宋賢芬 趙各進(jìn) 嚴(yán)夏帆 陸雪婷 劉健 余坤勇

(福建農(nóng)林大學(xué)，福州，350002)

In order to explore the regeneration effect of Phyllostachys pubescens after strip cutting and the key factors affecting the restoration and regeneration, we studied the effect of soil nutrients, stand structure and topographic factors on the restoration and regeneration of P. pubescens before the cutting by taking the pure forest of P. pubescens in the following year after strip cutting as the object. The soil nutrient content had a significant effect on Hsinchu’s average DBH, average height, and the number of plants in the plot, among which soil total carbon was the most significant factor. The average height of the original stand had a significant impact on the average diameter at breast height and average height of Hsinchu, the age uniformity of the original stand directly affected the average height of Hsinchu, and the original stand structure had no significant effect on the number of Hsinchu trees. There are significant differences in the number of Hsinchus in different terrains, and there is no significant difference in the average diameter at breast height and average height. The number of Hsinchu trees in different terrains is in the descending orders of downslope; middle slope and uphill; shady slope and sunny slope;and slope 1°-20° and slope 21°-40°, respectively. The interaction of topographic factors has no significant effect on the average diameter at breast height, average height and plant number of Hsinchu. The interaction of soil nutrients, stand factors and topographic factors explained the large-scale variation in DBH and bamboo height in Hsinchu. Improving the growth and regeneration of Hsinchu in the following year after strip cutting can be achieved by controlling environmental factors such as soil nutrients.

毛竹(Phyllostachysedulis)是我國南方主要竹種，根據(jù)第九次全國森林資源調(diào)查結(jié)果顯示，毛竹資源面積占竹林資源72.96%[1]。但是隨著毛竹經(jīng)營成本的增加、人力資源的緊缺以及經(jīng)營難度提高等因素的影響[2]，部分區(qū)域的毛竹林逐漸出現(xiàn)荒蕪的現(xiàn)象，極大地影響了毛竹資源的有效利用。帶狀采伐是一種效率高、成本低的采伐方式[3]。毛竹資源的規(guī)模化、機(jī)械化經(jīng)營是解決成本上升、人力資源不足、區(qū)域竹資源荒蕪的關(guān)鍵。

植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)的演化高度相關(guān)，地形、土壤、植被、水文都會導(dǎo)致植被動態(tài)分布格局、物種、生物量和群落結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性[4]。幼苗更新與環(huán)境條件、林分結(jié)構(gòu)、人為干擾等因子相關(guān)[5]；土壤養(yǎng)分是立地質(zhì)量重要組成成分，也直接影響林地的生產(chǎn)力水平和植被更新[6]；土壤氮、磷是限制林分發(fā)育的重要元素，也是限制毛竹的生長的營養(yǎng)元素[7]；林分狀況不同，其幼林的恢復(fù)更新狀況也有所差異[8]，竹齡和林分密度直接影響幼苗的更新密度[9]；地形是重新分配自然資源的主要因素之一[10]，地形通過影響土壤水分、溫度、光照的移動分配影響幼苗的生長[11]，坡向和坡位等地形因子影響植物的物種數(shù)量、生物量和碳儲量的分布[12-13]。

毛竹帶狀采伐后林下群落結(jié)構(gòu)動態(tài)[14]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[15]及土壤理化性質(zhì)的變化[16]等對毛竹林的恢復(fù)更新具有重要影響。為了揭示毛竹帶狀采伐恢復(fù)更新的趨勢，以及采伐前土壤養(yǎng)分、林分結(jié)構(gòu)和地形因子對帶狀采伐后毛竹恢復(fù)更新的影響，制定更有效的毛竹經(jīng)營措施，促進(jìn)區(qū)域林農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入。本研究以福建省永安市上坪鄉(xiāng)毛竹林作為對象，布設(shè)28個面積為20 m×9 m的樣地，實(shí)施帶狀采伐處理，分析帶狀采伐前林分資源對采伐后1年生毛竹林恢復(fù)更新的影響，為帶狀采伐經(jīng)營技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于永安市上坪鄉(xiāng)，上坪鄉(xiāng)位于永安市東部，距市區(qū)22 km，海拔1 120 m，屬高山區(qū)，晝夜溫差大，氣溫-5～39 ℃，與青水、槐南鄉(xiāng)交接，交通便利。土壤類型主要以黃壤為主，喬木主要有少量馬尾松(Pinusmassoniana)和杉木(Cunninghamialanceolata)，灌木主要有石楠(Photiniaserrulata)、冬青(Ilexchinensis)、山茶(Camelliajaponica)、紅花檵木(Loropetalumchinense)、鵝掌柴(Scheffleraoctophylla)等，草本主要有沿階草(Ophiopogonbodinieri)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、狗脊(Cibotiumbarometz)、冷水花(Pileanotata)等。

2 材料與方法

2.1 方案設(shè)計及樣地設(shè)置

2020年12月，在研究區(qū)布設(shè)28個面積為20 m×9 m的毛竹純林樣地，樣地之間的隔離帶大于3 m。在每個樣地內(nèi)進(jìn)行林分和地形調(diào)查，并采集土壤用于理化性質(zhì)測定。2020年12月對設(shè)置的所有樣地進(jìn)行采伐處理，翌年4月份在毛竹的出筍期對新竹進(jìn)行調(diào)查。

2.2 數(shù)據(jù)獲取及處理

2.2.1 林分因子

林分因子包括空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)因子?？臻g結(jié)構(gòu)因子包括角尺度和大小比數(shù)等；非空間結(jié)構(gòu)因子包括平均胸徑、平均樹高、林分年齡、林分密度等。2020年12月，對樣地內(nèi)胸徑大于3 cm的所有毛竹每木檢尺，包括胸徑和竹高調(diào)查，記錄每棵毛竹的年齡，年齡包含Ⅰ度竹、Ⅱ度竹、Ⅲ度竹等，并實(shí)測每株毛竹的相對位置。在2021年4月，對帶狀采伐后恢復(fù)更新的1年生毛竹進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查中要求只測定毛竹胸徑大于3 cm的毛竹，記錄毛竹胸徑、樹高、株數(shù)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計算林分平均胸徑；根據(jù)不同齡級毛竹株數(shù)的分布均勻程度來代表年齡結(jié)構(gòu)[17]。

年齡均勻度(A)：

式中：S為齡級數(shù)，Pi是第i齡級的株數(shù)比例。

根據(jù)毛竹的相對坐標(biāo)及胸徑計算角尺度和大小比數(shù)，參考仇建習(xí)等[18]林分結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方法。

角尺度是最近相鄰木角小于標(biāo)準(zhǔn)角a0的個數(shù)占相鄰木4株的比例，用公式表示為：

式中:Wi為第i株對象竹角尺度，當(dāng)?shù)趈個a角小于標(biāo)準(zhǔn)角a0時，aij=1，反之，aij=0。

大小比數(shù)是大于對象木的最近相鄰木占所考察的4株最近相鄰木的比例，公式為：

式中:Ui為第i株對象竹大小比數(shù)；相鄰竹j胸徑大于對象竹i時，Kij=1，反之，Kij=0。

2.2.2 地形因子

實(shí)際調(diào)查每個樣地的地形因子，調(diào)查內(nèi)容包括坡度、坡向、坡位。以樣地的分布情況為基礎(chǔ)，將地形因子分為不同水平。參考范葉青等[19]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為緩坡、陡坡；坡位分為上坡、中坡和下坡；坡向分為陰坡(北面、東北面、東面、東南面)和陽坡(南面、西南面、西面、西北面)。

2.2.3 土壤樣品采集及測定

土壤采集時間為2020年12月。在樣地內(nèi)沿對角線選擇3個點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，每個點(diǎn)深挖40 cm，去掉土壤表層凋落物，分別采集深度(h)分別為0

土壤pH的測定采用水浸提電位測定法；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用堿解-擴(kuò)散法測定土壤水解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；使用VARIO MAX碳氮元素分析儀(產(chǎn)商：德國-elementar)測定土壤碳、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；使用PE OPTIMA 8000電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(產(chǎn)商：美國珀金埃爾默企業(yè)管理)測定土壤有效磷和速效鉀的質(zhì)量濃度；土壤含水率、土壤密度等采用環(huán)刀法。樣地基本情況見表1。

表1 樣地林分資源概況

統(tǒng)計量速效鉀質(zhì)量濃度/mg·L-1有效磷質(zhì)量濃度/mg·L-1全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1土壤密度/g·cm-3毛管持水量/g·kg-1含水量/g·kg-1pH最大值53.290.70390.465590.821.45586.57388.744.85平均值39.200.29312.584131.791.22477.52294.704.34最小值18.490.09206.692699.901.05322.50182.563.89標(biāo)準(zhǔn)差8.820.1444.61866.780.1176.3250.010.21變異系數(shù)/%22.5148.4014.2720.988.8715.9816.974.91

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2013和SPSS25進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，運(yùn)用相關(guān)性分析、線性擬合和逐步回歸分析法進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 帶狀采伐后毛竹恢復(fù)更新現(xiàn)狀

由表2可知， 28個樣地內(nèi)共調(diào)查毛竹267株，隨著毛竹平均胸徑逐漸增大，每個徑階株數(shù)呈現(xiàn)先增大后減少的拋物線趨勢；其中，6徑階的株樹最多，12徑階的株樹最少。中等胸徑毛竹的株數(shù)占多數(shù)，向其兩端徑階的毛竹株數(shù)逐漸減少的單峰的山狀曲線，直徑結(jié)構(gòu)近似遵從正態(tài)分布。

表2 直徑結(jié)構(gòu)分布

3.2 土壤養(yǎng)分對毛竹恢復(fù)更新的影響

由表3可知，新竹平均胸徑與土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)(P<0.05)；與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.612、0.710；毛竹平均胸徑隨著有機(jī)質(zhì)、水解氮、全氮、全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，與有機(jī)質(zhì)、水解氮和全氮相比，全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均胸徑的擬合度更高，即土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對平均胸徑的影響更顯著。新竹平均高與土壤有效磷質(zhì)量濃度顯著相關(guān)(P<0.05)，與全氮和全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.531、0.552；新竹平均高隨著有效磷質(zhì)量濃度、全氮和全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，其中，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對平均高的影響更顯著。樣地株數(shù)與土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.435。土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響新竹林分因子的主要養(yǎng)分，對新竹平均胸徑、平均高、立竹度均有顯著影響，土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對新竹平均胸徑和平均竹高有促進(jìn)作用，但對新竹的株數(shù)有抑制作用。

表3 土壤養(yǎng)分與新竹林分因子的Pearson相關(guān)性

3.3 林分結(jié)構(gòu)對毛竹恢復(fù)更新的影響

3.3.1 林分非空間結(jié)構(gòu)因子對毛竹林分因子的影響

由圖1可知，通過采伐前林分平均胸徑、平均高、立竹度、年齡均勻度與采伐后恢復(fù)更新的林分因子進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，新竹平均胸徑與原有林分平均高極顯著相關(guān)(R2=0.482 9，P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.709，新竹平均胸徑與原有林分平均胸徑、立竹度、年齡均勻度的相關(guān)性不顯著；新竹平均高與原有林分平均高極顯著相關(guān)(R2=0.314 8，P<0.01)，與年齡均勻度顯著相關(guān)(P<0.05)，但與原有林分平均胸徑和立竹度的相關(guān)性不顯著；新竹株數(shù)與原有林分平均胸徑、平均高、立竹度、年齡均勻度的相關(guān)性均不顯著。

圖1 林分非空間結(jié)構(gòu)因子與新竹林分因子線性擬合

3.3.2 林分空間結(jié)構(gòu)因子對毛竹林分因子的影響

由圖2可知，構(gòu)建原有林分空間結(jié)構(gòu)因子角尺度和大小比數(shù)與帶狀采伐后恢復(fù)更新的毛竹林分因子的擬合曲線發(fā)現(xiàn)，原有林分角尺度和大小比數(shù)對新竹的平均胸徑、平均高、株數(shù)影響不顯著；隨著角尺度的增加，新竹平均胸徑和平均高有減少的趨勢，新竹株數(shù)有增加的趨勢；隨著大小比數(shù)的增加，新竹平均胸徑呈增加的趨勢，平均高和株數(shù)呈減少的趨勢。

圖2 林分空間結(jié)構(gòu)因子與新竹林分因子線性擬合

3.4 地形因子對毛竹恢復(fù)更新的影響

由表4可知，新竹平均胸徑在不同坡位、不同坡向差異不明顯，但新竹平均胸徑陡坡(8.0 cm)大于緩坡(7.6 cm)。新竹平均高在上坡最大，平均高為9.1 m；在不同坡向差異不明顯；新竹平均高陡坡(8.6 m)大于緩坡(8.3 m)。新竹密度在不同坡位由大到小順序表現(xiàn)為下坡(644株·hm-2)、中坡(510株·hm-2)、上坡(397株·hm-2)；新竹密度陰坡(580株·hm-2)大于陽坡(439株·hm-2)；新竹株數(shù)緩坡(690株·hm-2)大于陡坡(410株·hm-2)。

表4 平均胸徑、平均高和樣地株數(shù)在不同地形的變化

由表5可知，坡度對帶狀采伐后新竹株數(shù)的恢復(fù)影響較顯著，顯著性接近0.05；坡位對恢復(fù)更新的新竹的平均胸徑、平均高均有影響但不顯著，對新竹株數(shù)的影響顯著(P<0.05)；坡向?qū)γ衿骄貜降拇笮∮杏绊懙伙@著，對毛竹株數(shù)和平均高影響也不顯著。坡向×坡度的交互作用對平均胸徑的影響較為顯著(P值接近0.05)，其他兩兩作用對林分因子的作用不顯著。

表5 協(xié)方差分析結(jié)果

3.5 土壤養(yǎng)分、林分結(jié)構(gòu)和地形因子對毛竹更新的影響

由表6可知，土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原有林分平均高和坡向是影響毛竹平均胸徑的主要因子，解釋平均胸徑變異的75%；原有平均高、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有效磷質(zhì)量濃度是影響平均高的主要因子，解釋平均高變異的52.6%；土壤全碳是影響新竹株數(shù)的主要因子，解釋株數(shù)變異的15.8%。

表6 新竹林分因子與土壤養(yǎng)分、林分結(jié)構(gòu)和地形因子的多元逐步回歸模型

4 結(jié)論與討論

土壤養(yǎng)分與林分因子的相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮、全氮、全碳以及有效磷對新竹更新均有影響。因此，在毛竹林的經(jīng)營管理中應(yīng)適量增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和磷肥的施用，降低土壤密度，更有利于植物根系發(fā)育。

原有林分平均高對新竹的平均胸徑和平均高有顯著影響，這是因?yàn)槊袷强寺≈参?，根莖和莖稈系統(tǒng)呈相關(guān)性，幼齡分株和發(fā)育所需要的營養(yǎng)需要從較老的分株獲得，母竹系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況直接影響到發(fā)筍的數(shù)量、質(zhì)量以及幼竹生長[20]；毛竹在春筍幼竹時期吸收養(yǎng)分的能力較弱，對母竹系統(tǒng)的依賴性較大，且春筍幼竹時期不同齡級母竹的養(yǎng)分含量變化程度不同，不同齡級的母竹對幼竹的貢獻(xiàn)不一樣[21]。本研究發(fā)現(xiàn)原有林分的毛竹年齡均勻度對新竹平均高有顯著影響，這是樣地內(nèi)毛竹齡級差異所造成。

區(qū)域內(nèi)下坡位的新竹株數(shù)最高，且隨著坡位上升，株數(shù)逐漸降低；不同坡向的新竹數(shù)量表現(xiàn)為陰坡大于陽坡；不同坡度表現(xiàn)為緩坡大于陡坡。不同坡位新竹數(shù)量差異與土壤狀況有關(guān)，在重力及淋洗作用下，土壤有機(jī)質(zhì)隨水流向下移動[22]，導(dǎo)致下坡土壤肥沃；太陽輻射和土壤水分引起的有機(jī)分解速率是不同的，從而表現(xiàn)為陰坡的土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)于陽坡[23]。研究顯示不同坡位、坡向和坡度的新竹平均胸徑和平均高差異不明顯，這與調(diào)查時間和毛竹立竹度相關(guān)，本研究在毛竹長出當(dāng)年4月進(jìn)行調(diào)查，毛竹的高生長還沒有停止。根據(jù)毛竹的直徑分布結(jié)構(gòu)可看出小胸徑的株數(shù)分布較多，研究區(qū)中下坡位、陰坡和緩坡的新竹數(shù)量明顯大于其他地形水平，并且根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)下坡位、陰坡和緩坡的毛竹多為小胸徑。

本研究根據(jù)采伐前的土壤養(yǎng)分、林分因子、地形因子等數(shù)據(jù)，以及調(diào)查帶狀采伐后翌年更新的新竹林分因子，分析了土壤養(yǎng)分、原有林分結(jié)構(gòu)和地形因子對新竹平均胸徑、平均高、數(shù)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分對毛竹林分因子的生長有顯著影響；采伐前的林分結(jié)構(gòu)因子影響新竹的生長，其中原有林分的平均高是影響新竹平均胸徑和平均高的主要林分因子；不同坡位、坡向、坡度的新竹株數(shù)存在顯著差異，林分平均胸徑和平均高差異不顯著。