不同經(jīng)營方式對人工林水分利用的影響

張 浩，劉文飛，樊后保，李 鳳，吳建平，段洪浪(南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

不同經(jīng)營方式對人工林水分利用的影響

張 浩，劉文飛，樊后保，李 鳳，吳建平，段洪浪

(南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

人工林；經(jīng)營模式；水分利用

人工林在我國森林面積中占很大比例，由于其生長速度快，因此耗水量是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題，尤其是在當(dāng)前水資源匱乏的情況下，如何科學(xué)地經(jīng)營人工林，更加高效地利用有限的水資源，已經(jīng)成為人工林經(jīng)營管理的一個(gè)非常重要的研究方向。目前，對如何提高人工林的水分利用效率尚無統(tǒng)一的認(rèn)識，特別是在不同尺度上影響人工林水分利用的生理生態(tài)機(jī)制的研究還鮮有報(bào)道。為此，通過總結(jié)國內(nèi)外人工林水分利用研究現(xiàn)狀，介紹了整地、間伐、施肥、混交和林下植被管理等經(jīng)營方式對人工林水分利用的影響，分析了人工林經(jīng)營與水分利用的關(guān)系及未來的研究趨勢，以期為科學(xué)協(xié)調(diào)林水關(guān)系提供理論依據(jù)。

《2010年全球森林評估報(bào)告》指出，人工培育的森林面積達(dá)到2.64億hm2，占全球森林總面積的7%。據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果，我國森林面積2.08億hm2，人工林面積0.69億hm2，人工林面積居世界首位[1]。

人工林的大規(guī)模種植，對區(qū)域水資源的影響存在較大的爭議。王禮先[2]認(rèn)為，森林植被恢復(fù)與水資源之間的關(guān)系是辯證的，一方面森林資源對水資源的開發(fā)利用有著積極的影響，如具有水源涵養(yǎng)、削洪補(bǔ)枯、控制土壤侵蝕等作用；另一方面，森林植被的生長也會消耗大量的水資源，特別是在干旱及半干旱地區(qū)隨著森林植被覆蓋率的增加，流域產(chǎn)水量的減少更為明顯。王志強(qiáng)和曹揚(yáng)等[3-4]的研究表明，人工林可以將深層土壤水分利用到極限，從而形成“干層”，導(dǎo)致深層土壤完全失去對植物生長所需水分的調(diào)節(jié)功能，這種“干層”的形成意味著根系已經(jīng)很難從土壤中吸取水分，從而對植物生長產(chǎn)生不利影響。由此可見，森林資源的發(fā)展與水資源的供需存在矛盾。因此，在人工林經(jīng)營過程中采取相應(yīng)的措施來提高林木水分利用效率，是緩解林水矛盾的重要手段之一[5]。筆者根據(jù)當(dāng)前人工林普遍采用的經(jīng)營方式(整地、間伐、施肥、混交等)，分析不同經(jīng)營方式對人工林水分利用的影響。

1 整地對人工林土壤水分的影響

整地對林地土壤水分有著很大的影響，不同整地或耕作方式通過影響耕層土壤物理性質(zhì)和水力學(xué)特性，引起土壤水分運(yùn)動(dòng)及分布的改變，從而對植物的水分利用效率產(chǎn)生影響[6]。李艷梅等[7]對云南干熱河谷森林在不同整地方式下土壤水分的響應(yīng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明水平臺地和水平溝整地措施對林下土壤水分環(huán)境的改善都起到了顯著的作用，并且坡度越緩，改善土壤水分環(huán)境的效果越好。對桉樹人工林的研究表明，全墾、帶墾和穴墾3種整地方式對土壤水分的影響也有差異，比如穴墾的方式可以明顯提高土壤的體積含水率，其效果顯著大于全墾和帶墾[8]。對馬尾松林開展的不同整地方式對土壤水分影響的研究也發(fā)現(xiàn)，整地后可以提高土壤的通氣狀況，使更多的雨水下滲，從而提高土壤的保水能力[9]。以上研究說明，合理的整地方式可以改善土壤的水分條件，對提高植物的水分利用效率有積極的作用。因?yàn)榈匦胃脑旌?，可以延緩徑流在土壤中的消退時(shí)間，使水分在土壤內(nèi)部的蓄留時(shí)間更長，這樣更有利于植物根系的吸收[10]。另外，有研究顯示，在具體的整地過程中，采用形式多樣的下墊面改造(減小地形坡度、對地表灌草進(jìn)行修復(fù))和整地措施，塑造形態(tài)各異的微地形和集水區(qū)，可以有效地降低土壤內(nèi)水分、養(yǎng)分和有機(jī)物的流失[11]。

2 間伐對人工林水分利用的影響

撫育間伐在森林經(jīng)營管理中起著十分重要的作用，合理的撫育間伐對改善森林冠層的營養(yǎng)空間和地下水分供應(yīng)條件具有促進(jìn)作用[12]。林地土壤是水分儲蓄的主要場所，土壤水分儲蓄量和儲蓄方式受其物理性質(zhì)影響很大[13]。比如，景蕓等[14]總結(jié)了采伐前后的土壤水分物理性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)隨著采伐強(qiáng)度(25%、40%、60%、100%)的提高，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有所下降，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度也都隨著采伐強(qiáng)度提升而減小，導(dǎo)致土壤蓄水和持水能力減弱，更容易造成水分的流失。對祁連山青海云杉人工林間伐措施下土壤水分的研究表明，間伐導(dǎo)致了人工林林地表層(10 cm)土壤水分下降[15]。其主要原因是間伐降低了林冠郁閉度，改善了森林地面光照條件，土壤水分的蒸發(fā)也增加[16]。但也有研究發(fā)現(xiàn)間伐后林地土壤水分含量出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。姜有為等[17]研究發(fā)現(xiàn)，梭梭林經(jīng)過間伐后各土層土壤含水量的下降量減小，且間伐強(qiáng)度越大這種趨勢越明顯。馬履一等[18]在研究北京山區(qū)側(cè)柏人工林土壤水分特性中發(fā)現(xiàn)，撫育間伐能增加林地持水性和供水性，且效果隨撫育強(qiáng)度增加而有所增加。賈忠奎等[19]也得出相同的結(jié)論，指出土壤水分涵養(yǎng)量隨著間伐強(qiáng)度的增強(qiáng)顯著提高。綜合以上觀點(diǎn)，森林被撫育間伐之后，必將引起森林土壤性狀的改變，以及水、熱和其他物質(zhì)的再分配，從而使土壤性質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。但是植被的水分利用效率對撫育間伐方式、間伐強(qiáng)度、間伐時(shí)間、林分類型和土壤母質(zhì)的響應(yīng)也會有所差異[20]。

在干旱和半干旱地區(qū)，植被蒸騰耗水是主要的水分支出項(xiàng)，而且隨林冠郁閉度的增大而增大[21-22]。由此可見在水分受到限制的區(qū)域，間伐措施對于樹木水分利用的影響很大。通過間伐，樹木可以利用充足的光照、水分和養(yǎng)分資源，水分利用效率也得到一定程度的提升。例如，在澳大利亞，對8年生桉樹林間伐后發(fā)現(xiàn)，間伐顯著提高了資源(光、養(yǎng)分等)的可利用性，增大了葉片的光合速率，從而提升了水分利用效率[23]。在中國安徽的研究也得出了類似的結(jié)果，對不同間伐處理(7.67%、28.70%、39.39%)火炬松光合生理生態(tài)的研究表明，凈光合速率隨著間伐強(qiáng)度的增加而提高，差異顯著，不同間伐強(qiáng)度的林分蒸騰速率也有顯著差異[24]。BRéDA et al.[12]在研究中發(fā)現(xiàn)，間伐的橡樹林黎明前葉片水勢高于未間伐的，并且間伐減少了樹冠截流和林分的蒸騰速率，從而改善了森林水分利用效率。以上研究說明，間伐在一定程度上可以改善林分的水分利用情況，但以何種間伐強(qiáng)度才能實(shí)現(xiàn)水分利用和林木生產(chǎn)力相互促進(jìn)則需要進(jìn)一步的研究。

3 施氮肥對人工林水分利用的影響

近年來，施肥成為短輪伐期人工林管理的一項(xiàng)基本措施，因?yàn)橥ㄟ^施肥能夠顯著提高人工林生產(chǎn)力。目前，氮素對植物水分利用效率影響的研究有不同的結(jié)論。如在美國研究發(fā)現(xiàn)，氮的輸入提高了歐洲冷杉和櫸木的水分利用效率[25-26]。LEONARDI et al.[27]研究表明，氮輸入量和水分利用效率能作為環(huán)境變化的預(yù)測因子，且氮輸入量與水分利用效率之間存在顯著正相關(guān)。在廣東鼎湖山的研究則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)森林生態(tài)系統(tǒng)對氮的需求達(dá)到飽和后，林分水分利用效率和氮輸入之間是一種非線性關(guān)系[28]。ABER et al.[29]的研究表明，氮輸入可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)朝水分可利用性限制的方向發(fā)展，使生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力下降。另外，從氮沉降對植物光合作用的影響的研究來看，氮沉降對葉片凈光合速率表現(xiàn)為增加或抑制作用[30-31]，凈光合速率的改變勢必會對林木生產(chǎn)力和水分利用效率產(chǎn)生影響[32]。但YAO et al.[33]的研究得出了不同的結(jié)論，他們利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，評估了氮輸入對C3植物(冰草和羊草)和C4植物(反枝莧和狗尾草)水分利用效率的影響，結(jié)果顯示長期的水分利用并不因氮的輸入而改變。由于目前將穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)用于人工林水分利用影響的研究還很少，因此在未來的研究中是否會得到相似的結(jié)論還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。從現(xiàn)有的研究成果來看，對施加氮肥與水分利用效率之間的相互關(guān)系的研究還是相對缺乏的，而且對水分利用效率對氮素增加的響應(yīng)的認(rèn)識也存在一定的爭議，需要更多的試驗(yàn)來驗(yàn)證。

4 林下植被管理對人工林水分利用的影響

林下植被是森林樹木下灌木、草本和藤本植物的統(tǒng)稱，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維護(hù)生物多樣性與穩(wěn)定性方面起著重要作用[34]。許多研究認(rèn)為，在生產(chǎn)實(shí)踐中去除林下植被是人工林經(jīng)營的一項(xiàng)重要措施[35-36]。通過去除林下植被可以減少灌木、草本植物等與喬木競爭水分、養(yǎng)分，同時(shí)將灌草殘?bào)w置于林下可以通過微生物分解過程將養(yǎng)分歸還到土壤中，有效協(xié)調(diào)林內(nèi)的養(yǎng)分平衡，從而促進(jìn)人工林生長，達(dá)到增產(chǎn)的目的[35]。但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，在半干旱地區(qū)，林下植被中的草本層與上層喬木的物候發(fā)展是同步的，它們從不同深度的土壤中吸取水分，因而不存在水分、養(yǎng)分的競爭關(guān)系[37]。

TAKAHASHI et al.[38]對日本北部林下矮竹對土壤水分和上層喬木生長的影響的研究顯示，林下植物的蒸騰量約為森林總蒸騰量的20%～30%，林下植被去除可以減少水分不必要的消耗，從而增加土壤水分。但林開敏等[39]研究了杉木林下植被與土壤水分的關(guān)系，結(jié)果表明林下植被對土壤水分有一定的改善作用，土壤水分有隨著覆蓋物的增加而增加的趨勢，林下植被的去除對土壤水分和植物水分利用會產(chǎn)生負(fù)面的影響。因?yàn)榱值氐孛嫠终舭l(fā)量與地表溫度、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)及林地是否裸露有關(guān)，林地枯枝落葉層遭破壞后，土壤水分蒸發(fā)量一般要增加，而且林下植被去除降低了林下郁閉度，會有更多的陽光直射地面，使得土壤溫度升高，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增加[40-41]。

綜上所述，林下植被對人工林水分利用的影響也有促進(jìn)和競爭兩個(gè)方面的效應(yīng)。具體表現(xiàn)為：在新造幼林中，林下植被可能對某些目的樹種生長所需的水分和生長空間有競爭作用；但在成熟的人工林中，林下植被的存在間接減少了水分的流失，從而使更多的水分被人工林木的生長所利用。所以，林下植被對于林分水分利用的影響是一種比較復(fù)雜的過程，植被去除在短期可能會促進(jìn)林分對水分的利用，但在更長的時(shí)間尺度上的效應(yīng)還不確定。

5 人工林改造對人工林水分利用的影響

當(dāng)前人工純林面積較大，面臨的生態(tài)問題較為突出，而將現(xiàn)有的人工純林改造成混交林是解決當(dāng)前問題的主要措施之一?；旖涣州^之純林，林內(nèi)光照減弱，氣溫、地溫略低而變幅小，風(fēng)速降低，蒸發(fā)量減少，空氣濕度增加，有利于改善林內(nèi)小氣候[42]。比如秦娟等[43]通過研究子午嶺白樺和遼東櫟混交林發(fā)現(xiàn)，其混交林水分利用效率大于白樺純林和遼東櫟純林。鄭郁善等[44]在研究毛竹與杉木混交林土壤性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其土壤的水分和滲透能力都比杉木純林好，且隨著杉木密度的增加土壤水分的變化呈正態(tài)分布的趨勢。陳永亮等[45]的研究也發(fā)現(xiàn)紅松與水曲柳形成混交林后，土壤的疏松程度、通氣性、透水性等都得到了明顯改善，混交林土壤有效水含量的增加，勢必會對林分的生長起到有益的作用。所以，營建混交林可以有效提高植被的水分利用效率。在現(xiàn)有的人工林中適當(dāng)套種或者補(bǔ)植具有互利共生的伴生植被，不僅可以改善林分結(jié)構(gòu)，還可以提升目標(biāo)樹種的生態(tài)效益。

6 問題與展望

基于以上論述，提出以下需要進(jìn)一步探討的方向：①在氣候變化背景下如何提高人工林水分利用效率是應(yīng)對全球氣候變化的重點(diǎn)研究內(nèi)容。②當(dāng)前對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究大多是將人工林的生產(chǎn)力和水循環(huán)分開研究，二者的耦合關(guān)系及其耦合機(jī)制值得深入探討。③現(xiàn)有研究中常常把土壤蒸發(fā)與植物蒸騰分開單獨(dú)進(jìn)行研究，應(yīng)該考慮到兩者的聯(lián)系，以及不同經(jīng)營管理模式對不同蒸發(fā)散組分的影響。④人工林的經(jīng)營管理活動(dòng)強(qiáng)度大，在森林結(jié)構(gòu)通常被改變的前提下應(yīng)該注重把蒸散量充分地與森林植被的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來，盡量準(zhǔn)確地反映出真實(shí)的林分蒸散耗水和需水特征。⑤穩(wěn)定同位素技術(shù)在研究植被水分利用中前景廣闊，在未來的研究中可以通過同位素示蹤技術(shù)揭示人工林的耗水機(jī)制。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31360175，31570444)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ151097)；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(YC2016-S435)

S753.5;S152.7

C

1000-0941(2017)01-0064-04

張浩(1989—)，男，江蘇睢寧縣人，碩士研究生，從事生態(tài)修復(fù)研究；通信作者劉文飛(1979—)，男，江西贛州市人，副教授，博士，從事生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究。

2016-03-20