目標樹經營模式對杉木人工林生長及土壤肥力的短期影響

張 輝，蔡一冰，胡亞楠，鄒顯花,3*，李 明，林開敏，馬祥慶

(1.福建農林大學 林學院，國家和草原林業(yè)局 杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002；2.信陽市林業(yè)科學研究所，河南 信陽 464000；3.南昌工程學院，江西 南昌 330099)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國人工林面積最大的用材林樹種，分布于秦嶺、淮河以南17個省區(qū)[1]。杉木具有生長快、材質好、產量高等特點，深受廣大杉木產區(qū)人民的喜愛[2]。但長期以來不合理的經營措施導致杉木人工林生產力下降等系列問題，制約杉木人工林可持續(xù)經營。同時傳統(tǒng)杉木經營中的“重栽疏養(yǎng)”，嚴重影響了優(yōu)質杉木大徑材的培育。因此如何解決杉木人工林地力衰退等生態(tài)問題成為當前林業(yè)生產中急需解決的重大課題。

大量研究發(fā)現(xiàn)，林下套種、密度控制和近自然經營等措施在保持人工林長期生產力方面起到很好效果[3-5]。其中，近自然經營被認為是解決因人工林經營引起一系列生態(tài)問題的有效模式，而目標樹經營技術是實現(xiàn)近自然森林經營的重要環(huán)節(jié)[6]。目標樹經營是通過伐除干擾木為目標樹提供更多生長空間，提高目標樹木材質量，可以看作是一種特殊的疏伐或撫育間伐[7]，經營的核心是調控林木生長和生存環(huán)境，降低林冠層和地下根系之間的競爭，改變林內水、光和熱的分配，進而調節(jié)林下植被和土壤性質，促進目標樹的生長，從而提高林分質量，選擇目標樹經營進行撫育，最大程度地利用森林生態(tài)系統(tǒng)自我恢復機制，使人工林經營在生態(tài)和經濟上獲得雙贏，是珍貴樹種、大徑材國家戰(zhàn)略儲備林重要經營模式[8-10]。雖然國內對杉木人工林的近自然經營進行了一些研究，但主要關注目標樹生長變化[11]，而研究近自然經營對杉木人工林土壤層肥力的影響較少[8]，未能全面反映目標樹經營對杉木人工林的實際效果和作用機制，難以很好地指導當前杉木人工林的持續(xù)經營。

鑒于此，本研究以福建洋口國有林場中齡林杉木為對象，以傳統(tǒng)封育經營為對照，開展不同目標樹經營模式(目標樹經營、目標樹施肥經營)下杉木人工林生長及土壤養(yǎng)分的定位觀測研究，分析不同經營模式林木生長及土壤肥力的變化，揭示杉木人工林目標樹經營的調控機理，為營造杉木大徑級用材林以及發(fā)揮杉木人工林生態(tài)效益提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省洋口國有林場(26°50′47″N，117°54′40″E)，屬福建省杉木中心產區(qū)，是主要的杉木用材林生產基地。年平均溫度18.5 ℃，年平均降水量1 880.2 mm，無霜期230 d，海拔200～300 m，土壤以山地紅壤為主，雨量充沛，濕度較大，生長期長。造林地前茬為杉木林采伐跡地，采伐后煉山整地，2002年造林。林下植被主要有粗葉榕(Ficushirta)、紫麻(Oreocnidefrutescens)、福建觀音座蓮(Angiopterisfokiensis)、深綠卷柏(Selaginelladoederleinii)、黑足鱗毛蕨(Dryopterisfuscipes)、江南短腸蕨(Allantodiametteniana)、金毛狗脊(Woodwardiajaponica)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

關于目標樹最佳選擇期，普遍認為以人工林樹木胸徑達到10～15 cm為宜[12]。因此選擇林木生長情況基本一致的14年生杉木中齡林為對象，設計目標樹經營、目標樹聯(lián)合施肥經營、傳統(tǒng)封育經營等3種試驗處理。采用隨機區(qū)組設計，每個區(qū)組設計3種不同經營模式處理小區(qū)，共設3個區(qū)組，9個試驗小區(qū)(圖1)。每個標準樣地面積400 m2(20 m×20 m)。

2016年12月實施目標樹作業(yè)，在每塊樣地內選擇樹干通直無分叉，樹冠豐滿、生長情況較好的10株杉木作為目標樹。把位于目標樹同冠層或上冠層、上坡位，與目標樹樹冠重疊的杉木標記為干擾樹并伐除，樹冠層不影響目標樹生長的樹木作為輔助木予以保留，樣地內其他樹不做處理。目標樹經營施肥處理中，在樣地目標樹上坡方向條狀施0.5 kg復合肥。在標準地的4個角埋設水泥樁，并編號，以便長期定位調查。樣地情況見表1。

表1 不同目標樹經營模式設計Table 1 Design of different target tree managements

2.3 調查方法

2.3.1 不同經營模式的杉木生長調查 2018年11月對試驗樣地的所有杉木進行每木檢尺，測量杉木胸徑和樹高。在杉木胸高位置(1.3 m)用圍徑卷尺測胸徑(精確到0.1 cm)，樹高采用超聲波測高測距儀(Haglof，Sweden)測定(精準到0.1 m)。根據(jù)福建省杉木材積公式計算林分杉木單株材積和蓄積量。

2.3.2 不同經營模式的杉木土壤肥力調查 2018年11月在不同的試驗標準地內按照“S”形布點，避開施肥條帶，選擇5個目標樹周圍土壤取樣點，采用100 cm3環(huán)刀，在每個樣地的上、中、下部目標樹周圍分別按0～10、10～20、20～40、40～60 cm取原狀土，帶回室內，用于土壤物理性質測定。然后取相同土層樣品混合后帶回實驗室風干，去除土壤樣品里面的石礫、植物根系、炭塊等，研磨分別過2 mm和0.149 mm土篩后保存，用于土壤化學性質測定。由于土壤酶活性具有明顯的季節(jié)變化，因此在2018年2月、5月、8月和11月取0～10、10～20 cm土層測定土壤酶活性，根據(jù)福建水熱的季節(jié)性規(guī)律，取樣時間分別對應了春季(2-4月)、夏季(5-7月)、秋季(8-10月)、冬季(11-1月)。

2.4 測定方法

pH采用電位法測定，含水量采用烘干法；土壤容重孔隙度、持水量采用環(huán)刀法測定，元素分析儀測定(VarioMaxCN，Elementar，德國)測定全N；土壤經過強酸消煮后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PE OPTIMA 8000，美國)測定全P和全K；水解性氮采用堿解-擴散法測定，有效P采用碳酸氫鈉浸提法測定；速效K采用火焰光度法測定[13]。

土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，脲酶采用靛酚藍比色法，過氧化氫酶使用H2O2分光光度法[14]。

2.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析和最小二乘法進行顯著性檢驗。土壤理化性質與土壤酶活性相關分析采用Person相關分析法，并用Origin 2018作圖。

3 結果與分析

3.1 不同經營模式對杉木生長的影響

從表2看出，不同經營模式對杉木樹高、胸徑生長有不同程度影響。目標樹經營模式下樹高比CK高出15.1%，胸徑年均增量比CK高出23.6%。目標樹施肥經營模式下樹高比目標樹經營模式高2.1%，胸徑年均增量比目標樹經營模式高2.2%。說明目標樹經營和施肥均能在一定程度上促進杉木樹高、胸徑生長，但在目標樹經營模式初期施肥效果不顯著。

表2 不同經營模式對杉木人工林生長的影響Table 2 Effects of different treatments on the growth of C.lanceolata plantation

不同經營模式對杉木林單株材積有較大影響，對杉木林蓄積量影響不顯著。目標樹經營模式下單株材積年均增量比CK高25.9%，且差異顯著(P<0.05)。目標樹施肥經營模式下單株材積年均增量為比目標樹經營模式高3.3%。說明目標樹經營和施肥均能在一定程度上提高杉木林單株材積，但在目標樹經營模式初期施肥效果不顯著。目標樹經營和目標樹施肥經營模式下杉木林蓄積量均小于CK，但差異不顯著。這是因為伐除干擾樹后目標樹經營林分密度明顯小于對照樣地。

3.2 不同經營模式對土壤理化性質的影響

同一經營模式下的不同土壤層，土壤容重隨土壤深度加深呈遞增趨勢，土壤質量含水量、土壤最大持水量及土壤孔隙度隨土壤深度加深呈現(xiàn)遞減趨勢(表3)。目標樹經營與目標樹聯(lián)合施肥經營條件下，不同土層的土壤容重、土壤質量含水量、土壤最大持水量及土壤孔隙度等指標總體上均高于CK處理，但隨著土層深度的增加差異性減小。其中，在0～10 cm土層土壤容重、土壤質量含水量、土壤最大持水量目標樹經營分別顯著提高5.5%、19.0%、12.2%，而目標樹聯(lián)合施肥分別顯著提高5.2%、24.4%、9.5%，而土壤總孔隙度、pH差異性未達顯著水平。

表3 不同經營模式對土壤物理性質的影響Table 3 Effects of different management modes on the soil physical properties

不同目標樹經營模式下，杉木林土壤全N、全P、全K、水解性N、有效P、速效K含量隨土層深度加深呈現(xiàn)遞減趨勢(表4)。目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥經營模式處理的土壤養(yǎng)分含量高于對照，但隨著土層深度的增加差異性減小。土壤全N、全P、全K含量在0～10 cm目標樹經營模式分別顯著提高7.4%、15.7、5.2%，目標樹聯(lián)合施肥經營模式分別顯著提高23.5%、25.5%、9.4%，土壤水解性N、有效P、速效K含量在0～10 cm目標樹經營模式分別顯著提高7.1%、9.2%、24.9%，目標樹聯(lián)合施肥經營模式分別顯著提高15.2%、8.7%、30.7%，而在10～20 cm土層，僅有土壤全P、水解性N、有效P、速效K含量目標樹經營模式下顯著提高25.0%、4.2%、7.2%、14.1%，目標樹聯(lián)合施肥經營模式下顯著提高35.0%、16.1%、7.7%、23.0%。

表4 不同經營模式對土壤化學性質的影響Table 4 Effects of different management modes on the soil chemical properties

3.3 不同經營模式對土壤酶活性的影響

不同目標樹經營模式下，土壤酶活性(蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶)隨土層加深呈現(xiàn)遞減趨勢(圖2)。不同季節(jié)(2、5、8、10月)目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥經營模式處理的土壤酶活性大于對照(TF>TM>CK)。其中，在0～10 cm土層，目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥經營模式下蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性顯著大于對照，在目標樹經營模式與目標樹聯(lián)合施肥模式之間僅脲酶活性有顯著差異(TF>TM)；目標樹經營模式下蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性平均提高13.3%、14.3%、7.9%，目標樹聯(lián)合施肥模式下蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性平均提高21.6%、27.8%、12.1%。而10～20 cm土層，不同季節(jié)目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥模

式及對照組蔗糖酶活性無顯著差異，且目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥經營模式下僅土壤脲酶活性均顯著大于對照，目標樹經營模式與目標樹聯(lián)合施肥模式之間僅過氧化氫酶活性均有顯著差異。

4 結論與討論

目標樹經營2 a后，14年生杉木單株材積年均增量顯著提高0.031 m3，而杉木林蓄積量變化不顯著。與對照相比，目標樹經營杉木林土壤肥力狀況得到一定改善。目標樹經營和目標樹施肥經營均能增加表層土壤養(yǎng)分，平均顯著提高表層土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性13.3%、21.1%、10.0%，起到改良林地土壤肥力的作用。綜上所述，目標樹經營模式，可以利用自然動力，促進森林反應能力，從而改良土壤肥力，對杉木的生長有較好的促進作用，是值得大力推廣的杉木人工林經營模式。

4.1 不同目標樹經營模式對杉木生長的影響

森林可持續(xù)經營和多功能林業(yè)使得森林經營朝著近自然的方向發(fā)展，目標樹經營是實現(xiàn)近自然經營的核心，近年來不少研究發(fā)現(xiàn)目標樹經營對不同樹種的生長具有促進作用[15-18]。張曉紅等[19]和J.S.Ward[20]進行干擾樹伐除試驗表明，“樹冠重疊”釋放對不同目標樹的直徑生長均有促進作用，促進作用因樹種而異。王懿祥[21]研究表明，伐除干擾樹顯著促進了目標樹的胸徑和材積生長，對樹高生長影響不大。本研究發(fā)現(xiàn)目標樹經營模式下樹高年均增量、胸徑年均增量、單株材積年均增量分別比CK處理高15.1%、23.6%、25.9%。目標樹經營林分的年均樹高、胸徑、單株材積增量均有不同程度的提高，這與上述研究結果相似，隨著目標樹釋放程度的加深，目標樹的生長狀況可能越來越好。干擾樹間伐后，目標樹的生長空間得以釋放，獲得了充足的水熱光照，土壤養(yǎng)分條件得以改善，因而促進了不同樹種的樹高、胸徑和材積的生長[22]。

4.2 不同目標樹經營模式對土壤肥力的影響

目標樹經營使林下植被類型、光照強度、土壤溫度、水分等發(fā)生變化，從而使土壤物理性質和養(yǎng)分循環(huán)機制發(fā)生變化[22-24]。鄒慧[25]研究表明，孔隙度和含水率均隨土層深度的增加而減小，目標樹經營東北紅松(Pinuskoraiensis)能顯著提高土壤含水率。呂倩等[8]也發(fā)現(xiàn)馬尾松(P.massoniana)人工林經過目標樹經營初期改造，土壤的持水能力及含水量都有一定程度的提升。本研究發(fā)現(xiàn)2 a后目標樹經營模式、目標樹聯(lián)合施肥經營模式下土壤質量含水量、最大持水量均呈顯著增加。與上述研究結果基本一致。引起土壤含水量升高的主要原因是植物生物量的變化。目標樹經營能促進林下植物生長，提高植被生物量[26]，林分生物量的增加導致輸入土壤中有機質的數(shù)量增加，以及植物根系的生長對改善土壤結構有積極的作用，增強保水性，起到涵養(yǎng)土壤水分的作用。

土壤養(yǎng)分是森林生產力的基礎，間伐后林下環(huán)境的變化影響土壤物質循環(huán)和養(yǎng)分周轉，進而引起土壤養(yǎng)分的變化[27]。目標樹處理和施肥對表層土壤的各養(yǎng)分含量均有明顯促進作用，但只在0～10 cm土層達到顯著差異，這可能與目標樹經營處理的時間較短有關。目標樹經營聯(lián)合施肥對杉木人工林表層土壤全N、全P、水解性N、有效P、速效K含量有明顯的影響，在0～10 cm土層，目標樹聯(lián)合施肥經營模式處理，土壤全N含量較目標樹經營模式有顯著的增加(P<0.05)。說明目標樹經營對土壤養(yǎng)分含量雖有較大影響，但不如施肥見效快。目標樹處理和施肥對表層土壤的全K含量的提高也有一定的積極影響。目前較為一致的看法是：間伐改善了林內光環(huán)境，提高土壤微生物活性，促進土壤物質和能量循環(huán)有利于腐殖質的形成，從而提升土壤肥力[28]。伐除干擾木減少了林木之間對水分和無機養(yǎng)分的競爭[29]，因此目標樹經營以及施肥都能有效促進土壤養(yǎng)分的積累。

土壤酶是土壤的生物催化劑，對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著重要作用[30-32]。劉頌頌等[33]研究表明，林分間伐套種后土壤酶活性明顯高于未間伐林分。張景普等[27]研究表明，中度和強度間伐均顯著提高土壤多種酶(酚氧化酶、外切葡萄糖苷酶等)的相對活性。李寬瑩等[34]研究表明，施肥可提高土壤脲酶、蔗糖酶等活性。本研究發(fā)現(xiàn)，目標樹經營對提高土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性有明顯促進作用，尤其在0～10 cm土層。目標樹經營模式下蔗糖酶活性有不同程度的提高，目標樹經營模式下脲酶活性都顯著大于CK(P<0.05)，與目標樹經營模式相比，目標樹聯(lián)合施肥經營模式不同月份土壤脲酶活性呈顯著提高(P<0.05)。目標樹經營模式過氧化氫酶活性也有所增加，且在2、5、8月達到顯著性差異水平(P<0.05)。隨著土層的加深，蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)遞減的趨勢，這與上述研究結果相似。土壤酶活性的提高可能是因為目標樹經營改善了林下植被的生長環(huán)境，施肥給植被帶來了更多的養(yǎng)分，提高林下植被的多樣性和數(shù)量，使林分植物根系和微生物代謝釋放了大量的酶類物質[35-36]。