洪宜聰

(福建省沙縣林業(yè)局，沙縣，365500)

杉木閩粵栲異齡復層林的土壤肥力及其涵養(yǎng)水源功能1)

洪宜聰

(福建省沙縣林業(yè)局，沙縣，365500)

以福建省沙縣高砂林場的重點生態(tài)區(qū)位杉木林為研究對象，研究了450、600、750、900株·hm-24個間伐保留密度下栽植閩粵栲，各處理林分的土壤物理化學性質、林分持水量及涵養(yǎng)水源功能。結果表明：與套種前和對照杉木純林相比，異齡復層林土壤深度(h)0lt;h≤20 cm土層，土壤密度分別降低了10.15%和9.52%；粒徑(D)Dgt;0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量分別提高了19.03%和12.69%；結構體破壞率分別下降了21.52%和11.61%；總孔隙度分別提高了6.57%和4.95%。與套種前相比，0lt;h≤20 cm土層的全磷、全氮、有機質質量分數分別提高39.02%、26.96%和29.33%，速效鉀、速效磷和水解氮質量分數分別提高了24.32%、38.09%和14.37%。與對照杉木純林相比，林分總持水量提高19.38%；地表徑流系數下降23.21%。20 cmlt;h≤40 cm土層也呈現同樣規(guī)律。方差分析顯示，各保留密度處理均可顯著改善土壤的物理化學性質及其涵養(yǎng)水源功能，以600株·hm-2保留密度套種的效果最優(yōu)。

異齡復層林；杉木；閩粵栲；商品林；涵養(yǎng)水源功能

目前，中國南方重點區(qū)位生態(tài)林大多為針葉純林，其前身為商品用材林，樹種組成為杉木(CunninghamialanceolataLamb.)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)純林，它樹種單一，林齡老化,森林生態(tài)系統(tǒng)脆弱，林分抗逆能力差，有害生物猖獗[1]，各種自然災害頻發(fā)，嚴重影響了重點區(qū)位生態(tài)林所應有的功能和效益的發(fā)揮。近年來，國家在南方開展重點生態(tài)區(qū)位商品林的贖買、置換等試點工作，將現有的重點生態(tài)區(qū)位商品林通過贖買等方式保護起來，但如何將贖買后的商品林逐步培育成以闊葉樹為優(yōu)勢樹種的多樹種組成的復層混交林分，建立樹種多樣、結構合理、功能齊全、長期穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)，已成為重點區(qū)位生態(tài)林管護上急需解決的首要問題[2]。如何改造重點生態(tài)區(qū)位針葉林已成為林業(yè)工作者面臨的新課題。目前國內外有關這方面的研究不多，國內對重點區(qū)位生態(tài)林改造研究起步較晚，多見在林內空隙或稀疏林地及重點水土流失區(qū)和荒蕪經濟林補植套種當地鄉(xiāng)土闊葉樹種、珍貴樹種的相關報道，對林分質量不高的低產低效人工針葉純林采取間伐，讓出部分生長空間后栽植闊葉樹還未見報道。

閩粵栲(CastanopsisfissaRehder E. H. Wilson)為福建省的鄉(xiāng)土樹種，是中亞熱帶常綠闊葉林重要組成樹種之一,其速生快長，組成的林分穩(wěn)定性好，生態(tài)功能強[3]。在重點區(qū)位生態(tài)林分通過疏伐栽植閩粵栲，逐步形成杉木、閩粵栲復層混交林、異齡林，改善林分結構，解決純林樹種單一、林齡老化所產生林分生態(tài)功能脆弱問題，提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以提高重點區(qū)位生態(tài)林的生態(tài)功能。為實現重點區(qū)位生態(tài)林改造新途徑，探索重點生態(tài)區(qū)位杉木林中套種閩粵栲的林分土壤肥力及涵養(yǎng)水源功能狀況，本研究以福建省沙縣高砂林場的重點生態(tài)區(qū)位杉木林為研究對象，研究了不同間伐密度下，各試驗林分的土壤物理化學性質、林分持水量和涵養(yǎng)水源功能，為南方重點生態(tài)區(qū)位商品林的提升改造提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)地處福建省沙縣(北緯26°6′～26°46′，東經117°32′～118°6′)高砂林場，海拔430～570 m，年均氣溫19.7 ℃，無霜期305 d，年均降水量1 887 mm,相對濕度83.3%。林分為杉木閩粵栲異齡復層林，屬重點區(qū)位生態(tài)林，林齡28 a,面積57.2 hm2，土壤類型為黃紅壤，土層深厚，立地類型為Ⅱ類地，林下植被為地菍(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicanopterisdichotoma)、地楊梅(Luzulacampestris)、鐵絲草(Ophiopogonchingii)、野桂花(Osmanthusyunnanensis)等[4]。試驗林分概況見表1。

表1 試驗林分概況

2 研究方法

2.1 建立試驗林

2006年5月份選擇沙縣高砂林場重點區(qū)位的杉木純林建立試驗林，于預定的試驗林內設立試驗區(qū)，并設立大小為20 m×20 m標準地各3個，于2006年6月份采用疏伐方法[5]開展間伐，保留木應均勻分布，設450、600、750、900株·hm-24個水平保留密度，以CL1、CL2、CL3、CL4分別表示。間伐前后及時開展標準地每木調查，伐后清理林地，分層采集土樣，以0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm分層，重復5次。于室內對采集的原狀土樣進行土壤物理性質分析，將土樣按對應土層混合后分析測定土壤的化學性質。2006年11月份在林隙地上挖穴(50 cm×40 cm×30 cm)，于次年春季選用1年生閩粵栲實生苗栽植，苗木質量要求為Ⅱ級以上[6]，閩粵栲的栽植密度為1 200株·hm-2，適時開展鋤草撫育。選擇相同條件閩粵栲純林、杉木純林設立3塊對照標準地，大小為20 m×20 m，不采取任何措施，用CK表示。

2.2 試驗方法

2016年10月份，對各標準地內林木開展每木調查，測定其樹高、胸徑、冠幅、枝下高等因子數據，調查測定各林分土壤化學性質、林分各層持水量、土壤抗蝕能力。以閩粵栲純林、杉木純林為對照，分析杉木閩粵栲異齡復層林的土壤肥力及其涵養(yǎng)水源功能。

2.2.1 林分樹冠持水量

于各標準地中，以樹高、胸徑分別與其平均值相當(誤差≤±5%)為標準，選定5株樣樹，量取地徑、胸徑、冠幅與樹高等數據，以Monsi分層切割法，分為1 m段，測定樣樹的枝、葉、干、皮的鮮質量，按基部、中部、頂端各取1個圓盤，測定其含水量；以隨機方法取30%的樣品烘干測定干質量，計算出含水量。于室內，用隨機方法取20%的樣品，浸水24 h，測定其持水率，計算出持水量[7]。

持水率=(水分含量/干質量)×100%。

持水量(t·hm-2)=持水率×生物量。

2.2.2 植被和凋落物持水量

調查標準地的植被種類與數量，測定鮮質量。以“S”路線在標準地中設置5個2 m×2 m的樣方，調查灌木層種類與數量。再設5個1 m×1 m的小樣方，按“樣方收獲法”，調查凋落物現存量，重復5次。于實驗室內，按未分解層(L)、半分解層(F)、腐殖質層(H)分別稱質量。以隨機方法取20%的植被、凋落物的樣本，浸水24 h，測定計算其持水率、持水量[8]。

2.2.3 土壤分析

選擇在標準地中的2棵樹，在兩樹間挖取土壤剖面，分別采集0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm土層的土樣，重復5次。對取回的原狀土樣，在室內開展分析測定其物理性質，把各原狀土樣，以其相對應的土層混合后，用OK-V8土壤肥料養(yǎng)分速測儀(鄭州歐柯奇儀器制造有限公司)分析測定其化學性質。采用STS-55土壤滲透儀測定土壤滲透速率(上海魅宇儀器設備有限公司)。采用DS-100型土壤團聚體分析儀(北京鼎盛榮和科技有限公司)測定土壤團粒結構，用四分法取風干土樣200 g置于套篩上，篩孔大小自上而下排列的順序為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm。加篩蓋和篩底盒后干篩，直至各篩上的土團不再下漏為止。然后收集各篩上的土樣，分別稱質量，計算各級團聚體占風干土樣的百分數。根據所得的各級干篩團聚體的含量，按比例配成50 g風干土樣，將套篩(從上到下的順序為5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)放于振蕩架上，并置于水捅中，桶內加水達一定高度，使套篩最上面篩子的上絳部分在最低位置時，仍離開水面約1 cm，將稱好的50 g土樣放入套篩內,啟動馬達，使套篩在水中上下振動30 min，振蕩后將套篩輕輕離開水面，待水稍干后，用洗瓶將各級篩子上的團聚體輕輕沖入蒸發(fā)皿，傾出皿中的清液。然后放在電熱板或水浴上蒸干稱質量(精確至0.01 g)。

土壤最大持水量(t·hm-2)=10 000×土壤總孔隙度×土層厚度。

非毛管持水量(t·hm-2)=10 000×土壤非毛管孔隙度×土層厚度。

土壤結構體破壞率=((Dgt;0.25 mm干篩團聚體(%)-Dgt;0.25 mm濕篩團聚體(%))/Dgt;0.25 mm干篩團聚體(%))×100%。

2.2.4 數據處理

采用Excel2007對獲得的數據進行處理，用SPSS17.0軟件進行顯著性分析，分析各處理林分的土壤理化學性質主要參數、林分的持水量、林分地上部分持水性能、土壤的持水性能、土壤滲透性能和土壤抗蝕性能的差異性(Plt;0.05和Plt;0.01)。

3 結果與分析

3.1 土壤分析

3.1.1 土壤結構分析

由表2可得，經CL2處理的0lt;h≤20 cm土層，Dgt;0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量平均為86.37%，比開展套種前和對照的杉木純林提高19.03%和12.69%，結構體破壞率為13.02%，比開展套種前和對照杉木純林分別下降了21.52%和11.61%；CL2處理20 cmlt;h≤40 cm土層，土壤結構體破壞率為15.76%，比開展套種前和對照杉木純林分別下降了9.01%和6.80%。經顯著性分析，各處理相同土層Dgt;0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、結構體破壞率與套種前和對照間差異均極顯著，表明杉木林內套種上閩粵栲后，土壤的各項主要指標趨好，結構的性能優(yōu)于杉木純林。

表2 不同林分土壤結構分析

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；括號外為干篩數值，括號內為濕篩數值；CK1為套種前的杉木林，CK2為對照杉木林；括號外同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.1.2 土壤孔隙狀況分析

由表3可看出，各處理土壤的不同高度土層總孔隙度均得以提高。經CL2處理的0lt;h≤20 cm土層，總孔隙度比開展套種前和對照杉木純林分別提高6.57%和4.95%；20 cmlt;h≤40 cm土層的總孔隙度亦有所提高，只是幅度較小些。0lt;h≤20 cm土層的土壤密度比開展套種前和對照杉木純林分別降低10.15%和9.52%；20 cmlt;h≤40 cm土層土壤密度亦有一定幅度下降。0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm高度土層的非毛管隙比開展套種前分別提高19.01%和19.05%。經顯著性分析，各處理相同土層總孔隙度、土壤密度與套種前和對照間差異均極顯著，表明杉木林內栽植閩粵栲，因閩粵栲根系的活動改變了土壤壘結狀況，改良了土壤，土壤孔隙度趨于合理，土壤疏松透氣性增強，便于養(yǎng)分、水分的滲透與輸送。

表3 各種林分土壤的孔隙度分析

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK1為套種前的杉木林，CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.1.3 土壤養(yǎng)分

由表4可得，各處理與開展套種前相比，土壤的各項常規(guī)養(yǎng)分指標均有所提高，CL2處理0lt;h≤20 cm土層的全磷、全氮、有機質質量分數分別提高39.02%、26.96%和29.33%，速效鉀、速效磷和水解氮質量分數分別提高24.32%、38.09%和14.37%；20 cmlt;h≤40 cm土層的養(yǎng)分狀況也相應得到改善，只是提高幅度小些。與杉木純林相比，各處理土壤的各項常規(guī)養(yǎng)分指標亦有相應的提高，經CL2處理的0lt;h≤20 cm土層的全磷、全氮、有機質質量分數分別提高29.55%、18.70%和23.40%，速效鉀、速效磷和水解氮質量分數分別提高19.34%、28.89%和10.03%；20 cmlt;h≤40 cm土層的養(yǎng)分狀況也有同樣趨勢，只是提高幅度較小。經顯著性分析，各處理相同土層全磷、全氮、有機質、速效鉀、速效磷和水解氮質量分數與套種前和杉木純林間差異均極顯著，表明杉木林內套種閩粵栲形成異齡復層林后，凋落物生物量增加且易于分解，林木從土壤中帶走的養(yǎng)分以枯枝落葉的形式歸還到林地，提高了土壤肥力，有效地促進林木生長[14-15]。

表4 各林分土壤養(yǎng)分參數

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK1為套種前的杉木林，CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.2 涵養(yǎng)水源功能

3.2.1 林分地上部分持水性能

由表5可看出，經CL2處理林冠的持水量是9.092 t·hm-2，與對照的杉木純林比提高15.94%。

由表6可看出，經CL2處理的植被層、凋落物層的持水量分別為1.252、25.602 t·hm-2，與對照杉木純林比分別提高26.08%、174.61%。經顯著性分析，各處理與對照杉木純林間在林冠、林分植被和凋落物的持水性能上差異極顯著。表明異齡復層林林冠、植被、凋落物等各層次持水蓄水性能比對照杉木純林強，能有效地截留雨水，能減弱降水對表土層的沖擊。

表5 異齡復層林與對照杉木林冠層持水量

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

表6 各林分植被層及凋落物層的持水量

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.2 土壤持水能力

由表7可看出，杉木林套種閩粵栲后，土壤孔隙狀況得到改善，持水性能提升。經CL2處理的0lt;h≤20 cm土層的含水量、田間持水量及最大持水量與開展套種前土壤相比分別提高了9.86%、22.04%、35.10%；20 cmlt;h≤40 cm土層亦分別提高了7.82%、11.94%、12.29%，且與對照的杉木純林比亦有相同趨勢，只是提升幅度較小。經顯著性分析，各處理與套種前和對照杉木純林間在含水量、田間持水量及最大持水量均差異極顯著。表明杉木林栽植閩粵栲后，使得土壤水分參數得到提升，水分狀況得以改善，異齡復層混交林具有良好的蓄水性能，有效減緩地表徑流，能充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源功能。

3.2.3 林分的持水量

由表8可看出，各處理林分土壤持水量、林分總持水量均比對照的杉木純林高。經CL2處理的0lt;h≤40 cm土層的最大持水量為1 839.697 t·hm-2，與對照杉木純林相比增加286.338 t·hm-2，提高了18.43%。經CL2處理總持水量為1 875.646 t·hm-2，與對照杉木純林相比增加303.955 t·hm-2，提高了19.34%。經顯著性分析，各處理林分與對照杉木林間在林冠層、植被層、凋落物層、土壤層和林分總持水量差異均極顯著。表明對現有杉木針葉純林營建成的異齡復層混交林，林分結構、土壤結構隨之發(fā)生變化，土壤孔隙狀況改善，林分的水源涵養(yǎng)功能得以提升[16]。

表7 各林分土壤水分參數

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK1為套種前的杉木林，CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.4 土壤滲透參數分析

由表9可看出，各處理林分初滲速度、穩(wěn)滲速度均比對照的杉木林高，地表徑流系數與對照的杉木林相比均有大幅下降。經CL2處理的穩(wěn)滲速度為3.14 mm·min-1，為對照杉木純林的1.33倍，初滲速度為4.72 mm·min-1，為對照杉木純林的1.20倍，地表徑流系數0.43，比對照杉木純林下降23.21%。經顯著性分析，各處理林分與對照杉木純林間在初滲速度、穩(wěn)滲速度和地表徑流系數上差異均極顯著。表明異齡復層林具有多層次林分結構，良好的土壤結構，林分土壤入滲能力得以提高。

表8 不同林分各層的持水量 t·hm-2

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

表9 不同林分土壤滲透參數與抗蝕參數分析

注：表中數據為平均值±標準差；CL1、CL2、CL3、CL4分別代表4個不同保留密度的處理；CK2為對照杉木林；同列不同字母表示差異極顯著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.5 土壤抗蝕參數分析

土壤結構體破壞率和水穩(wěn)性團聚體量是土壤抗蝕性的重要指標。從表2可知，與對照杉木林相比，各處理林分各土層Dgt;0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量均得以提高，結構體破壞率則減少。從表9可看出，在同等的降水量時各處理林分的土壤侵蝕量與對照杉木林相比明顯減小，經顯著性分析，在降水量相同時，各處理的異齡復層林與對照杉木林之間的侵蝕量均有極顯著差異。表明在杉木林中栽植閩粵栲形成的異齡復層林，可極大提升林地土壤的抗蝕能力。

4 結束語

在重點生態(tài)區(qū)位的杉木林內通過疏伐改造，降低杉木密度，讓出部分生長空間栽植閩粵栲，營建起杉栲混交異齡復層林，改變了杉木的生境條件，重塑林分結構。建立的林分凋落物數量增加且分解加快，可改善土壤的化學性質，土壤中各養(yǎng)分質量分數得以提高，土壤肥力增強[17]，促進了杉木與閩粵栲生長，林分生物量得以提高，樹冠層增厚增大，可有效截留雨水，減弱降水對土表的沖擊力。異齡復層林改善了土壤的物理性質，使土壤的密度變小，孔隙增加，孔隙狀況趨于合理，林分總持水量增大，滲透性能得以增強，林地容蓄水分的能力提升，同時，土壤的有機膠結物增多，林分表現出比純林更強的水土保持功能。因此，在杉木林栽植套種閩粵栲，改變了原有單一的林分結構，重建森林生態(tài)系統(tǒng)，形成的異齡復層林表現出較高的生態(tài)功能，提高了林分涵養(yǎng)水源的功能，增強了林分的抗性，提高了經營效益和社會效益[18-22]。這與國內外相關研究結果相一致[23-30]。

上述經營措施可提高重點區(qū)位生態(tài)林的生態(tài)功能，提升重點區(qū)位生態(tài)林的生態(tài)景觀，有效解決大面積的純林導致重點區(qū)位生態(tài)林生態(tài)功能脆弱、地力嚴重衰退、水土流失的問題，是南方重點生態(tài)區(qū)位商品針葉林改造及生態(tài)系統(tǒng)重建的好途徑。

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SoilFertilityandWaterConservationofDifferent-agedCompoundStoriedCastanopsisfissaandCunninghamialanceolataPlantations//

Hong Yicong

(Forestry Bureau of Shaxian County, Shaxian 365500, P. R. China)//

Uneven-aged irregular mixed forests;Cunninghamialanceolata;Castanopsisfissa; Merchandise forest; Water conservation function

1)福建省地方標準項目(閩質監(jiān)標[2015]94號)；福建省標準化專項資金(閩財建指[2016]75號)；三明市林業(yè)科技研究項目(明財(農)指[2015]54號)；三明市科技項目(明科成[2016]14號)。

洪宜聰，男，1966年7月生，福建省沙縣林業(yè)局，教授級高工。E-mail：honghyc_886@sina.com。

2017年3月17日。

責任編輯：任 俐。

S725.6

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(11)：65-71.

WithCunninghamialanceolatamixed withCastanopsisfissaunder densities of 450, 600, 750 and 900 stem·hm-2after thinning located at the key ecological niches in Gaosha Forest Farm of Shaxian County. The soil physical and chemical properties, water-holding capacity, and water conservation function were measured. The soil density was decreased, respectively, by 10.15% and 9.52% in 0-20 cm layer of the soil in different-aged compound storiedC.fissaandC.lanceolataplantations compared with that before inter-cropped and pureC.lanceolatacontrol. Similarly, the content of water-stable aggregates particle size (D)Dgt;0.25 mm increased by 19.03% and 12.69%, while structure destruction rate decreased by 21.52% and 11.61%, respectively. Meanwhile, total porosity was increased by 6.57% and 4.95%. Compared with plantations before inter-cropped, contents of total P, N, and organic matter in soil of 0-20 cm layer were increased by 39.02%, 26.96%, and 29.33%, and those of rapid K, P, and hydrolysable nitrogen increased by 24.32%, 38.09%, and 14.37%, respectively. Compared to the pureC.lanceolataplantation, the total water holding quantity was enhanced by 19.8%, the while surface runoff coefficient was decreased by 23.21% in the uneven aged mixture, and the soil of 20-40 cm layer was also present with the same trend. By the analysis of variance, each retention density can significantly improve soil properties and water conservation function, among which the optional density was 600 tree·hm-2.