撫育間伐對遼東山區(qū)人工紅松林土壤物理性質及持水特性的影響1)

祁金虎　楊會俠　丁國泉　陶玉柱　白榮芬

(遼寧省森林經(jīng)營研究所，丹東，118000)

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撫育間伐對遼東山區(qū)人工紅松林土壤物理性質及持水特性的影響1)

祁金虎楊會俠丁國泉陶玉柱白榮芬

(遼寧省森林經(jīng)營研究所，丹東，118000)

摘要通過野外調查取樣和室內測試與分析，研究了不同撫育間伐強度下,人工紅松林土壤物理性質及其持水特性。結果表明：與對照相比，0～20 cm土層，弱度、中度和強度撫育間伐處理的土壤密度分別減少了1.36%、17.10%、13.46%；土壤總孔隙度分別是對照的1.02、1.14、1.23倍，土壤毛管孔隙度分別是對照的1.00、1.14、1.21倍，土壤非毛管孔隙度分別是對照的1.13、1.14、1.40倍；土壤最大持水量與對照相比分別提高了0.52%、13.90%、23.18%，土壤非毛管持水量分別高出了12.79%、14.30%、39.65%；土壤飽和入滲系數(shù)分別是對照的2.81、3.45、4.99倍。>20～40 cm土層所表現(xiàn)出的規(guī)律與0～20 cm土層基本一致，方差分析顯示，各撫育間伐處理均能顯著改善土壤的物理性質及其持水性能，且以中度及強度撫育間伐處理的效果更優(yōu)。

關鍵詞撫育間伐；遼東山區(qū)；紅松；土壤物理性質；持水特性

分類號S714.7

Effect of Thinning on Soil Physical Properties and Water-holding Capacity ofPinuskoraiensisPlantation in Liaodong Mountain Area//

Qi Jinhu, Yang Huixia, Ding Guoquan, Tao Yuzhu, Bai Rongfen

(Forest Management Research Institute of Liaoning Province, Dandong 118000, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：48-51.

We studied the soil physical properties and water-holding capacity ofPinuskoraiensisplantation under three thinning conditions (light, medium and heavy intensity thinning) by field survey sampling and indoor test for the reasonable thinning operation ofPinuskoraiensisplantation in Liaodong Mountain Area. At the depth of 0-20 cm, the soil bulk density was decreased by 1.36%, 17.10%, 13.46%, respectively, for non-thinning. Compared with non-thinning, the soil total porosity was 1.02, 1.14 and 1.23 times of that of the control. The soil capillary porosity was 1.00, 1.14 and 1.21 times of that of the control, and non-capillary porosity was 1.13, 1.14 and 1.40 times of that of the control, respectively. The soil maximum water-holding capacity and non-capillary water-holding capacity both were increased by 0.52%, 13.90%, 23.18% and 12.79%, 14.30%, 39.65%, respectively. The permeability coefficients was 2.81, 3.45, and 4.99 times of that of the control under three thinning conditions. At the depth of 20-40 cm, the thinning treatments had the similar changes in soil physical properties and water-holding capacity with the upper 0-20 cm soil layer. By variance analysis, the thinning significantly improved the effects of soil physical properties and water conservation, especially in medium and heavy intensity thinning.

KeywordsThinning; Liaodong mountain area; Pinus koraiensis; Soil physical properties; Water-holding capacity

紅松(Pinuskoraiensis)作為東北地區(qū)珍貴的地域性樹種之一，因其木材質量好，種子經(jīng)濟價值高，自20世紀30年代開始在遼東山區(qū)進行大面積營造，截止目前已有80多年的人工栽培歷史。從促進林分生長、提高林分結實能力等方面考慮，應該對其進行合理撫育間伐作業(yè)。有關人工紅松林的營造技術、病蟲害防治、林木生長因子(樹高、胸徑、生物量)、種子經(jīng)濟價值等前人已做了大量研究[1-6]。但有關人工紅松林撫育對土壤理化性質、特別是土壤持水性能的研究，卻并不多見。

森林土壤作為林木生長的基礎，土壤物理性質的好壞、持水性能高低極大的影響樹木的生長，進而還影響到林分的水土保持功能[7]。在水源匱乏、水土流失嚴重的背景下，近年來圍繞森林土壤理化性質、水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能等方面的研究日益增多[8-10]。因此，在兼顧經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的前提下，對人工紅松林實施撫育間伐作業(yè)勢在必行。本研究對遼東山區(qū)長期多次不同撫育間伐強度處理下的人工紅松林的土壤物理性質及持水性能進行測定與分析，以量化間伐強度與土壤密度、孔隙度、持水量和入滲系數(shù)之間的關系，進而從改善土壤物理性質、增加土壤水源涵養(yǎng)功能及水土保持功能，為遼東山區(qū)人工紅松林適宜撫育間伐強度的確定提供數(shù)據(jù)參考。

1試驗地概況

試驗區(qū)位于遼寧省本溪市本溪滿族自治縣草河口鎮(zhèn)，該區(qū)屬于大陸性季風性氣候，平均海拔約645 m，年均氣溫6.5 ℃，年均降水量926.3 mm，無霜期128 d左右。土壤為山地棕色森林土，層次薄、石櫟含量高、保水性差，pH值為5.3～6.3。植被以人工紅松林為主，其下植物稀疏，僅有少量大葉樟(Cinnamomumparthenoxylon(Jack) Nees)、天南星(Arisaemaerubescens(Wall) Schott)、鐵線蓮(ClematisfloridaThunb)等。

2研究方法

2.1試驗樣地設置

所選人工紅松林于1949年營造，試驗開始前從未進行過任何撫育間伐處理。1959年選取具有代表性的人工紅松林樣地，以保留株數(shù)為指標劃分了強度、中度、弱度及對照(不間伐，自然稀疏)4個撫育間伐強度處理，各處理面積均為0.1 hm2，各撫育間伐強度處理分別在1959年、1967年、1987年、1994年、2005年、2012年共進行了6次撫育間伐強度處理作業(yè)。2014年實地調查結果見表1，因林木間遮蔽原因，測高儀無法正常使用，樹高未進行測定。

表1　樣地基本特征

2.2土壤物理性質及持水量測定

2014年10月，于各撫育間伐強度處理小區(qū)內均以“S型”取樣法選取5個取樣點，按0～20 cm和>20～40 cm層次采集土壤環(huán)刀樣，每層3次重復，4個處理總計取樣120個，所取樣品帶回做室內分析。土壤密度、孔隙度、入滲系數(shù)均采用環(huán)刀法測定。為便于比較，計算時將不同溫度下所測得的土壤入滲系數(shù)均換算成10 ℃時的入滲系數(shù)。

土壤最大持水量和非毛管持水量使用如下公式計算[4]：①Wt=10 000×P1×h，②Wc=10 000×P2×h。式中：Wt代表最大持水量；Wc代表非毛管持水量；P1代表土壤總孔隙度；P2代表土壤非毛管孔隙度；h代表土層厚度。

2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究所獲取的數(shù)據(jù)用Excel 2003進行處理，用SPSS16.0軟件作方差分析，以檢驗各撫育間伐強度處理下土壤物理性質、持水特性(包括最大持水量、非毛管持水量和入滲系數(shù))的差異性(P<0.05)。

3結果與分析

3.1撫育間伐強度對人工紅松林土壤物理性質的影響

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是水分貯存的重要場所之一，其物理性質(尤其是密度、孔隙度)直接影響到水分的貯存數(shù)量及主要貯存方式。為系統(tǒng)的評價撫育間伐強度對紅松林土壤物理性質的影響，對撫育間伐處理后紅松林土壤物理性質作比較分析(見表2)。

表2　不同土層不同撫育間伐強度樣地的土壤物理性質

注：表中數(shù)值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母代表同一土層間差異顯著(P<0.05)。

3.1.1不同撫育間伐強度的土壤密度

土壤密度是影響土壤蓄水性能的重要指標之一。通常來說，土壤密度小，土壤疏松、蓄水性能強；反之，土壤密度大，土壤緊實、蓄水性能弱[11]。

比較不同撫育間伐強度紅松林土壤密度(見表2)可以得出，土壤密度均表現(xiàn)為0～20 cm土層低于>20～40 cm土層。0～20 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的土壤密度比對照分別減少了1.36%、17.10%、13.46%，多重比較分析顯示，中度撫育間伐處理與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，而與強度撫育間伐處理間差異不顯著；>20～40 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的土壤密度分別比對照處理減少了6.38%、25.39%、18.87%，多重比較分析顯示，對照處理與強度、中度撫育間伐處理間差異顯著，而與弱度撫育間伐處理間差異不顯著。結果表明，撫育間伐處理對紅松林土壤密度具有改善效果，且中度及強度撫育間伐處理優(yōu)于弱度撫育間伐處理，0～20 cm土層優(yōu)于>20～40 cm土層的效果，原因可能是對林分進行適度間伐，有利于植物根系發(fā)育及土壤動物(尤其是蚯蚓)活動，進而會對土壤起到疏松作用，降低土壤密度。

3.1.2不同撫育間伐強度的土壤孔隙度

土壤孔隙度直接關系著土壤的通氣、透水性能，是影響土壤蓄水性能的又一重要指標，其中毛管孔隙度的大小能夠直接反應出土壤固持水的能力，而非毛管孔隙度更是具有反映土壤涵養(yǎng)水源、削減洪災發(fā)生的能力[12]。

比較不同撫育間伐強度處理下紅松林土壤孔隙度(見表2)的可以得出，土壤總孔隙度、毛管孔隙度指標均表現(xiàn)為0～20 cm土層高于>20～40 cm土層，而土壤非毛管孔隙度指標則表現(xiàn)為>20～40 cm土層高于0～20 cm土層。此外，撫育間伐強度能夠顯著影響到各土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。0～20 cm土層，弱度、中度及強度撫育間伐處理的土壤總孔隙度分別是對照處理的1.02、1.14、1.23倍，土壤毛管孔隙度分別是對照處理的0.99、1.14、1.21倍，土壤非毛管孔隙度分別是對照處理的1.13、1.14、1.40倍，多重比較分析顯示，土壤總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度，強度撫育間伐處理與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，與中度撫育間伐處理間差異不顯著；>20～40 cm土層，弱度、中度及強度撫育間伐處理的土壤總孔隙度分別是對照處理的1.05、1.28、1.22倍，土壤毛管孔隙度分別是對照處理的1.04、1.28、1.14倍，土壤非毛管孔隙度分別是對照處理的1.08、1.30、1.66倍，多重比較分析顯示，中度撫育間伐處理的土壤總孔隙度、毛管孔隙度與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，與強度撫育間伐處理間差異不顯著。強度撫育間伐處理的土壤非毛管孔隙度與其它處理間差異顯著。結果表明，適當?shù)膶t松林做撫育間伐處理，有利于改善其下土壤空隙狀況，進而調節(jié)土壤滲透、蓄水性能。

3.2撫育間伐強度對人工紅松林土壤持水特性的影響

3.2.1不同撫育間伐強度的土壤持水量

森林土壤是貯存水分的重要場所，其持水能力高低受土壤物理性質影響較大。通常土壤最大持水量表征的是土壤水源涵養(yǎng)潛力的最大值，而在飽和持水量條件下，非毛管持水量的多少會直接影響土壤調節(jié)蓄水的功能。因此，土壤最大持水能力及非毛管持水能力都是反應林地土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標[13]。

表3　不同土層不同撫育間伐強度樣地的土壤持水量

注：表中數(shù)值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母代表同一土層間差異顯著(P<0.05)。

比較不同撫育間伐強度處理的紅松林土壤持水性能(見表3)可以得出，土壤最大持水量表現(xiàn)為0～20 cm土層高于>20～40 cm土層，而非毛管持水量則表現(xiàn)為>20～40 cm土層高于0～20 cm土層。此外，各土層條件下，土壤最大持水量、非毛管持水量均受到撫育間伐強度的顯著影響。0～20 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的土壤最大持水量分別比對照處理提高了0.52%、13.90%、23.18%，土壤非毛管持水量分別比對照處理提高了12.79%、14.30%、39.65%，多重比較分析顯示，強度撫育間伐處理與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，與中度撫育間伐處理間差異不顯著；>20～40 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的土壤最大持水量分別比對照處理提高了4.59%、28.38%、21.61%，土壤非毛管持水量分別比對照處理提高了8.29%、29.55%、65.54%。多重比較分析顯示，中度撫育間伐處理的土壤最大持水量與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，與強度撫育間伐處理間差異不顯著。強度撫育間伐處理的土壤非毛管持水量與弱度撫育間伐處理、對照處理間差異顯著，與中度撫育間伐處理間差異不顯著。結果表明，適當?shù)膶t松林做撫育間伐處理，有利于提高土壤持水能力。

3.2.2不同撫育間伐強度的土壤入滲系數(shù)的變化

地表徑流可以通過入滲作用轉化為壤中流、地下徑流，以實現(xiàn)理水調洪的功能。由此可見，土壤入滲對蓄水保土作用較大，是影響土壤水源涵養(yǎng)功能的又一重要指標[14]。

比較不同撫育間伐強度處理下紅松林土壤入滲系數(shù)(見表4)可以得出，土壤入滲系數(shù)0～20 cm土層高于>20～40 cm土層。此外，各土層條件下，土壤入滲系數(shù)與撫育間伐強度間呈顯著正相關關系。0～20 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的入滲系數(shù)分別是對照處理的2.81、3.45、4.99倍；>20～40 cm土層，弱度、中度、強度撫育間伐處理的入滲系數(shù)分別是對照處理的4.80、4.45、5.11倍。多重比較分析結果表明，各土層條件下，弱度、中度、強度撫育間伐處理的土壤入滲系數(shù)均顯著高于對照處理。說明適當?shù)膶t松林做撫育間伐處理，有利于改善土壤入滲性能。

表4　不同土層不同撫育間伐強度樣地的土壤入滲系數(shù)

注：表中數(shù)值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母代表同一土層間差異顯著(P<0.05)。

4結論與討論

本研究通過對遼東山區(qū)人工紅松林經(jīng)多次撫育間伐處理后的土壤物理性質進行測定，結果顯示撫育間伐強度能夠顯著的改善土壤密度、土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。這一研究結果與前人基本相同，賈忠奎等[3]對北京山區(qū)側柏人工林的研究表明，撫育間伐能夠降低土壤密度、增加土壤蓄水量；王利東[15]對華北落葉松人工林的研究表明，土壤飽和含水量、土壤田間持水量及土壤孔隙度等物理性質指標受間伐強度影響明顯。原因是間伐的強度、間隔期、方式等會不同程度的影響到林分的生境，導致林木根系生長、林下土壤內動物(蚯蚓等)活動等發(fā)生改變，進而使植物群落多樣性及土壤理化性質發(fā)生變化[16-18]。

林地土壤作為森林水文功能的一個重要發(fā)揮主體，主要是通過其自身強大的保蓄水能力及滲透作用來實現(xiàn)理水、調洪、保土等生態(tài)功能[19-20]。土壤持水量及土壤入滲系數(shù)作為評價土壤持水性能(水源涵養(yǎng)功能)的兩個重要指標，以往研究均表明其受林分密度影響很大，如賈芳等[13]、李侃等[14]的研究結果均表明對林分做適宜的撫育間伐處理能夠增加林地土壤水樣源涵養(yǎng)功能。本研究所得結論與之相符，即土壤最大持水量、非毛管持水量及土壤入滲系數(shù)均會受到撫育間伐強度的顯著影響。

因此，適宜的間伐撫育對人工紅松林土壤物理性質及持水特性具有改善作用，但要確定紅松生長周期內各年齡階段所對應的最適宜密度應結合土壤肥力水平、林下植物多樣性指數(shù)、林木生長狀況、出材率、凈化大氣環(huán)境等多個經(jīng)濟及生態(tài)價值指標進行綜合評定。

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收稿日期：2015年9月16日。

第一作者簡介：祁金虎，男，1988年5月生，遼寧省森林經(jīng)營研究所，助理工程師。E-mail：qijinhu2008@163.com。

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404303)；遼寧省科學技術計劃項目(20121149)；林業(yè)科技創(chuàng)新平臺運行補助項目(2015-LYPT-DW-048)。

責任編輯：王廣建。