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松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)是目前对我国松林危害最为严重的外来有害生物[1]。松材线虫入侵自1982年在江苏省南京市被首次发现以来,40年间在我国不断扩散蔓延,并在未来气候变暖情景下呈进一步向北、向西扩张趋势[2]。2021年全国共有19个省(自治区、直辖市)的742个县级行政区发生松材线虫病(Pine wilt disease),发生面积171.65万公顷,病死树数量1407.92万株[3]。松材线虫的入侵改变了森林的结构与稳定性,进而影响了森林提供各种生态系统服务功能的正常发挥[4-5]。
三峡地区是我国重要的水源涵养区,同时也是生态脆弱区。马尾松(Pinus massoniana Lamb.)是我国南方山地主要的造林树种之一,发挥着木材生产、水土保持、水源涵养等生态系统服务功能,也是三峡地区非常重要的防护林类型之一[6]。近年来,松材线虫病疫情在三峡地区持续扩散蔓延。以宜昌市为例,该病疫情经过15年发展已经扩展到12个县(市、区)疫区74个乡镇(街办、林场)522个村(居委会),松林受到不同程度危害[7]。马尾松林群落多样性下降和稳定性降低[8-9],水土保持和水源涵养等功能受到影响,甚至威胁三峡地区生态环境和长江水质安全。林分内枯落物层和土壤层的持水能力是森林水源涵养功能研究重点[10],主要体现在拦蓄降水、净化水质和削减洪峰等方面[11]。目前,已有研究分析了松材线虫入侵对三峡地区马尾松林的生物多样性、土壤养分维持等生态系统功能的影响[12-14],而有关松材线虫入侵对三峡地区马尾松林枯落物层和土壤层水源涵养能力影响的研究尚未见报道。此外,依据群落演替理论和生态位补偿假说,森林群落恢复将会缓解和改善松材线虫入侵带来的危害[15],但松材线虫入侵对马尾松林生态系统服务功能的影响及其长期效应还不甚清楚,这不利于科学制定相应的防控措施和林分恢复管理策略。
本研究通过空间替代时间的方法,以湖北三峡地区不同入侵年限(未入侵(0年)、入侵6年、入侵10年和入侵16年)的马尾松林为对象,采用室内浸泡法测定林下枯落物的有效拦蓄量和最大持水量,利用环刀法测定林下土壤层的有效蓄水量、毛管持水量和饱和蓄水量,并使用枯落物有效拦蓄量和土壤有效蓄水量来估算林分综合蓄水量,量化马尾松林枯落物层和土壤层的水源涵养能力,比较其在松材线虫入侵不同年限间的差异,揭示松材线虫入侵对湖北三峡地区马尾松林枯落物层和土壤层水源涵养能力的影响。为松材线虫入侵后的马尾松林生态系统服务功能的维持和恢复,是否需要采取人为干预措施以及干预程度提供理论依据。
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研究地点(表1)位于湖北省宜昌市,地处长江上游与中游的结合部,鄂西山区向江汉平原的过渡地带,共辖5个市辖区、3个县级市、3个县、2个自治县。气候类型为亚热带季风气候,四季分明,水热同季,寒旱同季。年均气温16.9 ℃,多年平均降水量1 215.6 mm,多集中在4—9月。土壤类型以黄壤、黄棕壤为主。森林资源丰富,生物种类多样。森林覆盖率(不含灌木林)达到55.3%,活立木蓄积量3 986万m3,地带性植被为常绿阔叶林。乔木树种主要有马尾松、槲栎(Quercus aliena Blume)、猴樟(Cinnamomum bodinieri H. Lév.)等,其中以马尾松为优势种。林下灌木主要有宜昌荚蒾(Viburnum erosum Thunb.)、木姜子(Litsea pungens Hemsl.)、中华绣线菊(Spiraea chinensis Maxim.)和檵木(Loropetalum chinense (R. Br.) Oliver)等,林下草本植物主要有鸡矢藤(Paederia foetida L.)、蕺菜(Houttuynia cordata Thunb.)等。
入侵年限
Invasion years/a海拔
Altitude/m坡度
Slope /(°)坡向
Aspect郁闭度
Canopy
density马尾松平均胸径
Pinus massoniana
average DBH/cm林龄
Age/a乔木密度
Tree density/
(plant·hm−2)主要防治措施
Main control
methods0 911 30 ES 0.80 25.48 ± 1.12 30~40 2592 ± 52 监测预警 6 302 30 WN 0.55 19.30 ± 1.16 30~40 1158 ± 176 疫木焚烧 + 无人机飞防 10 574 35 WN 0.85 16.79 ± 2.20 30~40 2992 ± 1175 疫木焚烧 16 387 40 WN 0.75 21.31 ± 2.25 30~40 2775 ± 739 疫木焚烧、无人机飞防 +
天敌防治注:本研究中入侵0年指未入侵,下同
Note: 0 years of invasion in this study means no invasion, the same as the full text. The same belowTable 1. Basic situation of sample sites
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松材线虫入侵不同年限间马尾松林枯落物厚度存在显著差异,其中,入侵6 a林分枯落物厚度未分解层厚度(F=12.722, P<0.01)、半-已分解层厚度(F=3.611, P=0.019)和总厚度(F=9.606, P<0.01)均显著小于其他林分(图1A)。枯落物总厚度由大到小依次为入侵0 a(5.34 cm)>入侵16 a(5.06 cm)>入侵10 a(5.03 cm)>入侵6 a(3.47 cm)。松材线虫入侵不同年限间枯落物未分解层蓄积量、半-已分解层蓄积量和总蓄积量均差异不显著(P>0.05, 图1B)。枯落物厚度在松材线虫入侵6 a达到最低值,可能是由于松材线虫侵染和人为干扰导致。蓄积量总体呈波动变化但差异不显著,表明松材线虫的入侵未使松林枯落物蓄积量受到严重干扰,且林分具有一定自我恢复能力。
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松材线虫入侵不同年限,4种马尾松林分未分解层、半-已分解层枯落物最大持水量和有效拦蓄量均差异不显著(P>0.05, 图2)。未分解层有效拦蓄量为3.43~6.65 t·hm−2;半-已分解层有效拦蓄量为5.24~8.11 t·hm−2(图2A)。未分解层最大持水量为4.12~8.03 t·hm−2;半-已分解层最大持水量为6.44~9.77 t·hm−2(图2B)。枯落物层持水能力与枯落物层蓄积量规律一致,即蓄积量越大,枯落物层持水能力越强。4种林分未分解层有效拦蓄量和最大持水量,随松材线虫入侵年限呈先下降后回升趋势。入侵16 a枯落物持水能力相对入侵10 a林分略有下降但高于入侵6 a林分和未入侵林分,可能是由于松材线虫持续危害导致。
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不同入侵年限不同层次马尾松林枯落物持水量,均随浸水时长增加而不断增加,枯落物未分解层和半-已分解层吸水量均在前1 h内增加最快,在1~12 h浸水时间内持水量缓慢增加,速率逐渐减缓,持水量呈对数型增长,24 h后达到饱和(图3)。半-已分解层持水量显著大于未分解层,但两者持水量排序不一致,未分解层持水量由大到小依次为入侵10 a>入侵16 a>未入侵林分>入侵6 a(图3A),半-已分解层持水量由大到小依次为入侵10 a>入侵6 a>未入侵>入侵16 a林分(图3B)。对不同入侵年限林分枯落物持水量与时间进行函数拟合,拟合关系式为:
$ \boldsymbol{Q}=\boldsymbol{a}\boldsymbol{l}\boldsymbol{n}\left(\boldsymbol{t}\right) + \boldsymbol{b} $ 。式中:Q为枯落物持水量/(t·hm−2),t为枯落物浸水时间/h,a为系数,b为常数项,拟合系数在0.83以上,表明拟合结果良好(表2)。4种林分枯落物未分解层和半-已分解层吸水速率均随浸水时间延长而不断减小,呈现反“J”型(图3)。在前1 h内速率最大,1 h后达到动态平衡,2 h后速率逐渐趋于0。半-已分解层吸水速率显著大于未分解层,未分解层吸水速率由大到小依次为入侵10 a>入侵16 a>入侵6 a>未入侵林分(图3C),半-已分解层吸水速率由大到小依次为入侵10 a>入侵6 a>未入侵>入侵16 a(图3D)。对不同入侵年限林分枯落物持水速率与时间进行函数拟合,拟合关系式为:$ {V}={k}{{t}}^{-{d}} $ 。式中:V为枯落物持水速率/(t·hm−2·h−1),t为枯落物浸水时间/h,k为系数,d为常数项,拟合系数在0.90以上,表明拟合结果良好(表2)。Figure 3. Water holding capacity (A, B) and water absorption rate (C, D) of litter of Masson pines in different invasion years by pinewood nematode
枯落物层
Litter layer入侵年限
Invasion years/a持水量与时间
Water holding capacity
and timeR2 持水速率与时间
Water absorption rate
and timeR2 未分解层
Undecomposed
layer0 Q =0.718 1×ln t + 2.1195 0.9472 V =4.479 7t−0.5569 0.9217 6 Q =0.488 2×ln t + 2.6524 0.9878 V =6.096 3t−0.6729 0.9348 10 Q =1.018 1×ln t + 4.9275 0.9892 V =10.833 8t−0.6283 0.9293 16 Q =0.824 3×ln t + 3.2425 0.9931 V =6.282 8t−0.5044 0.9341 半-已分解层
Semi-decomposed
layer0 Q =0.675 1×ln t + 5.2747 0.9412 V =11.575 8t−0.6229 0.9550 6 Q =0.596 1×ln t + 5.6325 0.8805 V =12.173 2t−0.6082 0.9613 10 Q =0.922 5×ln t + 7.3119 0.8572 V =14.366 0t−0.5289 0.9626 16 Q =0.561 0×ln t + 4.9041 0.8345 V =9.728 4t−0.5403 0.9620 Table 2. Relationship between water holding capacity, water absorption rate, and soaking time of litter
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松材线虫入侵不同年限间马尾松林土壤0~10 cm(F=4.528, P=0.007)、10~20 cm(F=8.303, P<0.01)土层含水量差异极显著,其中松材线虫入侵6年的马尾松林0~10 cm和10~20 cm土层土壤含水量(11.09%和8.89%)最小(表3)。不同入侵年限间土壤0~10 cm(F=7.28, P<0.01)、10~20 cm(F=6.254, P<0.01)土层土壤密度差异极显著,其中未入侵林分0~10 cm和10~20 cm土层土壤密度(1.41 g·cm−3和1.51 g·cm−3)最大,入侵10 a林分土壤密度(1.22 g·cm−3和1.33 g·cm−3)最小(表3)。不同入侵年限间马尾松林土壤0~10 cm(F=3.612, P=0.019)和10~20 cm(F=6.691, P<0.01)土层非毛管孔隙度之间存在极显著差异,0~10 cm和10~20 cm土层非毛管孔隙度由大到小均为入侵10 a>未入侵>入侵16 a>入侵6 a(表3)。不同入侵年限马尾松林0~10 cm和10~20 cm土层毛管孔隙度和总孔隙度均差异不显著(P>0.05)。各林分土壤含水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均值均随入侵年限增加均呈先降低后上升趋势,表现出感病初期土壤物理性质受松材线虫一定程度干扰,随着年限增长逐渐恢复。
入侵年限
Invasion
years土层
Soil
layer/cm含水量
Water
content/%土壤密度
Soil density/
(g·cm−3)非毛管孔隙度
Non-capillary
porosity/%毛管孔隙度
Capillary
porosity/%总孔隙度
Total soil
porosity/%0 0~10 16.80 ± 4.09 a 1.41 ± 0.15 a 9.62 ± 2.38 a 36.27 ± 4.7 a 46.12 ± 4.69 a 10~20 14.30 ± 2.87 a 1.51 ± 0.15 a 8.57 ± 2.12 ab 33.88 ± 3.04 a 42.61 ± 4.11 a 均值 15.55 1.46 9.10 35.08 44.37 6 0~10 11.09 ± 3.20 c 1.39 ± 0.08 a 6.21 ± 2.84 b 37.83 ± 3.3 a 44.26 ± 2.96 a 10~20 8.89 ± 2.92 c 1.50 ± 0.10 a 5.01 ± 2.63 c 33.35 ± 4.13 a 38.63 ± 2.69 b 均值 9.99 1.45 5.61 35.59 41.45 10 0~10 14.54 ± 6.05 ab 1.22 ± 0.19 b 10.03 ± 3.65 a 33.34 ± 9.15 a 43.44 ± 7.00 a 10~20 12.51 ± 4.58 ab 1.33 ± 0.14 b 10.46 ± 2.68 a 35.00 ± 5.65 a 45.44 ± 4.31 a 均值 13.53 1.28 10.25 34.17 44.44 16 0~10 13.10 ± 3.70 bc 1.32 ± 0.11 a 9.18 ± 2.02 a 35.89 ± 3.45 a 45.41 ± 4.38 a 10~20 10.24 ± 1.98 bc 1.44 ± 0.09 a 8.06 ± 2.86 b 35.09 ± 2.88 a 43.15 ± 4.12 a 均值 11.67 1.38 8.62 35.49 44.28 注:表中数据为平均值 ± 标准偏差;同列数据同土层不同小写字母表示松材线虫入侵不同年限间差异显著(P<0.05)。下同
Notes: The data in the table are mean ± SD; Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between different invasion years by pinewood nematode (P<0.05). The same belowTable 3. Soil physical properties of Masson pines in different invasion years by pinewood nematode
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松材线虫入侵不同年限间马尾松林0~10 cm(F=3.612, P=0.019)和10~20 cm(F=6.691, P<0.01)土层土壤有效蓄水量存在极显著差异,均以入侵10 a土壤有效蓄水量最大(100.33 t·hm−2和104.62 t·hm−2),入侵6 a土壤有效蓄水量最小(62.08 t·hm−2和50.08 t·hm−2,表4)。土壤各土层毛管持水量与0~10 cm土层饱和蓄水量差异不显著(P>0.05),但10~20 cm土层饱和蓄水量存在极显著差异(F=8.063, P<0.01),入侵6 a林分饱和蓄水量(386.27 t·hm−2)显著小于其余林分(表4)。4种林分土壤有效蓄水量与饱和蓄水量总和均在入侵初期与未入侵相比呈下降趋势,随入侵年限增加逐渐上升,表明土壤储水能力提升。
入侵年限
Invasion years土层厚度
Soil layer/cm有效蓄水量
Effective water-holding
capacity/(t·hm−2)毛管持水量
Capillary water
capacity/(t·hm−2)饱和蓄水量
Maximum water-holding
capacity/(t·hm−2)0 0~10 96.23 ± 23.79 a 362.73 ± 47.22 a 461.20 ± 46.94 a 10~20 85.69 ± 21.21 ab 338.80 ± 30.38 a 426.07 ± 41.13 a 总和 181.92 701.53 887.27 6 0~10 62.08 ± 28.35 b 378.33 ± 32.98 a 442.60 ± 29.58 a 10~20 50.08 ± 26.34 c 333.53 ± 41.30 a 386.27 ± 26.92 b 总和 112.16 711.86 828.87 10 0~10 100.33 ± 36.49 a 333.42 ± 91.55 a 434.42 ± 70.02 a 10~20 104.62 ± 26.81 a 350.03 ± 56.53 a 454.36 ± 43.06 a 总和 204.95 683.45 888.78 16 0~10 91.85 ± 20.18 a 358.93 ± 34.52 a 454.13 ± 70.02 a 10~20 80.62 ± 28.58 b 350.86 ± 28.83 a 431.53 ± 41.18 a 总和 172.47 709.79 885.66 Table 4. Soil water holding capacity of Masson pines in different invasion years by pine wood nematode
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计算不同入侵年限枯落物层有效拦蓄量和土壤层有效蓄水量之和,定量比较4种林分类型马尾松林枯落物层和土壤层水源涵养能力。结果显示,松材线虫入侵不同年限间马尾松林枯落物层有效拦蓄量为9.71~14.77 t·hm−2,松材线虫入侵不同年限间马尾松林土壤层有效蓄水量占比先下降后上升(表5)。入侵6 a马尾松林枯落物层和土壤层的综合蓄水量明显低于其余3种林分,表明入侵6年林分马尾松林下水源涵养能力最差,入侵10 a和16 a马尾松林综合蓄水量明显回升,表明马尾松林下水源涵养能力逐渐恢复。
入侵年限
Invasion years枯落物层有效拦蓄量
Effective retention capacity of litter layer/(t·hm−2)土壤层有效蓄水量
Effective water-holding capacity of soil layer/(t·hm−2)合计
Total water-holding capacity/(t·hm−2)0 9.93 (5.18) 181.92 (94.82) 191.85 6 9.71 (7.97) 112.15 (92.03) 121.86 10 14.77 (6.72) 204.95 (93.28) 219.72 16 10.18 (5.57) 172.46 (94.43) 182.64 注:括号中数据为占总的综合蓄水量百分比/%
Note: Data in parentheses are percentages of comprehensive water-holding capacity/%Table 5. Comprehensive water-holding capacity of Masson pines in different invasion years by pinewood nematode
Impacts of Pinewood Nematode Invasion on the Water Conservation Capacity of Pinus massoniana Forests in the Three Gorges Area of Hubei Province
- Received Date: 2023-03-19
- Accepted Date: 2023-04-12
- Available Online: 2024-02-20
Abstract: