菇木林目標(biāo)樹擇伐林窗的形成對土壤養(yǎng)分含量的影響

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400）

森林生態(tài)系統(tǒng)易受自然或人為因素干擾而形成林窗[1-2]，林窗的尺度往往較小，是森林生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象。林窗也是森林群落演替的重要驅(qū)動要素，對森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有著顯著的影響[3-4]。林窗的存在使得林窗內(nèi)微環(huán)境發(fā)生改變[5]，非生物環(huán)境如林窗內(nèi)太陽輻射和光照強度[6]、空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度[7]、土壤pH 值[8]以及生物環(huán)境如物種更新[9-11]、植物多樣性[12-13]、土壤微生物和土壤動物等[14-16]，林窗內(nèi)生物環(huán)境、非生物環(huán)境都與非林窗區(qū)域有著明顯的不同，從而影響林窗內(nèi)凋落物分解和養(yǎng)分釋放[17]及森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動[18]，林窗的形成有利于森林群落演替和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展[19-20]。

菇木林是指以生產(chǎn)剁花法香菇為目的的林分類型（不同于一般意義上的用于生產(chǎn)香菇培養(yǎng)料的林分）[21]，剁花法香菇栽培是一種傳統(tǒng)的香菇生產(chǎn)技術(shù)，有著800 多年的歷史，通過在林地原地砍倒適合做香菇的闊葉樹木（即菇木林里面的林木），并在倒木上剁出疤痕，利用自然孢子傳播接種栽培香菇。菇木林采伐通常采用“伐大留小”的異齡林擇伐技術(shù)，主要是將胸徑20 cm 以上的菇木按照一定的技術(shù)要求砍倒，砍伐后常常會在林內(nèi)留下30～100 m2不等的人工林窗，而且伐倒的菇木（包括枝條和葉子）全部生物量留在原位腐爛分解，以保證林木養(yǎng)分的自我歸還，是一種典型的人與自然和諧發(fā)展的森林經(jīng)營技術(shù)，我國南方地區(qū)，特別是浙江、江西、福建、廣東等省都有曾用作菇木林的常綠闊葉林[21]。目前關(guān)于林窗的研究局限于天然形成的林窗，而對于天然林人工擇伐后形成的林窗則研究較少[2,4,13,22]，特別是關(guān)于我國亞熱帶東南沿海地區(qū)天然林擇伐后所有生物量留在原位地表形成的人工林窗的研究更為少見。菇木林人工形成的林窗土壤養(yǎng)分元素和土壤質(zhì)量對菇木擇伐響應(yīng)如何，對于傳統(tǒng)菇木林的科學(xué)經(jīng)營有何指導(dǎo)意義等問題急需回答。本研究以菇木林人工擇伐后，所有采伐物全部留在原位而形成的人工林窗為研究對象，研究菇木林目標(biāo)樹種擇伐人工林窗對土壤養(yǎng)分元素含量的影響，揭示菇木擇伐形成的林窗效應(yīng)，為中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)——浙江省慶元香菇文化系統(tǒng)的培育、推廣和優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地設(shè)在中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)——浙江省慶元香菇文化系統(tǒng)內(nèi)（地理位置為118°50′～119°30′E，27°25′～27°51′N），氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤，冬暖夏涼，年均氣溫17.4℃，年均降水量1 760 mm，無霜期245 d。研究地地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，喬木植物以紅栲Castanopsis hystrix、木荷Schima superba、烏櫧Castanopsi sclerophylla、甜櫧Castanopsi eyrei、米櫧Castanopsi carlesii為主，林下灌木植物以格藥柃Eurya muricata、朱砂根Ardisia crenanta、四川山礬Symplocos setchuensis為主，草本植物有蕨Pteridium aquilinum、芒萁Dicranopteris pedata等。研究樣地土壤為紅黃壤，土層深厚，有機質(zhì)含量高，土體疏松，腐殖質(zhì)層厚。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計和測定方法

試驗地林木平均胸徑為15.2 cm，平均樹高為12.6 m，密度為1 600 株·hm-2，林齡為成熟林，封山育林60 a 以上，總面積125 hm2。2012年12月，選擇適宜培育剁花香菇的間隔一定距離的紅栲樹5株（菇木平均胸徑23.2 cm，相當(dāng)于林窗單位面積形成的樹干分解物為16.14 t·hm-2）[23]，利用地形，從下而上，定向?qū)⒐侥究车?，各形? 個人工林窗；樹梢向下坡，樹基朝上坡放置樹干，去其大部分枝杈，留下樹干及少量枝杈；接著根據(jù)菇木的情況用斧頭剁出不同深度和斜度的疤痕，同時用砍下的樹枝和樹葉（相當(dāng)于林窗單位面積內(nèi)形成的枝條和葉子分解物的數(shù)量為14.07 t·hm-2，因此留在林窗內(nèi)腐爛的樹干、枝條和葉子合計為30.11 t·hm-2）等覆蓋菇木，防止烈日暴曬，形成的林窗面積為80 m2左右。剁花5 a 后菇木基本不再生產(chǎn)香菇，樹干也接近腐爛。2018年8月，于砍伐后形成的每一個林窗內(nèi)的南北軸和東西軸上，各間隔2～3 m設(shè)立5 個土壤采集樣點，去除地表枯落物后，用內(nèi)徑為5 cm 的土鉆，采集0～20、20～40 和40～60 cm 土層的土壤樣品，每一個林窗同一土層的土壤樣品均勻混合。同時在每一個林窗外10 m范圍內(nèi)設(shè)立對照林地各1 個，樣地大小為20 m×20 m，每一個樣地按照“S”型取樣法，采用內(nèi)徑為5 cm 的土鉆采集0～20、20～40、40～60 cm土層土壤，同一土層的土壤樣品充分混合。土壤樣品撿出植物根系、殘體和碎石，自然風(fēng)干后過2 mm 篩，干燥保存，用于測定土壤有機碳和土壤養(yǎng)分元素含量。選擇對照林地時，盡量保持其與菇木林地的植被、坡度、坡向、海拔等自然地理條件基本一致，以保證試驗的可比性。

土壤有機碳（TOC）的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[24]。土壤養(yǎng)分的測定采用常規(guī)方法[25]：全氮（TN）采用凱氏定氮法測定；水解氮（AN）采用堿解擴散法測定；速效鉀（AK）采用乙酸浸提法測定；有效磷（AP）采用碳酸氫鈉法測定；土壤交換性鈣（Ca）和交換性鎂（Mg）的測定采用原子吸收分光光度法；土壤pH 值采用電位法測定。

1.2.2 統(tǒng)計分析

采用SPSS16.0 統(tǒng)計軟件包中的t 檢驗分析法（Independent-samples T Test）比較養(yǎng)分元素的變化情況，采用SPSS16.0 統(tǒng)計軟件包中的主成分分析方法（Principal components analysis）對土壤養(yǎng)分元素進行主成分分析，并對綜合評價值F進行排序（F=∑yi得分×yi貢獻率，公式中yi分別代表第i個主成分的得分和貢獻率，i=1，2，3，…），根據(jù)F值的大小對菇木林窗和對照林分進行土壤肥力評價[26]）。

2 結(jié)果與分析

2.1 菇木林窗對土壤pH 值及C、N 含量和比值的影響

菇木林窗和對照林土壤pH 值及C、N 含量和比值見表1。由表1可知，與對照林地相比，林窗0～20、40～60 cm 土層土壤pH 值分別下降了2.79%和0.56%，20～40 cm 土層土壤pH 值則增加了0.94%，但差異均不顯著。與對照林地相比，0～20 cm 土層土壤有機碳含量增加了25.55%，但差異不顯著；而20～40、40～60 cm 土層林窗土壤有機碳含量分別下降了43.5%、54.68%，且差異達到了顯著水平。與對照相比，林窗0～20 cm土層全氮含量增加了13.68%，差異不顯著；而20～40、40～60 cm 土層的全氮含量分別下降了37.31%和44.43%，且差異達到顯著水平。與對照相比，林窗0～20 cm 土層土壤C∶N 提高了10.04%，但差異不顯著；20～40、40～60 cm 土層的C∶N 分別下降了9.05%、19.65%，且差異都達到了顯著水平。

2.2 菇木林林窗對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

菇木林窗和對照林土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量見表2。由表2可知，與對照相比，擇伐后留在林窗的菇木及其枝葉的分解有利于0～20 cm土層水解性氮含量的增加，增加了42.34%，但差異不顯著；20～40、40～60 cm 土層，水解性氮含量下降了23.49%和10.28%，且20～40 cm 土層差異顯著。與對照相比，菇木林窗有效磷的含量同水解氮的變化趨勢一致，0～20 cm 土層增加了15.32%，但差異不顯著；20～40、40～60 cm 土層分別下降了11.06%和34.47%，且40～60 cm土層差異顯著。與對照相比，菇木林窗0～20、20～40、40～60 cm 土層速效鉀含量分別下降了28.02%、35.08%和0.25%，其中20～40 cm 土層差異達到顯著水平。

表1 菇木林窗和對照林土壤pH 值及C、N 含量和比值的比較?Table 1 Soil pH，TOC，TN and C/ N ratio of soil in mushroom-cultivated stand gap and CK plots

2.3 菇木林林窗對土壤交換性鈣、交換性鎂含量的影響

與對照相比，林窗0～20、20～40、40～60 cm 土層交換性鈣含量分別增加了83.16%、35.78% 和42.00%，且在0～20 cm 土層差異達到顯著水平；與對照相比，林窗0～20、20～40、40～60 cm 土層交換性鎂含量分別下降了19.26%、20.71%和7.18%，但是差異均不顯著（表3）。

2.4 菇木林窗和對照林土壤肥力的主成分分析

對表征土壤肥力的因子（0～20、20～40、40～60 cm 土壤pH 值、有機碳、全氮、速效氮、有效磷和速效鉀、交換性鈣和交換性鎂含量均值建立數(shù)據(jù)矩陣）進行主成分分析，結(jié)果（表4）表明，菇木林林窗兩個主成分（y1，y2）的方差貢獻率分別為83.02%、10.70%，累計貢獻率為93.72%；對照林兩個主成分（y1，y2）的方差貢獻率分別為75.39%、18.38%，累計貢獻率為93.77%。因此，兩個主成分足以代替原始因子所代表的主要信息。由綜合評價值F=∑yi得分×yi貢獻率（i=1，2），求得菇木林林窗和對照林的F得分值，分別為0.823 5、0.764 1，前者大于后者，菇木林林窗有利于土壤質(zhì)量的提升。

表2 菇木林窗和對照林土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量的比較Table 2 Comparison of soil AN,AP and AK between mushroom-cultivated stand gap and CK plots

表3 菇木林窗和對照林土壤交換性鈣和交換性鎂含量的比較Table 3 Comparison of soil exchangeable Ca and exchangeable Mg between mushroom-cultivated stand gap and CK plots

表4 菇木林窗和對照林土壤肥力比較Table 4 Principal component analysis of soil fertility in mushroom-cultivated stand gap and CK plots

3 結(jié)論與討論

菇木形成的林窗改變了林內(nèi)的光照條件和降雨條件，林窗內(nèi)的溫度和濕度發(fā)生相應(yīng)的變化[27-28]，影響著土壤微生物的活性[29]，從而引起土壤養(yǎng)分元素含量的變化[30]。

菇木伐倒后，所有生物量原位返還到地表，林窗內(nèi)地表枯落物數(shù)量（葉子和枝條）要較對照林分增加14.07 t·hm-2，加上菇木樹干本身的腐爛分解，以及由于林窗內(nèi)溫度和濕度的改變導(dǎo)致微生物分解活性增強，導(dǎo)致林窗內(nèi)0～20 cm 土層土壤有機碳含量增加[15]；而林窗內(nèi)20～40、40～60 cm 土層，由于有機質(zhì)來源減少（林窗內(nèi)植被減少，根系凋落物和分泌物減少，導(dǎo)致深層土壤中的有機質(zhì)補充減少），且土壤礦物質(zhì)化作用的增強[31]，所以有機碳含量下降。周義貴等[32]研究了四川米亞羅地區(qū)云杉Picea asperata林林窗效應(yīng)，結(jié)果也表明林窗的形成促使地表層土壤有機質(zhì)含量的增加；張春雨等[33]研究認為，長白山闊葉紅松Pinus koraiensis林林隙內(nèi)土壤有機碳含量增加。而王清奎等[31]研究認為，林窗形成后，林窗內(nèi)的環(huán)境條件發(fā)生顯著的變化，土壤有機碳的礦化作用隨之增強[34]，土壤有機碳含量下降。

土壤中的全氮來源于土壤有機質(zhì)，與土壤有機質(zhì)密切相關(guān)，本研究土壤全氮的變化規(guī)律與土壤有機碳含量的變化規(guī)律相一致，林窗地表增加的凋落物的分解有利于0～20 cm 土層全氮和水解性氮含量的增加[35]。耿玉清等[36]和劉聰?shù)萚37]的研究結(jié)果也表明，林窗能提高A 層土壤的全氮和水解氮的含量；張春雨等[33]的研究也表明，林隙土壤全N 含量比林內(nèi)提高了7.67%。但是，對于林窗內(nèi)20～40、40～60 cm 土層而言，由于土壤礦化速率的增加，加上植物對養(yǎng)分元素吸收量的減少，林窗內(nèi)土壤養(yǎng)分有效性可能會增大[8]；林冠層降雨截留量的減少，淋溶作用增加導(dǎo)致養(yǎng)分流失也會增強[30]，且由于植物根系分泌物的減少，會導(dǎo)致養(yǎng)分元素含量下降。菇木林窗改變了林內(nèi)的光照強度，林窗內(nèi)溫度和濕度隨之發(fā)生變化[7]，酶的活性增強，促使地表凋落物的分解，釋放大量酸性物質(zhì)[8]，所以降低了0～20 cm和40～60 cm 土壤pH 值，20～40 cm 土層土壤pH 數(shù)值則稍有增加。周義貴等[32]和張春雨等[33]的研究也表明，林窗促使土壤pH 值下降，但差異不顯著。

耿玉清等[36]和劉聰?shù)萚37]的研究表明，林窗的形成可提高A 層土壤有效磷的量。但是對于深層土壤而言，由于土壤礦化速率增加，根系分泌物的減少和植物對養(yǎng)分元素吸收量的減少，增加了林窗內(nèi)土壤養(yǎng)分有效性，因此，淋溶導(dǎo)致土壤有效磷、速效鉀養(yǎng)分流失作用也傾向于增加[29]，所以，本研究速效磷的含量在20～40、40～60 cm土層，速效鉀在0～20、20～40、40～60 cm土層都呈現(xiàn)下降的趨勢，張春雨等[33]也得出相似的研究結(jié)果。

一方面，由于菇木林窗凋落物分解釋放養(yǎng)分和土壤礦物質(zhì)化作用的增加[34,38]，導(dǎo)致林窗土壤交換性鈣和鎂含量增加。另外一方面，由于林窗的形成，調(diào)節(jié)了降雨的分配比例，增加了林內(nèi)穿透雨降雨量，導(dǎo)致林窗內(nèi)土壤交換性鈣、鎂元素的流失。由于菇木林植物體內(nèi)桿、枝、葉鈣元素含量是菇木林植物體內(nèi)桿、枝、葉鎂元素含量的14.2 倍，林窗內(nèi)枯落物分解后釋放的鈣元素量不僅僅彌補了鈣的流失，而且利于土壤交換性鈣的積累，因此導(dǎo)致林窗內(nèi)土壤交換性鈣、鎂元素變化趨勢不一致，所以導(dǎo)致本研究中林窗土壤的交換性鈣元素含量高于對照，而交換性鎂元素含量則相反。

采用主成分分析，對表征土壤肥力的8 個因子（土壤pH 值、有機碳、全氮、速效氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂含量）進行了分析，綜合評價表明，菇木林窗形成后有利于土壤肥力的提升，研究結(jié)果為菇木林經(jīng)營提供了一定理論依據(jù)。

影響土壤質(zhì)量的土壤屬性很多，土壤的理化性質(zhì)、生物屬性都可能是最終的評價指標(biāo)，本研究僅僅局限于從土壤養(yǎng)分和土壤pH 值等方面考慮菇木林窗形成后土壤質(zhì)量的變化，且菇木林窗形成的年齡只有6 a，研究期限較短。今后繼續(xù)以所設(shè)立的固定樣地為研究平臺，持續(xù)開展長期定位監(jiān)測和研究，并且從生物因子（林下植被、土壤生物）和非生物因子（環(huán)境因子）等方面進行綜合評價，為菇木林擇伐和林窗管理提供更加科學(xué)的依據(jù)。