间伐对杉木人工林水土保持功能影响的研究进展

郭昊澜, 赵子豪, 连晓倩, 张 婷, 吴鹏飞

(1.福建农林大学林学院,福建 福州 350002; 2.人工林可持续经营福建省高校工程研究中心,福建 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的用材林树种之一，具有速生丰产、经济效益高等特点[1]。水土保持功能是森林生态系统最重要的服务功能之一，不仅影响地力维护，对保持生态系统稳定性也有着重要作用[2]。间伐作为一种重要的森林经营措施，通过调控林分密度改变冠层降水截留能力、土壤和凋落物的蓄水能力，以及林下植被对地表径流的拦截能力和根系持水性能。石君杰等[3]、简永旗等[4]研究表明，间伐后林冠层稀疏，使得叶面积指数降低，林内降水和光照增大，温度上升、湿度下降，从而加快凋落物分解，提升凋落物最大持水率和有效拦蓄率。凋落物分解的加快增加了植被生长所需的养分，从而提高林下植被生物量、物种多样性和覆盖度[5]，加大植物根系的覆盖面积。而植物根系生物量、根长和根表面积的增大提升了其持水能力[6]，从而提升森林生态系统的水土保持功能。然而也有部分学者持不同观点，罗应华等[7]研究发现，不同间伐强度马尾松(Pinusmassoniana)人工林林下灌木层和草本层的物种多样性与间伐前无显著差异；邹显花等[8]对间伐后库区生态公益林的调查发现，40%、60%间伐强度间伐后林地的水土流失量大于不间伐处理，说明过度间伐会使森林系统水土保持功能下降。因此，探究间伐对杉木人工林水土保持功能的影响机制对其可持续发展具重要意义。鉴于此，本文从杉木人工林林冠层、林下植被层、凋落物层、土壤层和根系的水土保持功能入手，分析大气降水在杉木林垂直结构上的再分配及其对保持水土效益的影响机制，旨在为更好地开展杉木人工林间伐工作提供依据。

1 森林生态系统降水分配途径

由图1可见，森林生态系统通过林冠层对降水进行初次分配，经林冠层拦截后的降水形成林内穿透水和树干茎流流向地面，再经过林下植被层、凋落物层的二次分配汇入地面形成地表径流，最后经过土壤渗透、植物根系吸收的三次分配，一部分进入植物体内和土壤层，另一部分在水量减弱后继续以地表径流的形式流出森林[4,9]。间伐通过调整林分密度直接或间接影响森林生态系统的林冠层、林下植被层、凋落物层、土壤层和植物根系等对降水的再分配能力。

图中代表降水的箭头越粗表示水量越大。图1 森林降水分配示意图Figure 1 Schematic diagram of precipitation distribution in forest

2 间伐对杉木人工林水土保持功能的影响

2.1 对林冠层降水截留能力的影响

降水是水土流失的原动力，与地表径流密切相关，而森林生态系统通过林冠层对大气降水进行截留，减弱其对地表土壤的直接冲刷[9-10]。林冠层的降水截留能力主要与树种、树龄、林冠密度等植物特性有关[11]，通常林冠截留量与叶面积指数呈正相关关系[12-13]。杉木人工林间伐后林分密度降低，短期内会导致叶面积指数减小，但随着林木的生长，不同间伐强度对叶面积指数的影响呈现差异。朱玉杰等[14]研究发现，在一定间伐强度范围内，叶面积指数与间伐强度呈正相关关系，但过度间伐容易使林分密度低于阈值，导致林冠层叶面积指数大幅降低。研究表明[15-16]，杉木林适度间伐后短期内出现林分郁闭度下降，林冠降水截留能力减弱，林冠层郁闭度为0.4时，叶面积指数仅为4，林冠的截留能力较弱；但随着林木生长，林分郁闭度及叶面积指数呈现逐渐上升的趋势，林冠截留能力也不断增强。可见，间伐使杉木人工林林冠层郁闭度以及叶面积指数发生变化，从而影响林冠层对降水的截留能力[17]。

2.2 对林下植被层降水截留能力的影响

林下植被的枝叶对部分未被林冠层截留的大气降水进行二次阻截,而林下植被的截留能力与其生物量和盖度呈正相关关系[18-19]。丁凯等[20]研究表明，随着林分密度的减小，杉木林林下植被生物量和物种数量逐渐增加。这是由于林分密度减小使得林内光照条件得以改善，有利于林下灌木层、草本层植被的恢复和发育，形成垂直的立体结构，从而提高林下植被多样性和覆盖度。这与喻阳华等[21]研究结果一致，认为林内光照条件的改变是影响林下植被种类、数量和多样性的重要因素，进而对林下植被的降水截留和保持水土能力产生较大影响。

间伐降低了杉木人工林林分密度，使得林下植被的物种多样性、生物量、盖度等发生改变。李萌等[22]以13年生杉木人工林为研究对象，间伐后8 a调查发现，轻度(34%)、中度(50%)和重度(74%)间伐分别显著提高了木本植物、杂草植物和蕨类植物的物种丰富度；且三者均能显著提高藤本植物功能群的物种丰富度。Xu et al[23]对8年生杉木人工林采用轻度(20%)、中度(33%)、重度(50%)间伐，以未间伐样地为对照，结果表明，间伐后2和3 a，林下植被的物种丰富度、总覆盖度和生物量均随着间伐强度的增大而显著提高。在一定间伐强度范围内，间伐强度的增大虽然使林分密度下降,但林内光照和温湿度的改善加速了林下植被的恢复和发展[16]。

2.3 对凋落物层持水能力的影响

森林凋落物层在防止降水冲击、提高土壤渗透性能、改善土壤理化性质等方面具有重要作用。凋落物层通过提高地表粗糙度来减缓地表径流速度、延长径流形成时间并增加入渗量，从而吸收和截留经由林冠层和林下植被层再分配后落到地表的部分降水[24]。森林凋落物层持水能力主要取决于其组成、蓄积量和分解程度。研究表明，阔叶林和针阔混交林的凋落物层持水能力均高于单一的针叶林[25]，且凋落物层蓄积量越大持水量越高[26]。凋落物分解后与降水的接触面积减小，使得其蓄水和入渗特性增强。因此，凋落物分解程度越高，分解层凋落物量越大，凋落物层的持水能力越强[27]。据报道，杉木林凋落物完成95%分解约6.32 a，比阔叶林凋落物分解缓慢，这可能是由于其凋落物主要以小枝条携带叶片掉落的方式回到林地，而枝条的分解速率较缓慢[28-30]。

间伐通过改变林分密度使得林内光照增强、湿度下降，地表温度上升，进而影响凋落物的蓄积量和分解速率[31-32]。杉木林的凋落物层主要为叶和枝，且叶凋落物储量较多[33]。余士香等[34]研究发现，不同间伐强度处理后杉木林叶凋落物分解速率在短期内差异不显著，重度间伐处理半年后，叶凋落物分解速率显著提高。Xiao et al[35]研究表明，间伐虽然降低了微生物丰度，但能增强微生物活性从而加速凋落物分解，中度间伐(50%)可以最大限度地提高植被多样性，为凋落物中的微生物提供大量的物质来源，从而促进森林生态系统中的养分循环和物质流动。肖文娅等[36]研究表明，中度间伐(50%)处理的杉木林凋落物分解最快，轻度间伐(30%)次之，重度间伐(70%)则会减缓凋落物的分解。这是由于过度间伐会导致凋落物大面积暴露在光照下，林内湿度降低抑制了土壤微生物的数量，致使凋落物分解速率减慢；而适度间伐带来的地表温度环境能够提高微生物活性，加快凋落物的分解速率，从而增加凋落物半分解层储量，提高了凋落物层持水能力[35-36]。

2.4 对土壤层水土保持功能的影响

土壤是森林生态系统中水分和养分的重要储存部位，影响森林生态系统的演替与更新，对植物的生长发育起主导作用，而植物的生长演替又会影响土壤的结构与组成[37-38]。土壤的水土保持功能与其孔隙度、容重等物理性质以及pH值、养分和有机质含量等化学性质有关[39-40]。土壤化学性质的改善能够促进林下植被的生长发育，间接提升森林生态系统的水土保持功能。徐雪蕾等[41]研究表明，间伐后杉木人工林表层土壤(0～10 cm土层)的全氮、有机质和有效磷含量均高于未间伐样地，其中40%～50%强度的间伐处理最有利于保持林地的氮磷养分。张伟民等[42]对杉木林实施20%和37%强度间伐发现，与未间伐样地相比，间伐样地0～20 cm土层土壤有机质、水解氮、速效钾和有效磷含量均随间伐强度增大而升高，且0～10 cm土层土壤碳氮磷养分的有效性更高；总氮含量随间伐强度增大显著升高。

土壤的物理性质与森林水土保持功能密切联系，其中土壤容重和孔隙度大小直接反映了其物理性状的改变程度。土壤密度越小、结构越稀疏，越有利于降水的渗透[43]。常见的土壤密度为1.0～1.5 g·cm-3，结构良好的土壤密度为1.25～1.35 g·cm-3。土壤孔隙越大能容纳的水分含量越高，使得土壤水分运移速率加快，有利于植物根系吸收水分以及土壤水分的下渗[5,44]。不同林分类型土壤的物理性质存在差异，其持水能力也不同。林立文等[43]研究发现，林分密度为1 755株·hm-2的15年生杉木人工林土壤容重最小且孔隙度较大，土壤疏松，有利于拦蓄降水。周全等[45]认为，间伐主要影响土壤的表土层，土壤容重的年均减少量整体表现为间伐样地大于未间伐样地，且0～15 cm土层土壤容重减少量显著大于15～30 cm土层。除此之外，林下植被和凋落物层对降水先后形成的二次阻截，有效减弱降水的动能，避免降水对地面的直接溅击，削弱了降水溅蚀和径流对土壤的冲刷，从而有效减轻水土流失，还能增加入渗和地表粗糙度，进而发挥阻控土壤侵蚀的作用[19,46]。

2.5 对根系固土保水能力的影响

根系作为连接植物与土壤的重要部分，不仅是植物吸收水分和营养的基本通道，还发挥着穿插、固结根土的作用[47]。植物根系能够显著影响土壤结构，以直径>2 mm为主的根系可以提高土壤30%～44%的大孔隙并降低土壤容重，而直径<2 mm的根系聚集可改变土壤孔径分布，减小孔隙直径，增强毛管吸水能力，从而加强土壤持水能力[48]。此外，根系可以增加土壤水稳定性团聚体，并对土壤渗透性有明显的改善作用。根系通过其网状结构以及分泌物将土壤颗粒进行固定粘合，从而促进水稳定性团聚体的形成，其中≤1 mm的根系量与土壤水稳定性团聚体数量呈显著正相关关系；而<0.01 mm的根系对土壤渗透性能的改善作用突出[49]。间伐可影响植物根系形态，间伐后林内光照增强，促使林木将更多的光合产物分配给细根，以满足其快速生长的需求；光照还能促进林下植被的生长发育，加大土壤表层植物根系间的竞争程度，促使乔木的根系向更深层土壤伸长。有研究报道，间伐后杉木林的细根生物量、根长密度和根数增加[50]；随着根长密度的增加，土壤容重减小，且土壤孔隙度增大，从而提升土壤的持水性能[44,51]。然而，间伐强度不同产生的效果也不相同，王祖华等[52]对25年生杉木林进行间伐后发现，随着间伐强度的增大，杉木细根的平均直径呈减小的趋势，但平均根长则呈增加的趋势，这有利于提升杉木根系固土保水的生态功能。

3 展望

间伐通过调整林分密度使杉木人工林的各组成部分发生改变从而影响林分整体的水土保持功能。通常情况下，适度间伐(间伐强度为30%～50%)且保留密度为1 500～2 500株·hm-2的杉木人工林林内光照明显增强，有效改善林内温湿度。杉木人工林间伐后林冠降水截留能力有所减弱，但凋落物分解速度显著加快，促进了林下植被发育，增加覆盖度，加快林下植被根系的增生，从而提高土壤孔隙度，有效降低土壤容重，提升杉木林的水土保持功能。

目前，关于间伐对杉木人工林生长影响的研究报道已有很多，但探讨间伐对杉木林水土保持能力影响的研究较少。基于以上间伐对杉木人工林林冠层、林下植被层、凋落物层、土壤层及根系的影响机制，笔者提出如下建议：(1)目前对杉木人工林间伐的研究主要集中在提高生长速度、出材量等经济效益方面，忽视了对生态效益的影响。今后应对杉木林间伐后的林地径流、水土流失等进行长期的定位观测，以确定最适宜的间伐强度，能够同时满足速生丰产和固土保水的目的。(2)研究间伐对林冠层水土保持功能时，除了考虑林冠层的降水截留能力外,还应注重林冠层对林区水分蒸腾的控制作用。(3)土壤是杉木林生态系统中主要的蓄水部位，今后应增加对土壤入渗特征的观测，综合评价其水土保持功能。(4)目前，有关间伐对植物根系固土保水的影响大多停留在根系构型等指标带来的物理影响，极少关注根系分泌物的土壤联结作用。今后的研究应注重间伐对根系分泌物的影响以及与固土保水之间的相关性。(5)林下套种阔叶树可有效减少林分地表径流[53]，但该营林措施对杉木林生态系统水土保持功能的影响机制还有待于深入研究。