李玉江 李國(guó)偉 劉冠兵

（1.黑龍江省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院綏化院，黑龍江 綏化 152000；2.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132012；3.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

落葉松（Larix gmelinii）是中國(guó)東北地區(qū)主要造林樹(shù)種，在東北林區(qū)占據(jù)著重要的地位[1]。森林土壤作為樹(shù)木生長(zhǎng)的載體，土壤質(zhì)量影響著樹(shù)木的生長(zhǎng)狀態(tài)及生產(chǎn)水平[2-9]。曹娟等對(duì)杉木人工林土壤進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，C:N主要受土壤有機(jī)碳影響，而不同深度的C:N比穩(wěn)定[10]。周燾等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白落葉林進(jìn)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(jī)碳與全氮的含量[11]。牛小云等對(duì)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(duì)林分密度進(jìn)行調(diào)控可以有效緩解地力衰退的問(wèn)題[12]。這說(shuō)明對(duì)森林進(jìn)行的采伐操作對(duì)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(duì)象，分析了不同采伐強(qiáng)度林下土壤的總有機(jī)碳、全氮、pH值及碳氮比值變化情況。研究有益于了解對(duì)落葉松成熟林采取不同采伐方式及不同采伐強(qiáng)度時(shí)，林分土壤肥力變化情況，以期為落葉松成熟林實(shí)施復(fù)層林改造及森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。

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(shù)林場(chǎng)，地處126°16′～127°16′E，41°57′～42°57′N，海拔930～1054 m，屬于長(zhǎng)白山龍崗山脈。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季少雨干旱、夏季溫?zé)岫嘤辏?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(dá)50 cm以上。pH 4.19～6.37。該地屬于長(zhǎng)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(shù)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(yíng)造人工落葉松林后形成。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)樣地設(shè)置

試驗(yàn)樣地位于樺樹(shù)林場(chǎng)48林班內(nèi)，楊木項(xiàng)子山北坡，林分類型為落葉松人工成熟林，設(shè)置樣地時(shí)林分年齡為43年。于2017年冬季按照試驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)進(jìn)行采伐，采伐方式分為帶狀皆伐和擇伐。皆伐帶走向?yàn)槟媳狈较?，皆伐區(qū)域采伐強(qiáng)度為100%；采伐帶寬度分為20、30、40 m，南北長(zhǎng)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(shè)置了3種采伐強(qiáng)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(shù)，2018年8月在每個(gè)采伐強(qiáng)度及未經(jīng)營(yíng)林分各設(shè)置3塊試驗(yàn)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(cè)定

2020年8月，采用對(duì)角線五點(diǎn)混合取樣法[13]進(jìn)行土壤樣品采集，取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，樣點(diǎn)布設(shè)方式如圖1所示。進(jìn)行土壤采樣之前，需要去除采樣點(diǎn)表面的凋落物層，利用鐵鍬挖掘垂直土壤剖面，然后在每個(gè)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(jìn)行混合，每層合成一個(gè)土壤樣品，每個(gè)樣地可以得到3個(gè)不同深度的土壤樣品。在實(shí)驗(yàn)室階段，將土樣自然風(fēng)干后，過(guò)10目和100目土壤篩，然后進(jìn)行土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定。

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未對(duì)土壤中的全磷和全鉀元素進(jìn)行分析，只對(duì)土壤pH值、全氮(TN)、總有機(jī)碳(SOC)、碳氮(C:N)比進(jìn)行了測(cè)定與分析。各土壤指標(biāo)測(cè)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(jī)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(cè)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)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(jì)分析軟件進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中，選定的試驗(yàn)因子有：采伐方式、皆伐帶寬度、擇伐強(qiáng)度，其中皆伐帶寬度與擇伐強(qiáng)度嵌套在采伐方式中，兩者為嵌套關(guān)系，無(wú)交互作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度下樣地土壤化學(xué)性質(zhì)變化情況

從表2可以看出，皆伐樣地與對(duì)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(shì)；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?yàn)閾穹?對(duì)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(qiáng)度的增加而增大。所有試驗(yàn)樣地中土壤全氮與土壤總有機(jī)碳的含量均隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；碳氮比在不同寬度/強(qiáng)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(xué)性質(zhì)

3.2 不同經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度、不同深度土壤化學(xué)性質(zhì)差異性分析

本實(shí)驗(yàn)所采用的模型包含2種效應(yīng)：（1）不同處理的固定效應(yīng)；（2）樣地與土壤化學(xué)性質(zhì)變化的隨機(jī)效應(yīng)，為混合模型，利用SAS（mixed過(guò)程）進(jìn)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(qiáng)度以及土層深度，對(duì)土壤總有機(jī)碳、全氮、pH值的影響是極顯著的（P<0.01），對(duì)碳氮比的影響不大。采伐方式與土層深度的交互作用只對(duì)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(yǔ)句獲得的估計(jì)值對(duì)不同采伐方式、不同土層深度土壤化學(xué)性質(zhì)變化（圖2），及不同寬度/強(qiáng)度、不同深度土壤化學(xué)性質(zhì)變化（圖3）進(jìn)行差異性分析。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，土壤中的總有機(jī)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(jī)碳含量無(wú)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(shì)，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(duì)土壤pH值變化無(wú)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(shì)，但是不同土層深度間變化趨勢(shì)無(wú)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(xué)性質(zhì)變化

根據(jù)圖3可知，在不同寬度/強(qiáng)度下，20、40 m寬皆伐樣地與35%、45%擇伐強(qiáng)度樣地的土壤總有機(jī)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(jī)碳含量最高達(dá)104.88 g/kg，而在10～20 cm與20～40 cm深度土層中，35%擇伐強(qiáng)度的土壤總有機(jī)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(qiáng)度樣地中不同土層深度之間的總有機(jī)碳含量差異顯著（P<0.05）。

圖3 不同寬度/強(qiáng)度、不同深度土壤化學(xué)性質(zhì)變化

35%擇伐強(qiáng)度樣地中，土壤全氮在各個(gè)深度土層含量均最高。表層土壤（0～10 cm)中35%擇伐強(qiáng)度土壤全氮與45%擇伐強(qiáng)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(qiáng)度與45%擇伐強(qiáng)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(xué)元素相比較小，在表層土壤（0～10 cm）中，不同采伐強(qiáng)度的擇伐樣地和對(duì)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(duì)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(wú)顯著差異；20～40 cm土層深度對(duì)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(duì)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(shì)。

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(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

采伐會(huì)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(huì)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(jī)碳平均值為76.59 g/kg，而擇伐樣地總有機(jī)碳平均值為71.73 g/kg，皆伐樣地土壤有機(jī)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(jī)碳較高的原因可能與采伐過(guò)程中遺留在林地當(dāng)中的大量木材碎屑，及林地上方林冠突然加大，導(dǎo)致林內(nèi)植被快速生長(zhǎng)有關(guān)[15]。林下快速生長(zhǎng)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(jī)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(guò)對(duì)馬尾松人工林間伐研究，認(rèn)為適當(dāng)強(qiáng)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(shù)種適合的間伐強(qiáng)度不同。張文雯等[18]通過(guò)對(duì)不同間伐強(qiáng)度華北落葉松林分研究，認(rèn)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(huì)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(duì)杉木人工林不同強(qiáng)度間伐樣地的研究發(fā)現(xiàn)，間伐后土壤的養(yǎng)分均比對(duì)照樣地有所增加，但是pH值變化不顯著；張泱等[20]對(duì)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(shí)間的推移而下降，皆伐后3年各樣地土壤的pH值低于對(duì)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(qiáng)度樣地與對(duì)照樣地土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)比

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，除25%擇伐強(qiáng)度樣地的10～20 cm、20～40 cm土層的土壤總有機(jī)碳含量低于對(duì)照樣地外，其他各個(gè)不同擇伐強(qiáng)度樣地與不同寬度皆伐樣地的土壤有機(jī)碳含量均高于對(duì)照。35%與45%擇伐強(qiáng)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(jī)碳含量均較高。35%與45%擇伐強(qiáng)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(duì)照樣地，但是各樣地之間的差異顯著性除了35%擇伐強(qiáng)度樣地與對(duì)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(qiáng)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(duì)大興安嶺闊葉混交林進(jìn)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(qiáng)度，可使林內(nèi)壞境達(dá)到最佳，土壤肥力也有明顯的改善，但當(dāng)改造帶寬過(guò)大時(shí)，林內(nèi)微氣候改變，生物活性等減少，改造效果會(huì)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(duì)照樣地與各個(gè)強(qiáng)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(duì)杉木間伐樣地研究，與張泱等[20]學(xué)者對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，擇伐方式與皆伐方式均會(huì)促進(jìn)林下土壤養(yǎng)分（土壤有機(jī)碳、全氮）增加；皆伐會(huì)促使林下表層土壤pH值顯著低于擇伐樣地與對(duì)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(qiáng)度應(yīng)當(dāng)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(guó)當(dāng)前森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)發(fā)展理念，當(dāng)前森林經(jīng)營(yíng)應(yīng)當(dāng)以擇伐經(jīng)營(yíng)為主，盡量避免對(duì)森林進(jìn)行皆伐作業(yè)，這對(duì)于森林大徑材培育、復(fù)層林營(yíng)造都是有益的。皆伐經(jīng)營(yíng)適合于對(duì)低產(chǎn)林改造或者營(yíng)造陽(yáng)性珍貴樹(shù)木，本研究結(jié)論對(duì)于指導(dǎo)該地區(qū)林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要的指導(dǎo)意義。