長白落葉松人工林根系生物量及其垂直分布特征

孫楠 張怡春 趙眉芳

摘?要：本文以落葉松人工林為研究對象，通過對不同林隙間伐的落葉松中齡林、不同間伐強度的落葉松近熟林及不同皆伐帶寬的落葉松成熟林林內0～10、10～20、20～30 cm根系的生物量及其空間分布進行分析，為落葉松人工林的近自然經營提供理論參考。在各林分內選取8個點，按照0～10、10～20、20～30 cm深度取樣，沖洗后對<2、2～5、>5 mm的根系進行烘干、稱重，對不同采伐方式下落葉松人工林根系的直徑分布情況和空間分布規律進行分析。結果表明：不同采伐方式下落葉松人工林總根系生物量存在顯著差異（P<0.05）。林隙5 m×5 m和7 m×7 m的林分根系總生物量較對照林分高出23.07%和22.39%，間伐強度為30%的林分總根系生物量最高（15.03 t/hm2），皆伐帶寬30 m的林分總根系生物量最高（11.33 t/hm2）;林分的根系總生物量有隨著土層的增加而減少的趨勢， 0～10 cm的根系生物量占根系總生物的比例最高（約70%），該土層中<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例最大（約75%）;采伐后林分<2 mm的細根生物量占根系總生物量的比例較對照林分有顯著提高。研究表明：對落葉松人工純林進行近自然經營，中齡林進行7 m×7 m的林隙間伐，近熟林進行30%強度的均勻間伐，成熟林進行帶寬30 m的帶狀皆伐，可以在不同程度上增加林分的根系總生物量。

關鍵詞：采伐;落葉松人工林;根系生物量;空間分布;林隙;帶狀皆伐

中圖分類號：S757.1?文獻標識碼：A?文章編號：1006-8023（2021）06-0017-08

Abstract：In order to provide theoretical reference for the near natural management of larch plantation， this paper takes larch plantation as the research object， and analyzes the root biomass and spatial distribution of 0-10 cm， 10-20 cm and 20-30 cm in larch medium-aged forest thinned in different gaps， larch near mature forest with different thinning intensity and larch mature forest with different clear cutting bandwidth. 8 points were selected in each stand， and samples were taken according to the depth of 0-10 cm， 10-20 cm and 20-30 cm. After washing， the roots <2mm， 2-5mm and >5mm were dried and weighted， and the diameter distribution and spatial distribution law of the roots of larch plantation under different cutting methods were analyzed.The results showed that： the total root biomass of larch plantation was significantly different with different cutting methods （P< 0.05） . The total root biomass of 5m×5m and 7m×7m gaps was 23.07% and 22.39% higher than the contrast. The root biomass of 30% thinning intensity was the highest （15.03 t/hm2）， and the root biomass of 30m clear-cutting width was the highest （11.33 t/hm2）. The total root biomass of the stand decreased with the increase of soil layer. The root biomass of 0-10cm soil layer accounted for the highest proportion of the total root biomass （about 70%）， and the root biomass of <2mm accounted for the largest proportion of the total root biomass of this soil layer （about 75%）. The percentage of fine root biomass in the total root biomass of <2 mm of the cutting stand was significantly higher than that of the control stand. It showed that： the total root biomass of the stand could be increased in different degree for the close-to-nature management with gap thinning of 7m×7m for middle-aged plantation， even thinning of 30% intensity for near-mature plantation and strip clear cutting of 30 m width for mature plantation， .

Keywords：Cutting; larch plantation; root biomass; spatial distribution; gap; strip clear cutting

0?引言

根系對林木有支持作用，同時還可以從土壤中吸收水分和養分，作為森林生態系統中一個重要組成部分，根系在碳分配、養分循環、地力維持及土壤抗沖性等方面發揮著重要作用[1-3]。目前，國內外林木根系主要圍繞5個方向，一是根及根的分泌物;二是根系生長發育、水分生理和根滲出物;三是根系構型力學與固土作用;四是根系形態特征的空間分布、細根分解與周轉以及環境因子與根系生長發育的關系;五是根系構型研究 [4]。粗根系主要作用為支撐和運輸，而養分和水分的吸收主要由小徑級的根系（通常指直徑小于2 mm的根）來完成[5-6]。林木根系的深度分布會影響到林木擁有地下營養空間的大小和對土壤養分及水分的利用，進而影響林木的生長發育[7-10]。Jackson等[11] 研究發現，溫帶落葉闊葉林表層土壤（ 0～20 cm）中根系的生物量占總根系量的80%;廖蘭玉等[12]以鼎湖山生物群落為研究對象，結果表明，0～20 cm土層的根系生物量占0～70 cm總根系生物量的67.9%。很多研究結果表明不同林分類型根系的空間分布有差異[13-17]，這對研究人工針葉純林在進行近自然經營時混交樹種的選擇有重要作用[18-21]。本文選擇不同采伐方式的長白落葉松（Larix olgensis）人工林為研究對象，深入了解根系組成及其分布，探討采伐對林分根系生物量及其空間分布規律的影響，為落葉松人工林的近自然經營提供理論參考。

1?研究區域概況

試驗地設置在黑龍江省佳木斯市孟家崗林場（130°32′42″～130°52′36″ E， 46°20′16″～46°30′50″ N）。地處完達山西麓余脈，以低山丘陵為主，平均海拔250 m。屬東亞大陸性季風氣候，年平均氣溫2.7 ℃，年大于等于10 ℃的積溫2 547 ℃，年平均降水量550 mm，無霜期120 d左右。地帶性土壤為暗棕壤。

2?材料與方法

2.1?樣地設置

在孟家崗林場選擇落葉松人工林，在中齡林不同林隙（5 m×5 m、7 m×7 m、10 m×10 m）各設置固定標準地3塊，對照1塊（CK），共10塊;近熟林不同間伐強度（15%、30%、40%）各設置固定標準地4塊，對照1塊（CK），共13塊，成熟林不同皆伐帶寬（15、30、50 m）各設置固定標準地3塊，對照1塊（CK），共10塊，標準地大小為20 m×30 m，總計33塊。

2.2?根系生物量取樣

根系調查采用連續鉆取土芯法，每塊標準樣地中沿“S”形等距離選取樣點8個，樣點避開喬木及灌木的基部，用內徑10 cm的根鉆在各樣點鉆取土芯，先除去地表枯落物再取樣，由于落葉松是淺根系樹種，所以按照0～10、10～20、20～30 cm深度取樣。將取得的土芯樣品放入自封袋密封標記清楚，帶回實驗室盡快進行樣品處理。

2.3?根系生物量的室內處理

將土壤樣品從密封袋中取出，用鑷子挑出土芯里的細根，在100目篩子中用流動水沖洗干凈，于65 ℃烘箱烘干至恒重測定干重，使用游標卡尺測量細根直徑，按照<2、2～5、>5 mm對根系進行分類并稱重。不同采伐方式根系生物量特征值見表1。

2.4?根系生物量的計算方法

利用下列公式對根系生物量進行統計：

根系生物量（t/hm2）=平均每個土芯根系質量（g）×100/[π（d/2）2]。

式中：d為土鉆內徑，cm。

3?結果與分析

3.1?根系生物量的直徑分布

3.1.1?林隙間伐林分根系生物量的直徑分布

4個林分總根系生物量存在顯著差異（P<0.05）。由表2可知，林隙5 m×5 m和林隙7 m×7 m的林分根系總生物量相差不大，分別為9.07 t/hm2和9.02 t/hm2，林隙10 m×10 m的林分根系總生物量最低（6.70 t/hm2），低于對照林分（7.37 t/hm2）;對于不同徑級根系生物量，林隙間伐后的林分<2 mm的細根生物量占根系總生物量的比例較對照林分有顯著提高，其中，林隙10 m×10 m的林分<2 mm的細根生物量占根系總生物量的比例最大，達到84.03%。

3.1.2?均勻間伐林分根系生物量的直徑分布

4個林分總根系生物量存在顯著差異（P<0.05）。由表3可知，間伐強度為30%的林分總根系生物量最高，是15.03 t/hm2，40%的林分次之（14.14 t/hm2），間伐強度15%的林分總根系生物量與對照林分相差不大，但均勻間伐后的林分，根系總生物量均高于對照林分，說明均勻間伐能夠在一定程度上增加林分的根系總生物量;對于不同徑級根系生物量，4個林分<2 mm的細根生物量與>5 mm的粗根生物量占根系總生物量的比例接近，均在35%左右，2～5 mm的根系生物量占根系總生物量的25%左右。均勻間伐后的林分，<2 mm的細根生物量占總根系生物量的比例較對照林分有所增加，間伐強度為30%的林分最大，占37.06%，說明均勻間伐后豐富了林分的植物多樣性，增加了細根生物量。

3.1.3?帶狀皆伐林分根系生物量的直徑分布

4個林分總根系生物量存在顯著差異（P<0.05）。由表4可知，帶狀皆伐30 m的林分總根系生物量最高，是11.33 t/hm2，15 m帶寬的林分次之（10.43 t/hm2），帶寬50 m的林分根系生物量最低，只有5.97 t/hm2，低于皆伐前對照的落葉松林分;對于不同徑級根系生物量，4個林分<2 mm的細根生物量最高，皆伐帶寬50 m的林分，<2 mm的細根生物量占總根系生物量的比例最大，達到83.42%，其他3個林分差異不大，在50%左右。皆伐帶寬50 m的林分，>5 mm的粗根生物量占總根系生物量的比例最小，只有8.54%。

3.2?根系垂直分布及其變化規律

3.2.1?林隙間伐林分根系垂直分布及其變化規律

4個林分的根系總生物量有隨著土層的增加而減少的趨勢，如圖1所示。由圖1可知，表層土壤0～10 cm的根系生物量占根系總生物的比例最高，其中，林隙10 m×10 m的林分，0～10 cm土層的根系生物量占根系總生物量的比例最大，達到了85.17%，其他3個林分均在60%左右; 隨著土層厚度增加，林隙10 m×10 m和5 m×5 m的林分，10～20 cm根系生物量下降的比較快，分別為12.64%和14.23%，林隙7 m×7 m的林分和對照林分，10～20 cm根系生物量下降相對緩慢，均在20%以上;在20～30 cm的土層中，林隙10 m×10 m的林分，根系生物量最少，只有0.15 t/hm2， 其他3個林分，該層根系生物量均在1.0 t/hm2以上，見表5。

不同林隙間伐的林分間，各土層中不同徑級根系的生物量差異顯著（P<0.05）。由表5可知，林隙間伐后的林分，0～10、10～20 cm土層中<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例增加，說明林隙間伐后，林分中光照度增加，植物多樣性增加，進而表層細根的生物量增大。

3.2.2?均勻間伐林分根系垂直分布及其變化規律

4個林分的根系總生物量有隨著土層的增加而減少的趨勢，如圖2所示。各林分表層土壤0～10 cm的根系生物量占根系總生物的比例最高，相互之間差異不顯著，均在40%左右;隨著土層厚度的增加，均勻間伐后的林分根系生物量下降的速度都不是很明顯，10～20 cm的土層中，均勻間伐后的林分根系生物量占根系總生物量的比例在35%左右，要高于對照林分的31.45%;20～30 cm的土層中，各林分根系生物量占總生物量的比例差別不大，都在20%以上，說明在均勻間伐的林分，根系分布的相對比較均勻且較深。

不同間伐強度的林分間，各土層中不同徑級根系的生物量差異不顯著，但與對照林分有顯著差異（P<0.05）。由表6可知，均勻間伐后的林分，各土層中<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例增加。0～10 cm的土層中，均勻間伐的林分<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例均在55%左右， 超過對照林分的49.29%;10～20 cm的土層中，30%和40%采伐強度的林分<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例均在55%左右， 超過采伐強度15%的林分和對照林分的49%左右;20～30 cm的土層中，30%和40%采伐強度的林分<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例均在53%左右， 超過采伐強度15%的林分和對照林分的45.30%和48.41%。

3.2.3?帶狀皆伐林分根系垂直分布及其變化規律

4個林分的根系總生物量有隨著土層的增加而減少的趨勢，如圖3所示。表層土壤0～10 cm的根系生物量占根系總生物的比例最高，其中，皆伐帶寬30 m和50 m的林分，0～10 cm土層的根系生物量占根系總生物量的比例相差不大，分別為73.86%和72.17%，10～20、20～30 cm土層的根系生物量銳減，皆伐帶寬15 m的林分和對照林分，各土層的根系生物量隨土層厚度的增加降低的速度不大。

不同皆伐帶寬的林分間，各土層中不同徑級根系的生物量差異顯著（P<0.05）。由表7可知，皆伐帶寬50 m的林分，0～10 cm的土層中<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例最大，達到了92.11%;隨著土層厚度的增加，皆伐帶寬30 m的林分<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例增大，分別為72.53%和73.02%。

4?結論與討論

林分的根系總生物量有隨著土層的增加而減少的趨勢，這與劉巖[6]研究的小興安嶺3種森林群落根系總生物量和井家林[4]研究的胡楊根系生物量隨土層的變化趨勢一致，0～10 cm的根系生物量占根系總生物的比例最高（約70%），該土層中<2 mm的細根生物量占該層總根系生物量的比例最大（約75%）。

針對落葉松人工林不同林齡采用不同的撫育方式及撫育強度，林分根系生物量有顯著影響（P<0.05）。中齡林林隙間伐后，林隙5 m×5 m和林隙7 m×7 m的林分根系總生物量較對照林分高出23.07%和22.39%。林隙間伐后的林分<2 mm的細根生物量占根系總生物量的比例較對照林分有顯著提高;近熟林均勻間伐后，根系總生物量均高于對照林分，其中，間伐強度為30%的林分總根系生物量最高（15.03 t/hm2）。均勻間伐后的林分<2 mm的細根生物量占總根系生物量的比例較對照林分有所增加，間伐強度為30%的林分最大，占37.06%;帶狀皆伐后，皆伐帶寬30 m的林分總根系生物量最高（11.33 t/hm2），皆伐帶寬50 m的林分<2 mm的細根生物量占總根系生物量的比例最大（83.42%）。

落葉松人工純林采伐后可以在不同程度上增加林分的根系總生物量，這是由于適當的撫育和間伐，能夠增加林內的光照強度，草本及灌木植物生長迅速，表層的細根系較多。對落葉松人工純林進行近自然經營，中齡林采用7 m×7 m的林隙間伐，近熟林采用30%強度的均勻間伐，成熟林采用帶寬30 m的帶狀皆伐。

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