不同經營方式對人工林土壤化學性質的影響

馬長順，王雨朦

(1.青海省海東市樂都區林業局新樂公園，青海 海東 810700；2.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

為了緩解我國木材短缺的問題，自20世紀80年代中期開始，我國政府決定在全國范圍內大面積營造人工用材林[1]。這種做法既可以保護現有森林，又有利于環境改善和生物多樣性的保護。然而，由于經營管理不科學，人工林也面臨著土壤肥力衰退、生態惡化和森林生產力下降及病蟲害等問題[2]。因此，研究不同撫育采伐強度、不同帶寬對人工用材林土壤的影響，從而制定合理的營林模式，對于我國人工林的科學培育和利用具有重要意義。

1 研究方法

以小興安嶺人工用材林為研究對象，在天然林內設置6塊樣地，采伐強度依次為10%、15%、20%、25%、30%和35%，每塊樣地設置4條采伐帶和4條保留帶，帶寬依次為6、10、14和18 m。在各采伐帶以及保留帶內采集土壤樣本，對其化學性質進行測定。測定指標包括pH值、有機質含量、全N含量、全P含量、全K含量、水解N含量、有效P含量和速效K含量。通過比較實驗數據，分析不同采伐強度、不同帶寬下人工林土壤化學性質的變化情況。

1.1 土壤有機質和pH的測定方法

土壤溶液中氫離子與氫氧根離子相對數量決定著土壤的酸堿性。一般用pH值表示。土壤溶液pH值范圍一般在4～9，pH值的差別由土壤類型決定。山地多為酸性土壤，平原多為中性或堿性土壤，森林土壤除少數類型外多為酸性[3-4]。不同林木對土壤酸堿性有不同的適應性。土壤酸堿性對林木生長的影響在許多情況下是通過土壤微生物和土壤養分有效性而間接影響于林木[5]。

在各采伐帶內隨機設置4個樣點，各采伐帶之間樣點保持同一水平位置，對照樣地CK選擇在10 m保留帶內，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實驗室進行分析。土壤pH值的測定采取水浸法，水土體積比按照50∶1的比例，用pH計按照LY/T1239—1999規定進行測定，直接讀得pH值。

土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物。其來源主要包括動物、植物、微生物的排泄物、分泌物及其殘體，流入土壤的廢水廢渣等[6-7]。土壤有機質的含量因土壤類型的不同而有較大差異，含量高的可達20%或30%以上(如泥炭土、某些肥沃的森林土壤)，含量低的不足1%或0.5%(如荒漠土、風沙土)。

土壤有機質采用油浴重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化法，按照LY/T1237—1999規定進行測定。

計算方法：

有機質=

(1)

有機質(%)=有機碳(%)×1.724。

(2)

式中：0.800 0為1/6K2Cr2O7標準溶液的濃度(mol/L)；5.0為1/6K2Cr2O7標準溶液的體積(mL)；V0為空白標定用去硫酸亞鐵溶液體積(mL)；V為滴定土樣用去硫酸亞鐵溶液體積(mL)；0.003為1/4碳原子的摩爾質量(g/mol)；1.1為氧化校正系數；1.724為將有機碳換算成有機質的系數；m1為風干土樣質量(g)；K2為將風干土換算成烘干土系數。

1.2 土壤營養元素的測定方法

土壤化學元素測定需要分別針對不同元素，采取不同的測定方法。

(1)土壤全氮采用自動凱氏法(LY/T1228—1999)測定，儀器為VS—KT—P型全自動定氮儀。

計算方法：

(3)

式中：V為滴定樣品用去鹽酸(或硫酸)標準液體積(mL)；V0為滴定試劑空白試驗用去鹽酸(或硫酸)標準溶液體積(mL)；C為鹽酸(或硫酸)標準溶液的濃度(mol/L)；0.014為氮原子的摩爾質量(g/mol)。

(2)水解氮的含量采用擴散法(LY/T1231—1999)測定，將森林土壤樣品置于擴散皿的外室，加鋅—硫酸亞鐵還原劑和1.8 mol/L 的NaOH溶液。在控制溫度條件下，土壤中易水解的氮化合物，被稀堿水解成銨鹽，銨鹽與堿進一步作用形成氨氣；鋅粉和亞鐵可將土壤中的亞硝態氮和硝態氮還原為氨。氨氣不斷擴散逸出，被內室的硼酸吸收，用標準酸滴定，便計算出水解性氮的含量。

計算方法：

(4)

式中：V為滴定待測液用去的鹽酸(或硫酸)標準溶液體積(mL)；V0為滴定試劑空白，試驗用去鹽酸(或硫酸)標準液體積(mL)；C為鹽酸(或硫酸)標準液濃度(mol/L)；14為氮原子的摩爾質量(mg/mol)；1000為換算為mg/kg換算系數。

(3)全磷的含量采用酸溶-鉬銻抗比色法(LY/T1232—1999)測定。

計算方法：

(5)

全五氧化二磷P2O5=全磷P×2.29。

(6)

式中：C為從工作曲線上查得顯色液的磷濃度數；V為顯色液體積，50 mL；ts為分取倍數，ts=待測液體積(mL)/吸取待測液體積(mL)；M為烘干土樣質量(g)；106為將微克換算成克的除數；2.29為將磷換算成五氧化二磷的系數。

(4)有效磷的含量采用氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法(LY/T1233—1999)測定

計算方法：

有效磷P=

(7)

式中：顯色液含磷μg/g為從工作曲線上查得的磷濃度數(μg/g)；顯色液體積為50 mL；分取倍數=浸提液總體積/吸取浸提液體積。

(5)全K的含量采用酸溶-火焰光度法(LY/T1234—1999)，儀器為火焰光度計。

計算方法：

(8)

全氧化鉀K2O=全鉀K×1.204 6。

(9)

式中：C為從工作曲線查得溶液中鉀濃度(μg/g)；V為待測液定容體積50 mL；ts為分取倍數，ts=待測液體積(mL)/吸取待測液體積(mL)；M為烘干土樣質量(g)；106為將微克換算成克的除數；1.2046為將鉀換算成氧化鉀的系數。

(6)速效K的含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法(LY/T1236—1999)測定。

計算方法：

(10)

式中：C為從工作曲線上查得待測液鉀的濃度(μg/g)；N為浸提劑體積(50 mL)；K2為將風干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數；m1為風干土樣質量(g)。

2 結果與分析

2.1 10%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地A采用強度為10%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表1。

表1 A樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表1可知，各采伐帶內土壤pH值隨帶寬的增大呈現上升趨勢，土壤均呈弱酸性，各采伐帶之間以及采伐帶與對照樣地之間土壤pH值差異不顯著，土壤有機質含量隨帶寬的增大呈現上升趨勢，但差異不顯著。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量隨帶寬的增大呈現上升趨勢，除6 m采伐帶S1土壤全N含量略低于對照樣地外，其它各采伐帶土壤全N含量均明顯高于對照樣地。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量均明顯高于對照樣地，且隨帶寬的增大呈現上升趨勢，增長幅度為10.78～32.85mg/kg。

2.2 15%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地B采用強度為15%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表2。

表2 B樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表2可知，各采伐帶內土壤pH值與對照樣地相比均有不同程度的上升，但差異不顯著，增長幅度為0.09～0.38。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量均明顯高于對照樣地，且隨帶寬的增大整體呈現上升的趨勢，增長幅度為2.28～3.3g/kg。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量均明顯高于對照樣地，且隨帶寬的增大整體呈現上升的趨勢，增長幅度為30.58～34.15mg·kg-1。

2.3 20%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地C采用強度為20%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表3。

表3 C樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表3可知，各采伐帶內土壤pH值與對照樣地相比均有不同程度的升高，且隨帶寬的增大整體呈現上升的趨勢。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量隨帶寬的增大呈現上升的趨勢，全P含量與對照樣地相比差異不顯著，隨帶寬的增大呈現上升的趨勢。6 m采伐帶S1與10 m采伐帶S2之間土壤全K含量差異不顯著，但均明顯低于對照樣地，14 m采伐帶S3與18 m采伐帶S4之間土壤全K含量差異不顯著。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現上升的趨勢，有效P含量差異不顯著，均略高于對照樣地，速效K含量均明顯高于對照樣地，速效K含量隨帶寬的增大呈現上升的趨勢。

2.4 25%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地D采用強度為25%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表4。

表4 D樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表4可知，各采伐帶內土壤pH值均低于對照樣地，pH值隨帶寬的增大呈現先升高后下降的趨勢，土壤有機質含量隨帶寬的增大呈現先升高后下降的趨勢。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量均高于對照樣地，且隨帶寬的增大呈現先升高后降低的趨勢，各采伐帶之間以及各采伐帶與對照樣地之間土壤全N含量差異較顯著，全P含量隨帶寬的增大呈現先上升后下降的趨勢，全K含量均高于對照樣地，且隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現先升高后下降的趨勢，有效P含量與對照樣地相比均有不同程度的上升，且差異較顯著。

2.5 30%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地E采用強度為30%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表5。

表5 E樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表5可知，各采伐帶內土壤pH值均高于對照樣地，但差異不顯著，土壤有機質含量與對照樣地相比差異不顯著，各采伐帶之間差異也不顯著。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，均明顯高于對照樣地，全P含量與對照樣地相比差異較顯著，全K含量與對照樣地相比差異不顯著。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，有效P含量與對照樣地相比差異不顯著。10 m采伐帶S2土壤速效K含量明顯高于對照樣地，6 m采伐帶S1、14 m采伐帶S3土壤速效K含量略低于對照樣地，18 m采伐帶S4土壤速效K含量明顯低于對照樣地。

2.6 35%采伐強度對人工林土壤化學性質的影響

樣地F采用強度為35%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內土壤化學性質平均值見表6。

表6 F樣地土壤化學性質

注：表中數據為平均值±標準差，同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

由表6可知，各采伐帶內土壤pH值隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，各采伐帶內土壤pH值呈弱酸性，有機質含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢。

全量養分中，各采伐帶內土壤全N含量隨帶寬的增大整體呈現下降的趨勢，但各采伐帶之間土壤全N含量差異不大，全P含量隨帶寬的增大整體呈現下降的趨勢，全K含量隨帶寬的增大整體呈現下降的趨勢。

速效養分中，各采伐帶內土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，有效P含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，且均高于對照樣地，速效K含量隨帶寬的增大呈現下降的趨勢，且均高于對照樣地。

3 結果與分析

(1)不同強度撫育采伐對用材林土壤化學性質的影響。各樣地采伐帶經過不同強度撫育采伐后，土壤pH值整體呈上升趨勢，這是由于撫育采伐后，林地內凋落物減少，CO2以及有機酸等酸性物質的來源減少，因此林地內土壤pH有所升高[8]。各采伐帶整體趨勢表現為10%～15%的低強度撫育采伐條件下，各采伐帶內土壤有機質及營養元素含量差異不顯著；15%～25%的中等強度撫育采伐條件下，10～18 m帶寬的采伐樣地內土壤有機質及營養元素含量較高；25%～35%的高強度撫育采伐條件下，6～10 m帶寬的采伐樣地內土壤有機質及營養元素含量較高。這是由于經過低強度的撫育采伐后，各采伐帶內林分密度、光照、濕度等條件等變化不大，因此土壤有機質及營養元素含量差異不顯著，經過中等強度撫育采伐后，各采伐帶內林分密度趨于合理，植被競爭減小，光照、水分更充足，適宜土壤內微生物的繁殖和活動，有利于促進凋落物的分解[9-10]，從而使土壤有機質及營養元素含量升高，然而經過較高強度的撫育采伐后，各采伐帶內林分密度、光照和濕度等條件發生劇烈的變化，土壤內微生物活動受到影響，林分密度大幅度下降也使其截流能力下降，土壤受雨水沖刷嚴重[11-13]，這種林地內小氣候變化隨帶寬的增大而加劇，因此高強度采伐條件下，小帶寬土壤有機質及營養元素含量反而較高。

(2)用材林最佳經營方式。對于人工林，采用14～18 m帶寬，強度為20%的撫育采伐，林地土壤化學性質較好，土壤pH值保持在6.27～6.51，微生物活性較高，有利于土壤有機質的分解；有機質含量最高可達到21.98 g/kg，明顯高于其它采伐帶；微生物的活躍以及有機質含量的升高同樣促使土壤內N元素含量的增長，為林木生長提供充足的營養元素；人工林林分密度均勻，樹種單一，種間競爭小，經過中等強度、大帶寬的撫育采伐后，林地內光照、濕度條件合理，有利于P元素、K元素的釋放以及林木的吸收。綜合考慮，14～18 m帶寬，20%采伐強度條件下，土壤酸堿度以及營養元素條件對于林分生長最為有利；其次為6 m帶寬，強度為35%的撫育采伐；再次為18 m帶寬，強度為10%～15%的撫育采伐；最后為10 m帶寬，25%～30%的撫育采伐。

【參 考 文 獻】

[1]國慶喜.中國人工林栽培現狀與發展趨勢[J].AMBIO-人類環境雜志，2000，29(6)：354-355.

[2]施雙林，薛 偉.落葉松人工林撫育間伐技術的研究[J].森林工程，2009，25(3)：53-56.

[3]任 瓊，李勇，周莉蔭.武寧縣森林資源多時相遙感動態監測[J].江西林業科技，2012(6)：13-15+29.

[4]張家和.閩北7種人工林林地土壤肥力的研究[J].江西林業科技，2013(4)：17-19.

[5]黃國愛，詹培豐.三清山森林分類經營區劃研究分析[J].江西林業科技，2013(4)：43-45.

[6]Kelly J M，Mays P A.Soil carbon changes after 26 years in a cumberland plateau hardwood forest[J].Soil Science Society of America Journal，2005，69(3)：691-694.

[7]Yang Y，Guo J，Chen G，et al.Effects of forest conversion on soil labile organic carbon fractions and aggregate stability in subtropical China[J].Plant and Soil，2009，323(1/2)：153-162.

[8]劉美爽，紀 浩，董希斌.誘導改造對大興安嶺低質林土壤理化性質的影響[J].林業科學，2012，48(5)：67-71.

[9]Huang X，Lakso A N，David M.Interactive effects of soil temperature and moisture on concord grape root respiration[J].Journal of Experimental Botany，2005，56(420)：2651-60.

[10]Rodríguez A，Durán J，Covelo F，et al.Spatial pattern and variability in soil N and P availability under the influence of two dominant species in a pine forest[J].Plant and Soil，2011，345(1/2)：211-221.

[11]Ginzburg O，Steinberger Y.Effects of forest wildfire on soil microbial-community activity and chemical components on a temporal-seasonal scale[J].Plant and Soil，2012，360(1/2)：243-257.

[12]Paillet Y，Cassagne N，Brun J.Monitoring forest soil properties with electrical resistivity[J].Biology and Fertility of Soils，2010，46(5)：451-460.

[13]Masyagina O V，Prokushkin S G，Koike T.The influence of thinning on the ecological conditions and soil respiration in a larch forest on Hokkaido Island[J].Eurasian Soil Science，2010，43(6)：693-700.