撫育間伐對小興安嶺天然針闊混交林不同土層深度土壤養(yǎng)分的影響1)

毛亮亮 董希斌 曲杭峰 張寶山 劉慧 高然 高彤

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

撫育間伐也叫撫育采伐，是人們有目的的對天然林、人工林等進行人為干擾活動，是為了促進林木生長、提高林木品質[1]，結合林分生長發(fā)育及自然稀疏規(guī)律，適當伐除部分林木，調整樹種組成和密度、改善環(huán)境條件，進而影響到林分生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分狀況的一種經(jīng)營措施[2]。土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量傳輸中起著重要的作用，不但為植物的生長提供了物理支撐，而且為植物生長提供了必要的養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分中氮、磷、鉀的供應水平直接影響到林木的分布、生長和產(chǎn)量，對森林群落內(nèi)植物種類的分布格局具有重要影響[3]。撫育間伐在實現(xiàn)調整林分密度，改善林木生長環(huán)境，獲取一定數(shù)量木材的同時[4]，改變了林內(nèi)小氣候，提高林地內(nèi)光照條件、林地土壤溫度，促進了土壤微生物的活動，從而引起林下土壤理化性質變化進而影響土壤養(yǎng)分[5]。因此,土壤養(yǎng)分在一定程度上可以反映森林生態(tài)環(huán)境的好壞。撫育間伐對森林土壤養(yǎng)分具有不同的改善作用。胡玉珠[6]在遼寧省阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)試驗地對油松林采用不同強度的撫育間伐，3 a后調查結果表明，土壤中有機質、全氮、有效磷、速效鉀質量分數(shù)顯著升高。阿葉爾[7]在北美喬松林內(nèi)的撫育間伐試驗結果表明，撫育后15 a林內(nèi)土壤營養(yǎng)元素質量分數(shù)降低，表明撫育間伐降低了土壤養(yǎng)分。撫育間伐對土壤養(yǎng)分的影響與林分類型、林分密度以及氣候條件的差異有關。對此，近年來有很多學者就撫育間伐對土壤養(yǎng)分的影響進行了研究[8-9]。張?zhí)鸬萚10]以小興安嶺地區(qū)天然針闊混交次生林為研究對象，進行不同強度的間伐，結果表明撫育間伐大大改善了森林生境條件，為林內(nèi)生物提供了良好的生存環(huán)境。商添雄等[11]在山西省沁源縣好地方林場以華北落葉松人工林為研究對象，進行不同強度的間伐試驗，結果表明間伐可提高華北落葉松人工林土壤有機碳、全氮、全磷質量分數(shù)，減緩土壤養(yǎng)分的流失。然而，大多數(shù)學者都是關注表層土壤[12-13]，對于表層以下土壤養(yǎng)分的研究相對較少。因此，為了更好地了解小興安嶺地區(qū)不同撫育間伐強度對天然針闊混交林不同層次土壤養(yǎng)分的影響，研究土壤有機碳、pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀對撫育間伐強度的響應，確定最適合土壤養(yǎng)分積累的撫育間伐強度，為小興安嶺地區(qū)的土壤養(yǎng)分利用與改良、土壤養(yǎng)分質量評價和營林活動提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)處于我國東北部的小興安嶺，試驗樣地設置在黑龍江省伊春市帶嶺林業(yè)實驗局東方紅林場。林場位于小興安嶺南麓，帶嶺區(qū)東南13.9 km處。地理坐標128°37′46″～129°17′50″E，46°50′8″～47°21′32″N，平均海拔為600 m。試驗區(qū)夏季濕潤，溫涼多雨，冬季干燥寒冷，且低溫時間漫長，屬于典型的大陸性濕潤季風氣候。年最高氣溫可達37 ℃，年最低氣溫可達-40 ℃，全年平均氣溫1.4 ℃。該區(qū)域降水時間全年為130 d左右，集中在7—9月，年平均降水量為661 mm。土壤以暗棕壤為主，少量林地為谷地草甸土和沼澤土，平均厚度60 cm左右，試驗樣地的森林群落類型是天然針闊混交林，主要喬木樹種有：紅松(Pinuskoraiensis)、冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、椴樹(Tiliatuan)、色木槭(AcermonoMaxim)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr)等。平均林齡70 a，平均胸徑16 cm，平均樹高11 m，林分郁閉度0.8以上。灌木以忍冬(Lonicerajaponica)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、山高梁(Spodiopogoncotulifer)居多。草本植物主要有三棱草(Scirpusplaniculmis)、羊胡子苔草(Carexcallitrichos)。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2011年，在研究地根據(jù)采伐蓄積量與總蓄積量之比，設置A(撫育間伐強度10%)、B(撫育間伐強度15%)、C(撫育間伐強度20%)、D(撫育間伐強度25%)、E(撫育間伐強度30%)、F(撫育間伐強度35%)6塊撫育間伐樣地和對照樣地CK(撫育間伐強度0)，樣地面積均為100 m×100 m。撫育間伐的原則按照用材林撫育作業(yè)技術規(guī)程，間伐木為非目的樹種、有害樹種和局部過密的林木，包括腐朽木、瀕死木、被壓木以及干形不良的林木。撫育間伐后對各樣地進行了補植更新，補植樹種為紅松、云杉。2021年4月，對撫育間伐10 a后的7塊試驗樣地進行外業(yè)調查，每塊樣地選擇典型區(qū)域隨機布設3塊30 m×30 m的調查區(qū)域，樣地概況如表1所示。

表1 樣地基本概況

2.2 樣品的采集

2021年4月中旬，在每個處理樣地內(nèi)采用“S”形隨機選擇3個采樣區(qū)取樣，除去地表凋落物后，用土鉆采樣，每個樣點取3個土層的深度，分別為0

2.3 樣品測定方法

土壤養(yǎng)分指標測定方法如表2所示。

表2 土壤養(yǎng)分指標測定方法

2.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel2016整理統(tǒng)計后，分析在SPSS26.0軟件中進行，使用單因子方差分析和最小顯著差數(shù)法(LSD)分析不同撫育間伐強度和不同土層深度下各土壤理化指標的差異顯著性以及土壤養(yǎng)分間的Pearson相關性。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳質量分數(shù)和pH在不同撫育間伐強度下的差異

對試驗地7種處理的土壤總有機碳進行分析。由表3可見，表層、次表層和底層均除F樣地有機碳質量分數(shù)低于對照樣地，其他樣地的有機碳質量分數(shù)均高于對照樣地?？傮w上表層、次表層和底層土壤有機碳質量分數(shù)隨著間伐強度的增大呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；其中表層、次表層和底層均為E樣地的土壤有機碳質量分數(shù)最高。對于表層土壤有機碳質量分數(shù)對照樣地與B、C、D、E樣地之間差異顯著(P<0.05)，次表層和底層土壤有機碳質量分數(shù)對照樣地只與E樣地之間差異顯著(P<0.05)，與其他樣地之間均差異不顯著。對同一撫育間伐強度下的不同土層土壤有機碳質量分數(shù)進行分析，結果表明土壤有機碳質量分數(shù)由表層至次表層到底層呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。表層的有機碳與次表層和底層有機碳質量分數(shù)差異性顯著(P<0.05)，而次表層和底層的有機碳質量分數(shù)基本相等，差異性不顯著。

根據(jù)表3，測得土壤的pH值均在4.5～5.5，此地土壤的pH呈酸性。同一土層土壤pH與對照樣地相比，間伐后樣地土壤的pH均略有升高，但只有表層土壤pH對照樣地與B、C、D、E樣地差異顯著，次表層土壤pH對照樣地與B、D、E樣地差異顯著，底層土壤pH對照樣地與D、E樣地差異顯著(P<0.05)。不同土層的土壤pH，隨著深度的增大，土壤的pH均略減小，但表層與次表層土壤pH以及次表層土壤與底層土壤pH均差異不顯著。

表3 撫育間伐后各樣地土壤有機碳質量分數(shù)和pH值

3.2 撫育間伐對土壤氮磷鉀的影響

由表4可見，A～F樣地，土壤的全氮質量分數(shù)均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的全氮質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。方差分析表明，表層土壤全氮質量分數(shù)對照樣地與C、D、E樣地之間差異顯著(P<0.05)，次表層和底層土壤全氮質量分數(shù)對照樣地除與A樣地之間差異不顯著，其他樣地均與對照樣地之間差異顯著(P<0.05)。表層、次表層和底層均為E樣地的土壤全氮質量分數(shù)最高，且E樣地與其他樣地之間均差異顯著(P<0.05)。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的全氮質量分數(shù)逐漸減??；表層與次表層全氮質量分數(shù)均差異顯著(P<0.05)；次表層與底層的全氮質量分數(shù)除D樣地與對照樣地差異顯著(P<0.05)，其他樣地均差異不顯著。

表4 撫育間伐后各樣地土壤全氮和堿解氮質量分數(shù)

A～F樣地，土壤的堿解氮質量分數(shù)均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的堿解氮質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。方差分析表明，表層土壤堿解氮質量分數(shù)對照樣地除與E樣地之間差異顯著(P<0.05)，其他樣地與對照樣地均差異不顯著；次表層土壤堿解氮質量分數(shù)對照樣地與B、E、F樣地之間差異顯著(P<0.05)，底層土壤堿解氮質量分數(shù)對照樣地與B、E樣地差異顯著(P<0.05)，其他樣地均與對照樣地之間差異不顯著。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的堿解氮質量分數(shù)逐漸減小，其中表層與次表層和底層的堿解氮質量分數(shù)均差異顯著(P<0.05)，次表層與底層土壤的堿解氮質量分數(shù)，除F樣地差異顯著(P<0.05)，其他均差異不顯著。

由表5可見，A～F樣地，土壤的全磷質量分數(shù)均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的全磷質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。方差分析表明，表層土壤全磷質量分數(shù)對照樣地除與B、C樣地之間差異不顯著，其他樣地均與對照樣地之間差異顯著(P<0.05)；次表層土壤全磷質量分數(shù)對照樣地除與A、B樣地之間差異不顯著，其他樣地均與對照樣地之間差異顯著(P<0.05)。底層土壤全磷質量分數(shù)對照樣地除與A樣地之間差異不顯著，其他樣地均與對照樣地之間差異顯著(P<0.05)。表層、次表層和底層均為E樣地的土壤全磷質量分數(shù)最高，且除次表層E樣地與D樣地差異不顯著，其他樣地之間均與E樣地差異顯著(P<0.05)。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的全磷含量逐漸減?。槐韺优c次表層全磷質量分數(shù)除C樣地外，其他樣地均差異顯著(P<0.05)；次表層與底層的全磷質量分數(shù)除B、C樣地差異不顯著，其他樣地均差異顯著(P<0.05)。

表5 撫育間伐后各樣地土壤全磷和速效磷質量分數(shù)

A～F樣地，土壤的速效磷質量分數(shù)均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的速效磷質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。經(jīng)方差分析可知，表層土壤速效磷質量分數(shù)對照樣地與其他樣地之間均差異顯著(P<0.05)；次表層和底層土壤速效磷質量分數(shù)對照樣地除了與A樣地之間差異不顯著，其他樣地與對照樣地之間均差異顯著(P<0.05)。表層、次表層和底層均為E樣地的土壤速效磷質量分數(shù)最高，且E樣地與其他樣地之間均差異顯著(P<0.05)。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的速效磷質量分數(shù)逐漸減小，其中表層與次表層的速效磷質量分數(shù)均差異顯著(P<0.05)，次表層與底層土壤的速效磷質量分數(shù)，除對照樣地與C樣地差異不顯著，其他均差異顯著(P<0.05)。

表6 撫育間伐后各樣地土壤全鉀和速效鉀質量分數(shù)

由表6可見，A～F樣地，土壤的全鉀質量分數(shù)均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的全鉀質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。經(jīng)方差分析可知，表層與次表層土壤全鉀質量分數(shù)對照樣地只與E樣地之間差異顯著(P<0.05)；底層土壤全鉀質量分數(shù)對照樣地除與A、B樣地之間差異不顯著，其他樣地均與對照樣地之間差異顯著(P<0.05)。表層、次表層和底層均為E樣地的土壤全鉀質量分數(shù)最高。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的全鉀質量分數(shù)逐漸減??；次表層與底層的全鉀質量分數(shù)均差異顯著(P<0.05)。

A～F樣地，土壤的速效鉀質量分數(shù)除A、F樣地外，其他樣地均高于對照樣地，總體上隨著撫育間伐強度的增大，土壤的速效鉀質量分數(shù)呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。經(jīng)方差分析可知，表層土壤速效鉀質量分數(shù)對照樣地與其他樣地之間均差異顯著(P<0.05)；次表層和底層土壤速效鉀質量分數(shù)對照樣地除了與A樣地之間差異不顯著，其他樣地與對照樣地之間均差異顯著(P<0.05)。表層、次表層和底層均為E樣地的土壤速效鉀質量分數(shù)最高，且E樣地與其他樣地之間均差異顯著(P<0.05)。在相同的間伐強度下，隨著土層深度的增加，土壤的速效鉀質量分數(shù)逐漸減小，其中表層與次表層的速效磷質量分數(shù)均差異顯著(P<0.05)，次表層與底層土壤的速效鉀質量分數(shù)，均差異顯著(P<0.05)。

3.3 土壤養(yǎng)分間相關性分析

對土壤養(yǎng)分進行相關性分析如圖1所示，其中有機碳與pH、全氮相關性顯著，有機碳與堿解氮相關性極顯著；pH與全氮、堿解氮、全鉀相關性顯著，全氮與堿解氮、全鉀相關性極顯著，全氮與全磷、速效磷相關性顯著，堿解氮與全鉀相關性顯著；全磷與速效鉀相關性顯著，全磷與全鉀相關性極顯著；速效磷與全鉀相關性極顯著；速效磷與速效鉀相關性顯著，全鉀與速效鉀相關性顯著，且它們的相關性均呈正相關。這表明土壤養(yǎng)分不僅與間伐強度有關，土壤養(yǎng)分間也會相互影響。

圖1 土壤各養(yǎng)分間的相關性

4 結論與討論

撫育間伐是一種維持森林生態(tài)平衡的重要方法，在森林保護中的應用比較廣泛。采用撫育間伐適當調整森林的結構，能夠促進森林健康生長，縮短林木的培養(yǎng)時間，從而提高林分的質量[14]。撫育間伐改變了郁閉度，進而改變林地光照環(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[15]。因此，合理的撫育間伐對林分生長和林地土壤養(yǎng)分改善具有較好的促進作用。本研究結果與一些學者研究結果相一致。馮健等[16]的研究結果表明，帶狀撫育間伐方式促進了落葉松人工林的生長和土壤養(yǎng)分的積累，尤其是全磷和有效磷的質量分數(shù)。楊愛風[17]研究不同強度撫育間伐對遼寧東部山區(qū)天然次生雜木林下土壤理化性質的影響，結果表明適當?shù)膿嵊g伐能提高天然次生雜木林土壤養(yǎng)分。然而徐慶祥等[18]的研究結果表明，相比對照林分，間伐林分土壤全氮量、全磷量和全鉀量均降低。這主要可能是其試驗設置時分別于1999和2009年進行2次下層撫育間伐，每次間伐強度平均約為38%，撫育間伐強較大，間伐后林下光照增強，地溫增高，導致土壤有機質分解速度加快，養(yǎng)分循環(huán)加快。王有良等[19]對福建省三明市官莊國有林場11年生杉木人工林為對象進行研究，研究結果表明，不同間伐強度下杉木人工林土壤有機碳和全氮質量分數(shù)隨著間伐強度增加呈逐漸減小的趨勢，原因是研究區(qū)取樣土壤屬于紅棕壤，砂粒含量較高，這可能導致間伐后土壤碳氮質量分數(shù)降低，間伐后，林窗變大，加速土壤有機碳和全氮的淋溶損失。此外，間伐后，部分樹木去除林冠后，凋落物減少，進入土壤的有機質減少，導致碳氮質量分數(shù)降低。周全等[20]的研究結果表明撫育間伐對杉木林地土壤pH值和土壤鉀元素的影響不明顯。這與本研究結果相似。本研究土壤養(yǎng)分的有機碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷質量分數(shù)均明顯高于對照樣地，全鉀質量分數(shù)與速效鉀質量分數(shù)略高于對照樣地，但是差異不顯著?？傮w上撫育間伐樣地均比對照樣地土壤養(yǎng)分質量分數(shù)高，說明撫育間伐有利于土壤養(yǎng)分的積累。

張?zhí)鸬萚21]運用基于熵權法的灰色關聯(lián)模型，綜合評價小興安嶺用材林土壤肥力，研究結果表明，改造的樣地中最有利于土壤養(yǎng)分積累的是間伐強度是25%～30%。管惠文等[22]的研究結果表明，大興安嶺落葉松天然次生林中等間伐強度的改造樣地土壤肥力最佳。陳蕾等[23]將大興安嶺落葉松天然次生林的土壤呼吸速率與土壤理化性質作為因子，綜合評價得出，撫育間伐強度為25%時，改造效果最佳。王曉偉[24]對內(nèi)蒙古赤峰市用材林設置間伐強度不同的7塊樣地進行研究，研究結果發(fā)現(xiàn)15%、20%的中等間伐強度有利于土壤理化性質改善和土壤肥力的積累，適宜內(nèi)蒙古赤峰市用材林的撫育間伐。然而馬芳芳等[25]研究遼東山區(qū)不同間伐強度的日本落葉松人工林，研究結果表明，間伐5 a后，高強度間伐落葉松林表層土壤碳、氮質量分數(shù)、氮磷比及活性碳質量分數(shù)顯著高于中度和強度間伐落葉松林。本研究結果表明隨著撫育間伐強度的增大，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，其中E樣地的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)最高，這表明30%的撫育間伐強度最有利于小興安嶺天然針闊混交林土壤養(yǎng)分的積累。

土壤養(yǎng)分隨著土層的增加而減少，原因可能因為越接近表層的土壤最先接受凋落物分解的養(yǎng)分，底層土壤則越難接受到表層凋落物分解的養(yǎng)分?？傮w來說，表層土壤養(yǎng)分明顯較高，并且隨著土層深度增加而不斷遞減，遞減速度從快到慢，最后趨于穩(wěn)定。郝凱婕[26]通過分析撫育間伐后的川西米亞羅林區(qū)典型低效林不同深度土壤的碳質量分數(shù)，結果表明表層總有機碳質量分數(shù)高于底層，而且30%的間伐強度樣地土壤總有機碳質量分數(shù)和微生物量碳質量分數(shù)均最高。胡昊程等[27]對昆明市宜良縣花園林場云南松中齡林進行研究，發(fā)現(xiàn)0

綜上所述，以小興安嶺天然針闊混交林撫育間伐10 a后的土壤為研究對象，探究撫育間伐強度和土層深度對土壤養(yǎng)分的影響。間伐10 a后，不同間伐強度均在一定程度上增加了小興安嶺針闊混交林的土壤養(yǎng)分，其中30%的間伐強度最有利于小興安嶺天然針闊混交林土壤養(yǎng)分的積累。然而土壤養(yǎng)分不僅與間伐強度有關，還與植被密度、光照、水分、經(jīng)濟和社會等因素息息相關[29]。而且土壤養(yǎng)分間也會相互影響[30]。本文只對小興安嶺天然針闊混交林土壤養(yǎng)分進行了研究，而土壤養(yǎng)分的監(jiān)控是一個漫長而復雜的過程[31]，還需要進行持續(xù)的觀測和分析，才能更加全面地評價撫育間伐對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的影響，為探究最適合森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的撫育間伐強度提供更加科學的參考。