帶狀采伐后施肥對毛竹林恢復(fù)的影響1)

黃翔 洪楨華 張曉萍 宋賢芬 趙各進(jìn) 譚鴻儒 劉健 余坤勇

(福建農(nóng)林大學(xué),福州,350002)(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院)(福建農(nóng)林大學(xué))

毛竹(Phyllostachysedulis)屬于禾本科(Gramineae)剛竹屬(Phyllostachys),是我國南方集體林區(qū)主要的造林樹種,也是我國森林資源的重要組成部分。毛竹具有生長迅速、成材快等特點(diǎn),在作為用材林的同時(shí),還具有很強(qiáng)的固碳能力[1]。我國林農(nóng)目前對毛竹的經(jīng)營,大部分還處于傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營模式,使得竹林生產(chǎn)力低,且人工成本高,進(jìn)而使收益降低。因此,對毛竹經(jīng)營管理模式的改善成為亟待解決的問題。目前,有學(xué)者通過改變毛竹的采伐模式,如帶狀采伐模式[2-5],來實(shí)現(xiàn)竹林資源的規(guī)?；蜋C(jī)械化經(jīng)營,從而達(dá)到集約化經(jīng)營管理的目的。

帶狀采伐又稱為帶狀皆伐,是指對伐區(qū)森林逐步分批以窄帶狀方式進(jìn)行的收獲采伐方式[6]。帶狀采伐方式簡單,在獲得木材的同時(shí),能節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力,并且?guī)畈煞ピ谠鰪?qiáng)生態(tài)位互補(bǔ)作用的同時(shí),還促進(jìn)毛竹對光能的利用,通過光照和熱輻射的變化進(jìn)一步影響土壤理化性質(zhì)和微生物的活性,有利于毛竹對土壤養(yǎng)分的吸收[7]。

福建省的毛竹林資源豐富,是林農(nóng)的重要收入來源。但由于其大多生長在低山丘陵等邊遠(yuǎn)地區(qū),導(dǎo)致經(jīng)營難度較大,成本較高,且在長期的經(jīng)營過程中,部分土壤還出現(xiàn)肥力下降和養(yǎng)分流失的現(xiàn)象。在采伐更新后,毛竹的生長需要從土壤中汲取更多的養(yǎng)分[8],這直接導(dǎo)致了毛竹的生長狀況變差和生長質(zhì)量降低。施肥作為一種經(jīng)營措施,對毛竹的采伐更新具有重要意義,但目前,施肥對毛竹林在帶狀采伐后恢復(fù)的影響相關(guān)研究較少,僅有張洋洋等[8]研究了毛竹林帶狀采伐后,施肥對立竹數(shù)和土壤養(yǎng)分的影響;鄭風(fēng)英等[9]研究了帶狀采伐后,施肥對毛竹生理特性的影響。因此,本研究以毛竹林帶狀采伐為前提,探究在帶狀采伐后不同施肥條件下,土壤養(yǎng)分變化引起的毛竹林內(nèi)空間和非空間結(jié)構(gòu)的變化,以此來揭示施肥模式對毛竹林帶狀采伐更新的影響,并調(diào)整當(dāng)前的施肥措施,對毛竹產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和毛竹林質(zhì)量的提高提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市永安市上坪鄉(xiāng)(25°33′～26°12′N,116°56′～117°47′E),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,地勢東北高、西南低,海拔1 120 m。年平均氣溫14 ℃,年平均生長期300 d,年均無霜期280 d。試驗(yàn)地內(nèi)毛竹覆蓋率達(dá)到98%以上,灌木主要有寒梅(RubusbuergeriMiq.)、石楠(PhotiniaserrulataLindl.)、紅花檵木(Lorpetalumchinensevar.rubrum)等;草本主要有沿階草(Ophiopogonbodinieri)、芒萁[Dicranopterisdichotoma(Thunb.) Berhn.]、薹草(CarexhirtaLinn.)等。帶狀采伐前試驗(yàn)地內(nèi)母竹中,一度竹占12%,二度竹占53%,三度竹占34%,四度竹占1%。

2 研究方法

樣地設(shè)置:本試驗(yàn)采用雙因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì),在9 m×20 m的毛竹林帶狀采伐樣地中開展施肥試驗(yàn),采用尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)460 g/kg)、磷肥(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)160 g/kg)、鉀肥(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)525 g/kg)3種肥料,設(shè)置3種肥料配比(A),N、P、K元素質(zhì)量比分別為A1(4∶2∶3)、A2(3∶1∶2)、A3(10∶2∶5),施肥量(B)分別為B1(449.7 kg/hm2)、B2(599.7 kg/hm2)、B3(749.6 kg/hm2),共有9種處理組合(見表1),每種處理3個(gè)重復(fù),同時(shí)設(shè)置3塊對照樣地(CK,竹農(nóng)正常施肥),共設(shè)置30塊樣地。各采伐樣地間設(shè)置保留帶,保留帶寬度與采伐帶寬相同,在樣地上下各設(shè)置50 cm的隔離溝,于2020年8—12月進(jìn)行帶狀采伐,設(shè)置的30塊樣地編號(hào)1～30,28、29、30號(hào)樣地為對照試驗(yàn)樣地。樣地設(shè)置見圖1。

表1 施肥試驗(yàn)各影響因素及梯度設(shè)計(jì)

圖1 樣地設(shè)置示意圖

數(shù)據(jù)收集:土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響林木的更新和再生長,立竹度、胸徑、樹高是最能直接反映采伐后毛竹林恢復(fù)情況的評價(jià)指標(biāo)。因此,本研究在2020年12月開始施肥試驗(yàn),于2021年4月采集樣地林分調(diào)查因子和土壤樣品,測定土壤水解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),以及毛竹的株數(shù)、樹高、胸徑等,以此來探究不同施肥處理和土壤養(yǎng)分情況對毛竹林恢復(fù)的影響。

(1)林分基本參數(shù)調(diào)查。調(diào)查、測定各個(gè)樣地中,新生毛竹數(shù)量、樹高和胸徑。每塊樣地以西南角為坐標(biāo)原點(diǎn),確定每株毛竹在樣地中的相對位置信息,以此來計(jì)算不同樣地的林分空間結(jié)構(gòu)。

(2)土壤養(yǎng)分的測定。各樣地對角線設(shè)置3個(gè)點(diǎn)作為3個(gè)重復(fù),每個(gè)點(diǎn)深挖(h)40 cm,采集0

(3)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。大小比數(shù)(U)定義為大于參照樹的相鄰木數(shù)量占所考察的全部最近相鄰木的比例。它反映了林木之間的優(yōu)勢程度和競爭情況,其值越大,林分競爭越激烈[13]。其公式為:

(1)

(2)

聚集指數(shù)(R)是相鄰最近單株距離的平均值與隨機(jī)分布下的期望平均距離之比[14]。它可以反映出林分中林木的分布情況。公式為:

(3)

式中:ri表示第i棵對象木與其最近相鄰木之間的距離;N為樣地中林木株數(shù);F為樣地總面積。

競爭指數(shù)(IC)能直觀的反映出林分內(nèi)林木之間的競爭情況[15]。競爭指數(shù)的取值為(0,∞),其值越大,競爭程度越激烈。計(jì)算公式為:

(4)

(5)

開敞度(K)主要用于描述林木個(gè)體生長空間的大小[16]。其取值范圍為(0,+∞),開敞度值越高,說明林下受光條件越好。計(jì)算公式為:

(6)

(7)

混交度(M)的定義為,空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi),對象木與其最近相鄰木為不同種時(shí)的個(gè)體所占的比例,以此來反映林分內(nèi)的混交程度[17]。其計(jì)算公式為:

(8)

(9)

空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)(P)

(10)

式中:Pi為各個(gè)林地的林分空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)。P值越高,林分空間結(jié)構(gòu)越接近于理想狀態(tài)。由于此次研究在毛竹人工林中開展,混交度(M)為0,且聚集指數(shù)(R)取值可為1,從而導(dǎo)致分母為0,不能進(jìn)行計(jì)算,因此,對公式參數(shù)進(jìn)行修正,將每個(gè)因子加1[18],得到以下公式:

(11)

(4)灰色關(guān)聯(lián)度分析?？臻g結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)反映出了新竹的生長和分布情況,通過灰色關(guān)聯(lián)分析法來分析綜合指數(shù)與土壤養(yǎng)分和非空間結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而分析出哪種施肥處理更有利于帶狀采伐后毛竹林質(zhì)量的恢復(fù)。

數(shù)據(jù)處理:采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)處理,Winkelmass軟件計(jì)算新生竹林的空間結(jié)構(gòu)參數(shù),IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及新生毛竹的非空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,并對兩者進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 采伐后施肥對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對采伐后毛竹林的恢復(fù)質(zhì)量具有重要影響。從表2、表3可以看出,不同施肥處理各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)差異性較小或無顯著性差異。施肥量(B)在土壤水解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化過程中起主導(dǎo)作用,施肥配比(A)在土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化過程中起主導(dǎo)作用。結(jié)果表明,處理組合A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)是提高土壤水解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最優(yōu)處理組合,除了水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)外,其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)與試驗(yàn)得到的結(jié)果保持一致;對于土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),A3B2(N、P、K質(zhì)量比為10∶2∶5,施肥量為599.7 kg/hm2)為最優(yōu)處理組合,與試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

表2 不同施肥組合試驗(yàn)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 不同施肥組合試驗(yàn)結(jié)果的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)極差分析結(jié)果

3.2 施肥對毛竹林非空間結(jié)構(gòu)的影響

毛竹林的非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)如立竹度、胸徑和樹高,可以直接體現(xiàn)出帶狀采伐后施肥,毛竹林的恢復(fù)情況。由表4可以看出,帶狀采伐后,新竹的樹高和胸徑相較于母竹都有所降低。不同施肥處理間,立竹度并無顯著差異,而胸徑和樹高具有極顯著差異(p<0.01)。根據(jù)表4,A3B1(N、P、K質(zhì)量比為10∶2∶5,施肥量為449.7 kg/hm2)的立竹度最大,為871株/hm2;處理A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)的胸徑和樹高均最大,分別為9.27 cm和9.62 m。極差分析結(jié)果(表5)可見,施肥配比(A)是影響立竹度和樹高的主導(dǎo)因素,施肥量(B)是影響胸徑生長的主要因素,且在施肥配比中,N、K元素占比較大的施肥處理(A3),其新竹的樹高和胸徑普遍低于低配比(A1、A2)的處理。A3B3(N、P、K質(zhì)量比為10∶2∶5,施肥量為749.6 kg/hm2)是提高毛竹林立竹度的理論最優(yōu)處理組合,而A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)是提高胸徑和樹高的理論最優(yōu)處理組合。

表4 不同施肥組合間非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)及母竹樹高、胸徑

表6為毛竹在帶狀采伐后施肥,立竹度、樹高和胸徑與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析結(jié)果。從表中可以看出,各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對新生竹林立竹度的影響較小,甚至沒有影響,但土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對胸徑的生長具有極顯著的促進(jìn)作用(p<0.01),土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對樹高的生長具有顯著的促進(jìn)作用(p<0.05),土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)對胸徑和樹高的增長具有顯著的抑制作用(p<0.05)。說明不同施肥處理導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,對帶狀采伐后新生竹胸徑和樹高的生長產(chǎn)生了不同程度的影響,但對立竹度無顯著影響。

3.3 施肥對毛竹林空間結(jié)構(gòu)的影響

林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)能反映林木之間的競爭情況及空間分布特征,進(jìn)而反映林分內(nèi)林木生長的合理程度。本研究利用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同施肥條件下新生毛竹的恢復(fù)情況做出評價(jià)。

表5 不同施肥水平非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)極差分析結(jié)果

表6 非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)每木調(diào)查得到的毛竹樹高、胸徑以及相對位置,對林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,由于采伐后各個(gè)樣地內(nèi)新生毛竹生長情況不同,且對于對象木的競爭木數(shù)量采取傳統(tǒng)的取4棵來計(jì)算,因此,部分樣地由于新生毛竹數(shù)量不足(≤4株),無法對其空間結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)誤差為0。在本試驗(yàn)的10種處理中,只得到了8種處理組和對照組的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表7 不同施肥組合處理的毛竹林林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜合各處理的5個(gè)空間結(jié)構(gòu)因子來構(gòu)建綜合指數(shù),對林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評價(jià),以此得出不同施肥處理后毛竹林的恢復(fù)狀況。綜合指數(shù)越大,表明林分空間結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài),恢復(fù)效果越好,更有利于新竹的生長,反之則越差。在這9種不同的施肥處理中,A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)處理的空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)最大,為0.556。

從表8可以看出,全氮和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比于其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)和非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo),對空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)的影響較大,關(guān)聯(lián)度分別達(dá)到了0.866 3和0.864 3。而在3.1中得出結(jié)論,施肥處理A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),因此,經(jīng)過A1B1(N、P、K質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2)處理后的樣地內(nèi),新生竹的空間分布情況較為合理,各新竹之間的競爭壓力較小,空間結(jié)構(gòu)更接近于理想狀態(tài)。

表8 空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)與各土壤養(yǎng)分、非空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

4 討論與結(jié)論

施肥可補(bǔ)充土壤中N、P、K等養(yǎng)分,并提高土壤肥力,從而促進(jìn)毛竹孕筍和新竹的生長[19],加速其伐后更新和恢復(fù)。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究,9 m的采伐帶寬度有利于新竹數(shù)量的增加,且采伐后林分初期的孕筍能力和恢復(fù)能力較強(qiáng)[4,20-21]。因此,本研究在采伐帶為9 m的前提下,探索最能促進(jìn)毛竹林恢復(fù)的施肥模式。

本研究顯示,施肥配比對毛竹初期生長影響較大。適當(dāng)?shù)牡睾土姿匾约吧倭康拟浰乜梢栽黾用癯跗诘拿绺吆托貜?在N、K元素高配比的施肥處理中,新生毛竹的胸徑和高度普遍低于低配比的施肥處理,且新竹的胸徑、樹高與土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。這是因?yàn)榇罅渴┯肗肥和K肥會(huì)打破元素間的平衡,影響毛竹對N的吸收,并且K元素會(huì)對P元素起離子拮抗作用[22],導(dǎo)致了新生毛竹生物量的減少,影響其初期的生長。

本研究結(jié)果中,不同施肥處理間立竹度并無顯著差異,且部分樣地的新竹數(shù)量不足4棵,但大部分施肥處理的平均立竹度要略高于對照組,這表明施肥管理對新竹的成竹具有積極的促進(jìn)作用。毛竹在每年的孕筍和出筍過程中均需要消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)[23],但由于母竹供給養(yǎng)分的能力是有限的,因此供給養(yǎng)分不足會(huì)導(dǎo)致退筍數(shù)增多,進(jìn)而表現(xiàn)出出筍多退筍也多的現(xiàn)象[24]。封煥英等[25]研究得出,施入礦渣肥和復(fù)混肥對提高毛竹的成竹效果并不顯著,本研究中新生毛竹立竹度差異不明顯的原因與其相似,由于施肥后作用時(shí)間較短使施肥效應(yīng)表現(xiàn)并不顯著,土壤養(yǎng)分雖得到了補(bǔ)充,但總體差別不大,導(dǎo)致退筍數(shù)增多,使成竹的差異性不顯著,這也是導(dǎo)致不同處理間土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)也無顯著差異的原因。另外,本研究采用的施肥方式為溝施,而范偉青等[26]探討了不同施肥方式對毛竹生長質(zhì)量的影響,得出竹蔸施肥在毛竹竹筍產(chǎn)量和新竹株數(shù)、胸徑以及樹高的生長上會(huì)產(chǎn)生較為明顯的影響,因此,在后續(xù)的研究中,可以采用竹蔸施肥法或其他施肥方法對本研究結(jié)果的產(chǎn)生進(jìn)行探索。

竹類植物沒有形成層,新生竹的胸徑在出筍期已經(jīng)基本固定[27],且當(dāng)新竹開枝展葉后,高生長和粗生長基本停止[23],因此可通過新竹的胸徑和樹高來評價(jià)竹林采伐后的更新恢復(fù)情況。本研究結(jié)果顯示,帶狀采伐后的新竹胸徑和樹高比母竹要小。這是因?yàn)椴煌闹鞣シ绞綄Υ文晷轮裥貜降纳L具有不同的影響[28],一般來說,擇伐會(huì)改善林內(nèi)的衛(wèi)生狀況,從而促進(jìn)來年新竹的胸徑生長,而皆伐會(huì)導(dǎo)致林內(nèi)小氣候和土壤的變化,使來年新竹的胸徑較母竹普遍降低[29]。另外,毛竹屬于克隆植物[30],即使母竹被采伐,與母竹連接的地下竹鞭上的側(cè)芽還可通過其他鄰近的母竹來獲取營養(yǎng)物質(zhì)[31]。由于本研究的施肥時(shí)間較短,母竹在被采伐后,竹鞭側(cè)芽大部分養(yǎng)分通過其他鄰近母竹獲取,而養(yǎng)分和水分的輸送存在距離的限制,導(dǎo)致離采伐帶距離較遠(yuǎn)的新竹生長受到影響,胸徑和樹高較母竹有所降低,因此在后續(xù)研究中還需要探索更加合理的采伐寬度。

不同施肥處理對竹林的采伐恢復(fù)具有不同的影響,特別是對新竹胸徑和樹高的影響最為顯著。本研究得出在采伐帶為9 m時(shí),施肥處理A1B1,即N、P、K元素質(zhì)量比為4∶2∶3,施肥量為449.7 kg/hm2,相對于其他施肥處理,在提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí),還能顯著促進(jìn)新生毛竹胸徑和樹高的增長,并能改善來年竹林內(nèi)的林分空間結(jié)構(gòu),使得新竹的空間分布更加合理,更有利于毛竹林的采伐更新和恢復(fù)。此研究可為毛竹帶狀采伐后的更新與恢復(fù)提供參考,但在后續(xù)的研究中,可以深入探討不同施肥方式、采伐帶寬對帶狀采伐后竹林恢復(fù)的影響。