尾巨桉人工林主要生態效應研究*

任世奇,杜阿朋,胡 剛,顧大形,伍 琪,韋振道,李昌榮,陳健波

(1.廣西壯族自治區林業科學研究院,南寧桉樹森林生態系統廣西野外科學觀測研究站,廣西南寧 530002;2.中國林業科學研究院速生樹木研究所,廣東湛江 524022;3.南寧師范大學環境與生命科學學院,廣西南寧 530100;4.廣西壯族自治區中國科學院廣西植物研究所,廣西桂林 541006)

桉樹是桃金娘科(Myrtaceae)杯果木屬(Angophora)、傘房屬(Corymbia)和桉屬(Eucalyptus)樹種的統稱,共有800多種[1],天然分布于澳大利亞、印度尼西亞東部島嶼、東帝汶和菲律賓南部[2]。桉樹適應能力強、生長速度快、加工用途廣、經濟價值高,其木材可用于生產人造板和制漿造紙;葉片精油可用于護膚品生產、食品添加;樹皮可提煉鞣質。世界范圍內有120多個國家和地區引種栽培桉樹,面積多達3億畝[3](1畝≈666.67 m2)。

我國引種栽培桉樹已有130多年歷史,大規模引種栽培桉樹始于1982年中國與澳大利亞的桉樹合作示范項目,其中引種馴化最為成功的桉樹樹種當屬尾葉桉(Eucalyptusurophylla)和巨桉(E.grandis),利用這兩個桉樹樹種雜交開發具有自主知識產權的尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)和巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)雜交種,這兩個雜交種是近20年我國種植范圍最廣、面積最大的桉樹品種,種植范圍覆蓋廣西、廣東、海南、福建等省區,種植面積超過8 000萬畝,以此成就了全國桉樹木材年產量占全國木材年產量40%以上的貢獻。廣西是我國桉樹產業化發展最好的省區之一,2021年廣西桉樹人工林面積達4 550萬畝,居全國第一位[4]。

自2000年以來,隨著桉樹人工林種植面積的持續擴大,其大面積連片純林、短輪伐期等經營方式帶來的生態效應受到廣泛地關注和質疑。已有研究表明,通過將人工純林調整為單一樹種占較大比率的混交林可提高林地的經濟回報和提供更多元化的產品[5],降低病蟲害發生率[6],改善土壤理化性質[7]。楊承棟[8]深入總結單個樹種針葉純林連作效益并提出:有群落結構的混交林是維護、恢復和提高森林土壤功能,提高森林土壤生產力,實現可持續經營的關鍵。為真實了解桉樹人工純林及其混交林的生態效應,客觀認知桉樹人工純林及其混交林生長過程對自然生態環境的影響,本研究圍繞桉樹人工純林和混交林的生態系統組成、結構與功能,通過對實施不同經營模式和技術措施形成的不同類型桉樹人工林進行定位觀測研究,初步評價桉樹人工林的主要生態功能,以期為桉樹人工林生態和經濟綜合效益的發揮提供生態高效經營技術方案,最終為實現桉樹人工林的科學化發展奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本研究依托南寧桉樹森林生態系統廣西野外科學觀測研究站(以下簡稱南寧桉樹野外站,包括南寧站點、柳州站點)和湛江桉樹森林生態系統國家定位觀測研究站,并以桂林、北海兩個地區作為植物多樣性調查輔助樣點。觀測范圍跨越北緯21°-25°,覆蓋桂北丘陵山地、桂中盆地平原、桂東南-粵西沿海臺地3個區域的典型桉樹人工林觀測樣帶。氣候條件分屬中亞熱帶濕潤季風氣候、南亞熱帶季風氣候和北熱帶海洋性季風氣候,其地帶性植被分別為常綠闊葉林、季風常綠闊葉林和季節性雨林;土壤類型以紅壤、赤紅壤、磚紅壤為主。

1.2 方法

1.2.1 尾巨桉單木、林分的水分消耗及林區水質觀測

(1)尾巨桉單木蒸騰耗水量。以南寧桉樹野外站(南寧站點)的中齡尾巨桉為研究對象,利用樹干莖流儀(TDP,Dynamax公司,美國)定位觀測尾巨桉單木的樹干液流密度,通過伐倒木圓盤測定尾巨桉單木邊材面積,利用Granier公式[9]量化分析尾巨桉單木林冠蒸騰水分,即尾巨桉單木蒸騰耗水量[10]。

(2)尾巨桉林分蒸散耗水量。以南寧桉樹野外站(南寧站點)的中齡尾巨桉林分為研究對象,使用自動氣象站(CR1000,Campbell公司,美國)觀測林外大氣降水,利用坡面徑流場量化地表水分流失量,使用樹干莖流儀、自動雨量計(UA-003-64,Hobo公司,美國)分別采集樹干莖流量和穿透水量,通過林外降水與林內穿透水差值獲取林冠截留量。根據水量平衡方程由上述樣地尺度水分循環分量計算出尾巨桉林分蒸散耗水量。此外,應用彭曼模型(Penman-Monteith)估算尾巨桉林分蒸散耗水量,并將水量平衡方程實測的尾巨桉林分蒸散耗水量與彭曼模型模擬結果進行比較,評價彭曼模型模擬尾巨桉林分蒸散耗水量的適用性[11]。

(3)尾巨桉活立木根系吸水來源。使用同位素比率質譜儀(MAT 253,Thermo Fisher Scientific 公司,美國)量化一代植苗林、二代萌芽林(一次萌芽林)、三代萌芽林(二次萌芽林)、四代萌芽林(三次萌芽林)4種不同連栽代次尾巨桉純林的土壤水、林分周邊地下水、林分外降水等水環境的δD 比率,使用IsoSource多元混合模型分割量化不同水環境對尾巨桉根系吸水的貢獻[12,13],剖析不同連栽代次尾巨桉根系對土壤水、地下水、降水等水環境的吸收策略。

(4)尾巨桉林區地表水水質演變。在尾巨桉三代萌芽純林(Three generations of pureE.grandis×E.urophylla,Eck)、尾巨桉采伐跡地丟荒(Cutover land ofE.grandis×E.urophycla,WL)、尾巨桉+灰木蓮水平帶狀混交(Horizontal mixed stand ofE.grandis×E.urophyclaandMagnoliaceaeglanca,EMH)、尾巨桉+灰木蓮垂直帶狀混交(Vertical mixed stand ofE.grandis×E.urophyclaandM.glanca,EMV)、尾巨桉+灰木蓮株間混交(Interplant mixed stand ofE.grandis×E.urophyclaandM.glance,EMI)、灰木蓮純林(PureM.glancastand,Mck)6種土地利用類型中分別安裝地表水采集裝置,連續7個月采集6種土地利用類型的地表水水樣,分析地表水水質演變特征。

1.2.2 尾巨桉林地土壤養分循環觀測

(1)尾巨桉植苗純林凋落物量及分解歸還。連續12個月按月收集5年生、7年生和9年生尾巨桉植苗純林凋落物,以枝條、葉片、果皮分類測定生物量及養分含量,同時將枝條與葉片按不同比率混合分裝在720個分解袋中并隨機放置于該林分的地表,每月隨機抽取3個分解袋稱重并化驗袋中剩余凋落物的養分含量[14]。

(2)尾巨桉三代萌芽純林及改培混交林的土壤理化性質及微生物群落結構。采集不同齡組尾巨桉純林、尾巨桉混交林的土壤樣品,分析其土壤微生物群落結構,剖析不同林分類型對土壤地力維持機制[15]。

1.2.3 尾巨桉人工林生物多樣性調查

在桂林、南寧、北海3個不同緯度地區選擇1-3年、4-6年和7-9年3個齡組尾巨桉人工林并區劃60個樣方,調查尾巨桉林下植物的種類、多度、蓋度等指標,解析尾巨桉人工林林下植物多樣性特征[16]。

1.2.4 桉樹人工林碳儲量及林冠CO2交換量觀測

以第九次(2018年)全國森林資源清查結果為數據源,利用政府間氣候變化專門委員會(IPCC)推薦的生物量估算模型估算廣西桉樹人工林的碳儲量[17]。依托南寧桉樹野外站(柳州站點),通過在綜合觀測塔上安裝開路式渦度相關系統(Li-7500A,LIcor Co.,Ltd.,USA)并連續3年觀測鹿寨區域的中齡尾巨桉人工林林冠與大氣交界面的CO2通量,估算尾巨桉人工林生態系統的碳匯能力。

2 結果與分析

2.1 尾巨桉單木、林分的蒸騰耗水量及林分水質演變特征

2.1.1 尾巨桉單木蒸騰耗水量

尾巨桉單木日均蒸騰耗水量為1.32 mm,其中春、夏、秋、冬四季典型晴天的尾巨桉單木日均蒸騰耗水量分別為1.58、1.61、1.23、0.84 mm,其差異表現在早晨液流提速時刻、中午液流峰值到達時刻、傍晚液流低速時刻和白天液流持續時間。在尾巨桉種植密度為83株/畝的情況下,單位土地面積的尾巨桉單木全年蒸騰耗水量約為349 mm,約占當年降水量的27%。

2.1.2 尾巨桉林分蒸散耗水量

彭曼模型估算結果顯示,中齡尾巨桉人工林的日均林分蒸散耗水量3.5 mm,季節平均蒸散耗水量289 mm (其中夏季蒸散耗水量445 mm、冬季蒸散耗水量117 mm),全年蒸散耗水量占當年降水量的82%。同時,全年的每日土壤相對含水量處于適宜或偏濕狀態,土壤水分不是中齡尾巨桉人工林蒸散耗水的限制因子。

2.1.3 尾巨桉人工林水分循環組成在中齡尾巨桉人工林葉面積指數約為1.82的背景下,林分水量平衡分量特征表現為降水輸入再次分配的林冠截留量約占22%,穿透水量約占77%,樹干莖流量約占1%;水分輸出分量特征表現為林冠截留蒸發量約占22%,林冠蒸騰量約占27%,林下蒸散量約占46%,土壤入滲和地表徑流約占5%。

2.1.4 尾巨桉活立木根系吸水來源

一代植苗尾巨桉根系吸水主要源于0-60 cm 土層,該層水分貢獻占82%,其中0-10 cm 土層的水分貢獻最大,占37%。二代萌芽尾巨桉根系吸水也主要源于0-60 cm 土層,該層水分貢獻占87%,根系對該土層的水分吸收較均勻。三代萌芽尾巨桉根系吸水主要源于0-80 cm 土層,該層水分貢獻占84%,根系對該土層的水分吸收較均勻。四代萌芽尾巨桉根系吸水主要源于0-40 cm 土層,該層水分貢獻占85%,其中0-20 cm 土層土壤水貢獻最大,占39%。綜上,尾巨桉人工林的根系吸水主要源于土層深度80 cm 以內的土壤水。

2.1.5 尾巨桉人工林地表水水質演變

定位觀測結果顯示,尾巨桉人工林地表水未出現“黑水”現象。尾巨桉人工林地表水的p H 值約為5.8。通過分析尾巨桉純林不同改培模式地表水的化學需氧量(COD)和五日生化需氧量(BOD5)(圖1)可知,尾巨桉純林和灰木蓮純林地表水的化學需氧量變化相似,二者平均值約為55 mg·L-1,最大值為120 mg·L-1;伐桉跡地丟荒地表水的化學需氧量最小,平均值僅為35 mg·L-1;尾巨桉與灰木蓮3種方式混交林地表水的化學需氧量均比尾巨桉純林的略高,總體平均值小于130 mg·L-1。由五日生化需氧量變化規律可知,尾巨桉純林及其不同改培模式林分地表水的五日生化需氧量在5月份時最高,其波動范圍為40至100 mg·L-1,高于其他月份(＜60 mg·L-1)。尾巨桉純林及其不同改培模式林分地表水的p H 值、化學需氧量、五日生化需氧量3 項指標均達《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)規定的限定值。

圖1 尾巨桉純林及其不同改培模式地表水的化學需氧量和五日生化需氧量Fig.1 Surface water COD and BOD5 of different forest types shifting from E.urophylla×E.grandis

2.2 尾巨桉純林、混交林的土壤性質變化特征

2.2.1 尾巨桉植苗純林凋落物量及分解養分歸還特征

通過對5年生、7年生、9年生3個成熟期的尾巨桉植苗純林凋落物量及其養分含量連續12次的月度監測,發現葉片是凋落物的主要成分,占凋落物總量的47%-54%。明確凋落物養分歸還以氮元素為主,歸還量55.48-58.13 kg·hm-2;其次為鉀元素,歸還量16.48-20.37 kg·hm-2;磷元素的歸還量最小,僅2.61-3.66 kg·hm-2。

2.2.2 尾巨桉三代萌芽純林改培混交林的土壤化學性質特征

由表1可知,尾巨桉純林、尾巨桉采伐跡地丟荒、尾巨桉+灰木蓮株間混交林、灰木蓮純林4種林分的土壤化學性質差異顯著。與尾巨桉采伐跡地丟荒比較,尾巨桉純林土壤的有機質及各養分元素含量顯著下降,然而,改培的尾巨桉+灰木蓮株間混交林的土壤化學性質有顯著改善,且混交林的土壤有機質、全氮、速效氮含量顯著提高。值得注意的是盡管尾巨桉+灰木蓮株間混交林的速效鉀、有效鎂含量(39.47、7.96 mg·kg-1)顯著高于尾巨桉純林,但是均顯著低于尾巨桉采伐跡地丟荒和灰木蓮純林。同時,尾巨桉采伐跡地丟荒和灰木蓮純林的土壤p H 值顯著提升,土壤酸度降低。

表1 尾巨桉純林不同改培模式林分的土壤化學性質Table 1 Soil chemical property of different types shifting from E.urophylla×E.grandis

2.2.3 尾巨桉三代萌芽純林改培混交林的土壤物理性質特征

由圖2可知,尾巨桉純林、尾巨桉采伐跡地丟荒、尾巨桉+灰木蓮株間混交林、灰木蓮純林4種林分的土壤容重差異不顯著,總體表現為尾巨桉純林＞尾巨桉采伐跡地丟荒＞尾巨桉+灰木蓮株間混交林＞灰木蓮純林,多重比較顯示尾巨桉純林與灰木蓮純林呈極顯著差異。不同林分的土壤質量含水量呈顯著差異,其中尾巨桉+灰木蓮株間混交林的最高,尾巨桉純林的最低。不同林分之間的土壤最大持水量表現為顯著差異,其中灰木蓮純林的最大,其極顯著高于尾巨桉純林,而灰木蓮純林與尾巨桉+灰木蓮株間混交林、采伐跡地丟荒之間的差異不顯著。4種林分之間的土壤毛管持水量和最小持水量變化規律一致,總體差異不顯著,從大到小順序依次為尾巨桉+灰木蓮株間混交林＞灰木蓮純林＞尾巨桉采伐跡地丟荒＞尾巨桉純林。

圖2 尾巨桉純林不同改培模式林分的土壤物理性質Fig.2 Soil physical properties of different types shifting from E.urophylla×E.grandis

2.2.4 尾巨桉三代萌芽純林改培混交林的土壤微生物群落結構特征

尾巨桉純林改培為混交林后,土壤細菌、真菌的群落結構發生顯著變化?；夷旧徏兞?、尾巨桉采伐跡地丟荒2種林分的土壤細菌群落多樣性和豐富度均顯著高于尾巨桉+灰木蓮株間混交林和尾巨桉純林;尾巨桉純林、灰木蓮純林、尾巨桉采伐跡地丟荒、尾巨桉+灰木蓮株間混交林4種林分之間的土壤真菌群落多樣性差異不顯著,但真菌豐富度表現為灰木蓮純林＞尾巨桉采伐跡地丟荒＞尾巨桉+灰木蓮株間混交林＞尾巨桉純林。

2.3 尾巨桉人工林植物物種多樣性特征

2.3.1 尾巨桉人工林的林下植物物種情況

通過樣方調查發現,60個樣方共記錄2 482株植物,隸屬58科101屬142種(被子植物127種、蕨類植物13種、裸子植物2種)。其中,禾本科(Poaceae)植物最多,有9屬11種;其次為菊科(Asteraceae)植物,有7 屬8 種;茜草科(Rubiaceae)植物有5 科7屬。單科單種有28 科28 屬,占調查樣方總科數的48.28%,包括閉鞘姜科(Costaceae)、番荔枝科(Annonaceae)、鉤吻科(Gelsemiaceae)、夾竹桃科(Apocynaceae)、金絲桃科(Hypericaceae)等。101 屬中有38屬為單種屬,占調查樣方總屬數的37.62%。此外,通過廣泛調查收集廣西桉樹林下植物物種組成發現,廣西桉樹林中有維管植物120 科369 屬584 種(其中被子植物101科337屬529種,蕨類植物15科28屬49種,裸子植物4科4屬6種),分別占廣西維管植物科、屬、種總數的38.83%、18.35%、6.37%。桉樹林中植物以灌木(201種)為主,其次為草本(186種)和喬木(106種),藤本(91種)最少。從區系成分看,科包括8個分布區正型,7個變型,屬包括14個分布區正型,15個變型,科、屬的R/T 值(熱帶成分/溫帶成分)分別為3.20和5.37。

2.3.2 尾巨桉人工林的林下植物物種多樣性變化特征

尾巨桉人工林的林下灌木層物種α多樣性隨林齡變化的規律與草本層的相反,其中灌木層物種α多樣性整體上隨林齡增長而增加,當尾巨桉人工林為7-9年生時,灌木層物種α多樣性最大,表明7-9年生的尾巨桉人工林林下灌木層物種分布較均勻;草本層物種α多樣性整體上隨林齡增長而降低,當尾巨桉人工林為7-9年生時,草本層物種α多樣性最小,表明草本層物種豐富度隨林齡增長而降低,尾巨桉人工林4-6年生時的草本層物種分布較為均勻。不同林齡尾巨桉人工林的林下草本層彼此之間的相似系數隨林齡增長而升高。廣西尾巨桉人工林的林下植物群落具有明顯的垂直地帶性,其中海拔、土壤全鉀是影響其分布的主要因子,其次尾巨桉林分的郁閉度很大程度上也影響著林下植物的分布。

2.4 桉樹人工林的固碳能力

根據第九次(2018年)全國森林資源清查結果顯示,廣西桉樹人工林面積256萬公頃,其中以幼齡桉樹人工林的面積最大,占45.23%;以中齡桉樹人工林的蓄積量最大,占總蓄積量1.09 億立方米的50.48%?；谀蠈庤駱湟巴庹?柳州站點)于2018-2020年連續3年觀測鹿寨區域的中齡尾巨桉人工林林冠與大氣界面CO2凈交換量(NEE)表明,尾巨桉人工林白天為碳匯,夜間為碳源,夏季和秋季吸收固定CO2的能力最強,該區域中齡尾巨桉人工林平均每日凈固定CO2約為11.0 g·m-2,轉化為每年凈固定碳約為10.9 t·hm-2。

3 討論

3.1 桉樹人工林蒸騰耗水特征

通過表2列舉的幾個主要造林樹種的單木蒸騰耗水量發現,4年生尾巨桉在濕季的蒸騰耗水量僅為2.0 L·d-1,比毛白楊的還少;5年生和6年生的尾巨桉在濕季的蒸騰耗水量為8.0-10.2 L·d-1,少于濕加松、柳杉等樹種;10年生尾葉桉和11年生粗皮桉的蒸騰耗水量也小于馬尾松、木荷、錐栗等樹種,由此說明桉樹人工林的蒸騰耗水量并未顯著高于其他樹種。

3.2 尾巨桉人工林對水質的影響

根據分析結果,尾巨桉純林及其不同改培模式林分地表水的p H 值、化學需氧量、五日生化需氧量3項指標均達《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)規定的限定值。同時,2022年7月18日,中華人民共和國生態環境部發布的2022 年第二季度(4-6月)和1-6月全國地表水環境質量狀況顯示,在1-6月全國地級及以上城市中,排前10名的城市依次是柳州市、黔東南苗族侗族自治州、桂林市、崇左市、麗水市、嘉峪關市、河池市、梧州市、衢州市、百色市,其中第1名柳州市、第3名桂林市、第4名崇左市、第7名河池市、第8名梧州市和第10名百色市均屬于廣西,證實廣西具有優質的地表水資源。根據廣西桉樹人工林栽培區分布情況,地表水水質排名第1的柳州市、第4的崇左市、第7的河池市、第8的梧州市和第10的百色市均是廣西桉樹人工林的主栽區,這反映出當前桉樹人工林的經營方式未降低地表水水質,也驗證了通過延長桉樹主伐年齡,降低人為活動對桉樹人工林的干擾強度,同時引入鄉土樹種將桉樹純林改培為混交林等科學經營措施可以提升桉樹人工林的生態功能,更好發揮桉樹林的生態效益。

3.3 尾巨桉人工林對土壤理化性質的影響

3個年齡序列成熟期尾巨桉人工林凋落物量及其養分含量的12次連續監測結果顯示,凋落物以氮元素歸還為主,凋落物養分歸還總量隨林齡增長而逐漸增加,建議適當延長尾巨桉人工林的培育周期有利于凋落物分解養分還土。通過將尾巨桉三代萌芽純林改培為尾巨桉與灰木蓮混交林,其土壤的物理性質、化學性質和微生物群落結構均得到顯著改善,與Li等[26]的研究結果一致。

3.4 尾巨桉人工林的林下植物物種多樣性變化規律

廣泛調查廣西尾巨桉人工林的林下植物物種組成發現,維管植物有120科369屬584種,其中以灌木為主,達到201種;其次為草本植物,有186種;喬木106種;藤本植物最少,僅有91種。任世奇等[27]也通過植物樣方調查和相關文獻資料發現,桉樹人工林林下植物有190種,其中木本植物32科67屬103種,藤本植物16科23屬26種,草本植物22科53屬61種。與此同時,對60 個調查樣方的研究分析發現,桉樹人工林的林下灌木層物種多樣性整體隨林齡增長而增加,其中在7-9年生的桉樹林下的灌木植物多樣性最豐富;草本層物種多樣性整體隨林齡增長而降低,其中在7-9年生的桉樹林下的草本植物多樣性最低。通過比較桉樹人工林與其他樹種的林下植物多樣性(表3)發現,成熟桉樹人工林的林下植物物種豐富度并不低,且總體上灌木多樣性比草本多樣性高。

3.5 桉樹人工林的固碳功能特征

我國主要造林樹種的碳匯能力年均約2.2 t·hm-2(圖3),而桉樹人工林每年每公頃可吸收固定碳約4.0 t[33],其碳匯能力遠大于其他主要造林樹種。對鹿寨縣黃冕鄉的中齡尾巨桉人工林固碳效率的評估結果為10.9 t·hm-2·a-1,因此,應挖掘桉樹人工林碳匯潛力,以更大程度地發揮桉樹人工林的固碳釋氧功能,為國家實施雙碳戰略應對CO2減排,實現2060年碳中和目標發揮重要作用。

圖3 我國主要造林樹種的碳匯能力Fig.3 Carbon sink capacity of chief tree species in our country

4 結論

針對桉樹生長的水分消耗,桉樹林對地表水水質的影響,桉樹林地土壤理化性質、土壤酶活性、微生物群落結構,桉樹林下植物物種多樣性,以及桉樹的固碳增匯能力等方面內容開展了較系統的研究工作,總結出了階段性研究結論:(1)桉樹在生長過程中的單木蒸騰并未消耗大量水分;(2)桉樹未顯著降低地表水水質;(3)桉樹純林改培混交林可顯著提升林地的土壤質量;(4)桉樹林下植物物種多樣性豐富度隨林齡增長呈增加趨勢;(5)桉樹的碳匯功能強于我國其他主要造林樹種。上述結論揭示了桉樹種植對生態環境影響的客觀規律。目前,廣西年生產桉樹木材3 000萬立方米以上,年采伐量3 000萬立方米以上,廣西以占全國森林面積的1.4%生產了全國32%的木材,極大地緩解了我國木材的供需矛盾及木材資源供給不足壓力,2020年桉樹也被列入國家儲備林建設樹種名錄[34]。因此,建議從景觀尺度上,適當延長桉樹主伐年齡,新造林或萌芽林適當套種鄉土樹種形成同齡或異齡桉樹混交林,同時對林木兼施人工修枝,以此從定向培育關鍵技術措施上優化桉樹經營方案,既利用其速生豐產特性,又充分發揮其生態服務功能,實現桉樹的生產力與生態服務功能雙增效益,更好地為發展廣西林業萬億元綠色產業和建設國家儲備林核心基地服務。