天然次生针叶林内土壤理化性质对不同经营方式的响应1)

杨会侠

(辽宁省森林经营研究所，丹东，118002)

何友均 郑 颖 王 卫 王 品 姚 博

(中国林业科学研究院林业科技信息研究所) (辽宁省森林经营研究所)

有关森林经营理念的不断更新和经营方式的不断改变一直是林业发展过程的主旋律，而经营方式的改变对森林生态系统生产力的影响也是林业专家研究的主要课题。在人们对森林多功能需求和林业可持续发展的双重压力下，以木材产量为主要目标的“拔大毛”式森林传统经营所产生的弊端不断显现，森林的近自然经营理念应运而生，近自然经营成为有望实现林业可持续的一条重要途径［1］。近自然森林经营是指充分利用森林生态系统内部的自然生长发育规律，从森林自然更新到稳定的顶级群落这样一个完整的森林生命过程的时间跨度来计划和设计各项经营活动，优化森林的结构和功能，充分利用与森林相关的各种自然力，不断优化森林经营过程，从而使生态与经济的需求能最佳结合的一种真正接近自然的森林经营模式［2］。

在林业比较发达的欧美国家，如德国、美国、芬兰、丹麦等，都曾以木材经营为中心，忽视森林其它功能，致使出现了纯林多、森林稳定性差、多种功能难以发挥等问题［3］，但经过一段时间的探索与实践，最终选择了以“近自然林业”作为新的林业政策和经营方针。西方学者分别对近自然经营过程中的生物多样性［4-5］、土壤理化性质、各种因素对生态因子的影响［6-7］及经营过程中需要克服的困难［8］等方面进行了研究，并取得了比较积极的成果，认为近自然经营可以促进珍贵阔叶树种的自然更新及森林环境的优化［5］，协调木材生产与生物多样性的关系，从而发挥森林的多种功能和效益［9］。目前，德国除了国有森林实行近自然林业经营外，国家林业管理部门还引导森林私有业主进行近自然经营［10］，不断探讨克服私有业主经营过程中可能存在的技术、管理等方面的困难。

上世纪末，近自然经营理念逐渐被引入我国，许多专家学者［11-14］利用近自然经营理念为我国林业的发展把脉，阐述了近自然经营在我国低产天然次生林和人工林经营中的发展前景。但我国林业基本上仍然维持在原有的以木材生产为主的经营思路上，真正采用近自然经营理念进行生产和科研实践活动的却并不多见。Wang等［15］初步探讨了小兴安岭红松人工林不同经营方式对土壤有机质、微生物和理化性状的影响，认为提高森林的近自然经营程度有助于提高森林土壤质量。李荣等［16］探讨了不同强度的近自然间伐对辽东栎林群落稳定性的影响，认为近自然经营性的间伐可以促进优势树种的自然更新，增加林地的可利用营养物质，促进先锋树种或喜光阔叶树种的定居与生长，利于森林有机物质的积累，增加物种多样性，促使森林向混交、复层、异龄等方向发展。罗沛韬等［17］研究结果表明，近自然经营森林方式大大降低了皆伐对林地土壤密度、毛管孔隙度等土壤结构特性的影响。

黑龙江省哈尔滨市丹清河林场自1998年引入近自然经营理念以来，立足不同的林型与立地条件分别开展了目标树择伐林改造、低质天然次生林树种置换、景观林培育、红松种质基因林培育和永久性多功能林培育等多种近自然经营活动，树种组成、林分结构、森林景观和林分质量与传统经营相比有明显不同。笔者试图通过对丹清河林场不同经营方式下的天然次生针叶林土壤物理和化学性质的研究，了解不同经营方式对天然次生针叶林林地长期生产力的影响，为近自然经营在小兴安岭地区乃至全国林业发展中的应用提供科学依据。

1 试验方法

1.1 样地设置

在丹清河林场所有林地广泛踏查的基础上，选择林龄、立地条件相似，但经营方式分别为近自然经营、未经营、传统经营的天然次生针叶林林分作为调查取样地，基本情况见表1。在不同经营方式的林分内随机设置3块20 m×20 m的临时样方，进行植物种类、生物量和土壤理化性质等的取样调查。

表1 样地基本情况

1.2 土壤调查与取样

在各样方内“S”形选5个样点，对其中的3个样点挖取土壤剖面，分0～20、20～40、40～60 cm 3层，每层各取2个环刀的同时，取土壤样品。剩余两个样点用土钻打孔，也分0～20、20～40、40～60 cm 3层取样。将5个样点相同层次的土壤样品混合装袋，带回室内于阴凉处风干后分别过2 mm和0.25 mm的土壤筛子，留待化学养分测定。

1.3 土壤物理性质测定

土壤密度、持水量和孔隙度各数值均采用环刀法测定。

1.4 土壤化学性质测定

全C采用重铬酸钾氧化—外加热法测定(LY/T 1237—1999);全N采用半微量凯氏法测定(LY/T 1228—1999);全P采用碱熔—钼锑抗比色法测定(LY/T 1232—1999);全K采用碱熔—原子吸收分光光度法测定(LY/T 1234—1999);速效N包括铵态N和硝态N，其中铵态N采用氯化钾浸提—靛酚蓝比色法［18］，硝态 N采用氯化钾浸提比色法测定［18］;有效 P采用盐酸—硫酸溶液浸提法测定(LY/T 1233—1999);交换性K采用乙酸铵浸提—紫外吸收法测定(LY/T 1246—1999);pH值采用电位法测定(LY/T 1239—1999)。

1.5 数据处理

所有数据均利用SPSS13.0软件进行统计分析，利用单因素方差分析和最小差异法比较不同经营方式对土壤理化性质的影响(α=0.05)，数据表示为平均值±标准误。

2 试验结果

2.1 主要物理性状指标

从表2看出，天然次生针叶林土壤密度随着土层的加深而增大。传统经营林分的土壤密度大于近自然经营和未经营林分的土壤密度。

表2 不同经营方式下各土层的土壤密度 g·cm-3

在不同经营方式下，针叶林土壤中的最大持水量、毛管持水量、最小持水量3个水分指数(表3)有着相似的表现，即随土层深度的增加而降低。经营方式对土壤水分指数有显著影响，3个指数均表现出未经营＞近自然经营＞传统经营。

表3 3种经营方式下天然次生针叶林不同深度土壤水分指数 g·kg-1

从表4可以看出：毛管孔隙度、总孔隙度和土壤通气度随着土壤深度的增加呈降低趋势，但不同经营方式下其差异显著性有所不同;不同深度土壤非毛管孔隙度没有明显差异。不同经营方式间各孔隙度指数有明显的差异，分别表现为：毛管孔隙度，近自然经营、未经营＞传统经营;非毛管孔隙度，传统经营＞近自然经营、未经营;总孔隙度，未经营≥传统经营≥近自然经营;土壤通气度，传统经营＞近自然经营＞未经营。

表4 不同经营方式下的土壤孔隙度指数

2.2 土壤有机碳的变化

不同经营方式对天然次生针叶林土壤有机碳质量分数、贮量和空间分布有明显影响(表5)。土壤有机碳质量分数随着土层加深呈明显的降低趋势，地表0～20 cm土层有机碳质量分数最高。比较来看，0～60 cm土层土壤有机碳平均质量分数呈现未经营≥传统经营≥近自然经营。近自然经营林地0～20 cm深度土壤中的有机碳贮量显著比其它两层的多，未经营和传统经营林地3层土壤中的有机碳贮量之间没有明显差异。3种经营方式下0～60 cm土壤整体碳贮量之间没有明显差异。

2.3 土壤全N、全P、全K的变化

随着土层深度的增加，天然次生针叶林土壤中的全N、全P质量分数降低，而全K质量分数升高。经营方式对全N、全P和全K质量分数的影响表现为(表6)：平均全N质量分数没有明显的差异;平均全P质量分数为近自然经营＞未经营、传统经营;平均全K质量分数为传统经营＞近自然经营＞未经营。

未经营或传统经营的天然次生针叶林林分3层土壤中的全N或全P贮量没有明显差异，而近自然经营林分以0～20 cm深度土壤中的全N和全P贮量最大。3种经营方式的林分中全K均以表层贮量最少，下层贮量增加。从3种养分在0～60 cm土层中的贮量总体来看，3种经营方式下的全N和全P贮量没有明显差异，全K呈现出近自然经营＞未经营、传统经营。

表5 3种经营方式下不同深度土壤有机碳质量分数和贮量

表6 不同经营方式下土壤中全N、全P和全K质量分数及其贮量

2.4 土壤速效N、有效P和交换性K的变化

从表7来看，除了近自然经营林分土壤表层(0～20 cm)中速效N质量分数明显高于其它两层外，3种经营方式林分中3层土壤的速效N或有效P质量分数没有明显差异，交换性K离子质量分数随土层加深而降低。经营方式对3种养分的平均质量分数影响分别为：速效N和有效P，无明显差异;交换性K离子，近自然经营、未经营＞传统经营。除了近自然经营林分土壤中间层(20～40 cm)中速效N贮量比其他两层低外，3种经营方式林分中3层土壤的速效N或交换性K贮量没有明显差异，有效P贮量随土层加深而增加。0～60 cm土层中速效N或有效P总贮量在3种经营方式间没有明显差异，交换性K总贮量表现为近自然经营≥未经营≥传统经营。

2.5 土壤pH值与C/N比较

从表8可以看出，各经营方式林分内3层土壤C/N比之间没有明显差异，经营方式对C/N比的影响表现为未经营＞传统经营＞近自然经营。

天然次生针叶林内土壤pH值有随土层加深而提高的趋势，但以未经营林分土壤层间pH值差异显著。有经营活动林分中土壤的pH值显著高于未经营林分。

3 分析与讨论

3.1 经营方式与土壤物理性状

土壤理化性质是评价森林植被、经营技术、人类干扰和气候因子变化的重要指标［19］。土壤密度小，表明土壤结构相对疏松、孔隙较多，而土壤密度大，土体比较紧实、孔隙较少。本研究中，天然次生针叶林内土壤的密度随土层深度的增加而增大，而最大持水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和土壤通气度等呈降低趋势。从土壤密度与各持水量指数的关系来看：传统经营林分的土壤密度最大、持水性最差;未经营林分土壤密度小、持水性最强;近自然经营居中。说明传统经营过程中进行大树间伐对林地土壤压实程度大，干扰强度大。近自然经营对土壤干扰强度小，林分内土壤物理性状相对优于传统经营，证明了前人［20］关于森林经营措施对土壤压实和扰动是长期存在的结论。不同经营方式对林分土壤孔隙度各指数的影响各异，非毛管孔隙度和土壤通气度以传统经营最大，这可能与大树间伐后根系死亡腐烂有关。但毛管孔隙度和总孔隙度呈现出未经营林分优于近自然经营、近自然经营优于传统经营的现象进一步说明，干扰强度越大，对土壤体的压实作用越大，这种作用必将影响林分内植被对养分的吸收、微生物活动和水分的涵养与维持。因此，近自然经营在一定程度上改变了森林生态系统中的动植物群落结构，从而影响了森林土壤的理化性质［21］。但从总体看，近自然经营对土壤物理性质的影响程度远小于传统经营。

表7 土壤中速效N、有效P和交换性K的质量分数及其土层中的贮量

表8 3种经营方式下土壤C/N比和pH值变化

3.2 经营方式与土壤养分全量

土壤是陆地生态系统有机碳的最大贮存库，土壤有机碳与大气二氧化碳组成、气候和地被物的变化紧密相关［22］。土壤有机碳浓度是土壤肥力的一个重要指标，受土壤理化性质、植被、气候条件、人类活动等的影响，这些因素的改变会影响一定面积、一定深度的土壤有机碳密度的变化，从而影响大气中温室气体的浓度。本研究中，土壤有机碳质量分数随土层深度的增加呈降低趋势，且有经营林分低于未经营林分。土壤有机碳0～60 cm深度总贮量在3种经营方式间没有明显差异，这是由于有机碳贮量是土壤密度、体积与有机碳质量分数相互作用的结果，同时，土壤全碳是一个相对稳定的指标，经营方式可能会影响土壤有机碳质量分数，但过程相对较慢，与 Kutsch 等［23］、王树力等［24］的研究结果相吻合。

土壤全N质量分数是衡量土壤氮素供应状况的重要指标。Hopmans等［25］认为，土壤N质量分数比有机质质量分数更适合作为土壤肥力变化的指示因子。森林土壤含氮量的消长与土壤有机质含量的变化一样，决定于有机质的积累和分解作用的相对强度，其含量的变化受植被和经营方式等因素的影响。本研究中，经营方式对土壤中的全N质量分数和贮量没有明显的影响，这可能是由于3种经营方式的林分因经营时间较短，短时间内它们难有较大的变化，从而证明土壤有机质与土壤全N质量分数是植被变化的主要影响因子，二者具有协同性。近自然经营方式下全P的质量分数和贮量虽然大于其他两种经营方式，但没有明显差异。相对而言，经营方式对全K养分的影响较大，有经营活动林分的土壤全K质量分数和贮量大于未经营林分，且以经营强度最大的传统经营林分内最大。产生这种现象的主要原因可能是传统经营将林分中的优树、大树择伐以后地上植被对土壤中的K吸收能力降低，从而产生相对的富余。

3.3 经营方式与土壤有效养分

土壤中只有少部分有效养分能在短期内被植物吸收，因此森林土壤有效养分的质量分数及其在单位面积一定深度内的贮量更能反映林分当前的生长状态。本研究中，经营方式对土壤中速效N和有效P质量分数没有明显影响，但近自然经营林分土壤中交换性K的质量分数和贮量大于相应的未经营和传统经营林分。这与 Kimmins［26］、张鼎华等［27］的研究结果相似：有效养分质量分数提高，进一步证明近自然经营能够改善土壤的交换性能。

3.4 经营方式与pH值和C/N比

土壤pH值是土壤基本性质和肥力的重要影响因素之一，一般受成土母质和气候条件的影响，同时也受地形、植被和经营措施等因素影响。土壤pH值的高低影响土壤养分的存在形态、转化和有效性。从针叶林土壤pH值变化来看，经营林分包括近自然经营和传统经营大于未经营林分。这可能是由于在经营过程中更多地将林分内生长状态不好的阔叶树枝叶和草、灌归还到土壤内，促使土壤中的H离子质量分数降低，从而提高了土壤pH值。

土壤C/N比是影响土壤微生物活性的重要因子，与土壤中有机质和氮素的多少有关，受植被、人类经营活动等因素的影响。近自然经营针叶林土壤C/N比小于传统经营林分，后者又小于未经营林分的结果，说明森林经营过程中人类活动一定程度上改变了地上植被结构、凋落物量及土壤微生物的活动，从而使C/N比产生了变化。近自然经营由于其经营强度低于传统的经营方式，其产生的C/N比变化更有利于土壤养分的释放与供应，有利于森林植物的生长和林分的健康发展。

4 结论与展望

近自然经营一定程度上影响了天然次生针叶林土壤的物理性状，但这种干扰程度远小于传统经营;经营方式对土壤有机质、全N没有明显影响;土壤全P、全K质量分数与贮量分别以近自然经营和传统经营林分最大;近自然经营林分土壤中有效K质量分数的增高，提高了林地土壤的交换性能;与传统经营方式相比，近自然经营林分土壤C/N比降低、pH值升高，为土壤微生物活动提供了较好的生活环境，有利于土壤肥力的增强和长期生产力的提高。

近自然林业是模仿自然、接近自然的一种森林经营方式。它并不是回归到天然的森林类型，而是尽可能使林分建立、抚育、采伐的方式同“潜在的自然植被”的关系相接近［28］。近自然经营过程要求的技术性比较强，而且更要求指导经营技术的负责人有比较强的责任心和过硬的生产和生态经验。针对不同的林型可能需要采取不同的技术措施，不能搞一刀切。还有，近自然经营理念在我国林业的影响力还不够深入，其实践更是凤毛麟角，因此林业的近自然经营还需要更长一段道路要走。要开展经营技术的研究，遵循生态学原理，制定出科学的森林经营方式和技术，要不断实践与总结经验，形成完善的技术支撑体系，充分发挥森林生态系统的整体功能，使森林的生态、经济与社会效益相得益彰。

致谢：哈尔滨市丹清河林场周锦北，张宗文等参加了野外调查采样，中国科学院会同生态站于小军、黄林等协助部分实验室分析工作，沈阳应用生态研究所人工林组汪思龙研究员指导了论文实验设计，一并致谢。

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