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杉木林林内光环境在楠木生长的作用

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摘要:为探讨杉木林林内光环境对林下套种楠木的生长和冠层结构的影响,通过对不同林分密度、不同坡向的杉木林冠层光辐射因子(冠下总辐射PPFD、天空开度DIFN、叶面积指数LAI)进行分析,研究杉木林冠层光辐射因子对林下楠木生长和冠层结构所产生的影响。结果表明:低林分密度样地的杉木林冠层光辐射相较于高林分密度样地更有利于林下楠木的生长和冠层结构的提高,其中,林下楠木的各项生长指标(树高、地径)分别比高林分密度样地高出5.4%和22.1%,地径增量差异达显著水平(P<0.05);林下楠木的冠层结构指标(冠幅、树冠率、树冠体积、树冠圆满度)分别比高林分密度样地高出了11.3%、2.3%、22.2%和1.6%,但均无显著性差异。不同坡向的杉木林冠层光辐射对林下楠木的生长和冠层结构也有较大的影响,阳坡样地的杉木林冠层光辐射对林下楠木生长指标(树高、地径)的影响与阴坡样地相比,分别高出了23.7%和15.4%,其中树高增量差异显著(P<0.05);而林下楠木的冠层结构指标与阴坡样地相比,除了树冠圆满度降低了8.2%,其余楠木冠层结构指标(冠幅、树冠率、树冠体积)分别高出5.6%、3.4%和28.6%,均无显著差异。

关键词:杉木;楠木;套种;光辐射;生长;冠层结构

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我国南方重要的造林树种,具有生长快、经济效益高,材质好等特点[1-2]。长期以来,杉木人工林多以纯林经营为主,林分结构单一,导致连栽杉木人工林出现生产力下降等地力衰退问题[3-5],严重影响杉木人工林的可持续经营。通过不同森林培育措施提高林分质量、生态功能和维护林地可持续经营,已成为当今杉木人工林经营亟待解决的重大课题。楠木[Phoebebournei(Hemsl.)Yang]是我国特有的樟科常绿乔木[6],为国家二级濒危保护植物和珍贵用材树种,具有速生、抗性强、材质坚硬且耐腐、色泽美观等优良特性,同时作为阔叶树种楠木与其他常绿阔叶树一样,每年有大量的更新落叶回归土壤,可增加土壤养分,改良土壤物理性质,是缓解杉木连栽地力衰退的理想树种之一。有研究表明,杉木与楠木混交有利于楠木生长,且光照是制约楠木生长的主要因子之一[7-8]。杉木林冠层结构不仅客观地反映杉木占有生长空间的状况及竞争能力,而且直接影响林分下层的透光性,影响下层套种植物能够利用的光照总量。目前,已有大量关于树木林冠层特性的研究报道,但多数研究是从林冠层结构、叶生物量等进行分析[9-10],缺乏对林分光环境的详细分析,特别是不同林分密度、不同坡度杉木林下套种楠木对林冠层光辐射、林冠结构及林下套种植物的冠层结构等研究更少。鉴于此,文中在福建省邵武卫闽国有林场22年生杉木人工林内,设置不同林分密度和不同坡向的林下套种楠木样地,通过分析其林冠层光辐射因子、楠木生长、冠层结构等指标,筛选杉木林下套种楠木的较好措施,为缓解杉木人工林连栽地力衰退问题提供科学依据。

1试验地概况

试验地设置在福建省南平市邵武卫闽国有林场,地处武夷山山脉东南侧山区,位于东经117°43',北纬27°05',为杉木主产区之一。该区主要地貌为低山、高丘,海拔250~700m,坡度25°~35°。气候温和湿润,年平均气温17.7℃,1月平均气温6.8℃,7月平均气温28℃,极端低温-7.9℃,全年日照时间1740.7h,年平均霜期95d,最长达132d,年平均降水量1768mm,年平均相对温度82%,属亚热带季风气候,地理气候条件适宜杉木生长。土壤以发育在花岗岩等母质上的红壤为主,土层较深厚,腐殖质含量丰富。

2试验方法

2.1样地设置试验地前期为杉木采伐迹地,1994年采伐后进行炼山,小块状整地,定植塘规格为40cm×40cm×30cm,回表土,株行距3m×3m。1995年2月采用本场1代种子园所产杉木种子的1级苗造林,此后,每年进行2次除草(铲除)抚育。2013年7月经过1次抚育间伐,保留密度分别为900和600株•hm-2,当年12月进行间伐后深翻。2014年3月在不同林分密度(600、900株•hm-2)、不同坡向(阴坡、阳坡)的22年生杉木近成熟林内套种楠木,楠木密度为1350株•hm-2。试验于立地条件基本一致的地段,按密度和坡向设置样地,3次重复,共计9块标准地,每个标准地面积400m2(20m×20m),标准地的4个角点埋设木桩作为标志。

2.2调查方法2017年6月,每木检尺测定标准样地内所有杉木的胸径、树高,楠木的地径、树高等指标。以平均胸径、平均树高为准,选择标准木。标准木与平均木误差在5%范围内。对标准木冠高、冠幅等进行测定,每个标准样地选择6株标准木,测算树冠率、树冠圆满度等复合指标。其中,冠高为树高与枝下高的差值;冠幅为树冠东西向与南北向的平均值;树冠率是冠长与树高之比;树冠圆满度是冠幅与冠长之比;树冠体积参照楠木人工林预估模型进行估算[11]:V=0.2750L×2.253H×0.0770(1)式中:V为体积(m3);L为冠幅(m);H为冠长(m)。2017年6月初,选择晴朗天气的上午8:00—10:00,采用美国LI-COR公司生产的LAI-2200C植物冠层分析仪配带的高分辨率数码相机和180°鱼眼镜头,在每个标准样地按照“S”字形选择5个点。每次观测时,先将植物冠层分析仪探头放置于植物冠层的上方,并保持探头水平泡的水平,按下Log按钮听到两声蜂鸣后,然后将探头放入植物群体林冠层下部,仍保持探头水平泡水平,按下Log按钮听到两声蜂鸣声后,分别在每个测点的植物群体林冠层下部进行测量,重复测量5次,仪器将自动测算出植物群体的叶面积指数(leafareaindex,LAI)。同时,仪器自身也从5个不同的天顶角环形区域测定植物的冠层状况,并给出林冠层的天空开度(diffusenon-interceptance,DIFN)、冠下总辐射(photosyntheticphotonfluxdensity,PPFD)。

2.3数据处理采用Excel2010软件进行数据处理,采用SPSS19.0软件进行数据的方差分析和独立性T检验,并用Origin9.1软件作图。

3结果与分析

3.1杉木套种楠木对林内光辐射的影响

3.1.1不同林分密度杉木套种楠木对林内光辐射的影响不同林分密度杉木林下套种楠木对杉木林林内冠下总辐射、林冠层天空开度、叶面积指数有较大的影响,表现为随林分密度降低,杉木林林内冠下总辐射增大,其中T1样地显著高于T2样地(P<0.05),增幅达45.4%,说明低林分密度的杉木林冠层透光率较强;低林分密度有利于提高杉木林冠层天空开度,其中,T1样地的杉木林冠层天空开度相较于T2样地高出了50.0%,且差异达显著水平(P<0.05);与T2样地比较,T1样地的杉木林冠层叶面积指数降低了37.5%,差异显著(P>0.05),说明叶面积指数与林分密度呈正相关性,即林分密度越高,林冠层叶面积指数越大。

3.1.2不同坡向杉木套种楠木对林内光辐射的影响不同坡向杉木人工林的土壤养分组成和吸收都具有明显的差异[12]。不同坡向杉木林下套种楠木对杉木林林内冠下总辐射影响不同,表现为阳坡样地有利于提高杉木林林内冠下总辐射,T2样地相较于T3样地,杉木林林内冠下总辐射高出2.1%,但差异不显著;阴坡样地的杉木林冠层天空开度较大,与T2样地相比,T3样地的林冠层天空开度高出20.0%,差异未达显著水平;阳坡样地有利于杉木林冠层叶面积指数的提高,在两样地中,T2样地的杉木林冠层叶面积指数相较于T3样地高出8.3%,无显著差异。

3.2杉木套种楠木对楠木生长及冠层结构的影响

3.2.1不同林分密度杉木套种楠木对楠木生长的影响不同林分密度样地对杉木林林内光辐射总量影响不同,其对林下套种楠木的生长影响也有差异。在两样地中,低林分密度样地的杉木林林内光辐射有利于林下楠木平均树高和地径的生长,与T2样地相比,T1样地楠木的平均树高和地径分别高出5.4%和22.1%,且地径增长差异达显著水平(P<0.05)。

3.2.2不同坡向杉木套种楠木对楠木生长的影响不同坡向样地的杉木林林内光辐射对林下楠木的平均树高和地径生长也有一定的影响。阳坡样地的杉木林林内光辐射有利于林下楠木平均树高和地径的生长,与T3样地相比,T2样地的楠木平均树高和地径分别高出23.7%和15.4%,且树高增长差异达显著水平(P<0.05),说明阳坡样地的杉木林林内光辐射有利于林下楠木树高和地径的生长。

3.2.3不同林分密度杉木套种楠木对楠木冠层结构的影响不同林分密度样地的杉木林林内光辐射对林下楠木的冠层结构产生了一定影响,表现为随林分密度降低,林下楠木的冠层结构增大。在两样地中,林下楠木的冠幅、树冠率、树冠体积和树冠圆满度均以T1样地较好,与T2样地相比,分别高出11.3%、2.3%、22.2%和1.6%,但差异均未达显著水平。

3.2.4不同坡向杉木套种楠木对楠木冠层结构的影响阳坡样地的杉木林林内光辐射对林下楠木的冠幅、树冠率和树冠体积均起到了一定促进作用。与T3样地相比,T2样地的楠木冠幅、树冠率和树冠体积分别高出5.6%、3.4%和28.6%,但在树冠圆满度上反而有所减小,相较T3样地,T2样地的楠木树冠圆满度降低了8.2%,但差异均不显著。

4结论与讨论

林分密度是杉木人工林在培育过程的主要影响因子,也是形成一定林分水平结构的基础,林分密度是否合适直接影响杉木林冠层下光辐射的分布。冠下总辐射可表明林冠层透光率的大小,也可表示林冠层截获光照量的能力,光辐射在冠层内的分布,直接影响下层植被能够利用的光照总量[13-14]。天空开度也称为冠层开度、林隙开度,是用来表示没有被冠层枝叶遮挡的天空部分的比例,也可以间接指示天空面积被林冠层遮挡的大小,它对林冠下光辐射的分布、林冠层的郁闭度、林窗及林隙的大小范围等级以及对林下植被更新能力评估有极大的指示作用[15-16]。文中试验表明,不同林分密度样地对杉木林冠层冠下总辐射和天空开度的影响均表现为低促高抑的规律,即低密度样地对杉木林冠层冠下总辐射和天空开度起到促进作用,高密度样地起到抑制作用,这与张甜等[17]研究结果相似,间伐导致林分密度降低,林分郁闭度也随之降低,使得被冠层枝叶遮挡的天空部分的比例减少,所以天空开度变大,透过树冠到达冠层下方的光辐射量增加,冠下总辐射随之增加。叶面积指数表示为绿叶的总面积占单位水平种植面积的比值,它代表了森林生态系统中植物叶片生长水平的结构参数,叶片的叶面积大小对植物光辐射的截取、植物蒸腾作用和光合作用强度等都有着很密切的相关性[18-21],因此叶面积指数已经成为研究植物种群和林下光环境分析时的重要参数。文中试验中,不同样地对杉木林冠层叶面积指数的影响与对冠下总辐射、林冠层天空开度的影响呈相反趋势,即随着林分密度降低,林冠层叶面积指数呈减小趋势,这是由于低密度样地的杉木林冠层叶片覆盖率较低,所以单位面积的叶片面积也较小[17,22]。坡向是杉木人工林生长过程中一个重要的立地条件,可用来评价林分生长环境的优劣程度。

文中试验中,阳坡样地的杉木林冠层冠下总辐射高于阴坡样地,这是因为阳坡样地的杉木林冠层可获取更多的光照量,而阴坡样地所获取的光照量相对较少,冠层内部分配的光照总量就相对较少[23];同时,阳坡样地相较于阴坡样地的杉木林冠层冠幅较大,叶片覆盖率相对增加,由此导致阳坡样地的林冠层天空开度较小,叶面积指数较高,何婷婷[24]在不同坡地对枣树(ZiziphusjujubaMill.)冠层结构的相关研究中也有类似结论。文中试验表明,低林分密度(阳坡)样地的杉木林冠层对林下楠木的生长指标(树高、地径)和冠层结构指标(冠幅、树冠率、树冠体积)都有一定程度的促进作用,这与郑涛[25]关于林下套种草珊瑚[Sarcandraglabra(Thunb.)Nakai]对杉木人工林生长影响的研究结果相似。低林分密度(阳坡)样地的杉木林冠层光辐射量较为充足,而高林分密度(阴坡)样地的林冠层光辐射量相对贫乏,林下辐射量充足能改善林分内水、肥、气、热等小气候因子,促进林分土壤养分循环、改善土壤肥力,进而对林下楠木的生长和冠层结构产生不同程度的促进作用[26-27]。综上所述,低林分密度(阳坡)样地的杉木林冠层光辐射因子可显著促进林下楠木的生长(P<0.05),而对楠木冠层结构的生长影响有一定促进作用,但差异不显著。此外,林下楠木不同生长阶段对光照的需求量不同,杉木林冠层结构也应随楠木的不同生长阶段进行适当的调整,以促进林下楠木更好的生长。

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作者:王俊男1,2,于洋洋1,2,林柳兴3,庄正1,2,邹显花1,2,刘爱琴1,2(1.福建农林大学林学院,2.国家林业局杉木工程技术研究中心,3.福建邵武卫闽国有林场

环境科学导刊杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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