数。

显然CIi∈[0,+∞)，竞争指数越大，表明林木承受的竞争压力越大。

（3）开阔比数（OPi）

开阔比数反映的是对象木受邻近木遮蔽的程度，计算公式为：

显 然OPi∈ (0,1]，OPi取 值 为 0、0.25、0.50、0.75、1.00分别对应对象木所处的透光条件为完全遮挡、遮挡、中等开阔、开阔和非常开阔。

（4）林层指数（Si）

林层指数是描述林层多样性的指标，计算公式为：

式中，zi为对象木i所在空间结构单元中林层个数；

显然Si∈(0,1]，林层指数越接近1，表明林分在垂直方向上的成层性越复杂。

（5）角尺度（Wi）

角尺度是用来反映林木水平分布格局，计算公式为：

显 然Wi∈ (0，1]， 将Wi的取值划分为[0,0.327)、[0.327,0.357]、(0.357,1.00]3个区间，分别对应林木水平分布格局趋于均匀分布、随机分布和团状分布。

计算林分的全混交度、竞争指数、开阔比数、林层指数与角尺度时，将林分内所有林木各指标值的和除以林木总株数即可。

2.3 土壤水源涵养功能指标的计算

（1）土壤容重（Y）

式中，Y为土壤容重（g/cm3）；g为环刀内湿样质量（g）；V为环刀体积（cm3）；W为样品含水百分数（%）。

（2）土壤持水量（W0）

式中，W0为土壤毛管持水量（%）；Pt为环刀内湿土质量（g）；P0为环刀内干土质量（g）。

（3）土壤毛管孔隙度（P1）

式中，P1为土壤毛管孔隙度（%）；Y为土壤容重（g/cm3）；W0为土壤持水量（%）。

2.4 数据处理

（1）初值化处理

由于各指标数据的量纲不同，没有可比性，采用初值化的方法对各指标数据进行数据变化和处理。

（2）灰色关联分析

为深入研究林分空间结构与土壤水源涵养功能的关系，将杉木林不同龄组的空间结构指标和土壤水源涵养功能指标视为灰色系统，以土壤持水量、土壤毛管孔隙度和土壤容重为参考序列，以全混交度、竞争指数、开阔比数、林层指数和角尺度为子序列，见公式10，运用Matlab进行灰色关联分析[9]。

式中，x0(t)表示第t年的土壤水源涵养功能各指标初值化值；xs(t)表示第t年的林分空间结构各指标初值化值；表示分辨系数，本研究取值为0.5；ξi(k)表示第i个林分空间指标与各土壤水源涵养功能指标在k时刻的关联系数；表示各林分空间指标与各土壤水源涵养功能指标的关联度。

数据分析利用 SPSS 20.0 和 Matlab 2014a软件，图表绘制与数据处理在 Microsoft Excel 2013中完成。

3 结果与分析

3.1 不同龄组林分空间结构动态分析

由图1可知，杉木林3个龄组的全混交度均随时间增加呈现先增加后减少的趋势，2017年较2012年幼、中、近熟林的全混交度分别提高了80.57%，208.97%，36.33%，其中幼龄林从弱度混交变成中度混交，说明林分的树种空间隔离程度大大提高；近熟林的竞争指数跟全混交度变化相似，随时间增加呈现先增加后减少的趋势，由2012年的3.635 5上升为2017年的4.372 1，而幼龄林与中龄林的竞争指数分别下降了6.44%和7.16%，变化幅度较小；幼龄林的开阔比数随着时间增长而减少，由2012年的0.897 7下降为2017年的0.698 7，林分的透光条件从非常开阔变为开阔，而中龄林和近熟林的开阔比数随时间增长呈现先增加后减少再增加的趋势，分别下降了35.95%和25.09%，林分的透光条件从开阔变为中等开阔；幼龄林未达到划分林层的标准，中龄林和近熟林的林层指数随着时间增加呈现出先增加后降低的趋势，2014年达到最大值分别为0.523 9和0.412 5，2017年较2012年分别提高了26.72%和92.52%，说明补植后林分在垂直结构上分层现象越来越复杂；幼龄林的角尺度随着时间的增长而减少，由2012年的0.448 6下降为2017年的0.357 6，林分水平分布格局从团状分布变为更适合生长的随机分布，说明通过间伐补植使幼龄林的水平分布格局更合理，而中龄林和近熟林的角尺度分别在0.325 9～0.349 0和0.351 3～0.361 4内上下波动，林分水平分布格局更趋向于均匀分布的随机分布。方差分析表明， 幼、中、近熟林的全混交度、竞争指数、开阔比数、林层指数与角尺度这5个林分空间结构指标存在显著差异（P＜0.05）。

3.2 不同龄组土壤水源涵养功能动态分析

由图2可知，杉木幼、中、近熟林的土壤持水量变动范围分别在37.50%～45.27%，33.84%～47.05%和40.03%～55.21%之间，均随时间增长呈现先增加后减少的趋势，2017年较2012年分别提高了18.85%，36.94%，32.78%；幼龄林的土壤毛管孔隙度在50.84%～51.14%内上下波动，中龄林和近熟林的土壤毛管孔隙度变动范围分别在46.51%～53.96% 和51.89%～57.33%之间，随时间增长呈现先增加后减少的趋势，2017年较2012年分别提高了0.59%，11.57%和8.58%；幼龄林和近熟林的土壤容重变动范围分别在1.11～1.37 g/cm3和1.03～1.30 g/cm3之间，均随时间的增长呈现先减少后增加的趋势，2017年较2012年分别减少了16.06%和18.46%，而且幼龄林土壤松紧度从紧密变成适度，近熟林从稍紧变成疏松，中龄林的土壤容重变动范围在1.13～1.39 g/cm3之间，随时间的增长而减少，2017年较2012年减少了18.71%，而且土壤松紧度从紧密变成疏松；说明林分经过间伐补植后，土壤结构得到明显改善。方差分析表明， 幼、中、近熟林的土壤持水量、土壤毛管孔隙度与土壤容重这3个土壤水源涵养功能指标存在显著差异（P＜0.05）。

3.3 不同龄组空间结构与土壤水源涵养功能的关联分析

图1 不同龄组林分空间结构动态变化Fig.1 The dynamic changes of stand spatial structure in different age groups

由表2可知，幼龄林中，空间结构指标与土壤持水量的关联度排序为角尺度（0.750 5）＞开阔比数（0.728 4）＞竞争指数（0.621 0）＞全混交度（0.535 6），与土壤毛管孔隙度关联度排序为开阔比数（0.615 1）＞竞争指数（0.513 5）＞全混交度（0.499 5）＞角尺度（0.487 7），与土壤容重关联度排序为角尺度（0.747 4）＞开阔比数（0.733 7）＞竞争指数（0.603 5）＞全混交度（0.538 1）；中龄林中，空间结构指标与土壤持水量的关联度排序为林层指数（0.768 3）＞全混交度（0.518 3）＞角尺度（0.511 3）＞竞争指数（0.510 0）＞开阔比数（0.487 7），与土壤毛管孔隙度排序为角尺度（0.776 2）＞竞争指数（0.776 1）＞开阔比数（0.557 3）＞林层指数（0.544 6）＞全混交度（0.500 3），与土壤容重排序为角尺度（0.645 0）＞林层指数（0.638 0）＞竞争指数（0.637 4）＞开阔比数（0.529 6）＞全混交度（0.506 6）；近熟林中，空间结构指标与土壤持水量的关联度排序为全混交度（0.809 6）＞林层指数（0.807 9）＞角尺度（0.517 6）＞开阔比数（0.492 9）＞竞争指数（0.477 7），与土壤毛管孔隙度排序为角尺度（0.845 6）＞全混交度（0.732 0）＞林层指数（0.674 7）＞竞争指数（0.616 4）＞开阔比数（0.588 6），与土壤容重排序为全混交度（0.823 0）＞林层指数（0.789 0）＞角尺度（0.628 5）＞开阔比数（0.529 0）＞竞争指数（0.526 7）。可以看出，杉木林的不同生长发育阶段，空间结构指标与土壤水源涵养功能指标关联序存在差异。总体而言，对幼龄林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指标是角尺度跟开阔比数，对中龄林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指标是角尺度跟林层指数，对近熟林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指标是全混交度跟角尺度。

图2 不同龄组土壤水源涵养功能动态变化Fig.2 The dynamic changes of soil water conservation function in different age groups

表2 土壤水源涵养功能与空间结构关联度及其排序Table 2 The correlativity and sort of soil water conservation function and spatial structure

4 结论与讨论

研究发现，经过间伐补植，不同龄组杉木林的混交度和林层指数显著提高，林木水平分布格局更趋向于均匀分布的随机分布，林分的透光条件变差，幼、中龄林林木竞争降低，而近熟林林木竞争加剧，这主要是由于幼、中龄林进行了抚育间伐，并在样地的空旷地带补植了乡土树种，使得林木分布更加均匀，树种多样性提高，下层林木数量增加，再加上林木生长发育，因此林分郁闭度逐渐增大，透光条件变差，而近熟林未进行抚育间伐直接补植，造成补植后近熟林中林木间竞争愈加激烈；幼、中、近熟林的土壤持水量分别增加了18.85%，36.94%，32.78%，土壤毛管孔隙度分别增加了0.59%，11.57%，8.58%，土壤容重分别减少了16.06%，18.71%，18.46%，这主要是由于杉木林改造后，林木分布更加均匀，混交度的增加，有利于根系和微生物活动，使土壤通透性和土壤养分增加，从而改善了土壤结构。

对幼龄林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指数是角尺度跟开阔比数，这可能是因为林分尚未郁闭，水平空间未充分利用，比较开阔，树冠层稀疏，林分进行间伐补植后，一方面林木分布均匀化，使林木对土壤养分的吸收更为合理，土壤微生物活动更剧烈，使土壤通透性增加，另一方面促进林木枝叶生长，使林分开阔程度下降，林地内枯枝落叶相对增加，影响土壤养分，从而有利于土壤结构的改善[10-11]；对中龄林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指数是角尺度跟林层指数，这可能是因为林分郁闭，树冠层较茂密，林分进行间伐补植后，一方面林木分布均匀化，影响枯落物及光斑分布，导致土壤结构出现差异，另一方面大大增加了林层指数，充分利用了林分的垂直空间，使林木垂直方向上树冠重叠交错，林地内易形成较多的枯枝落叶，增加土壤的有机质，同时影响林下光照、温度及湿度，土壤微生物活动更剧烈[12]；对近熟林土壤水源涵养功能影响较大的空间结构指数是全混交度跟角尺度，这可能是因为林分经过补植红豆杉后，林分的枯枝落叶含量增加，有利于土壤养分积累，进一步改善土壤结构；与樊丙玉[5]的研究结果相似。在实际经营中，为提高土壤水源涵养功能，应随着林木的生长发育调整不同的林分空间结构因子。

本研究在探索杉木林不同龄组空间结构与土壤水源涵养功能的关系时，由于研究样本数量有限，以后可扩大样本数量，建立土壤水源涵养功能与林分空间结构因子之间的关系模型，为进一步探明林分空间结构影响土壤水源涵养功能的机理提供科学的依据。