間伐對千島湖流域生態(tài)公益林氮磷養(yǎng)分流失的影響

許在恩,葉子豪,傅 偉,潘 鑫,潘鑫桐,童志鵬

(1.建德市林業(yè)局,浙江 建德 311600; 2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 311300;3.建德鑫農(nóng)林業(yè)勘察設(shè)計有限公司,浙江 建德 311600; 4.杭州市臨安區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,浙江 杭州 311300)

千島湖流域是浙江省重要的水源地和水源保護(hù)區(qū),有70%以上的森林被認(rèn)定為生態(tài)公益林,其中有較大面積的公益林是由人工杉木林和闊葉林劃分而來的,因此在生態(tài)公益林可持續(xù)經(jīng)營與管理中如何做好對人工杉木林和闊葉林的保護(hù)與利用顯得尤為重要。

撫育間伐是提升森林質(zhì)量的重要措施,不僅可獲得部分經(jīng)濟收入,還能減緩樹木間的競爭,促進(jìn)保留木生長,改變林內(nèi)光照、溫度、水分和地表徑流等森林小環(huán)境[1]。地表徑流不僅能體現(xiàn)森林的水文特征,也是河流、湖泊的氮磷來源之一,因此受到國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。研究表明,大興安嶺針闊混交林徑流量隨著間伐強度增大而增加[2],冀北山地蒙古櫟(Quercusmongolica)天然次生林在間伐強度為25%時地表徑流量最大[3],30%的間伐強度更有利于減少湖南會同生態(tài)站的杉木(Cunninghamialanceolata)林的地表徑流[4],福建永安安砂庫區(qū)公益林地的養(yǎng)分流失量總體上隨著間伐強度的加大而增加[5]。但是,有關(guān)撫育間伐對千島湖流域生態(tài)公益林地表徑流和養(yǎng)分流失的研究較少[6]。為此,本研究以該區(qū)域杉木林和闊葉林為對象,分析比較撫育間伐對林地徑流量及不同形態(tài)氮、磷流失的影響,以期為生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營和林分管理提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省建德市新安江林場(29°29′N,119°16′E),屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為16.9 ℃,最熱月7月平均氣溫29.2 ℃,最冷月1月平均氣溫4.7 ℃,年均降水量1 504.0 mm,年均相對濕度82%,年均日照時數(shù)1 940.0 h,年均無霜期254.0 d。土壤為發(fā)育于頁巖的紅壤土類。

研究區(qū)的杉木林和闊葉林營造于1990年,初始密度分別為2 250、2 505株/hm2,闊葉林主要由杜英(Elaeocarpusdecipiens)、楓香樹(Liquidambarformosana)組成。兩種森林類型的林下灌木主要有峨眉鼠刺(Iteaomeiensis)、窄基紅褐柃(Euryarubiginosavar.attenuata)、赤楠(Syzygiumbuxifolium),草本植物主要有狗脊(Woodwardiajaponica)、淡竹葉(Lophatherumgracile)、貫眾(Cyrtomiumfortunei)。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

2014年10月,對研究區(qū)的森林進(jìn)行了較大面積的撫育間伐,間伐強度(以株計)為40%。2019年9月,在研究區(qū)內(nèi)選擇坡度、坡向、海拔一致的杉木林(CF)、間伐杉木林(TCF)、闊葉林(BF)、間伐闊葉林(TBF)4種森林類型各作為一種處理,分別設(shè)置長20.0 m、寬5.0 m的徑流小區(qū),每種處理3個重復(fù),共12個小區(qū)。在小區(qū)的上坡邊與兩長邊用水泥隔板砌成擋水墻(高出地表10 cm),下坡邊筑集水溝并連接到徑流池(2 m×1 m×1 m),用于收集地表徑流。不同處理小區(qū)的基本情況見表1。

表1 不同處理小區(qū)基本情況

2.2 采樣與分析

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 22進(jìn)行方差分析和統(tǒng)計檢驗,使用Excel 2016作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理地表徑流量

2021年5—9月共產(chǎn)生9次地表徑流,各處理地表徑流量見圖1。由圖1可知,不同時期地表徑流量總體表現(xiàn)為撫育間伐后的森林(TCF、TBF)顯著小于未撫育森林(CF、BF)(p<0.05),不同處理按地表徑流總量大小排序為CF(239.2 m3/hm2)>BF(219.9 m3/hm2)>TCF(170.7 m3/hm2)>TBF(163.9 m3/hm2)。與未間伐相比,撫育間伐后的杉木林和闊葉林的徑流總量顯著下降了28.6%和25.5%(p<0.05)。

圖1 不同處理地表徑流量

3.2 不同處理地表徑流氮濃度

如圖2所示,不同森林地表徑流中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性氮、總氮濃度在一個生長周期中的變化規(guī)律基本相似,以7月2日為最低,8月6日為最高;不同形態(tài)氮濃度大小總體表現(xiàn)為間伐后的森林大于未間伐森林,4種不同形態(tài)氮的平均濃度大小均表現(xiàn)為TBF>TCF>BF>CF,按排序各處理總氮平均濃度分別為1.11、1.05、0.89、0.88 mg/L。

圖2 地表徑流中不同形態(tài)氮濃度

3.3 不同處理地表徑流磷濃度

如圖3所示,不同森林地表徑流中可溶性磷和總磷的濃度整體上以5月27日為最高,7月10日為最低;不同形態(tài)磷濃度大小總體表現(xiàn)為間伐后的森林大于未間伐森林。可溶性磷平均濃度大小為TBF(0.11 mg/L)>TCF(0.10 mg/L)>BF(0.09 mg/L)>CF(0.08 mg/L),總磷平均濃度大小的排序與可溶性磷相同,其濃度分別為0.46、0.40、0.37、0.33 mg/L。

圖3 地表徑流中不同形態(tài)磷濃度

3.4 不同處理地表徑流氮、磷流失量

如圖4所示,不同森林地表徑流氮流失量大小表現(xiàn)為CF(211.47 g/hm2)>BF(201.64 g/hm2)>TCF(185.90 g/hm2)>TBF(182.59 g/hm2),不同森林間沒有顯著性差異(p>0.05);磷流失量大小表現(xiàn)為BF(81.79 g/hm2)>CF(77.83 g/hm2)>TBF(74.80 g/hm2)>TCF(69.17g/hm2),不同森林間沒有顯著性差異(p>0.05)。

圖4 不同處理地表徑流氮、磷流失量

4 討論

4.1 撫育間伐對地表徑流的影響

本研究結(jié)果表明,間伐后杉木林和闊葉林地表徑流量分別顯著減小了28.6%和25.5%(p<0.05),這主要原因是撫育間伐改變了森林的林冠、枯落物和土壤的結(jié)構(gòu)和特征,而林冠、枯落物和土壤顯著影響著地表徑流的產(chǎn)生和徑流量的大小。林冠層具有截留雨水、降低雨滴速度、減小雨滴擊濺力的作用[7],草本層也可減弱雨滴對土壤的濺蝕,減少水土流失[8]。本研究中杉木林和闊葉林撫育間伐后喬木層郁閉度下降了0.2,但林下灌草植物種類增多、覆蓋度增大、生物量增加[6],有效避免了林地受到雨水的直接沖擊,從而減少了地表徑流的產(chǎn)生。枯落物覆蓋可以增加地表粗糙度,降低侵蝕力[9],間伐后杉木林和闊葉林枯落物有效攔蓄率顯著增大[10],從而減少了地表徑流的產(chǎn)生。土壤結(jié)構(gòu)越疏松,越有利于減少地表徑流的產(chǎn)生[11],土壤非毛管孔隙度越大,森林土壤水源涵養(yǎng)能力越強[12],間伐顯著增加了杉木林和闊葉林土壤非毛管孔隙度[10],從而增強了林地土壤水源涵養(yǎng)功能。相關(guān)研究表明,40%的間伐強度減輕了馬尾松(Pinusmassoniana)林地的水土流失[13],間伐杉木林地的徑流系數(shù)僅為未間伐的21.4%[14],這與本研究的結(jié)果相一致。

4.2 撫育間伐對森林地表徑流氮、磷流失的影響

森林生態(tài)系統(tǒng)氮、磷流失的主要途徑是地表徑流[15],氮、磷流失量的大小取決于地表徑流量和養(yǎng)分濃度。本研究結(jié)果表明,間伐后的杉木林和闊葉林徑流中氮、磷濃度增大。徑流中氮、磷養(yǎng)分濃度與枯落物的養(yǎng)分淋溶有關(guān),半分解層的淋溶作用高于未分解層[16]。撫育間伐降低了喬木層的郁閉度,增加了林內(nèi)的光照度,加速了枯落物的分解,提高了半分解層枯落物所占比例,因此間伐后地表徑流中氮、磷養(yǎng)分濃度隨之增大。但同時,間伐顯著減少了地表徑流的產(chǎn)生,而沒有顯著改變杉木林和闊葉林氮、磷流失量。這與福建永安安砂庫區(qū)公益林地養(yǎng)分流失量表現(xiàn)為間伐強度60%、40%顯著高于不間伐[5]的研究結(jié)果不同,可能是不同區(qū)域、不同土壤類型的差異所導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

間伐降低了不同森林的地表徑流,杉木林和闊葉林間伐后地表徑流總量分別顯著減少了28.6%和25.5%(p<0.05);但間伐并沒有顯著改變森林的氮、磷養(yǎng)分流失量,不同森林類型間養(yǎng)分流失量大小沒有顯著性差異(p>0.05),氮流失量介于182.59～211.47 g/hm2之間,磷流失量介于69.17～81.79 g/hm2之間。因此,在千島湖流域?qū)嵤┥鷳B(tài)公益林的適度撫育間伐是可行的,不僅能顯著減少地表徑流量,而且對林地氮、磷養(yǎng)分流失沒有顯著影響。本研究結(jié)果僅為1 a的觀測數(shù)據(jù),今后還需進(jìn)行長期觀測,以期為明晰間伐對森林水文特征的影響提供更多的數(shù)據(jù)。