間伐對尾巨桉林植物多樣性和水源涵養(yǎng)功能的影響

朱原立，蘇福聰，任世奇，陳健波，項(xiàng)東云，郭東強(qiáng)，鄧紫宇，江順達(dá)

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間伐對尾巨桉林植物多樣性和水源涵養(yǎng)功能的影響

朱原立1,3，蘇福聰1,3，任世奇2,3＊，陳健波2,3，項(xiàng)東云2,3，郭東強(qiáng)2,3，鄧紫宇2,3，江順達(dá)1

(1. 廣西國有七坡林場，廣西 南寧 530225；2. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；3.廣西南寧桉樹林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，廣西 南寧 530002)

為了解間伐強(qiáng)度對桉樹林植物多樣性和水源涵養(yǎng)功能的影響，通過設(shè)置未間伐、間伐強(qiáng)度33%和間伐強(qiáng)度50% 3種處理，研究間伐4 a后尾巨桉林的植物多樣性和水源涵養(yǎng)能力。結(jié)果表明：在3種密度林分中，越南懸鉤子重要值明顯大于其他灌木植物且隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大；芒萁和烏毛蕨重要值也始終大于其他草本植物但隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)呈遞減趨勢。灌木植物的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低，而草本植物的物種多樣性指數(shù)差異不顯著?？萋湮镄罘e量、最大持水率和最大持水量表現(xiàn)為未間伐林分與間伐強(qiáng)度50%林分基本一致，二者大于間伐強(qiáng)度33%林分，但總體差異不顯著。3種密度林分的土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量基本一樣。綜合水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為：間伐強(qiáng)度50%林分＞未間伐林分＞間伐強(qiáng)度33%林分。

尾巨桉；間伐；植物多樣性；水源涵養(yǎng)

森林土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，人為對森林土壤的干擾勢必改變森林土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響其水源涵養(yǎng)能力。撫育間伐是人工林經(jīng)營過程中的一種重要手段，其在一定程度上改變了林分結(jié)構(gòu)與功能。森林的水源涵養(yǎng)能力是重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之一，關(guān)于撫育間伐對森林的水源涵養(yǎng)能力在多個樹種中開展過相關(guān)研究[1-5]。

桉樹()是我國華南地區(qū)的主要商品林樹種，隨著桉樹種植面積的擴(kuò)大，其水土流失問題逐漸成為社會廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)之一。已有研究表明，桉樹林皆伐會顯著增加地表徑流[6-8]，火燒煉山的徑流量大于人工清山[9]，森林火燒后顯著增加地表徑流，但火燒前對林地進(jìn)行耕作則顯著降低地表徑流[10]。大面積集中連片的桉樹純林是當(dāng)前桉樹造林的主要模式。黃承標(biāo)等[11]研究認(rèn)為，種植尾巨桉()后，土壤容重變大，水分下滲能力減弱，土壤有效儲水量降低，導(dǎo)致地表徑流增加，水源涵養(yǎng)功能減弱，但在廣西和云南的試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為轉(zhuǎn)變桉樹經(jīng)營模式可顯著減少水土流失量[12-13]。BOSCH 等[14]認(rèn)為，桉樹種植會降低流域產(chǎn)流量。VITAL等[7]發(fā)現(xiàn)，種植柳葉桉()后的原牧草地徑流減少，7 a后徑流消失。荒草地和灌木林地2種土地利用類型的徑流量均大于巨尾桉()林地[15]。不同更新方式的桉樹林地與采伐跡地灌草坡比較顯示，桉樹林地徑流小于灌草地，且桉樹植苗林地小于萌芽林地[16]。由此說明，桉樹林的不同經(jīng)營方式、林齡、土壤類型等都與徑流量有關(guān)，宜根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓畻l件采取科學(xué)的經(jīng)營方式。撫育間伐是定向培育桉樹中大徑材的一種重要手段，然而關(guān)于桉樹撫育間伐后其林分的水源涵養(yǎng)能力變化情況卻少有研究。因此，本文通過間伐措施調(diào)整桉樹純林密度，研究不同密度林分的水源涵養(yǎng)能力，為將來進(jìn)一步調(diào)整桉樹純林結(jié)構(gòu)和設(shè)定新造林初植密度設(shè)定提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在南寧桉樹生態(tài)站開展定位監(jiān)測，南寧桉樹生態(tài)站內(nèi)為尾巨桉二代萌芽林，第一代桉樹植苗林于2010年秋季開始采伐，2010年10月采伐結(jié)束且伐樁開始萌芽，2011年3月萌芽生長至1.0 ~ 2.0 m時(shí)，每個伐樁保留生長健壯的萌芽條1株，其余全部鏟除。全砍清除林地雜灌草，挖穴后施用N、P、K有效總養(yǎng)分大于30%的桉樹專用追肥0.5 kg·株-1，2012年和2013年春季噴施除草劑，繼續(xù)挖穴施用桉樹專用追肥0.5 kg·株-1。林分株行距2 m4 m，初始密度1 248 株·hm-2。2014年8月，在林分的同一坡面區(qū)劃間伐試驗(yàn)樣地3個，每個樣地面積約0.6 hm2，間伐強(qiáng)度0%(CK)、33%和50%。本研究以3個間伐強(qiáng)度試驗(yàn)林(分別設(shè)為P1、P2和P3)為對象，開展尾巨桉植物多樣性和水源涵養(yǎng)功能研究。

1.2 土壤物理性質(zhì)及機(jī)械組成

由表1可知，3種密度林分土壤顆粒物含量差異不顯著；3種密度林分的林地均為黏質(zhì)土壤；土壤容重差異不顯著，變化范圍1.26 ~ 1.38 g·cm-3。

表1 不同密度林分的土壤容重與顆粒物組成

注：同列數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 植物多樣性調(diào)查

2018年4月在樣地P1、P2和P3中分別設(shè)定3個20 m × 20 m的固定樣地，將固定樣地區(qū)劃為16個5 m × 5 m樣方，每個固定樣地選擇4個樣方調(diào)查林下灌木和草本植物，調(diào)查內(nèi)容包括種類、數(shù)量、株度、蓋度。計(jì)算各個林分林下植物的重要值和物種多樣性指數(shù)。

重要值計(jì)算公式如下：

式中：為重要值；為某個種的個體數(shù)/全部種的個體總數(shù)(%)；為某個種的蓋度/全部種的總蓋度(%)；為某個種的頻度/全部種的總頻度(%)。

Shannon-Wiener指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：為Shannon-Wiener指數(shù)；物種豐富度(S)為樣方內(nèi)的物種總數(shù)。

為物種i的個數(shù)所占總個體數(shù)的比例。

Simpson指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：為Simpson指數(shù)。

Pielou均勻度指數(shù)計(jì)算公式如下：

為均勻度指數(shù)。

1.3.2 枯落物蓄積量及持水率測定

分別在樣地P1、P2和P3的下坡、中坡和上坡位置共選擇6個25 cm × 40 cm的樣方，在樣方內(nèi)測定枯落物的厚度，然后按未分解層、半分解層和全分解層進(jìn)行取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對枯落物樣品進(jìn)行精確稱重，然后在烘箱溫度103℃烘至恒重，換算每公頃林地的枯落物重量、蓄積量和自然含水率。將烘干稱重后的枯落物用紗布袋包好放入水中淹沒浸泡，經(jīng)24 h后取出烘干立即稱飽和濕重，從而計(jì)算枯落物最大持水率和最大持水量。

式中：為最大持水率(%)；為枯落物烘干重(kg)；為枯落物飽和濕重(kg)；為枯落物蓄積量(t·hm-2)；為枯落物最大持水量(mm)。

1.3.3 土壤貯水能力測定

分別在樣地P1、P2和P3的對角線挖取3個土壤剖面，在土層深度0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80和80 ~ 100 cm位置取環(huán)刀樣，測定土壤貯水能力。土壤貯水能力大小主要取決于土壤非毛管孔隙度，計(jì)算公式參照(GB 7835-87)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度林分的植物重要值特征

由圖1可知，不同密度林分中的灌木種類差異不顯著，未間伐林分的灌木植物13種，間伐強(qiáng)度33%林分和間伐強(qiáng)度50%林分的灌木植物均為14種，可見間伐后林分的灌木植物種類有所增加。在3種密度林分中，越南懸鉤子()的重要值始終保持最大，遠(yuǎn)高于重要值排名第2的灌木植物，并隨著林分間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。不同密度林分中的草本植物種類差異不顯著，未間伐林分的草本植物14種，間伐強(qiáng)度33%林分的草本植物有13種，間伐強(qiáng)度50%林分的草本植物有12種，草本植物種類隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)呈遞減趨勢，3種密度林分草本植物重要值最大的均為芒萁()，其次是烏毛蕨(Blechnum orientale)。

2.2 不同密度林分的物種多樣性特征

由表2可知，3種密度林分的植物多樣性豐富度基本一致。

表2 不同密度林分的物種多樣性

灌木植物的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)均隨間伐強(qiáng)度增強(qiáng)而降低，草本植物的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和均勻度指數(shù)在不同密度林分之間的變化不顯著，說明灌木植物生長受林分空間的影響更大。

2.3 枯落物層持水能力

由圖2可知，3種密度林分的枯落物蓄積量、最大持水率和最大持水量均差異不顯著，其中未間伐林分與間伐強(qiáng)度50%林分基本一樣，二者大于間伐強(qiáng)度33%林分。由表3可知，不同密度林分之間枯落物最大持水率的差異大于枯落物最大持水量、枯落物蓄積量的差異，說明未間伐林分與間伐強(qiáng)度50%林分的枯落物持水能力相當(dāng)。

表3 枯落物水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)方差分析

圖1 不同密度林分的灌木和草本植物重要值

圖2 不同密度林分的枯落物蓄積量、最大持水率和最大持水量

2.4 土壤層貯水能力

由圖3可知，不同密度林分之間的土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量基本一致，表明不同密度林分土壤層貯水能力受林分密度影響不顯著。通過表4的方差分析發(fā)現(xiàn)，3種密度林分之間的土壤最大持水量值大于非毛管持水量和毛管持水量，3種密度林分的土壤最大持水量變化趨勢表現(xiàn)為：間伐強(qiáng)度50%林分(289.57 mm)＞未間伐林分(284.11 mm)＞間伐強(qiáng)度33%林分(283.63 mm)。

表4 不同密度林分土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)方差分析

圖3 不同密度林分的土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量

2.5 不同密度林分的綜合水源涵養(yǎng)能力

林分的綜合水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為林下枯落物持水量和土壤貯水量總和。本研究中的3種不同密度林分的綜合水源涵養(yǎng)能力(圖4)表現(xiàn)為，間伐強(qiáng)度50%林分＞未間伐林分＞間伐強(qiáng)度33%林分。

3 討論

3.1 不同密度尾巨桉林的物種多樣性特征

地表徑流主要來源于降水，而降水強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間及地被物特征是影響地表徑流大小的主要原因。森林更新初期，林下的灌草植被能有效減少林地水土流失，增強(qiáng)林地持水能力[18]。本文通過間伐33%和間伐50%兩種強(qiáng)度對4.5 a生尾巨桉純林進(jìn)行林分結(jié)構(gòu)調(diào)整，樹木繼續(xù)生長3.5 a后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在3種密度林分中均是越南懸鉤子的重要值最大，其隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，其他灌木植物重要值變化趨勢相似。3種密度林分的草本植物重要值排名前2名的均是芒萁和烏毛蕨，且重要值的數(shù)值基本一樣，說明間伐加強(qiáng)了林下優(yōu)勢種灌木，而對草本的影響甚小。文中隨間伐強(qiáng)度增強(qiáng)而林下灌木植物的物種多樣性降低，與莫羅堅(jiān)等[19]對尾葉桉()間伐和套種的物種多樣性研究結(jié)果一致，黃丹等[20]間伐對林下植物多樣性研究亦得到一致結(jié)論，這可能是間伐促進(jìn)上層喬木生長，喬木迅速恢復(fù)并占領(lǐng)上層空間，最終產(chǎn)生抑制林下灌木的作用。葉永昌等[21]的研究結(jié)論稍有不同，其原因是其研究的尾葉桉林除了間伐，還有人為套種，其經(jīng)營方式與本研究不同。

圖4 不同密度林分的綜合水源涵養(yǎng)能力

3.2 間伐對尾巨桉林分綜合水源涵養(yǎng)能力的影響

林分的水源涵養(yǎng)能力主要包括林冠截留能力、枯落物持水能力和土壤貯水能力。本研究注重間伐后林下枯落物持水能力和土壤貯水能力的改變探討間伐對林分水源涵養(yǎng)能力的影響?？萋湮飳釉诮邓亓簟⒎乐雇寥罏R蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖效能等方面發(fā)揮著第二個水文作用層的作用[22]。本研究結(jié)果表明，不同間伐強(qiáng)度對尾巨桉林分的枯落物持水能力表現(xiàn)為未間伐林分和間伐強(qiáng)度50%林分基本一致，二者大于間伐強(qiáng)度33%林分，其原因可能是隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)，林下枯落物的組成和數(shù)量發(fā)生了變化，導(dǎo)致其持水能力有所不同。尾巨桉林土壤層貯水能力受撫育間伐強(qiáng)度的影響不顯著，這與趙洋毅等[23]在重慶縉云山構(gòu)建的8種模式水源涵養(yǎng)林研究結(jié)果一致，土壤物理性質(zhì)與不同種植模式關(guān)系不顯著。賈忠奎等[24]對北京側(cè)柏()間伐后5 a研究表明，不同撫育間伐強(qiáng)隊(duì)對土壤容重有改善趨勢，尤其是對土壤總孔隙度和非毛管孔隙度的影響，從而影響水源涵養(yǎng)能力。

4 結(jié)論

(1) 間伐對尾巨桉二代萌芽林中的灌木種類影響不顯著，但增強(qiáng)了灌木優(yōu)勢種的重要值，其中以越南懸鉤子的重要值明顯大于其他灌木植物，同時(shí)灌木植物物種多樣性指數(shù)隨間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)呈遞減趨勢。草本植物種類隨間伐強(qiáng)度增強(qiáng)呈降低趨勢，但物種多樣性指數(shù)受間伐的影響不顯著。

(2) 本文間伐形成的3種密度林分的綜合水源涵養(yǎng)能力差異不顯著，總體表現(xiàn)為間伐強(qiáng)度50%林分＞未間伐林分＞間伐強(qiáng)度33%林分。林分的綜合水源涵養(yǎng)能力受林分生長階段、地形地貌、降雨特征等多方面影響，間伐對林分的水源涵養(yǎng)能力需要長期跟蹤調(diào)查。因此，需要繼續(xù)跟蹤觀測尾巨桉林分水源涵養(yǎng)能力受間伐強(qiáng)度的響應(yīng)，為獲得更加長期的觀測數(shù)據(jù)以證實(shí)間伐后林分的水源涵養(yǎng)能力變化特征。

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Effects of Thinning Intensity on Plant Diversity and Water Conservation of

ZHU Yuanli1,3, SU Fucong1,3, REN Shiqi2,3, CHEN Jianbo2,3, XIANG Dongyun2,3, GUO Dongqiang2,3,DENG Ziyu2,3, JIANG Shunda1

(1.,; 2.,; 3.)

To evaluate the effects of thinning on plant diversity and water conservation inplantations, three different thinning regimes were carried out: no thinning (0% thinning); 33% thinning intensity; and, 50% thinning intensity. Results from assessments at four years after thinning showed that following all three thinning intensities the prevalence ofin the understory was higher than other shrubs, and that its abundance increased as thinning intensity increased. The prevalence of plants ofand.were also higher than other herbaceous species but both decreased as thinning intensity increased. Indices of Shannon-wiener, Simpson and ‘shrub evenness’ all decreased as thinning intensity increased, but there was no significant difference in the herb species diversity index among different thinning intensities. Litter accumulation, maximum water holding rate and maximum water holding capacity were basically the same between 0% thinning and 50% thinning, and values from both these treatments were higher than values of these parameters under 33% thinning, but none of the differences in these parameters among thinning intensities were significant. The maximum soil moisture capacity, capillary water holding capacity and non-capillary water holding capacity were almost the same among the stands subject to the three thinning intensities. The comprehensive water conservation capacities in stands subject to the different thinning intensities were ranked as follows: 50% thinning intensity > not thinning > 33% thinning intensity.

;thinning; plant diversity; water conservation

S753

A

廣西科技重大專項(xiàng)(AA17204087-9)；廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科研[2015]第43號)；廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字[2016]第30號)；廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(16-A-04-03)。

朱原立(1983— )，工程師，主要從事林業(yè)科學(xué)研究及經(jīng)營管理，E-mail: 233648129@qq.com.

任世奇(1984— )，博士，高級工程師，主要從事人工林培育與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究，E-mail: renshiqi200709@aliyun.com.