間伐對杉木林林下地被物生物量及土壤理化性質的影響

趙朝輝 ，方 晰 ，2，田大倫 ，2，項文化 ，2

（1.中南林業科技大學 生態研究室，湖南 長沙 410004；2. 南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

間伐對杉木林林下地被物生物量及土壤理化性質的影響

趙朝輝1，方 晰1，2，田大倫1，2，項文化1，2

（1.中南林業科技大學 生態研究室，湖南 長沙 410004；2. 南方林業生態應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

利用定位觀測數據，研究了間伐對湖南省會同杉木人工林林下地被物生物量、土壤理化性質的影響。結果表明：按50%強度間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對照區分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達224.77%，林下死地被物增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%；與對照區相比，林地各層土壤溫度提高了3.16%以上，土壤層（40～100 cm）除容重下降了2.44%外，土壤質量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，土壤層（0～45 cm）有機質、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，而pH值和P、K、Mg含量分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%。表明間伐不僅增加了林下植物種類和生物量，而且提高了林地土壤溫度，加速了死地被物的分解，改善了土壤理化性質，提高了土壤肥力。

間伐；杉木林；林下地被物；生物量；土壤理化性質；湖南會同

杉木Cunninghamia lanceolata林是我國南方特有的優質速生用材林樹種，具有繁殖容易、生物產量高、經濟效益顯著等特點，木材廣泛用于建筑、家具、造船等方面，在我國林業建設中具有重要的地位。據2009年中國第7次森林資源清查報道，中國杉木林栽培面積已達1.13×107hm2，蓄積量達7.34×108m3[1]，緩解了我國經濟發展對木材需求增長的壓力和支持了天然林保護等重大生態工程的實施，而且在森林固碳方面發揮著重要作用。然而有研究表明，杉木長期生長或連栽引起林地土壤理化性質、生化特性變劣，土壤肥力下降[2-5]，土壤質量嚴重退化[6]。因此在維持杉木林高生產力的同時，如何維護和提高杉木林的地力已成為當今眾多林學家、生態學家所致力研究的課題。林分郁閉前，林木個體處于孤立狀態，個體間關系很不密切。隨著林分年齡的增長，郁閉度增大，林木樹冠生長發育受到抑制，林內形成陰、濕、冷環境，土壤生物活性下降，凋落物難以分解，養分歸還速度緩慢，導致吸收量與歸還量之間的不平衡，引起土壤養分虧缺，呈現林木平均冠幅和平均胸徑隨密度的增加而遞減的趨勢，林木個體間的矛盾激化，林分開始自然稀疏，林下植被稀少，此時如能及時撫育間伐，調整林分密度，不僅促進林木的生長，而且改善林地內光照、空氣溫濕度以及林地土壤溫度，誘導林下鄉土植被的生長和繁衍，提高林分的物種多樣性，進而改變林地凋落物的組成和數量，提高凋落物分解速率，增加養分歸還量，調節杉木林凋落物分解與積累的矛盾，對維持林地肥力平衡和提高林地生產力具有積極的意義[7]。還有研究表明，間伐后林下植被種類與覆蓋度的增加有利于土壤毒素的降解[8]。但迄今為止，有關間伐與杉木林地土壤肥力關系的研究報道仍較少。本研究利用國家野外科學觀測研究站——湖南會同杉木林生態系統定位研究站長期定位觀測的數據，在空間立地條件一致、時間連續情況下，定量比較研究間伐對杉木林林下地被物和土壤理化性質的影響，揭示撫育間伐與杉木林地土壤肥力維持的關系，旨在為杉木林地力的維持提供一些理論與實踐的依據。

1 試驗地概況

試驗地設于國家野外科學觀測研究站、國家林業局重點森林生態系統定位觀測站——中南林業科技大學湖南會同杉木林生態系統定位研究站。地處于 26°50′N，109°45′E，屬典型的亞熱帶濕潤性氣候，年平均溫度為16.8℃，年降水量在1 100～1 400 mm之間，年平均相對濕度為80%以上。海拔高度300～500 m之間，相對高度為150 m以下，為低山丘陵地貌。地層古老，土壤系震旦紀板溪系灰綠色板巖發育的山地黃壤，非常適合杉木的生長。站內設有面積為2 hm2試驗集水區8個，平均坡度為25°，8個集水區相互平行且自然地理狀況基本相似，彼此相距不超過100 m。

本研究在Ⅱ、Ⅶ號集水區內進行，Ⅱ、Ⅶ號集水區特征如表1所示。2個集水區均為1966年營造的杉木人工林，造林密度為2 500～3 000株/hm2。在1987年冬季對Ⅶ號集水區杉木人工林按50%的間伐強度進行間伐，Ⅱ號集水區杉木人工林作為對照地。

表1 Ⅱ、Ⅶ號集水區特征Table 1 Characteristics of Ⅱ, Ⅶ watersheds

2 研究方法

2.1 林下地被物層生物量的測定

本研究采用杉木林生態系統定位研究的方法，1992年10月在Ⅱ、Ⅶ號集水區的每一固定樣地（每一集水區各5塊面積均為667m2）內，均按梅花形分別設置1 m×1 m的小樣方5個，測定林下地被物層的生物量，記載每個小樣方中的植物種類，灌木分為葉、莖、根，草本植物分為地上部分和地下部分，采用全挖法實測其鮮質量，取同類植物相同器官的混合樣本烘干至恒質量，估算干物質質量，同時用作分析樣品。死地被物層全部測定生物量，取混合樣品，烘干測定含水量再估算干物質質量，同時用作分析樣品。

2.2 林地土壤溫度的測定

用曲管地溫表在對照區（Ⅱ號集水區）、間伐區（Ⅶ號集水區）的山坡、山麓定點測定0、5、10、15、20 cm處地溫，分別以山坡、山麓同一土層平均值作為對照區（Ⅱ號集水區）、間伐區（Ⅶ號集水區）土壤溫度最終結果。

2.3 土壤樣品采集與分析方法

于1990年6月至1992年5月，每隔10 d（即每月10、20、30日）分別在各集水區內的固定樣地內按0～20 、20～40、40～100 cm采集3個點土壤樣品，采用烘干法測定土壤質量含水量、環刀法測定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度[9]。

式中：W1為土壤容積含水量(%)；C1為土壤質量含水量(%)；m1為土壤容重(g·cm-3)；W2為土壤貯水量(mm)；d為土層厚度(cm)；Pt為土壤總孔隙度(%)；P為土壤非毛管孔隙度(%)；Pc為毛管孔隙度(%)。

測定林分生物量的同時，在每一個固定樣地內均按0～15、15～30、30～45 cm分層隨機采集3～4點土壤樣品，同一固定樣地同一土層混合成1個分析樣品，每土層10個樣品，共采集30個土壤分析樣品。

土壤pH值用SJ-4A型pH計測定，有機質含量用重鉻酸鉀—水合加熱法測定，全N含量用半微量凱氏法測定，全P含量用堿熔—鉬銻抗比色法測定，全K含量用堿熔—火焰光度法測定，Сa、Mg、Сu、Fe、Zn、Mn、Сd、Ni、Pb 及 Сo含量（全量）用碳酸鈉堿熔—鹽酸提取后，采用Hp3510原子吸收分光光度計測定。

2.4 數據處理與分析

應用EXСEL、SPSS13.0軟件包對數據進行統計分析與處理。

3 結果與分析

3.1 撫育間伐后林下植被種類及其生物量的變化

測定結果（如表2所示）表明，間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對照區分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達224.77%，其中灌木層植物分別增加了6種和3 184.28 kg·hm-2，生物量變化率為273.50%，草本植物盡管在種類上有所減少，但其生物量卻增加了95.88 kg·hm-2，生物量變化率為32.49%。可見，撫育間伐降低了林分郁閉度，改善了林下的空間環境，從而誘導了林下鄉土灌木植物的生長和繁衍，不僅豐富和提高了杉木人工林生態系統的物種多樣性，改變了凋落物的組成，進而加快有機物質的分解和養分的歸還，而且也促進了目的栽培樹種的生長，間伐5 a后，杉木林平均樹高和胸徑比對照區分別提高了1.8 m和3.1 cm（見表2），單株生物產量比對照區提高了64.07%[10]。

表2 間伐后林下灌木植物、層外植物組成及其生物量Table 2 Compositions and biomass of under storey vegetation after thinning

3.2 撫育間伐后死地被物組分及其生物量的變化

從表3可以看出，間伐5 a后，林下死地被物比對照區增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%，其中未分解部分增加了83.61%，已分解部分增加了295.69%，而半分解部分卻下降了3.00%。從凋落物的組成來看，已分解部分百分率明顯提高，由對照區的24.58%增至50.44%，而半分解部分由對照區的49.58%下降為24.95%，未分解部分所占比例也略有所下降。表明間伐后，隨著林下植物種類和生物量的增加，改變了林地死地被物的組成和數量，加快凋落物分解速率，增加養分歸還量，有利于土壤有機質的形成，調節了杉木林凋落物分解與積累的矛盾，達到維持地力平衡和提高林地生產力，從而促進保留林木快速生長。

表3 間伐后林下死地被物生物量?Table 3 Biomass of litters after thinning

3.3 撫育間伐后林地土壤溫度的變化

土壤熱性質及其溫度深刻地影響土壤水分及其它物質的運輸，進而影響土壤微生物的生存和功能及各種生理生化反應的速率，從而直接或間接地決定著林木生產力。間伐后，林分郁閉度下降，到達林地的凈輻射增加，土壤溫度及其分布規律將發生相應的變化，5 a定位觀測的結果如表4所示。

表4 間伐后林地土壤年平均溫度的變化Table 4 Changes of mean annual temperature in forest soil after thinning ℃

從表4可以看出，間伐1 a后，林地各層土壤溫度均比對照區高出4.2℃以上，提高了27.27%以上，間伐2～5 a后，林地各層土壤溫度均比對照區高出0.5℃以上，提高了3.16%以上，尤其是土壤表層溫度和5 cm土層溫度變化幅度更為明顯；間伐1 a后，土壤表層溫度和5 cm土層溫度分別比對照區提高了45.45%和30.26%，間伐2～5 a后，提高了4.26%～8.28%。可見，間伐后，土壤溫度有了明顯的提高，改變了杉木林地陰、濕、冷的環境，可誘發地下部分微生物多樣性和微生物量的增加，促進林地凋落物和土壤有機物質的分解。據報道，間伐后2 a的杉木、馬尾松、建柏、柳杉、木荷林分下土壤0～10 cm土層土壤微生物總量分別是不間伐林分的1.68、1.86、2.01、1.61、2.19倍，10～20 cm土層間伐分別是不間伐的1.37、1.26、1.16、1.14、1.11倍[8]。在春季，強度間伐后的林分，林木生長活動要比未經間伐的地段提早15 d開始，中度的也要提早9 d[7]。

3.4 撫育間伐后林地土壤物理性質的變化

土壤物理性質是衡量林地質量的一個重要指標，對土壤的蓄水保肥能力以及林木對土壤養分的吸收和利用有重要影響。間伐后，由于林下植被量的增加引起土壤中根系相應增多，且由于林下草灌根系主要集中在土壤表土層0～10 cm內，因此林下土壤表土層0～10 cm容重降低，孔隙度增大[8]。測定結果（見表5）表明，間伐5 a后，盡管林下植被生物量的增加，但林地土壤層（0～20 cm）的容重、最大持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度仍低于對照地1.10%、1.71%、18.36%和0.64%。這可能是間伐過程中各種人為因素造成表層土壤結構趨于緊密，但在林地土壤層（40～100 cm）中，除了最大持水量、非毛管孔隙度仍低于對照地0.27%、15.85%外，林地土壤層（40～100 cm）的容重下降了2.44%，土壤質量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度比對照林地分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，表明間伐后林地土壤層（40～100 cm）的物理性質得到了明顯改善，提高了土壤保水保肥能力，改善了土壤通氣狀況，有助于土壤生物化學活性的提高。

表5 間伐后林地土壤物理性質的變化Table 5 Changes of physical property in forest soil after thinning

3.5 撫育間伐后林地土壤化學性質的變化

從表6可以看出，間伐5 a后，在林地土壤層（0～45 cm）中，有機質、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，pH值、P、K、Mg元素含量比對照區分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%，表明間伐后，改善了林地內光、水、熱條件，促進了土壤微生物的活動，加速了死地被物的分解，增加了土壤的礦化作用，從而使土壤酸性下降，提高了P、K、Mg元素的含量。另一方面，由于間伐后，林下植物種類和數量明顯增加，吸收更多的土壤養分，杉木林林下植物對N、Сa的富集能力最強，需求量最高，而對K元素的富集能力最弱[11]，導致土壤中N、Сa含量明顯下降，土壤中K含量最高，間伐后變化最小。研究表明，間伐后杉木（8年生）、馬尾松（11年生）、建柏（9年生）、柳杉（10年生）、木荷（13年生）5種人工林土壤有機物質的分解速率得到較大幅度的提高[8]。可見，間伐后林地有機質分解加快，促進養分的歸還，有利于保持和提高土壤肥力。

表6 間伐后林地土壤養分含量的變化Table 6 Changes of nutrient content in forest soil after thinning

由表7可以看出，間伐5 a后，林地土壤微量元素及重金屬元素含量也有不同程度的變化，但總體上變化不明顯。其中，Zn 的含量變化程度最大，比對照地下降了60.03%，其次是Mn，比對照地提高了59.23%，而Fe的含量變化程度最小，僅比對照地下降了2.13%。除Zn、Fe的含量下降外，其它元素含量均有有不同程度的提高。這可能是由于間伐后采伐剩余物的分解以及林下植物對各種微量元素的需求量小和對不同元素富集能力不同所造成的。研究表明，杉木林林下灌木、草本植物對土壤中Fe富集能力最弱[11]。

表7 間伐后林地土壤微量元素和重金屬含量Table 7 Content of trace elements and heavy metal in forest soil after thinning mg·kg-1

4 結 論

湖南會同杉木林按50%間伐5 a后，林下植物種類和生物量比對照區分別增加了6種和3 280.16 kg·hm-2，生物量的變化率達224.77%；林下死地被物增加了4 380 kg·hm-2，提高了92.80%，其中未分解部分增加了83.61%，已分解部分增加了295.69%，而半分解部分卻下降了3.00%。

間伐1 a后，林地各層土壤溫度均比對照區高出4.2℃以上，提高了27.27%以上，間伐2～5 a后，林地各層土壤溫度均比對照區高出0.5 ℃以上，提高了3.16%以上，其中土壤表層溫度和5 cm土層溫度變化較為明顯。

間伐5 a后，林地土壤層（40～100 cm）的容重下降了2.44%，土壤質量含水量、容積含水量、貯水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、總孔隙度比對照林地分別提高了4.22%、6.77%、9.95%、4.20%、2.40%、6.38%、1.63%，在林地土壤層（0～45 cm）有機質、N、Сa的含量分別下降了3.21%、7.73%、47.74%，pH值和P、K、Mg元素含量比對照區分別提高了3.25%、46.23%、0.03%、0.72%。間伐改變了林內小氣候，提高了林地光照、林地土壤溫度，促進了土壤微生物的活動，加速了死地被物的分解，改善了土壤理化性質，從而提高了土壤肥力和促進林分的生長。

[1] 國家林業局:第七次全國森林資源清查取得重大進展[EB/OL]. http://www.gov.cn/gzdt/2009-11/19/content_1468182.htm.2009-11-19.

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Effects of thinning on biomass of under-story, soil physical and chemical properties in Cunninghamia lanceolata plantation

ZHAO Zhao-hui1, FANG Xi1,2, T?AN Da-lun1,2, X?ANG Wen-hua1,2
(1. Research Section of Ecology, Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina;2. State Key Laboratory of Ecological Applied Technology in Forest Area of South Сhina, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina)

Based on the data collected by located observation, the inf l uence of thinning on biomass of under-story, soil physical and chemical properties were investigated at the Сhinese fi r plantation in Huitong Ecological Station, Hu’nan Province. The results show that compared with a controlled plantation ecosystem, fi ve years after 50% thinning, the under-story species and biomass increased 6 species and 3280.16 kg·hm-2, respectively, and the change ratio of biomass increased up to 224.77%, the litter biomass increased 4380 kg·hm-2and the change ratio of biomass increased by 92.80%, the soil temperature increased more than 3.16% in different layers, the water content in percent of dry mass, water content in percent of bulk volume, moisture storage, capillary water holding capacity, minimum moisture holding capacity, capillary porosity, and total porosity respectively increased 4.22%, 6.77%, 9.95%, 4.20%, 2.40%, 6.38%,1.63% except that volume weight decreased 2.44% in soil layer (40～100 cm), pH value, P, K, Mg concentration respectively increased 3.25%, 46.23%, 0.03%, 0.72%, except that organic matter content, N and Сa concentration was decreased 3.21%, 7.73%, 47.74%respectively in soil layer (0～45 cm), when compared with the control forestland. Thinning not only increased biomass of under-story,but also raised forestland soil temperature and speeded up litter decomposition, improved soil physical and chemical properties and enhanced fertility of soil.

thinning; Сhinese fi r plantation; under-story; biomass; soil physical and chemical properties; Huitong county, Hunan province

2012-3-10

國家生態系統觀測研究網絡平臺建設（20080615）;國家科學技術部公益性項目(200707015);湖南省高校科技創新團隊(湘教通[2008]244號)項目

趙朝輝(1981-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事恢復生態學研究;E-mail: superleonzz@163.com

方 晰(1968-)，女，廣西邕寧人，教授，博士，博士生導師，主要從事生態學教學與科學研究工作；

E-mail:fangxizhang@sina.com

S714.2；S718.55+6

A

1673-923X (2012)05-0102-06

[本文編校：謝榮秀]