間伐對杉木人工林凋落物-土壤碳氮磷含量及儲量的影響

黃鳳生，袁健軍，余雪琴

（1.浙江省開化縣林業(yè)局，浙江 開化 324300；2.浙江誠川建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311400；3.浙江省開化縣林場，浙江 開化 324300）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是生態(tài)系統(tǒng)最主要的3 種元素，與植物結(jié)構(gòu)及生長密切相關(guān)[1-3]。植物生長所需大部分養(yǎng)分來自土壤，土壤對植物生長具有調(diào)節(jié)作用[4-5]。植物光合作用固定的C 以凋落物分解的形式輸入到土壤中，使得土壤C 得到補(bǔ)給。凋落物分解是連接植被和土壤的紐帶，人工林經(jīng)營管理影響凋落物輸入和輸出過程[6-7]。因此，森林經(jīng)營管理往往導(dǎo)致凋落物-土壤養(yǎng)分含量的時(shí)空變化以及C，N 和P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系的變化[8-9]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國亞熱帶地區(qū)最主要的用材樹種之一，不僅生長快，而且材質(zhì)優(yōu)良，栽培面積大，占現(xiàn)有人工林面積的19.01%，在木材生產(chǎn)和生態(tài)安全中發(fā)揮著重要作用。間伐是主要的人工林經(jīng)營技術(shù)措施之一，通過降低林分密度，改善林分結(jié)構(gòu)和種間關(guān)系，減小樹木間的競爭，促進(jìn)保留木的生長[10]。森林凋落物是土壤養(yǎng)分的主要來源，對于維持森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡至關(guān)重要[11]。已有研究表明，間伐改變了林內(nèi)微環(huán)境，進(jìn)而影響地上、地下凋落物的產(chǎn)量、質(zhì)量和分解[12-14]。撫育間伐可以促進(jìn)凋落物分解，是緩解針葉凋落物過分積累的主要措施之一。油松Pinus tabuliformis人工林間伐后葉凋落物分解速率可提高0.15%～ 1.87%，養(yǎng)分歸還量可提高2.87～ 3.64 倍[15]。此外，由于間伐改變了土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程，對土壤碳儲量及養(yǎng)分含量有重要影響[8]。但是，目前多數(shù)研究主要關(guān)注間伐后短期內(nèi)凋落物分解和土壤質(zhì)量的變化，而間伐對凋落物-土壤C，N 和P 的儲量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系的長期影響則知之甚少。本研究在浙江省開化縣林場以間伐7 年后的杉木人工林為研究對象，研究不同間伐處理對凋落物和土壤C，N 和P 含量、儲量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系的影響，為杉木人工林養(yǎng)分循環(huán)過程研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在浙江省開化縣林場，118°25′ E，29°09′ N，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.4℃，年平均降水量1 814 mm，無霜期252 d，年日照總時(shí)數(shù)1 334.1 h，海拔 180～ 300 m。土壤為紅黃壤，pH 值在4.2～ 4.7。林場森林總面積1.26 萬hm2，主要以經(jīng)營杉木為主，杉木人工林面積占林地總面積的60%以上。

供試林分為1996 年采用杉木優(yōu)良無性系營造的純林，初植密度為2 500 株·hm-2，造林后前3 年每年撫育2次。2003 年進(jìn)行1 次撫育間伐（間伐強(qiáng)度約15%）。2010 年進(jìn)行第2 次間伐，分別設(shè)置輕度間伐（18%間伐強(qiáng)度，LT，以株數(shù)計(jì)，下同）、中度間伐（32%間伐強(qiáng)度，HT）和不間伐（CK）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)，所有試驗(yàn)位于同一坡面，試驗(yàn)小區(qū)立地條件基本一致。2017 年11 月每木檢尺小區(qū)內(nèi)杉木樹高和胸徑。結(jié)果顯示，CK，LT 和HT 的保留密度分別為1 805，1 436 和1 102 株·hm-2，平均樹高分別為16.1，16.3 和16.7 m，平均胸徑分別為18.5，18.9 和20.2 cm。

1.2 數(shù)據(jù)收集和分析

2017 年11 月，在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m的樣方5 個(gè)，收集樣方內(nèi)所有凋落物，稱鮮質(zhì)量后，取一部分凋落物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用于含水量和化學(xué)性質(zhì)測定。同時(shí)在每塊樣地內(nèi)采用直徑4 cm的土鉆，采集0～ 20 cm土層土壤樣品，每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)采集6～ 8 個(gè)樣點(diǎn)的土樣，同一樣地土樣混合后作為一個(gè)混合樣。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。每個(gè)樣地內(nèi)采用環(huán)刀取3 個(gè)樣品，用于土壤容重測定。凋落物有機(jī)碳（litter organic carbon，LOC）和土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，總氮（total nitrogen，TN）采用凱氏定氮法測量，總磷（total phosphorus，TP）用鉬藍(lán)比色法，土壤易氧化有機(jī)碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）采用高錳酸鉀氧化法測定，水解氮（Hydrolyzed nitrogen，HN）采用堿解擴(kuò)散吸收法，有效磷（available phosphorus，AP）用鉬銻抗比色法[16]。

單位面積凋落物C，N 和P 儲量用樣方內(nèi)元素含量乘以面積進(jìn)行計(jì)算，土壤C，N 和P 儲量計(jì)算公式為：

式中，S為C，N 或P 儲量；A為C，N 或P 含量；ρ為土壤容重；D為土層深度。

不同間伐處理之間凋落物和土壤C，N 和P 含量及其儲量的差異采用SPSS 22.0 的單因素方差分析檢驗(yàn)，并進(jìn)行Duncan 多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物和土壤的LOC，SOC，TN，TP 含量及儲量的變化

由表1 可知，地表凋落物生物量隨間伐強(qiáng)度增大呈增加趨勢，但不同間伐處理之間凋落物生物量之間沒有顯著差異（P>0.05）；凋落物L(fēng)OC，TN，TP 含量及其儲量在不同間伐處理之間也沒有顯著差異（P>0.05）。

表1 杉木林不同間伐處理凋落物的生物量，LOC，TN，TP 含量及儲量Table 1 Biomass,content and storage of LOC,TN and TP of C.lanceolata litter under plantations with different thinning intensities

由表2 可知，土壤容重隨間伐強(qiáng)度增大逐漸降低，LT 與CK 之間土壤容重沒有顯著差異（P>0.05），HT處理土壤容重比CK 降低了9.7%（P<0.05）。土壤SOC 含量隨間伐強(qiáng)度增加逐漸增大，僅HT 處理的土壤SOC含量顯著高于CK（P<0.05）。土壤SOC 儲量、TP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）。土壤TN 含量及其儲量隨間伐強(qiáng)度增大而增加，LT 和HT 處理土壤TN 含量分別比CK 增加了35.7%和55.5%，土壤TN 儲量分別比CK 增加了30.2%和40.7%；僅HT 與CK 之間具有統(tǒng)計(jì)上的顯著差異（P<0.05）。

表2 杉木林不同間伐處理土壤SOC，TN，TP 含量及儲量Table 2 Content and storage of SOC,TN and TP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

土壤ROC，AP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）（表3）。土壤HN 含量及其儲量隨間伐強(qiáng)度增大而增加，LT 和HT 處理的土壤HN 含量分別比CK 增加了28.9%和45.4%，土壤HN 儲量分別比CK 增加了23.7%和32.3%；僅HT 處理與CK 之間具有統(tǒng)計(jì)上的顯著差異（P<0.05）。

表3 杉木林不同間伐處理的土壤ROC，HN，AP 含量及儲量Table 3 Content and storage of ROC,HN and AP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

2.2 凋落物和土壤中的C，N，P 的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

由圖1 表明，凋落物的OC/TN，OC/TP 和TN/TP 在不同間伐處理之間沒有顯著差異（P>0.05）。SOC，TN和TP 的計(jì)量關(guān)系在不同間伐處理之間也沒有統(tǒng)計(jì)上的顯著差異（P>0.05）。由圖2 表明，土壤ROC/HN 隨間伐強(qiáng)度增大逐漸降低，HT 處理的ROC/HN 與CK 之間差異顯著（P<0.05）；HN/AP 則隨間伐強(qiáng)度增大逐漸增加，HT 處理的HN/AP 與CK 之間差異顯著（P<0.05）；ROC/AP 在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）。

圖1 杉木林不同間伐處理凋落物和土壤C，N 和P 含量的計(jì)量關(guān)系Figure 1 Stoichiometry of C,N,and P content in litter and soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

圖2 杉木林不同間伐處理土壤ROC，HN 和AP 含量的計(jì)量關(guān)系Figure 2 Stoichiometry of ROC,HN,and AP in soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

3 結(jié)論與討論

間伐降低了林分密度，改變了林分空間結(jié)構(gòu)，從而影響凋落物分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，間伐7 年后，地表凋落物生物量，C，N 和P 元素含量及儲量在不同間伐處理之間沒有顯著差異。已有研究表明，間伐后林木株數(shù)減少，冠層郁閉度降低，短期內(nèi)提高了地表溫度，有助于凋落物的分解[11-12]。間伐后的林分，林木個(gè)體之間競爭減小，保留木快速生長，通過一段時(shí)間恢復(fù)，林分凋落物輸入量逐漸接近未間伐林分，因而導(dǎo)致凋落物生物量與未間伐林分之間沒有差異。凋落物養(yǎng)分含量（如C/N，N/P 等）主要取決于凋落物的組成，間伐7 年后的林分地表凋落物與未間伐林分凋落物組成類似，均以杉木葉、枝為主，這可能是導(dǎo)致不同間伐處理凋落物養(yǎng)分含量沒有顯著差異的主要原因。但是，丁曉東等[7]對華北落葉松Larix gmeliniivar.principis-rupprechtii人工林間伐試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50%間伐處理的林分6 年后凋落物生物量增加了17.25%，TN 含量增加了31.94%。李國雷等[15]的研究也表明，間伐可顯著提高油松凋落物TN 含量，降低木質(zhì)素和粗脂肪含量，從而促進(jìn)油松凋落物的分解。這些不同的研究結(jié)果可能與樹種、間伐強(qiáng)度、間伐后持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。

本研究結(jié)果表明，土壤SOC，ROC，TP 和AP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著，但土壤TN和HN 含量及其儲量隨間伐強(qiáng)度增大顯著增加。陳立新和陳祥偉[6]的研究也表明，落葉松人工林間伐15 年間，土壤有機(jī)質(zhì)、TN 和TP 含量是未間伐處理的3.52 倍、2.25 倍和1.35 倍。刁嬌嬌等[10]研究發(fā)現(xiàn)，杉木間伐7 年后，強(qiáng)度間伐、中度間伐和輕度間伐處理土壤層C 儲量高于對照，尤其是輕度間伐土壤層C 儲量增幅最大。于海群等[17]研究表明，油松人工林隨間伐強(qiáng)度增大，土壤SOC 含量逐漸增加。這些研究認(rèn)為間伐后土壤SOC 含量及儲量的增加主要是林下植被改變和凋落物分解速率增加，促進(jìn)了土壤SOC 的輸入和積累。本研究不同間伐處理之間土壤C，P 的儲量沒有差異，可能與間伐后林木快速生長，不同間伐處理之間凋落物輸入量接近有關(guān)。

盡管土壤TN含量顯著增加，但土壤SOC，TN及TP之間比值在不同間伐處理間并沒有顯著差異。土壤SOC，TN 及TP 之間化學(xué)計(jì)量關(guān)系保持較小的變異，可能與間伐后土壤C，N 和P 元素變化具有協(xié)同作用有關(guān)。研究表明，不同區(qū)域土壤C/N 具有較大的空間變異性，但C/N 在積累和消耗過程中具有相對穩(wěn)定的比值[18]。ROC/HN隨間伐強(qiáng)度增大逐漸降低，HN/AP 則隨間伐強(qiáng)度增大逐漸增加，這也減少了土壤N 的礦化。由此可見，間伐7年后，杉木凋落物和土壤OC，TN 和TP 的生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系不受間伐處理的影響，但中度間伐處理土壤C，N和P 速效組分生態(tài)化學(xué)計(jì)量發(fā)生顯著變化。