間伐對近天然落葉松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的影響

李衛(wèi)松， 毛軍， 查同剛， 王海燕?， 李旭

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京；2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司，100014，北京；3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

間伐對近天然落葉松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的影響

李衛(wèi)松1， 毛軍2， 查同剛3， 王海燕1?， 李旭3

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京；2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司，100014，北京；3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

為探討間伐對近天然落葉松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的長期影響，對吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場間伐強(qiáng)度分別為0(對照)、20%、30%和40%4種處理的20塊樣地進(jìn)行土壤和凋落物樣品的采集和測定，分析不同間伐處理間凋落物特征及其與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性。結(jié)果表明：1)近天然落葉松+云杉+冷杉混交林凋落物現(xiàn)存量為51.44～181.60 t/hm2，持水量為20.33～47.27 t/hm2，凋落物C與N質(zhì)量比介于61～72之間，其N、P和K質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同間伐強(qiáng)度間呈現(xiàn)不同順序，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨間伐強(qiáng)度增加逐漸增大；但不同間伐強(qiáng)度之間的凋落物現(xiàn)存量、持水率和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05)。2)凋落物的現(xiàn)存量、持水量及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分全量的相關(guān)性在不同間伐強(qiáng)度的近天然落葉松+云杉+冷杉混交林間表現(xiàn)出一定的相似性，表明間伐不對凋落物特征與土壤養(yǎng)分相關(guān)性構(gòu)成主要影響。3)間伐27年后，不同間伐強(qiáng)度間凋落物特征差異不顯著，這可能是由于間伐時(shí)間較長，間伐的影響逐漸減弱所致。

凋落物； 間伐； 近天然落葉松云冷杉林

森林凋落物(forest litter)也可稱為有機(jī)碎屑或枯落物，是由地上植物組分產(chǎn)生并歸還到地表面，作為分解者的能量和物質(zhì)來源，以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機(jī)質(zhì)的總稱[1]。森林凋落物是森林土壤的重要組成部分，在森林涵養(yǎng)水源、維持土壤肥力和保持生物多樣性等方面具有重要作用[2-5]。凋落物特征取決于輸入和分解2個(gè)關(guān)鍵過程，是林木特征、環(huán)境和生物要素等綜合作用的結(jié)果，在一定程度上反映土壤養(yǎng)分元素的補(bǔ)充量和森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程，具有不可忽視的生態(tài)學(xué)意義[6-7]。撫育間伐影響到森林的多個(gè)方面包括林分生長[8-9]、總收獲量[10]、林分結(jié)構(gòu)[11]、森林環(huán)境[12]及生物多樣性[13]等，關(guān)于間伐的影響研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)[14-15]。近年來也越來越重視間伐的環(huán)境影響如生物多樣性、土壤和凋落物等方面[13,16]，但撫育間伐對森林凋落物長期影響方面的研究尚不多見；因此，筆者研究27 a后不同間伐強(qiáng)度對近天然落葉松(Larixolgensis)+云杉(Piceaasperata)+冷杉(Abiesnephrolepis)混交林內(nèi)凋落物現(xiàn)存量、養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響及其與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，對認(rèn)識間伐的長期影響和近天然落葉松+云杉+冷杉混交林經(jīng)營管理具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(E 130°05′～130°20′，N 43°17′～43°25′)。金溝嶺林場屬長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，林場總面積為1萬6 286 hm2。地貌屬低山丘陵地帶，海拔550～1 100 m。該研究區(qū)地處北溫帶季風(fēng)區(qū)，屬大陸性季風(fēng)型氣候，以絕對零度作為計(jì)算起點(diǎn)的溫度，因此該區(qū)全年平均氣溫為3.9 ℃左右，年均積溫2 144 ℃，1月平均氣溫-32 ℃左右，7月平均氣溫32 ℃左右。早霜自9月中旬開始，晚霜延至翌年5月末；年降水量 600～700 mm，且多集中在7月；植物生長期為120 d左右。山地土壤類型以暗棕壤為主。

該試驗(yàn)區(qū)為營造于1964—1967年的落葉松人工林，經(jīng)過多年的演變，已形成為落葉松+云杉+冷杉針闊混交林，具有天然林的部分特征，以下稱為近天然落葉松云冷杉林。以長白落葉松、云杉、冷杉為優(yōu)勢樹種，其他樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、椴樹(Tiliaamurensis)、楓樺(Betulacostata)和榆樹(Ulmuspropinqua)等闊葉樹種。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)

1986年按照完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)布設(shè)了20塊樣地，4種間伐強(qiáng)度處理：以無間伐(T0)為對照，其他間伐強(qiáng)度分別為20% (T20)、30% (T30)和40% (T40)，各處理均有5個(gè)重復(fù)。2013年樣地基本概況見表1。

2.2 樣品采集及其理化性質(zhì)測定

在各樣地內(nèi)按“S”形隨機(jī)布設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，采集表層(0～20 cm)混合樣品1 kg左右。土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后，用于測定土壤性質(zhì)。

表1 試驗(yàn)樣地特征

土壤pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)測定，有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測定，全氮采用凱氏定氮儀法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定[17]。

2.3 凋落物樣品采集與測定

在2013年9月1日09:00—11:00之間，此時(shí)的天氣是陰天，每塊樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)0.5 m×0.5 m的小樣方，在每個(gè)小樣方內(nèi)收集全部凋落物，共60個(gè)樣品。稱取各樣品濕質(zhì)量(m1，t/hm2)后，在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量(m2，t/hm2)，則凋落物含水量按下式計(jì)算[18]：

S=m1-m2；

(1)

R=(m1-m2)/m2×100%。

(2)

式中：S為含水量，t/hm2；R為含水率，%。

凋落物碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮采用凱氏定氮法，全磷和全鉀采用硫酸-H2O2消煮測定[17]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007及SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn)。采用單因素ANOVA分析不同間伐強(qiáng)度對凋落物現(xiàn)存量、持水量和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物現(xiàn)存量

如表2所示，間伐27 a后，T20、T30和T40近天然落葉松云冷杉林凋落物現(xiàn)存量均值分別是T0的1.15、1.22和1.11倍，表現(xiàn)為T30>T20>T40，均>T0。這與周新年等[1]研究結(jié)果不一樣，可能的原因是間伐時(shí)間年限較長，間伐樣地的灌草生長更旺盛，顯著高于對照處理，因此導(dǎo)致間伐強(qiáng)度越大，凋落物現(xiàn)存量越大。方差分析表明不同間伐強(qiáng)度間凋落物現(xiàn)存量差異不顯著(n=15，P>0.05)(表2)。凋落物現(xiàn)存量的變異系數(shù)介于22.95%～33.21%，根據(jù)對變異程度的劃分，變異系數(shù)>90%為高變異性，變異系數(shù)<10%時(shí)具低變異性，而變異系數(shù)在10%～90%之間為中等變異[16]，各間伐強(qiáng)度下凋落物現(xiàn)存量皆屬中等變異。

表2 不同間伐強(qiáng)度下凋落物現(xiàn)存量

3.2 凋落物含水量

如表3所示，不同間伐處理下凋落物的含水量均值變化范圍為20.33～47.27 t/hm2，T40、T30和T20均大于T0，分別是T0的2.34、1.84和2.08倍，但不同處理間差異不顯著(P>0.05)。凋落物的含水率均值變化范圍是76.26%～102.19%，表現(xiàn)出隨間伐強(qiáng)度降低，含水率下降的規(guī)律，即T40>T30>T20>T0，但不同處理間差異不顯著(P>0.05)。結(jié)果同時(shí)表明：凋落物含水率的順序與凋落物含水量順序不一致，凋落物含水率高的林分其含水量不一定高；因?yàn)槠涞蚵洮F(xiàn)存量較少，反之，凋落物含水率較低的林分其含水量較高。凋落物現(xiàn)存量與凋落物含水量隨間伐的強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)相同的趨勢。不同間伐強(qiáng)度下的含水量和含水率均屬中等變異。

表3 不同間伐強(qiáng)度下凋落物含水量

3.3 凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

方差分析表明，凋落物全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳和C與N質(zhì)量比在不同間伐處理間差異均不顯著(P>0.05)，但不同處理間各養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對大小的規(guī)律有所不同(表4)。凋落物全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于6.01～7.58 g/kg之間，表現(xiàn)出T20>T0>T40>T30的規(guī)律；凋落物全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為T0>T20>T40>T30，而全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同間伐處理間幾乎相等，略低于對照，與凋落物全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律；不同間伐強(qiáng)度的凋落物有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對照，并表現(xiàn)出隨間伐強(qiáng)度增大而逐漸升高的趨勢。凋落物C與N質(zhì)量比可衡量凋落物分解程度，不同間伐強(qiáng)度的凋落物C與N質(zhì)量比均高于對照，其中T30最大達(dá)到72.36，凋落物相對較穩(wěn)定。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C與N質(zhì)量比均大于對照組，這可能是因?yàn)閺?qiáng)度間伐區(qū)內(nèi)林木株數(shù)減少，林內(nèi)透光、通風(fēng)條件均有所改善，更有利于微生物和土壤動物活動，加速了凋落物的分解。N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨間伐強(qiáng)度變化規(guī)律不很明顯，可能與枯枝落葉凋落過程中養(yǎng)分轉(zhuǎn)移有關(guān)，原因有待深入探討。

表4 不同間伐強(qiáng)度下凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

3.4 凋落物特征與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

3.4.1 凋落物現(xiàn)存量和持水量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性 森林凋落物的物質(zhì)直接輸送到土壤表層，同時(shí)凋落物的分解轉(zhuǎn)化主要受土壤表層的影響，研究表明林地土壤物質(zhì)交換主要在 0～20 cm 的表層中進(jìn)行[18]；因此僅討論該土層中凋落物現(xiàn)存量和持水量與土壤養(yǎng)分之間的相互關(guān)系(表5)。

表5 森林凋落物現(xiàn)存量和含水量與土壤養(yǎng)分相關(guān)性(n=15)

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)；下同。Note:*means significant correlation (P< 0.05)，**extremely significant correlation (P<0.01). The same as below.

凋落物量與土壤養(yǎng)分之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。各強(qiáng)度處理間，凋落物現(xiàn)存量與土壤有機(jī)碳均呈顯著正相關(guān)，其中對照處理的相關(guān)系數(shù)最大，為0.447；與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，也表現(xiàn)為對照處理的相關(guān)系數(shù)最大，為0.820；凋落物現(xiàn)存量與土壤自然含水量呈顯著正相關(guān)，也表現(xiàn)為對照處理的相關(guān)系數(shù)最大，為0.467；凋落物現(xiàn)存量與其他土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性均不顯著。凋落物含水量與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，而與土壤有機(jī)碳和全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性均不顯著。不同間伐強(qiáng)度間，凋落物特征與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間相關(guān)性沒有明顯差異。

3.4.2 土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性 不同間伐強(qiáng)度處理間，0～20 cm土層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性基本一致(表6)。在各間伐處理上，土壤全氮均與凋落物N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與凋落物P、K、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性均不顯著；土壤全磷均與凋落物P質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與凋落物N、K、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性均不顯著；土壤有機(jī)碳與凋落物N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著(T0)或極顯著正相關(guān)(T20、T30、T40)，與凋落物P質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著(T0、T20、T40)或極顯著正相關(guān)(T30)，與凋落物K、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性均不顯著。這一方面表明土壤養(yǎng)分全量與凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定關(guān)系，說明土壤養(yǎng)分一部分來自于凋落物的分解，同時(shí)也表明間伐強(qiáng)度不對這種相關(guān)性產(chǎn)生顯著影響。

表6 土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凋落物養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性(n=15)

4 討論

本研究結(jié)果表明間伐強(qiáng)度越大，凋落物含水量越大，其原因可能有2點(diǎn)。一是間伐27 a后，間伐時(shí)間年限較長，間伐樣地的灌草生長更旺盛，顯著高于對照處理；因此，導(dǎo)致間伐強(qiáng)度越大，凋落物含水量越大。如雷相東等[15]研究撫育間伐對落葉松云冷杉混交林的影響，發(fā)現(xiàn)間伐改善了林內(nèi)的光照條件，有利于下層植被的生長和發(fā)育，采伐樣地的下層植被比較發(fā)達(dá)，灌草生物量比較大。二是枯落物含水量為測定時(shí)的瞬時(shí)值，測定結(jié)果與采樣的時(shí)間有關(guān)，也就是說凋落物的含水量具有時(shí)空變異性[19]。雖然本文采樣是固定在2013年9月1日09:00—11：00之間完成的，并且當(dāng)天是陰天，但也具有一定的時(shí)間變異性，這可能部分解釋了本研究結(jié)果：凋落物含水量隨著間伐強(qiáng)度的增加而增大。

作為常用撫育措施之一，間伐直接改變森林凋落物的輸入，同時(shí)影響森林內(nèi)環(huán)境要素如水分、溫度及微生物的分布，從而對凋落物分解及土壤養(yǎng)分輸入產(chǎn)生影響[6,14]。本研究表明，不同間伐處理間的凋落物現(xiàn)存量、含水量、養(yǎng)分含量及其與土壤養(yǎng)分相關(guān)性等方面均沒有顯著差異，且沒有表現(xiàn)出一致性的規(guī)律。這與以前相似的研究結(jié)論有所差異，如T. R. Crow等[14]發(fā)現(xiàn)，間伐4 a后的闊葉林凋落物量和生物多樣性都顯著增加。而周新年等[1]對擇伐10 a后的針闊混交林研究表明，弱度和中度擇伐林地凋落物及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在擇伐10a后基本得到恢復(fù)，而強(qiáng)度和極強(qiáng)度擇伐后的凋落物生物量及其養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未恢復(fù)。P.Nilsen和L.T.Strand[20]研究表明，間伐33 a后的挪威云杉(Piceaabies)凋落物碳儲量在不同間伐強(qiáng)度之間差異不顯著。東北興安落葉松(Larixgmelinii)26 a的間伐試驗(yàn)也得出類似結(jié)論[21]。因此，除去林分、地理區(qū)域等可能原因外，間伐的時(shí)間效應(yīng)可能是影響凋落物生物量和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要因素之一，即間伐對凋落物的影響可能只在間伐后一定時(shí)間內(nèi)由于凋落物輸入、環(huán)境條件等差異導(dǎo)致凋落物特征出現(xiàn)顯著變化；但這種影響只持續(xù)一定的時(shí)間，當(dāng)超過一定時(shí)間長度后，由于林分自然更新或其他因素的影響，間伐的影響逐漸減弱，凋落物特征差異逐漸減小。本文研究的間伐時(shí)限達(dá)到27 a，故不同間伐強(qiáng)度下的凋落物現(xiàn)存量、持水量、養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其與土壤養(yǎng)分相關(guān)性等方面差異均未達(dá)到顯著水平。

5 結(jié)論

1)間伐27 a后，不同間伐強(qiáng)度之間的凋落物現(xiàn)存量、含水量和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均沒有顯著差異。凋落物現(xiàn)存量為51.44～181.60 t/hm2，表現(xiàn)為T30>T40>T20>T0；凋落物含水量為20.33～47.27 t/hm2，表現(xiàn)為對間伐強(qiáng)度增加持水率上升的規(guī)律；凋落物N、P、K及C質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小在不同間伐強(qiáng)度間的規(guī)律有所不同、凋落物全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出T20>T0>T40>T30的規(guī)律；凋落物全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為T0>T20>T40>T30；全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出T0>T30>T20>T40；不同間伐強(qiáng)度的凋落物C質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為T40>T30>T20>T0。

2)凋落物的現(xiàn)存量、含水量及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分全量之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但間伐處理對這種相關(guān)關(guān)系沒有明顯影響。不同處理間，凋落物現(xiàn)存量與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)；凋落物含水量與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)；凋落物N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)；凋落物P質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)。

3)間伐對凋落物特征的影響可能具有一定的年限，超過這一年限后，間伐將不構(gòu)成主要影響。這也解釋了本文的研究結(jié)論，即間伐27 a后，不同間伐強(qiáng)度之間的凋落物特征差異不顯著。

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(責(zé)任編輯：程 云)

Effects of thinning on litter characteristics of semi-naturalLarixolgensis+Piceaasperata+Abiesnephrolepismixed forests

Li Weisong1, Mao Jun2, Zha Tonggang3, Wang Haiyan1, Li Xu3

(1.College of Forestry, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Fanhua Construction Limited Co., 100014, Beijing, China; 3.College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

We collected soil and litter samples from twenty plots of semi-naturalLarixolgensis-Piceaasperata-Abiesnephrolepismixed forests under four thinning intensities (0 (control), 20%, 30% and 40%) in Jingoulin Forest Farm, Jilin Province, in order to assess long-term effects of thinning on litter characteristics. The correlations between litter characteristics and soil nutrients were analyzed. The results are shown as follows: 1) The standing crop of litter in semi-naturalL.olgensis-P.asperata-A.nephrolepismixed forests was 51.44-181.60 t/hm2, the water holding capacity of litter was 20.33-47.27 t/hm2, and the litter C:N ratio ranged between 61 and 72. Concentrations of litter N, P and K showed different orders under different thinning intensities and litter C concentration gradually increased with thinning intensity; however, there were no significant differences in standing crop, water holding capacity and nutrient concentration of litters under different thinning intensities (P>0.05). 2) Correlations between litter characteristics and soil nutrients showed certain similarity under different thinning intensities, indicating that thinning intensity was not the main affecting factor. 3) Twenty-seven years after thinning, no significant differences were observed in litter characteristics under varying thinning intensities, showing no long-term thinning effects in our study.

litter; thinning; semi-naturalLarixolgensis-Piceaasperata-Abiesnephrolepismixed forest

2014-03-17

2015-06-16

項(xiàng)目名稱：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“典型水土流失類型區(qū)土壤可蝕性研究”(TD2011- 2)； 國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“我國典型森林類型健康經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)研究” (20100400201)

李衛(wèi)松(1988—),女,碩士研究生。主要研究方向:植物營養(yǎng)。E-mail:songweili0322@126.com

?通信作者簡介：王海燕(1972—),女,博士,副教授。主要研究方向：土壤及植物營養(yǎng)。E-mail:haiyanwang72@aliyun.com

S714.5； S715； S753

A

1672-3007(2015)05-0037-06