龔映勻,王瑞輝,張 斌,劉凱利,董凱麗,劉俊濤,趙蘇亞,周鈺淮

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,長沙 410004)

柳杉(Cryptomeriafortunei)是川西中高海拔地區(qū)適生樹種,也是我國亞熱帶地區(qū)速生用材林基地建設(shè)的主要造林樹種之一[1],據(jù)第七次全國森林清查結(jié)果,僅四川省的柳杉蓄積量就占全國柳杉人工林蓄積的62.84%[2]。柳杉在川西地區(qū)原多作為用材林種植,目前多處于中幼齡階段,普遍存在樹種單一、結(jié)構(gòu)簡單、密度過大等問題,進(jìn)而導(dǎo)致林木生長不良、地力衰退,森林生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益難以達(dá)到預(yù)期效果[3]。為適應(yīng)林業(yè)轉(zhuǎn)型和生態(tài)建設(shè)需要,四川省計劃將這些森林轉(zhuǎn)為兼顧用材與生態(tài)的兼用林。撫育間伐作為森林經(jīng)營管理的主要措施之一,能夠改變林分內(nèi)光照、溫度和水分等微環(huán)境,緩解林木競爭關(guān)系,調(diào)控“植物-土壤-微生物”整體系統(tǒng)的協(xié)同互作關(guān)系,是推動人工林生態(tài)系統(tǒng)地上-地下生態(tài)過程的關(guān)鍵。有關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為,撫育間伐能夠影響森林植被生長[4-6]、土壤理化性質(zhì)[7]及有機(jī)碳儲量[8-11]等,從而影響整個森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益,而撫育間伐也能夠通過影響林木徑階分布格局[12],以此達(dá)到大徑階木材生產(chǎn)要求,為社會帶來經(jīng)濟(jì)效益。在已有研究中,鮮有針對川西地區(qū)柳杉進(jìn)行的撫育間伐研究,本文以川西高海拔柳杉人工林作為研究對象,設(shè)置不同間伐強(qiáng)度處理,探究撫育間伐對柳杉人工林生長、林木徑階分布、土壤理化性質(zhì)及碳儲量的影響,綜合評價撫育間伐的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益,以期為川西高海拔柳杉人工林的科學(xué)經(jīng)營管理、森林質(zhì)量提升提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于雅安市雨城區(qū)(29°40′～30°14′ N,102°51′～103°12′ E),地處四川盆地西部邊緣的邛崍山脈二郎山支脈大相嶺北坡,地勢西高東低,海拔在1 549～1 569 m之間,屬中山地帶,坡度10～21°,坡向為東或東南朝向。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年均氣溫為16.2 ℃,年均降水量約為1 732 mm,森林植被覆蓋率高達(dá)71.55%[13]。常見植被有柳杉、杉木(Cunninghamialanceolata)、箭竹(Fargesiaspathacea)、冬青(lexchinensis)、魚腥草(Houttuyniacordata)、雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)、透莖冷水花(Pileapumila)、吉祥草(Reineckiacarnea)、蛇根草(Ophiorrhizajaponica)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

2015年秋,選擇林木分布較為均勻且立地條件基本一致的9a生柳杉人工純林作為研究對象,樣地面積均為20 m×30 m,造林初植密度2 850株/hm2,設(shè)置4種不同強(qiáng)度間伐處理:對照(CK,0%)、輕度間伐(T1,21.1%)、中度間伐(T2,36.9%)、重度間伐(T3,49.0%),每個處理3個重復(fù),共12個樣地。間伐對象主要為IV級木、V級木和部分Ⅲ級木,間伐木全部運(yùn)出林地,樣地基本情況如表1所示。

2.2 樣地調(diào)查與計算

柳杉胸徑采用每木檢尺法測定(5 cm起測,樣地設(shè)置時標(biāo)記胸徑位置,確保每年的測定位置相同),樹高利用樹高曲線計算(樣地設(shè)置時標(biāo)記20株作為樹高測定樣株,樣株樹高采用釣魚竿或測高器測定),蓄積量等指標(biāo)根據(jù)單株材積和株數(shù)進(jìn)行計算,單株材積根據(jù)四川省柳杉人工林二元立木材積[14]公式計算,計算公式如下:

V=0.000057173591×D1.8813305×H0.99568845

式中:V為柳杉單木材積(m3)；D為胸徑(cm)；H為樹高(m)。

表1 樣地基本概況

2.3 土樣采集與測定

采用環(huán)刀法,在各研究樣地中選擇具有代表性的地段挖3個剖面,按0～20 cm和20～40 cm深度利用100 m3環(huán)刀垂直插入各剖面采集土樣,每層3個重復(fù),用于土壤孔隙度、容重以及含水率等物理性質(zhì)的測定[15],隨后將各層土壤均勻混合,取大約1 000 g混合土風(fēng)干、磨碎、過100目篩后用于化學(xué)性質(zhì)的測定分析。

將土樣置于105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量后測定其含水率,然后計算容重與孔隙度等物理指標(biāo)。土壤全氮(TN)采用元素分析儀法[16]；全磷(TP)采用堿熔-鉬銻抗比色法[17]；全鉀(TK)采用堿熔-火焰光度計法[18]。

土壤有機(jī)碳指標(biāo)包括有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度,土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀水合熱法測定。土壤有機(jī)碳密度指單位面積一定深度土層中土壤有機(jī)碳的儲量,某一土層有機(jī)碳密度的計算公式為:

DSOCk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/10

式中:DSOCk為第k層土壤有機(jī)碳密度(t/hm2)；Ck

為第k層土壤有機(jī)碳含量(g /kg)；Dk為第k層土壤容重(g /cm3)；Ek為第k層土層厚度(cm)；Gk為第k層土層直徑大于2 mm石礫所占的體積百分比。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理,分別采用One-way ANOVE進(jìn)行方差分析、Shapiro-Wilk檢驗方法進(jìn)行正態(tài)性檢驗和Pearson檢驗方法進(jìn)行相關(guān)性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 對林木生長與徑階分布的影響

3.1.1胸徑生長量

由表2看出,柳杉胸徑年平均生長量T1,T2,T3比CK分別增加了0.77,1.23,1.43 cm,各處理間存在顯著差異(P<0.05),胸徑年平均生長量排序為T3(1.89)>T2(1.69)>T1(1.23)>CK(0.46)。隨間伐強(qiáng)度增加,柳杉胸徑年平均生長量呈遞增趨勢,因為撫育間伐除劣留優(yōu),林分長勢更佳,且間伐后密度降低,改善林內(nèi)光照條件,為林木提供了更大的生長空間,使之獲得充足陽光與足夠養(yǎng)分。

表2 柳杉胸徑生長量變化

3.1.2樹高生長量

表3可知,間伐處理后的樣地樹高年平均生長量均與CK處理存在顯著差異(P<0.05),但T1,T2和T3處理間的樹高年平均生長量差異不顯著(P>0.05),故撫育間伐在一定程度上可促進(jìn)樹高生長,但間伐強(qiáng)度的大小對于樹高年平均生長量的影響不大。各間伐處理的樹高生長量第2年最大,此后趨于平穩(wěn)。由此可知,撫育間伐短期內(nèi)對樹高生長有一定促進(jìn)作用,但從長期來看,樹高生長主要還受遺傳品質(zhì)和立地條件的影響。

3.1.3林分蓄積增長量

由表4可知,柳杉林分蓄積年增長量撫育間伐樣地均大于CK樣地,且差異顯著(P<0.05),但T1,T2和T3間差異不顯著(P>0.05)；撫育間伐后的第2年林分蓄積年增長量最大,而后的增長又趨于平緩。撫育間伐雖可以促進(jìn)林木胸徑和樹高生長量增加,但同時也使單位面積立木株數(shù)減少,林分蓄積年增長量則取決于兩方面之間的平衡。

表3 柳杉樹高生長量變化

表4 柳杉蓄積增長量變化

3.1.4林分徑階分布

由圖1可知,胸徑≥16 cm的單木占比排序為T3(82.35)>T2(71.93)>T1(41.18)>CK(26.63),在T2處理中占比最多的徑階較于CK處理向右推移了3個徑階,而T3處理占比最多的徑階較于CK處理向右推移了3～4個徑階。通過對4種處理的柳杉徑階分布進(jìn)行正態(tài)性檢驗,發(fā)現(xiàn)各處理的徑階分布均不具正態(tài)性(P<0.01),這可能是由于林分內(nèi)大徑階與小徑階林木數(shù)量比例不均造成,其中CK和T1處理樣地內(nèi)小徑階林木占比偏多,但T2和T3處理林地內(nèi)占比更多為大徑階林木。

3.2 對土壤有機(jī)碳的影響

3.2.1土壤有機(jī)碳含量和碳密度

從圖2可以看出,0～40 cm土層有機(jī)碳含量均值的大小排序為T2>T3>T1>CK。經(jīng)方差分析,土壤有機(jī)碳含量均值經(jīng)間伐后林分均與CK存在顯著性差異(P<0.05),T1，T2，T3分別為CK的1.30,2.04,1.59倍,T1與T2間存在顯著差異(P<0.05),T2與T3之間差異不顯著(P>0.05)；0～20 cm土層有機(jī)碳含量T2明顯高于CK，T1，T3,且存在顯著差異(P<0.05)。觀測還發(fā)現(xiàn)在相同間伐處理下,隨土層深度增加,土壤中有機(jī)碳含量呈減少趨勢。

由圖3可知,有機(jī)碳密度均值0～40 cm土層排序為T2>T3>CK>T1,其中T2與CK和T1處理之間存在顯著差異(P<0.05)；0～20 cm土層排序為T2>T3>T1>CK,T2與其它3種處理均存在顯著差異(P<0.05)；20～40 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同間伐強(qiáng)度對柳杉人工林徑階分布的影響

注:不同小寫字母表示不同間伐強(qiáng)度下差異顯著(P<0.05)。

注:不同小寫字母表示不同間伐強(qiáng)度下差異顯著(P<0.05)。

撫育間伐能夠顯著促進(jìn)有機(jī)碳含量增加,尤其是T2處理的有機(jī)碳含量增加最為顯著?？紤]由于土壤有機(jī)碳含量受多種增量因素和減量因素綜合影響,在中度間伐下,正面效應(yīng)更明顯,如林木生長旺盛,地被物發(fā)育良好,林分具有較優(yōu)垂直結(jié)構(gòu),林地溫度提升,土壤動物與微生物活動較強(qiáng),枯落物較多且分解較快等；負(fù)面效應(yīng)較少,如水土流失和土壤侵蝕較弱,間伐本身帶走的碳源較少等。

3.2.2土壤理化性質(zhì)

由表5可知,土壤容重均值和毛管持水量均值0～40 cm土層間伐處理與CK處理存在顯著差異(P<0.05)。土壤容重均值T1,T2,T3比CK分別下降了33.33%,31.18%,32.26%；土壤毛管持水量均值T1,T2,T3比CK分別上升了72.53%,53.34%,59.51%?？偪紫抖染?～40 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)。

表5 不同間伐強(qiáng)度下土壤的理化性質(zhì)

0～40 cm土層營養(yǎng)元素均值,T1,T2,T3與CK相比,土壤TN分別增加了18.62%,51.82%,25.51%；土壤TP分別減少了29.55%,53.41%,38.64%；土壤TK分別減少了47.99%,64.39%,52.92%。3種營養(yǎng)元素均值T2與T3均和CK存在顯著差異(P<0.05),各處理均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低的趨勢。

撫育間伐能夠顯著降低土壤容重,增加毛管持水量,但對總孔隙度影響不大；中度和重度間伐后,土壤TN含量顯著增高,TP與TK含量則明顯降低。主要由于林分密度降低改善了林內(nèi)光照條件,促進(jìn)林下植被發(fā)育、土壤微生物活動,同時加快枯落物分解,且試驗地處高海拔地區(qū),林下植被多為落葉植物,其產(chǎn)生的凋落物可向林地輸入大量有機(jī)質(zhì)。間伐后林地土壤的結(jié)構(gòu)得到改善,容重降低、毛管孔隙度增加,TN含量提高,但間伐強(qiáng)度過大時,林木的枯落物減少且分解過快,會減少營養(yǎng)物質(zhì)的釋放與歸還量,同時雨水沖刷也會造成部分營養(yǎng)元素流失,如短期內(nèi)P,K含量降低。

3.2.3土壤有機(jī)碳儲量與理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表6可知,0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳含量與TN含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),0～20 cm土層有機(jī)碳含量與毛管持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

從表7可以看出,0～20 cm土層有機(jī)碳密度與TN呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與TP及毛管持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與TK及總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；在20～40 cm土層有機(jī)碳密度與TN呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與其他指標(biāo)關(guān)系不顯著；在0～40 cm土層中,土壤有機(jī)碳密度與TN呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與TP呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與TK及毛管持水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表6 土壤有機(jī)碳含量與理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

表7 土壤有機(jī)碳密度與理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

間伐4年后土壤有機(jī)碳含量和碳密度與TN呈顯著正相關(guān),表土層達(dá)到極顯著水平,與TP、TK、總孔隙度和毛管持水量的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。由于土壤中的有機(jī)碳主要源于林地枯落物與腐殖質(zhì)的分解,水土流失、土壤侵蝕、撫育間伐等均會造成有機(jī)碳的損失,川西中山地區(qū)年降雨量大,土壤表層的溶解性有機(jī)碳易被帶至林地底層或其它水體。間伐驅(qū)動下的“植被—土壤—微生物”互作關(guān)系是一個復(fù)雜過程,適宜的間伐強(qiáng)度可促進(jìn)植被生長,改善土壤理化性質(zhì),促進(jìn)微生物活動,增加土壤碳儲量,使森林生態(tài)系統(tǒng)趨于健康穩(wěn)定,若間伐強(qiáng)度過大,則對微環(huán)境造成巨大擾動而產(chǎn)生一系列負(fù)面影響,間伐強(qiáng)度過小時,驅(qū)動力不足也難以達(dá)到預(yù)期效果。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1) 撫育間伐對柳杉林木生長的促進(jìn)作用在間伐后的4年間呈“弱—強(qiáng)—弱—弱”的趨勢。部分學(xué)者對油松(Pinustabulaeformis)、興安落葉松(Larixgmelinii)等樹種的撫育間伐試驗也表明,間伐3～5年后林分的平均胸徑、樹高和蓄積量均顯著高于不間伐[19],但不同間伐強(qiáng)度對樹高影響差異不明顯[20]。總體來看,撫育間伐對胸徑生長的促進(jìn)作用明顯。在樹高生長方面,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其主要受遺傳特性和立地條件的影響,與撫育間伐關(guān)系不大；對于蓄積量的影響,主要體現(xiàn)在間伐后林木株數(shù)的減少,對蓄積量產(chǎn)生失去效應(yīng),但胸徑生長的增加,對其產(chǎn)生增長效應(yīng)。撫育間伐對林分生長產(chǎn)生的增長和失去效應(yīng)還與諸多因素相關(guān)[21],研究時需根據(jù)不同區(qū)域具體情況對應(yīng)分析,后期仍需進(jìn)行長期與動態(tài)的研究觀測。

2) 柳杉林內(nèi)株數(shù)占比隨間伐強(qiáng)度的增加向更高徑階集中,表明適當(dāng)增加間伐強(qiáng)度有利于培育大徑階林木。徐金良等[22]在浙江開化開展了撫育間伐對杉木人工林生長影響的研究,發(fā)現(xiàn)間伐后試驗地內(nèi)胸徑20 cm 以下徑級林木的株數(shù)有所降低,而胸徑20 cm以上徑級林木數(shù)量增加；吳建強(qiáng)等[23]對浙江臨安26a生杉木人工林進(jìn)行間伐試驗,發(fā)現(xiàn)間伐3a后林分內(nèi)14 cm徑階及以上的林木株數(shù)顯著高于對照,并認(rèn)為對干擾木的間伐有利于較大徑階林木的生產(chǎn)。目前，市面上大徑階林木銷路較為理想,在實踐生產(chǎn)中可考慮適當(dāng)加重間伐強(qiáng)度,使林分內(nèi)大徑階林木株數(shù)達(dá)到更多占比,獲得更可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

3) 撫育間伐能夠顯著促進(jìn)柳杉土壤有機(jī)碳含量和碳密度的增加,且對表土層的促進(jìn)作用大于心土層,因為間伐后林分中的粗木質(zhì)殘體多存于土表,木栓質(zhì)與木質(zhì)素等頑固組分對土壤有機(jī)碳的輸入增加[24],本試驗T2處理的效果最為明顯。Nilsen等[25]認(rèn)為間伐后由于林地內(nèi)光照增強(qiáng)、土壤溫度升高、微生物活性及呼吸速率等都相應(yīng)變強(qiáng),土壤有機(jī)質(zhì)的分解與釋放速率加快,均會導(dǎo)致林地內(nèi)土壤碳儲量的降低；殷博等[26]以秦嶺南坡紅樺(Betulaalbo-sinensis)林為對象設(shè)置試驗,觀測發(fā)現(xiàn)撫育間伐5a后土壤碳密度幾乎不受間伐強(qiáng)度影響,且各強(qiáng)度處理間均無顯著差異；孫志虎等[27]以佳木斯市孟家崗林場的長白落葉松(Larixolgensis)人工林為對象進(jìn)行撫育間伐試驗,發(fā)現(xiàn)3次15.3%～23.8%的間伐處理下土壤碳庫和礦質(zhì)土壤碳庫比CK提高的比例甚至高達(dá)12.8%和15.5%,但在高強(qiáng)度處理下,土壤碳儲量會低于CK。由此可見,相關(guān)研究結(jié)果不盡相同,這可能是土壤碳儲量受到觀測時期、氣候條件、林分特征、干擾頻次等因素的綜合影響,當(dāng)具體到某一林分時,影響因素的主次發(fā)生變化,從而導(dǎo)致試驗結(jié)果存在一定差異。

4) 撫育間伐能夠顯著降低土壤容重,增加毛管持水量,但對總孔隙度影響不大,中度和重度間伐能夠顯著增加土壤TN含量,且隨間伐強(qiáng)度增加N含量均值呈先上升后下降趨勢,而間伐后土壤TP、TK含量降低。戎建濤等[28]對浙江文成石垟林場的柳杉人工林進(jìn)行撫育間伐試驗,認(rèn)為間伐會增加土壤容重,且隨采伐強(qiáng)度增大而增加；陳蕾等[29]以興安落葉松林為對象進(jìn)行間伐試驗,發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與容重、TP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,適宜的間伐強(qiáng)度可提高土壤呼吸速率[30],隨間伐強(qiáng)度增加,土壤中N,P,K 營養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先升后降趨勢。由于撫育間伐對土壤理化性質(zhì)的影響與地理位置、土壤類型、林分特征等因素相關(guān),所以研究者們的結(jié)論不一,但多數(shù)研究表明,適宜的撫育間伐能夠降低土壤容重、增大孔隙度,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[31-32],提高土壤肥力[33],改善林內(nèi)微環(huán)境。

5) 間伐4年后的土壤有機(jī)碳含量和碳密度與TN呈顯著正相關(guān),并在表土層達(dá)到極顯著水平,與TP、TK、總孔隙度及毛管持水量的關(guān)系為負(fù)相關(guān)?？梢?撫育間伐后的林地土壤有機(jī)碳含量和碳密度均與土壤中的N,P等營養(yǎng)元素存在相關(guān)性,尤其是與TN呈顯著正相關(guān),這可能是NH4+和NO3-結(jié)合到土壤的有機(jī)質(zhì)骨架中,生成難以被微生物降解的化合物或酚聚合物[34-36],從而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。此外,林木年齡、品質(zhì)與環(huán)境條件等,均會對土壤有機(jī)碳含量與N,P,K等營養(yǎng)元素的關(guān)系產(chǎn)生影響。

4.2 結(jié)論

撫育間伐在短期內(nèi)對柳杉林木胸徑、樹高及蓄積量均有顯著促進(jìn)作用,與此同時,中度和重度間伐還促進(jìn)了柳杉人工林的徑階株數(shù)占比向更高的徑階集中,撫育間伐能夠提高林分表土層的有機(jī)碳含量和碳密度,間伐后的土壤有機(jī)碳含量和碳密度均與土壤TN、TP存在顯著相關(guān)性。根據(jù)試驗結(jié)果,考慮到川西高海拔地區(qū)柳杉人工林的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)多功能特征,在經(jīng)營策略上短期內(nèi)可采取中度間伐以達(dá)到更優(yōu)的綜合成效,但對于撫育間伐的長期成效仍需耐心觀測及更進(jìn)一步的研究與探討。