間伐對光皮樺人工林生長及土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

潘秉林，王振宇，楊 梅，劉世男

(1.廣西壯族自治區(qū)國有雅長林場，廣西 百色 533209；2.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

作為一種森林經(jīng)營的重要手段，撫育間伐通過調(diào)節(jié)林分群落結(jié)構(gòu)、物種組成和生境條件，影響林分生產(chǎn)力和土壤肥力[1-2]，降低林分密度、減少林木間競爭、釋放營養(yǎng)空間和改善光照環(huán)境，為留存木創(chuàng)造適宜的生長條件，從而促進(jìn)林木生長，縮短培育周期[3].間伐強(qiáng)度、間伐開始期、間隔期等技術(shù)措施影響林分生長及生產(chǎn)力.適宜的間伐強(qiáng)度通過降低林分密度，擴(kuò)大保留木的營養(yǎng)空間，能夠最大限度地平衡林分資源和林木生長，從而有效促進(jìn)單株胸徑生長.單株材積隨間伐強(qiáng)度的增大而增加，林分密度越小，單株材積越大[4-5].由于間伐改善了林分小氣候條件，可加速林下凋落物分解，有利于提高土壤肥力[2，6]，但也有報(bào)道[7]顯示，撫育間伐降低了土壤肥力，如間伐15 a后北美喬松林林內(nèi)土壤營養(yǎng)元素含量降低.不同的林分類型、樹種、生長階段、林分密度以及氣候條件對林分光照、濕度、溫度等環(huán)境因子產(chǎn)生影響，使間伐強(qiáng)度的效果也有所不同.因此，應(yīng)根據(jù)林分的不同生長階段選擇合適的間伐強(qiáng)度[8].有學(xué)者[9]對西南樺林分密度及間伐與施肥的綜合效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，隨著間伐強(qiáng)度的增加，西南樺的平均胸徑、冠幅、單株材積均與間伐強(qiáng)度呈正相關(guān)，而樹高和林分蓄積量未發(fā)生明顯變化；西南樺造林的初植密度和間伐后的密度分別以1 665～1 335株/hm2和900～1 050株/hm2最佳，這一結(jié)果對開展光皮樺人工林的間伐試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義.

光皮樺(Betulaluminifera)又名亮葉樺、亮皮樹、樺角，為樺木科(Betulaceae)樺木屬(Betula)落葉喬木，屬我國特有的優(yōu)良速生珍貴用材樹種[9].目前，國內(nèi)外已有一些光皮樺生物學(xué)特性、育苗與造林技術(shù)、種群生態(tài)學(xué)及遺傳育種等方面的研究報(bào)道[10-13].光皮樺在廣西主要分布在桂北、桂西北，是最主要的次生落葉闊葉林建群種，多為采伐跡地、火燒跡地、新開公路邊及游耕地、撂荒地等次生裸地的天然更新次生林[14].近年來，營造了一些光皮樺人工林，目前多數(shù)已進(jìn)入中、幼齡階段，林分開始出現(xiàn)分化和自然稀疏現(xiàn)象，原有的營養(yǎng)空間已不能滿足林木需求，林木生長緩慢，亟須開展撫育間伐，降低林分密度，改善林木生長條件.因此，本次研究以廣西樂業(yè)縣國有雅長林場13 a生光皮樺為研究對象，探討不同撫育間伐強(qiáng)度對光皮樺林分生長和林地土壤的影響，為制定光皮樺林合理的經(jīng)營技術(shù)措施提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)國有雅長林場九龍分場36林班31小班.地處北緯24°85′～24°95′，東經(jīng)106°39′～106°39′.該地屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，干濕季節(jié)明顯.年平均氣溫16.3 ℃左右，極端最高氣溫34 ℃，極端最低氣溫-5.3 ℃，年降水量1 100～1 500 mm，相對濕度83%，4—10月為雨季，11月至次年5月為旱季.

試驗(yàn)地地貌類型以丘陵為主，海拔1 426 m，位于山坡的中上部，坡度為41°，坡向?yàn)闁|坡.土壤主要為黃壤和黃紅壤，土壤厚度90 cm以上，枯枝落葉層10～15 cm.試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的林下灌木主要有鹽膚木(Rhuschinensis)、野牡丹(Melastomacandidum)、余甘子(Phyllanthusemblica)、烏飯樹(Vacciniumbracteatum)等；草本常見有石珍芒(Arundinellanepalensis)、龍須草(Eulaliopsisbinata)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)等.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地設(shè)置

在試驗(yàn)地中選擇立地條件相似的13 a生人工光皮樺純林，于2004年5月造林，株行距為2 m×3 m，初始造林密度為1 665株/hm2.2012年實(shí)施間伐時(shí)，林分保留造林密度為1 083株/hm2.按照留優(yōu)去劣、間密留勻、兼顧株間距的原則，在2012年12月對林分進(jìn)行了不同強(qiáng)度的撫育間伐(主要除去平均木以下的個(gè)體)，將人為經(jīng)營干擾等級劃分為強(qiáng)度間伐、中度間伐、弱度間伐及未間伐對照區(qū)，分別為公頃保留583株(46.2%)、800株(26.4%)、900株(16.9%)和1 083株(CK).在每種間伐強(qiáng)度林地中設(shè)置3塊樣地(20 m×30 m)，于2017年10月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查及土壤樣品釆集.

1.2.2 林分生長調(diào)查

對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，測定胸徑、樹高，按以下公式計(jì)算光皮樺單株材積[15]：

V闊=0.527 643×10-4D1.882 161 1H1.009 316 6，

式中：V為單株材積，m3；D為胸徑，cm；H為樹高，m.

1.2.3 土壤樣品采集

分別在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置采樣點(diǎn)3處，按0～20 cm和20～40 cm土層分別采集土壤樣品，將相同標(biāo)準(zhǔn)地同一土層樣品充分混合，去除須根及雜物，用四分法取混合土壤約1 kg帶回室內(nèi)，經(jīng)自然風(fēng)干、剔雜、研磨、過篩和混勻后裝瓶保存，待測定土壤化學(xué)性質(zhì).

1.2.4 土壤養(yǎng)分含量測定

參照GB 7848～7858—78《森林土壤養(yǎng)分分析》測定土壤大量養(yǎng)分含量.全氮(N)含量采用凱氏定氮法測定，全磷(P)含量采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，全鉀(K)含量采用火焰光度法測定，速效磷(P)含量采用碳酸氫鈉法測定，速效鉀(K)含量采用醋酸銨提取-火焰光度法測定，銨態(tài)氮(NH4-N)含量采用氧化鎂浸提-擴(kuò)散法測定，利用pH計(jì)測定土壤酸堿度.

1.2.5 土壤酶活性測定

參考《土壤酶及其研究法》[16]，采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性，3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，靛酚比色法測定土壤脲酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定土壤酸性磷酸酶活性.

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010和SPSS 21.0軟件對光皮樺在不同間伐強(qiáng)度下林木生長以及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD最小顯著差異法分析差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間伐強(qiáng)度對光皮樺生長的影響

不同間伐強(qiáng)度光皮樺生長狀況見表1.由表1可知：在林齡為8 a的光皮樺人工林實(shí)施撫育間伐5 a后，隨著撫育間伐強(qiáng)度的加大，光皮樺樹高、胸徑、單株材積隨之增加.其中，在強(qiáng)度間伐下(583株/hm2)，樹高、胸徑和單株材積均高于其他間伐強(qiáng)度，分別為15.3 m、17.2 cm和0.181 1 m3/株，與對照相比，分別增加7.5%、2.0%和22.0%.由此說明，光皮樺在造林后第8年進(jìn)行間伐有利于林木個(gè)體營養(yǎng)面積的增加，需要通過強(qiáng)度間伐釋放環(huán)境資源空間以促進(jìn)林木生長.但由于株數(shù)減少，導(dǎo)致林分蓄積量隨著間伐強(qiáng)度的增大而呈現(xiàn)遞減趨勢.

表1 不同間伐強(qiáng)度光皮樺生長狀況

注：表中數(shù)據(jù)為各間伐強(qiáng)度3次重復(fù)平均值；同一指標(biāo)下，不同小寫字母表示各間伐強(qiáng)度間具有顯著差異(P<0.05).下同.

對不同間伐強(qiáng)度下光皮樺的胸徑、樹高、材積進(jìn)行方差分析，判斷光皮樺的胸徑、樹高、單株材積生長是否有顯著變化.結(jié)果表明：不同間伐強(qiáng)度下，光皮樺林分在胸徑、單株材積和蓄積量上與對照之間均存在顯著差異(P<0.05)，表明間伐對光皮樺林分生長發(fā)揮了重要作用，尤其是對林分胸徑生長具有顯著的促進(jìn)作用，且間伐強(qiáng)度越大促進(jìn)效果越明顯，但各處理之間樹高均不存在顯著性差異，而林分蓄積量呈現(xiàn)顯著降低趨勢.

2.2 不同間伐強(qiáng)度對光皮樺徑級分布的影響

從胸徑的徑級頻率分布來看，間伐顯著增加了大胸徑光皮樺單株在林分內(nèi)所占比例，見表2.隨著間伐強(qiáng)度的增大，在20 cm≤DBH<25 cm較大徑級范圍內(nèi)，光皮樺單株出現(xiàn)頻率有逐漸升高的趨勢.其中，強(qiáng)度間伐差異達(dá)顯著水平；在小徑級5 cm≤DBH<10 cm內(nèi)，隨間伐強(qiáng)度的增大，光皮樺單株出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，未間伐林分光皮樺單株出現(xiàn)頻率顯著高于其他3個(gè)間伐處理；在中等徑級15 cm≤DBH<20 cm范圍內(nèi)，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢.在中等間伐強(qiáng)度處理下，出現(xiàn)頻率最高且顯著高于強(qiáng)度間伐和未間伐林分.另外，僅強(qiáng)度間伐的光皮樺林分出現(xiàn)樹干直徑大于25 cm的單株，所有林分中均未出現(xiàn)胸徑低于5 cm的光皮樺單株.

表2 不同間伐強(qiáng)度13 a生光皮樺不同徑級頻率分布

2.3 不同間伐強(qiáng)度對林分土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.3.1 全氮和銨態(tài)氮含量

由圖1、圖2可見：在4種間伐處理下，除了強(qiáng)度間伐時(shí)全氮含量最大值在20～40 cm土層(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.879 g/kg)外，其余間伐強(qiáng)度下全氮、銨態(tài)氮含量都是0～20 cm土層土壤大于20～40 cm土層土壤.隨著間伐強(qiáng)度的增大，林分土壤全氮含量呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，且全氮含量以強(qiáng)度間伐林分最高，而銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為下降趨勢.方差分析結(jié)果顯示：不同間伐強(qiáng)度下各層土壤全氮含量皆存在顯著差異；銨態(tài)氮含量僅在20～40 cm土層土壤中達(dá)到顯著水平(P<0.05).

2.3.2 全磷和速效磷含量

間伐對土壤全磷含量表現(xiàn)出顯著影響.經(jīng)過間伐處理的林分0～20 cm土層土壤全磷含量大于20～40 cm土層土壤(見圖3)，且隨著間伐強(qiáng)度的增大，0～20 cm土層土壤全磷含量呈現(xiàn)下降趨勢，間伐顯著降低了土壤表層全磷含量.由圖4可見，間伐后林分土壤中速效磷含量顯著低于未間伐林分.依此可推測，間伐不利于磷素的富集，林木可吸收的速效磷含量減少.

2.3.3 全鉀和速效鉀含量

由圖5和圖6可知：未間伐林分、弱度間伐林分速效鉀含量隨著土層深度的增加而降低，中度間伐和強(qiáng)度間伐林分土壤中速效鉀含量則隨著土壤深度的增加而增大.較弱間伐強(qiáng)度林分土壤水分淋洗較少，從而使速效鉀元素富集于土壤表層.強(qiáng)度間伐林分土壤各層中全鉀含量明顯低于其他林分，土壤中全鉀含量為未間伐林分>弱度間伐林分>中度間伐林分>強(qiáng)度間伐林分.與對照相比，處理組0～20 cm土層中速效鉀含量表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(P<0.05).

2.3.4 土壤酶活性

由表3可見：隨著間伐強(qiáng)度的增大，0～20 cm土層中4種土壤酶(過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶)均呈顯著下降趨勢，而20～40 cm土層土壤中4種酶活性均呈先增大后減小的趨勢.由此表明，間伐在一定強(qiáng)度范圍有利于深層土壤酶活性的提高.20～40 cm土層土壤中4種酶活性最大值均出現(xiàn)在中度間伐林分中，其中，過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶分別高于未間伐林分41.6%、68.3%、201.8%、102.7%.土壤酶活性的增高有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化.

表3 不同間伐強(qiáng)度及土層的酶活性

3 討論與結(jié)論

3.1 適宜的間伐強(qiáng)度有利于光皮樺生長及大徑木形成

光皮樺適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱瘠薄，是裸地造林的速生先鋒樹種，對光照、養(yǎng)分等因子的變化敏感.林分中、幼林接近郁閉時(shí)，密度過大會導(dǎo)致林木個(gè)體對生活資源的競爭加劇，適當(dāng)采取合理強(qiáng)度的間伐可顯著改善光皮樺的生長.撫育間伐能夠促進(jìn)光皮樺胸徑和單株材積的增長，有利于改善林分徑級結(jié)構(gòu).在一定間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)，間伐強(qiáng)度愈大對林木直徑生長的促進(jìn)效應(yīng)就愈加明顯，且各間伐強(qiáng)度與對照間均存在顯著差異.有關(guān)西南樺[17]、遼東落葉松[18]、馬尾松[19]間伐和密度的研究顯示，間伐使林分密度降低，而密度對保留木直徑生長的促進(jìn)效應(yīng)與其獲得了更多的空間、養(yǎng)分等資源直接相關(guān)，而直徑又是不同密度下單株材積的決定因子，因此密度對單株材積生長的作用規(guī)律與對直徑生長的作用規(guī)律相同；林分樹高主要由樹種的遺傳特性和立地條件決定，其受間伐及密度的影響是非常有限的[19-22].

間伐可以顯著增加光皮樺次生林和興安落葉松天然林林分蓄積量[21，23]，但本研究中光皮樺人工林林分蓄積量呈顯著降低的趨勢.根據(jù)董建文等[24]、潘啟龍等[25]的研究，光皮樺人工林速生期比天然林早，且光皮樺人工林胸徑生長表現(xiàn)為前期生長較快、后期較慢的規(guī)律，胸徑連年生長量于1.1 a達(dá)到極大值，此后逐年遞減.本研究中，光皮樺人工林在8 a時(shí)進(jìn)行間伐，速生期內(nèi)密度效應(yīng)并未顯現(xiàn).不同間伐強(qiáng)度下胸徑生長差異達(dá)到顯著水平，加之伐去林木減少了株數(shù)量，所以最終導(dǎo)致林分蓄積量降低.林分蓄積量受樹種特性、林木個(gè)體生長、林分密度、立地質(zhì)量等因素的影響較大，國內(nèi)外有關(guān)間伐對林分蓄積影響的研究未能形成定論.例如段劼等[26]報(bào)道，在良好的立地條件下，林木生長快，減少密度后可為保留木提供充足的環(huán)境資源，與未間伐林分相比，中度間伐營造了適宜的地上和地下空間，明顯提高了側(cè)柏人工林的蓄積量，而弱度和強(qiáng)度間伐后的林分密度仍過大或過小，林木株數(shù)與個(gè)體生長之間的彼此消長使得林分蓄積量有所減少；而在較差的立地條件下，間伐后的側(cè)柏林分蓄積均低于未間伐的林分，環(huán)境資源仍不能滿足其生長的需要，加之株數(shù)減少，使林分蓄積量下降.林分蓄積量由平均單株材積和密度共同決定，這兩個(gè)因子互為消長.若保留木個(gè)體材積增加，但數(shù)量減少，在一定時(shí)期內(nèi)林分蓄積增長量尚不能彌補(bǔ)間伐所帶來的蓄積損失，表現(xiàn)為林分蓄積降低.因此，選擇合適的間伐強(qiáng)度應(yīng)考慮樹種特性、林分經(jīng)營目的、經(jīng)營周期，調(diào)整和確定合理的經(jīng)營密度，對于促進(jìn)林分生長至關(guān)重要.

3.2 合理間伐可改善光皮樺人工林土壤的養(yǎng)分狀況

撫育間伐在改變林分結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以引起林地內(nèi)小氣候條件(光、水、熱、氣等)變化，使樹木生長環(huán)境得到較大改善，促進(jìn)凋落物分解和土壤微生物活動，增強(qiáng)根系活力，提高養(yǎng)分循環(huán)速度，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的形成，從而使土壤地力得到維持和改良[28].間伐后的一段時(shí)期內(nèi)，由于林地表面的凋落物減少，使凋落物分解轉(zhuǎn)化形成的土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，而土壤溫度、水分的變化會加速土壤中有機(jī)質(zhì)的分解消耗.由于林木吸收或水土流失，引起土壤養(yǎng)分含量降低，但對不同樹種及不同林分類型的土壤會產(chǎn)生不同的影響.強(qiáng)度間伐減少了湖南會同杉木人工林不同土層全氮含量[28]，使大興安嶺林區(qū)興安落葉松人工林土壤全磷和全氮含量下降[27].在本研究中，間伐顯著降低了光皮樺林土壤全磷、全鉀含量，但土壤中全氮含量隨間伐強(qiáng)度的增大有所增加.一方面，是與光皮樺凋落葉易分解有關(guān)，間伐進(jìn)一步改善了林地內(nèi)光、水、熱條件，促進(jìn)了土壤微生物的活動，加速了死地被物的分解速率，有利于土壤中氮素的積累[28]；另一方面，也可能與光皮樺根系對養(yǎng)分的富集能力有關(guān).

撫育間伐后，光皮樺林分土壤銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量隨間伐強(qiáng)度的增大呈下降趨勢.人工林間伐后，林分光照條件的改善使林木生物量增加，而對礦質(zhì)元素需求的增長幅度更大，從而導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分含量減少[29].

3.3 光皮樺人工林土壤酶活性對間伐響應(yīng)敏感

森林土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程均需要借助于土壤酶的參與，其活性大小可作為判斷土壤肥力的指標(biāo)之一[30-31].同時(shí)，土壤酶對外界環(huán)境的變化非常敏感，間伐強(qiáng)度不同引起林分內(nèi)光照、溫度、濕度等環(huán)境因子的變化也不同，且地上凋落物改變、地下死根數(shù)量、根系擴(kuò)展程度對土壤微生物活動的影響也有所不同.在一定間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)，土壤酶活性與間伐強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系；超過一定間伐強(qiáng)度，土壤環(huán)境變化劇烈，酶活性呈下降趨勢[32-34].本研究中，20～40 cm土層土壤中過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性符合隨間伐強(qiáng)度增大先增加后降低的規(guī)律，而0～20 cm土層土壤中4種酶活性則均呈顯著下降趨勢.由于不同間伐強(qiáng)度下土壤含水率和土壤酶活性變化趨勢一致，推測土壤水分是影響土壤生物化學(xué)過程中土壤酶活性的一個(gè)重要因素；另一方面，養(yǎng)分含量變化與酶活性密切相關(guān)已在許多研究中被證實(shí)[32-35].研究認(rèn)為，間伐引起光皮樺人工林土壤全磷和全鉀等含量降低，對土壤酶活性起到了一定的限制作用.

對林分進(jìn)行撫育間伐時(shí)，間伐強(qiáng)度的選擇非常重要.在中度間伐(26.4%)強(qiáng)度下，光皮樺人工林林分土壤理化性質(zhì)、酶活性都有大幅提高.同時(shí)，中度間伐可以保證林分不至于過分稀疏，有利于合理利用各種環(huán)境及立地因子，是最適合光皮樺人工林撫育間伐的強(qiáng)度.