皆伐与不同迹地清理方式对杉木土壤化学性质的影响1)

凌威　王新杰　刘乐　　　　　　　　武文昊

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)　　　(辽宁省林业调查规划院)



皆伐与不同迹地清理方式对杉木土壤化学性质的影响1)

凌威王新杰刘乐武文昊

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)(辽宁省林业调查规划院)

摘要以福建将乐国有林场杉木人工林为研究对象，按照立地条件相一致的原则，利用空间代替时间的方法设置皆伐前、皆伐1个月、皆伐3个月、整地1 a、整地3 a、炼山1 a、炼山3 a等不同条件下总计21块标准样地，旨在研究皆伐与不同迹地清理方式对杉木林地土壤化学性质的影响。经过对标准地土壤化学性质测定，结合显著性差异法对试验数据进行处理分析。结果表明：皆伐后土壤化学性质趋于恶化，不同迹地清理方式土壤化学性质差异显著，带状整地法在短期1 a内对土壤化学性质的改善显著强于炼山法，并且炼山3 a后土壤化学性质基本恢复至炼山前，总体看来皆伐后带状整地的迹地清理方式优于炼山法。

关键词皆伐；整地；炼山；土壤化学性质；杉木林

分类号S714.2

Effects of Clear Cutting and Slash Clearance on Soil Chemical Properties of theCunninghamialanceolataForest

Ling Wei, Wang Xinjie, Liu Le

(The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Wu Wenhao(Liaoning Provincial Institute of Forestry Survey and Planning)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(4)：48-53.

Taking the Jiangle State-owned Forest Farms ofCunninghamialanceolataForest in Fujian Province as the research object, according to the principle of site condition consistence, by using space instead of time to set up 21 sample plots under 7 different conditions including before clear-cutting, one month after clear-cutting, three months after clear-cutting, one year after soil preparation, three years after soil preparation, one year after burning-slash, three years after burning-slash, we studied the effects of clear-cutting and different slash on the soil chemical properties ofCunninghamialanceolataforest. By measuring the soil chemical properties of the sample plots and analyzing the experiment data with significant difference method, the soil chemical properties after clear-cutting tended to deteriorating. Soil chemical properties differentiated significantly with different slash cleaning up methods. Zonal soil preparation method is much more effective than slash burning method in terms of improving soil chemical properties within one year. Three years after the slash burning, the soil chemical properties basically restored to the way it was before slash burning. Therefore, zonal soil preparation method is better than slash burning method in terms of slash cleaning up after clear-cutting.

KeywordsClear-cutting; Soil preparation; Burning-slash; Soil chemical properties;Cunninghamialanceolataplantation

林下土壤是林木赖以生存的物质基础，是森林生态系统的重要组成部分，长期维持和提高森林土壤肥力已经成为森林可持续经营和生态系统稳定的关键[1]。而杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方特有的速生丰产树种，目前人工林面积已达768.31万hm2，占南方人工林面积的60%～80%[2]，是我国主要的商品林树种之一，在人工林木材生产中占据重要的地位。随着我国经济的发展，杉木用材林的需求越来越大，同时伴随着国家退耕还林政策的实施，人工杉木林面积越来越大。但是杉木林大多是在同一林地上连续栽种，多代杉木连栽的模式会极大消耗林地的土壤肥力[3-5]。如果不采取有效的措施来保持土壤肥力，阻止林地土壤生产力的下降，这种连栽经营方式会严重影响杉木人工林的可持续经营[6-8]，因此对杉木林地土壤化学性质的研究就显得格外重要。持久地维持和提高土壤肥力是森林生态系统稳定和林业可持续发展的重要因素[9-10]。近年来，有关杉木土壤养分的研究越来越受到广泛重视[11-13]。皆伐是南方一种常见的采伐作业方式，国内外对林分皆伐的研究多为皆伐后到迹地清理方式之前土壤肥力的变化。多数研究表明皆伐后土壤经过雨季水流冲刷，土壤全量养分和速效养分均呈下降趋势，土壤肥力下降明显[14-15]。杉木林皆伐过后，将树干运走，细小枝叶留下或者用火清理采伐剩余物(炼山)是常见的两种迹地清理方式。薛立等发现炼山迹地土壤酸性明显减弱，土壤肥力急剧下降，微生物减少，酶活性下降，带状整地和炼山法对土壤肥力的影响各不相同[16]；叶功富研究发现整地措施对杉木林土壤肥力的影响有一定的限度，超出一定时间范围则其作用变小乃至消失[17]；王志超在研究桉树幼林生长时发现整地措施对土壤物理性质和养分含量有很大的影响，炼山全垦优于带垦和穴垦，而炼山整地后研究结果与张志强等研究相似，会造成有机质和大量元素的部分流失[18-19]。在福建将乐国有林场，人工杉木林皆伐后，采用整地和炼山两种不同迹地清理方式，笔者就两种不同迹地清理方式皆伐前后对土壤化学性质的影响进行研究，旨在探讨皆伐、不同迹地清理方式对森林土壤环境的作用机理与影响程度，以期为今后更合理地进行采伐作业和森林可持续经营发展提供科学的理论依据。

1研究区概况

研究地区位于福建省三明市将乐县(N26°26′～27°04′，E117°05′～117°40′)，地处武夷山脉东南麓，金溪河畔，属于中亚热带季风气候。海拔140～1 200 m。土壤为山地红壤，并分布有黄红壤，其土层深厚，土壤肥沃。年平均气温18.7 ℃，年降水量平均达1 669 mm，降水大多集中在3—8月份。主要树种包括杉木、马尾松(PinusmassonianaLamb)、火力楠(MicheliamacclureiDandy)、樟树(Cinnamomumcamphora(L.) Presl)、油茶(CamelliaoleiferaAbel)、草珊瑚(Sarcandraglabra(Thunb.) Nakai)等。

2材料与方法

2.1试验地设置

选取杉木人工纯林作为试验标准地。2014年5月在杉木人工成熟林地内设置3块标准样地(表1)，标准地面积为20 m×30 m，对标准地进行调查，同时采集土壤样品。于2014年7月在相对应的林分进行皆伐作业，之后在2014年8月(皆伐后1个月)、2014年10月(皆伐后3个月)进行标准地调查、采集土壤样品，皆伐前后共设置9块标准地。按照立地条件基本相一致原则，利用空间代替时间方法在2014年7月选择皆伐后整地1 a(2013年3月带状整地造林)、3 a(2011年3月带状整地造林)的林分作为研究对象，皆伐时间分别为2012年10—11月、2010年10—11月；同样地，2014年7月选择皆伐后炼山造林1 a(2013年3月炼山造林)、3 a(2011年3月炼山造林)的林分作为研究对象，皆伐时间分别为2012年10—11月、2010年10—11月，伐前在各林地上选取相同面积大小的3块标准地，两种不同迹地清理方式共设置12块标准地(表2)，对标准地进行调查，采集土壤样品。

表1　杉木人工林皆伐前标准地概况

表2　整地和炼山法造林标准地概况

2.2土壤采集与测定

在标准地内挖取土壤剖面，每个标准地挖两个土壤剖面，每个剖面长、宽均约40 cm，深度大于60 cm。并且在每个土壤剖面上，按照0

2.3数据预处理

化学性质的测定方法见表3[2，20-22]，每份样品重复3次实验，分析结果分别作为皆伐前、皆伐后1月、皆伐后3月、带状整地1 a、带状整地3 a、炼山1 a、炼山3 a的数据。对所有样品土壤指标的数据使用Excel 2013软件进行统计整理，运用SPSS20.0软件对数据进行显著性差异分析，显著水平选择p<0.05。

表3　化学性质的测定方法

3结果与分析

3.1皆伐对杉木土壤化学性质的影响

如表4所示，皆伐前后表土层(0

表4　杉木人工林皆伐前后土壤pH值和有机质的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

土壤全量养分和速效养分中(表5和6)，皆伐1个月后各土层较皆伐前养分质量分数均有不同程度的下降；皆伐3个月后全氮、全磷、全钾质量分数进一步下降，比皆伐前同一土层分别下降了6.8%～39.4%、18.6%～30.4%、0.4%～5.2%；而速效养分中碱解氮质量分数变化无显著差异，有效磷质量分数同比增加了21.6%～121.5%，速效钾质量分数下降了3.6%～37.9%。

在皆伐后同一土层的土壤全量养分和速效养分，除有效磷质量分数短暂下降后显著上升外，其余养分在3个月内一直处于下降状态。究其原因，皆伐作业后林地失去植被遮挡，加之雨流冲刷，不利于营养物质积累，使得土壤养分流失严重；而易与土壤中矿物质元素结合的有效磷则流失较少，并且土壤表层有机质不断腐烂，使可溶性物质P2O5质量分数相对增加。这一实验结果与杨玉盛、李燕[12，15]的研究报道相一致。

表5　杉木人工林皆伐前后土壤全量养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

表6　杉木人工林皆伐前后土壤速效养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

3.2整地对杉木土壤化学性质的影响

3.2.1pH值、有机质的变化

如表7所示，整地1 a后土壤pH值表土层增加了3.3%，其他土层则显著降低4.9%～7.8%；整地3 a后土壤各土层pH值比整地前显著下降了10.2%～12.6%。整地前后土壤表土层有机质质量分数明显高于其他土层，整地1 a与整地前相比有机质质量分数增加35.4%～131.2%；整地3 a的各土层有机质质量分数持续增加，对比整地前增加了60.9%～134.1%。

表7　杉木人工林整地前后土壤pH值和有机质的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

3.2.2全量养分、速效养分的变化

土壤全量养分中(表8)，整地1 a后全氮、全磷、全钾质量分数相对于同一土层分别增加了36%～140.8%、46%～168.2%、3.3%～9.8%；整地3 a后各土层养分质量分数有所减少，但比整地前分别增加了25.8%～74.6%、2.3%～18.1%、1.7%～6.5%。土壤速效养分中(表9)，整地1 a后的碱解氮、速效钾质量分数同比呈现大幅度的增加，有效磷质量分数降低了20.4%～63.2%；整地3 a后碱解氮、速效钾质量分数比整地前分别增加了25.8%～70.5%、5.7%～32.7%，有效磷质量分数则降低了18.2%～55.4%。

表8　杉木人工林整地前后土壤全量养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

表9　杉木人工林整地前后土壤速效养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

带状整地过后，杉木林地土壤化学性质均发生了不同程度的变化，除了pH值和有效磷质量分数在整地3 a内处于下降趋势外，其他土壤化学性质指标均表现出不同幅度的增加。分析原因主要是带状整地使得土壤疏松、透气性增加，土壤微生物活动加快，使得积累的采伐剩余物不断分解，土壤养分质量分数增加，同时有机质质量分数在增加时也伴随着分解，使土壤酸性不断增强，pH值降低[18]。

3.3炼山对杉木林土壤化学性质的影响

3.3.1pH值、有机质的变化

如表10所示，炼山1 a各土层的土壤pH值比炼山前降低了1.5%～5.2%；炼山3 a后pH值继续下降，比炼山前相应降低了10.8%～13.4%，表层和中层土的下降幅度大于下层土，差异显著。炼山前后土壤表层有机质质量分数始终显著高于其他土层，炼山1 a对比炼山前无显著差异；炼山3 a土壤表层和中层土有机质质量分数比炼山前分别增加了11.1%和35.0%，下层土有机质质量分数下降了3.9%～13.6%。

3.3.2全量养分、速效养分的变化

土壤全量养分中(表11)，炼山1 a全氮、全磷、全钾质量分数同比均呈现出不同程度的降低趋势；炼山3 a对比炼山1 a相应的土层全氮、全磷、全钾质量分数增加了7.0%～68.3%、34.2%～83.8%、1.0%～8.6%，而对比炼山前并无显著差异。在土壤速效养分中(表12)，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数表现出与炼山后全量养分相一致的变化趋势。

表10　杉木人工林炼山前后土壤pH值和有机质的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

表11　杉木人工林炼山前后土壤全量养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

表12　杉木人工林炼山前后土壤速效养分的变化

注：表中数据为平均值±标准误差；同行内相同变量的不同大小写字母表示用LSD检验在0.01和0.05水平上有显著差异。

炼山后土壤pH值一直处于下降状态，有机质质量分数短期内变化不明显，3 a后出现增加。主要原因可能是短期内枯落物减少，后期增加，特别是与炼山后表土层失去保护而引起的水土流失有关；土壤全量和速效养分在短期内有所降低，然后逐渐增加至炼山前水平，无显著差异[23-24]。

4结论与讨论

皆伐对土壤化学性质造成了一定的影响。皆伐1个月和3个月后的土壤pH值随着土层的增加均表现出一定的波动，而全氮、全磷、速效养分质量分数均随着土层深度增加呈现出先降低后增加趋势；皆伐3个月后各土层全量养分、速效钾质量分数均低于皆伐前相应的土层，而有效磷质量分数高于皆伐前，土壤有机质、碱解氮质量分数的变化规律则并不明显。总体来说，皆伐作业后，林地土壤化学性质受到了负面影响，研究结果与张正雄、Bock等相一致[25-26]。皆伐过后土壤肥力下降，原因可能是由于皆伐后林地失去林冠的保护，直接暴露于阳光下，使得林地土壤环境发生了巨大变化，而使林地上采伐剩余物迅速分解。同时由于林地长期裸露，加之南方多雨天气导致土壤产生地表径流甚至水土流失，带走大量的土壤养分，从而降低了土壤肥力。

不同迹地清理方式，随着时间的变化pH值都有下降趋势，土壤酸性均显著提高，有利于树木生长，但是炼山后pH值均大于带状整地后相应的土层pH值，pH值偏高不利于植物的生长[27]。带状整地在短期内可以迅速提高土壤各土层有机质质量分数，使其3 a内持续增加，而炼山法对土壤有机质质量分数作用不明显。带状整地3 a内，全量养分均是1 a之内先增加，1～3 a期间又逐渐降低，但是整地后全量养分始终高于整地前；而炼山法在3 a内先降低再增加，最后基本恢复到了炼山前的水平，这与郭剑芬、王荣伟等研究基本一致[28-29]。速效养分中的碱解氮和速效钾在带状整地后都是处于先增加后减少的状态，质量分数一直高于整地前；而有效磷质量分数变化趋势为先降低后增加，一直低于整地前。炼山过后碱解氮质量分数变化不显著，而有效磷和速效钾质量分数都处于下降趋势，始终低于炼山之前。整地在短期内对土壤速效养分中的碱解氮和速效钾质量分数有提升作用，而炼山法效果不明显，同时在两种不同迹地清理方式作用后，有效磷质量分数均处于下降趋势。

综上所述，带状整地和炼山法两种不同的迹地清理方式对土壤化学性质的变化作用效果差异显著，带状整地法和炼山法均可不同程度提高土壤酸性，同时整地较炼山更有利于提高土壤有机质质量分数；并且土壤中不同土层深度的全量养分和速效养分质量分数在带状整地3 a后分别高于整地前的相应土层，而炼山法3 a后土壤中的全量和速效养分对比炼山前无显著差异，这与龙涛[30]、张蕊[31]等人研究采伐和炼山对马尾松、杉木土壤养分的影响结果相一致。可以得出结论：杉木人工林皆伐过后，土壤化学性质趋于恶化，土壤肥力下降，而伐后采用带状整地法的迹地清理方式优于炼山法，可以更好地改善土壤化学性质，提高土壤肥力。分析其原因，皆伐过后炼山，去除林地覆盖物，有机质烧失，导致地表裸露速度加快，加上南方山地坡度较大，雨量集中，更易造成土壤养分严重流失，土壤理化性质恶化。同时带状整地法将采伐剩余物集中堆积起来，加速土壤覆盖物腐烂从而产生更多有机质，并且可以减少土壤养分的流失。因此为了防止土壤养分流失，改善杉木人工林土壤理化性质及保持土壤肥力，促进杉木林的更新生长，建议在皆伐后选择迹地清理方式时，优先选择带状整地法，不提倡选择炼山法。如使用炼山法，可在根据南方自然环境和实际状况下，火烧后迅速采取相应的措施覆盖林地，减少土壤表层暴露时间，以保持和提高土壤理化性质，减少土壤养分流失，维持杉木林地土壤肥力水平。

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1)吉林市科技计划项目(201464039)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2015]第375号)；国家自然科学基金项目(41401251)；吉林农业科技学院重点学科培育项目(吉农院合字[2015]第X004号)。

收稿日期：2015年08月19日。

作者简介：第一凌威，男，1992年6月生，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，硕士研究生。E-mail:lingwei916626@126.com。通信作者：王新杰，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，副教授。E-mail:xinjiew@bjfu.edu.cn。

1)中央高校基本科研业务费专项资金资助(BLJD200907,JD2010-2)；国家林业局珍稀濒危物种野外救护与繁育项目资助。

责任编辑：戴芳天。