陶航，涂丹丹，劉蔚漪，輝朝茂，王友

(1.西南林業(yè)大學(xué)，竹藤科學(xué)研究院，叢生竹工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224；2.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南 安寧 650106)

竹資源是森林資源的重要組成部分，我國擁有大量的竹資源。由于地形地貌限制，勞動(dòng)力成本逐漸上升，機(jī)械自動(dòng)化程度低，竹資源利用程度低、種類少等因素造成了大量竹資源未得到有效采伐利用[1]。竹林是異齡林，傳統(tǒng)采伐方式以擇伐為主，采伐原則為采伐老齡竹、衰老竹，留存幼齡竹、壯齡竹，在林地里始終保持留存有各個(gè)齡級的林木[2]，傳統(tǒng)擇伐方式目前已經(jīng)無法滿足竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對毛竹(Phyllostachysedulis)一類的散生竹提出了一種全新采伐方式——帶狀采伐，即按照一定寬度對毛竹林實(shí)施條帶式皆伐[3]；針對小型叢生硬頭黃竹(Bambusarigida)也有帶狀皆伐對其生長及其產(chǎn)量的影響的研究[4]。但對于大型材用叢生竹傳統(tǒng)擇伐作業(yè)困難、采伐成本高等問題，需探索出適用于大型叢生竹培育、能改善傳統(tǒng)采伐方式帶來的弊端并適用于機(jī)械化采伐的龍竹(Dendrocalamusgiganteus)叢狀采伐技術(shù)模式。由于叢狀采伐的采伐強(qiáng)度和采伐面積較大，可能會(huì)對龍竹林內(nèi)小氣候造成一些影響，從而影響到新竹的生長，因此有必要對不同采伐方式下的林間小氣候因子進(jìn)行研究。

森林小氣候是森林植被影響下形成的特殊小氣候，是森林中水、氣、熱等各種氣象要素綜合作用的結(jié)果[5]。森林小氣候?qū)α窒轮参锏纳L和發(fā)育、有機(jī)質(zhì)分解、土壤溫度、土壤酶活性等生態(tài)過程都有影響[6]。小氣候的改變會(huì)引起植物物種組成、蓋度、生物量、生理生態(tài)因子等發(fā)生相應(yīng)的變化，森林生態(tài)系統(tǒng)能發(fā)揮其生態(tài)系統(tǒng)屏障功能，對植物的生長發(fā)育、氣候調(diào)節(jié)和改善環(huán)境均有重大意義[7]。現(xiàn)國內(nèi)外對撫育采伐對森林小氣候的影響和改變傳統(tǒng)竹林經(jīng)營模式以達(dá)到豐產(chǎn)的研究較多，但這些研究大都是針對傳統(tǒng)林分[8-11]以及散生竹竹林開展的[12-14]，而關(guān)于龍竹這類的大型叢生竹的撫育改造以及小氣候的動(dòng)態(tài)變化對新竹生長影響的研究尚處于空白階段。

龍竹是禾本科(Poaceae)牡竹屬(DendrocalamusNees)的一種大型材用叢生竹，在中國云南東南至西南部各地均有分布，臺灣也有栽培，國外在亞洲熱帶和亞熱帶各國家都有栽培[15]，可作為建筑和篾用竹材。本研究通過對不同采伐強(qiáng)度的龍竹林內(nèi)主要?dú)庀笠蜃?、新竹生長對不同叢狀采伐強(qiáng)度小氣候響應(yīng)的分析和研究，探討不同強(qiáng)度叢狀采伐對龍竹林內(nèi)小氣候的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)而篩選出影響新竹生長的主要因子，以了解龍竹林經(jīng)營過程中生態(tài)環(huán)境氣候因子與生產(chǎn)之間的關(guān)系，為建立適用于機(jī)械化作業(yè)的叢生竹林的培育技術(shù)模式提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省臨滄市滄源縣勐角鄉(xiāng)(99°13′23″～99°15′24″E、23°12′01″～23°10′18″N，海拔1 474～1 850 m)，土壤為紅壤，土層厚度80 cm以上，肥力中上，適宜龍竹生長。區(qū)域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，日照充足，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年極端最低氣溫-4.3 ℃，最高氣溫為33.7 ℃，年平均氣溫17.4 ℃，年平均日照為1 876.7 h。年均降水量1 763.5 mm，全年無霜期長達(dá)317 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置與數(shù)據(jù)收集

于2018年冬季建立了龍竹機(jī)械化采伐培育試驗(yàn)示范林66 666.67 m2，試驗(yàn)設(shè)置4種采伐強(qiáng)度處理，分別為：A 常規(guī)擇伐、B 1/2叢伐、C 1/3叢伐，D全叢采伐(小區(qū)之間間隔30 m)，按生長健壯的高效培育林分結(jié)構(gòu)算，平均666.67 m2約18叢。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，選擇大約1 000叢龍竹來做試驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)小區(qū)，A、B、C每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的邊長大約為180 m×20 m，各有9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m)，D試驗(yàn)小區(qū)的邊長大約為360 m×20 m，有18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m)。2019年3、6、9、12月中旬，監(jiān)測樣地內(nèi)光照強(qiáng)度(Lx)、風(fēng)速(km/h)、空氣濕度(%)、空氣溫度(℃)、50 cm土層土壤溫度(℃)等小氣候因子的變化，設(shè)置每1 h讀存數(shù)據(jù)一次。

竹林調(diào)查 在采伐后第一年內(nèi)(6—10月)對發(fā)筍時(shí)間、發(fā)筍數(shù)量(株/叢)等進(jìn)行跟蹤調(diào)查，待筍期結(jié)束后以每叢為單位調(diào)查新竹數(shù)量(株/叢)、胸徑(cm)等。

新竹生物量測定 將新竹地上部分伐倒，測量并記錄新竹胸徑(cm)、株高(m)。將竹稈、竹枝、竹葉分離并稱量其鮮重。把竹稈進(jìn)行分段，每段1 m，將每段新竹稈破開于中部取樣0.6～0.9 kg。竹枝、竹葉分離前將竹株上、中、下3個(gè)部位取樣并混合，取樣質(zhì)量分別控制在0.4～0.5 kg、0.3～0.4 kg。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室置于105 ℃的烘箱中烘至恒量，計(jì)算得到含水率(%)。再通過將各器官鮮重含水率換算成干重，得到竹稈、竹枝、竹葉生物量(t/hm2)，把各器官生物量相加得到單株生物量(t/hm2)。

光照因子測量儀器為TES-1332A光照強(qiáng)度計(jì)(TES，Taiwan)，土壤溫度因子測量儀器為WatchDog紐扣式溫度，記錄儀風(fēng)速、空氣濕度、空氣溫度因子測量儀器為Testo-610溫濕度儀(Testo AG，Germany)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

將太陽光照強(qiáng)度、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、風(fēng)速等小氣候因子進(jìn)行步進(jìn)逐步回歸分析，逐步輸入自變量，剔除未進(jìn)入模型的變量，以進(jìn)行關(guān)鍵生態(tài)因子的篩選。

利用方差分析探討采伐方式對龍竹林內(nèi)光照強(qiáng)度、土壤溫度的影響。

各小氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析，衡量各小氣候因子與新竹生長之間的關(guān)系。

采用主成分分析進(jìn)行降維，得到綜合指標(biāo)。將不同的樣地小氣候數(shù)據(jù)通過主成分分析，構(gòu)建出主成分函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出各叢狀采伐樣地綜合得分，通過各叢狀采伐樣地恢復(fù)后小氣候綜合得分，來評價(jià)各采伐樣地小氣候優(yōu)異程度。

以上分析均在SPSS 25.0中進(jìn)行。

各系數(shù)計(jì)算公式如下[16]：

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵生態(tài)因子篩選

通過對小氣候因子進(jìn)行步進(jìn)回歸，最后得到進(jìn)入模型的3個(gè)小氣候因子為太陽光照強(qiáng)度、土壤溫度和空氣溫度，得到回歸模型(P=0.000，R2=0.996)：

Y=32.740-0.38X1+0.122X2+0.9X3

式中：Y為新竹生物量，X1表示太陽光照強(qiáng)度，X2表示空氣溫度，X3表示土壤溫度。由回歸模型可知，采伐恢復(fù)后影響新竹生物量的主要因子是太陽光照強(qiáng)度、土壤溫度和空氣溫度。

2.2 不同采伐方式對龍竹林內(nèi)光照強(qiáng)度的影響

不同季節(jié)龍竹林內(nèi)光照強(qiáng)度日變化如圖1所示。隨著太陽高度角的變化和日照時(shí)間的長短變化，春季、秋季、冬季的光照強(qiáng)度在12:00達(dá)到最大值，夏季的光照強(qiáng)度在13:00達(dá)到最大值，光照強(qiáng)度日變化呈低—高—低單峰曲線走勢。4個(gè)季節(jié)內(nèi)，全叢采伐下的林內(nèi)光照強(qiáng)度最大(16 460～140 400 Lx)。在春季，1/3叢伐下的林內(nèi)光照強(qiáng)度變化幅度不大，趨于平穩(wěn)，常規(guī)采伐、1/2叢伐、全叢采伐下的林內(nèi)光照強(qiáng)度變化幅度較大；在夏季，全叢采伐光照強(qiáng)度皆高于其他林分；在秋季，1/3叢伐在10:00至11:00小幅度的下降，之后開始上升，1/2叢伐12:00至13:00保持不變，之后開始減小，常規(guī)擇伐和全叢采伐變化趨勢基本一致；在冬季，常規(guī)擇伐、1/2叢伐、1/3叢伐光照強(qiáng)度變化趨勢基本一致，全叢采伐在12:00達(dá)到峰值后開始下降，在13:00至14:00呈小幅度上升，之后開始下降。

2.3 不同采伐方式對龍竹林林內(nèi)土壤溫度的影響

龍竹林內(nèi)不同季節(jié)土壤溫度差異如表2所示。全叢采伐樣地土壤溫度均高于其他3種采伐樣地土壤溫度，夏、秋季節(jié)常規(guī)擇伐樣地土壤溫度最高。同一季節(jié)內(nèi)不同采伐處理下的平均土壤溫度差異顯著(P<0.05)，夏季和秋季常規(guī)擇伐龍竹林內(nèi)土壤溫度皆比其他林分高，春季和冬季又以全叢采伐土壤溫度最高。

表2 樣地土壤溫度差異

2.4 相關(guān)性分析

各小氣候因子相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。光照強(qiáng)度和空氣溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；空氣濕度和光照強(qiáng)度、空氣溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。風(fēng)速和光照強(qiáng)度、空氣溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，和空氣濕度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。土壤溫度和光照強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，和空氣溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與空氣濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。生物量和發(fā)筍數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，發(fā)筍數(shù)和光照強(qiáng)度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。結(jié)果表明光照強(qiáng)度越高，空氣溫度越高，發(fā)筍數(shù)越高；光照強(qiáng)度和空氣溫度越高，空氣濕度越高；空氣溫度越高，土壤溫度越高。光照和空氣溫度增高，空氣濕度相對降低，但是影響不顯著。

表3 各小氣候因子相關(guān)性分析

2.5 采伐效果評價(jià)

將不同叢狀采伐樣地的各小氣候因子和新竹生物量以及單位面積發(fā)筍數(shù)進(jìn)行主成分分析，得到不同叢狀采伐樣地主成分方差貢獻(xiàn)率(表4)。得到方差特征值大于1的主成分有3個(gè)，累計(jì)方差達(dá)到81.149%。主成分載荷矩陣見表5，主成分1包含的因素是溫度、風(fēng)速、和光照，主成分2包含的因素是空氣濕度，主成分3包含的因素是土壤溫度、生物量和發(fā)筍數(shù)。

表4 不同叢狀采伐樣地主成分方差貢獻(xiàn)率

表5 不同叢狀采伐樣地主成分載荷矩陣

主成分1、2、3的函數(shù)表達(dá)式如下。

Y1=0.49X1+0.46X2+0.43X3-0.36X4+0.32X5+0.35X6-0.11X7

Y2=0.24X1-0.47X2+0.34X3+0.61X4+0.03X5+0.36X6-0.32X7

Y3=0.35X1-0.05X2-0.35X3-0.09X4-0.56X5+0.55X6+0.36X7

式中:Y1、Y2、Y3分別代表主成分1、2、3的特征成分權(quán)重；X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分別為空氣溫度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、空氣濕度、發(fā)筍個(gè)數(shù)、土壤溫度和生物量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；Y為樣地綜合得分，Z1、Z2、Z3為主成分1、2、3中的主成分特征值。

將X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7代入主成分1、2、3的函數(shù)表達(dá)式中得出Y1、Y2、Y3，再根據(jù)樣地綜合得分式計(jì)算出各樣地綜合得分(表6)。

表6 不同叢狀采伐樣地綜合得分

不同叢狀采伐樣地綜合得分如表6所示，1/2叢采伐得分最高，全叢采伐樣地次之，其次是1/3叢采伐，最后是常規(guī)采伐。

2.6 采伐后恢復(fù)特征

不同叢狀采伐樣地新竹生物量如表7所示。不同叢狀采伐處理間新竹生物量、發(fā)筍數(shù)、胸徑、成竹數(shù)間皆顯著(P<0.05)。1/2叢伐新竹生物量最大，其次是常規(guī)擇伐，然后是1/3叢采伐僅次之，全叢采伐新竹生物量最?。话l(fā)筍數(shù)全叢采伐皆高于常規(guī)采伐、1/2叢伐、1/3叢伐，但只比1/2叢伐高出1.6株/叢；胸徑以1/3叢伐最大，全叢采伐的最小。全叢采伐叢間發(fā)筍數(shù)多，成竹數(shù)也多，叢間密度相對較大，相互競爭吸收養(yǎng)分，最終生物量較另外3種叢狀采伐后新竹生物量要小。

表7 不同叢狀采伐后恢復(fù)更新對比

3 討論與結(jié)論

楊建祥等[17]認(rèn)為在撫育采伐前單位面積林地上植物株數(shù)較多，林冠郁閉度大，森林內(nèi)光照強(qiáng)度較差，經(jīng)過采伐后，密度減小，林內(nèi)光照強(qiáng)度增加。林內(nèi)光照輻射量隨著林下全天空系數(shù)的增加而增加，全天空系數(shù)對林下光照起著至關(guān)重要的作用[18]。葉冠開度大，葉面積指數(shù)小的林型林下光照強(qiáng)度強(qiáng)，林分郁閉度高，葉片濃密的林型林下光照強(qiáng)度弱[19]。因此，林內(nèi)光照輻射會(huì)因林冠郁閉度、林冠開度、天空系數(shù)等因素的差異而發(fā)生變化。本研究結(jié)果顯示不同采伐方式對龍竹林內(nèi)光照輻射皆有影響，全叢采伐林內(nèi)光照輻射響應(yīng)最為明顯。主要是因?yàn)?個(gè)樣地對龍竹林不同程度的采伐，改變了龍竹林分密度以及冠層，導(dǎo)致林隙增大，林內(nèi)光照強(qiáng)度增加，太陽光照強(qiáng)度達(dá)到顯著性差異[20]。

土壤溫度除受海拔、經(jīng)度、緯度等因素影響外還受地表覆蓋、土壤質(zhì)地、土壤濕度等因素的影響[21]。郁閉度、冠長、冠幅等因子對40～60 cm深處的土壤溫度影響最為顯著，太陽輻射對土壤溫度的影響越大，那么郁閉度、冠長冠幅等因子就越小，并且林分胸徑和樹高生長與土壤溫度成負(fù)相關(guān)[22]。本研究顯示，不同采伐強(qiáng)度處理下同一土層(50 cm)土壤溫度之間差異顯著(P<0.05)，證明了采伐對土壤溫度是有影響的；林冠冠幅減小，影響龍竹林郁閉度，光照強(qiáng)度增大，太陽光直射地面，太陽輻射對土壤溫度的影響增大，這也是全叢伐胸徑最小的原因。與溫亮[23]對遼東山區(qū)人工紅松(Pinuskoraiensis)林進(jìn)行的小氣候特征研究得到的2—3月間林內(nèi)土壤溫度開始低于林外，9—10月間林內(nèi)土壤溫度開始高于林外，以及杜穎等[24]對長白山闊葉紅松林溫度效應(yīng)的研究得到的3—10月間林內(nèi)的土壤溫度低于林外的結(jié)果有所不同。春、冬季節(jié)，全叢采伐土壤溫度皆高于常規(guī)擇伐、1/2叢伐和1/3叢伐，夏、秋季節(jié)，常規(guī)采伐土壤溫度皆高于1/2叢伐、1/3叢伐以及全叢采伐?？赡苁怯捎诘乩憝h(huán)境的不同和林分的差異造成的，龍竹地下莖發(fā)達(dá)，夏、秋季節(jié)屬于龍竹生長季，春、冬季節(jié)龍竹生長速度減慢，地下根系不活躍，再加上枯枝落葉層對土壤熱收支起阻隔作用，從而導(dǎo)致對土壤溫度季節(jié)變化的影響有所差異。

曾憲禮等[3]在安徽省黃山區(qū)毛竹林帶狀采伐后恢復(fù)質(zhì)量特征研究中得到最強(qiáng)采伐帶處理下單位面積新竹生物量小于中度采伐處理的結(jié)果。在本研究中，龍竹林在全叢采伐這一高強(qiáng)度采伐后表現(xiàn)為新竹生物量最低，1/2叢伐區(qū)新竹生物量最大。適度采伐增加林內(nèi)光照強(qiáng)度、空氣溫度和土壤溫度等小氣候因子，對新竹生物量有一定的影響，雖然全叢采伐時(shí)各小氣候因子都是最大值，但是生物量卻是最小的，這也是太陽光照強(qiáng)度與生物量呈負(fù)相關(guān)的原因；生物量最小，這可能是由于全叢采伐強(qiáng)度過大，前一年中新竹光合作用比較弱，沒有留竹等原因所致，這種情況下小氣候因子對新竹生物量的影響還是有限的。

綜上所述，不同叢狀采伐強(qiáng)度小氣候的變化，對后期龍竹林的竹筍生長和龍竹林分更新以及新竹生長產(chǎn)生影響。從各樣地綜合評價(jià)得分以及新竹生長對采伐強(qiáng)度的響應(yīng)及森林資源可持續(xù)利用與可持續(xù)發(fā)展等來看，1/2叢伐是最適宜的叢狀采伐方式。

龍竹叢狀采伐后恢復(fù)是一個(gè)長期的過程，本文僅初步研究了龍竹竹叢在不同采伐程度下經(jīng)營一年林內(nèi)小氣候的變化以及新竹生長情況，采伐撫育間隔時(shí)間較短，龍竹林仍處于生長恢復(fù)期。所以，想要更科學(xué)的掌握不同叢狀采伐強(qiáng)度對龍竹林下小氣候變化規(guī)律以及對新竹生長變化的影響仍需進(jìn)行長期的觀測，收集更多數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，進(jìn)而對建立高效龍竹林培育模式與可持續(xù)經(jīng)營和科學(xué)管理模式提供更有利的參考。