間伐對(duì)杉木葉凋落物和細(xì)根分解的影響

余士香 黃鳳生成向榮

（1浙江省開(kāi)化縣林業(yè)局 324300；2中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所 浙江富陽(yáng)311400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國(guó)南方地區(qū)最主要的造林樹(shù)種，材質(zhì)好，用途廣，具有悠久的栽培歷史。根據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)，目前杉木林面積1096萬(wàn)hm2，占森林總面積的6.66%，蓄積量7.26億m3。間伐作為一種重要的營(yíng)林技術(shù)措施，通過(guò)調(diào)整林分密度，改善林分結(jié)構(gòu)和種間關(guān)系，在人工林培育過(guò)程中具有重要的作用。許多研究發(fā)現(xiàn)，間伐改變了林分冠層結(jié)構(gòu)，短期內(nèi)導(dǎo)致林內(nèi)光照、水分和溫度的變化，進(jìn)而影響地上/地下凋落物的產(chǎn)量、質(zhì)量和分解[1-2]。森林凋落物分解是植被向土壤輸入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要途徑，也是生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分平衡的重要因素[2]。研究表明，凋落物分解釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以供給森林生長(zhǎng)需求量的 69%～87%[3]。通常認(rèn)為，間伐強(qiáng)度增大將加速凋落物分解，導(dǎo)致凋落物產(chǎn)量降低[4]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度間伐降低了葉凋落物分解速率[5]?？梢?jiàn)，不同的間伐處理對(duì)凋落物分解影響也不盡相同。林娜等[1]評(píng)述了撫育間伐對(duì)人工林凋落物分解的影響，指出在相同氣候帶內(nèi)凋落物性質(zhì)對(duì)分解過(guò)程有重要影響。Kunhamu 等[6]研究表明，間伐降低了凋落物中N、P、K含量。盡管?chē)?guó)內(nèi)外已開(kāi)展了許多間伐對(duì)凋落物分解影響的研究，但多數(shù)研究主要關(guān)注葉凋落物分解過(guò)程和養(yǎng)分循環(huán)[7-10]，地下凋落物分解的研究相對(duì)較少，間伐對(duì)杉木地上/地下凋落物分解影響的研究更是少見(jiàn)。為此，在浙江省開(kāi)化縣林場(chǎng)，以間伐2年后的杉木人工林為研究對(duì)象，研究未間伐、中度間伐和強(qiáng)度間伐處理對(duì)地上/地下凋落物性質(zhì)和分解速率的影響，以期為杉木人工林經(jīng)營(yíng)管理和養(yǎng)分循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于浙江省開(kāi)化縣林場(chǎng)城關(guān)分場(chǎng)（東經(jīng)118°25′，北緯29°09′）。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫16.4℃，年平均降雨量1814 mm，無(wú)霜期252d，年日照總時(shí)數(shù)1334.1 h，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。海拔 180～300 m，土壤為紅黃壤，土層厚度80 cm以上，質(zhì)地疏松，平均坡度18o。

1.2 間伐試驗(yàn)

試驗(yàn)林分為 17年生杉木純林，初植密度為2500株/hm2，2006年進(jìn)行1次撫育間伐（間伐強(qiáng)度約18%）。2011年春季進(jìn)行第2次間伐，分別設(shè)置中度間伐（20%間伐強(qiáng)度，以株數(shù)計(jì)）、強(qiáng)度間伐（37%間伐強(qiáng)度，以株數(shù)計(jì)）和不間伐3種處理，每種間伐處理小區(qū)面積20 m×20 m，3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。2012年10月調(diào)查結(jié)果顯示，未間伐、中度間伐和強(qiáng)度間伐保留密度分別為1775、1408、1114株/hm2，平均樹(shù)高分別為14.5、14.8、14.9 m，平均胸徑分別為 17.6、18.5、19.1 cm。

1.3 凋落物分解實(shí)驗(yàn)

2012年 12月，在每塊樣地內(nèi)設(shè)置 5個(gè)1m×1m的凋落物收集框，收集葉凋落物然后烘干。同時(shí)在每塊樣地內(nèi)設(shè)置8個(gè)50cm×50cm小樣方，清除地表植被和凋落物，挖掘收集0-20cm土層內(nèi)的杉木細(xì)根（直徑＜2mm），根據(jù)根系顏色和彈性，挑選活的細(xì)根。細(xì)根帶回實(shí)驗(yàn)室后清洗干凈，烘干至恒重。將烘干的葉凋落物裝入15cm×25cm的尼龍網(wǎng)袋（孔眼直徑1mm2），每袋10g，每個(gè)樣地放置30袋，共270袋。烘干的細(xì)根裝入 10cm×15cm的尼龍網(wǎng)袋（孔眼直徑0.1mm），每袋2g，每個(gè)樣地放置30袋，共270袋。葉凋落物分解袋平鋪在地表，直接接觸土壤表面；細(xì)根分解袋放置在地表土壤10cm深度處，然后覆土。分別在第90d、180d、270d、360d、540d和720d取樣，每次葉凋落物和細(xì)根各5袋，烘干稱(chēng)重后計(jì)算殘留率。

實(shí)驗(yàn)前葉凋落物和細(xì)根樣品中總有機(jī)碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，全氮（TN）含量采用凱氏定氮法，全磷（TP）含量用鉬藍(lán)比色法，全鉀（TK）含量用火焰光度法測(cè)量[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別計(jì)算不同間伐處理下葉凋落物和細(xì)根干重殘留率(L)、平均腐解率( k )、分解半衰期( t0.5，分解50% 所需時(shí)間)和分解95% 所需時(shí)間( t0.95)等指標(biāo)。

葉凋落物（Ll）或細(xì)根（Lr）干重殘留率采用下式計(jì)算：

式中，m0為葉凋落物或細(xì)根的初始干重，mt為分解t天時(shí)葉凋落物或細(xì)根的干重。

葉凋落物或細(xì)根平均腐解率（k）采用Olson指數(shù)衰減模型[12]計(jì)算：

式中，X為葉凋落物或細(xì)根分解的殘留率；m0為葉凋落物的初始干質(zhì)量； mt為分解t天時(shí)葉凋落物或細(xì)根干重；k為葉凋落物或細(xì)根平均腐解率；a為修正系數(shù)。

本試驗(yàn)圖表采用 Excel 2013制作，不同間伐處理之間葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量及分解速率差異采用SPSS19.0的單因素方差分析來(lái)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量

從表1可以看出，葉凋落物和細(xì)根總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TP）和總鉀（TK）含量在 3種間伐處理之間均沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）。葉凋落物中 TOC含量在不同間伐處理之間變異最小，變異系數(shù)僅為 1.0%；TK的含量變異最大，達(dá)17.5%；TN和TP含量在不同處理之間變異系數(shù)也相對(duì)較小。細(xì)根中TP含量在不同間伐處理之間變異系數(shù)最大，達(dá)22.2%；其他3種元素含量變異系數(shù)相對(duì)較小。盡管葉凋落物和細(xì)根4種主要營(yíng)養(yǎng)元素含量在不同間伐處理之間沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著差異，但間伐對(duì)葉凋落物鉀元素含量影響較大，而對(duì)細(xì)根磷元素含量影響較大?？傮w上，間伐后短期內(nèi)（2年）葉凋落物和細(xì)根的TOC、TN、TP和TK含量不受間伐處理影響。

表13 種間伐處理葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量變化

2.2 葉凋落物分解特征

不同間伐處理葉凋落物隨時(shí)間變化的分解特征見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，第90d時(shí)3種間伐處理之間葉凋落物分解速率沒(méi)有明顯差異，從180d開(kāi)始強(qiáng)度間伐處理分解速率顯大，此后一直持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。720d時(shí)中度和著增強(qiáng)度間伐處理葉凋落物干重殘留率分別為未間伐處理的91.9%和80.9%。中度和強(qiáng)度間伐處理日平均腐解率比未間伐處理高13.0%和35.1%（表2）。中度和強(qiáng)度間伐處理葉凋落物分解半衰期和分解 95%所需的時(shí)間分別為未間伐處理的86.0%、72.7%和87.8%、74.0%。間伐后短期內(nèi)，隨間伐強(qiáng)度增加葉凋落物分解加快，這主要與間伐降低了林分冠層郁閉度，增加了林地土壤溫度，促進(jìn)了微生物活性，進(jìn)而增加了凋落物分解。

圖1 不同間伐處理葉凋落物干重分解變化（*表示差異顯著，下同）

表2 不同間伐處理葉凋落物分解過(guò)程中的Olson指數(shù)模型和平均腐解率

2.3 細(xì)根分解特征

細(xì)根分解的干重殘留率在第90d時(shí)3種間伐處理之間沒(méi)有顯著差異，此后隨間伐強(qiáng)度的增大干重殘留率減少，表明隨間伐強(qiáng)度增加，杉木細(xì)根分解速率加快。 720d時(shí)中度和強(qiáng)度間伐處理細(xì)根干重殘留率分別為未間伐處理的 84.7%和 81.4%。中度和強(qiáng)度間伐處理日平均腐解率比未間伐處理高 31.7%和 44.9%（表3）。中度和強(qiáng)度間伐處理細(xì)根分解半衰期和分解 95%所需的時(shí)間分別為未間伐處理 79.6%、67.4%和75.6%、69.0%。由此可見(jiàn)，間伐強(qiáng)度顯著影響細(xì)根的分解動(dòng)態(tài)。

圖2 不同間伐處理細(xì)根干重分解的變化

表3 不同間伐處理細(xì)根分解過(guò)程中的Olson指數(shù)模型和平均腐解率

3 結(jié)論與討論

間伐改變了林分微氣象環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)空間，導(dǎo)致林木各器官中養(yǎng)分含量發(fā)生相應(yīng)變化[1]。有研究指出，凋落物分解過(guò)程中前期分解速率受N 控制，N含量越高，分解速度越快；后期分解速率受木質(zhì)素濃度或木質(zhì)素/N比制約[13-14]。Kunhamu 等[6]指出，間伐降低了凋落物中N、P、K的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，中度和強(qiáng)度間伐2年后的杉木葉凋落物和細(xì)根TOC、TN、TP和 TK含量與未間伐林分之間沒(méi)有顯著差異。而在江蘇溧水林場(chǎng)的研究表明，僅70%間伐強(qiáng)度的杉木林間伐7年后葉凋落物TN含量顯著低于未間伐林分[5]。這些不同的結(jié)果一方面與樹(shù)種特性有關(guān)，另外與間伐強(qiáng)度和間伐后持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。

短期內(nèi)不同間伐處理葉凋落物分解速率沒(méi)有差異，半年后隨間伐強(qiáng)度的增加，葉凋落物分解速率顯著增大。葉凋落物分解前的化學(xué)性質(zhì)對(duì)前期分解沒(méi)有影響，分解過(guò)程可能更多受環(huán)境因素的影響。間伐后林冠郁閉度降低，改善了林內(nèi)的光照條件，增加了林地土壤溫度，有利于增強(qiáng)微生物和酶活性，從而加速凋落物分解[15]。此外，間伐后林下紫外線透射增強(qiáng)，提高了凋落物中木質(zhì)素光降解作用，也促進(jìn)了凋落物分解[16]。但肖文婭等[5]研究發(fā)現(xiàn)，中度間伐強(qiáng)度的杉木林分內(nèi)葉凋落物分解最快，輕度間伐次之，強(qiáng)度間伐將減緩杉木葉凋落物的分解。他們認(rèn)為強(qiáng)度間伐（70%）處理可能導(dǎo)致土壤濕度降低而改變了土壤動(dòng)物和微生物的種類(lèi)組成、數(shù)量和活性，進(jìn)而抑制凋落物分解。因此，適宜的間伐強(qiáng)度對(duì)維持林分養(yǎng)分循環(huán)，促進(jìn)林分持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

間伐后細(xì)根的分解速率也隨間伐強(qiáng)度增加而增大，但細(xì)根平均腐解率低于葉凋落物。這可能是因葉凋落物位于地表，受林內(nèi)微氣象環(huán)境的影響較大，而細(xì)根在土壤中，間伐后土壤環(huán)境的變化弱于地表。盡管如此，相對(duì)于未間伐處理，間伐后細(xì)根平均腐解率的增加率高于葉凋落物平均腐解率的增加率，表明間伐更有利于細(xì)根的分解。本研究中杉木細(xì)根分解速率低于金釗等[7]在福建省萬(wàn)木林自然保護(hù)區(qū)的研究結(jié)果，不同的土壤、氣候和林分條件可能是造成這種差異的主要原因。已有的研究主要集中在地上凋落物的分解，間伐對(duì)根系，尤其是細(xì)根分解的影響偏少，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究。此外，本文僅開(kāi)展了間伐后地上/地下凋落物分解前性質(zhì)以及分解過(guò)程的研究，地上/地下凋落物分解過(guò)程中相互作用關(guān)系也是今后值得深入研究的內(nèi)容。

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