天然次生針葉林內(nèi)土壤理化性質(zhì)對不同經(jīng)營方式的響應(yīng)1)

楊會俠

(遼寧省森林經(jīng)營研究所，丹東，118002)

何友均 鄭 穎 王 衛(wèi) 王 品 姚 博

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所) (遼寧省森林經(jīng)營研究所)

有關(guān)森林經(jīng)營理念的不斷更新和經(jīng)營方式的不斷改變一直是林業(yè)發(fā)展過程的主旋律，而經(jīng)營方式的改變對森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響也是林業(yè)專家研究的主要課題。在人們對森林多功能需求和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的雙重壓力下，以木材產(chǎn)量為主要目標(biāo)的“拔大毛”式森林傳統(tǒng)經(jīng)營所產(chǎn)生的弊端不斷顯現(xiàn)，森林的近自然經(jīng)營理念應(yīng)運而生，近自然經(jīng)營成為有望實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)的一條重要途徑［1］。近自然森林經(jīng)營是指充分利用森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的自然生長發(fā)育規(guī)律，從森林自然更新到穩(wěn)定的頂級群落這樣一個完整的森林生命過程的時間跨度來計劃和設(shè)計各項經(jīng)營活動，優(yōu)化森林的結(jié)構(gòu)和功能，充分利用與森林相關(guān)的各種自然力，不斷優(yōu)化森林經(jīng)營過程，從而使生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的需求能最佳結(jié)合的一種真正接近自然的森林經(jīng)營模式［2］。

在林業(yè)比較發(fā)達(dá)的歐美國家，如德國、美國、芬蘭、丹麥等，都曾以木材經(jīng)營為中心，忽視森林其它功能，致使出現(xiàn)了純林多、森林穩(wěn)定性差、多種功能難以發(fā)揮等問題［3］，但經(jīng)過一段時間的探索與實踐，最終選擇了以“近自然林業(yè)”作為新的林業(yè)政策和經(jīng)營方針。西方學(xué)者分別對近自然經(jīng)營過程中的生物多樣性［4-5］、土壤理化性質(zhì)、各種因素對生態(tài)因子的影響［6-7］及經(jīng)營過程中需要克服的困難［8］等方面進(jìn)行了研究，并取得了比較積極的成果，認(rèn)為近自然經(jīng)營可以促進(jìn)珍貴闊葉樹種的自然更新及森林環(huán)境的優(yōu)化［5］，協(xié)調(diào)木材生產(chǎn)與生物多樣性的關(guān)系，從而發(fā)揮森林的多種功能和效益［9］。目前，德國除了國有森林實行近自然林業(yè)經(jīng)營外，國家林業(yè)管理部門還引導(dǎo)森林私有業(yè)主進(jìn)行近自然經(jīng)營［10］，不斷探討克服私有業(yè)主經(jīng)營過程中可能存在的技術(shù)、管理等方面的困難。

上世紀(jì)末，近自然經(jīng)營理念逐漸被引入我國，許多專家學(xué)者［11-14］利用近自然經(jīng)營理念為我國林業(yè)的發(fā)展把脈，闡述了近自然經(jīng)營在我國低產(chǎn)天然次生林和人工林經(jīng)營中的發(fā)展前景。但我國林業(yè)基本上仍然維持在原有的以木材生產(chǎn)為主的經(jīng)營思路上，真正采用近自然經(jīng)營理念進(jìn)行生產(chǎn)和科研實踐活動的卻并不多見。Wang等［15］初步探討了小興安嶺紅松人工林不同經(jīng)營方式對土壤有機(jī)質(zhì)、微生物和理化性狀的影響，認(rèn)為提高森林的近自然經(jīng)營程度有助于提高森林土壤質(zhì)量。李榮等［16］探討了不同強(qiáng)度的近自然間伐對遼東櫟林群落穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為近自然經(jīng)營性的間伐可以促進(jìn)優(yōu)勢樹種的自然更新，增加林地的可利用營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)先鋒樹種或喜光闊葉樹種的定居與生長，利于森林有機(jī)物質(zhì)的積累，增加物種多樣性，促使森林向混交、復(fù)層、異齡等方向發(fā)展。羅沛韜等［17］研究結(jié)果表明，近自然經(jīng)營森林方式大大降低了皆伐對林地土壤密度、毛管孔隙度等土壤結(jié)構(gòu)特性的影響。

黑龍江省哈爾濱市丹清河林場自1998年引入近自然經(jīng)營理念以來，立足不同的林型與立地條件分別開展了目標(biāo)樹擇伐林改造、低質(zhì)天然次生林樹種置換、景觀林培育、紅松種質(zhì)基因林培育和永久性多功能林培育等多種近自然經(jīng)營活動，樹種組成、林分結(jié)構(gòu)、森林景觀和林分質(zhì)量與傳統(tǒng)經(jīng)營相比有明顯不同。筆者試圖通過對丹清河林場不同經(jīng)營方式下的天然次生針葉林土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的研究，了解不同經(jīng)營方式對天然次生針葉林林地長期生產(chǎn)力的影響，為近自然經(jīng)營在小興安嶺地區(qū)乃至全國林業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 樣地設(shè)置

在丹清河林場所有林地廣泛踏查的基礎(chǔ)上，選擇林齡、立地條件相似，但經(jīng)營方式分別為近自然經(jīng)營、未經(jīng)營、傳統(tǒng)經(jīng)營的天然次生針葉林林分作為調(diào)查取樣地，基本情況見表1。在不同經(jīng)營方式的林分內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3塊20 m×20 m的臨時樣方，進(jìn)行植物種類、生物量和土壤理化性質(zhì)等的取樣調(diào)查。

表1 樣地基本情況

1.2 土壤調(diào)查與取樣

在各樣方內(nèi)“S”形選5個樣點，對其中的3個樣點挖取土壤剖面，分0～20、20～40、40～60 cm 3層，每層各取2個環(huán)刀的同時，取土壤樣品。剩余兩個樣點用土鉆打孔，也分0～20、20～40、40～60 cm 3層取樣。將5個樣點相同層次的土壤樣品混合裝袋，帶回室內(nèi)于陰涼處風(fēng)干后分別過2 mm和0.25 mm的土壤篩子，留待化學(xué)養(yǎng)分測定。

1.3 土壤物理性質(zhì)測定

土壤密度、持水量和孔隙度各數(shù)值均采用環(huán)刀法測定。

1.4 土壤化學(xué)性質(zhì)測定

全C采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定(LY/T 1237—1999);全N采用半微量凱氏法測定(LY/T 1228—1999);全P采用堿熔—鉬銻抗比色法測定(LY/T 1232—1999);全K采用堿熔—原子吸收分光光度法測定(LY/T 1234—1999);速效N包括銨態(tài)N和硝態(tài)N，其中銨態(tài)N采用氯化鉀浸提—靛酚藍(lán)比色法［18］，硝態(tài) N采用氯化鉀浸提比色法測定［18］;有效 P采用鹽酸—硫酸溶液浸提法測定(LY/T 1233—1999);交換性K采用乙酸銨浸提—紫外吸收法測定(LY/T 1246—1999);pH值采用電位法測定(LY/T 1239—1999)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均利用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析和最小差異法比較不同經(jīng)營方式對土壤理化性質(zhì)的影響(α=0.05)，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 試驗結(jié)果

2.1 主要物理性狀指標(biāo)

從表2看出，天然次生針葉林土壤密度隨著土層的加深而增大。傳統(tǒng)經(jīng)營林分的土壤密度大于近自然經(jīng)營和未經(jīng)營林分的土壤密度。

表2 不同經(jīng)營方式下各土層的土壤密度 g·cm-3

在不同經(jīng)營方式下，針葉林土壤中的最大持水量、毛管持水量、最小持水量3個水分指數(shù)(表3)有著相似的表現(xiàn)，即隨土層深度的增加而降低。經(jīng)營方式對土壤水分指數(shù)有顯著影響，3個指數(shù)均表現(xiàn)出未經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞傳統(tǒng)經(jīng)營。

表3 3種經(jīng)營方式下天然次生針葉林不同深度土壤水分指數(shù) g·kg-1

從表4可以看出：毛管孔隙度、總孔隙度和土壤通氣度隨著土壤深度的增加呈降低趨勢，但不同經(jīng)營方式下其差異顯著性有所不同;不同深度土壤非毛管孔隙度沒有明顯差異。不同經(jīng)營方式間各孔隙度指數(shù)有明顯的差異，分別表現(xiàn)為：毛管孔隙度，近自然經(jīng)營、未經(jīng)營＞傳統(tǒng)經(jīng)營;非毛管孔隙度，傳統(tǒng)經(jīng)營＞近自然經(jīng)營、未經(jīng)營;總孔隙度，未經(jīng)營≥傳統(tǒng)經(jīng)營≥近自然經(jīng)營;土壤通氣度，傳統(tǒng)經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營。

表4 不同經(jīng)營方式下的土壤孔隙度指數(shù)

2.2 土壤有機(jī)碳的變化

不同經(jīng)營方式對天然次生針葉林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、貯量和空間分布有明顯影響(表5)。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層加深呈明顯的降低趨勢，地表0～20 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。比較來看，0～60 cm土層土壤有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)未經(jīng)營≥傳統(tǒng)經(jīng)營≥近自然經(jīng)營。近自然經(jīng)營林地0～20 cm深度土壤中的有機(jī)碳貯量顯著比其它兩層的多，未經(jīng)營和傳統(tǒng)經(jīng)營林地3層土壤中的有機(jī)碳貯量之間沒有明顯差異。3種經(jīng)營方式下0～60 cm土壤整體碳貯量之間沒有明顯差異。

2.3 土壤全N、全P、全K的變化

隨著土層深度的增加，天然次生針葉林土壤中的全N、全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。經(jīng)營方式對全N、全P和全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響表現(xiàn)為(表6)：平均全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯的差異;平均全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營、傳統(tǒng)經(jīng)營;平均全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)為傳統(tǒng)經(jīng)營＞近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營。

未經(jīng)營或傳統(tǒng)經(jīng)營的天然次生針葉林林分3層土壤中的全N或全P貯量沒有明顯差異，而近自然經(jīng)營林分以0～20 cm深度土壤中的全N和全P貯量最大。3種經(jīng)營方式的林分中全K均以表層貯量最少，下層貯量增加。從3種養(yǎng)分在0～60 cm土層中的貯量總體來看，3種經(jīng)營方式下的全N和全P貯量沒有明顯差異，全K呈現(xiàn)出近自然經(jīng)營＞未經(jīng)營、傳統(tǒng)經(jīng)營。

表5 3種經(jīng)營方式下不同深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和貯量

表6 不同經(jīng)營方式下土壤中全N、全P和全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其貯量

2.4 土壤速效N、有效P和交換性K的變化

從表7來看，除了近自然經(jīng)營林分土壤表層(0～20 cm)中速效N質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其它兩層外，3種經(jīng)營方式林分中3層土壤的速效N或有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯差異，交換性K離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層加深而降低。經(jīng)營方式對3種養(yǎng)分的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響分別為：速效N和有效P，無明顯差異;交換性K離子，近自然經(jīng)營、未經(jīng)營＞傳統(tǒng)經(jīng)營。除了近自然經(jīng)營林分土壤中間層(20～40 cm)中速效N貯量比其他兩層低外，3種經(jīng)營方式林分中3層土壤的速效N或交換性K貯量沒有明顯差異，有效P貯量隨土層加深而增加。0～60 cm土層中速效N或有效P總貯量在3種經(jīng)營方式間沒有明顯差異，交換性K總貯量表現(xiàn)為近自然經(jīng)營≥未經(jīng)營≥傳統(tǒng)經(jīng)營。

2.5 土壤pH值與C/N比較

從表8可以看出，各經(jīng)營方式林分內(nèi)3層土壤C/N比之間沒有明顯差異，經(jīng)營方式對C/N比的影響表現(xiàn)為未經(jīng)營＞傳統(tǒng)經(jīng)營＞近自然經(jīng)營。

天然次生針葉林內(nèi)土壤pH值有隨土層加深而提高的趨勢，但以未經(jīng)營林分土壤層間pH值差異顯著。有經(jīng)營活動林分中土壤的pH值顯著高于未經(jīng)營林分。

3 分析與討論

3.1 經(jīng)營方式與土壤物理性狀

土壤理化性質(zhì)是評價森林植被、經(jīng)營技術(shù)、人類干擾和氣候因子變化的重要指標(biāo)［19］。土壤密度小，表明土壤結(jié)構(gòu)相對疏松、孔隙較多，而土壤密度大，土體比較緊實、孔隙較少。本研究中，天然次生針葉林內(nèi)土壤的密度隨土層深度的增加而增大，而最大持水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤通氣度等呈降低趨勢。從土壤密度與各持水量指數(shù)的關(guān)系來看：傳統(tǒng)經(jīng)營林分的土壤密度最大、持水性最差;未經(jīng)營林分土壤密度小、持水性最強(qiáng);近自然經(jīng)營居中。說明傳統(tǒng)經(jīng)營過程中進(jìn)行大樹間伐對林地土壤壓實程度大，干擾強(qiáng)度大。近自然經(jīng)營對土壤干擾強(qiáng)度小，林分內(nèi)土壤物理性狀相對優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)營，證明了前人［20］關(guān)于森林經(jīng)營措施對土壤壓實和擾動是長期存在的結(jié)論。不同經(jīng)營方式對林分土壤孔隙度各指數(shù)的影響各異，非毛管孔隙度和土壤通氣度以傳統(tǒng)經(jīng)營最大，這可能與大樹間伐后根系死亡腐爛有關(guān)。但毛管孔隙度和總孔隙度呈現(xiàn)出未經(jīng)營林分優(yōu)于近自然經(jīng)營、近自然經(jīng)營優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)營的現(xiàn)象進(jìn)一步說明，干擾強(qiáng)度越大，對土壤體的壓實作用越大，這種作用必將影響林分內(nèi)植被對養(yǎng)分的吸收、微生物活動和水分的涵養(yǎng)與維持。因此，近自然經(jīng)營在一定程度上改變了森林生態(tài)系統(tǒng)中的動植物群落結(jié)構(gòu)，從而影響了森林土壤的理化性質(zhì)［21］。但從總體看，近自然經(jīng)營對土壤物理性質(zhì)的影響程度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)經(jīng)營。

表7 土壤中速效N、有效P和交換性K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其土層中的貯量

表8 3種經(jīng)營方式下土壤C/N比和pH值變化

3.2 經(jīng)營方式與土壤養(yǎng)分全量

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的最大貯存庫，土壤有機(jī)碳與大氣二氧化碳組成、氣候和地被物的變化緊密相關(guān)［22］。土壤有機(jī)碳濃度是土壤肥力的一個重要指標(biāo)，受土壤理化性質(zhì)、植被、氣候條件、人類活動等的影響，這些因素的改變會影響一定面積、一定深度的土壤有機(jī)碳密度的變化，從而影響大氣中溫室氣體的濃度。本研究中，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度的增加呈降低趨勢，且有經(jīng)營林分低于未經(jīng)營林分。土壤有機(jī)碳0～60 cm深度總貯量在3種經(jīng)營方式間沒有明顯差異，這是由于有機(jī)碳貯量是土壤密度、體積與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相互作用的結(jié)果，同時，土壤全碳是一個相對穩(wěn)定的指標(biāo)，經(jīng)營方式可能會影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但過程相對較慢，與 Kutsch 等［23］、王樹力等［24］的研究結(jié)果相吻合。

土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。Hopmans等［25］認(rèn)為，土壤N質(zhì)量分?jǐn)?shù)比有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更適合作為土壤肥力變化的指示因子。森林土壤含氮量的消長與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化一樣，決定于有機(jī)質(zhì)的積累和分解作用的相對強(qiáng)度，其含量的變化受植被和經(jīng)營方式等因素的影響。本研究中，經(jīng)營方式對土壤中的全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和貯量沒有明顯的影響，這可能是由于3種經(jīng)營方式的林分因經(jīng)營時間較短，短時間內(nèi)它們難有較大的變化，從而證明土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)是植被變化的主要影響因子，二者具有協(xié)同性。近自然經(jīng)營方式下全P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和貯量雖然大于其他兩種經(jīng)營方式，但沒有明顯差異。相對而言，經(jīng)營方式對全K養(yǎng)分的影響較大，有經(jīng)營活動林分的土壤全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)和貯量大于未經(jīng)營林分，且以經(jīng)營強(qiáng)度最大的傳統(tǒng)經(jīng)營林分內(nèi)最大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是傳統(tǒng)經(jīng)營將林分中的優(yōu)樹、大樹擇伐以后地上植被對土壤中的K吸收能力降低，從而產(chǎn)生相對的富余。

3.3 經(jīng)營方式與土壤有效養(yǎng)分

土壤中只有少部分有效養(yǎng)分能在短期內(nèi)被植物吸收，因此森林土壤有效養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其在單位面積一定深度內(nèi)的貯量更能反映林分當(dāng)前的生長狀態(tài)。本研究中，經(jīng)營方式對土壤中速效N和有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯影響，但近自然經(jīng)營林分土壤中交換性K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和貯量大于相應(yīng)的未經(jīng)營和傳統(tǒng)經(jīng)營林分。這與 Kimmins［26］、張鼎華等［27］的研究結(jié)果相似：有效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，進(jìn)一步證明近自然經(jīng)營能夠改善土壤的交換性能。

3.4 經(jīng)營方式與pH值和C/N比

土壤pH值是土壤基本性質(zhì)和肥力的重要影響因素之一，一般受成土母質(zhì)和氣候條件的影響，同時也受地形、植被和經(jīng)營措施等因素影響。土壤pH值的高低影響土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性。從針葉林土壤pH值變化來看，經(jīng)營林分包括近自然經(jīng)營和傳統(tǒng)經(jīng)營大于未經(jīng)營林分。這可能是由于在經(jīng)營過程中更多地將林分內(nèi)生長狀態(tài)不好的闊葉樹枝葉和草、灌歸還到土壤內(nèi)，促使土壤中的H離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，從而提高了土壤pH值。

土壤C/N比是影響土壤微生物活性的重要因子，與土壤中有機(jī)質(zhì)和氮素的多少有關(guān)，受植被、人類經(jīng)營活動等因素的影響。近自然經(jīng)營針葉林土壤C/N比小于傳統(tǒng)經(jīng)營林分，后者又小于未經(jīng)營林分的結(jié)果，說明森林經(jīng)營過程中人類活動一定程度上改變了地上植被結(jié)構(gòu)、凋落物量及土壤微生物的活動，從而使C/N比產(chǎn)生了變化。近自然經(jīng)營由于其經(jīng)營強(qiáng)度低于傳統(tǒng)的經(jīng)營方式，其產(chǎn)生的C/N比變化更有利于土壤養(yǎng)分的釋放與供應(yīng)，有利于森林植物的生長和林分的健康發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

近自然經(jīng)營一定程度上影響了天然次生針葉林土壤的物理性狀，但這種干擾程度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)經(jīng)營;經(jīng)營方式對土壤有機(jī)質(zhì)、全N沒有明顯影響;土壤全P、全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)與貯量分別以近自然經(jīng)營和傳統(tǒng)經(jīng)營林分最大;近自然經(jīng)營林分土壤中有效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，提高了林地土壤的交換性能;與傳統(tǒng)經(jīng)營方式相比，近自然經(jīng)營林分土壤C/N比降低、pH值升高，為土壤微生物活動提供了較好的生活環(huán)境，有利于土壤肥力的增強(qiáng)和長期生產(chǎn)力的提高。

近自然林業(yè)是模仿自然、接近自然的一種森林經(jīng)營方式。它并不是回歸到天然的森林類型，而是盡可能使林分建立、撫育、采伐的方式同“潛在的自然植被”的關(guān)系相接近［28］。近自然經(jīng)營過程要求的技術(shù)性比較強(qiáng)，而且更要求指導(dǎo)經(jīng)營技術(shù)的負(fù)責(zé)人有比較強(qiáng)的責(zé)任心和過硬的生產(chǎn)和生態(tài)經(jīng)驗。針對不同的林型可能需要采取不同的技術(shù)措施，不能搞一刀切。還有，近自然經(jīng)營理念在我國林業(yè)的影響力還不夠深入，其實踐更是鳳毛麟角，因此林業(yè)的近自然經(jīng)營還需要更長一段道路要走。要開展經(jīng)營技術(shù)的研究，遵循生態(tài)學(xué)原理，制定出科學(xué)的森林經(jīng)營方式和技術(shù)，要不斷實踐與總結(jié)經(jīng)驗，形成完善的技術(shù)支撐體系，充分發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的整體功能，使森林的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會效益相得益彰。

致謝：哈爾濱市丹清河林場周錦北，張宗文等參加了野外調(diào)查采樣，中國科學(xué)院會同生態(tài)站于小軍、黃林等協(xié)助部分實驗室分析工作，沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所人工林組汪思龍研究員指導(dǎo)了論文實驗設(shè)計，一并致謝。

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