間伐對杉木人工林林下植物多樣性及其水源涵養(yǎng)能力研究

高 榮,成向榮

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310000;2.中電建華東勘測設(shè)計研究院(鄭州)有限公司,河南 鄭州 450000；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400)

1 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方地區(qū)主要的用材樹種，材質(zhì)優(yōu)良，并在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用。根據(jù)第九次全國森林資源普查數(shù)據(jù)，杉木林的面積達1138.66萬hm2，占全國喬木林總面積的6.33%。在2013～2020年全國木材戰(zhàn)略儲備林建設(shè)規(guī)劃中杉木人工林占總量的22%。為了保持良好的干形和盡早促進林分郁閉，一般杉木造林初植密度較大，后期需要進行撫育間伐改善林分結(jié)構(gòu)，提高林木質(zhì)量。

錢塘江上游森林植被覆蓋度較高，杉木人工林面積較大。森林經(jīng)營管理(如間伐)會改變林分冠層結(jié)構(gòu)，影響林內(nèi)光照強度，進而影響溫度、水分等環(huán)境因素，對林下植被生長和多樣性以及土壤水源涵養(yǎng)功能有重要影響[1，2]。林下植被組成及其生物量大小在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程中發(fā)揮了重要作用[3，4]。已有研究表明，間伐后短期內(nèi)杉木、馬尾松(Pinusmassoniana)等人工林下植物豐富度和多樣性比未間伐林分顯著增加[5～9]。而對杉木人工林的長期間伐試驗表明，間伐15 a后的林分林下植被蓋度隨間伐強度增加而增大，但不同間伐處理并未顯著影響林下植被多樣性變化[10]。此外，馬履一等[11]研究發(fā)現(xiàn)，間伐6 a后的油松(Pinustabuliformis)林下植物種類、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均低于間伐1～2 a后的林分。不同間伐處理對土壤水源涵養(yǎng)功能的影響也沒有一致結(jié)論。對間伐4 a后的桉樹(Eucalyptusurophylla×E.grandis)人工林研究表明，50%間伐強度下林分枯落物持水量與未間伐林分沒有差異，30%間伐強度下林分枯落物持水量低于未間伐林分，但土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量在不同間伐處理之間沒有顯著差異[12]。對秦嶺華山松(Pinusarmandii)的間伐試驗發(fā)現(xiàn)，間伐3 a后林冠層與枯落物層的水源涵養(yǎng)功能下降，間伐提高了土壤水源涵養(yǎng)功能，以間伐20%效果最好[13]。這些不同的研究結(jié)果說明，樹種、間伐強度、間伐方式和間伐后持續(xù)時間等影響林下植被多樣性和土壤水源涵養(yǎng)功能的變化。

深入開展間伐后林下植被多樣性及其土壤水源涵養(yǎng)能力對準(zhǔn)確評估經(jīng)營管理對林地生態(tài)功能的影響具有重要意義。本研究在浙江建德林場選擇以培育中小徑材為經(jīng)營目標(biāo)的杉木人工林為研究對象，研究了間伐8年后不同間伐強度對杉木人工林林下植被多樣性及土壤水源涵養(yǎng)能力的影響。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究在浙江省建德林場實施(東經(jīng)118°25′，北緯29°09′)。研究區(qū)多年平均氣溫17.4 ℃，無霜期261 d，年平均降雨量1620 mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗林分為2001年3月份采用杉木優(yōu)良家系扦插苗造林，初植密度為3000株/hm2，經(jīng)營目標(biāo)為短輪伐期的中小徑材。試驗地土壤為紅黃壤，土壤pH值在4.3～4.8之間，平均坡度18°，立地指數(shù)16。

2012年10月，在試驗區(qū)選擇坡向一致的12年生杉木人工林，在中坡位置建立9個20 m×20 m的固定樣地，3種間伐處理(不間伐CK、中度間伐MT和強度間伐HT)隨機安排在9個樣地內(nèi)。經(jīng)調(diào)查，間伐前林分生長狀況基本一致。按照留優(yōu)去劣、間密留勻、兼顧株間距的原則，采用下層間伐法對林分進行間伐(主要伐去平均木以下的個體)。對照處理不間伐，中度間伐處理為20%，強度間伐處理為35%，這些間伐處理均以林分密度株數(shù)計算。2019年11月對所有試驗小區(qū)進行每木檢尺，林分基本狀況見表1。

表1 不同間伐處理林分概況

2.2 林下植物多樣性調(diào)查

在所有固定樣地內(nèi)分別隨機設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方，詳細(xì)記錄每個樣方內(nèi)的植物種類、高度、數(shù)量、覆蓋度等，然后收獲地上部分測定生物量。將收獲的林下植被樣品帶回實驗室，然后在65 ℃下烘干至恒重，根據(jù)樣方內(nèi)林下植被干生物量推算單位面積生物量。

物種多樣性指標(biāo)包括Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson多樣性指數(shù)(D)和Pielou群落均勻度指數(shù)(J)，具體計算如下:

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：S為樣方內(nèi)物種總數(shù)；N為樣方內(nèi)所有植物總個體數(shù)，N表示第i種植物個體數(shù)，Pi是第i種植物個體數(shù)Ni占總個體數(shù)N的比例。

2.3 凋落物和土壤持水性能調(diào)查

在上述林下植被多樣性調(diào)查的小樣方內(nèi)，收集所有凋落物帶回實驗室，稱取鮮重然后在100 ℃ 烘箱中烘干至恒重，計算自然含水率及單位面積凋落物干生物量。采用室內(nèi)浸泡法，稱取一定質(zhì)量的凋落物樣品放入20 cm×20 cm尼龍網(wǎng)袋中，再將所有試驗?zāi)猃埦W(wǎng)袋浸入裝有清水的容器中浸泡24 h，取出瀝干后稱量，計算凋落物最大持水量。

采用環(huán)刀法測定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度[14]。在每個樣地內(nèi)挖5個20 cm深的土壤剖面，分別在土壤表層和15 cm深處各取一個環(huán)刀(體積100 cm3)，測定0～10 cm和10～20 cm土壤持水性能。

2.4 數(shù)據(jù)分析

不同間伐處理之間林下植物多樣性、生物量以及凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力差異采用one-way ANOVA方差分析來檢驗，如果差異顯著進一步進行Duncan多重比較檢驗(P<0.05)。冗余分析(redundancy analysis，RDA)用于解析林下植物多樣性和凋落物特性對土壤持水能力的影響。所有統(tǒng)計分析在R 3.6中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下植物多樣性的變化

對不同間伐處理林下植物的分析表明，3種間伐處理林下共出現(xiàn)植物23種，其中未間伐處理出現(xiàn)17種植物，中度間伐處理18種，強度間伐處理20種(表2)。林下植被覆蓋度和生物量均隨間伐強度增加呈增大趨勢，其中強度間伐處理與未間伐處理之間差異顯著(P<0.05)(表2)。不同間伐處理中均以草本植物為主，而且蕨類(如狗脊蕨、金星蕨)植物較多。進一步對林下植物多樣性分析發(fā)現(xiàn)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou群落均勻度指數(shù)在3種間伐處理之間均沒有顯著差異(P>0.05)(圖1)。這說明1次中度和強度間伐處理不會發(fā)生顯著影響林下植物多樣性變化。

圖1 不同間伐處理林下植物多樣性指數(shù)

表2 不同間伐處理林下植物種類、覆蓋度和生物量

3.2 凋落物和土壤持水能力

從圖2可以看出，隨間伐強度增加，凋落物生物量和持水量呈逐漸降低趨勢，但不同間伐處理之間凋落物生物量和持水量沒有統(tǒng)計上的顯著差異(P>0.05)。由此可見，間伐8年后不同間伐處理對凋落物生物量和持水能力沒有顯著影響。

圖2 不同間伐處理凋落物生物量(a)和持水量(b)

在淺層土壤(0～10 cm)中，隨間伐強度增加土壤容重逐漸降低，尤其強度間伐處理土壤容重顯著低于未間伐處理(P<0.05)，中度間伐處理和對照處理之間沒有顯著差異(P>0.05)；10～20 cm土層3種間伐處理之間土壤容重沒有顯著差異(P>0.05)(表3)。對不同間伐處理土壤持水能力的分析發(fā)現(xiàn)，0～10 cm土層土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量均隨間伐強度增加逐漸增大，強度間伐處理土壤持水能力顯著高于未間伐處理(P<0.05)，而中度間伐處理和對照處理之間沒有顯著差異(P>0.05)；10～20 cm土層土壤持水能力在3種間伐處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。這表明間伐有利于提高土壤持水能力，尤其是強度間伐處理效果顯著。

表3 不同間伐處理土壤持水能力

3.3 林下植物多樣性和土壤持水能力關(guān)系

通過冗余分析(RDA)可以看出，不同間伐處理表層土壤(0～10 cm)持水能力顯著受到林下植物多樣性和生物量，以及凋落物特性的影響，二者可以共同解釋表層土壤持水能力97.02%(前2軸，RDA1和 RDA2)的變異；其中林下植物生物量(UBS)和凋落物持水量對表層土壤持水能力影響較大(圖3)。林下植物多樣性和凋落物特性對10～20 cm土層土壤持水能力影響相對較小，二者可以共同解釋10～20 cm土壤持水能力76.65%(前2軸，RDA1和 RDA2)的變異；其中林下植物覆蓋度(coverage)和凋落物生物量對10～20cm土層土壤持水能力影響較大。

注：UBS-林下植物生物量，LBS-地表凋落物生物量，LWH-地表凋落物持水量，MWH-最大持水量，MIWH-最小持水量，CWH-毛管持水量，H-Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，D-Simpson多樣性指數(shù)，J-Pielou群落均勻度指數(shù)

4 討論

4.1 間伐對林下植物多樣性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)杉木人工林間伐8年后，林下植物多樣性在不同間伐處理沒有顯著差異，而強度間伐處理林下植物覆蓋度和生物量顯著高于未間伐處理。一些研究表明，間伐后短期內(nèi)(1～5 a)林下植物種類和蓋度增加。如杉木間伐3～4a后林下植物的物種豐富度、多樣性指數(shù)、蓋度和生物量均隨間伐強度增加而增大[5,8]。日本落葉松(Larixkaempferi)間伐4 a后林下植物的多樣性和生物量隨間伐強度增加顯著增大[15]。其他一些間伐研究也得出類似結(jié)論[5～9]。而對油松人工林的間伐試驗表明，間伐6 a后油松林下植物種類比間伐1 a、2 a后降低[11]。間伐 15 a后杉木林下植被覆蓋度均隨間伐強度增加而增大，但林下植物多樣性在不同間伐處理之間均沒有顯著差異[10]。間伐11 a后花旗松(Pseudotsugamenziesii)林下植被蓋度和豐富度隨間伐強度增加而增大[16]，但間伐27 a后不同間伐處理之間林下植被蓋度和豐富度沒有顯著差異[17]。近期的研究發(fā)現(xiàn)，杉木間伐8年后顯著改變了林下植物不同功能群的多樣性特征[18]。間伐改變了林分冠層結(jié)構(gòu)，尤其是短期內(nèi)降低了林分郁閉度，增加了林下光照強度，促進了林下植被發(fā)育，但隨著保留木的快速生長，郁閉度增加，不同間伐處理林下環(huán)境差異逐漸減小，陽性植物逐漸消失，導(dǎo)致不同間伐處理林下植物多樣性差異也逐漸減小。此外，也有研究認(rèn)為間伐和其它的人為干擾會導(dǎo)致草本植物豐富度或多樣性的長期下降[19]。綜上所述，多數(shù)短期的研究認(rèn)為間伐提高了林下植物多樣性和生物量，而間伐對林下植物多樣性的長期影響尚沒有一致結(jié)論，這與間伐方式、強度、間伐后持續(xù)時間等因素有關(guān)，因此，今后應(yīng)加強間伐對林下植物多樣性動態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)評價。

4.2 間伐對凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的影響

間伐改變了林分冠層結(jié)構(gòu)，進而影響降水的空間分配特征和土壤水源涵養(yǎng)能力。本研究中間伐8 a后，不同間伐處理對地表凋落物的持水能力沒有顯著影響，而35%間伐強度顯著提高了表層土壤持水能力。柳思勉等[20]的研究也表明，相對于未間伐林分，杉木間伐10 a后30%間伐強度下減小了地表徑流，增強了水土保持能力。李素艷等[21]也發(fā)現(xiàn)，約30%間伐強度下降低了杉木林地表徑流系數(shù)和泥沙含量。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)間伐3 a后，間伐處理地表凋落物生物量、持水量以及土壤最大持水量均顯著高于未間伐處理[22]。基于冗余分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間伐提高了表層土壤持水能力主要與林下植物覆蓋度和生物量增加，以及凋落物持水量增大有關(guān)(圖3)。隨著間伐強度增加，林下光環(huán)境得到改善，促進了林下植被生長[23]。此外，林下植被的快速發(fā)育，增加表層土壤根系生物量，降低了土壤容重，增大了土壤孔隙度，改善了土壤持水能力，提高林地水源涵養(yǎng)功能[1]。

5 結(jié)論

通過對浙江建德不同間伐處理林下植物多樣性及土壤持水特性分析發(fā)現(xiàn)，以中小徑材為培育目標(biāo)的杉木林進行20%～35%間伐8 a后不會顯著影響林下植物多樣性，但增加了林下植物覆蓋度和生物量；間伐對地表凋落物生物量和持水能力影響較小，但35%間伐強度顯著提高了0～10 cm土層土壤持水能力，間伐對10～20 cm土層土壤持水能力沒有顯著影響。間伐后土壤持水能力增加主要與林下植物覆蓋度和凋落物生物量及持水量增加有關(guān)。綜合來看，在千島湖水源區(qū)杉木人工林間伐有利于水源涵養(yǎng)功能提升。