落葉松成熟林不同采伐方式對林下土壤化學性質(zhì)的影響*

李玉江 李國偉 劉冠兵

（1.黑龍江省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃設計院綏化院，黑龍江 綏化 152000；2.北華大學林學院，吉林 吉林 132012；3.吉林省林業(yè)勘察設計研究院，吉林 長春 130022）

落葉松（Larix gmelinii）是中國東北地區(qū)主要造林樹種，在東北林區(qū)占據(jù)著重要的地位[1]。森林土壤作為樹木生長的載體，土壤質(zhì)量影響著樹木的生長狀態(tài)及生產(chǎn)水平[2-9]。曹娟等對杉木人工林土壤進行研究后發(fā)現(xiàn)，C:N主要受土壤有機碳影響，而不同深度的C:N比穩(wěn)定[10]。周燾等通過對長白落葉林進行撫育新間伐研究發(fā)現(xiàn)，撫育間伐可以顯著增加森林內(nèi)土壤有機碳與全氮的含量[11]。牛小云等對不同發(fā)育階段的日本落葉松林下土壤酶的活性研究發(fā)現(xiàn)，對林分密度進行調(diào)控可以有效緩解地力衰退的問題[12]。這說明對森林進行的采伐操作對于提高森林土壤肥力是有益的。本研究以落葉松人工成熟林為研究對象，分析了不同采伐強度林下土壤的總有機碳、全氮、pH值及碳氮比值變化情況。研究有益于了解對落葉松成熟林采取不同采伐方式及不同采伐強度時，林分土壤肥力變化情況，以期為落葉松成熟林實施復層林改造及森林可持續(xù)經(jīng)營提供數(shù)據(jù)支撐及理論指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省臨江市東北部的樺樹林場，地處126°16′～127°16′E，41°57′～42°57′N，海拔930～1054 m，屬于長白山龍崗山脈。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，春季少雨干旱、夏季溫熱多雨，1月份最低平均氣溫-32℃，7月份最高平均氣溫32℃，全年平均氣溫4℃。主要降水集中在7～8月，年平均降水量為750～1000 mm。土壤類型主要為暗棕色森林土，厚度達50 cm以上。pH 4.19～6.37。該地屬于長白山植物區(qū)系，森林覆蓋率96%。主要森林類型為紅松闊葉混交林，主要喬木樹種包括落葉松(Larix gmelinii)、紅松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea asperata)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)等。研究樣地落葉松人工林為原始林闊葉林采伐后，營造人工落葉松林后形成。

2 材料與方法

2.1 試驗樣地設置

試驗樣地位于樺樹林場48林班內(nèi)，楊木項子山北坡，林分類型為落葉松人工成熟林，設置樣地時林分年齡為43年。于2017年冬季按照試驗樣地設計進行采伐，采伐方式分為帶狀皆伐和擇伐。皆伐帶走向為南北方向，皆伐區(qū)域采伐強度為100%；采伐帶寬度分為20、30、40 m，南北長度200 m，各皆伐帶間保留了大約20 m寬的林帶。擇伐區(qū)域設置了3種采伐強度，分別為25%、35%、45%。2018年4月在采伐地內(nèi)種植了水曲柳幼樹，2018年8月在每個采伐強度及未經(jīng)營林分各設置3塊試驗樣地，樣地面積為30 m×30 m（表1）。

表1 研究樣地基本概況

2.2 樣品采集與測定

2020年8月，采用對角線五點混合取樣法[13]進行土壤樣品采集，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，樣點布設方式如圖1所示。進行土壤采樣之前，需要去除采樣點表面的凋落物層，利用鐵鍬挖掘垂直土壤剖面，然后在每個土層深度采集土壤樣本（去掉土壤中的巖石、砂粒），最后將采集到的土壤樣品稱取等量，按層進行混合，每層合成一個土壤樣品，每個樣地可以得到3個不同深度的土壤樣品。在實驗室階段，將土樣自然風干后，過10目和100目土壤篩，然后進行土壤化學指標測定。

該實驗過程中未對土壤中的全磷和全鉀元素進行分析，只對土壤pH值、全氮(TN)、總有機碳(SOC)、碳氮(C:N)比進行了測定與分析。各土壤指標測定方式為：pH值（電位法LY-T 1239-1999）；土壤全氮(TN)（凱氏定氮法LY-T 1228-1999）；土壤總有機碳（SOC）（重鉻酸鉀氧化-外加熱法LY-T 1237-1999）。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所測數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)錄入、整理形成電子文檔。數(shù)據(jù)利用SAS9.4統(tǒng)計分析軟件進行分析。在分析過程中，選定的試驗因子有：采伐方式、皆伐帶寬度、擇伐強度，其中皆伐帶寬度與擇伐強度嵌套在采伐方式中，兩者為嵌套關(guān)系，無交互作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營強度下樣地土壤化學性質(zhì)變化情況

從表2可以看出，皆伐樣地與對照樣地的pH值隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；而擇伐樣地的pH值隨著土層深度的增加而減小。將表層土壤（0～10 cm）pH值大小按采伐方式排序，順序為擇伐>對照>皆伐，而且在不同采伐方式樣地中，pH值均隨著采伐寬度/強度的增加而增大。所有試驗樣地中土壤全氮與土壤總有機碳的含量均隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)減少趨勢；碳氮比在不同寬度/強度樣地與不同土層深度規(guī)律不明顯。

表2 不同樣地土壤化學性質(zhì)

3.2 不同經(jīng)營強度、不同深度土壤化學性質(zhì)差異性分析

本實驗所采用的模型包含2種效應：（1）不同處理的固定效應；（2）樣地與土壤化學性質(zhì)變化的隨機效應，為混合模型，利用SAS（mixed過程）進行模型擬合（表3）。

表3 模型參數(shù)及其意義

從表4可以看出，樣地中寬度/強度以及土層深度，對土壤總有機碳、全氮、pH值的影響是極顯著的（P<0.01），對碳氮比的影響不大。采伐方式與土層深度的交互作用只對土壤pH值影響極顯著（P<0.01）。

表4 土壤元素含量各因素F值

根據(jù)從lsmeans語句獲得的估計值對不同采伐方式、不同土層深度土壤化學性質(zhì)變化（圖2），及不同寬度/強度、不同深度土壤化學性質(zhì)變化（圖3）進行差異性分析。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，土壤中的總有機碳含量是隨著土層深度增加而減小的，且差異顯著（P<0.05），而在不同采伐方式下，土壤中總有機碳含量無明顯差異。土壤中全氮含量也是隨著土層深度增加而呈減少趨勢，但差異不顯著；不同主伐方式之間擇伐樣地土壤全氮含量略高于皆伐樣地，差異不顯著。不同土層深度對土壤pH值變化無顯著影響，在表層土壤（0～10 cm）中皆伐樣地土壤酸性大于擇伐樣地，且差異顯著（P<0.05）。土壤碳氮比（C:N）隨著土層深度增加呈減小趨勢，但是不同土層深度間變化趨勢無規(guī)律，0～10 cm與10～20 cm土層深度不同主伐方式間存在顯著差異（P<0.05），皆伐大于擇伐。

圖2 不同主伐方式、不同深度土壤化學性質(zhì)變化

根據(jù)圖3可知，在不同寬度/強度下，20、40 m寬皆伐樣地與35%、45%擇伐強度樣地的土壤總有機碳含量排在前列，其中表層土壤（0～10cm）中20 m寬皆伐樣地中總有機碳含量最高達104.88 g/kg，而在10～20 cm與20～40 cm深度土層中，35%擇伐強度的土壤總有機碳含量最高，分別為72.55、66.96 g/kg；20、40 m寬皆伐樣地與45%擇伐強度樣地中不同土層深度之間的總有機碳含量差異顯著（P<0.05）。

圖3 不同寬度/強度、不同深度土壤化學性質(zhì)變化

35%擇伐強度樣地中，土壤全氮在各個深度土層含量均最高。表層土壤（0～10 cm)中35%擇伐強度土壤全氮與45%擇伐強度、20 m寬度皆伐樣地差異不顯著，與其他樣地差異顯著（P<0.05）；10～20 cm深度土層35%擇伐強度與45%擇伐強度樣地差異不顯著，與其他樣地差異顯著（P<0.05）。20～40 cm深度土層中土各樣地間土壤全氮含量差異不顯著。各樣地內(nèi)不同土層深度土壤全氮含量均隨著土層深度增加而減小。

不同樣地間的土壤pH值變化幅度與其他化學元素相比較小，在表層土壤（0～10 cm）中，不同采伐強度的擇伐樣地和對照樣地與不同寬度的皆伐樣地間存在顯著差異（P<0.05）；10～20 cm土層深度對照樣地的pH值與其他各樣地均差異顯著（P<0.05），其他各樣地間均無顯著差異；20～40 cm土層深度對照樣地pH值與其他樣地也存在著顯著差異（P<0.05），其他樣地間規(guī)律不明顯。所有樣地中，不同土層深度間pH值變化規(guī)律不明顯，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)，擇伐樣地中土壤pH值均隨著土層深度增加而下降，而不同寬度的皆伐樣地與對照樣地的土壤pH值隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)先增加再減少趨勢。

在不同樣地中，40 m與20 m寬皆伐帶中，土壤表層（0～10 cm）與10～20 cm土層的土壤碳氮比位列第一與第二位，且與其余多數(shù)樣地間差異顯著（P<0.05）。20～40 cm土層中各樣地間土壤pH值均差異不顯著。

4 討論

4.1 不同采伐方式對土壤化學性質(zhì)的影響

采伐會造成森林內(nèi)原有平衡狀態(tài)被破壞，林內(nèi)環(huán)境條件會發(fā)生劇烈變化。森林土壤理化性質(zhì)在較小尺度上與植被分布、微立地環(huán)境變化以及干擾方式等有關(guān)[14]。根據(jù)分析結(jié)果，在不同采伐方式下，皆伐樣地表層土壤（0～10 cm）的總有機碳平均值為76.59 g/kg，而擇伐樣地總有機碳平均值為71.73 g/kg，皆伐樣地土壤有機碳含量大于擇伐樣地，且差異顯著（P<0.05）。造成皆伐樣地土壤總有機碳較高的原因可能與采伐過程中遺留在林地當中的大量木材碎屑，及林地上方林冠突然加大，導致林內(nèi)植被快速生長有關(guān)[15]。林下快速生長的植被根系的分泌物和凋落物經(jīng)微生物作用可以有效增加土壤有機碳[16]。土壤表層（0～10 cm）與10～20 cm深土層中皆伐樣地的土壤全氮含量均低于擇伐樣地，而且不同深度之間差異均顯著（P<0.05）。沈雅飛[17]通過對馬尾松人工林間伐研究，認為適當強度的間伐有利于土壤碳氮養(yǎng)分的保存和提高，但不同立條件不同樹種適合的間伐強度不同。張文雯等[18]通過對不同間伐強度華北落葉松林分研究，認為重度間伐樣地由于大幅降低了林分郁閉度，地表凋落物減少，地表徑流增加，會加速氮流失。皆伐樣地土壤表層（0～10 cm）的土壤pH值小于擇伐樣地，且差異顯著（P<0.05），其他土層深度間差異不明顯。徐雪蕾[19]等對杉木人工林不同強度間伐樣地的研究發(fā)現(xiàn)，間伐后土壤的養(yǎng)分均比對照樣地有所增加，但是pH值變化不顯著；張泱等[20]對小興安嶺低質(zhì)林改造研究表明，順山帶狀皆伐樣地土壤的pH值總體上隨著時間的推移而下降，皆伐后3年各樣地土壤的pH值低于對照樣地。不同采伐樣地間碳氮比變化規(guī)律不明顯。

4.2 不同皆伐寬度/擇伐強度樣地與對照樣地土壤化學性質(zhì)對比

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，除25%擇伐強度樣地的10～20 cm、20～40 cm土層的土壤總有機碳含量低于對照樣地外，其他各個不同擇伐強度樣地與不同寬度皆伐樣地的土壤有機碳含量均高于對照。35%與45%擇伐強度樣地，20、40 m寬度皆伐樣地表層土壤(0～10 cm)與10～20 cm總有機碳含量均較高。35%與45%擇伐強度樣地和20 m與30 m寬度皆伐樣地中表層土壤（0～10 cm）土壤全氮含量均高于對照樣地，但是各樣地之間的差異顯著性除了35%擇伐強度樣地與對照樣地差異顯著外，其余樣地間差異并不顯著。從各樣地情況分析，擇伐樣地中，35%擇伐強度樣地的土壤養(yǎng)分增加最明顯；皆伐樣地中，20 m寬度皆伐樣地土壤養(yǎng)分增加最明顯。擇伐樣地結(jié)論與徐雪蕾等[19]研究結(jié)論一致；皆伐樣地結(jié)論與陳蕾等[21]對大興安嶺闊葉混交林進行塊狀皆伐后土壤養(yǎng)分變化研究結(jié)論一致，適宜的改造強度，可使林內(nèi)壞境達到最佳，土壤肥力也有明顯的改善，但當改造帶寬過大時，林內(nèi)微氣候改變，生物活性等減少，改造效果會明顯下降。不同寬度皆伐樣地土壤表層（0～10 cm）的pH值均明顯低于對照樣地與各個強度的擇伐樣地，且樣地間差異顯著（P<0.05）。這一結(jié)論與徐雪蕾[19]等對杉木間伐樣地研究，與張泱等[20]學者對闊葉低質(zhì)林帶狀皆伐研究所得的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，擇伐方式與皆伐方式均會促進林下土壤養(yǎng)分（土壤有機碳、全氮）增加；皆伐會促使林下表層土壤pH值顯著低于擇伐樣地與對照樣地。根據(jù)本文研究結(jié)果，該地區(qū)落葉松人工成熟林最適宜的擇伐強度應當控制在35%左右，最適宜的皆伐帶寬為20 m，南北走向。

根據(jù)我國當前森林可持續(xù)經(jīng)營發(fā)展理念，當前森林經(jīng)營應當以擇伐經(jīng)營為主，盡量避免對森林進行皆伐作業(yè)，這對于森林大徑材培育、復層林營造都是有益的。皆伐經(jīng)營適合于對低產(chǎn)林改造或者營造陽性珍貴樹木，本研究結(jié)論對于指導該地區(qū)林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營具有重要的指導意義。