不同經(jīng)營方式對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

馬長順，王雨朦

(1.青海省海東市樂都區(qū)林業(yè)局新樂公園，青海 海東 810700；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了緩解我國木材短缺的問題，自20世紀(jì)80年代中期開始，我國政府決定在全國范圍內(nèi)大面積營造人工用材林[1]。這種做法既可以保護(hù)現(xiàn)有森林，又有利于環(huán)境改善和生物多樣性的保護(hù)。然而，由于經(jīng)營管理不科學(xué)，人工林也面臨著土壤肥力衰退、生態(tài)惡化和森林生產(chǎn)力下降及病蟲害等問題[2]。因此，研究不同撫育采伐強(qiáng)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(xué)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(nèi)設(shè)置6塊樣地，采伐強(qiáng)度依次為10%、15%、20%、25%、30%和35%，每塊樣地設(shè)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(nèi)采集土壤樣本，對其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定。測定指標(biāo)包括pH值、有機(jī)質(zhì)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(shù)據(jù)，分析不同采伐強(qiáng)度、不同帶寬下人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的變化情況。

1.1 土壤有機(jī)質(zhì)和pH的測定方法

土壤溶液中氫離子與氫氧根離子相對數(shù)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(shù)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(yīng)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(yǎng)分有效性而間接影響于林木[5]。

在各采伐帶內(nèi)隨機(jī)設(shè)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(nèi)，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實驗室進(jìn)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(guī)定進(jìn)行測定，直接讀得pH值。

土壤有機(jī)質(zhì)是指土壤中含碳的有機(jī)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(jī)質(zhì)的含量因土壤類型的不同而有較大差異，含量高的可達(dá)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(fēng)沙土)。

土壤有機(jī)質(zhì)采用油浴重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化法，按照LY/T1237—1999規(guī)定進(jìn)行測定。

計算方法：

有機(jī)質(zhì)=

(1)

有機(jī)質(zhì)(%)=有機(jī)碳(%)×1.724。

(2)

式中：0.800 0為1/6K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；5.0為1/6K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(mL)；V0為空白標(biāo)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(zhì)量(g/mol)；1.1為氧化校正系數(shù)；1.724為將有機(jī)碳換算成有機(jī)質(zhì)的系數(shù)；m1為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)；K2為將風(fēng)干土換算成烘干土系數(shù)。

1.2 土壤營養(yǎng)元素的測定方法

土壤化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)液體積(mL)；V0為滴定試劑空白試驗用去鹽酸(或硫酸)標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL)；C為鹽酸(或硫酸)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(mol/L)；0.014為氮原子的摩爾質(zhì)量(g/mol)。

(2)水解氮的含量采用擴(kuò)散法(LY/T1231—1999)測定，將森林土壤樣品置于擴(kuò)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(jìn)一步作用形成氨氣；鋅粉和亞鐵可將土壤中的亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮還原為氨。氨氣不斷擴(kuò)散逸出，被內(nèi)室的硼酸吸收，用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液體積(mL)；V0為滴定試劑空白，試驗用去鹽酸(或硫酸)標(biāo)準(zhǔn)液體積(mL)；C為鹽酸(或硫酸)標(biāo)準(zhǔn)液濃度(mol/L)；14為氮原子的摩爾質(zhì)量(mg/mol)；1000為換算為mg/kg換算系數(shù)。

(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(shù)；V為顯色液體積，50 mL；ts為分取倍數(shù)，ts=待測液體積(mL)/吸取待測液體積(mL)；M為烘干土樣質(zhì)量(g)；106為將微克換算成克的除數(shù)；2.29為將磷換算成五氧化二磷的系數(shù)。

(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(shù)(μg/g)；顯色液體積為50 mL；分取倍數(shù)=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(shù)，ts=待測液體積(mL)/吸取待測液體積(mL)；M為烘干土樣質(zhì)量(g)；106為將微克換算成克的除數(shù)；1.2046為將鉀換算成氧化鉀的系數(shù)。

(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(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù)；m1為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 10%采伐強(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地A采用強(qiáng)度為10%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表1。

表1 A樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表1可知，各采伐帶內(nèi)土壤pH值隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(jī)質(zhì)含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)上升趨勢，但差異不顯著。

全量養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤全N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)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(xiàn)上升趨勢，增長幅度為10.78～32.85mg/kg。

2.2 15%采伐強(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地B采用強(qiáng)度為15%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表2。

表2 B樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表2可知，各采伐帶內(nèi)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(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)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(xiàn)上升的趨勢，增長幅度為2.28～3.3g/kg。

速效養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)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(xiàn)上升的趨勢，增長幅度為30.58～34.15mg·kg-1。

2.3 20%采伐強(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地C采用強(qiáng)度為20%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表3。

表3 C樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表3可知，各采伐帶內(nèi)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(xiàn)上升的趨勢。

全量養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤全N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(xiàn)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(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(xiàn)上升的趨勢。

2.4 25%采伐強(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地D采用強(qiáng)度為25%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表4。

表4 D樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表4可知，各采伐帶內(nèi)土壤pH值均低于對照樣地，pH值隨帶寬的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

全量養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤全N含量均高于對照樣地，且隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)下降的趨勢，。

速效養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地E采用強(qiáng)度為30%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表5。

表5 E樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表5可知，各采伐帶內(nèi)土壤pH值均高于對照樣地，但差異不顯著，土壤有機(jī)質(zhì)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(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤全N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(qiáng)度對人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

樣地F采用強(qiáng)度為35%的撫育采伐方式，采伐后各條采伐帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)平均值見表6。

表6 F樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表6可知，各采伐帶內(nèi)土壤pH值隨帶寬的增大呈現(xiàn)下降的趨勢，各采伐帶內(nèi)土壤pH值呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)下降的趨勢。

全量養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤全N含量隨帶寬的增大整體呈現(xiàn)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(xiàn)下降的趨勢，全K含量隨帶寬的增大整體呈現(xiàn)下降的趨勢。

速效養(yǎng)分中，各采伐帶內(nèi)土壤水解N含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)下降的趨勢，有效P含量隨帶寬的增大呈現(xiàn)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(xiàn)下降的趨勢，且均高于對照樣地。

3 結(jié)果與分析

(1)不同強(qiáng)度撫育采伐對用材林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。各樣地采伐帶經(jīng)過不同強(qiáng)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(nèi)凋落物減少，CO2以及有機(jī)酸等酸性物質(zhì)的來源減少，因此林地內(nèi)土壤pH有所升高[8]。各采伐帶整體趨勢表現(xiàn)為10%～15%的低強(qiáng)度撫育采伐條件下，各采伐帶內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量差異不顯著；15%～25%的中等強(qiáng)度撫育采伐條件下，10～18 m帶寬的采伐樣地內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量較高；25%～35%的高強(qiáng)度撫育采伐條件下，6～10 m帶寬的采伐樣地內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量較高。這是由于經(jīng)過低強(qiáng)度的撫育采伐后，各采伐帶內(nèi)林分密度、光照、濕度等條件等變化不大，因此土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量差異不顯著，經(jīng)過中等強(qiáng)度撫育采伐后，各采伐帶內(nèi)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(nèi)微生物的繁殖和活動，有利于促進(jìn)凋落物的分解[9-10]，從而使土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量升高，然而經(jīng)過較高強(qiáng)度的撫育采伐后，各采伐帶內(nèi)林分密度、光照和濕度等條件發(fā)生劇烈的變化，土壤內(nèi)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(yán)重[11-13]，這種林地內(nèi)小氣候變化隨帶寬的增大而加劇，因此高強(qiáng)度采伐條件下，小帶寬土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素含量反而較高。

(2)用材林最佳經(jīng)營方式。對于人工林，采用14～18 m帶寬，強(qiáng)度為20%的撫育采伐，林地土壤化學(xué)性質(zhì)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(jī)質(zhì)的分解；有機(jī)質(zhì)含量最高可達(dá)到21.98 g/kg，明顯高于其它采伐帶；微生物的活躍以及有機(jī)質(zhì)含量的升高同樣促使土壤內(nèi)N元素含量的增長，為林木生長提供充足的營養(yǎng)元素；人工林林分密度均勻，樹種單一，種間競爭小，經(jīng)過中等強(qiáng)度、大帶寬的撫育采伐后，林地內(nèi)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(qiáng)度條件下，土壤酸堿度以及營養(yǎng)元素條件對于林分生長最為有利；其次為6 m帶寬，強(qiáng)度為35%的撫育采伐；再次為18 m帶寬，強(qiáng)度為10%～15%的撫育采伐；最后為10 m帶寬，25%～30%的撫育采伐。

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