黄 磊, 王 港, 杨 冰, 朱亚艳, 赵光忠, 杨士凯
(1.贵州省林业科学研究院,贵州 贵阳 550005; 2.黎平县国有石井山林场,贵州 黎平 557300;3.贵州大学林学院/森林资源与环境研究中心,贵州 贵阳 550025)
杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook]生长受环境因素的影响,根据气候、地貌、植被等差异,我国的杉木分布可划分为3个带5个区,其中,黔东南、武夷山以东的福建中北部、南岭山区、湘赣南部及两广北部都属于著名的杉木产区“中带东南区”[1-4].目前,有不少关于杉木生长及影响因子研究的成果[5-11],但研究对象林龄较小,且多生长在低海拔(海拔<800 m)地区,偶见有高海拔地区的报道[12],但未考虑土壤养分的影响.由于影响杉木生长的生态因子众多,一一进行监测分析既无必要也增加了工作量,考虑到地形可以同时影响热量、湿度、水分等条件,对林木生长影响较大,土壤养分,特别是土壤有效养分的供应则直接影响林木生长[13-14],二者在杉木长期的生长过程中起着重要作用,也易于长期观测和量化分析.因此,本研究分析地形、土壤养分与杉木大径材形成的关系,旨在为杉木大径材培育提供技术指导.
为此,本课题组以我国杉木核心产区黔东南州(黎平县)杉木近成熟林为研究对象,在黎平县国有石井山林场,根据不同的地形条件设置样地,同时检测样地土壤的养分状况,开展杉木大径材的形成与地形、土壤养分关系的研究工作.
试验区位于黔东南州的黎平县国有石井山林场(东经109°7′14″,北纬26°11′17″).该区属亚热带季风湿润气候,年平均气温16 ℃左右,年平均降水量1 325.9 mm,坡度19°~32°,海拔620~930 m,基岩主要为变质岩,土壤主要为黄壤或红黄壤,厚度≥60 cm,腐殖层厚度≥10 cm.杉木为1989年造纯林,林龄30 a,初植密度相同,林相完整,树冠长势旺盛,林木生长健康.林下植被零星分布有红豆杉[Taxuschinensis(Pilger) Rehd.]、细齿叶柃(EuryanitidaKorthals)、菝葜(SmilaxchinaL.)、含笑[Micheliafigo(Lour.) Spreng.]、飞蛾槭(AceroblongumWall. ex DC.)、刺楸[Kalopanaxseptemlobus(Thunb.) Koidz.]等树种.
用罗盘或GPS定位,皮尺测距,样地规格20 m×30 m,共设置固定观测样地62个(图1).由于地形复杂,沟岭纵横交错,为确保样地内各项因子尽可能地保持一致,样地均避开梁和沟,设置在坡面上.因坡度造成的误差,分析时做校正.
图1 杉木大径材样地Fig.1 Sampling site for large-diameter Chinese fir
用Vertex Ⅳ红外线测距仪测量样地内杉木树高,用胸径尺测量杉木胸径(图1),记录每个样地的海拔、坡度、坡向.
土样采集参考文献[15]的方法.每个样地横向间隔10 m设置3个采样点,挖0~60 cm剖面,沿剖面自上而下取混合土样约500 g.用200 cm3环刀分别对0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm 3种土层进行土壤取样,取样后将各土层土壤进行混合并分析.
分析土样容重,采用pH计测定pH,有机碳含量=有机质含量/1.724.有机质含量的测定采用油浴加热重铬酸钾氧化法[16]并做优化,水解氮含量的测定采用碱解扩散法+半微量开氏法[17]并做优化,速效钾含量的测定采用乙酸铵浸提+火焰光度法[18]并做优化,有效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提+钼锑抗比色法[19]并做优化.
采用Excel 2019、SPSS 25.0软件对数据进行统计分析.利用单因素方差分析(one-way ANOVA)多重比较和相关性分析,比较地形、土壤养分与大径材形成的关系.
调查样地内共有5 267株杉木,当前最小密度759株·hm-2,最大密度2 178株·hm-2,平均树高17.90 m,平均胸径18.56 cm.人为将杉木分成小径材(胸径<15 cm)、中径材(15 cm≤胸径<26 cm)、大径材(胸径≥26 cm)3个径级,其中,小径材1 444株,中径材3 388株,大径材435株,占8.26%.
土壤容重平均值为1.103 g·cm-3,pH为4.46~5.28,偏酸性.有机碳含量平均值为19.09 g·kg-1,有机质含量平均值为32.77 g·kg-1,水解氮平均值为80.39 mg·kg-1,有效磷含量平均值为1.306 mg·kg-1,速效钾含量平均值为45.70 mg·kg-1.样地土壤中有机碳、有机质、水解氮、速效钾的含量较少,有效磷含量极少.
3.1.1 海拔与杉木大径材数量、比例的关系 调查样地以104 m为梯度将海拔分成3组,分析海拔对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示:海拔为619~723 m时,大径材的数量、比例分别为(119.25±50.10)株·hm-2、(10.29±4.46)%,均达到最大值;大径材的数量、比例随着海拔的升高逐步减少,海拔>827 m后,大径材数量、比例的下降幅度增大,与海拔723~827 m之间的差异达到显著水平.
表1 地形与杉木大径材形成的关系1)Table 1 Relationship between topography and proportion of large-diameter Chinese fir timber
3.1.2 坡度与杉木大径材数量、比例的关系 调查样地以8°为梯度将坡度分成3组,分析坡度对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示:坡度为19°~27°时,大径材的数量、比例分别为(142.50±67.50)株·hm-2、(10.72±4.79)%,均达到最大值;大径材数量随着坡度的增加逐步减少,当坡度>35°时,大径材数量减少幅度增大,与19°~27°之间的差异达到显著水平;3组坡度对大径材比例分布的影响差异不显著.
3.1.3 坡向与杉木大径材数量、比例的关系 按林业调查中坡向划分的规则,将调查样地分为阴坡(0°±22.5°)、半阴坡(22.5°±67.5°、292.5°±337.5°、67.5°±112.5°)、阳坡(157.5°±202.5°)、半阳坡(247.5°±292.5°、112.5°±157.5°、232.5°±277.5°)4组,分析坡向对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示,大径材数量在阳坡达到最大值,为(152±38.85)株·hm-2,大径材数量的大小表现为:阳坡>半阳坡>阴坡>半阴坡;大径材比例在半阳坡达到最大值,为(12.69±4.09)%,大径材比例的大小表现为:半阳坡>阳坡>半阴坡>阴坡;阴坡、半阴坡的大径材数量、比例与半阳坡、阳坡之间的差异显著.
根据土壤中各养分含量的范围,将调查样地分成3组,分析土壤养分对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表2)显示:大径材的数量、比例分别在机碳含量为33.16~46.26 g·kg-1时达到最大值[分别为(123.75±26.65)株·hm-2、(9.28±1.91)%],在有机质含量为57.17~79.75 g·kg-1时达到最大值[分别为(120.00±30.00)株·hm-2、(9.54±2.25)%],在水解氮含量为181.55~257.60 mg·kg-1时达到最大值[分别为(123.75±43.05)株·hm-2、(11.60±5.32)%],在速效钾含量为101.60~146.04 mg·kg-1时达到最大值[分别为(150.00±42.45)株·hm-2、(11.54±3.89)%];大径材数量在有效磷含量为2.388~3.451 mg·kg-1时达到最大值[(115.05±34.65)株·hm-2],大径材比例在有效磷含量为1.318~2.388 mg·kg-1时达到最大值[(8.948±5.486)%];大径材的数量、比例均会随着各土壤养分含量的增加而逐渐增高,尤其是有效磷的含量对其影响较明显,但3组间各土壤养分含量总体来说对杉木大径材数量、比例的影响差异不显著.
表2 土壤养分与杉木大径材形成的关系1)Table 2 Relationship between soil nutrients and proportion of large-diameter Chinese fir timber
对有效磷含量与杉木大径材数量、比例的关系进行相关性分析,结果(图2)显示,土壤有效磷含量与杉木大径材的数量、比例有较明显的相关关系.
图2 土壤有效磷含量与杉木大径材形成的关系Fig.2 Relationship between soil available phosphorus and proportion of large-diameter Chinese fir timber
本研究结果表明:土壤养分对杉木大径材形成的影响较小,虽然有效磷含量与其有一定的关系,但土壤养分含量总体来说对杉木大径材数量、比例的影响差异不显著;地形对杉木大径材形成的影响较大,海拔、坡度、坡向对杉木大径材的数量、比例分布都有影响;在海拔不超过827 m,坡度不大于35°的阳坡或半阳坡,土壤有效磷含量较多的条件下培育杉木可以获得较高的大径材数量、比例.
有报道认为,影响林木生长最重要的地形是坡形,其次是坡位,坡向、海拔、坡度(45°以内)对杉木林生长的影响不显著[12].但本研究结果显示,坡向、海拔、坡度对杉木大径材数量、比例分布的影响较大,且坡向对大径材形成的影响程度为:阳坡、半阳坡优于阴坡、半阴坡.
本调查样地土壤蓬松,容重平均值为1.103 g·cm-3,总体来看在最适杉木生长的范围[14],少数几个样地的土壤容重大于平均值,但不影响杉木生长.已有报道认为,杉木是较喜肥树种,土壤养分与杉木各生长指标均存在相关性,生长受有机质、全氮、速效钾、全磷含量的影响,特别是速效氮、有效磷的含量对其影响较大[20-22].杉木林有效氮含量的适宜值为145 mg·kg-1,临界值为80 mg·kg-1,缺乏值为35 mg·kg-1;而有效磷含量的最适值为13 mg·kg-1,临界值为6 mg·kg-1,缺乏值为1 mg·kg-1[23].本次调查样地土壤的pH呈酸性,水解氮含量(80.39 mg·kg-1)处于临界值水平,有效磷含量(1.306 mg·kg-1)处于缺乏值水平,二者含量均较低.关于样地pH、水解氮和有效磷含量较低的原因,一种观点认为针叶林可能存在引起土壤酸化的问题[24-25],因此当杉木人工林引起土壤酸化后,造成pH下降,从而引起土壤养分含量减少,尤其是速效磷和水解氮含量的下降[14];另一种观点认为南方土壤本身普遍缺磷[26].本研究由于未采集根际土壤进行试验,因此倾向于认同后一种观点,在以后的经营中应适当施用磷肥.
从本调查结果推测,杉木大径材的形成除受地形的影响外,很可能受光照、温度、空气湿度等因子的影响要大于受土壤养分的影响.