間伐對森林土壤影響的研究進(jìn)展

陳 雪，馬履一，賈忠奎

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

森林生態(tài)系統(tǒng)是在森林群落與其環(huán)境的作用下形成的具有一定結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控能力的自然綜合體，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，它在為人類提供木材及其副產(chǎn)品的同時(shí)，更為人類創(chuàng)造了一個(gè)良好的生存環(huán)境。但目前，我國乃至世界林業(yè)均面臨兩大危機(jī)，一是木材供需矛盾日益尖銳，二是生態(tài)環(huán)境不斷惡化［1］。因此，在實(shí)施天然林保護(hù)工程的同時(shí)，大力營造人工林，加強(qiáng)人工林的經(jīng)營管理已被我國列為主要林業(yè)課題。其中，撫育間伐作為森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的關(guān)鍵性措施，能為林木創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，提高林木質(zhì)量，增加生物多樣性，優(yōu)化森林結(jié)構(gòu)，改良土壤［2－7］，對林木生長乃至整個(gè)林分環(huán)境均具有重要作用。

目前，國外對撫育間伐效果已經(jīng)開展了長期的生產(chǎn)活動(dòng)及科學(xué)研究［8－9］。在我國，以往培育人工林只是一味謀求木材產(chǎn)量的提高和經(jīng)營成本的降低，對于撫育間伐效果的研究也主要是圍繞林分密度對林木生長規(guī)律和林分蓄積量的影響［10－11］。但近年來，有研究顯示間伐能引起森林生物量［12］、碳密度［13］、生物多樣性［14－15］以及土壤［15］的變化，尤其是對森林土壤的影響已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題，引起了廣泛關(guān)注。本文通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，從間伐對森林土壤的影響出發(fā)，結(jié)合新時(shí)期森林撫育的新要求，對間伐后森林土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及微生物數(shù)量的變化進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和評述，并提出了相關(guān)問題和對策。

1 間伐對土壤物理性質(zhì)的影響

1.1 土壤容重的變化

土壤緊實(shí)度是樹木生長的脅迫因素，直接影響林地植物對營養(yǎng)元素和水分的吸收。在我國土壤學(xué)研究中，土壤容重作為衡量土壤質(zhì)量的必要指標(biāo)［16］被廣泛應(yīng)用于評價(jià)間伐效果的研究中。賈芳等［17］在對北京山區(qū)油松幼齡林的研究中發(fā)現(xiàn)，間伐后森林土壤容重有所減小，其中0—10 cm土層降低2.2%～10.3%，10—20 cm 土層降低 3.2%～15.3%。陳立新等［18］對落葉松人工林地質(zhì)量的研究，于海群等［19］對間伐后油松人工林土壤質(zhì)量的研究，張鼎華等［20］對間伐后杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林土壤肥力的研究，郭蓓等［21］對飛播油松林間伐效果的研究，均得出間伐可減小土壤容重、改善土壤質(zhì)量的一致結(jié)論。這是由于林地通過撫育間伐，郁閉度減小，光照增強(qiáng)，利于林內(nèi)枯落物分解，從而增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，使土壤結(jié)構(gòu)得到改善所致。

1.2 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙度是影響土壤通氣性和滲透性的重要因素，決定著土壤貯水、供水量的多少。近年來許多學(xué)者將土壤非毛管孔隙度作為衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力大小的主要指標(biāo)［22］。間伐作為森林的重要經(jīng)營措施，可改變林地凋落物組成、分解狀況，使地下根系發(fā)生變化，從而造成撫育前后林分土壤孔隙度的改變［23］。目前一些研究認(rèn)為，間伐可增大林分土壤孔隙度，且兩者成正相關(guān)關(guān)系。賈芳等［17］在對北京山區(qū)油松幼齡林的研究中發(fā)現(xiàn)，間伐后土壤非毛管孔隙度、總孔隙度均有所增加。白崗栓等［24］對仁用杏園土壤理化性質(zhì)的研究，于海群等［19］對間伐后油松人工林土壤質(zhì)量的研究均得到一致結(jié)論。

然而國內(nèi)外一些學(xué)者的研究卻得到相反結(jié)論，他們認(rèn)為間伐并不能通過改善林分條件增加土壤孔隙度，反而破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度減小。Rab等［25］研究發(fā)現(xiàn)王桉皆伐后約有1/4面積的土壤受到干擾與破壞。Woodward［26］研究發(fā)現(xiàn)，選擇25%間伐強(qiáng)度的林分土壤孔隙狀況惡化。蘇芳莉［27］發(fā)現(xiàn)柞樹林土壤物理性質(zhì)在間伐后劣于對照林分。由此可見，間伐對土壤孔隙度的影響方向不一，這可能與樹種、立地條件、間伐強(qiáng)度有關(guān)，不同樹種的林分經(jīng)間伐后，林內(nèi)凋落物組分發(fā)生改變，從而影響微生物活動(dòng)，改變土壤孔性和結(jié)構(gòu)。

1.3 土壤水分的變化

土壤水分是構(gòu)成土壤肥力的重要因素之一，也是土壤物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。用能量的觀點(diǎn)去研究土壤水分問題，是土壤物理研究中的重大進(jìn)展，美國物理學(xué)家Buckingham在這方面作出了杰出貢獻(xiàn)。20世紀(jì)70年代末我國科學(xué)工作者開始用定量、連續(xù)的能量觀點(diǎn)來定義土壤水分的能量狀況，并將其應(yīng)用于對間伐效果的評價(jià)中。馬履一等［28］的研究發(fā)現(xiàn)撫育能增加林地持水性、供水性，效果隨撫育強(qiáng)度的增加而有所增加。但就目前的研究結(jié)果來看，我國學(xué)者在間伐對土壤水分的影響研究中，主要內(nèi)容只涉及土壤含水量、毛管持水量、非毛管持水量、最大持水量等靜態(tài)指標(biāo)，而未能從能量的角度分析問題。賈芳等［17］對北京山區(qū)油松幼齡林的研究發(fā)現(xiàn)撫育林分0—20 cm土層處水源涵養(yǎng)量有所增加，郭蓓等［21］的研究發(fā)現(xiàn)間伐可增加林地土壤含水量。

2 間伐對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1 土壤養(yǎng)分的變化

土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，是林木生長發(fā)育所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是土壤因子中易于被控制和調(diào)節(jié)的因子。間伐是調(diào)整林分狀況的重要措施，它可以改善林分群落結(jié)構(gòu)、物種組成和生境條件，掌握人工林間伐后土壤養(yǎng)分的變化情況，對于促進(jìn)養(yǎng)分良性循環(huán)和維護(hù)林地生產(chǎn)力具有重要意義。

前蘇聯(lián)林業(yè)科學(xué)研究所的研究發(fā)現(xiàn)，間伐可增加土壤有效營養(yǎng)元素的含量，其增加量隨著間伐強(qiáng)度的加大而提高。這是由于撫育間伐改變了林內(nèi)小氣候，促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，加速了死地被物的分解，從而提高了土壤肥力。國內(nèi)許多學(xué)者的研究也得到了相似結(jié)論。李國雷等［15］、郭蓓等［21］對飛播油松林進(jìn)行不同程度的間伐后發(fā)現(xiàn)，土壤pH值下降，而有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量均有所提高。同時(shí)，張鼎華等［20］對杉木、馬尾松等人工林撫育間伐后林分土壤肥力的研究，蘇芳莉［27］對遼東天然雜木林、柞樹林和紅松人工林的研究，于海群等［19］對油松人工林土壤質(zhì)量的研究，白崗栓等［24］對仁用杏園間伐后土壤理化性質(zhì)的研究均得出了一致結(jié)論。

然而，美國威斯康星州大學(xué)的林業(yè)工作者對于該州中部平原地區(qū)15年生北美油松的研究結(jié)果卻表明，間伐后土壤養(yǎng)分含量降低。這是由于間伐使林內(nèi)溫度升高，加快了有機(jī)質(zhì)的分解速度，因而引起了林內(nèi)土壤營養(yǎng)元素含量的降低［29］。國內(nèi)也有部分學(xué)者得出相似結(jié)論。巫志龍等［30］在對人工針闊混交林的研究中發(fā)現(xiàn)，擇伐后林分土壤營養(yǎng)元素含量均低于初始狀態(tài)。王海燕等［31］對落葉松云冷杉林分的研究也發(fā)現(xiàn)，小于40%的間伐強(qiáng)度未能引起林內(nèi)土壤養(yǎng)分的顯著變化。這些研究均表明間伐未能引起林內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的增加，究其原因可能是采用了不適宜的間伐強(qiáng)度，或是測定時(shí)期太短，間伐效果還未充分顯現(xiàn)。

2.2 土壤交換性能的變化

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附的各種陽離子的總量，其大小可作為評價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)。目前國內(nèi)僅有少數(shù)學(xué)者將土壤交換性能的變化作為評價(jià)間伐效果的一項(xiàng)指標(biāo)。張鼎華等［20］在撫育間伐對人工林土壤肥力的影響研究中發(fā)現(xiàn)，間伐兩年后土壤交換性能得到改善，土壤陽離子交換量(CEC)有不同程度的下降，交換性鹽基總量和鹽基飽和度有不同程度的增加。由于間伐后林分土壤生物活性增強(qiáng)、土壤礦質(zhì)化、養(yǎng)分循環(huán)加快以及林下植被的增加引起生物富積作用，從而改變了土壤膠體特性，影響了土壤交換性能。而陽離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分的容量及土壤保肥能力有關(guān)，交換量大的土壤就能吸附較多的速效養(yǎng)分，避免它們在短期內(nèi)完全流失。因此，土壤交換性能對間伐效果具有一定的響應(yīng)作用，筆者認(rèn)為應(yīng)將其作為評價(jià)間伐效果的一項(xiàng)土壤指標(biāo)應(yīng)用于實(shí)踐。

2.3 土壤酶的變化

森林土壤酶系統(tǒng)是森林土壤中生物活動(dòng)的產(chǎn)物，其活性與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān)，已經(jīng)成為土壤健康生物指標(biāo)中優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一［32］。土壤酶參與了森林土壤中許多生物化學(xué)反應(yīng)，包括枯落物的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的固定與供給以及各種氧化還原反應(yīng)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)情況。20世紀(jì)50年代，國外已有學(xué)者提出將土壤酶活性作為衡量土壤生物學(xué)活性與生產(chǎn)力的指標(biāo)。在我國，以往對森林土壤酶活性的研究很少，嚴(yán)重滯后于對農(nóng)田土壤的研究，以致不能滿足當(dāng)代森林土壤及森林經(jīng)營管理的需要［33］。而近幾年，國內(nèi)陸續(xù)有學(xué)者對間伐后土壤酶活性的變化進(jìn)行深入研究，但結(jié)論不一［34］。

一些研究認(rèn)為，隨著間伐強(qiáng)度的增加，林內(nèi)土壤孔隙度升高有利于土壤微生物活動(dòng)，促進(jìn)了林內(nèi)凋落物分解，有機(jī)質(zhì)含量增加，從而使酶活性增強(qiáng)［19］。如火炬松林經(jīng)間伐后，磷酸酶、幾丁質(zhì)酶會(huì)顯著增加［35］;密度較大的杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林經(jīng)間伐后，土壤酶活性增加［20］;油松人工林經(jīng)間伐后，過氧化氫酶活性顯著增加［15］;郭蓓等［21］對飛播油松林間伐后的研究、徐昕等［36］對北京山區(qū)幼齡側(cè)柏人工林間伐后的研究均得到一致結(jié)論。但也有研究認(rèn)為，撫育間伐對土壤酶活性的影響不大，甚至有反作用。在德國東北部，62年生完全郁閉的松林間伐5年后，雖然微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但各種酶活性與對照樣地相比并未出現(xiàn)顯著差異［37］;張日升等［38］在對沙地樟子松的研究中發(fā)現(xiàn)，林分間伐后土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性均有所下降。由此看來，間伐對土壤酶活性的影響非常復(fù)雜，這可能與間伐后林下植被物種、根系分泌物和凋落物組成的變化，以及新環(huán)境是否能滿足土壤微生物的活性相關(guān)。

3 間伐對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，進(jìn)入土壤的各種有機(jī)物質(zhì)都是在土壤微生物的作用下，經(jīng)過一系列分解、轉(zhuǎn)化，最終形成土壤腐殖質(zhì)，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，為植物生長提供可利用的養(yǎng)分的［39］。相關(guān)研究顯示，土壤微生物總量的多少與土壤肥力存在正相關(guān)關(guān)系，通過對土壤微生物總數(shù)的測定，可以初步判斷土壤肥力的高低，這種方法較傳統(tǒng)的對土壤理化性質(zhì)的測定更為簡單，因此有人提出將土壤微生物作為評價(jià)林地土壤肥力的指標(biāo)［40］。

近些年來，在森林撫育間伐效果的研究中，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)把土壤微生物作為衡量間伐效果的一項(xiàng)指標(biāo)。張鼎華等［20］研究了杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林的撫育間伐對林分土壤肥力的影響，結(jié)果表明間伐兩年后土壤微生物數(shù)量有所增加。但也有學(xué)者認(rèn)為僅從三大類微生物數(shù)量的角度來反映土壤肥力的高低不確切，因?yàn)橥寥牢⑸锊坏c土壤肥力息息相關(guān)，還與土壤水分、孔隙度等物理化學(xué)指標(biāo)有關(guān)，所以在今后的研究中應(yīng)結(jié)合微生物生理群、酶活性大小等指標(biāo)綜合判定［41］。

4 結(jié)論與建議

以往，我國學(xué)者僅將林分生長量、蓄積量等指標(biāo)作為評價(jià)撫育間伐效果的依據(jù)。近幾年來，有關(guān)間伐對森林碳儲(chǔ)量、生物多樣性、森林土壤影響的研究日益增加，尤其是森林土壤，其理化性質(zhì)、生物活性等指標(biāo)直接受到林內(nèi)環(huán)境條件的影響，間伐導(dǎo)致林分密度下降，改變了林內(nèi)光、熱、水以及營養(yǎng)物質(zhì)原有共生模式，這必然會(huì)對森林土壤造成一定影響。因此，從土壤質(zhì)量角度對人工林撫育間伐效果進(jìn)行研究，對于維護(hù)地力以及林分質(zhì)量具有重要意義。針對我國森林撫育間伐對土壤影響的研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，今后應(yīng)加強(qiáng)以下3方面的研究:

(1)加強(qiáng)間伐對土壤有效水影響的研究。森林土壤水是林木及林下植被生長和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物對水的吸收也是一個(gè)復(fù)雜的生物物理過程，在我國林業(yè)上雖然已有多位學(xué)者對土壤水分動(dòng)態(tài)以及林木耗水進(jìn)行了研究［42－44］，但目前國內(nèi)鮮有研究人員將撫育間伐與土壤水分動(dòng)態(tài)特征相結(jié)合進(jìn)行研究的。

(2)注重間伐對土壤交換性能影響的研究。土壤陽離子交換吸附作用非常普遍，它是土壤中可溶性有效陽離子的主要保存形式，對土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分固定與釋放具有重要影響。間伐通過改變土壤孔性、結(jié)構(gòu)性，從而改變土壤膠體的種類、數(shù)量、結(jié)晶構(gòu)造，影響土壤交換性能。然而目前國內(nèi)在研究間伐與土壤交換性能關(guān)系方面相對欠缺，為進(jìn)一步了解間伐對土壤質(zhì)量的綜合影響，還應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步研究。

(3)注重間伐對土壤綜合因子影響的研究。以往我國在撫育效果評價(jià)中，僅將土壤容重、水分、養(yǎng)分等作為主要指標(biāo)，然而隨著科學(xué)的發(fā)展，生物學(xué)指標(biāo)被日益重視，土壤酶活性以及微生物等生物指標(biāo)已被廣泛用于評價(jià)撫育間伐效果。然而在森林土壤眾多評價(jià)指標(biāo)中，針對不同林分類型，如何篩選出能綜合反映林分土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)已成為日后研究的重點(diǎn)。

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