杉木闽粤栲异龄复层林的土壤肥力及其涵养水源功能1)

洪宜聪

(福建省沙县林业局，沙县，365500)

杉木闽粤栲异龄复层林的土壤肥力及其涵养水源功能1)

洪宜聪

(福建省沙县林业局，沙县，365500)

以福建省沙县高砂林场的重点生态区位杉木林为研究对象，研究了450、600、750、900株·hm-24个间伐保留密度下栽植闽粤栲，各处理林分的土壤物理化学性质、林分持水量及涵养水源功能。结果表明：与套种前和对照杉木纯林相比，异龄复层林土壤深度(h)0lt;h≤20 cm土层，土壤密度分别降低了10.15%和9.52%；粒径(D)Dgt;0.25 mm的水稳性团聚体含量分别提高了19.03%和12.69%；结构体破坏率分别下降了21.52%和11.61%；总孔隙度分别提高了6.57%和4.95%。与套种前相比，0lt;h≤20 cm土层的全磷、全氮、有机质质量分数分别提高39.02%、26.96%和29.33%，速效钾、速效磷和水解氮质量分数分别提高了24.32%、38.09%和14.37%。与对照杉木纯林相比，林分总持水量提高19.38%；地表径流系数下降23.21%。20 cmlt;h≤40 cm土层也呈现同样规律。方差分析显示，各保留密度处理均可显著改善土壤的物理化学性质及其涵养水源功能，以600株·hm-2保留密度套种的效果最优。

异龄复层林；杉木；闽粤栲；商品林；涵养水源功能

目前，中国南方重点区位生态林大多为针叶纯林，其前身为商品用材林，树种组成为杉木(CunninghamialanceolataLamb.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)纯林，它树种单一，林龄老化,森林生态系统脆弱，林分抗逆能力差，有害生物猖獗[1]，各种自然灾害频发，严重影响了重点区位生态林所应有的功能和效益的发挥。近年来，国家在南方开展重点生态区位商品林的赎买、置换等试点工作，将现有的重点生态区位商品林通过赎买等方式保护起来，但如何将赎买后的商品林逐步培育成以阔叶树为优势树种的多树种组成的复层混交林分，建立树种多样、结构合理、功能齐全、长期稳定的森林生态系统，已成为重点区位生态林管护上急需解决的首要问题[2]。如何改造重点生态区位针叶林已成为林业工作者面临的新课题。目前国内外有关这方面的研究不多，国内对重点区位生态林改造研究起步较晚，多见在林内空隙或稀疏林地及重点水土流失区和荒芜经济林补植套种当地乡土阔叶树种、珍贵树种的相关报道，对林分质量不高的低产低效人工针叶纯林采取间伐，让出部分生长空间后栽植阔叶树还未见报道。

闽粤栲(CastanopsisfissaRehder E. H. Wilson)为福建省的乡土树种，是中亚热带常绿阔叶林重要组成树种之一,其速生快长，组成的林分稳定性好，生态功能强[3]。在重点区位生态林分通过疏伐栽植闽粤栲，逐步形成杉木、闽粤栲复层混交林、异龄林，改善林分结构，解决纯林树种单一、林龄老化所产生林分生态功能脆弱问题，提高森林生态系统的稳定性，以提高重点区位生态林的生态功能。为实现重点区位生态林改造新途径，探索重点生态区位杉木林中套种闽粤栲的林分土壤肥力及涵养水源功能状况，本研究以福建省沙县高砂林场的重点生态区位杉木林为研究对象，研究了不同间伐密度下，各试验林分的土壤物理化学性质、林分持水量和涵养水源功能，为南方重点生态区位商品林的提升改造提供科技支撑。

1 研究区概况

试验区地处福建省沙县(北纬26°6′～26°46′，东经117°32′～118°6′)高砂林场，海拔430～570 m，年均气温19.7 ℃，无霜期305 d，年均降水量1 887 mm,相对湿度83.3%。林分为杉木闽粤栲异龄复层林，属重点区位生态林，林龄28 a,面积57.2 hm2，土壤类型为黄红壤，土层深厚，立地类型为Ⅱ类地，林下植被为地菍(Melastomadodecandrum)、芒萁(Dicanopterisdichotoma)、地杨梅(Luzulacampestris)、铁丝草(Ophiopogonchingii)、野桂花(Osmanthusyunnanensis)等[4]。试验林分概况见表1。

表1 试验林分概况

2 研究方法

2.1 建立试验林

2006年5月份选择沙县高砂林场重点区位的杉木纯林建立试验林，于预定的试验林内设立试验区，并设立大小为20 m×20 m标准地各3个，于2006年6月份采用疏伐方法[5]开展间伐，保留木应均匀分布，设450、600、750、900株·hm-24个水平保留密度，以CL1、CL2、CL3、CL4分别表示。间伐前后及时开展标准地每木调查，伐后清理林地，分层采集土样，以0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm分层，重复5次。于室内对采集的原状土样进行土壤物理性质分析，将土样按对应土层混合后分析测定土壤的化学性质。2006年11月份在林隙地上挖穴(50 cm×40 cm×30 cm)，于次年春季选用1年生闽粤栲实生苗栽植，苗木质量要求为Ⅱ级以上[6]，闽粤栲的栽植密度为1 200株·hm-2，适时开展锄草抚育。选择相同条件闽粤栲纯林、杉木纯林设立3块对照标准地，大小为20 m×20 m，不采取任何措施，用CK表示。

2.2 试验方法

2016年10月份，对各标准地内林木开展每木调查，测定其树高、胸径、冠幅、枝下高等因子数据，调查测定各林分土壤化学性质、林分各层持水量、土壤抗蚀能力。以闽粤栲纯林、杉木纯林为对照，分析杉木闽粤栲异龄复层林的土壤肥力及其涵养水源功能。

2.2.1 林分树冠持水量

于各标准地中，以树高、胸径分别与其平均值相当(误差≤±5%)为标准，选定5株样树，量取地径、胸径、冠幅与树高等数据，以Monsi分层切割法，分为1 m段，测定样树的枝、叶、干、皮的鲜质量，按基部、中部、顶端各取1个圆盘，测定其含水量；以随机方法取30%的样品烘干测定干质量，计算出含水量。于室内，用随机方法取20%的样品，浸水24 h，测定其持水率，计算出持水量[7]。

持水率=(水分含量/干质量)×100%。

持水量(t·hm-2)=持水率×生物量。

2.2.2 植被和凋落物持水量

调查标准地的植被种类与数量，测定鲜质量。以“S”路线在标准地中设置5个2 m×2 m的样方，调查灌木层种类与数量。再设5个1 m×1 m的小样方，按“样方收获法”，调查凋落物现存量，重复5次。于实验室内，按未分解层(L)、半分解层(F)、腐殖质层(H)分别称质量。以随机方法取20%的植被、凋落物的样本，浸水24 h，测定计算其持水率、持水量[8]。

2.2.3 土壤分析

选择在标准地中的2棵树，在两树间挖取土壤剖面，分别采集0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm土层的土样，重复5次。对取回的原状土样，在室内开展分析测定其物理性质，把各原状土样，以其相对应的土层混合后，用OK-V8土壤肥料养分速测仪(郑州欧柯奇仪器制造有限公司)分析测定其化学性质。采用STS-55土壤渗透仪测定土壤渗透速率(上海魅宇仪器设备有限公司)。采用DS-100型土壤团聚体分析仪(北京鼎盛荣和科技有限公司)测定土壤团粒结构，用四分法取风干土样200 g置于套筛上，筛孔大小自上而下排列的顺序为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm。加筛盖和筛底盒后干筛，直至各筛上的土团不再下漏为止。然后收集各筛上的土样，分别称质量，计算各级团聚体占风干土样的百分数。根据所得的各级干筛团聚体的含量，按比例配成50 g风干土样，将套筛(从上到下的顺序为5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm)放于振荡架上，并置于水捅中，桶内加水达一定高度，使套筛最上面筛子的上绦部分在最低位置时，仍离开水面约1 cm，将称好的50 g土样放入套筛内,启动马达，使套筛在水中上下振动30 min，振荡后将套筛轻轻离开水面，待水稍干后，用洗瓶将各级筛子上的团聚体轻轻冲入蒸发皿，倾出皿中的清液。然后放在电热板或水浴上蒸干称质量(精确至0.01 g)。

土壤最大持水量(t·hm-2)=10 000×土壤总孔隙度×土层厚度。

非毛管持水量(t·hm-2)=10 000×土壤非毛管孔隙度×土层厚度。

土壤结构体破坏率=((Dgt;0.25 mm干筛团聚体(%)-Dgt;0.25 mm湿筛团聚体(%))/Dgt;0.25 mm干筛团聚体(%))×100%。

2.2.4 数据处理

采用Excel2007对获得的数据进行处理，用SPSS17.0软件进行显著性分析，分析各处理林分的土壤理化学性质主要参数、林分的持水量、林分地上部分持水性能、土壤的持水性能、土壤渗透性能和土壤抗蚀性能的差异性(Plt;0.05和Plt;0.01)。

3 结果与分析

3.1 土壤分析

3.1.1 土壤结构分析

由表2可得，经CL2处理的0lt;h≤20 cm土层，Dgt;0.25 mm水稳性团聚体的含量平均为86.37%，比开展套种前和对照的杉木纯林提高19.03%和12.69%，结构体破坏率为13.02%，比开展套种前和对照杉木纯林分别下降了21.52%和11.61%；CL2处理20 cmlt;h≤40 cm土层，土壤结构体破坏率为15.76%，比开展套种前和对照杉木纯林分别下降了9.01%和6.80%。经显著性分析，各处理相同土层Dgt;0.25 mm水稳性团聚体、结构体破坏率与套种前和对照间差异均极显著，表明杉木林内套种上闽粤栲后，土壤的各项主要指标趋好，结构的性能优于杉木纯林。

表2 不同林分土壤结构分析

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；括号外为干筛数值，括号内为湿筛数值；CK1为套种前的杉木林，CK2为对照杉木林；括号外同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.1.2 土壤孔隙状况分析

由表3可看出，各处理土壤的不同高度土层总孔隙度均得以提高。经CL2处理的0lt;h≤20 cm土层，总孔隙度比开展套种前和对照杉木纯林分别提高6.57%和4.95%；20 cmlt;h≤40 cm土层的总孔隙度亦有所提高，只是幅度较小些。0lt;h≤20 cm土层的土壤密度比开展套种前和对照杉木纯林分别降低10.15%和9.52%；20 cmlt;h≤40 cm土层土壤密度亦有一定幅度下降。0lt;h≤20 cm、20 cmlt;h≤40 cm高度土层的非毛管隙比开展套种前分别提高19.01%和19.05%。经显著性分析，各处理相同土层总孔隙度、土壤密度与套种前和对照间差异均极显著，表明杉木林内栽植闽粤栲，因闽粤栲根系的活动改变了土壤垒结状况，改良了土壤，土壤孔隙度趋于合理，土壤疏松透气性增强，便于养分、水分的渗透与输送。

表3 各种林分土壤的孔隙度分析

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK1为套种前的杉木林，CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.1.3 土壤养分

由表4可得，各处理与开展套种前相比，土壤的各项常规养分指标均有所提高，CL2处理0lt;h≤20 cm土层的全磷、全氮、有机质质量分数分别提高39.02%、26.96%和29.33%，速效钾、速效磷和水解氮质量分数分别提高24.32%、38.09%和14.37%；20 cmlt;h≤40 cm土层的养分状况也相应得到改善，只是提高幅度小些。与杉木纯林相比，各处理土壤的各项常规养分指标亦有相应的提高，经CL2处理的0lt;h≤20 cm土层的全磷、全氮、有机质质量分数分别提高29.55%、18.70%和23.40%，速效钾、速效磷和水解氮质量分数分别提高19.34%、28.89%和10.03%；20 cmlt;h≤40 cm土层的养分状况也有同样趋势，只是提高幅度较小。经显著性分析，各处理相同土层全磷、全氮、有机质、速效钾、速效磷和水解氮质量分数与套种前和杉木纯林间差异均极显著，表明杉木林内套种闽粤栲形成异龄复层林后，凋落物生物量增加且易于分解，林木从土壤中带走的养分以枯枝落叶的形式归还到林地，提高了土壤肥力，有效地促进林木生长[14-15]。

表4 各林分土壤养分参数

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK1为套种前的杉木林，CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.2 涵养水源功能

3.2.1 林分地上部分持水性能

由表5可看出，经CL2处理林冠的持水量是9.092 t·hm-2，与对照的杉木纯林比提高15.94%。

由表6可看出，经CL2处理的植被层、凋落物层的持水量分别为1.252、25.602 t·hm-2，与对照杉木纯林比分别提高26.08%、174.61%。经显著性分析，各处理与对照杉木纯林间在林冠、林分植被和凋落物的持水性能上差异极显著。表明异龄复层林林冠、植被、凋落物等各层次持水蓄水性能比对照杉木纯林强，能有效地截留雨水，能减弱降水对表土层的冲击。

表5 异龄复层林与对照杉木林冠层持水量

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

表6 各林分植被层及凋落物层的持水量

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.2 土壤持水能力

由表7可看出，杉木林套种闽粤栲后，土壤孔隙状况得到改善，持水性能提升。经CL2处理的0lt;h≤20 cm土层的含水量、田间持水量及最大持水量与开展套种前土壤相比分别提高了9.86%、22.04%、35.10%；20 cmlt;h≤40 cm土层亦分别提高了7.82%、11.94%、12.29%，且与对照的杉木纯林比亦有相同趋势，只是提升幅度较小。经显著性分析，各处理与套种前和对照杉木纯林间在含水量、田间持水量及最大持水量均差异极显著。表明杉木林栽植闽粤栲后，使得土壤水分参数得到提升，水分状况得以改善，异龄复层混交林具有良好的蓄水性能，有效减缓地表径流，能充分发挥涵养水源功能。

3.2.3 林分的持水量

由表8可看出，各处理林分土壤持水量、林分总持水量均比对照的杉木纯林高。经CL2处理的0lt;h≤40 cm土层的最大持水量为1 839.697 t·hm-2，与对照杉木纯林相比增加286.338 t·hm-2，提高了18.43%。经CL2处理总持水量为1 875.646 t·hm-2，与对照杉木纯林相比增加303.955 t·hm-2，提高了19.34%。经显著性分析，各处理林分与对照杉木林间在林冠层、植被层、凋落物层、土壤层和林分总持水量差异均极显著。表明对现有杉木针叶纯林营建成的异龄复层混交林，林分结构、土壤结构随之发生变化，土壤孔隙状况改善，林分的水源涵养功能得以提升[16]。

表7 各林分土壤水分参数

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK1为套种前的杉木林，CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.4 土壤渗透参数分析

由表9可看出，各处理林分初渗速度、稳渗速度均比对照的杉木林高，地表径流系数与对照的杉木林相比均有大幅下降。经CL2处理的稳渗速度为3.14 mm·min-1，为对照杉木纯林的1.33倍，初渗速度为4.72 mm·min-1，为对照杉木纯林的1.20倍，地表径流系数0.43，比对照杉木纯林下降23.21%。经显著性分析，各处理林分与对照杉木纯林间在初渗速度、稳渗速度和地表径流系数上差异均极显著。表明异龄复层林具有多层次林分结构，良好的土壤结构，林分土壤入渗能力得以提高。

表8 不同林分各层的持水量 t·hm-2

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

表9 不同林分土壤渗透参数与抗蚀参数分析

注：表中数据为平均值±标准差；CL1、CL2、CL3、CL4分别代表4个不同保留密度的处理；CK2为对照杉木林；同列不同字母表示差异极显著(Plt;0.01)；n=5。

3.2.5 土壤抗蚀参数分析

土壤结构体破坏率和水稳性团聚体量是土壤抗蚀性的重要指标。从表2可知，与对照杉木林相比，各处理林分各土层Dgt;0.25 mm的水稳性团聚体含量均得以提高，结构体破坏率则减少。从表9可看出，在同等的降水量时各处理林分的土壤侵蚀量与对照杉木林相比明显减小，经显著性分析，在降水量相同时，各处理的异龄复层林与对照杉木林之间的侵蚀量均有极显著差异。表明在杉木林中栽植闽粤栲形成的异龄复层林，可极大提升林地土壤的抗蚀能力。

4 结束语

在重点生态区位的杉木林内通过疏伐改造，降低杉木密度，让出部分生长空间栽植闽粤栲，营建起杉栲混交异龄复层林，改变了杉木的生境条件，重塑林分结构。建立的林分凋落物数量增加且分解加快，可改善土壤的化学性质，土壤中各养分质量分数得以提高，土壤肥力增强[17]，促进了杉木与闽粤栲生长，林分生物量得以提高，树冠层增厚增大，可有效截留雨水，减弱降水对土表的冲击力。异龄复层林改善了土壤的物理性质，使土壤的密度变小，孔隙增加，孔隙状况趋于合理，林分总持水量增大，渗透性能得以增强，林地容蓄水分的能力提升，同时，土壤的有机胶结物增多，林分表现出比纯林更强的水土保持功能。因此，在杉木林栽植套种闽粤栲，改变了原有单一的林分结构，重建森林生态系统，形成的异龄复层林表现出较高的生态功能，提高了林分涵养水源的功能，增强了林分的抗性，提高了经营效益和社会效益[18-22]。这与国内外相关研究结果相一致[23-30]。

上述经营措施可提高重点区位生态林的生态功能，提升重点区位生态林的生态景观，有效解决大面积的纯林导致重点区位生态林生态功能脆弱、地力严重衰退、水土流失的问题，是南方重点生态区位商品针叶林改造及生态系统重建的好途径。

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SoilFertilityandWaterConservationofDifferent-agedCompoundStoriedCastanopsisfissaandCunninghamialanceolataPlantations//

Hong Yicong

(Forestry Bureau of Shaxian County, Shaxian 365500, P. R. China)//

Uneven-aged irregular mixed forests;Cunninghamialanceolata;Castanopsisfissa; Merchandise forest; Water conservation function

1)福建省地方标准项目(闽质监标[2015]94号)；福建省标准化专项资金(闽财建指[2016]75号)；三明市林业科技研究项目(明财(农)指[2015]54号)；三明市科技项目(明科成[2016]14号)。

洪宜聪，男，1966年7月生，福建省沙县林业局，教授级高工。E-mail：honghyc_886@sina.com。

2017年3月17日。

责任编辑：任 俐。

S725.6

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(11)：65-71.

WithCunninghamialanceolatamixed withCastanopsisfissaunder densities of 450, 600, 750 and 900 stem·hm-2after thinning located at the key ecological niches in Gaosha Forest Farm of Shaxian County. The soil physical and chemical properties, water-holding capacity, and water conservation function were measured. The soil density was decreased, respectively, by 10.15% and 9.52% in 0-20 cm layer of the soil in different-aged compound storiedC.fissaandC.lanceolataplantations compared with that before inter-cropped and pureC.lanceolatacontrol. Similarly, the content of water-stable aggregates particle size (D)Dgt;0.25 mm increased by 19.03% and 12.69%, while structure destruction rate decreased by 21.52% and 11.61%, respectively. Meanwhile, total porosity was increased by 6.57% and 4.95%. Compared with plantations before inter-cropped, contents of total P, N, and organic matter in soil of 0-20 cm layer were increased by 39.02%, 26.96%, and 29.33%, and those of rapid K, P, and hydrolysable nitrogen increased by 24.32%, 38.09%, and 14.37%, respectively. Compared to the pureC.lanceolataplantation, the total water holding quantity was enhanced by 19.8%, the while surface runoff coefficient was decreased by 23.21% in the uneven aged mixture, and the soil of 20-40 cm layer was also present with the same trend. By the analysis of variance, each retention density can significantly improve soil properties and water conservation function, among which the optional density was 600 tree·hm-2.