撫育間伐對云南松林分土壤理化性質的短期效應分析

吳單子，王麗娜，胡昊程，吳俊文，董 瓊，石卓功，李祿平

(1.西南林業大學，云南 昆明 650224；2.云南省永仁縣國有林場，云南 永仁 675000)

1 引言

撫育間伐作為森林管理的重要措施，能夠改善林分結構的穩定性，進而增強林分生態效益。林分經過撫育后，林分空間結構發生了變化，影響到林木生長、林下植被和土壤理化性質及其微生物的發育和變化[1，2]，進而影響到林分的生產力和土壤的肥力狀況，合理強度的間伐在提高土壤微生物生物量，促進凋落物分解的同時，也增加了土壤肥力[3]。目前大多數研究撫育間伐對不同樹種的各方面影響都是長期效應的研究。例如，張鼎華等[4]對不同人工林杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、建柏(Fokieniahodginsii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)和木荷(Schimasuperba)的撫育間伐研究表明，撫育間伐后土壤微生物數量增加、酶活性增強、土壤容重降低、總孔隙度和速效養分提高，土壤肥力得到改善和提高。

森林生態系統中植物和土壤的N和P養分含量變化及其相互關系能夠影響森林的生產力，C的作用同樣不能忽視。研究表明，C、N、P 含量及其計量比關系能夠反映森林生態系統中植物養分積累、土壤質量變化和植物-土壤耦合關系，對許多生態過程有著指示作用，因此闡明生態系統中植物與土壤的C、N、P 化學計量比特征對維持地力和提高森林生產力具有重要作用。土壤有機質由一系列具有不同復雜程度的化學物質組成，不同化學組成的有機質具有不同的分解速率和周轉時間。土壤的物理結構、化學性質和厚度會對土壤的C、N、P等含量及C∶N∶P比產生一定影響[5]。因此，定量分析土壤中的C、N、P等組分變化可能有助于揭示間伐對森林土壤的理化性質影響機制。

云南松(Pinusyunnanensis)是我國西南地區特有的森林類型，也是云貴高原上分部最廣的樹種，因其生長迅速，適應性強，耐干旱貧瘠，成為西南地區尤其是云南地區荒山造林的先鋒優勢樹種[6～8]。作為云南最重要的生態和用材樹種，因長期以來經營水平低下，造成林分結構不合理、生產力降低、生態和經濟效益減少等問題[9～11]。目前對云南松撫育間伐研究主要在于撫育間伐對松林的結構特征、林木生長的影響。有關間伐對土壤物理性質的影響仍無定論，且關于撫育間伐對云南松土壤性狀研究還鮮有報道，尤其是短期效應的分析尚不清楚，本研究則基于撫育間伐后一年，分析撫育間伐對云南松林分土壤的短期效益，為提高云南松林分可持續經營提供理論基礎。

2 研究區概況

永仁縣白馬河林場位于楚雄彝族自治州北部，東經101°27′～101°28′，北緯26°11′～26°25′之間。平均海拔1900～2775.5 m，平均坡度20～25°。屬溫涼性和暖溫性氣候，干濕季明顯，冬春干旱少雨、夏秋濕熱多雨，最高溫度可達34.7 ℃，年平均氣溫在14.8 ℃，年降雨量在1000 mm左右，濕度較大，為73%。該地區主要土壤種類為紅壤。

永仁縣國有林場白馬河林區，總經營面積1.03萬hm2，云南松為優勢樹種，林齡為中齡(人工林為幼齡)林，密度及郁閉度都較高。

3 研究方法

3.1 樣地設置及處理

2017年年初實施間伐處理，株數撫育強度為53%，通過撫育經營后中齡林將林分郁閉度調整在0.6左右。2018年8月進行樣地觀測。在作業小班內進行調查，選擇具有代表性的地段設置標準地，設置撫育和對照(不撫育)2種處理，每種處理3次重復，共設立樣地6個，分別為3個撫育間伐樣地(FY-2, FY-5, FY-6)與3個對照樣地(WFY-1, WFY-3, WFY-4)。

標準樣地形狀均為矩形，面積為25.82 m×25.82 m，標準地的邊界采用羅盤儀進行閉合導線測量(閉合差1/200)，并對每塊標準樣地進行調查和記錄。

實施撫育間伐前各區域內撫育與對照樣地未實施過施肥灌溉等措施，林分相似、立地條件大致相同、土壤理化性質接近。

3.2 土壤取樣及物理性質測定

2018年8月進行取樣。本研究總共設置6塊樣地，在每個固定樣地內選取沒有遭受破壞的樣點，按照“S型取樣法”隨機取樣。每塊樣地挖取3個土壤剖面，分別于0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層用環刀取樣，用環刀法[12]測定土壤容重。

3.3 土壤化學性質測定

將自然風干的土壤樣品用于化學性質的測定。全N含量采用開式蒸餾法；全P含量采用鉬銻抗比色法；全K含量采用火焰光度計法, 有機碳含量采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[13～16]。

3.4 數據處理分析

試驗數據用WPS2019處理，SPSS 19.0軟件進行統計分析。數據分析采用參數分析方法，所有分析之前先進行數據正態性檢驗(P>0.05)，對于不符合正態分布的數據用log轉換，之后用具體的分析方法進行分析。其中，方差分析之前還需要進行方差齊性檢驗。

4 結果與分析

4.1 撫育間伐對不同土層深度土壤理化性質的影響

不同處理的各土層土壤物理指標含量見表1。從表1中可以看出，間伐處理與對照樣地土壤容重值無顯著差異，而各樣地土壤容重隨土層的深度增加而增加，且從0～20 cm層到40～60 cm層增加約20%；土壤毛管持水量和田間持水量在間伐處理和對照之間不存在顯著性差異，但可明顯看出各樣地在0～20 cm層均存在顯著性差異；總孔隙度在間伐處理與撫育之前無顯著差異，而隨土層深度增加而降低，降幅約為20%。

表1 不同處理的各土層土壤容重 毛管持水量 總孔隙度 田間持水量

據雙因素方差分析結果(表2)顯示，間伐對土壤物理性質沒有影響，而土層深度對土壤物理性質有極顯著影響，但二者之間的交互作用不明顯。

表2 雙因素方差分析檢驗間伐和土壤深度對土壤物理性質的影響

4.2 土壤理化性質隨土層深度變化垂直變異性分析

對不同土層(0～20、20～40和40～60 cm)之間的方差分析結果表明(表 3)，隨著土層深度加深，土壤容重、N、P、K含量沒有表現出顯著差異，而土壤毛管持水量 、總孔隙度、田間持水量和C含量則表現出顯著差異(P<0.05)。Duncan多重比較結果表明，隨著土層的加深，土壤毛管持水量減少了33% 、總孔隙度減少了16%、田間持水量減少了25%和C含量減少31%。

表3 不同土層深度土壤性狀的方差分析

4.3 土壤化學計量學分析

不同土層(0～20、20～40和40～60 cm)化學計量之間的方差分析結果如表 4所示，隨著土層深度增加，C∶N、C∶P、N∶P之間沒有表現出顯著差異，但在進一步對比本研究過程中的化學計量學及國內化學計量學的相關研究發現，本研究中C∶N高于國內平均值，C∶P、N∶P比值均低于國內土壤平均值。

表4 不同土層深度土壤化學計量比分析

5 討論

5.1 不同土層土壤理化性質對間伐的短期效應分析

實驗表明，撫育間伐后物理性質并未出現顯著變化，土壤容重隨土層的深度增加而增加，并只在0～20 cm和40～60 cm下略微低于CK。在間伐對土壤性狀的長期研究中[17]，目前仍無定論。劉杰[18]通過對落葉松人工林撫育間伐后的土壤研究結果得出，撫育間伐后毛管持水量、毛管孔隙度和土壤含水量均有增大。賈忠奎等[19]對間伐5 a后的側柏人工林研究表明，間伐明顯改善土壤的物理性質，能夠顯著提高林分總貯水量。

撫育間伐后，間伐處理組的C∶P顯著高于CK，而P含量均低于未撫育；土壤中N、P含量在各組不同處理樣地間基本持平，且不存在顯著性差異；K含量隨土層深度加深而增加，但C含量隨土層深度加深而顯著降低。在土壤表層(0～20 cm、20～40 cm)，間伐后C含量與K含量、C∶N與C∶P都高于未撫育。曹娟等研究表明，杉木林中土壤磷鉀含量基本不變，氮含量隨著土層深度的降低而降低[20]；張雨鑒等研究表明，云南松林分土壤碳、氮和磷含量隨著土層深度的降低而降低[21]。不同地區對土壤N、P含量有顯著影響，是各個環境因子共同作用的結果。

本研究中，間伐對土壤物理性質沒有影響，僅對磷含量有顯著影響(P<0.05)，與上述研究結果不同的原因可能在于土壤容重與研究地林分特征、地形、氣候、土壤類型等因素有關，此外，上述學者研究的均是撫育間伐的長期效應，而本研究是短期效益。

5.2 土壤理化性質隨土層深度的垂直變異分析

本研究中，隨著土層的加深，土壤毛管持水量、總孔隙度和田間持水量降低(表3)，與劉杰華[22]通過對落葉松人工林撫育間伐后的土壤研究結果得出，撫育間伐后毛管持水量、毛管孔隙度和土壤含水量均隨著各土壤深度的增加而降低，對各土層之間存在顯著差異的研究結果一致。

土壤化學性質方面，隨著土壤土層的加深，土壤N、P、K含量沒有顯著變化，而土壤C含量降低(表3)，這與曹娟等[23]研究中杉木(Piceacrassifolia)的P、K含量變化規律類似，而N含量與杉木林中表現出不同，杉木林中N含量隨著土層深度的降低而降低，而本研究中N含量隨土層深度的降低變化不大，說明有可能云南松林分中表層土壤普遍缺氮，可能與表層土壤中凋落物分解速度太慢有關。此外，本研究中云南松土壤養分變化情況與其他地區有所不同，在張雨鑒等研究中，云南松林分土壤C、N和P含量隨著土層深度的降低而降低[24]，而本研究土壤C含量隨土層深度降低顯著增加，N和P含量則基本無變化。

5.3 土壤化學計量學分析

C、N、P三者間的比例關系顯著反映了許多重要的生理和生態過程[6]。有研究表明，土壤中有機質C∶ N與其分解速度呈反比關系[25]；土壤N∶P可作為營養元素限制狀況判斷的指標；土壤C∶P是表示P有效性高低的一個指標，較低的C∶P表示P有效性高[23]。

本研究中土壤N∶P比值為3.36±1.48 ，低于中國土壤N∶P平均值5.2[26]，本研究結果表明，土壤N、P含量沿土層深度的增加而降低，此外，本次研究區土壤中N的含量較少，說明該區土壤中P元素較多，土壤N元素可能是一個重要的限制因素。因此，在云南松人工林的可持續經營中，及時施用適量氮肥保持養分平衡是十分必要的，以保證林木生長勢更佳。

6 結論

(1)間伐對土壤理化性質的影響情況：間伐對土壤物理性質沒有顯著差異，僅對土壤P含量有顯著影響(P<0.05)。說明間伐在短期內不會對土壤理化性質產生顯著影響。

(2)土壤理化性質隨土層深度垂直變異性規律：對云南松純林林分不同土層(0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm)方差分析結果表明，隨著土層深度加深，土壤毛管持水量、總孔隙度和田間持水量表現出顯著性差異(P≤0.0 5)。N、P、K含量隨土層深度加深變化不顯著，C含量隨土層深度加深顯著降低。

(3)本研究通過對該地區和云南其他地方云南松林地土壤理化性質及國內化學計量學的相關研究進行比較，結果發現，永仁縣國有林場白馬河林區云南松林平均N含量平均值為1.04±0.39 mg/g(表4)，C∶P和N∶P值也低于國內土壤平均值，而C∶N高于國內平均值(表4)，與國內土壤平均值相比，該研究區土壤氮含量較低，該地區土壤存在氮素普遍缺乏的問題，有可能是限制該地區林分生產力的一個因子。