間伐對杉木人工林凋落物-土壤碳氮磷含量及儲量的影響

黃鳳生，袁健軍，余雪琴

（1.浙江省開化縣林業局，浙江 開化 324300；2.浙江誠川建設有限公司，浙江 杭州 311400；3.浙江省開化縣林場，浙江 開化 324300）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是生態系統最主要的3 種元素，與植物結構及生長密切相關[1-3]。植物生長所需大部分養分來自土壤，土壤對植物生長具有調節作用[4-5]。植物光合作用固定的C 以凋落物分解的形式輸入到土壤中，使得土壤C 得到補給。凋落物分解是連接植被和土壤的紐帶，人工林經營管理影響凋落物輸入和輸出過程[6-7]。因此，森林經營管理往往導致凋落物-土壤養分含量的時空變化以及C，N 和P 生態化學計量關系的變化[8-9]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國亞熱帶地區最主要的用材樹種之一，不僅生長快，而且材質優良，栽培面積大，占現有人工林面積的19.01%，在木材生產和生態安全中發揮著重要作用。間伐是主要的人工林經營技術措施之一，通過降低林分密度，改善林分結構和種間關系，減小樹木間的競爭，促進保留木的生長[10]。森林凋落物是土壤養分的主要來源，對于維持森林生態系統養分平衡至關重要[11]。已有研究表明，間伐改變了林內微環境，進而影響地上、地下凋落物的產量、質量和分解[12-14]。撫育間伐可以促進凋落物分解，是緩解針葉凋落物過分積累的主要措施之一。油松Pinus tabuliformis人工林間伐后葉凋落物分解速率可提高0.15%～ 1.87%，養分歸還量可提高2.87～ 3.64 倍[15]。此外，由于間伐改變了土壤養分的循環過程，對土壤碳儲量及養分含量有重要影響[8]。但是，目前多數研究主要關注間伐后短期內凋落物分解和土壤質量的變化，而間伐對凋落物-土壤C，N 和P 的儲量及其生態化學計量關系的長期影響則知之甚少。本研究在浙江省開化縣林場以間伐7 年后的杉木人工林為研究對象，研究不同間伐處理對凋落物和土壤C，N 和P 含量、儲量及其生態化學計量關系的影響，為杉木人工林養分循環過程研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在浙江省開化縣林場，118°25′ E，29°09′ N，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.4℃，年平均降水量1 814 mm，無霜期252 d，年日照總時數1 334.1 h，海拔 180～ 300 m。土壤為紅黃壤，pH 值在4.2～ 4.7。林場森林總面積1.26 萬hm2，主要以經營杉木為主，杉木人工林面積占林地總面積的60%以上。

供試林分為1996 年采用杉木優良無性系營造的純林，初植密度為2 500 株·hm-2，造林后前3 年每年撫育2次。2003 年進行1 次撫育間伐（間伐強度約15%）。2010 年進行第2 次間伐，分別設置輕度間伐（18%間伐強度，LT，以株數計，下同）、中度間伐（32%間伐強度，HT）和不間伐（CK）3 種處理，每種間伐處理小區面積20 m×20 m，3 次重復，共9 個小區，所有試驗位于同一坡面，試驗小區立地條件基本一致。2017 年11 月每木檢尺小區內杉木樹高和胸徑。結果顯示，CK，LT 和HT 的保留密度分別為1 805，1 436 和1 102 株·hm-2，平均樹高分別為16.1，16.3 和16.7 m，平均胸徑分別為18.5，18.9 和20.2 cm。

1.2 數據收集和分析

2017 年11 月，在每塊樣地內隨機設置1 m×1 m的樣方5 個，收集樣方內所有凋落物，稱鮮質量后，取一部分凋落物樣品帶回實驗室用于含水量和化學性質測定。同時在每塊樣地內采用直徑4 cm的土鉆，采集0～ 20 cm土層土壤樣品，每個樣地內隨機采集6～ 8 個樣點的土樣，同一樣地土樣混合后作為一個混合樣。土樣經自然風干后，用于土壤化學性質測定。每個樣地內采用環刀取3 個樣品，用于土壤容重測定。凋落物有機碳（litter organic carbon，LOC）和土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，總氮（total nitrogen，TN）采用凱氏定氮法測量，總磷（total phosphorus，TP）用鉬藍比色法，土壤易氧化有機碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）采用高錳酸鉀氧化法測定，水解氮（Hydrolyzed nitrogen，HN）采用堿解擴散吸收法，有效磷（available phosphorus，AP）用鉬銻抗比色法[16]。

單位面積凋落物C，N 和P 儲量用樣方內元素含量乘以面積進行計算，土壤C，N 和P 儲量計算公式為：

式中，S為C，N 或P 儲量；A為C，N 或P 含量；ρ為土壤容重；D為土層深度。

不同間伐處理之間凋落物和土壤C，N 和P 含量及其儲量的差異采用SPSS 22.0 的單因素方差分析檢驗，并進行Duncan 多重比較。

2 結果與分析

2.1 凋落物和土壤的LOC，SOC，TN，TP 含量及儲量的變化

由表1 可知，地表凋落物生物量隨間伐強度增大呈增加趨勢，但不同間伐處理之間凋落物生物量之間沒有顯著差異（P>0.05）；凋落物LOC，TN，TP 含量及其儲量在不同間伐處理之間也沒有顯著差異（P>0.05）。

表1 杉木林不同間伐處理凋落物的生物量，LOC，TN，TP 含量及儲量Table 1 Biomass,content and storage of LOC,TN and TP of C.lanceolata litter under plantations with different thinning intensities

由表2 可知，土壤容重隨間伐強度增大逐漸降低，LT 與CK 之間土壤容重沒有顯著差異（P>0.05），HT處理土壤容重比CK 降低了9.7%（P<0.05）。土壤SOC 含量隨間伐強度增加逐漸增大，僅HT 處理的土壤SOC含量顯著高于CK（P<0.05）。土壤SOC 儲量、TP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）。土壤TN 含量及其儲量隨間伐強度增大而增加，LT 和HT 處理土壤TN 含量分別比CK 增加了35.7%和55.5%，土壤TN 儲量分別比CK 增加了30.2%和40.7%；僅HT 與CK 之間具有統計上的顯著差異（P<0.05）。

表2 杉木林不同間伐處理土壤SOC，TN，TP 含量及儲量Table 2 Content and storage of SOC,TN and TP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

土壤ROC，AP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）（表3）。土壤HN 含量及其儲量隨間伐強度增大而增加，LT 和HT 處理的土壤HN 含量分別比CK 增加了28.9%和45.4%，土壤HN 儲量分別比CK 增加了23.7%和32.3%；僅HT 處理與CK 之間具有統計上的顯著差異（P<0.05）。

表3 杉木林不同間伐處理的土壤ROC，HN，AP 含量及儲量Table 3 Content and storage of ROC,HN and AP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

2.2 凋落物和土壤中的C，N，P 的生態化學計量學特征

由圖1 表明，凋落物的OC/TN，OC/TP 和TN/TP 在不同間伐處理之間沒有顯著差異（P>0.05）。SOC，TN和TP 的計量關系在不同間伐處理之間也沒有統計上的顯著差異（P>0.05）。由圖2 表明，土壤ROC/HN 隨間伐強度增大逐漸降低，HT 處理的ROC/HN 與CK 之間差異顯著（P<0.05）；HN/AP 則隨間伐強度增大逐漸增加，HT 處理的HN/AP 與CK 之間差異顯著（P<0.05）；ROC/AP 在不同間伐處理之間差異不顯著（P>0.05）。

圖1 杉木林不同間伐處理凋落物和土壤C，N 和P 含量的計量關系Figure 1 Stoichiometry of C,N,and P content in litter and soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

圖2 杉木林不同間伐處理土壤ROC，HN 和AP 含量的計量關系Figure 2 Stoichiometry of ROC,HN,and AP in soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

3 結論與討論

間伐降低了林分密度，改變了林分空間結構，從而影響凋落物分解和土壤養分循環[12]。本研究發現，間伐7 年后，地表凋落物生物量，C，N 和P 元素含量及儲量在不同間伐處理之間沒有顯著差異。已有研究表明，間伐后林木株數減少，冠層郁閉度降低，短期內提高了地表溫度，有助于凋落物的分解[11-12]。間伐后的林分，林木個體之間競爭減小，保留木快速生長，通過一段時間恢復，林分凋落物輸入量逐漸接近未間伐林分，因而導致凋落物生物量與未間伐林分之間沒有差異。凋落物養分含量（如C/N，N/P 等）主要取決于凋落物的組成，間伐7 年后的林分地表凋落物與未間伐林分凋落物組成類似，均以杉木葉、枝為主，這可能是導致不同間伐處理凋落物養分含量沒有顯著差異的主要原因。但是，丁曉東等[7]對華北落葉松Larix gmeliniivar.principis-rupprechtii人工林間伐試驗發現，50%間伐處理的林分6 年后凋落物生物量增加了17.25%，TN 含量增加了31.94%。李國雷等[15]的研究也表明，間伐可顯著提高油松凋落物TN 含量，降低木質素和粗脂肪含量，從而促進油松凋落物的分解。這些不同的研究結果可能與樹種、間伐強度、間伐后持續時間等因素有關。

本研究結果表明，土壤SOC，ROC，TP 和AP 含量及其儲量在不同間伐處理之間差異不顯著，但土壤TN和HN 含量及其儲量隨間伐強度增大顯著增加。陳立新和陳祥偉[6]的研究也表明，落葉松人工林間伐15 年間，土壤有機質、TN 和TP 含量是未間伐處理的3.52 倍、2.25 倍和1.35 倍。刁嬌嬌等[10]研究發現，杉木間伐7 年后，強度間伐、中度間伐和輕度間伐處理土壤層C 儲量高于對照，尤其是輕度間伐土壤層C 儲量增幅最大。于海群等[17]研究表明，油松人工林隨間伐強度增大，土壤SOC 含量逐漸增加。這些研究認為間伐后土壤SOC 含量及儲量的增加主要是林下植被改變和凋落物分解速率增加，促進了土壤SOC 的輸入和積累。本研究不同間伐處理之間土壤C，P 的儲量沒有差異，可能與間伐后林木快速生長，不同間伐處理之間凋落物輸入量接近有關。

盡管土壤TN含量顯著增加，但土壤SOC，TN及TP之間比值在不同間伐處理間并沒有顯著差異。土壤SOC，TN 及TP 之間化學計量關系保持較小的變異，可能與間伐后土壤C，N 和P 元素變化具有協同作用有關。研究表明，不同區域土壤C/N 具有較大的空間變異性，但C/N 在積累和消耗過程中具有相對穩定的比值[18]。ROC/HN隨間伐強度增大逐漸降低，HN/AP 則隨間伐強度增大逐漸增加，這也減少了土壤N 的礦化。由此可見，間伐7年后，杉木凋落物和土壤OC，TN 和TP 的生態化學計量關系不受間伐處理的影響，但中度間伐處理土壤C，N和P 速效組分生態化學計量發生顯著變化。