套种阔叶树对水土流失区马尾松林分质量提升效果分析——以福建长汀为例

王益和

(福建省龙岩市林业科学研究所,福建 龙岩 364000)

长汀水土流失区是我国南方红壤区中水土流失最为严重的地区,其流失面积之广、程度之重、危害之大居南方各省之首[1-2]。经过长期的治理,水土流失区已基本覆绿,达到初步治理的效果[3-5],然而目前水土保持林以马尾松林为主,林分结构单一、防火防病虫害能力差、水源涵养能力低、土壤质量差等生态脆弱问题[6-7]。因此,如提升水土保持林的林分质量,成为长汀水土流失区治理的工作重点。近年来的研究表明,对马尾松林分进行施肥、间伐、套种阔叶树等改造措施,可以有效提高林分的生物量、物种多样性,增加土壤保水能力,改善土壤养分等林分质量[8-11]。本文通过在马尾松林下套种无患子、枫香、木荷、闽粤栲等阔叶树的方法,探索促进水土流失区马尾松林分质量提升的合适途径,为进一步解决长汀水土流失生态治理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于福建省长汀县河田镇,地理位置为北纬25°35′-25°46′,东经116°16′-116°30′,海拔300～500m。该区气候温和,雨量充沛,年均气温17～19.5℃,历史上最高气温39.8℃,最低气温-4.9℃,年无霜期265d,年降雨量1 700mm。水、光、气、热配备良好,具有自然条件优势,适宜各种亚热带、温带植物生长[12-13]。土壤以花岗岩、片麻岩、花岗斑岩等母岩形成的红壤为主,含砂量大,肥力较低。试验地原有植被为飞播造林的马尾松小老头林,地面植被以芒萁为主[14]。

2 研究方法

2.1 试验设计

于2012年春季,在长汀水土流失初步治理区,选择郁闭度0.6～0.8,中下坡位、立地条件基本一致的马尾松林分,开展阔叶树种套种试验。选择4种阔叶树(A1,无患子；A2,枫香；A3,木荷；A4,闽粤栲),并设置马尾松纯林为CK对照,采用随机区组设计,每个处理3个重复,共15个试验处理。试验地样方面积为20m×20m,根据林分郁闭度情况,每块样方内种植30～50株阔叶树。

套种的阔叶树规格:无患子米径约为8cm的大苗,枫香、木荷和闽粤栲为3a生大苗(米径1.5～2cm)。套种采取块状整地的方式,即在种植穴周围2m2以内进行整地,按100cm×80cm×80cm的规格,挖种植穴,每穴施钙镁磷500g做为基肥,回表土。每年3—4月份结合扩穴培土进行施肥,每穴施尿素及复合肥各500g作为追肥。

2.2 调查方法

2.2.1标准地设置

于2018年11月底进行标准地调查,每个处理设置400m2(20m×20m)标准地,进行林分生长、植被多样性、土壤理化性质调查。

2.2.2乔木层物种多样性调查

将每个400m2(20m×20m)的大样方划分成 4个100m2(10m×10m)的中样方。以树高4m 以上作为乔木层的标准,进行每木检尺调查,记录其种名、胸径、树高、枝下高、冠幅、分枝角等指标。

2.2.3灌木层 草本层物种多样性调查及计算

在每个中样方(10m×10m)左上角设置 1 个 25m2(5m×5m)的小样方。在小样方内调查灌木层和草本层各植物的种名、株数或从数、高度、覆盖度等数据,包括乔木的幼苗幼树及藤本植物[15]。

植物物种多样性计算:

1) 植被物种多样性

Ni=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

2) 物种丰富度指数

M=(S-1)/lnN

3) 多样性指数

式中:S为样地中物种总数目；N为样地中所有物种重要值之和；Ni为第i个物种的重要值；Pi为第i个物种的相对重要值,Pi=Ni/N。

2.2.4土壤层持水量测定

在每个标准地按S 型设置5 个取样点,通过挖掘土壤剖面进行取样,取样时分为土壤层1(0～20 cm) 和土壤层2(20～40 cm) 收集样品,样品带回试验室测定土壤最大含水率、土壤密度、比重和土壤孔隙度,分别计算土壤层1及土壤层2 的持水量。

计算公式为:W=100×H×QV×d

式中:W为土壤层持水量(t/hm2),H为土层厚度(cm),QV为土壤最大持水率(%),d为水的比重(g/cm3)。

2.2.5土壤各元素调查

根据标准地分布状况,采用“S”形布点采样。采样时要求每个采样点的取土深度及采样量应均匀一致,土样上层与下层的比例要相同。取样器应垂直于地面入土,深度相同[16]。

1) 样品量。每个样点采集0～40 cm土层的混合土样(全土)以取土0.5kg左右为宜。可用四分法将多余的土壤弃去。方法是将采集的土壤样品放在盘子里或塑料布上,弄碎、混匀,铺成正方形,划对角线将土样分成4份,把对角的2份分别合并成1份,保留1份,弃去1份。如果所得的样品依然很多,可再用四分法处理,直至所需数量为止。

2) 样品标记。采集的样品放入样品袋,用铅笔写好标签,内外各1张。采集的土壤样品,测定土壤速效养分含量,包括土壤水解N、速效K、有效P、全N、全P、全K和有机质等。

2.3 数据处理

将采集的数据应用Excel分析软进行数据描述性分析和制图； 数据的统计学分析,包括单因素分析、LSD多重比较、方差分析等,应用SPSS软件进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同套种模式对林分生长的影响

3.1.1马尾松林生长比较

由图1可知,不同套种模式的马尾松胸径、树高、冠幅、枝下枝各不相同,其中树高和枝下高的差异达到极显著水平；而胸径和冠幅虽有所差异,但不显著。各套种模式的马尾松树高从大到小排序为无患子模式>木荷模式>枫香模式>闽粤栲模式>马尾松纯林,其中无患子模式的马尾松平均树高达14.5m,与其他模式差异极显著；枝下高从大到小的排序为无患子模式>木荷模式>闽粤栲模式>枫香模式>马尾松纯林,其中木荷模式和无

注：不同大、小字母分别表示差异达1%和5%显著水平。

患子模式的马尾松枝下高分别为9.57m和9.5m,两者差异不显著,但与其他3个处理的差异达到极显著水平；胸径从大到小排序为无患子模式>木荷模式>闽粤栲模式>马尾松纯林>枫香模式；冠幅从大到小排序为无患子模式>枫香模式>马尾松纯林>木荷模式>闽粤栲模式。马尾松冠幅与林分郁闭度关系密切,其中木荷模式和闽粤栲模式的马尾松密度明显大于其他模式,这应该是造成这2种模式冠幅较小的主要原因。

调查了不同模式马尾松分枝角的情况(表1),结果表明，不同套种模式的马尾松分枝角有极显著的差异,分枝角从大到小的排序为无患子模式>马尾松纯林>枫香模式>闽粤栲模式>木荷模式。

表1 不同套种模式对马尾松分枝角的影响

3.1.2阔叶树生长比较

不同套种模式下阔叶树生长情况如表2所示。不同模式对阔叶树胸径、冠幅、枝下高和分枝角均有显著影响,对树高的影响达到极显著水平。各阔叶树胸径从大到小排序为无患子>木荷>枫香>闽粤栲；树高从大到小排序为木荷>无患子>枫香>闽粤栲；冠幅从大到小排序为患子>木荷>枫香>闽粤栲；枝下高从大到小排序为木荷>患子>枫香>闽粤栲；分枝角从大到小排序为木荷>枫香>无患子>闽粤栲。树高和胸径是林木生长情况的代表指标。综合2个指标来看,木荷套种6年后,其平均胸径为6.9cm,平均树高达7.4m,整体长势明显优于试验中的其他3种阔叶树种。

3.2 不同套种模式对林分植被多样性的影响

3.2.1林下植物物种组成

1) 灌木层。不同套种模式中林下灌木层物种共有34种(表3),石斑木为各套种模式灌木层的优势种,其次为小叶石楠,胡枝子等。套种无患子的林分中,灌木层物种最丰富,共有19个种,分属15个科18个属；套种木荷的林分中,灌木层的物种最少,仅有8个种,分属于6个科8个属。CK对照灌木层仅有3个物种,与之相比,马尾松林中套种阔叶树之后,灌木层的物种多样性明显提高。

2) 草本层。不同套种模式中林下草本层物种共有13种(表3),芒萁为各套种模式灌木层的优势种,其次为斑茅、黑莎草等。套种无患子的林分中,草本层物种最丰富,共有12个种,分属11个科12个属；套种枫香、木荷、闽粤栲及CK对照的林分中,草本层的物种都为4个种。

表2 不同套种模式对阔叶树生长的影响

表3 不同套种模式林下植被物种组成

3) 植被盖度。马尾松林中套种阔叶树之后,其草本层的盖度明显提高了,套种无患子、枫香、木荷的林分中,草本层盖度均达到70%以上,套种闽粤栲的林分草本层盖度也达到55.4%,而CK对照的盖度仅有43.1%。灌木层的盖度,以套种枫香的最高为27.0%；木荷的最低仅为3.3%；而CK对照的也有6.1%。

3.2.2林下植被多样性

从灌木层生物多样性来看,各套种模式的Shannon-Wienner指数和丰富度指数均比CK对照有不同程度地明显提高(表4),Shannon-Wienner指数排序是无患子>闽粤栲>木荷>枫香；丰富度指数的排序为无患子>闽粤栲>枫香>木荷。从草本层生物多样性来看,套种阔叶树对马尾松林下草本层的影响较小,除套种无患子的林下草本层的多样性指数和丰富度指数有较大程度的提高,其他套种模式并没有明显的提高,其中套种木荷的林分,Shannon-Wienner指数甚至比CK对照还要低。总得来看,马尾松林下套种阔叶树对提高林分灌木层的物种多样性和丰富度都有明显的促进作用,而对草本层的影响则明显较弱。综合来看,套种无患子对提高林分的物种多样性具有较大的促进作用。

表4 不同套种模式林下植被多样性指数

3.3 不同套种模式对土壤理化性质的影响

3.3.1土壤理化性质

不同套种模式马尾松林分土壤物理性质如表5所示。0～20cm和20～40cm土层中,各套种模式的土壤的H2O-均小于马尾松纯林的对照；密度、比重、孔隙度等指标与对照相比,差别不明显。进一步对各指标进行方差分析,结果发现不同处理之间的差异不显著。由此可见,套种阔叶树尚未对土壤理化性质产生影响,改善土壤理化性质不明显,这可能与套种时间还比较短有关系。

表5 不同套种模式马尾松林土壤物理性质

3.3.2土壤养分

不同套种模式马尾松林土壤养分如表6所示:土壤pH值最高的是套种枫香的模式为4.98,最低的是套种闽粤栲为4.32；套种枫香的水解N含量最高为21.68μg/g,是CK对照的1.9倍；速效K含量最高的是CK对照,为154.73 mg/kg,最低的是套种闽粤栲为28.792 mg/kg；套种枫香的全N含量最高为0.34g/kg,最低的是CK对照为0.18 g/kg；全P含量最高的为套种闽粤栲模式,达108.83μg/g,最低的为套种无患子模式,仅73.57μg/g；全K含量最高的是套种无患子模式,达5.09%,最低的为CK对照,仅0.81%；有机质含量最高的为套种枫香模式,达到8.11 g/kg,最低的是CK对照,仅有4.99 g/kg。

表6 不同套种模式的马尾松林土壤养分

将表6中各指标的数据,进一步进行方差分析,结果如表7所示。不同套种模式对土壤pH值的影响显著,对土壤全P、全K 2个指标的影响达到极显著水平,但对水解N、速效K、全N和有机质的影响不显著。进一步LSD多重比较结果表明(表6),套种枫香模式的pH值最高为4.98,全P含量为105.7μg/g(略低于套种闽粤栲的108.83μg/g,但差异不显著)；而全K含量最高的为套种无患子模式,高达5.09%。综合对比各指标显示,套种闽叶树可明显改善林分土壤的养分,其中以套种枫香或木荷的模式效果最佳。

表7 不同套种模式马尾松林土壤养分各指标方差分析

4 结论

1)套种阔叶树对马尾松林分生长量有明显的影响,其中套种无患子的模式效果最佳,其树高、胸径、枝下高、冠幅分别达到9.5m，14.5cm，4.5m，4.3m,都与CK对照有显著差异；而4种阔叶树中,以木荷的长势最佳,其平均胸径为6.9cm、平均树高达7.4m。由此可见,马尾松林下套种阔叶树对林分生长量生长有很大的促进作用。

2)套种阔叶树可有效提高林分的物种多样性,尤其对林下灌木层的影响达到显著水平,其中套种无患子模式的灌木层物种丰富度指数达3.91,明显高于CK对照的0.43。

3)套种闽叶树对土壤理化性质影响不明显,这可能是套种时间较短,土壤结构变化不明显；套种阔叶树对土壤养分改善明显,其中以套种木荷或枫香的效果最佳。