间伐对千岛湖流域生态公益林氮磷养分流失的影响

许在恩,叶子豪,傅 伟,潘 鑫,潘鑫桐,童志鹏

(1.建德市林业局,浙江 建德 311600; 2.浙江农林大学 环境与资源学院,浙江 杭州 311300;3.建德鑫农林业勘察设计有限公司,浙江 建德 311600; 4.杭州市临安区农业农村局,浙江 杭州 311300)

千岛湖流域是浙江省重要的水源地和水源保护区,有70%以上的森林被认定为生态公益林,其中有较大面积的公益林是由人工杉木林和阔叶林划分而来的,因此在生态公益林可持续经营与管理中如何做好对人工杉木林和阔叶林的保护与利用显得尤为重要。

抚育间伐是提升森林质量的重要措施,不仅可获得部分经济收入,还能减缓树木间的竞争,促进保留木生长,改变林内光照、温度、水分和地表径流等森林小环境[1]。地表径流不仅能体现森林的水文特征,也是河流、湖泊的氮磷来源之一,因此受到国内外相关学者的关注。研究表明,大兴安岭针阔混交林径流量随着间伐强度增大而增加[2],冀北山地蒙古栎(Quercusmongolica)天然次生林在间伐强度为25%时地表径流量最大[3],30%的间伐强度更有利于减少湖南会同生态站的杉木(Cunninghamialanceolata)林的地表径流[4],福建永安安砂库区公益林地的养分流失量总体上随着间伐强度的加大而增加[5]。但是,有关抚育间伐对千岛湖流域生态公益林地表径流和养分流失的研究较少[6]。为此,本研究以该区域杉木林和阔叶林为对象,分析比较抚育间伐对林地径流量及不同形态氮、磷流失的影响,以期为生态公益林的可持续经营和林分管理提供基础。

1 研究区概况

研究区位于浙江省建德市新安江林场(29°29′N,119°16′E),属中亚热带季风气候区,年均气温为16.9 ℃,最热月7月平均气温29.2 ℃,最冷月1月平均气温4.7 ℃,年均降水量1 504.0 mm,年均相对湿度82%,年均日照时数1 940.0 h,年均无霜期254.0 d。土壤为发育于页岩的红壤土类。

研究区的杉木林和阔叶林营造于1990年,初始密度分别为2 250、2 505株/hm2,阔叶林主要由杜英(Elaeocarpusdecipiens)、枫香树(Liquidambarformosana)组成。两种森林类型的林下灌木主要有峨眉鼠刺(Iteaomeiensis)、窄基红褐柃(Euryarubiginosavar.attenuata)、赤楠(Syzygiumbuxifolium),草本植物主要有狗脊(Woodwardiajaponica)、淡竹叶(Lophatherumgracile)、贯众(Cyrtomiumfortunei)。

2 研究方法

2.1 试验设计

2014年10月,对研究区的森林进行了较大面积的抚育间伐,间伐强度(以株计)为40%。2019年9月,在研究区内选择坡度、坡向、海拔一致的杉木林(CF)、间伐杉木林(TCF)、阔叶林(BF)、间伐阔叶林(TBF)4种森林类型各作为一种处理,分别设置长20.0 m、宽5.0 m的径流小区,每种处理3个重复,共12个小区。在小区的上坡边与两长边用水泥隔板砌成挡水墙(高出地表10 cm),下坡边筑集水沟并连接到径流池(2 m×1 m×1 m),用于收集地表径流。不同处理小区的基本情况见表1。

表1 不同处理小区基本情况

2.2 采样与分析

2.3 数据处理

试验数据应用SPSS 22进行方差分析和统计检验,使用Excel 2016作图。

3 结果与分析

3.1 不同处理地表径流量

2021年5—9月共产生9次地表径流,各处理地表径流量见图1。由图1可知,不同时期地表径流量总体表现为抚育间伐后的森林(TCF、TBF)显著小于未抚育森林(CF、BF)(p<0.05),不同处理按地表径流总量大小排序为CF(239.2 m3/hm2)>BF(219.9 m3/hm2)>TCF(170.7 m3/hm2)>TBF(163.9 m3/hm2)。与未间伐相比,抚育间伐后的杉木林和阔叶林的径流总量显著下降了28.6%和25.5%(p<0.05)。

图1 不同处理地表径流量

3.2 不同处理地表径流氮浓度

如图2所示,不同森林地表径流中铵态氮、硝态氮、可溶性氮、总氮浓度在一个生长周期中的变化规律基本相似,以7月2日为最低,8月6日为最高;不同形态氮浓度大小总体表现为间伐后的森林大于未间伐森林,4种不同形态氮的平均浓度大小均表现为TBF>TCF>BF>CF,按排序各处理总氮平均浓度分别为1.11、1.05、0.89、0.88 mg/L。

图2 地表径流中不同形态氮浓度

3.3 不同处理地表径流磷浓度

如图3所示,不同森林地表径流中可溶性磷和总磷的浓度整体上以5月27日为最高,7月10日为最低;不同形态磷浓度大小总体表现为间伐后的森林大于未间伐森林。可溶性磷平均浓度大小为TBF(0.11 mg/L)>TCF(0.10 mg/L)>BF(0.09 mg/L)>CF(0.08 mg/L),总磷平均浓度大小的排序与可溶性磷相同,其浓度分别为0.46、0.40、0.37、0.33 mg/L。

图3 地表径流中不同形态磷浓度

3.4 不同处理地表径流氮、磷流失量

如图4所示,不同森林地表径流氮流失量大小表现为CF(211.47 g/hm2)>BF(201.64 g/hm2)>TCF(185.90 g/hm2)>TBF(182.59 g/hm2),不同森林间没有显著性差异(p>0.05);磷流失量大小表现为BF(81.79 g/hm2)>CF(77.83 g/hm2)>TBF(74.80 g/hm2)>TCF(69.17g/hm2),不同森林间没有显著性差异(p>0.05)。

图4 不同处理地表径流氮、磷流失量

4 讨论

4.1 抚育间伐对地表径流的影响

本研究结果表明,间伐后杉木林和阔叶林地表径流量分别显著减小了28.6%和25.5%(p<0.05),这主要原因是抚育间伐改变了森林的林冠、枯落物和土壤的结构和特征,而林冠、枯落物和土壤显著影响着地表径流的产生和径流量的大小。林冠层具有截留雨水、降低雨滴速度、减小雨滴击溅力的作用[7],草本层也可减弱雨滴对土壤的溅蚀,减少水土流失[8]。本研究中杉木林和阔叶林抚育间伐后乔木层郁闭度下降了0.2,但林下灌草植物种类增多、覆盖度增大、生物量增加[6],有效避免了林地受到雨水的直接冲击,从而减少了地表径流的产生。枯落物覆盖可以增加地表粗糙度,降低侵蚀力[9],间伐后杉木林和阔叶林枯落物有效拦蓄率显著增大[10],从而减少了地表径流的产生。土壤结构越疏松,越有利于减少地表径流的产生[11],土壤非毛管孔隙度越大,森林土壤水源涵养能力越强[12],间伐显著增加了杉木林和阔叶林土壤非毛管孔隙度[10],从而增强了林地土壤水源涵养功能。相关研究表明,40%的间伐强度减轻了马尾松(Pinusmassoniana)林地的水土流失[13],间伐杉木林地的径流系数仅为未间伐的21.4%[14],这与本研究的结果相一致。

4.2 抚育间伐对森林地表径流氮、磷流失的影响

森林生态系统氮、磷流失的主要途径是地表径流[15],氮、磷流失量的大小取决于地表径流量和养分浓度。本研究结果表明,间伐后的杉木林和阔叶林径流中氮、磷浓度增大。径流中氮、磷养分浓度与枯落物的养分淋溶有关,半分解层的淋溶作用高于未分解层[16]。抚育间伐降低了乔木层的郁闭度,增加了林内的光照度,加速了枯落物的分解,提高了半分解层枯落物所占比例,因此间伐后地表径流中氮、磷养分浓度随之增大。但同时,间伐显著减少了地表径流的产生,而没有显著改变杉木林和阔叶林氮、磷流失量。这与福建永安安砂库区公益林地养分流失量表现为间伐强度60%、40%显著高于不间伐[5]的研究结果不同,可能是不同区域、不同土壤类型的差异所导致的。

5 结论

间伐降低了不同森林的地表径流,杉木林和阔叶林间伐后地表径流总量分别显著减少了28.6%和25.5%(p<0.05);但间伐并没有显著改变森林的氮、磷养分流失量,不同森林类型间养分流失量大小没有显著性差异(p>0.05),氮流失量介于182.59～211.47 g/hm2之间,磷流失量介于69.17～81.79 g/hm2之间。因此,在千岛湖流域实施生态公益林的适度抚育间伐是可行的,不仅能显著减少地表径流量,而且对林地氮、磷养分流失没有显著影响。本研究结果仅为1 a的观测数据,今后还需进行长期观测,以期为明晰间伐对森林水文特征的影响提供更多的数据。