川中丘陵區(qū)不同改造強(qiáng)度林分改造效果研究

川中山區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)系統(tǒng)，分布在農(nóng)田和森林中。此外，該地區(qū)的水土流失嚴(yán)重，如當(dāng)?shù)刈仙皫r和泥巖、緩慢干燥、易受侵蝕和風(fēng)化的影響，其坡度陡峭，在夏季和秋季雨水集中分布等因素的影響下，該地區(qū)水土流失嚴(yán)重。這是四川乃至長江三省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。為降低水土流失,自20世紀(jì)60年代以來,尤其是長江防護(hù)林建設(shè)工程啟動后,我國先后在川中丘陵區(qū)營造了大面積的人工榿(Alnuscremastogyne)柏(Cupressusfunebris)混交林。由于榿木為速生樹種,在18—20齡左右趨于成熟,隨著榿木被砍伐、衰老和死亡,林分中的榿木逐漸消退,榿柏混交林快速向柏木純林演替,并逐漸突顯出林分樹種單一,結(jié)構(gòu)不合理;林分郁閉度過大,林下灌草稀疏,生物多樣性下降等特點;尤其這些林分在25a后,水土保持功能的顯著性降低,嚴(yán)重威脅著長江下游生態(tài)安全。目前,亟需對這類林分進(jìn)行有效的林分改造,以提高其生態(tài)效益。從2005年開始,課題組在鹽亭,開展低效柏木林改造試驗。本研究以2005年改造林分為對象,研究了低效柏木純林不同改造措施對水土保持功能的影響。這將為該區(qū)域下一步大面積低效林的改造提供具體操作技術(shù)和理論依據(jù)。1林分改造帶的設(shè)置研究地點位于四川中部地區(qū)鹽亭縣,屬低山丘陵地貌,海拔350—650m。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),根據(jù)劉家河水文氣象站1986—2010年的氣象數(shù)據(jù)顯示,年平均降水量674.3—825.8mm,主要集中在5—9月,占年降雨量的80.1%;平均氣溫17.3℃。該區(qū)廣泛出露紫色泥頁巖和砂石巖地層,其中泥頁巖占50%—60%,易風(fēng)化崩解破碎,成土過程快,土壤抗蝕力弱,土壤類型主要為紫色土?，F(xiàn)存林分主要是20世紀(jì)70—80年代長江防護(hù)林建設(shè)工程營建的人工柏木純林。大多柏木純林林分密度過大,水土保持、水文效應(yīng)等生態(tài)效益低下,亟需進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。為了構(gòu)建合理的林分結(jié)構(gòu),促進(jìn)林分喬灌草合理配置,提高林分的水土保持等生態(tài)服務(wù)功能,從2005年開始,課題組在林山鄉(xiāng)林園村,選擇了林分林齡35—40a,林分郁閉度≥0.8,林下灌木蓋度≤20%,草蓋度≤45%,枯落物蓋度≤50%,天然更新不良的低效柏木林,進(jìn)行了帶狀采伐和補闊相結(jié)合的林分改造。以隨機(jī)抽樣的方式,在需要改造林分中設(shè)置不同強(qiáng)度的林分改造帶和對照帶。林分改造按照采伐帶與保留帶呈相同帶寬縱向交替分布方式,分別設(shè)置帶寬4、6、8、10m共4個強(qiáng)度和15—20m的對照帶進(jìn)行改造;在采伐帶中,以榿木、喜樹(Camptothecaacuminata)、香椿(Toonasinensis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、香樟(Cinnamomumcamphora)等闊葉樹種進(jìn)行人工補闊;經(jīng)營方式采用近自然經(jīng)營方式;每個改造強(qiáng)度設(shè)置2—3個重復(fù)。按照上述林分改造方式,進(jìn)行了4個林分改造重復(fù)。布置重復(fù)試驗的林分,在改造前,除分布位置不同,其林分郁閉度、喬灌草特征及土壤物理性質(zhì)、營養(yǎng)成分含量等立地條件等均無顯著性差異。2測試方法2.1林地主要調(diào)查內(nèi)容選擇改造樣點中,墊子邊、老墳嘴、養(yǎng)老院對山3個樣點改造林分進(jìn)行樣地設(shè)置。在每個調(diào)查樣點,分別就不同帶寬的采伐帶、保留帶和對照林帶,按照自上而下的順序,設(shè)置小樣方進(jìn)行調(diào)查,以同一改造強(qiáng)度內(nèi)采伐帶和保留帶調(diào)查指標(biāo)結(jié)果值取平均值作為該改造強(qiáng)度下林地指標(biāo)值。各樣帶主要調(diào)查內(nèi)容包括:喬木密度(胸徑≥5cm),灌木和草本蓋度和高度,灌木和草本鮮重生物量,分種取鮮樣測定持水率。灌木樣方2m×2m;草本樣方1m×1m,分布在灌木樣方的右上角和左下角;枯落物樣方0.5m×0.5m,分布在灌木樣方的四個角上,收集枯落物,裝入塑料袋帶回實驗室處理,并計算枯落物持水。每個調(diào)查帶灌木樣方不得低于10個,選取3個剖面,采用環(huán)刀分0—15、15—30、30—45cm3個層次取樣,測定土壤孔隙度,取3個土層平均值為孔隙度值。其中枯落物持水按照公式(1)計算:2.2林木單株密度和干密度的確定林冠截留按照:林冠截留量=降水量-穿透雨量-樹干莖流量計算。降雨量:在試驗地外50m空地上安置CR-2型自計雨量計,測定試驗期間大氣降雨量。樹干徑流測定:根據(jù)徑級和冠幅大小,分別在不同改造強(qiáng)度的采伐帶、保留帶和對照樣地內(nèi),每個樹種選擇5株標(biāo)準(zhǔn)木,用直徑為1cm的聚乙烯塑料管剖開后沿樹干螺旋形圍繞2—3圈,固定在樹干并用膠泥填補縫隙;塑料管下部與地面呈30°左右角度,接入10L塑料桶內(nèi)收集樹干徑流,以均值作為單株的樹干徑流量,各樹種單株徑流量乘以林木密度之和,即為林分總樹干徑流量。穿透雨量測定:在同一樣地,內(nèi)隨機(jī)布設(shè)10個口徑為20cm塑料容器(去除周圍的草本植被,使其低于容器),收集每次降雨的穿透雨量,以均值作為穿透雨量。2.3灌草層截留量l灌草截留量采用一般的收獲法和浸水法測定。計算公式:式中,I為灌草層截留量(mm);Wi為i種植物地上部分鮮重生物量(t/hm2);Ri為i種植物的持水率(%)。2.4土層貯水量及貯水量采用中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測規(guī)范中的方法測定土壤孔隙度。土層厚度統(tǒng)一以45cm計算,土壤貯水量分別按照以下公式計算:式中,Wc、Wn和Wt分別為土壤毛管持水量(mm)、非毛管持水量(mm)和最大持水量(mm);Pc、Pn分別為毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%);H為土層深度(m)。2.5地面徑流試驗樣地中,用PVC材料,結(jié)合改造樣地地形地勢,自上而下,每個樣帶布置3—5個2m×4m臨時徑流小區(qū),測定相同降雨條件下,不同林分類型的徑流量和產(chǎn)沙量;以同一樣帶小區(qū)測定的總值為該樣帶測定面積的徑流量和產(chǎn)沙量;以采伐帶和保留帶測定平均值為改造樣地測定值。2.6數(shù)據(jù)處理和分析采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表制作;采用SPSS13.0進(jìn)方差分析和差異性檢驗。3研究結(jié)果3.1林冠截留量調(diào)查圖1為2010年和2011年不同強(qiáng)度改造林分降雨量與林冠截留量關(guān)系圖。研究表明:改造林分和未改造林分的林冠截留量都與降雨量呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系;林冠總截留量和單次最大降雨量的截留量的變化趨勢一致,按照截留量大小排序,林分截留總體表現(xiàn)為:對照林分截留量最大,其單次截留最大達(dá)到8.9mm;其次是10m改造林分>8m改造林分>6m改造林分,4m改造林分截留量最低,單次最大截留量為5.6mm。經(jīng)截留量成對t檢驗(表1)結(jié)果表明,各林分的林冠截留量都有極顯著性差異(P<0.01)。在不同強(qiáng)度的改造林分中,林冠截留量大小表現(xiàn)為采伐帶極顯著性低于保留帶;保留帶與采伐帶中林冠截留的變化趨勢相同。3.2復(fù)合改造林分鮮重生物量和持水率圖2為不同改造強(qiáng)度林分灌草鮮重生物量與持水量,可以看出,灌草鮮重生物量與持水量都表現(xiàn)為改造林分顯著性高于對照,但在不同強(qiáng)度的林分間有差異。灌木鮮重生物量與持水量大小排序表現(xiàn)為:8m改造林分>10m改造林分>6m改造林分≥4m改造林分;草本鮮重生物量與持水量表現(xiàn)為8m改造林分最高,達(dá)到了(9.93±0.56)t/hm2和(0.99±0.089)mm;6m改造林分次之;4m改造林分最低,為(7.10±0.11)t/hm2和(0.60±0.049)mm。在改造林分中,灌木鮮重生物量與持水量在采伐帶和保留帶中變化趨勢大致相同。灌木生鮮重物量和持水量大小表現(xiàn)為:在4m改造林分中,采伐帶高于保留帶;其余改造強(qiáng)度表現(xiàn)為保留帶高于采伐帶。草本鮮重生物量均表現(xiàn)為采伐帶低于保留帶;草本持水量則表現(xiàn)為,在4m和10m采伐帶草本持水量低于其保留帶,6m和8m的保留帶較高于采伐帶;草本持水量在保留帶和采伐帶中,除6m和8m帶,其余各帶寬間也有顯著性差異。3.3林分大小排序從不同改造強(qiáng)度下林分枯落物量與其持水量(圖3)可以看出,以對照林分枯落物含量和持水量((1.28±0.081)t/hm2和(0.36±0.019)mm)顯著性高于改造林分,其大小排序為對照最高,6m、8m改造強(qiáng)度林分次之,10m改造強(qiáng)度林分最低;這主要是由于改造林分中,采伐帶枯落物量和枯落物持水量較低,其范圍分布在(0.59±0.154)—(0.65±0.133)t/hm2和(0.16±0.034)—(0.22±0.031)mm。林分枯落物量和枯落物持水量表現(xiàn)為改造林分與對照有顯著性差異,改造林分間沒有差異。在不同改造強(qiáng)度中,不同帶寬采伐帶間和不同帶寬保留帶間的枯落物量及枯落物持水量沒有顯著性差異(經(jīng)方差分析,差異不顯著(F<F0))。2.4改造林分密度特征林分改造后,改變了林分內(nèi)微環(huán)境的改變,也改變了土壤孔隙度。從圖4不同改造強(qiáng)度林分土壤孔隙度與貯水量狀況圖可以看出,改造后林分土壤的孔隙度和土壤持水量均顯著性高于對照林分。其中各改造強(qiáng)度下林分土壤的非毛管孔隙度、總孔隙度與非毛管持水量、最大持水量與照林分均有顯著性差異;毛管孔隙度和毛管持水量則表現(xiàn)8m和10m改造強(qiáng)度與對照林分有顯著性差異,其余林分間沒有顯著性差異。在不同改造強(qiáng)度下,除了4m改造強(qiáng)度下,林分土壤的非毛管孔隙度及非毛管持水量與其余改造強(qiáng)度林分有顯著性差異外,其余各改造強(qiáng)度下的土壤孔隙度與貯水量均沒有顯著性差異。改造林分中,其采伐帶中土壤孔隙度和貯水量較高于保留帶。2.5改造林分徑流和帶寬分布表3為2010年5—9月的降雨量和不同改造強(qiáng)度下林分地表徑流深和產(chǎn)沙量。結(jié)果表明:林分總徑流深以對照林分最小,且與各改造強(qiáng)度林分的地表徑流深有極顯著性差異。從不同改造強(qiáng)度林分徑流深分配看,采伐帶中徑流深均明顯高于保留帶;經(jīng)成對t檢驗結(jié)果顯示(表4)除了8m改造強(qiáng)度林分與6m和10m改造林分無顯著性差異外,其余各改造強(qiáng)度林分間的徑流深有顯著性差異。在改造林分不同帶寬的保留帶徑流深,4m分別與8m和10m有顯著性差異,其余帶寬沒有顯著性差異;采伐帶中除6m和8m沒有顯著性差異,其余帶寬間均有極顯著性差異。林分總產(chǎn)沙量表現(xiàn)為對照(產(chǎn)沙總量達(dá)1262.52kg/hm2)極顯著性高于改造林分(499.25—484.95kg/hm2),不同改造強(qiáng)度林分間的產(chǎn)沙量沒有顯著性差異。在改造林分中,保留帶的產(chǎn)沙量低于采伐帶。其保留帶產(chǎn)沙量范圍為426.61—449.19kg/hm2,采伐帶產(chǎn)沙量則以4m最高,為571.89kg/hm2;經(jīng)成對t檢驗結(jié)果顯示(表4),保留帶中,4m與其余各帶寬有顯著性差異,其余沒有;采伐帶中,各帶寬間均有顯著性差異。4改造林分后林分土壤侵蝕的變化林冠截留作為森林生態(tài)系統(tǒng)中水源涵養(yǎng)效能的重要環(huán)節(jié),一直以來,都被廣泛關(guān)注并進(jìn)行了大量研究。根據(jù)林分林冠截留總量和單次最大截留量的大小排序顯示,這次林分改造降低了林分的林冠截留,各改造林分林冠截留率為10.29%—11.90%,均低于對照林分17.86%。這是因為林分的林冠截留量不僅與林分內(nèi)喬木層樹種的密度呈相關(guān),還與林分內(nèi)樹種組成相關(guān)。改造林分中樹種密度均低于對照林分,且林分內(nèi)補造的闊葉樹種相對未改造的柏木樹種,樹冠冠幅較小,枝葉含量較少,對雨水的截留量較少。改造林分截留率降低,這對季節(jié)性干旱缺水的川中丘陵區(qū)而言,這樣的改變有利于林分涵養(yǎng)水源。因為林冠對降水的截留或再分配,是森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源,調(diào)節(jié)河川徑流的主要生態(tài)功能之一,但林冠截留同時也是森林的一種耗水方式,其截留量越大,被森林林冠消耗的水資源越多,進(jìn)入林分的水分越少,在干旱缺水地區(qū),對林木生長及該地區(qū)水資源將產(chǎn)生不利的影響。灌草層作為森林近地表層,是連接大氣、降水、根系和深層土壤的優(yōu)先界面,其數(shù)量結(jié)構(gòu)及根系分布對土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)以及土壤的蓄水性和抗侵蝕能力等有重要影響,其地上部分對降水的截留作用,在整個森林生態(tài)功能中也具有不可忽視的作用。林下灌草鮮重生物量與截留量總體均表現(xiàn)為8m改造林分>6m改造林分>10m改造林分>4m改造林分>對照林分,但鮮重生物和截留的最大值與最小值分別相差6.8和7.8倍。這是因為灌草層持水量不僅與其鮮重生物量有關(guān),還與植物個體種類(物種持水率)有關(guān)。林分改造,降低了整個林分的郁閉度,增強(qiáng)了林下光照和水分,使得林下土壤種子庫中種子得以萌發(fā)和生長,增加了林分灌草生物量。隨著林下灌草的生長發(fā)育,灌草種類的多樣性增加,不僅有持水率較高的懸鉤子、黃荊等灌木種和竹節(jié)草、禾本科草等草本種,還有鹽膚木、馬桑、地瓜藤等一些持水率的灌草種也大量存在。由于各物種持水率大小不一致,導(dǎo)致灌草層持水量與鮮重生物量并不呈簡單的線性關(guān)系?？萋湮飳釉谏稚鷳B(tài)系統(tǒng)水文功能中有著重要作用,枯落物持水也是森林蓄水的容量的重要組成部分,其持水率可以達(dá)到自重的2—5倍。本次研究表明,在改造林分中枯落物持水率為其干重的2.8—3.4倍,與前人研究結(jié)論一致。從枯落物量和持水量看,改造林分均小于對照林分,大小排序與林冠截留和灌草截留量排序相反,數(shù)值上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于川西高山和亞高山的子櫟灌叢(8.45mm)和亞熱帶森林平均值(3.69mm),與閆東鋒等對豫南山區(qū)不同群落類型近地表層持水特性研究結(jié)論相反。這是因為在對照林分中,林分郁閉度大,林下光照低、水、熱等條件差,土壤微生物數(shù)量少和多樣性低,枯落物的緩慢,枯落物量逐年增加;林分改造后,一方面,因林分改造,采伐帶中補闊樹種多處于幼林齡階段,林下枯落物產(chǎn)量減少;另外一方面,林內(nèi)的光照、水熱等條件,促進(jìn)了微生物的發(fā)育,加速了林下枯落物的分解,導(dǎo)致改造后林分枯落物量大量減少,從而導(dǎo)致了枯落物持水量減少。林地土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體,土壤孔隙則是影響土壤貯水量的重要因素。本次林分改造后,均表現(xiàn)為改造林分土壤的孔隙度和貯水量都顯著性高于對照林分,各改造強(qiáng)度林分間沒有顯著性差異。這是由于林分改造后,部分柏木采伐,其根系,尤其是大量細(xì)根的腐朽,增加了林分土壤孔隙度;另外,隨著林分改造,水、熱、光照等條件的改善,土壤動物、微生物等數(shù)量增加,活動更頻繁,也將增加土壤孔隙度;加之林下灌草的根系的不斷發(fā)育、死亡,也增加了土壤孔隙度。森林土壤貯水量與孔隙度呈正相關(guān),隨著土壤孔隙度的增加,林分土壤貯水量增加。林分改造后,不僅影響了林冠截留、灌草