撫育間伐對興安落葉松天然林生長和土壤理化性質(zhì)的影響

徐慶祥，衛(wèi) 星，王慶成，高振嶺

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040;2.遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧丹東 118002;3.黑龍江省大興安嶺圖強林業(yè)局，黑龍江圖強 165301)

撫育間伐是森林經(jīng)營管理措施之一，是人類有目的的對天然林、人工林等進行人為干擾活動［1］。間伐后林分的群落結(jié)構(gòu)、物種組成和生境條件會發(fā)生改變，進而影響到林分的生產(chǎn)力和土壤的肥力狀況［2］。

撫育間伐能促進林木生長，提高林分生產(chǎn)力。以往研究表明，水曲柳天然次生林撫育20a后，各不同強度間伐林分的蓄積、胸徑及樹高的生長量均超過對照林分，撫育促進林木生長效果顯著［3］。落葉松云冷杉混交林撫育間伐后，林分及林木的胸徑、斷面積和蓄積生長率均增加［4］。側(cè)柏人工林經(jīng)不同強度撫育后單木胸徑、樹高、冠幅和林分蓄積生長均增加［5］。

一般地，撫育間伐對森林土壤肥力具有明顯的改善作用。列綿卓夫在33a生的松林里采用不同強度的撫育間伐，9a后的調(diào)查結(jié)果表明，撫育間伐增加了土壤有效營養(yǎng)元素的含量，增加量隨撫育強度的增大而提高［6］。張鼎華 (2001)關(guān)于不同類型人工林的撫育間伐試驗結(jié)果表明，間伐后林分土壤肥力提高［2］。唐效蓉等 (2005)的研究表明撫育間伐后土壤速效氮、有效磷、速效鉀含量及土壤含水率、有機碳、有機質(zhì)含量都明顯提高［7］。也有研究表明撫育間伐降低了土壤肥力，阿葉爾(Iyer J．G．，1975)于1958年秋在北美喬松林內(nèi)的撫育試驗結(jié)果表明，撫育后15a林內(nèi)土壤營養(yǎng)元素含量降低［6］。關(guān)于撫育間伐對土壤肥力影響的不同結(jié)果，與林分類型、樹種和生長階段，林分密度以及氣候條件的不同有關(guān)［7－8］。

大興安嶺林區(qū)是寒溫帶北方針葉林地帶——泰加林地帶的一部分，是中國最大的天然林區(qū)［9］。這一地區(qū)樹種組成簡單，興安落葉松 (Larix gmelinii)占主導(dǎo)地位［9］。由于近幾十年來不合理的大規(guī)模開發(fā)利用，天然落葉松資源已顯著減少，如何合理的經(jīng)營好現(xiàn)有興安落葉松天然林已成為生產(chǎn)上迫切需要解決的問題［10－11］。研究表明，興安落葉松天然林幼中齡林年生長量較高，后期年生長量較低［12］，主要原因是中齡林以后林分密度過大，林木競爭激烈，林木分化和自然稀疏嚴重［13］。

本研究以大興安嶺林區(qū)70 a生落葉松天然林為研究對象，通過標準地調(diào)查和土壤樣品分析，探討撫育間伐對林木生長及土壤理化形質(zhì)的影響，為興安落葉松天然林的合理經(jīng)營提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

圖強林業(yè)局 (東經(jīng) 121°55'38″～ 123°29'00″，北緯 52°15'55″～ 53°33'44″)位于大興安嶺北坡，黑龍江上游額木爾河流域。地貌屬低山丘陵類型，南北走向，南高北低，平均海拔500 m左右。屬寒溫帶大陸性氣候，夏季短暫，冬季寒冷漫長，雨雪少，植物生長期短。年平均氣溫－4.94℃，年無霜期82～109 d;年結(jié)冰期達220d;年平均降水量432 mm，年平均蒸發(fā)量894 mm;年日照時數(shù)2 404 h;超過10℃以上的年均積溫1 400℃左右。地帶性土壤為棕色針葉林土，土土層淺，土壤呈酸性。立地類型條件較差，主要立地類型以草類林、杜鵑林、磯躑躅林為主。全局地位級在Ⅳ級以上的面積占63%，林地生產(chǎn)力偏低［14－15］。

1.2 研究方法

1.2.1 外業(yè)調(diào)查

(1)標準地設(shè)立與調(diào)查。研究林分位于大興安嶺地區(qū)圖強林業(yè)局潮河林場。林分的一部分分別于1999年和2009年進行兩次下層撫育間伐，每次的株數(shù)間伐強度平均約為38%，另一部分作為對照，不做任何處理。2011年10月在撫育間伐林分和未間伐林分分別設(shè)置3塊樣地，樣地面積均為20 m×20 m，相鄰樣地間隔20 m以上。

(2)土壤樣品采集。在每個樣地內(nèi)，隨機選取3個有代表性樣點，進行土壤樣品采集。由于林內(nèi)土層非常薄，土層厚度均在10～20 cm，環(huán)刀樣品采集0～10 cm土層，稱取鮮重后取部分混合均勻的土壤裝入鋁盒帶回實驗室測定含水率;在土壤剖面上由上至下垂直均勻取樣至母質(zhì)層深度，充分混合作為測定土壤pH值及營養(yǎng)元素含量的樣品，裝入塑料封口袋和鋁盒內(nèi)帶回實驗室。

1.2.2 室內(nèi)分析

(1)林分蓄積量計算。興安落葉松立木材積查閱內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)一元立木材積表［16］。

白樺采用一元立木材積公式［17］:

樟子松采用公式［18］:

式中:V為立木材積，m3;D為胸高直徑，cm。

(2)土壤理化性質(zhì)分析。土壤容重采用環(huán)刀法［19］。pH值采用電位法 (水浸法)，水解性氮采用堿解－擴散法，有效磷采用0.05 mol/L鹽酸－0.025 mol/L硫酸浸提法，速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提 －火焰光度計法，全氮、碳氮比采用VARIO Macro元素分析儀進行測定，全磷采用硫酸－高氯酸酸溶－鉬銻抗比色法，全鉀采用硫酸－高氯酸酸溶－火焰光度計法［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 撫育間伐對興安落葉松天然林生長的影響

興安落葉松天然林撫育間伐12 a后，林分結(jié)構(gòu)和生長狀況出現(xiàn)了顯著差異。與對照林分比較，間伐林分的平均密度 (胸徑≥1 cm)由9 367株/hm2降到3 608株/hm2(P＜0.05)，減小了61.5%;平均胸徑 (胸徑≥1 cm)由5.44 cm提高到9.67 cm(P＜0.05)，提高了77.8%;林分蓄積 (胸徑≥5 cm)由65.4227 m3/hm2提高到133.311 7 m3/hm2(P＜0.05)，提高了103.8%，見表1。

表1 撫育間伐對興安落葉松天然林林分結(jié)構(gòu)及生長的影響Tab.1 Impact of thinning on forest structure and growth in natural Larix gmelinii forest

間伐前興安落葉松天然林密度過大 (表1)，林木競爭激烈，分化明顯，大多個體發(fā)育不良;林內(nèi)衛(wèi)生狀況差，有枯立木、枯倒木存在;林木生長空間嚴重不足，胸徑材積生長緩慢，林分生產(chǎn)力偏低。間伐后的林分，形成了良好結(jié)構(gòu)，改善了小氣候狀況，擴大了營養(yǎng)空間，減少了抑制優(yōu)良林木生長的林木，促進了林分的生長，增加了單位面積產(chǎn)量。

圖1 撫育間伐對興安落葉松天然林土壤理化性質(zhì)的影響Fig.1 Impact of thinning on soil properties in natural Larix gmelinii forest

2.2 撫育間伐對興安落葉松天然林土壤容重的影響

土壤容重是表征土壤質(zhì)量的一個重要參數(shù)［21］。與對照林分比較，間伐林分土壤容重有所增大，但二者差異不顯著 (P＞0.05)如圖1(a)所示。王利東 (2012)、張鼎華 (2001)等的研究結(jié)果表明，間伐使林地土壤容重降低［22，2］。本研究與前人的研究結(jié)果出現(xiàn)了差異。分析原因可能是所研究的林分類型不同，本文研究的是天然林，王利東(2012)、張鼎華等 (2001)研究的是人工林。天然林受人為擾動較少，土壤物理性質(zhì)一直保持了較好狀態(tài);而人工林林地土壤已經(jīng)產(chǎn)生了不同程度的退化，間伐后林下光照增加，引起林下植被量增加，進而引起土壤中根系增多，導(dǎo)致土壤容重降低［2］。

2.3 撫育間伐對興安落葉松天然林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

與對照林分比較，間伐后林分土壤pH值有所增大，但二者差異不顯著 (P＞0.05)，如圖1(b)所示。間伐后，林分郁閉度降低，林地內(nèi)光照增強，地溫增高，凋落物分解加快。Gustafson(1943)、王新宇和王慶成 (2008)的研究表明，針葉凋落物在分解過程中會產(chǎn)生有機酸［23－24］。凋落物分解加快，分解產(chǎn)生的有機酸會增多，pH值應(yīng)該降低，但結(jié)果是pH值提高。原因可能是，間伐后土壤活性增強，土壤礦質(zhì)化、養(yǎng)分循環(huán)加快，土壤交換性能得到了改善［2］。張鼎華等的研究，間伐兩年后人工林林地土壤交換性能得到了改善，土壤pH值 (水浸提)0～10 cm土層各林分土壤提高0.11～0.14個pH值單位［2］。

撫育間伐后土壤水解性氮沒有顯著變化 (P＜0.05)，如圖1(c)所示。原因是土壤中的氮元素主要來源于大氣降水，加上氮本身的惰性，決定了其含量不會產(chǎn)生較大的變化［25］。

撫育間伐后林地土壤有效磷含量減少，但變化不顯著 (P＞0.05)，速效鉀顯著降低 (P＜0.05)(圖1(c))。張鼎華 (2001)、賈忠奎 (2010)的研究表明，間伐撫育會促進土壤內(nèi)微生物數(shù)量和活性的增加，加速土壤養(yǎng)分礦質(zhì)化，促進土壤有效磷和速效鉀含量增加［2，25］。本研究與前人研究結(jié)果出現(xiàn)差異的原因可能是，天然林的間伐與人工林的撫育有很大不同，人工林的間伐會改善土壤的養(yǎng)分條件，而天然林林分土壤經(jīng)過多年的發(fā)育，土壤養(yǎng)分基本已達最佳狀態(tài)，撫育間伐措施不能再改善土壤養(yǎng)分狀況。也有可能是間伐確實加速了土壤礦化速率，導(dǎo)致有效磷和速效鉀量增多，但光照條件的改善使林木生物量增長對這兩個元素需求的增長幅度更大，導(dǎo)致土壤中有效磷和速效鉀降低。與氮、磷相比，土壤鉀移動性最強，間伐干擾有增加土壤容重的趨勢，導(dǎo)致地表水入滲放慢，形成地表徑流和壤中流，鉀溶解在水中，從林分中輸出，速效鉀顯著降低。

相比對照林分，間伐林分土壤全氮量、全磷量、全鉀量和土壤碳氮比 (全碳/全氮)均降低，但變化均不顯著 (P＞0.05)，如圖1(d)、圖1(e)所示。這說明一定程度的間伐擾動對興安落葉松天然林林地土壤氮磷鉀全量養(yǎng)分不會產(chǎn)生明顯影響。與對照林分比較，間伐林分土壤全氮量和碳氮比均降低，可知全碳量比全氮量降幅更大，說明間伐林分土壤有機質(zhì)分解相比對照林分更加容易。分析原因應(yīng)該是間伐后林下光照增強，地溫增高，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)分解速度加快，養(yǎng)分循環(huán)加快。

3 結(jié)論

興安落葉松天然林撫育間伐后，林木胸徑、蓄積生長顯著加快 (P＜0.05)，容重、pH值、水解性氮、有效磷、全氮、全磷、全鉀、碳氮比等土壤理化性質(zhì)并未出現(xiàn)顯著變化 (P＞0.05)，僅土壤速效鉀顯著降低 (P＜0.05)，土壤肥力狀況未發(fā)生明顯變化。撫育后優(yōu)化了林分結(jié)構(gòu)，提高了林分生產(chǎn)力，同時不會對林地土壤肥力和質(zhì)量造成明顯影響。

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