間伐對森林土壤影響的研究進展

陳 雪，馬履一，賈忠奎

(北京林業大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京100083)

森林生態系統是在森林群落與其環境的作用下形成的具有一定結構、功能和調控能力的自然綜合體，是陸地生態系統中最重要的自然生態系統，它在為人類提供木材及其副產品的同時，更為人類創造了一個良好的生存環境。但目前，我國乃至世界林業均面臨兩大危機，一是木材供需矛盾日益尖銳，二是生態環境不斷惡化［1］。因此，在實施天然林保護工程的同時，大力營造人工林，加強人工林的經營管理已被我國列為主要林業課題。其中，撫育間伐作為森林生態系統經營的關鍵性措施，能為林木創造良好的生長環境，提高林木質量，增加生物多樣性，優化森林結構，改良土壤［2－7］，對林木生長乃至整個林分環境均具有重要作用。

目前，國外對撫育間伐效果已經開展了長期的生產活動及科學研究［8－9］。在我國，以往培育人工林只是一味謀求木材產量的提高和經營成本的降低，對于撫育間伐效果的研究也主要是圍繞林分密度對林木生長規律和林分蓄積量的影響［10－11］。但近年來，有研究顯示間伐能引起森林生物量［12］、碳密度［13］、生物多樣性［14－15］以及土壤［15］的變化，尤其是對森林土壤的影響已經成為國內外研究的熱點問題，引起了廣泛關注。本文通過查閱國內外文獻資料，從間伐對森林土壤的影響出發，結合新時期森林撫育的新要求，對間伐后森林土壤物理性質、化學性質以及微生物數量的變化進行了系統總結和評述，并提出了相關問題和對策。

1 間伐對土壤物理性質的影響

1.1 土壤容重的變化

土壤緊實度是樹木生長的脅迫因素，直接影響林地植物對營養元素和水分的吸收。在我國土壤學研究中，土壤容重作為衡量土壤質量的必要指標［16］被廣泛應用于評價間伐效果的研究中。賈芳等［17］在對北京山區油松幼齡林的研究中發現，間伐后森林土壤容重有所減小，其中0—10 cm土層降低2.2%～10.3%，10—20 cm 土層降低 3.2%～15.3%。陳立新等［18］對落葉松人工林地質量的研究，于海群等［19］對間伐后油松人工林土壤質量的研究，張鼎華等［20］對間伐后杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林土壤肥力的研究，郭蓓等［21］對飛播油松林間伐效果的研究，均得出間伐可減小土壤容重、改善土壤質量的一致結論。這是由于林地通過撫育間伐，郁閉度減小，光照增強，利于林內枯落物分解，從而增加了土壤有機質含量，促進了團粒結構的形成，使土壤結構得到改善所致。

1.2 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙度是影響土壤通氣性和滲透性的重要因素，決定著土壤貯水、供水量的多少。近年來許多學者將土壤非毛管孔隙度作為衡量生態系統土壤蓄水能力大小的主要指標［22］。間伐作為森林的重要經營措施，可改變林地凋落物組成、分解狀況，使地下根系發生變化，從而造成撫育前后林分土壤孔隙度的改變［23］。目前一些研究認為，間伐可增大林分土壤孔隙度，且兩者成正相關關系。賈芳等［17］在對北京山區油松幼齡林的研究中發現，間伐后土壤非毛管孔隙度、總孔隙度均有所增加。白崗栓等［24］對仁用杏園土壤理化性質的研究，于海群等［19］對間伐后油松人工林土壤質量的研究均得到一致結論。

然而國內外一些學者的研究卻得到相反結論，他們認為間伐并不能通過改善林分條件增加土壤孔隙度，反而破壞土壤結構，使土壤孔隙度減小。Rab等［25］研究發現王桉皆伐后約有1/4面積的土壤受到干擾與破壞。Woodward［26］研究發現，選擇25%間伐強度的林分土壤孔隙狀況惡化。蘇芳莉［27］發現柞樹林土壤物理性質在間伐后劣于對照林分。由此可見，間伐對土壤孔隙度的影響方向不一，這可能與樹種、立地條件、間伐強度有關，不同樹種的林分經間伐后，林內凋落物組分發生改變，從而影響微生物活動，改變土壤孔性和結構。

1.3 土壤水分的變化

土壤水分是構成土壤肥力的重要因素之一，也是土壤物理學研究的重要內容。用能量的觀點去研究土壤水分問題，是土壤物理研究中的重大進展，美國物理學家Buckingham在這方面作出了杰出貢獻。20世紀70年代末我國科學工作者開始用定量、連續的能量觀點來定義土壤水分的能量狀況，并將其應用于對間伐效果的評價中。馬履一等［28］的研究發現撫育能增加林地持水性、供水性，效果隨撫育強度的增加而有所增加。但就目前的研究結果來看，我國學者在間伐對土壤水分的影響研究中，主要內容只涉及土壤含水量、毛管持水量、非毛管持水量、最大持水量等靜態指標，而未能從能量的角度分析問題。賈芳等［17］對北京山區油松幼齡林的研究發現撫育林分0—20 cm土層處水源涵養量有所增加，郭蓓等［21］的研究發現間伐可增加林地土壤含水量。

2 間伐對土壤化學性質的影響

2.1 土壤養分的變化

土壤養分是反映土壤肥力的重要指標，是林木生長發育所必需的物質基礎，同時也是土壤因子中易于被控制和調節的因子。間伐是調整林分狀況的重要措施，它可以改善林分群落結構、物種組成和生境條件，掌握人工林間伐后土壤養分的變化情況，對于促進養分良性循環和維護林地生產力具有重要意義。

前蘇聯林業科學研究所的研究發現，間伐可增加土壤有效營養元素的含量，其增加量隨著間伐強度的加大而提高。這是由于撫育間伐改變了林內小氣候，促進了土壤微生物的活動，加速了死地被物的分解，從而提高了土壤肥力。國內許多學者的研究也得到了相似結論。李國雷等［15］、郭蓓等［21］對飛播油松林進行不同程度的間伐后發現，土壤pH值下降，而有機質、全氮、速效鉀含量均有所提高。同時，張鼎華等［20］對杉木、馬尾松等人工林撫育間伐后林分土壤肥力的研究，蘇芳莉［27］對遼東天然雜木林、柞樹林和紅松人工林的研究，于海群等［19］對油松人工林土壤質量的研究，白崗栓等［24］對仁用杏園間伐后土壤理化性質的研究均得出了一致結論。

然而，美國威斯康星州大學的林業工作者對于該州中部平原地區15年生北美油松的研究結果卻表明，間伐后土壤養分含量降低。這是由于間伐使林內溫度升高，加快了有機質的分解速度，因而引起了林內土壤營養元素含量的降低［29］。國內也有部分學者得出相似結論。巫志龍等［30］在對人工針闊混交林的研究中發現，擇伐后林分土壤營養元素含量均低于初始狀態。王海燕等［31］對落葉松云冷杉林分的研究也發現，小于40%的間伐強度未能引起林內土壤養分的顯著變化。這些研究均表明間伐未能引起林內土壤養分含量的增加，究其原因可能是采用了不適宜的間伐強度，或是測定時期太短，間伐效果還未充分顯現。

2.2 土壤交換性能的變化

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附的各種陽離子的總量，其大小可作為評價土壤保肥能力的重要指標。目前國內僅有少數學者將土壤交換性能的變化作為評價間伐效果的一項指標。張鼎華等［20］在撫育間伐對人工林土壤肥力的影響研究中發現，間伐兩年后土壤交換性能得到改善，土壤陽離子交換量(CEC)有不同程度的下降，交換性鹽基總量和鹽基飽和度有不同程度的增加。由于間伐后林分土壤生物活性增強、土壤礦質化、養分循環加快以及林下植被的增加引起生物富積作用，從而改變了土壤膠體特性，影響了土壤交換性能。而陽離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養分的容量及土壤保肥能力有關，交換量大的土壤就能吸附較多的速效養分，避免它們在短期內完全流失。因此，土壤交換性能對間伐效果具有一定的響應作用，筆者認為應將其作為評價間伐效果的一項土壤指標應用于實踐。

2.3 土壤酶的變化

森林土壤酶系統是森林土壤中生物活動的產物，其活性與土壤理化性質和環境條件密切相關，已經成為土壤健康生物指標中優先考慮的指標之一［32］。土壤酶參與了森林土壤中許多生物化學反應，包括枯落物的分解、腐殖質的形成、土壤養分的固定與供給以及各種氧化還原反應，在一定程度上反映了土壤養分轉化的動態情況。20世紀50年代，國外已有學者提出將土壤酶活性作為衡量土壤生物學活性與生產力的指標。在我國，以往對森林土壤酶活性的研究很少，嚴重滯后于對農田土壤的研究，以致不能滿足當代森林土壤及森林經營管理的需要［33］。而近幾年，國內陸續有學者對間伐后土壤酶活性的變化進行深入研究，但結論不一［34］。

一些研究認為，隨著間伐強度的增加，林內土壤孔隙度升高有利于土壤微生物活動，促進了林內凋落物分解，有機質含量增加，從而使酶活性增強［19］。如火炬松林經間伐后，磷酸酶、幾丁質酶會顯著增加［35］;密度較大的杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林經間伐后，土壤酶活性增加［20］;油松人工林經間伐后，過氧化氫酶活性顯著增加［15］;郭蓓等［21］對飛播油松林間伐后的研究、徐昕等［36］對北京山區幼齡側柏人工林間伐后的研究均得到一致結論。但也有研究認為，撫育間伐對土壤酶活性的影響不大，甚至有反作用。在德國東北部，62年生完全郁閉的松林間伐5年后，雖然微生物群落結構發生變化，但各種酶活性與對照樣地相比并未出現顯著差異［37］;張日升等［38］在對沙地樟子松的研究中發現，林分間伐后土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性均有所下降。由此看來，間伐對土壤酶活性的影響非常復雜，這可能與間伐后林下植被物種、根系分泌物和凋落物組成的變化，以及新環境是否能滿足土壤微生物的活性相關。

3 間伐對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤有機質和養分轉化和循環的動力，進入土壤的各種有機物質都是在土壤微生物的作用下，經過一系列分解、轉化，最終形成土壤腐殖質，從而改善土壤結構，為植物生長提供可利用的養分的［39］。相關研究顯示，土壤微生物總量的多少與土壤肥力存在正相關關系，通過對土壤微生物總數的測定，可以初步判斷土壤肥力的高低，這種方法較傳統的對土壤理化性質的測定更為簡單，因此有人提出將土壤微生物作為評價林地土壤肥力的指標［40］。

近些年來，在森林撫育間伐效果的研究中，國內學者已經把土壤微生物作為衡量間伐效果的一項指標。張鼎華等［20］研究了杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林的撫育間伐對林分土壤肥力的影響，結果表明間伐兩年后土壤微生物數量有所增加。但也有學者認為僅從三大類微生物數量的角度來反映土壤肥力的高低不確切，因為土壤微生物不但與土壤肥力息息相關，還與土壤水分、孔隙度等物理化學指標有關，所以在今后的研究中應結合微生物生理群、酶活性大小等指標綜合判定［41］。

4 結論與建議

以往，我國學者僅將林分生長量、蓄積量等指標作為評價撫育間伐效果的依據。近幾年來，有關間伐對森林碳儲量、生物多樣性、森林土壤影響的研究日益增加，尤其是森林土壤，其理化性質、生物活性等指標直接受到林內環境條件的影響，間伐導致林分密度下降，改變了林內光、熱、水以及營養物質原有共生模式，這必然會對森林土壤造成一定影響。因此，從土壤質量角度對人工林撫育間伐效果進行研究，對于維護地力以及林分質量具有重要意義。針對我國森林撫育間伐對土壤影響的研究現狀，筆者認為，今后應加強以下3方面的研究:

(1)加強間伐對土壤有效水影響的研究。森林土壤水是林木及林下植被生長和生存的物質基礎，植物對水的吸收也是一個復雜的生物物理過程，在我國林業上雖然已有多位學者對土壤水分動態以及林木耗水進行了研究［42－44］，但目前國內鮮有研究人員將撫育間伐與土壤水分動態特征相結合進行研究的。

(2)注重間伐對土壤交換性能影響的研究。土壤陽離子交換吸附作用非常普遍，它是土壤中可溶性有效陽離子的主要保存形式，對土壤理化性質、養分固定與釋放具有重要影響。間伐通過改變土壤孔性、結構性，從而改變土壤膠體的種類、數量、結晶構造，影響土壤交換性能。然而目前國內在研究間伐與土壤交換性能關系方面相對欠缺，為進一步了解間伐對土壤質量的綜合影響，還應加強進一步研究。

(3)注重間伐對土壤綜合因子影響的研究。以往我國在撫育效果評價中，僅將土壤容重、水分、養分等作為主要指標，然而隨著科學的發展，生物學指標被日益重視，土壤酶活性以及微生物等生物指標已被廣泛用于評價撫育間伐效果。然而在森林土壤眾多評價指標中，針對不同林分類型，如何篩選出能綜合反映林分土壤質量的關鍵指標已成為日后研究的重點。

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