撫育間伐強度對內蒙古赤峰地區用材林土壤肥力的影響

王曉偉

(內蒙古赤峰市紅山區林業局，內蒙古 赤峰 024000)

撫育間伐強度對內蒙古赤峰地區用材林土壤肥力的影響

王曉偉

(內蒙古赤峰市紅山區林業局，內蒙古 赤峰 024000)

為研究撫育間伐后用材林土壤理化性質的變化，以內蒙古赤峰市用材林為研究對象，設置間伐強度不同的7塊樣地，對照樣地記為CK，不進行采伐作業，分析不同間伐強度對土壤理化性質的影響，利用主成分分析法建立土壤肥力的評價體系，計算不同樣地土壤肥力的綜合得分。結果表明：綜合得分由大到小依次是：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)。其中S3、S4樣地的綜合得分較高，達到了0.833、0.795，即15%、20%的中等間伐強度有利于土壤理化性質改善和土壤肥力的積累，適宜內蒙古赤峰市用材林的撫育間伐。隨著撫育間伐強度的不斷增大，改造樣地的綜合得分呈現先增加后下降的趨勢，即改造樣地的土壤肥力呈現先變佳后變得不佳的變化過程。

撫育間伐；用材林；土壤肥力；主成分分析法

0 引言

土壤作為森林生態系統不可或缺的部分[1]，在保持水土、涵養水源、為植物生長提供養分、為生物繁衍提供物質基礎等方面發揮重要的作用[2]，土壤對生態系統物質和能量的傳輸意義重大[3]，林木的分布、生長和產量與土壤肥力狀況息息相關[4]。土壤養分狀況不僅可以直接對土壤理化性質產生影響[5]，而且在林下植物種類的分布格局方面起著重要的決定作用，不可忽視。土壤作為地球表面的覆蓋層，是人類生存的基本條件[6]，是國民經濟健康良好發展的基石，是農業生產和自然生態系統的地基[7]，土壤與森林生態系統之間聯系緊密，土壤的變化往往會引起森林生態系統的改變[8]，同時，森林生態系統的變化又會對土壤的演變產生影響，土壤的重要性不可替代，地上植物生長發育必要的營養物質和水分是從土壤獲取的[9]。曾翔亮等[10]對低質林進行不同面積的帶狀和塊狀改造，認為塊狀改造提高土壤肥力能力強于帶狀改造，且20 m×20 m塊狀改造方式最佳。高明等[11]選取小興安嶺用材林為研究對象，發現用材林的最佳撫育方式為 14～18 m 帶寬，20%強度的撫育間伐。唐國華等[12]通過對大興安嶺低質林進行補植改造，認為補植密度800株/hm2的改造最有利于土壤肥力的改善和積累。

目前國內外學者采用模糊數學方法、灰色關聯度法、層次分析法、系統評價模型、主成分分析法等對土壤肥力質量進行綜合評價[13- 15]，主要角度集中于研究帶狀改造、塊狀改造、撫育間伐改造和補植改造等改造方式對土壤肥力的影響。但關于內蒙古赤峰市用材林不同撫育間伐強度對土壤肥力的影響和綜合評價研究較少。本文以內蒙古赤峰市用材林為研究對象，設置7個撫育間伐強度，探討撫育間伐對土壤肥力的影響，利用主成分分析法對撫育間伐改造后的土壤肥力進行綜合評價，得出最佳的撫育強度，可為后續內蒙古赤峰市用材林相關研究提供參考和依據。

1 研究區域概況

本試驗區位于內蒙古赤峰市紅山區城郊林場，屬于內蒙古自治區東部，赤峰市南部，屬中溫帶大陸性季風氣候區，具有雨熱同季，日照豐富，春秋季多風，干旱寒冷期長的特點。年平均降水量360～400 mm，多集中在7、8月份，年蒸發量1 800～1 900 mm，是年降水量的5.2倍，全年5～7月蒸發量最大，可達856.5 mm，占全年蒸發量的45%以上，全年風向冬季西北風持續半年之久，夏季轉東南風持續較短，春秋風向交錯，特別是冬春刮風日多，風速大，8級以上大風日數可達16 d，占全年大風日數的53%，瞬時最大風速可達38.8 m/s。日平均溫度≥10℃的積溫為3 000～3 200℃，日照總時數2 900～3 000 h，無霜期140 d左右，平均初霜日在9月下旬，終霜日在5月上旬。低溫冷害發生年份較多，年平均氣溫為6.8℃，最熱月7月份的平均氣溫23.5℃，最冷月1月份的平均氣溫-11.7℃，極端最高氣溫41.5℃，極端最低氣溫-30.4℃。該地區的用材林樹種主要以油松(Pinus tabuliformis Carr)、樟子松(Mongolian scotch pine)為主，同時還分布著許多楊樹(PopulusL)及灌木錦雞兒(Caragana sinica)等。樣地的選擇分別在城郊林場的4個片區：分別是西山片區位于紅山區的西部，地理坐標：東經118°45′48.8″～118°52′04.4″，北緯42°18′26″～42°21′05.1″；紅山片區位于紅山區的東北部，地理坐標：東經118°58′15.5″～119°02′21.3″，北緯42°17′15.6″～42°18′40.1″；東山片區位于紅山區的東部，地理坐標：東經118°59′28.8″～119°03′07″，北緯42°15′01.5″～42°17′40.6″；南山片區位于紅山區的南部，地理坐標：東經118°56′39.7″～118°58′57.6″，北緯42°13′56.5″～42°14′54.4″。土壤平均厚度23 cm，腐殖質層厚度2 cm，地勢平緩，坡向東南，立地條件較好，坡度多在15°以下為保障數據的可靠性，4個片區的選擇地質條件、氣候條件、樣地的距離等外在條件都保持一致性。

2 研究方法

2.1 樣地設置

于2014年5月經過實地勘察設計，在內蒙古赤峰市紅山區林業局城郊林場設立試驗樣地，改造樣地編號依次記為S1～S6，對照樣地為CK，其中7塊樣地的大小為20 m×20 m，面積為0.04 hm2，同時撫育強度分別為CK(0%)、S1(5%)、S2(10%)、S3(15%)、S4(20%)、S5(25%)、S6(30%)，CK作為對照樣地，不進行撫育間伐作業，在試驗樣地相鄰處，選擇林分和立地條件相似的保留地作為對照樣地。

2.2 土壤肥力指標的收集與測定

于2017年5月進行野外取樣，在每塊撫育間伐樣地和對照樣地上，按照“S”型混合采樣法進行取樣，每個樣地選擇5個土壤取樣點，在每個取樣點均取厚度為0～10 cm的土壤樣本，按照四分法混合取樣，每個土壤樣本為1 kg。將土壤樣本帶回實驗室，在室內土壤經過自然風干、研磨過篩，然后分析化學性質，土壤化學性質的測定方法見表1，詳細方法見《土壤調查試驗室分析方法》。土壤的物理性質采用環刀法進行測量，環刀容積為100 cm3。

表1 土壤化學性質測定方法Tab.1 Methods of determination of soil chemical properties

2.3 土壤肥力的綜合評價方法

利用Excel2010軟件對土壤化學性質原始數據進行標準化處理，采用主成分分析法對用材林撫育間伐改造3a后土壤肥力進行綜合評價，利用SPSS19.0計算出權重和改造后樣地的綜合得分，當綜合得分越高時，表明改造后的土壤肥力越佳，此強度越適宜用材林的撫育間伐改造。

3 結果與分析

3.1 撫育間伐對土壤肥力的影響

對野外作業所取土樣進行室內實驗，所得數據實測值見表2～表4。由表2可知，S2、S3、S5 樣地，土壤含水率均高于對照樣地，且差異性顯著(P<0.05)；在各個改造樣地中，S3樣地的土壤含水率95.78%最大，比對照樣地高17.17%，S6樣地的土壤含水率75.19%最小，低于對照樣地3.42%。S3、S6樣地的土壤密度均高于對照樣地，經方差分析與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；其中S2、S5樣地的土壤密度低于對照樣地，且S2樣地的土壤密度0.55 g/cm3最小，低于對照樣地0.10 g/cm3，經方差分析，S2、S5樣地與對照樣地差異性不顯著(P≥0.05)。對各樣地的最大持水量進行分析，S1、S6樣地的最大持水量小于對照樣地，且S1樣地的最大持水量89.26%最小，低于對照樣地23.89%；S3樣地的最大持水量139.06%最大，比對照樣地高25.91%；通過方差分析發現，S1、S3、S6樣地的最大持水量與對照樣地相比，差異性顯著(P<0.05)。S4、S5、S6樣地，總孔隙度均高于對照樣地，且在各個改造樣地中，S4樣地的總孔隙度87.52%最大，高于對照樣地13.34%，對上述三個樣地與對照樣地進行方差分析，存在顯著性差異(P<0.05)。隨著撫育間伐強度的不斷增加，各樣地土壤含水率和最大持水量大體上呈現先增大后減小的變化趨勢(S5樣地除外)，樣地的土壤密度和總孔隙度不存在明顯的變化趨勢。

表2 各樣地土壤含水率、土壤密度、最大持水量和總孔隙度實測值Tab.2 Soil moisture content，soil density，maximum water content and total porosity

注：表中數據為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表3可知：S2、S3、S5、S6樣地的有機質質量分數高于對照樣地，S4樣地低于對照樣地且5.56 g/kg最小，小于對照樣地0.36 g/kg，S6樣地的有機質質量分數7.33 g/kg最大，高于對照樣地1.41 g/kg，經方差分析，S2～S6樣地與對照樣地差異性顯著(P<0.05)。S1、S2、S3、S5、S6樣地的全鉀質量分數均小于對照樣地，S4樣地大于對照樣地，其中S6樣地9.62 g/kg最小，S4樣地13.98 g/kg1最大，高于對照樣地1.73 g/kg；S1～S6樣地的全鉀質量分數，經方差分析與對照樣地差異性顯著(P<0.05)。S2～S6樣地的全氮質量分數均大于對照樣地，與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；在各個改造樣地中，S6樣地全氮質量分數2.89 g/kg最大，高于對照樣地1.12 g/kg。S1、S3、S4樣地的全磷質量分數均大于對照樣地，S2、S5、S6樣地均小于對照樣地，經方差分析S1～S6樣地與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；S4樣地的全磷質量分數6.62 g/kg最大，高于對照樣地1.51 g/kg。隨著撫育間伐強度的不斷增加，各樣地有機質、全鉀、全氮和全磷質量分數均不存在明顯的變化趨勢。

表3 各樣地有機質、全鉀、全氮和全磷質量分數實測值Tab.3 All kinds of organic matter，total potassium，total nitrogen and total phosphorus quality score g·kg-1

注：表中數據為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由于內蒙古赤峰市紅山林業局城郊林場的土壤呈弱堿性，所以pH值普遍偏高。由表4可知：各改造樣地的pH值與對照樣地相差不大，差異性不顯著(P≥0.05)，其中以S1、S3、S4樣地pH值相同，且pH值7.87最小，比對照樣地高0.08。S1、S6樣地的速效氮質量分數高于對照樣地，S3、S4樣地低于對照樣地，其中S6樣地90.33 mg/kg最大，高于對照樣地15.66 mg/kg，S4樣地54.66 mg/kg最小，比對照樣地低20.01 mg/kg；經方差分析，S1、S3、S4、S6樣地與對照樣地差異性顯著(P<0.05)。S2、S3、S4樣地的速效磷質量分數均大于對照樣地，差異性顯著(P<0.05)，S5、S6樣地小于對照樣地，差異性不顯著(P≥0.05)；在各改造樣地中，S4樣地速效磷質量分數156.36 mg/kg最大，高于對照樣地71.52 mg/kg。S2樣地的速效鉀質量分數大于對照樣地，S3～S6樣地小于對照樣地，通過方差分析可知，S2～S6樣地與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；其中S2樣地的速效鉀質量分數209.57 mg/kg最大，高于對照樣地47.32 mg/kg，S3樣地94.25 mg/kg最小，低于對照樣地68.00 mg/kg。隨著撫育間伐強度的不斷增加，各樣地pH值、速效氮、速效磷和速效鉀質量分數均不存在明顯的變化趨勢。

表4 各樣地pH、速效氮、速效磷和速效鉀質量分數實測值Tab.4 The measured values of various pH，instant nitrogen，instant phosphorus and instant potassium

注：表中數據為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 撫育間伐后土壤肥力的綜合評價

利用Excel2010對所測得的土壤理化性質數據進行標準化處理，有關研究表明內蒙古赤峰市紅山區林業局城郊林場用材林的土壤呈弱堿性，其pH值均大于7，當pH值越小即越靠近7時，對用材林的生長越有利，可見pH值為逆向指標；林下土壤密度越大，表明土壤的板結程度加劇，土壤越緊實，對林木根部呼吸和以及生長不利，影響土壤的持水性能，因此土壤密度也為逆向指標，其他土壤理化性質指標均為正向指標，所得標準化數據見表5。

表5 各樣地土壤肥力指標標準化處理Tab.5 Various soil fertility indexes standardized treatment

利用SPSS19.0軟件對標準化后的數據進行降維處理，即主成分分析，其總方差分析結果見表6。由表6可知：前3個主成分的累計貢獻率達到了84.191%，前3個主成分能夠反映原始數據的基本信息，可以充分描述不同撫育間伐強度對用材林土壤理化性質的影響。

表6 各樣地土壤肥力指標總方差分析Tab.6 Analysis of total variance of soil fertility index

提取前3個主成分的因子載荷見表7，其中第1主成分在全鉀質量分數、有機質質量分數、全磷質量分數、pH值、速效磷質量分數指標上有較大因子載荷；第2主成分在最大持水量、土壤含水率、總孔隙度指標上有較大因子載荷；第3主成分在速效鉀質量分數、全氮質量分數、土壤密度指標上有較大因子載荷。計算出前3個主成分的因子得分，然后確定每個主成分的權重，分別為0.502、0.280、0.218，最后得出各個樣地撫育間伐后土壤肥力的綜合得分。結果見表8。

由表8可得：綜合得分為正值的樣地是S3、S4，達到了0.833、0.795，綜合得分明顯大于其他樣地，其他樣地得分均為負值，可見15%、20%的中等間伐強度比較適宜內蒙古赤峰市紅山林業局城郊林場用材林的撫育改造，有利于土壤理化性質改善和土壤肥力的積累；對土壤理化性質進行主成分分析，其綜合得分由大到小依次是：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)；隨著撫育間伐強度的不斷增大，改造樣地的綜合得分變化趨勢為先增加后下降，即改造樣地的土壤肥力質量呈現由逐漸變佳到不佳的過程。

表7 各樣地土壤肥力指標因子載荷Tab.7 Various soil fertility index factor loading

表8 各樣地土壤肥力綜合得分Tab.8 Various soil fertility scores

4 結論與討論

本文以內蒙古赤峰市紅山區林業局城郊林場用材林為研究對象，對其進行不同強度的撫育間伐改造，研究3a后不同樣地的土壤理化性質。結果表明：S1～S6樣地的全鉀質量分數，經方差分析與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；S1、S3、S4樣地的全磷質量分數均大于對照樣地，S2、S5、S6樣地均小于對照樣地，經方差分析S1～S6樣地與對照樣地差異性顯著(P<0.05)；各改造樣地的pH值與對照樣地相差不大，差異性不顯著(P≥0.05)，其中以S1、S3、S4樣地pH值相同，且pH值7.87最小，比對照樣地高0.08；隨著撫育間伐強度的不斷增加，各樣地土壤含水率和最大持水量大體上呈現先增大后減小的變化趨勢(S5樣地除外)，其他理化性質指標均不存在明顯的變化趨勢。

通過主成分分析法，對內蒙古赤峰市紅山區林業局城郊林場用材林撫育間伐改造3a后的土壤肥力進行綜合評價分析，不同樣地的綜合得分從大到小依次為：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)。其中S3、S4樣地的綜合得分最高，達到了0.833、0.795，可得15%、20%的中等間伐強度比較適宜內蒙古赤峰市紅山林業局城郊林場用材林的撫育改造，有利于土壤理化性質改善和土壤肥力的積累。隨著撫育間伐強度的不斷增大，改造樣地的土壤肥力質量呈現由逐漸變佳到不佳的過程。

對用材林進行撫育間伐改造，中等強度的撫育間伐使得林地內光照、濕度等氣候條件發生改變，對氨化細菌、硝化細菌和固氮菌等有益微生物的正常生長和活動有利，加快了土壤中有機質的分解速率，進而有機質含量提高；中等強度的撫育間伐使得用材林林內空間結構分布趨向于合理，郁閉度減小，光照透過上層林冠到達中下層的能力增加，下層葉片得以生長發育較快，林下植被的水土保持能力增強，加速了地表凋落物分解，土壤肥力得到了增加和改善。過低強度的撫育間伐在影響林地小氣候方面不明顯，郁閉度變化較小，而采伐和壓實等人為干擾因素破壞了林地土壤條件，使得土壤肥力質量低于對照樣地。過高強度的撫育間伐極大改變了林地內小氣候環境，光照強度過大，林分稀疏，截留能力減弱，使得雨水直接沖刷土壤，土壤肥力流失嚴重，可能是造成土壤肥力質量低于對照樣地的原因。張鼎華等[16]認為撫育間伐能夠增強土壤微生物活性，使得土壤養分循環加快，改善和提高了土壤肥力。高明等[17]得出了19%～21% 中等強度撫育間伐方式有利于土壤化學性質改善的結論。上述學者的研究成果與本文的結論基本相符。撫育間伐對內蒙古赤峰市紅山區林業局城郊林場用材林土壤肥力的影響及綜合評價，不僅與間伐強度有關，還與光照、經濟和社會等因素有關，多種因素的互相影響制約才形成了現有的土壤肥力和現實生產力，這幾個方面有待進一步探討。同時，本文只對撫育間伐改造3a后的土壤肥力進行了研究，后續土壤肥力的變化情況需要更加長期的定位觀測和分析。

[1] 張甜，朱玉杰，董希斌.小興安嶺用材林土壤肥力綜合評價及評價方法比較[J].東北林業大學學報，2016，44(12)：10-14，98.

[2] 宋啟亮.大興安嶺闊葉混交低質林不同改造模式效果的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2015.

[3] 毛波，董希斌.大興安嶺低質山楊林改造效果的綜合評價[J].東北林業大學學報，2016，44(8).7-12.

[4] 毛波，董希斌，宋啟亮，等.低質山楊林生態改造后土壤肥力綜合評價[J].福建林業科技，2015，42(2).40-45.

[5] 宋啟亮，董希斌.大興安嶺不同類型低質林群落穩定性的綜合評價[J].林業科學，2014，50(6).10- 17.

[6] Kabzems R，Haeussler S.Soil properties，aspen，and white spruce responses 5 years after organ[J].Canadian Journal of Forest Research，2005，35(8)：2045-2055.

[7] Masto R E，Chhonkar P K，Singh D，et al.Alternative soil quality indices for evaluating the effect of intensive cropping，fertilisation and manuring for 31 years in the semi-arid soils of India[J].Environmental Monitoring & Assessment，2008，136(1-3)：419-435.

[8] 曲杭峰，董希斌，唐國華，等.補植改造對大興安嶺白樺低質林土壤養分的影響[J].東北林業大學學報，2017，45(4).75-80.

[9] Masto R E，Chhonkar P K，Singh D，et al.Alternative soil quality indices for evaluating the effect of intensive cropping，fertilisation and manuring for 31 years in the semi-arid soils of India[J].Environmental Monitoring & Assessment，2008，136(1-3)：419-435.

[10] 曾翔亮，董希斌，高明.不同誘導改造后大興安嶺蒙古櫟低質林土壤養分的灰色關聯評價[J].東北林業大學學報，2013，41(7).48-52.

[11] 高明，朱玉杰，董希斌，等.撫育間伐對小興安嶺用材林土壤化學性質的影響[J].東北林業大學學報，2013，41(10).14-18.

[12] 唐國華，董希斌，張甜，等.大興安嶺低質林補植改造對土壤肥力的影響[J].東北林業大學學報，2017，45(4).70-74.

[13] 孫楠，郭樹平.帶狀皆伐后更新密度對植物多樣性的影響[J].森林工程.2016，32(6).15-19.

[14] 曲杭峰，董希斌，馬曉波，等.大興安嶺不同類型低質林改造效果的綜合評價[J].東北林業大學學報，2016，44(12)：1-5.

[15] 張樹森.不同類型低質林生物多樣性的綜合評價[J].林業科技，2017，42(4)：47-50.

[16] 李湃，李應珍，楊雪峰，等.大興安嶺林區低效林補植改造生態效應分析[J].森林工程.2016，32(3).36-39.

[17] 高明，朱玉杰，董希斌.采伐強度對大興安嶺用材林土壤化學性質的影響[J].東北林業大學學報，2013，41(12).39-41.

EffectsofTendingFellingonSoilFertilityofTimberForestinChifengArea，InnerMongolia

Wang Xiaowei

( Inner Mongolia Chifeng City Hongshan District Forestry Bureau，Chifeng 024000 )

In order to study the changes of soil physical and chemical properties of the timber forest after tending felling，seven samples with different thinning intensities were selected as the research object in Chifeng city，Inner Mongolia.The contrast plots were recorded as CK and no logging were carried out.The effects of different thinning intensities on soil physical and chemical properties were analyzed.Principal component analysis was used to establish the evaluation system of soil fertility，and the comprehensive score of soil fertility was calculated.Results showed that the comprehensive scores were：S3 (0.833)，S4 (0.795)，CK (-0.051)，S2 (-0.143)，S1 (-0.228)，S5 (-0.340)，S6 (-0.867).Among them，the comprehensive score of S3 and S4 plots was 0.833，0.795.The middle thinning intensity of 15% and 20% was beneficial to the improvement of soil physical and chemical properties and accumulation of soil fertility，which was suitable for tending felling of timber forest in Chifeng city，Inner Mongolia.With the increasing intensity of tending thinning，the comprehensive score of the reconstructed plots showed the trend of increasing first and then decreasing，that is，the soil fertility of the reconstructed plots changed first and then became poor.

Tending felling；timber forest；soil fertility；principal component analysis

S 791.2

A

1001-005X(2017)06-0019-06

2017-06-13

林業公益性行業科研專項(201204509)

王曉偉，碩士，工程師。研究方向：森林經營。E-mail：56115010@qq.com

王曉偉.撫育間伐強度對內蒙古赤峰地區用材林土壤肥力的影響[J].森林工程，2017，33(6)：19-24.