間伐對(duì)杉木林林下地被物生物量及土壤理化性質(zhì)的影響

趙朝輝 ，方 晰 ，2，田大倫 ，2，項(xiàng)文化 ，2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生態(tài)研究室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

間伐對(duì)杉木林林下地被物生物量及土壤理化性質(zhì)的影響

趙朝輝1，方 晰1，2，田大倫1，2，項(xiàng)文化1，2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生態(tài)研究室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

利用定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了間伐對(duì)湖南省會(huì)同杉木人工林林下地被物生物量、土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：按50%強(qiáng)度間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對(duì)照區(qū)分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達(dá)224.77%，林下死地被物增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%；與對(duì)照區(qū)相比，林地各層土壤溫度提高了3.16%以上，土壤層（40～100 cm）除容重下降了2.44%外，土壤質(zhì)量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，土壤層（0～45 cm）有機(jī)質(zhì)、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，而pH值和P、K、Mg含量分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%。表明間伐不僅增加了林下植物種類和生物量，而且提高了林地土壤溫度，加速了死地被物的分解，改善了土壤理化性質(zhì)，提高了土壤肥力。

間伐；杉木林；林下地被物；生物量；土壤理化性質(zhì)；湖南會(huì)同

杉木Cunninghamia lanceolata林是我國(guó)南方特有的優(yōu)質(zhì)速生用材林樹種，具有繁殖容易、生物產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，木材廣泛用于建筑、家具、造船等方面，在我國(guó)林業(yè)建設(shè)中具有重要的地位。據(jù)2009年中國(guó)第7次森林資源清查報(bào)道，中國(guó)杉木林栽培面積已達(dá)1.13×107hm2，蓄積量達(dá)7.34×108m3[1]，緩解了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)木材需求增長(zhǎng)的壓力和支持了天然林保護(hù)等重大生態(tài)工程的實(shí)施，而且在森林固碳方面發(fā)揮著重要作用。然而有研究表明，杉木長(zhǎng)期生長(zhǎng)或連栽引起林地土壤理化性質(zhì)、生化特性變劣，土壤肥力下降[2-5]，土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化[6]。因此在維持杉木林高生產(chǎn)力的同時(shí)，如何維護(hù)和提高杉木林的地力已成為當(dāng)今眾多林學(xué)家、生態(tài)學(xué)家所致力研究的課題。林分郁閉前，林木個(gè)體處于孤立狀態(tài)，個(gè)體間關(guān)系很不密切。隨著林分年齡的增長(zhǎng)，郁閉度增大，林木樹冠生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，林內(nèi)形成陰、濕、冷環(huán)境，土壤生物活性下降，凋落物難以分解，養(yǎng)分歸還速度緩慢，導(dǎo)致吸收量與歸還量之間的不平衡，引起土壤養(yǎng)分虧缺，呈現(xiàn)林木平均冠幅和平均胸徑隨密度的增加而遞減的趨勢(shì)，林木個(gè)體間的矛盾激化，林分開始自然稀疏，林下植被稀少，此時(shí)如能及時(shí)撫育間伐，調(diào)整林分密度，不僅促進(jìn)林木的生長(zhǎng)，而且改善林地內(nèi)光照、空氣溫濕度以及林地土壤溫度，誘導(dǎo)林下鄉(xiāng)土植被的生長(zhǎng)和繁衍，提高林分的物種多樣性，進(jìn)而改變林地凋落物的組成和數(shù)量，提高凋落物分解速率，增加養(yǎng)分歸還量，調(diào)節(jié)杉木林凋落物分解與積累的矛盾，對(duì)維持林地肥力平衡和提高林地生產(chǎn)力具有積極的意義[7]。還有研究表明，間伐后林下植被種類與覆蓋度的增加有利于土壤毒素的降解[8]。但迄今為止，有關(guān)間伐與杉木林地土壤肥力關(guān)系的研究報(bào)道仍較少。本研究利用國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站——湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站長(zhǎng)期定位觀測(cè)的數(shù)據(jù)，在空間立地條件一致、時(shí)間連續(xù)情況下，定量比較研究間伐對(duì)杉木林林下地被物和土壤理化性質(zhì)的影響，揭示撫育間伐與杉木林地土壤肥力維持的關(guān)系，旨在為杉木林地力的維持提供一些理論與實(shí)踐的依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)于國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站、國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站——中南林業(yè)科技大學(xué)湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站。地處于 26°50′N，109°45′E，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)性氣候，年平均溫度為16.8℃，年降水量在1 100～1 400 mm之間，年平均相對(duì)濕度為80%以上。海拔高度300～500 m之間，相對(duì)高度為150 m以下，為低山丘陵地貌。地層古老，土壤系震旦紀(jì)板溪系灰綠色板巖發(fā)育的山地黃壤，非常適合杉木的生長(zhǎng)。站內(nèi)設(shè)有面積為2 hm2試驗(yàn)集水區(qū)8個(gè)，平均坡度為25°，8個(gè)集水區(qū)相互平行且自然地理狀況基本相似，彼此相距不超過100 m。

本研究在Ⅱ、Ⅶ號(hào)集水區(qū)內(nèi)進(jìn)行，Ⅱ、Ⅶ號(hào)集水區(qū)特征如表1所示。2個(gè)集水區(qū)均為1966年?duì)I造的杉木人工林，造林密度為2 500～3 000株/hm2。在1987年冬季對(duì)Ⅶ號(hào)集水區(qū)杉木人工林按50%的間伐強(qiáng)度進(jìn)行間伐，Ⅱ號(hào)集水區(qū)杉木人工林作為對(duì)照地。

表1 Ⅱ、Ⅶ號(hào)集水區(qū)特征Table 1 Characteristics of Ⅱ, Ⅶ watersheds

2 研究方法

2.1 林下地被物層生物量的測(cè)定

本研究采用杉木林生態(tài)系統(tǒng)定位研究的方法，1992年10月在Ⅱ、Ⅶ號(hào)集水區(qū)的每一固定樣地（每一集水區(qū)各5塊面積均為667m2）內(nèi)，均按梅花形分別設(shè)置1 m×1 m的小樣方5個(gè)，測(cè)定林下地被物層的生物量，記載每個(gè)小樣方中的植物種類，灌木分為葉、莖、根，草本植物分為地上部分和地下部分，采用全挖法實(shí)測(cè)其鮮質(zhì)量，取同類植物相同器官的混合樣本烘干至恒質(zhì)量，估算干物質(zhì)質(zhì)量，同時(shí)用作分析樣品。死地被物層全部測(cè)定生物量，取混合樣品，烘干測(cè)定含水量再估算干物質(zhì)質(zhì)量，同時(shí)用作分析樣品。

2.2 林地土壤溫度的測(cè)定

用曲管地溫表在對(duì)照區(qū)（Ⅱ號(hào)集水區(qū)）、間伐區(qū)（Ⅶ號(hào)集水區(qū)）的山坡、山麓定點(diǎn)測(cè)定0、5、10、15、20 cm處地溫，分別以山坡、山麓同一土層平均值作為對(duì)照區(qū)（Ⅱ號(hào)集水區(qū)）、間伐區(qū)（Ⅶ號(hào)集水區(qū)）土壤溫度最終結(jié)果。

2.3 土壤樣品采集與分析方法

于1990年6月至1992年5月，每隔10 d（即每月10、20、30日）分別在各集水區(qū)內(nèi)的固定樣地內(nèi)按0～20 、20～40、40～100 cm采集3個(gè)點(diǎn)土壤樣品，采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量、環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度[9]。

式中：W1為土壤容積含水量(%)；C1為土壤質(zhì)量含水量(%)；m1為土壤容重(g·cm-3)；W2為土壤貯水量(mm)；d為土層厚度(cm)；Pt為土壤總孔隙度(%)；P為土壤非毛管孔隙度(%)；Pc為毛管孔隙度(%)。

測(cè)定林分生物量的同時(shí)，在每一個(gè)固定樣地內(nèi)均按0～15、15～30、30～45 cm分層隨機(jī)采集3～4點(diǎn)土壤樣品，同一固定樣地同一土層混合成1個(gè)分析樣品，每土層10個(gè)樣品，共采集30個(gè)土壤分析樣品。

土壤pH值用SJ-4A型pH計(jì)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀—水合加熱法測(cè)定，全N含量用半微量凱氏法測(cè)定，全P含量用堿熔—鉬銻抗比色法測(cè)定，全K含量用堿熔—火焰光度法測(cè)定，Сa、Mg、Сu、Fe、Zn、Mn、Сd、Ni、Pb 及 Сo含量（全量）用碳酸鈉堿熔—鹽酸提取后，采用Hp3510原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用EXСEL、SPSS13.0軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐后林下植被種類及其生物量的變化

測(cè)定結(jié)果（如表2所示）表明，間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對(duì)照區(qū)分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達(dá)224.77%，其中灌木層植物分別增加了6種和3 184.28 kg·hm-2，生物量變化率為273.50%，草本植物盡管在種類上有所減少，但其生物量卻增加了95.88 kg·hm-2，生物量變化率為32.49%?？梢?，撫育間伐降低了林分郁閉度，改善了林下的空間環(huán)境，從而誘導(dǎo)了林下鄉(xiāng)土灌木植物的生長(zhǎng)和繁衍，不僅豐富和提高了杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性，改變了凋落物的組成，進(jìn)而加快有機(jī)物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的歸還，而且也促進(jìn)了目的栽培樹種的生長(zhǎng)，間伐5 a后，杉木林平均樹高和胸徑比對(duì)照區(qū)分別提高了1.8 m和3.1 cm（見表2），單株生物產(chǎn)量比對(duì)照區(qū)提高了64.07%[10]。

表2 間伐后林下灌木植物、層外植物組成及其生物量Table 2 Compositions and biomass of under storey vegetation after thinning

3.2 撫育間伐后死地被物組分及其生物量的變化

從表3可以看出，間伐5 a后，林下死地被物比對(duì)照區(qū)增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%，其中未分解部分增加了83.61%，已分解部分增加了295.69%，而半分解部分卻下降了3.00%。從凋落物的組成來看，已分解部分百分率明顯提高，由對(duì)照區(qū)的24.58%增至50.44%，而半分解部分由對(duì)照區(qū)的49.58%下降為24.95%，未分解部分所占比例也略有所下降。表明間伐后，隨著林下植物種類和生物量的增加，改變了林地死地被物的組成和數(shù)量，加快凋落物分解速率，增加養(yǎng)分歸還量，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成，調(diào)節(jié)了杉木林凋落物分解與積累的矛盾，達(dá)到維持地力平衡和提高林地生產(chǎn)力，從而促進(jìn)保留林木快速生長(zhǎng)。

表3 間伐后林下死地被物生物量?Table 3 Biomass of litters after thinning

3.3 撫育間伐后林地土壤溫度的變化

土壤熱性質(zhì)及其溫度深刻地影響土壤水分及其它物質(zhì)的運(yùn)輸，進(jìn)而影響土壤微生物的生存和功能及各種生理生化反應(yīng)的速率，從而直接或間接地決定著林木生產(chǎn)力。間伐后，林分郁閉度下降，到達(dá)林地的凈輻射增加，土壤溫度及其分布規(guī)律將發(fā)生相應(yīng)的變化，5 a定位觀測(cè)的結(jié)果如表4所示。

表4 間伐后林地土壤年平均溫度的變化Table 4 Changes of mean annual temperature in forest soil after thinning ℃

從表4可以看出，間伐1 a后，林地各層土壤溫度均比對(duì)照區(qū)高出4.2℃以上，提高了27.27%以上，間伐2～5 a后，林地各層土壤溫度均比對(duì)照區(qū)高出0.5℃以上，提高了3.16%以上，尤其是土壤表層溫度和5 cm土層溫度變化幅度更為明顯；間伐1 a后，土壤表層溫度和5 cm土層溫度分別比對(duì)照區(qū)提高了45.45%和30.26%，間伐2～5 a后，提高了4.26%～8.28%?？梢?，間伐后，土壤溫度有了明顯的提高，改變了杉木林地陰、濕、冷的環(huán)境，可誘發(fā)地下部分微生物多樣性和微生物量的增加，促進(jìn)林地凋落物和土壤有機(jī)物質(zhì)的分解。據(jù)報(bào)道，間伐后2 a的杉木、馬尾松、建柏、柳杉、木荷林分下土壤0～10 cm土層土壤微生物總量分別是不間伐林分的1.68、1.86、2.01、1.61、2.19倍，10～20 cm土層間伐分別是不間伐的1.37、1.26、1.16、1.14、1.11倍[8]。在春季，強(qiáng)度間伐后的林分，林木生長(zhǎng)活動(dòng)要比未經(jīng)間伐的地段提早15 d開始，中度的也要提早9 d[7]。

3.4 撫育間伐后林地土壤物理性質(zhì)的變化

土壤物理性質(zhì)是衡量林地質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)土壤的蓄水保肥能力以及林木對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用有重要影響。間伐后，由于林下植被量的增加引起土壤中根系相應(yīng)增多，且由于林下草灌根系主要集中在土壤表土層0～10 cm內(nèi)，因此林下土壤表土層0～10 cm容重降低，孔隙度增大[8]。測(cè)定結(jié)果（見表5）表明，間伐5 a后，盡管林下植被生物量的增加，但林地土壤層（0～20 cm）的容重、最大持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度仍低于對(duì)照地1.10%、1.71%、18.36%和0.64%。這可能是間伐過程中各種人為因素造成表層土壤結(jié)構(gòu)趨于緊密，但在林地土壤層（40～100 cm）中，除了最大持水量、非毛管孔隙度仍低于對(duì)照地0.27%、15.85%外，林地土壤層（40～100 cm）的容重下降了2.44%，土壤質(zhì)量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度比對(duì)照林地分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，表明間伐后林地土壤層（40～100 cm）的物理性質(zhì)得到了明顯改善，提高了土壤保水保肥能力，改善了土壤通氣狀況，有助于土壤生物化學(xué)活性的提高。

表5 間伐后林地土壤物理性質(zhì)的變化Table 5 Changes of physical property in forest soil after thinning

3.5 撫育間伐后林地土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

從表6可以看出，間伐5 a后，在林地土壤層（0～45 cm）中，有機(jī)質(zhì)、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，pH值、P、K、Mg元素含量比對(duì)照區(qū)分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%，表明間伐后，改善了林地內(nèi)光、水、熱條件，促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，加速了死地被物的分解，增加了土壤的礦化作用，從而使土壤酸性下降，提高了P、K、Mg元素的含量。另一方面，由于間伐后，林下植物種類和數(shù)量明顯增加，吸收更多的土壤養(yǎng)分，杉木林林下植物對(duì)N、Сa的富集能力最強(qiáng)，需求量最高，而對(duì)K元素的富集能力最弱[11]，導(dǎo)致土壤中N、Сa含量明顯下降，土壤中K含量最高，間伐后變化最小。研究表明，間伐后杉木（8年生）、馬尾松（11年生）、建柏（9年生）、柳杉（10年生）、木荷（13年生）5種人工林土壤有機(jī)物質(zhì)的分解速率得到較大幅度的提高[8]?？梢姡g伐后林地有機(jī)質(zhì)分解加快，促進(jìn)養(yǎng)分的歸還，有利于保持和提高土壤肥力。

表6 間伐后林地土壤養(yǎng)分含量的變化Table 6 Changes of nutrient content in forest soil after thinning

由表7可以看出，間伐5 a后，林地土壤微量元素及重金屬元素含量也有不同程度的變化，但總體上變化不明顯。其中，Zn 的含量變化程度最大，比對(duì)照地下降了60.03%，其次是Mn，比對(duì)照地提高了59.23%，而Fe的含量變化程度最小，僅比對(duì)照地下降了2.13%。除Zn、Fe的含量下降外，其它元素含量均有有不同程度的提高。這可能是由于間伐后采伐剩余物的分解以及林下植物對(duì)各種微量元素的需求量小和對(duì)不同元素富集能力不同所造成的。研究表明，杉木林林下灌木、草本植物對(duì)土壤中Fe富集能力最弱[11]。

表7 間伐后林地土壤微量元素和重金屬含量Table 7 Content of trace elements and heavy metal in forest soil after thinning mg·kg-1

4 結(jié) 論

湖南會(huì)同杉木林按50%間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對(duì)照區(qū)分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達(dá)224.77%；林下死地被物增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%，其中未分解部分增加了83.61%，已分解部分增加了295.69%，而半分解部分卻下降了3.00%。

間伐1 a后，林地各層土壤溫度均比對(duì)照區(qū)高出4.2℃以上，提高了27.27%以上，間伐2～5 a后，林地各層土壤溫度均比對(duì)照區(qū)高出0.5 ℃以上，提高了3.16%以上，其中土壤表層溫度和5 cm土層溫度變化較為明顯。

間伐5 a后，林地土壤層（40～100 cm）的容重下降了2.44%，土壤質(zhì)量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度比對(duì)照林地分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，在林地土壤層（0～45 cm）有機(jī)質(zhì)、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，pH值和P、K、Mg元素含量比對(duì)照區(qū)分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%。間伐改變了林內(nèi)小氣候，提高了林地光照、林地土壤溫度，促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，加速了死地被物的分解，改善了土壤理化性質(zhì)，從而提高了土壤肥力和促進(jìn)林分的生長(zhǎng)。

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Effects of thinning on biomass of under-story, soil physical and chemical properties in Cunninghamia lanceolata plantation

ZHAO Zhao-hui1, FANG Xi1,2, T?AN Da-lun1,2, X?ANG Wen-hua1,2
(1. Research Section of Ecology, Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina;2. State Key Laboratory of Ecological Applied Technology in Forest Area of South Сhina, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina)

Based on the data collected by located observation, the inf l uence of thinning on biomass of under-story, soil physical and chemical properties were investigated at the Сhinese fi r plantation in Huitong Ecological Station, Hu’nan Province. The results show that compared with a controlled plantation ecosystem, fi ve years after 50% thinning, the under-story species and biomass increased 6 species and 3280.16 kg·hm-2, respectively, and the change ratio of biomass increased up to 224.77%, the litter biomass increased 4380 kg·hm-2and the change ratio of biomass increased by 92.80%, the soil temperature increased more than 3.16% in different layers, the water content in percent of dry mass, water content in percent of bulk volume, moisture storage, capillary water holding capacity, minimum moisture holding capacity, capillary porosity, and total porosity respectively increased 4.22%, 6.77%, 9.95%, 4.20%, 2.40%, 6.38%,1.63% except that volume weight decreased 2.44% in soil layer (40～100 cm), pH value, P, K, Mg concentration respectively increased 3.25%, 46.23%, 0.03%, 0.72%, except that organic matter content, N and Сa concentration was decreased 3.21%, 7.73%, 47.74%respectively in soil layer (0～45 cm), when compared with the control forestland. Thinning not only increased biomass of under-story,but also raised forestland soil temperature and speeded up litter decomposition, improved soil physical and chemical properties and enhanced fertility of soil.

thinning; Сhinese fi r plantation; under-story; biomass; soil physical and chemical properties; Huitong county, Hunan province

2012-3-10

國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)（20080615）;國(guó)家科學(xué)技術(shù)部公益性項(xiàng)目(200707015);湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)(湘教通[2008]244號(hào))項(xiàng)目

趙朝輝(1981-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究;E-mail: superleonzz@163.com

方 晰(1968-)，女，廣西邕寧人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)學(xué)教學(xué)與科學(xué)研究工作；

E-mail:fangxizhang@sina.com

S714.2；S718.55+6

A

1673-923X (2012)05-0102-06

[本文編校：謝榮秀]