亞熱帶地區(qū)不同森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)氮輸出的影響

張文強(qiáng)，楊智杰，胥 超，李若南，王全成

(1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007； 2.福建師范大學(xué) 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福建 福州 350007)

當(dāng)前我國(guó)人工林經(jīng)營(yíng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，2016年人工林面積已達(dá)6 933萬(wàn)hm2，其中南方地區(qū)人工林面積占比為42%[1]。但南方地區(qū)山高、坡陡、雨大等自然特點(diǎn)，以及不合理的森林經(jīng)營(yíng)方式(皆伐、煉山、整地等)，加劇了該區(qū)的水土流失和養(yǎng)分損失[2]。氮作為主要的土壤養(yǎng)分，在維持土壤生產(chǎn)力、供給植被生長(zhǎng)等方面起著重要作用，而不同森林經(jīng)營(yíng)方式直接影響林內(nèi)環(huán)境因素，從而影響森林氮流失形態(tài)和過(guò)程。與次生林相比，人工幼林郁閉度低，林內(nèi)光照強(qiáng)、溫度高，微生物活性強(qiáng)，土壤氮素礦化、硝化速率高，加之南方地區(qū)的氣候特點(diǎn)是雨熱同期，雨季土壤含水量經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，極易產(chǎn)生徑流[3]。有研究指出，煉山造林后全氮、全磷和全鉀的損失量分別為不煉山的22、17和11倍，土壤速效氮含量亦降低24%[4]；相反同煉山造林相比，采取人工促進(jìn)天然更新的森林經(jīng)營(yíng)方式后，不僅水土流失量減少了88%[5]，而且大量剩余物回歸地表，增加了土壤表層的有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)了土壤改良和森林氮儲(chǔ)存，有利于林木生長(zhǎng)。當(dāng)前的研究表明，煉山后養(yǎng)分損失嚴(yán)重，但是針對(duì)不同森林更新方式對(duì)土壤氮素的影響研究較少，特別是采取人工促進(jìn)天然更新的森林經(jīng)營(yíng)方式后的土壤氮流失變化規(guī)律尚不清楚。

近年來(lái)，我國(guó)南方大面積天然常綠闊葉林被采伐，采用不同的經(jīng)營(yíng)方式進(jìn)行森林更新，形成各種次生林、人工促進(jìn)天然更新林(簡(jiǎn)稱人促幼林)和皆伐后經(jīng)營(yíng)的人工林等森林類型。基于此，本研究選擇亞熱帶地區(qū)天然林采伐后形成的米櫧次生林、米櫧人工幼林、米櫧人促幼林為研究對(duì)象，探討了不同森林經(jīng)營(yíng)方式下的氮流失差異，旨在為中亞熱帶森林經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在三明市陳大國(guó)有林場(chǎng)金絲灣森林公園內(nèi)的黃坑工區(qū)(26°19′N、117°36′E)，平均海拔330 m，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫19.1 ℃，無(wú)霜期300 d左右，年均降水量1 749 mm，降水主要發(fā)生在3—6月份，期間降水量占全年降水量的60%，年均水面蒸發(fā)量1 586 mm，年均相對(duì)濕度80%。土壤為花崗巖發(fā)育的紅壤，土壤厚度超過(guò)1 m。喬木層優(yōu)勢(shì)種為米櫧(Castanopsiscarlesii)，其林分密度為2 650株/hm2，平均樹(shù)高為19.7 m，平均胸徑為13.5 cm，其他喬木樹(shù)種有黧蒴錐(Castanopsisfissa)、木荷(Schimasuperba)等；林下灌木主要由鼠刺(Iteachinensis)、黃瑞木(Adinandramillettii)和山礬(Symplocossumuntia)等構(gòu)成；草本則以黑莎草(Gahniatristis)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)和毛冬青(Ilexpubescens)等為主。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取米櫧次生林內(nèi)坡向一致、坡度相近的一面坡地作為研究樣地(面積約1.14 hm2)，對(duì)其進(jìn)行采伐后以不同經(jīng)營(yíng)方式再造林，具體經(jīng)營(yíng)方式如下：①米櫧人促幼林。2011年12月對(duì)原有的米櫧次生林進(jìn)行采伐，采伐時(shí)保留米櫧幼苗，采伐后將采伐剩余物均勻地平鋪在采伐跡地內(nèi)，之后封禁，任其自然更新。②米櫧人工幼林。2011年12月對(duì)原有米櫧次生林地進(jìn)行皆伐，然后將采伐剩余物平鋪在樣地上晾曬，晾干后進(jìn)行火燒，火燒后進(jìn)行米櫧幼苗種植。觀測(cè)期間不做施肥處理。

米櫧人促幼林和米櫧人工幼林的營(yíng)林面積均為0.36 hm2，每種森林經(jīng)營(yíng)模式各設(shè)3個(gè)重復(fù)區(qū)域，分布于上、中、下坡地，每個(gè)重復(fù)面積約為0.12 hm2，在每個(gè)重復(fù)區(qū)域的中心部位建20 m×5 m(順坡方向×等高線方向)的徑流小區(qū)。同樣，在作為對(duì)照的米櫧次生林的上、中、下坡位設(shè)3個(gè)重復(fù)的徑流小區(qū)。不同營(yíng)林方式下的林分特征和土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1、2。

表1 不同營(yíng)林方式下的林分特征

表2 不同營(yíng)林方式下的土壤理化性質(zhì)

2.2 樣品采集和數(shù)據(jù)處理

本研究選取2013年3—5月發(fā)生的水土流失事件(氮流失量占全年的60%以上)，對(duì)每次流失事件的徑流進(jìn)行觀測(cè)后采樣。具體方法為在徑流產(chǎn)生后，于次日早上8時(shí)進(jìn)行取樣，取樣前先測(cè)量徑流池內(nèi)徑流水的深度以確定徑流量，然后攪拌均勻，用1.5 L試劑瓶在徑流池內(nèi)不同位置多點(diǎn)取樣，徑流樣品帶回實(shí)驗(yàn)室并置于4 ℃環(huán)境下待測(cè)。

使用SPSS處理3種森林類型的數(shù)據(jù)，觀測(cè)期間3

種森林類型的徑流量、徑流水氮濃度、氮通量之間的差異用重復(fù)測(cè)量方差分析進(jìn)行檢驗(yàn)(顯著性水平設(shè)為α=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的地表徑流量

從觀測(cè)結(jié)果和圖1可知，在降雨量相同的條件下，觀測(cè)期間米櫧次生林地表徑流量為1.3～14.5 m3/hm2，人促幼林地表徑流量為1.5～10.1 m3/hm2，二者之間徑流量無(wú)顯著差異(P>0.05)；但是人工幼林地表徑流量顯著高于次生林和人促幼林(P<0.05)，人工幼林地表單次產(chǎn)流量是次生林的1.8～18.5倍，與人工幼林相比人促幼林地表徑流量減少了77.9%～92.6%。

圖1 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的地表徑流量

3.2 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的地表徑流氮輸出濃度

3.3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的地表徑流氮輸出通量

圖2 不同森林經(jīng)營(yíng)方式下地表徑流氮輸出濃度

圖3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式下地表徑流氮輸出通量

3.4 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的地表徑流氮輸出形態(tài)

從觀測(cè)結(jié)果和圖4可知，米櫧次生林、人促幼林和人工幼林的地表徑流氮輸出形式主要以無(wú)機(jī)氮為主，無(wú)機(jī)氮輸出比例均大于50%。與次生林相比，人促幼林和人工幼林無(wú)機(jī)氮輸出比例顯著增加(P<0.05)，無(wú)機(jī)氮所占比例由次生林的59.7%增加到82.3%(人工幼林)和68.6%(人促幼林)。

圖4 不同森林經(jīng)營(yíng)方式下地表徑流無(wú)機(jī)氮輸出比例

4 討 論

4.1 不同森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)地表徑流量的影響

在觀測(cè)期間發(fā)現(xiàn)，相同降雨條件下，人促幼林地表徑流量比人工幼林減少了77.9%～92.6%。這是因?yàn)椋阂环矫鏌捝绞沟每萋湮锉环贌乇砺懵?，從而使得大量降雨直接形成徑流，有研究表明煉山后第一年的地表徑流量和土壤流失量分別為不煉山的11和88倍[6]；另一方面，煉山使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，有研究表明煉山跡地的土壤團(tuán)聚體破壞率顯著高于原生林地，煉山后>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量減少了37.5%[7]，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量降低后水土流失發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)提高。南方山區(qū)坡度大，雨量充沛，雨強(qiáng)較大，煉山后林地裸露極易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。相反，保留地表采伐剩余物，枯枝落葉不僅可以分散雨水能量，還能增加地表蓋度，加大林地表面粗糙度，降低雨水對(duì)土壤的濺蝕，減少?gòu)搅髁?。趙鴻雁等[8]研究表明，保留凋落物層可以減少88.8%的徑流量。以上分析表明亞熱帶地區(qū)在進(jìn)行森林采伐時(shí)，保留采伐剩余物可以有效減少地表徑流。

4.2 不同森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)地表徑流氮輸出濃度的影響

4.3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)地表徑流氮輸出通量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，人工幼林DTN輸出通量分別是次生林和人促幼林的20.4和20.8倍。曾杰等[10]在對(duì)喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分流失的研究中發(fā)現(xiàn)，喀斯特裸地土壤年均氮流失量為47.0 kg/hm2，而牧草地的氮流失量比裸地低64.0%；張興昌等[11]在黃土高原小流域土壤氮素流失規(guī)律的研究中指出，與裸地相比，當(dāng)植被蓋度為60%時(shí)土壤氮素輸出減少89.3%。對(duì)不同區(qū)域的研究都發(fā)現(xiàn)，維持良好的植被蓋度可以有效減少土壤氮流失，因此在皆伐時(shí)將采伐剩余物水平堆積而不煉山，保持良好的植被蓋度，可以有效地減少幼林地水土流失量，并且可以使土壤氮素保存于采伐剩余物和土壤中，維持土壤地力。我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)受降雨量大、暴雨多、基巖風(fēng)化程度高、風(fēng)化殼抗蝕性差、地形破碎、坡度變化大等自然因素影響和人為活動(dòng)強(qiáng)烈干擾，水土流失范圍廣。據(jù)水利部調(diào)查，目前南方紅壤丘陵區(qū)水土流失總面積13.12萬(wàn)km2，占全區(qū)土地總面積的11.12%。因此，在該區(qū)選擇人工促進(jìn)天然更新的營(yíng)林方式具有重要的生態(tài)意義。

5 結(jié) 論

(1)同煉山造林相比，采取保留采伐剩余物進(jìn)行人促更新的森林經(jīng)營(yíng)方式，可以減少77.9%～92.6%的地表徑流量。

(3)不同森林經(jīng)營(yíng)方式的氮輸出通量也存在顯著差異，無(wú)機(jī)氮是徑流氮素輸出的主要形式，本研究發(fā)現(xiàn)采取人工促進(jìn)天然更新的森林更新方式，無(wú)機(jī)氮的輸出比例將比煉山造林減少13.7百分點(diǎn)。