帶狀撫育間伐對遼東落葉松人工林生長及部分土壤養(yǎng)分指標的影響

馮 健 王騫春 鄭 穎 陸愛君 于世河 王月嬋 陳東升

（1.遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧 沈陽 110032；2.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，北京 100091）

落葉松（Larixspp.）是我國重要造林樹種，據(jù)第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)表明，我國現(xiàn)有落葉松人工林面積316.29 萬hm2，蓄積達2.37 億m3。東北地區(qū)作為落葉松人工林主產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)有林分面積占東北全部人工林面積的70%以上?，F(xiàn)有落葉松人工林存在林分密度過高，導致樹木長勢弱、成材率低、生產(chǎn)力下降、人工林地力衰退等問題顯現(xiàn)[1-5]。因此，有必要通過合理的營林措施調(diào)整林分密度促進林木生長并改善土壤肥力。撫育間伐作為重要的營林措施可有效促進林木單株生長，提升林木單株生產(chǎn)力。目前，撫育間伐對林木生長的影響主要涉及樹高、胸徑、冠幅和單株材積等指標，如尤文忠等[6]、董莉莉等[7]對蒙古櫟（Quercus mongolica）次生林和張鵬等[8]對杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林的研究均認為間伐可促進平均胸徑的增加。唐繼新等[9]研究米老排（Mytilaria laosensis）中齡人工林認為，密度調(diào)控措施對米老排平均木胸徑和材積的生長有顯著的促進作用。近年來，對落葉松人工林撫育間伐也有研究，如趙匡記等[10]開展了華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）林分生長對間伐和修枝的響應研究；溫晶等[11]開展了不同撫育間伐強度對興安落葉松（Larix gmelinii）林分平均直徑和樹高生長的影響研究。關于落葉松人工林撫育間伐研究多數(shù)集中探討間伐對各林木生長指標的影響及不同間伐強度下林分各徑級株數(shù)分布，而涉及土壤因子對林木各生長指標及林分生產(chǎn)力影響的研究較少。因此，本研究選取帶狀撫育間伐并補植不同樹種的落葉松人工林為研究對象，在撫育間伐10 a 后對林地林木生長因子和土壤主要養(yǎng)分指標進行調(diào)查、測定和分析，并對林木生長因子和土壤養(yǎng)分因子進行相關分析，闡明了帶狀撫育間伐對落葉松人工林生長和土壤養(yǎng)分的影響情況，旨在為落葉松人工林合理經(jīng)營提供技術支持和理論參考。

1 研究樣地概況

研究地點位于遼寧省清原滿族自治縣大邊溝林場（125°09′E，41°59′N），系長白山山脈的延伸區(qū)域，海拔400～600 m，全年平均氣溫5 ℃，年平均降水量700～800 mm，全年無霜期120～125 d。土壤多為山地棕色森林土，pH 值5.5～6.5。本實驗樣地設置在該林場草皮溝嶺的21 林班52 小班，坡度16°，坡向西南，土層厚度51 cm，為落葉松人工純林，于1991 年造林，初植密度4444 株/hm2，2008 年進行帶狀間伐，方式為隔2 行伐2 行（STI）或者隔3 行伐3 行（STII），間伐前密度約為1483 株/hm2，郁閉度0.8，平均胸徑11.8 cm，間伐后密度為1062 株/hm2，郁閉度0.5，平均胸徑12.3 cm。2009 年，在間伐樣地內(nèi)分別補植云杉（Piceaspp.）、東部白松（Pinus strobus）、白樺（Betula platyphylla）和紅松（Pinus koraiensis）等樹種，白樺為2 年生苗木，云杉、東部白松和紅松為4 年生苗木。補植前清除部分影響補植的伐根，并進行穴狀整地，規(guī)格為50 cm×50 cm×30 cm。STI處理不同樹種均補植2 行，STII處理不同樹種均補植3 行，2 種補植方式株行距均為1.5 m×1.5 m。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

2019 年6 月，采用典型樣地法，選取帶狀撫育間伐落葉松人工林并分別補植云杉（LS）、東部白松（LE）、白樺（LW）、紅松（LK）、自然更新（帶狀撫育間伐后帶內(nèi)未補植樹種）（LN）等5 種林型樣地和未撫育間伐落葉松人工純林（CK）作為試驗林分，每種林分設置3 個20 m×30 m 的標準地（2 個標準地為STI，1 個標準地為STII），共18 個標準地。對標準地的喬木（DBH≥3 cm）進行每木檢尺，記錄其樹高、胸徑和冠幅等數(shù)據(jù)。

采用S 形取樣法分別采集每個標準地內(nèi)5 點的0～10 cm 和10～20 cm 土層土壤，同一土層土壤均勻混合，裝入土壤袋，風干過篩后進行土壤養(yǎng)分分析。

2.2 生長指標測定

全標準地測量，每株測量胸徑、樹高和冠幅的生長指標。樹高采用Vertex IV 超聲波測高儀（精確到0.01 m，Haglof，瑞典）測量，胸徑采用測樹圍尺（精確到0.1 cm）測量。按公式（1）計算落葉松材積（V）。

式中：V表示單株材積，D表示單株胸徑，H表示單株樹高。

2.3 土壤養(yǎng)分測定方法

土壤pH 采用電位法，用水浸提測定（水土質(zhì)量比2.5∶1）；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全氮用凱氏定氮法測定；銨態(tài)氮采用堿解擴散法測定；全磷、有效磷采用鉬銻抗比色法測定[5]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0 軟件中的比較平均值進行單因素方差和多重比較（LSD 法）分析，F(xiàn)檢驗結(jié)果若P<0.05 為差異顯著，若P<0.01 為差異極顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 帶狀撫育間伐對林木生長特征的影響

3.1.1 不同帶狀間伐方式對林木生長特征的影響

由表1 可知，在不同帶狀撫育方式下，除樹高差異不顯著外，其他各生長指標均達到顯著（P<0.05）及極顯著差異（P<0.01）。STI和STII胸徑極顯著（P<0.01）大于CK 胸徑，分別是CK 的1.26 倍和1.20 倍，而不同帶狀間伐方式間差異不顯著，表現(xiàn)為STI>STII。不同處理間樹高未達到顯著差異，表現(xiàn)為CK>STII>STI。STI和STII單株材積極顯著（P<0.01）大于CK 單株材積，分別是CK 單株材積的1.53 倍和1.32 倍。STI和STII冠幅極顯著（P<0.01）大于CK 冠幅，分別是CK 冠幅的1.49 倍和1.46 倍。不同處理間高徑比和冠徑比分別維持在1.01～1.30 和0.17～0.21 之間，STI和STII冠徑比皆大于CK 冠徑比，且差異達到極顯著水平（P<0.01）?？傮w而言，除了樹高表現(xiàn)為CK 高于STI和STII外，其他生長因子均表現(xiàn)為STI和STII高于CK，且差異達到顯著（P<0.05）及極顯著水平（P<0.01）；而STI和STII之間各生長因子之間均未達到顯著差異，胸徑、冠幅和單株材積表現(xiàn)為STI>STII，其他因子（樹高、高徑比和冠徑比）表現(xiàn)為STII>STI。

表1 不同帶狀撫育間伐方式落葉松人工林林分生長狀況Table 1 Growth status of larch plantations after different strip tending thinning

3.1.2 不同補植樹種對林木生長特征的影響

由表2 可知，不同補植樹種間林木各生長因子均未達到顯著差異，而不同補植樹種各林分生長因子與CK 比較，除樹高外，胸徑、單株材積、冠幅、高徑比和冠徑比均達到顯著（P<0.05）及極顯著差異（P<0.01）。不同處理間胸徑由大至小依次為LN>LK>LE>LW>LS>CK，不同補植樹種處理胸徑依次是CK 胸徑的1.28 倍、1.23 倍、1.21 倍、1.20 倍和1.20 倍；樹高由大至小依次為CK>LK>LE>LW>LN>LS；單株材積由大至小依次為LN>LK>LW>LE>LS>CK，不同補植樹種處理單株材積依次是CK 單株材積的1.42 倍、1.37 倍、1.36 倍、1.33 倍和1.31 倍；冠幅由大至小依次為LN>LE>LW>LK>LS>CK，不同補植樹種處理冠幅依次是CK 冠幅的1.52 倍、1.50 倍、1.49 倍、1.46 倍和1.43 倍；高徑比由大至小依次為CK>LE>LS>LW>LK>LN；冠徑比由大至小依次為LE>LW>LS>LN>LK>CK。

表2 不同補植樹種落葉松帶狀撫育間伐人工林林分生長狀況Table 2 Growth status of larch plantations with different species repair planted

3.2 土壤養(yǎng)分特征

3.2.1 不同帶狀間伐間土壤養(yǎng)分特征

由表3 可知，不同土層之間比較，總氮、銨態(tài)氮和有機質(zhì)含量表現(xiàn)為隨著土層加深而減少的趨勢，總磷和有效磷含量則表現(xiàn)出相反的趨勢。在0～10 cm 土層，不同處理間全氮、銨態(tài)氮和有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為STII>CK>STI，方差分析表明，不同處理間全氮和有機質(zhì)含量達到顯著差異（P<0.05）；不同處理間全磷含量表現(xiàn)為STII>STI>CK，STI和STII全磷含量分別是CK 全磷含量的1.91 倍和2.22 倍；不同處理間有效磷含量表現(xiàn)為STI>STII>CK，STI和STII有效磷含量分別是CK 有效磷含量的2.13 倍和1.62 倍，方差分析表明，不同處理間全磷和有效磷含量均未達到顯著差異。在10～20 cm 土層，不同處理間全氮含量表現(xiàn)為STI>CK>STII，而銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為STII>STI>CK；不同處理間全磷、有效磷和有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為STI>STII>CK，其中，STI和STII全磷含量分別是CK 全磷含量的1.91 倍和1.79 倍，STI和STII有效磷含量分別是CK 有效磷含量的2.13倍和1.44 倍，方差分析表明，各處理間各土壤化學因子間均未達到顯著差異。

表3 不同帶狀間伐方式落葉松人工林林下土壤養(yǎng)分Table 3 Soil nutrient of larch plantations after different strip thinning

3.2.2 不同補植樹種間土壤養(yǎng)分特征

由表4 可知，總氮、銨態(tài)氮和有機質(zhì)含量在不同土層間表現(xiàn)為隨著土層加深而減少的趨勢，總磷和有效磷含量在不同土層間表現(xiàn)出相反的趨勢。在0～10 cm 土層，不同補植樹種林下總磷和有效磷含量比對照有所提高，尤其是LS、LW 和LK 提高幅度較大，分別是CK 總磷和有效磷含量的2.3 倍和2.52 倍、2.18 倍和2.14 倍、2.55 倍和2.31 倍；其他土壤化學因子在不同補植樹種林下與CK 之間差異不顯著。在10～20 cm 土層，有機質(zhì)和總氮含量在不同補植樹種處理間及與對照比較，變化均不明顯。LK 和LE 中銨態(tài)氮含量有較大幅度提高，分別是CK 銨態(tài)氮含量的1.53 倍和1.24 倍；LS、LW和LK 中總磷和有效磷含量有較大幅度提高，分別是CK 總磷和有效磷含量的2.39 倍和3.36 倍、2.95 倍和3.02 倍、2.37 倍和2.42 倍。方差分析表明，有效磷含量在各個土層中均達到顯著差異，其他各土壤化學因子均未達到顯著差異。

表4 不同補植樹種落葉松人工林帶狀間伐林林下土壤養(yǎng)分Table 4 Soil nutrient of larch plantations with different species repair planted

3.3 落葉松人工林林木生長因子與土壤養(yǎng)分的關系

3.3.1 不同帶狀撫育方式落葉松人工林林木生長因子與土壤養(yǎng)分的關系

由表5 可知，林木生長因子與土壤pH 值相關性最強，其中，胸徑和單株材積分別與10～20 cm土層土壤pH 值達到顯著（P<0.05）和極顯著負相關（P<0.01），而高徑比與10～20 cm 土層土壤pH值達到顯著正相關。林木生長因子與土壤磷含量相關性也較強，其中，單株材積與0～10 cm 土層有效磷含量達到顯著正相關，冠幅與10～20 cm土層全磷含量達到顯著正相關。除上述達到顯著及以上相關以外，單株材積、冠幅和冠徑比與0～10 cm 土層全磷含量呈較強的正相關性，胸徑、冠幅和冠徑比與有效磷含量呈較強正相關；胸徑和冠徑比與10～20 cm 土層全磷含量呈較強正相關，胸徑、單株材積和冠幅與10～20 cm 土層有效磷含量呈較強正相關，高徑比分別與10～20 cm 土層全磷和有效磷含量呈較強負相關。

表5 不同帶狀撫育間伐方式落葉松人工林林木生長因子與土壤養(yǎng)分相關性分析Table 5 Correlation analysis of growth factors and soil nutrient of larch plantations after different strip tending thinning

3.3.2 不同補植樹種落葉松帶狀撫育間伐人工林林木生長因子與土壤養(yǎng)分的關系

由表6 可知，林木生長因子與土壤養(yǎng)分相關性不強，只有高徑比與10～20 cm 土層全磷和有效磷含量達到顯著（P<0.05）負相關。雖然其他林木生長因子與土壤養(yǎng)分之間未達到顯著相關，但仍存在一定相關性，如，胸徑、單株材積、冠幅和冠徑比與0～10 cm 土層全磷含量呈較強正相關，冠徑比與0～10 cm 土層全氮和有機質(zhì)含量呈較強正相關，胸徑、冠幅和冠徑比與10～20 cm土層全磷含量呈較高正相關，胸徑、單株材積和冠幅與10～20 cm 土層有效磷含量呈較強正相關。

表6 不同補植樹種落葉松帶狀撫育間伐人工林林木生長因子與土壤養(yǎng)分相關性分析Table 6 Correlation analysis of growth factors and soil nutrient of larch plantations with different species repair planted

續(xù)表 6

4 結(jié)論與討論

STI和STII的胸徑、單株材積和冠幅均比CK有顯著的提高，其中，胸徑分別提高了25.80%和19.63%，單株材積分別提高了53.01%和31.68%；冠幅分別提高了49.29%和45.99%；而STI和STII處理之間各生長因子差異不顯著，總體上STI各生長因子優(yōu)于STII。樹高在STI、STII和CK 之間差異未達到顯著水平，CK樹高略高于STI和STII。這一研究結(jié)果表明，帶狀撫育間伐促進了胸徑、單株材積生長量的增加，而對樹高影響不大。本研究結(jié)論與以往研究相一致[12-14]。王啟美[12]對10 年生日本落葉松（Larix kaempferi）林做間伐試驗，結(jié)果表明間伐處理可顯著提高落葉松胸徑和單株材積生長量。王毓靖等[13]研究間伐對桉樹（Eucalyptus robusta）人工林林分生長的影響表明，間伐5 a后，間伐林分的平均樹高和平均胸徑均有顯著提高，其中，強度間伐（40%）對胸徑的影響最大，較對照增加了4.29 cm。

補植樹種的不同對落葉松林木各生長因子影響不顯著，但與CK 比較，各林木生長因子均有較大的提高和改善，如，不同補植樹種樣地林木與CK 比較，胸徑提高了20.34%～28.25%，單株材積提高了30.6%～42.39%，冠幅提高了42.89%～51.58%。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于補植樹種還處在幼齡階段，地徑或胸徑在2.02～5.28 cm 之間，樹高在0.99～6.36 m 之間，其對落葉松林木生長的影響還較小。而不同補植樹種林地落葉松林木生長因子提高的原因在于帶狀撫育釋放了林地空間，同時，增加了林地植被多樣性（相關數(shù)據(jù)另外發(fā)表），改善了林地土壤肥力，從而促進了落葉松的生長。

采用高徑比和冠徑比作為林木形質(zhì)指標，結(jié)果表明無論從不同帶狀撫育間伐方式比較，還是從不同補植樹種比較，各處理樣地高徑比和冠徑比與CK 高徑比和冠徑比差異均達到極顯著差異，各處理高徑比較CK 高徑比更接近于1，各處理樣地冠徑比均大于CK 冠徑比。高徑比是林分平均高與平均胸徑的比值，它反映了林木干形的圓滿程度。一般認為，林木的高徑比越接近于1，其圓滿度越好，本研究中不同樣地高徑比排序為CK>STII>STI>1，這表明STI處理的干形最好。冠徑比是林分的平均冠幅與平均胸徑的比值，它反映了林木營養(yǎng)面積的大小及長勢情況。本研究各樣地冠徑比均大于CK，這表明帶狀撫育間伐后，增加了冠幅，更有利于樹木光合作用。高徑比和冠徑比研究結(jié)果說明落葉松人工林經(jīng)過帶狀撫育間伐并補植不同樹種后改善了林木干形。此結(jié)果與其他研究相一致[2,15]。商添雄等[2]研究華北落葉松人工林林木生長因子對撫育間伐的相應表明間伐后第4 年高徑比與林木冠徑比分別處于0.91～0.98 與0.19～0.22 之間，其中各間伐強度下林木冠徑比皆大于CK 且差異顯著。于世川等[15]研究撫育間伐對黃龍山遼東櫟（Quercus liantungensis）林木形質(zhì)的影響也得到了同樣的結(jié)果。

無論是采取哪種撫育間伐方式，還是補植哪種樹種均在不同程度上提高了土壤養(yǎng)分。不同撫育間伐方式對土壤養(yǎng)分的影響表現(xiàn)為，在0～10 cm土層，STII處理顯著提高了全氮、銨態(tài)氮、有機質(zhì)含量，STI和STII處理顯著提高了全磷和有效磷含量，兩個處理的全磷和有效磷含量分別是CK全磷和有效磷含量的1.91 倍和2.13 倍、2.22 倍和1.62 倍；在10～20 cm 土層，STI處理提高了全氮含量；STI和STII處理提高了銨態(tài)氮、全磷、有效磷和有機質(zhì)含量，其中，STI、STII中全磷和有效磷含量分別是CK 全磷和有效磷含量的1.91倍和2.13 倍、1.79 倍和1.44 倍。本研究土壤養(yǎng)分改善的可能原因是通過帶狀撫育間伐，改善了林地的光、水環(huán)境，增加了林地的植被組成，不同補植處理樣地草本層和灌木層物種數(shù)量分別是CK樣地中草本層和灌木層物種數(shù)量的1.16～1.68 倍和2～3.5 倍（另文發(fā)表），植被的增加進而改善了林地養(yǎng)分。本研究結(jié)果與一些學者研究結(jié)果相一致。劉旭軍等[16]和顏忠鵬[17]的研究表明適當強度的間伐有利于磷元素的積累。高明等[18]研究表明采用強度為19%～21%的中等強度撫育間伐方式，有利于土壤養(yǎng)分的改善。

林木生長與土壤養(yǎng)分存在一定相關性。在不同帶狀撫育間伐處理樣地中，林木生長因子與土壤值pH、磷含量有較強的相關性，其中，胸徑和單株材積分別與10～20 cm 土層pH 值達到顯著和極顯著負相關，單株材積與0～10 cm 土層有效磷含量達到顯著正相關，冠幅與10～20 闡明土層全磷含量達到顯著正相關。在不同補植樹種落葉松人工林帶狀撫育間伐樣地中，林木生長因子與土壤化學因子相關性不強，只有高徑比與10～20 cm土層全磷和有效磷含量達到顯著負相關。這一研究結(jié)果表明，落葉松帶狀撫育間伐人工林樣地林分生長因子與土壤磷含量相關性較高。同樣，商添雄等也得到了類似結(jié)果，其研究結(jié)果表明土壤全磷與林木平均樹高生長量和平均冠幅生長量呈顯著正相關[2]。林分生長因子與土壤化學因子性關系表明，通過撫育間伐，即促進了林分的生長，又改善了林地土壤養(yǎng)分，其原因在于撫育間伐改變了林地光環(huán)境，促進了林地灌木、草本等植被的增加，植被的增加改善了林地土壤養(yǎng)分，林地土壤養(yǎng)分的改善又進一步促進了林分的生長[18-19]。因此，合理的撫育間伐對落葉松人工林林分生長和林地土壤養(yǎng)分改善具有較好的促進作用。

帶狀撫育間伐（STI和STII）使得胸徑、單株材積和冠幅等生長因子有顯著的提高，其中，胸徑分別提高了25.80%和19.63%，單株材積分別提高了53.01% 和31.68%；冠幅分別提高了49.29%和45.99%；且STI各生長因子優(yōu)于STII。從生長因子角度考慮，在生產(chǎn)中推薦采用STI帶狀撫育間伐方式。帶狀撫育間伐（STI和STII）提高了土壤養(yǎng)分含量，其中，STI和STII處理顯著提高了全磷和有效磷含量，分別為CK 的1.91 倍和2.13倍、2.22 倍和1.62 倍；在10～20 cm 土層，STI和STII處理提高了銨態(tài)氮、全磷、有效磷和有機質(zhì)含量，其中，STI、STII中全磷和有效磷含量分別是CK 全磷和有效磷含量的1.91 和2.13 倍、1.79 倍和1.44 倍。從土壤養(yǎng)分含量角度考慮，本研究的兩種撫育間伐方式均可在生產(chǎn)中推薦采用。