馬尾松林近自然不同經(jīng)營管理措施下土壤肥力

姜仕昆，周運(yùn)超,2，譚 偉,3，陳 竹,2，黃劍峰

（1. 貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué) 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心，貴州 貴陽 550025；3. 貴州大學(xué) 林業(yè)信息工程研究中心，貴州 貴陽 550025）

近自然森林經(jīng)營理論以撫育、間伐、擇伐和天然更新等措施為主要技術(shù)特征，追求森林資源的永續(xù)利用[1]。近自然經(jīng)營管理措施下森林土壤肥力的變化是評價(jià)該森林經(jīng)營方式是否有利于森林可持續(xù)經(jīng)營的重要基礎(chǔ)。近自然經(jīng)營對林下土壤肥力的影響國內(nèi)外學(xué)者已有相關(guān)研究。張鼎華等[2]研究發(fā)現(xiàn)：近自然經(jīng)營馬尾松Pinus massoniana幼林的土壤養(yǎng)分含量增加、生物活性增強(qiáng)、土壤酶活性增加、土壤交換性能改善，并且立地條件差的變化幅度較大。吳瑤等[3]應(yīng)用近自然森林技術(shù)對紅松Pinus koraiensis林土壤影響的研究中發(fā)現(xiàn)：土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于未經(jīng)營林分。劉延濱等[4]對退化落葉松Larix gmelinii人工林近自然改造后發(fā)現(xiàn)：林分土壤微生物多樣性增加，有效磷、有效鉀增加。顏歡歡等[5]通過近自然與常規(guī)經(jīng)營千年桐Vernicia montana林的對比發(fā)現(xiàn)，近自然經(jīng)營的千年桐生態(tài)林土壤持水量、氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)含量都高于常規(guī)千年桐林。但王新宇等[6]在水曲柳Fraxinus mandshurica和長白落葉松Larix olgansis人工林近自然經(jīng)營中發(fā)現(xiàn)：近自然撫育后土壤容重、孔隙度、含水量無顯著差異。徐慶祥等[7]也得出了相似結(jié)論。目前，關(guān)于近自然經(jīng)營對土壤物理性質(zhì)影響的研究存在一定差異，近自然經(jīng)營對土壤肥力影響的研究側(cè)重于土壤肥力某一方面的性質(zhì)，沒有綜合各土壤肥力指標(biāo)而考慮林分肥力變化。近自然經(jīng)營不同措施對不同齡林馬尾松林土壤肥力的影響還沒有相關(guān)報(bào)道。本研究針對這些問題，選取了近自然不同經(jīng)營措施馬尾松林土壤肥力的物理、化學(xué)、生物學(xué)指標(biāo)，以全面準(zhǔn)確評價(jià)林分土壤肥力的變化，為近自然森林經(jīng)營理論在中國的推廣提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于貴州省貴陽市開陽縣近自然經(jīng)營項(xiàng)目區(qū) (26°48′～27°22′N，106°45′～107°17′E, 平均海拔高度1 000～1 400 m)。地形以山地為主，生態(tài)環(huán)境良好，降雨充沛，屬亞熱帶常綠闊葉林帶，主要的植物屬殼斗科Fagaceae、樟科Lauraceae、山茶科Theaceae 、冬青科Aquifoliaceae等，主要喬木有馬尾松、華山松Pinus armandii、杉木Cunninghamia lanceolata、青岡Quercus glauca、白楊Populus tomentosa、光皮樺Betula luminifera、楓香Liquidambar formosana、樟樹Cinnamomum camphora等；林下主要灌木有杜鵑Rhododendron simsii、馬桑Coriaria nepalensis、火棘Pyracantha fortuneana、鐵仔Myrsine africana等。林內(nèi)濕度較大。近地層苔蘚和地衣發(fā)達(dá)。項(xiàng)目區(qū)優(yōu)勢樹種為馬尾松，主要涉及幼齡林、中齡林、近熟林3個(gè)齡組，未進(jìn)行近自然經(jīng)營前林分郁閉度均達(dá)0.8 以上。林分土壤類型以黃壤、黃棕壤為主。近自然撫育起始時(shí)間為2010年，對象為9年生馬尾松幼齡林：對林分進(jìn)行修枝、補(bǔ)植、伐除，對目標(biāo)樹有競爭的喬木和目標(biāo)樹附近高大的灌木和草本進(jìn)行清除，人工輔助調(diào)節(jié)林木水平分布和樹種組成，改善林分空間，實(shí)現(xiàn)林分混交，不定期進(jìn)行；近自然間伐在2013年開展，對象為18年生馬尾松中齡林：對林分進(jìn)行單株間伐，伐除對目標(biāo)樹有干擾和林分密集區(qū)域長勢差的喬木，實(shí)施1次，強(qiáng)度為39.18%；近自然擇伐在2013年實(shí)施，對象為22年生馬尾松近熟林：對林分進(jìn)行單株擇伐，以目標(biāo)樹為核心，伐除競爭木及干擾木，無目標(biāo)樹區(qū)域調(diào)節(jié)林分密度，增加林中空隙，擇伐“霸王樹”，實(shí)施1次，強(qiáng)度為37.64%。研究區(qū)擇伐和間伐林分約740 hm2，撫育約670 hm2。

2 研究方法

2.1 土樣采集與分析

2017年11月，依開陽縣林班分布圖，在開陽縣近自然經(jīng)營項(xiàng)目區(qū)分別針對幼齡林撫育、中齡林間伐、近熟林擇伐設(shè)置立地條件相似的樣地。各設(shè)置3組重復(fù)及對照，對照為項(xiàng)目區(qū)未進(jìn)行任何經(jīng)營的與相應(yīng)齡組立地條件相似的馬尾松林分。在每個(gè)林分中部設(shè)置20 m×20 m的大樣方，并在每個(gè)大樣方的對角線上選取3個(gè)20 cm×20 cm的小樣方，采用環(huán)刀進(jìn)行取土，取土厚度為20 cm。如此進(jìn)行土壤樣品采集，以充分全面了解林分土壤肥力情況。對采集的土壤樣品各項(xiàng)土壤指標(biāo)進(jìn)行測定分析[8]，pH值采用電位法；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀容量法；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用混合鹽消化堿擴(kuò)散法；全磷采用鋁銻抗比色法；全鉀采用火焰光度計(jì)法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法；容重采用環(huán)刀法；含水量采用酒精燃燒法；總孔隙度采用環(huán)刀法；脲酶采用比色法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各土壤肥力指標(biāo)對土壤整體肥力水平的影響不同且數(shù)值存在量綱差距，所以會嚴(yán)重影響對土壤肥力評價(jià)和分析的準(zhǔn)確性。為使評價(jià)更合理有效，基于模糊數(shù)學(xué)原理，構(gòu)建土壤肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)植物效應(yīng)曲線將隸屬度函數(shù)分為2種類型[9]。相應(yīng)函數(shù)表達(dá)式如下：

式（1）中：x1、x2、x3、x4為土壤肥力指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通過公式計(jì)算出各土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值，其值越大反映該指標(biāo)水平越適宜馬尾松生長，這些值在0.1～1.0之內(nèi)。結(jié)合馬尾松對于各項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)豐缺的生理特點(diǎn)，以及《全國第2次土壤普查暫行規(guī)程》的土壤養(yǎng)分含量分級和當(dāng)?shù)氐木唧w實(shí)際，以及前人的研究情況[9?17]，確定函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值如表1所示。

表 1 馬尾松隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Table 1 Value of the turning point of the membership function of P. massoniana

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對近自然經(jīng)營與對照各土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以分析近自然經(jīng)營與對照土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)差異的顯著程度。采用Excel 2016對消除量綱后的各指標(biāo)做雷達(dá)圖，以直觀全面地了解研究區(qū)各土壤肥力指標(biāo)變化的趨勢及豐缺情況，結(jié)合SPSS 24對各項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以綜合評價(jià)土壤肥力。主成分分析提取了3個(gè)主成分(表2)，每一個(gè)主成分都綜合反映了原所有土壤肥力指標(biāo)的大部分信息。通過各土壤類型主成分，利用公式計(jì)算各近自然經(jīng)營措施土壤肥力綜合評價(jià)得分。公式為：綜合評價(jià)得分=W1Y1+W2Y2+W3Y3，其中：W1、W2、W3為各成分特征值權(quán)重進(jìn)行歸一化處理后的值，Y1、Y2、Y3為土壤肥力指標(biāo)主成分。

表 2 土壤肥力指標(biāo)主成分Table 2 Main components of soil fertility index

3 結(jié)果

3.1 物理指標(biāo)變化

對林分而言，容重應(yīng)在1.0～1.4為優(yōu)[16]。由表3可知：間伐與擇伐土壤容重都優(yōu)于對照，其中擇伐土壤容重顯著大于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育土壤容重小于對照，差異不顯著(P＞0.05)。間伐與擇伐的含水量都大于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育土壤含水量小于對照，差異不顯著(P＞0.05)。擇伐與間伐的總孔隙度均小于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育小于對照，差異不顯著 (P＞0.05)。

3.2 化學(xué)指標(biāo)變化

根據(jù)柳若安等[17]對馬尾松林土壤酸度的研究，適宜馬尾松生長的土壤pH為3.5～5.5。由表4可知：各經(jīng)營措施與對照林分土壤酸度均處于優(yōu)良狀態(tài)，且差異不顯著(P＞0.05)。擇伐與間伐的全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于對照，且差異顯著(P＜0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)近自然擇伐大于對照，差異顯著(P＜0.05)；間伐大于對照，差異不顯著(P＞0.05)。對于撫育，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比，差異不顯著(P＞0.05)，其中堿解氮和全鉀差異顯著 (P＜0.05)。

表 3 近自然不同經(jīng)營與對照的土壤物理指標(biāo)比較 Table 3 Comparison of soil physical indicators between different nearnatural management and controls

表 4 近自然不同經(jīng)營管理與對照土壤化學(xué)指標(biāo)的比較Table 4 Comparison of soil chemical and fertility indicators between different near-natural management and control

3.3 生物指標(biāo)變化

由表5可知：研究區(qū)擇伐和間伐蔗糖酶和堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于對照，差異顯著(P＜0.05)。土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)間伐小于對照，差異不顯著(P＞0.05)；擇伐明顯大于對照，差異顯著(P＜0.05)。撫育馬尾松林分蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于對照，差異顯著(P＜0.05)，堿性磷酸酶差異不顯著 (P＞0.05)。

3.4 綜合評價(jià)

由圖1可以看出：研究區(qū)采取擇伐的經(jīng)營措施后，土壤全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、脲酶、堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有明顯的增長，土壤物理指標(biāo)的變化趨勢不明顯。間伐的土壤堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增長趨勢，脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有減少趨勢。撫育的堿解氮、全鉀、速效磷、脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有減少趨勢，蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增加趨勢。間伐與擇伐各土壤肥力指標(biāo)所構(gòu)成面積明顯大于對照，撫育與對照各土壤肥力指標(biāo)在雷達(dá)圖中構(gòu)成的面積相近，結(jié)合表6中間伐與擇伐土壤肥力綜合評價(jià)得分均高于對照，差異顯著(P＜0.05)，撫育與對照得分差異不顯著(P＞0.05)，可以斷定近自然間伐與擇伐土壤肥力優(yōu)于對照，近自然撫育與對照土壤肥力相近。

表 5 近自然不同經(jīng)營管理與對照土壤生物指標(biāo)的比較Table 5 Comparison of soilbio-indicators between different nearnatural management and control

圖 1 近自然與對照土壤肥力指標(biāo)隸屬度雷達(dá)圖Figure 1 Radar diagram of the membership degree of near-natural and control soil fertility indicators

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

表 6 近自然與對照主成分分析綜合得分Table 6 Comprehensive scores of near-natural and control principal component analysis

研究區(qū)經(jīng)過近自然經(jīng)營后，近自然擇伐的馬尾松近熟林的土壤肥力發(fā)生了顯著變化，主要體現(xiàn)在提高土壤養(yǎng)分和土壤生物酶活性上，其中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著提升。近自然擇伐對林分進(jìn)行單株擇伐，以目標(biāo)樹為核心，伐除競爭木及干擾木，無目標(biāo)樹區(qū)域調(diào)節(jié)林分密度，增加林中空隙，擇伐“霸王樹”。這些措施能夠減少林分林木數(shù)量，增加林木生長空間，進(jìn)而給幼小植株提供更多養(yǎng)分，同時(shí)增加林內(nèi)光照和改善溫度條件，進(jìn)而增加低矮植物獲得光照的強(qiáng)度和時(shí)間，調(diào)節(jié)林分整體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林分更新，加速了林內(nèi)生物小循環(huán)，因此土壤化學(xué)和生物指標(biāo)得到了提升。

近自然間伐的馬尾松中齡林土壤肥力也發(fā)生了顯著變化，其中土壤全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了顯著提升。近自然間伐對林分進(jìn)行單株間伐，伐除對目標(biāo)樹有干擾和林分密集區(qū)長勢差的喬木，使得林分保留木生長空間擴(kuò)大，促進(jìn)了實(shí)施后幾年林木生長，從而森林更新加快，林下生物多樣性提高，加速了土壤物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，因此提升了土壤肥力。吳瑤等[3]、劉延濱等[4]、包甜甜等[18]、劉俊欽[19]在近自然森林經(jīng)營的研究中也得出了類似結(jié)論。

近自然撫育幼齡馬尾松林土壤肥力變化不顯著。在物理性質(zhì)方面，近自然各經(jīng)營措施對林分土壤的改良是間接作用，并沒有直接改變土壤結(jié)構(gòu)，因此土壤物理指標(biāo)的變化不顯著。這與王新宇等[6]、徐慶祥等[7]在近自然撫育后土壤容重、孔隙度、含水量等物理性質(zhì)方面沒有顯著差異的研究結(jié)果相似。近自然撫育馬尾松幼齡林土壤養(yǎng)分和生物酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯。本研究中，近自然撫育對林分進(jìn)行修枝、伐除對目標(biāo)樹有競爭的喬木，對目標(biāo)樹附近高大的灌木和草本進(jìn)行清除，撫育剩余物全面清理，每次對林分結(jié)構(gòu)的調(diào)控影響較小。這些措施在研究區(qū)經(jīng)營年限里對林分的影響可能還未體現(xiàn)。張鼎華等[2]、包甜甜等[18]在近自然幼林經(jīng)營的研究中對修剪的枝干，割除的灌木和草本進(jìn)行埋蔸，起到了提升土壤養(yǎng)分的作用，因此，對近自然撫育剩余物的不同處理方式可能對土壤養(yǎng)分有不同影響。另外，林分立地條件、林分年齡以及經(jīng)營年限的不同也可能導(dǎo)致近自然撫育對土壤肥力的影響不同。近自然撫育對土壤肥力的影響還有待進(jìn)一步研究。

整體而言，近自然不同經(jīng)營管理措施確實(shí)能夠改造林分結(jié)構(gòu)，改善林境，促進(jìn)森林更新，提高林下生物多樣性，進(jìn)而加速土壤物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，影響土壤肥力的化學(xué)和生物指標(biāo)，從而提高土壤養(yǎng)分和土壤生物酶活性，提高土壤肥力。土壤肥力的提升必然能夠促進(jìn)林分的生長，提高森林質(zhì)量，這對林分的可持續(xù)經(jīng)營有重要作用。

4.2 結(jié)論

采用近自然擇伐與近自然間伐等措施，馬尾松林分土壤肥力得到了顯著的改良，土壤肥力與未進(jìn)行近自然經(jīng)營的對照林分差異顯著，其中近自然擇伐效果最顯著。近自然撫育對土壤肥力物理指標(biāo)影響不顯著。近自然間伐與擇伐對馬尾松林分土壤肥力的影響具有顯著的促進(jìn)作用，對馬尾松林分土壤肥力的維護(hù)和提高有重要作用。近自然經(jīng)營理論對貴陽市森林土壤肥力的提高和森林可持續(xù)經(jīng)營有重要作用。