间伐对尾巨桉林植物多样性和水源涵养功能的影响

朱原立，苏福聪，任世奇，陈健波，项东云，郭东强，邓紫宇，江顺达



间伐对尾巨桉林植物多样性和水源涵养功能的影响

朱原立1,3，苏福聪1,3，任世奇2,3＊，陈健波2,3，项东云2,3，郭东强2,3，邓紫宇2,3，江顺达1

(1. 广西国有七坡林场，广西 南宁 530225；2. 广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；3.广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站，广西 南宁 530002)

为了解间伐强度对桉树林植物多样性和水源涵养功能的影响，通过设置未间伐、间伐强度33%和间伐强度50% 3种处理，研究间伐4 a后尾巨桉林的植物多样性和水源涵养能力。结果表明：在3种密度林分中，越南悬钩子重要值明显大于其他灌木植物且随间伐强度的增强而增大；芒萁和乌毛蕨重要值也始终大于其他草本植物但随间伐强度的增强呈递减趋势。灌木植物的Shannon-Wiener指数、Simpson指数和均匀度指数随间伐强度的增强而降低，而草本植物的物种多样性指数差异不显著。枯落物蓄积量、最大持水率和最大持水量表现为未间伐林分与间伐强度50%林分基本一致，二者大于间伐强度33%林分，但总体差异不显著。3种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样。综合水源涵养能力表现为：间伐强度50%林分＞未间伐林分＞间伐强度33%林分。

尾巨桉；间伐；植物多样性；水源涵养

森林土壤是森林涵养水源的主体，人为对森林土壤的干扰势必改变森林土壤理化性质，进而影响其水源涵养能力。抚育间伐是人工林经营过程中的一种重要手段，其在一定程度上改变了林分结构与功能。森林的水源涵养能力是重要的生态系统服务功能之一，关于抚育间伐对森林的水源涵养能力在多个树种中开展过相关研究[1-5]。

桉树()是我国华南地区的主要商品林树种，随着桉树种植面积的扩大，其水土流失问题逐渐成为社会广泛关注的焦点之一。已有研究表明，桉树林皆伐会显著增加地表径流[6-8]，火烧炼山的径流量大于人工清山[9]，森林火烧后显著增加地表径流，但火烧前对林地进行耕作则显著降低地表径流[10]。大面积集中连片的桉树纯林是当前桉树造林的主要模式。黄承标等[11]研究认为，种植尾巨桉()后，土壤容重变大，水分下渗能力减弱，土壤有效储水量降低，导致地表径流增加，水源涵养功能减弱，但在广西和云南的试验结论认为转变桉树经营模式可显著减少水土流失量[12-13]。BOSCH 等[14]认为，桉树种植会降低流域产流量。VITAL等[7]发现，种植柳叶桉()后的原牧草地径流减少，7 a后径流消失。荒草地和灌木林地2种土地利用类型的径流量均大于巨尾桉()林地[15]。不同更新方式的桉树林地与采伐迹地灌草坡比较显示，桉树林地径流小于灌草地，且桉树植苗林地小于萌芽林地[16]。由此说明，桉树林的不同经营方式、林龄、土壤类型等都与径流量有关，宜根据当地降水条件采取科学的经营方式。抚育间伐是定向培育桉树中大径材的一种重要手段，然而关于桉树抚育间伐后其林分的水源涵养能力变化情况却少有研究。因此，本文通过间伐措施调整桉树纯林密度，研究不同密度林分的水源涵养能力，为将来进一步调整桉树纯林结构和设定新造林初植密度设定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在南宁桉树生态站开展定位监测，南宁桉树生态站内为尾巨桉二代萌芽林，第一代桉树植苗林于2010年秋季开始采伐，2010年10月采伐结束且伐桩开始萌芽，2011年3月萌芽生长至1.0 ~ 2.0 m时，每个伐桩保留生长健壮的萌芽条1株，其余全部铲除。全砍清除林地杂灌草，挖穴后施用N、P、K有效总养分大于30%的桉树专用追肥0.5 kg·株-1，2012年和2013年春季喷施除草剂，继续挖穴施用桉树专用追肥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，在林分的同一坡面区划间伐试验样地3个，每个样地面积约0.6 hm2，间伐强度0%(CK)、33%和50%。本研究以3个间伐强度试验林(分别设为P1、P2和P3)为对象，开展尾巨桉植物多样性和水源涵养功能研究。

1.2 土壤物理性质及机械组成

由表1可知，3种密度林分土壤颗粒物含量差异不显著；3种密度林分的林地均为黏质土壤；土壤容重差异不显著，变化范围1.26 ~ 1.38 g·cm-3。

表1 不同密度林分的土壤容重与颗粒物组成

注：同列数据后的不同小写字母表示差异显著(<0.05)。

1.3 试验方法

1.3.1 植物多样性调查

2018年4月在样地P1、P2和P3中分别设定3个20 m × 20 m的固定样地，将固定样地区划为16个5 m × 5 m样方，每个固定样地选择4个样方调查林下灌木和草本植物，调查内容包括种类、数量、株度、盖度。计算各个林分林下植物的重要值和物种多样性指数。

重要值计算公式如下：

式中：为重要值；为某个种的个体数/全部种的个体总数(%)；为某个种的盖度/全部种的总盖度(%)；为某个种的频度/全部种的总频度(%)。

Shannon-Wiener指数计算公式如下：

式中：为Shannon-Wiener指数；物种丰富度(S)为样方内的物种总数。

为物种i的个数所占总个体数的比例。

Simpson指数计算公式如下：

式中：为Simpson指数。

Pielou均匀度指数计算公式如下：

为均匀度指数。

1.3.2 枯落物蓄积量及持水率测定

分别在样地P1、P2和P3的下坡、中坡和上坡位置共选择6个25 cm × 40 cm的样方，在样方内测定枯落物的厚度，然后按未分解层、半分解层和全分解层进行取样，带回实验室。在实验室内对枯落物样品进行精确称重，然后在烘箱温度103℃烘至恒重，换算每公顷林地的枯落物重量、蓄积量和自然含水率。将烘干称重后的枯落物用纱布袋包好放入水中淹没浸泡，经24 h后取出烘干立即称饱和湿重，从而计算枯落物最大持水率和最大持水量。

式中：为最大持水率(%)；为枯落物烘干重(kg)；为枯落物饱和湿重(kg)；为枯落物蓄积量(t·hm-2)；为枯落物最大持水量(mm)。

1.3.3 土壤贮水能力测定

分别在样地P1、P2和P3的对角线挖取3个土壤剖面，在土层深度0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80和80 ~ 100 cm位置取环刀样，测定土壤贮水能力。土壤贮水能力大小主要取决于土壤非毛管孔隙度，计算公式参照(GB 7835-87)[17]。

2 结果与分析

2.1 不同密度林分的植物重要值特征

由图1可知，不同密度林分中的灌木种类差异不显著，未间伐林分的灌木植物13种，间伐强度33%林分和间伐强度50%林分的灌木植物均为14种，可见间伐后林分的灌木植物种类有所增加。在3种密度林分中，越南悬钩子()的重要值始终保持最大，远高于重要值排名第2的灌木植物，并随着林分间伐强度的增强而增加。不同密度林分中的草本植物种类差异不显著，未间伐林分的草本植物14种，间伐强度33%林分的草本植物有13种，间伐强度50%林分的草本植物有12种，草本植物种类随着间伐强度的增强呈递减趋势，3种密度林分草本植物重要值最大的均为芒萁()，其次是乌毛蕨(Blechnum orientale)。

2.2 不同密度林分的物种多样性特征

由表2可知，3种密度林分的植物多样性丰富度基本一致。

表2 不同密度林分的物种多样性

灌木植物的Shannon-Wiener指数、Simpson指数和均匀度指数均随间伐强度增强而降低，草本植物的Shannon-Wiener指数、Simpson指数和均匀度指数在不同密度林分之间的变化不显著，说明灌木植物生长受林分空间的影响更大。

2.3 枯落物层持水能力

由图2可知，3种密度林分的枯落物蓄积量、最大持水率和最大持水量均差异不显著，其中未间伐林分与间伐强度50%林分基本一样，二者大于间伐强度33%林分。由表3可知，不同密度林分之间枯落物最大持水率的差异大于枯落物最大持水量、枯落物蓄积量的差异，说明未间伐林分与间伐强度50%林分的枯落物持水能力相当。

表3 枯落物水源涵养功能指标方差分析

图1 不同密度林分的灌木和草本植物重要值

图2 不同密度林分的枯落物蓄积量、最大持水率和最大持水量

2.4 土壤层贮水能力

由图3可知，不同密度林分之间的土壤最大持水量、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层贮水能力受林分密度影响不显著。通过表4的方差分析发现，3种密度林分之间的土壤最大持水量值大于非毛管持水量和毛管持水量，3种密度林分的土壤最大持水量变化趋势表现为：间伐强度50%林分(289.57 mm)＞未间伐林分(284.11 mm)＞间伐强度33%林分(283.63 mm)。

表4 不同密度林分土壤水源涵养功能指标方差分析

图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 不同密度林分的综合水源涵养能力

林分的综合水源涵养能力表现为林下枯落物持水量和土壤贮水量总和。本研究中的3种不同密度林分的综合水源涵养能力(图4)表现为，间伐强度50%林分＞未间伐林分＞间伐强度33%林分。

3 讨论

3.1 不同密度尾巨桉林的物种多样性特征

地表径流主要来源于降水，而降水强度、持续时间及地被物特征是影响地表径流大小的主要原因。森林更新初期，林下的灌草植被能有效减少林地水土流失，增强林地持水能力[18]。本文通过间伐33%和间伐50%两种强度对4.5 a生尾巨桉纯林进行林分结构调整，树木继续生长3.5 a后调查发现，在3种密度林分中均是越南悬钩子的重要值最大，其随间伐强度的增强而增加，其他灌木植物重要值变化趋势相似。3种密度林分的草本植物重要值排名前2名的均是芒萁和乌毛蕨，且重要值的数值基本一样，说明间伐加强了林下优势种灌木，而对草本的影响甚小。文中随间伐强度增强而林下灌木植物的物种多样性降低，与莫罗坚等[19]对尾叶桉()间伐和套种的物种多样性研究结果一致，黄丹等[20]间伐对林下植物多样性研究亦得到一致结论，这可能是间伐促进上层乔木生长，乔木迅速恢复并占领上层空间，最终产生抑制林下灌木的作用。叶永昌等[21]的研究结论稍有不同，其原因是其研究的尾叶桉林除了间伐，还有人为套种，其经营方式与本研究不同。

图4 不同密度林分的综合水源涵养能力

3.2 间伐对尾巨桉林分综合水源涵养能力的影响

林分的水源涵养能力主要包括林冠截留能力、枯落物持水能力和土壤贮水能力。本研究注重间伐后林下枯落物持水能力和土壤贮水能力的改变探讨间伐对林分水源涵养能力的影响。枯落物层在降水截留、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲效能等方面发挥着第二个水文作用层的作用[22]。本研究结果表明，不同间伐强度对尾巨桉林分的枯落物持水能力表现为未间伐林分和间伐强度50%林分基本一致，二者大于间伐强度33%林分，其原因可能是随着间伐强度的增强，林下枯落物的组成和数量发生了变化，导致其持水能力有所不同。尾巨桉林土壤层贮水能力受抚育间伐强度的影响不显著，这与赵洋毅等[23]在重庆缙云山构建的8种模式水源涵养林研究结果一致，土壤物理性质与不同种植模式关系不显著。贾忠奎等[24]对北京侧柏()间伐后5 a研究表明，不同抚育间伐强队对土壤容重有改善趋势，尤其是对土壤总孔隙度和非毛管孔隙度的影响，从而影响水源涵养能力。

4 结论

(1) 间伐对尾巨桉二代萌芽林中的灌木种类影响不显著，但增强了灌木优势种的重要值，其中以越南悬钩子的重要值明显大于其他灌木植物，同时灌木植物物种多样性指数随间伐强度的增强呈递减趋势。草本植物种类随间伐强度增强呈降低趋势，但物种多样性指数受间伐的影响不显著。

(2) 本文间伐形成的3种密度林分的综合水源涵养能力差异不显著，总体表现为间伐强度50%林分＞未间伐林分＞间伐强度33%林分。林分的综合水源涵养能力受林分生长阶段、地形地貌、降雨特征等多方面影响，间伐对林分的水源涵养能力需要长期跟踪调查。因此，需要继续跟踪观测尾巨桉林分水源涵养能力受间伐强度的响应，为获得更加长期的观测数据以证实间伐后林分的水源涵养能力变化特征。

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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

广西科技重大专项(AA17204087-9)；广西林业科技项目(桂林科研[2015]第43号)；广西林业科技项目(桂林科字[2016]第30号)；广西优良用材林资源培育重点实验室自主课题(16-A-04-03)。

朱原立(1983— )，工程师，主要从事林业科学研究及经营管理，E-mail: 233648129@qq.com.

任世奇(1984— )，博士，高级工程师，主要从事人工林培育与生态系统生态学研究，E-mail: renshiqi200709@aliyun.com.