杨树人工林表层土壤水分及养分特征对森林抚育的响应

王德彩，郭丹丹，吴桂藏，闫东锋

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

杨树人工林表层土壤水分及养分特征对森林抚育的响应

王德彩，郭丹丹，吴桂藏，闫东锋

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

为了研究森林抚育经营活动对人工林地表层土壤理化特性的影响，以郑州市惠济区黄河滩区杨树人工中龄林为研究对象，森林抚育3 a后，设置了3个不同抚育强度处理水平，进行了野外取样和室内试验，研究了不同抚育强度对杨树人工林表层土壤水分及养分特征的影响。结果表明,2个土层土壤饱和持水量、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度与土壤容重均随抚育强度的增大而增加，大小关系为：中度>弱度>对照，其中对照0～10 cm层土壤容重显著高于其它2个处理水平(P<0.05)；3个处理水平土壤0～10 cm层土壤初渗速率、土壤稳定入渗速率、前36 min入渗量和前36 min平均入渗速率均显著高于 10～20 cm 层(P<0.05)。3个处理水平土层0～10 cm层土壤有机碳质量分数和土壤有机碳储量均显著高于10～20 cm层(P<0.05)，且均随着抚育强度的增大而增加，其中中度抚育土壤有机碳质量分数和土壤有机碳储量显著高于对照和弱度抚育(P<0.05)。土壤0～10 cm层和10～20 cm层全氮质量分数随抚育间伐强度的增加而增大，到中度抚育时达到最大值，分别为0.998 g·kg-1和0.597 g·kg-1。因此，森林抚育对杨树人工林林地土壤表层的影响效果更加明显，显著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度，同时土壤有机碳含量和储量均显著提高。

抚育强度；土壤渗透；土壤水分；土壤养分；杨树人工林

森林抚育是调整林分结构、加快林木生长的重要手段，是提高森林质量的重要经营措施[1]。森林抚育影响林分生长[2]、林地更新和物种多样性[3]。关于森林抚育的研究，主要集中在抚育对林木生长[4]、合理密度的确定[5]、林分结构特征[6]等森林结构的影响方面。关于森林抚育对土壤水分及养分的研究结果并不完全一致，部分研究认为森林抚育可以改善土壤物理性质[7-8]，减小土壤容重，增加土壤孔隙度[9]，提高毛管持水量[10]，进而促进林地生态功能的恢复[11]，但是也有研究认为[12]，抚育会导致土壤质量的恶化，如结构稳定性下降、土壤容积质量增加、土壤孔隙度变差，土壤持水能力减弱等。但是，大量研究表明[13-14]，森林抚育作为一个森林经营手段，必然会对土壤生态系统带来干扰，必然会引起土壤微生物、水分、温度、养分和其他物质的再分配，继而对土壤理化特性产生影响，只是不同区域、不同林分类型和不同抚育方式的影响程度和生态过程会有差别。杨树以其速生性强、适应性广，成材早、产量高和易更新等特点，成为平原造林的首选树种。中国杨树人工林目前已超过700多万hm2，居世界首位，然而，由于初植密度过大、病虫害严重、缺乏调控管理，导致单株林木的营养空间不足，难以提高产量及培育大径材。作为林分结构调控的重要措施，森林抚育通过改善林冠层营养空间及地下水肥环境[15]，对人工林生长发育及其林分环境具有较大影响。因此，了解杨树人工林土壤水分及养分特征对抚育间伐强度的响应规律，对于完善科学合理的杨树人工林培育措施是非常必要的。关于配置模式[16]、经营模式[17]、林分密度[18]、施肥方式[19]及气候变化[20]等对杨树人工林生长的影响已有报道，而森林抚育对杨树人工林的土壤理化及水分特性影响的研究较少。本研究以河南省郑州市惠济区杨树人工林为研究对象，通过设置不同的抚育强度处理，研究不同抚育强度对杨树人工林的土壤水分及养分特征的影响，旨在为制定科学合理的杨树人工林森林经营措施和杨树大径材培育提供理论依据。

1 研究区概况

研究区域为惠济区黄河滩区，惠济区位于郑州市北部，北临黄河。地理坐标介于北纬34°36′～34°57′，东经118°29′～118°54′之间。西北部处于豫西黄土丘陵向豫东冲积平原过渡地带，地势自西向东倾斜，海拔为90～220 m。该区属于大陆暖温带季风半干旱气候，四季分明，光、热、水分条件属南北过渡型，常年平均气温为14.2 ℃，极端最低温度-17.9 ℃，极端最高温度为43.0 ℃，全年≥10 ℃的积温为4 673 ℃，平均全年日照时数为2 385 h，年日照率54%，无霜期227 d，全年平均降水量640.9 mm，主要集中在6-8月份。土壤为褐土、潮土两大类，pH值为8.0左右，有机质含量丰富。

2 研究方法

2.1标准地设置与野外调查

试验标准地设置在郑州市惠济区沿黄河大堤南侧500 m宽的防护林带，为杨树人工纯林，于2002年冬季栽植，初植株行距2 m×2 m，林分密度为2 500株·hm-2，2011年采用生态疏伐方式进行抚育，主要砍伐居于林冠下层生长落后、径级较小的被压木、濒死木和枯立木，也砍伐个别粗大的干形不良木。抚育3 a后，根据研究区域森林分布图、森林抚育作业示意图，并结合实地踏查资料，根据抚育前后的林分密度，设置3个处理类型，分别为对照(2 477株·hm-2)、弱度抚育(采伐后平均林分密度为2 103株·hm-2)和中度抚育(采伐后平均林分密度为1 703株·hm-2)，鉴于杨树冠幅不大，本次试验没有开展强度抚育，每个处理类型设置3块重复标准地，标准地面积为20 m×30 m，标准地基本情况如表1所示。

在标准地内沿对角线设置3个重复土壤剖面，在每个土壤剖面采用环刀法分0～10 cm和10～20 cm 2层取原状土2个，1个用于土壤水分物理特性测定，1个用于土壤渗透特性测定。分层取混合土样，每块标准地取1 kg左右，去除根系、石块等装入布袋并及时带回实验室，自然风干后研磨，用于土壤化学元素的测定。

表1 标准地基本概况Table 1 Basic information of ground

2.2室内试验

土壤渗透特性测定采用双环入渗法[21]，在内环使土壤表层保持4～5 cm 水层,每更换1次烧杯要将上面环刀水面加至原来高度，直到渗出水量基本稳定为止。记录数据包括初始入渗速率(前8 min平均入渗速率)、稳定入渗速率、前36 min累计入渗量等。

采用环刀法分别测定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度；土壤有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；土壤全氮采用硫酸-过氧化氢凯氏定氮仪蒸馏滴定法；土壤pH值采用电位法测定[22]。

2.3指标计算

土壤入渗过程采用Kostiakov入渗模型、Philip入渗模型和Horton入渗模型进行模拟[21]。

Horton模型：f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：f(t)为土壤入渗速率，mm·min-1；t为入渗时间，min；f0、fc、k分别为初渗速率、稳渗速率、衰减指数，值越小表示土壤入渗衰减的越慢。

Philip模型：f(t)=0.5St-1/2+A

(2)

式中：S为模型参数，表征土壤入渗能力的强弱；A为稳渗速率，mm·min-1。

Kostiakov模型：f(t)=at-b

(3)

式中：a，b为模型参数，分别描述土壤入渗速率随时间变化的程度和土壤入渗开始后第1个时段内的平均入渗速率。

土壤碳储量计算公式：

土壤有机碳储量(t·hm-2)=土壤有机碳含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-3)×采样深度(cm)×10-1

(4)

2.4数据处理

对不同土层厚度和不同抚育强度的土壤水分、孔隙度和养分特性指标，采用R软件(https://cran.r-project.org/mirrors/ , R version 3.3.1)进行Kruskal-wallis非参数显著性检验(kruskal.test函数)；土壤入渗模型利用R软件中lm.sol函数进行拟合，获取模型参数。

3 结果与分析

3.1杨树人工林土壤水分对森林抚育的响应

3.1.1 土壤水分特性 从不同抚育强度不同土层厚度杨树人工林土壤水分及孔隙特性(表2)可以看出，对照、弱度抚育和中度抚育 3 个处理水平土层0～10 cm层土壤容重平均值分别为1.341、1.204和1.166 g·cm-3，对照土壤容重显著高于其他2种抚育类型(P<0.05)，但2种抚育强度处理之间并无显著差别(P>0.05)，这说明森林抚育可以降低土壤容重，增加通透性。从10～20 cm层看，中度抚育10～20 cm层土壤容重显著低于对照和弱度抚育(P<0.05)，弱度抚育和对照之间无显著差别(P>0.05)；弱度抚育和中度抚育土层0～20 cm层土壤容重均显著高于0～10 cm层(P<0.05)，但对照2层之间无显著差别(P>0.05)，这说明森林抚育对土壤容重的影响主要集中在土壤表层。土壤饱和持水量、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度与土壤容重均呈现随抚育强度的增大而上升的趋势，大小关系为：强度>中度>对照，而土壤毛管持水量在3个处理之间变化不大。

表2 不同抚育间伐强度下土壤水分及孔隙性质Table 2 Soil physical property in different thinning intensity

注：数据为平均值±标准差。同列数据标不同大小写字母表示相同土层不同抚育强度、相同抚育强度不同土层厚度差异性显著(P<0.05，n=18)。下同。

Note: The data is mean±SD . Different capital letters in the same column indicate the same soil layer with different thinning intensity significant difference (P<0.05),Different small letters in the same column indicate with the same thinning intensity different soil layer significant difference(P<0.05). The same as below.

3.1.2 土壤入渗特征

3.1.2.1 土壤入渗特征指标 不同抚育强度不同土层厚度土壤初渗速率(前 8 min 的平均入渗速率)、土壤稳定入渗速率、前36 min入渗量和前36 min平均入渗速率见表3。由于到36 min全部土样都达到了稳定入渗，因此计算前36 min的入渗量和平均入渗速率。3个抚育强度0～10 cm层土壤初渗速率、土壤稳定入渗速率、前36 min入渗量和前36min平均入渗速率均显著高于 10～20 cm 层(P<0.05)，即表层土壤的渗透性能优于下层土壤，且抚育强度越大，影响越明显，如对照的土层0～10 cm与10～20 cm 层土壤稳定入渗速率分别为2.500 mm·min-1和0.925 mm·min-1，差值为1.575 mm·min-1，而中度抚育土层0～10 cm与10～20 cm 层土壤稳定入渗速率分别为4.750 mm·min-1和1.634 mm·min-1，差值为3.116 mm·min-1。

表3 不同森林抚育强度土壤入渗特征Table 3 Soil infiltration characteristics in different thinning intensity

随着抚育强度的增加，3个处理0～10 cm层土壤初渗速率、土壤稳定入渗速率、前36 min入渗量和前36 min平均入渗速率均在增大，且中度抚育各指标值显著高于弱度抚育和对照(P<0.05)，而弱度抚育与对照之间无显著差别(P>0.05)，这与对土壤容重的分析结果是一致的。在土壤10～20 cm层，3个处理之间土壤初渗速率、土壤稳定入渗速率、前36 min入渗量和前36 min平均入渗速率均无显著差别(P>0.05)。这说明森林抚育对土壤渗透性能的影响主要集中在土壤表层，且抚育强度越大，对土壤渗透性能的影响越大。

3.1.2.2 土壤入渗过程 图1为3个处理水平，对照、弱度抚育、中度抚育土层0～10 cm和10～20 cm层土壤入渗过程曲线。由图1可知，不同抚育强度不同土层深度土壤初始入渗速率均较高，随着时间的推移，各土层土壤入渗速率开始减小，一定时间后趋于稳定。不同抚育强度不同土层入渗特性存在一定差异，弱度抚育和对照土层0～10 cm层和0～20 cm层达到稳渗所需要的时间较接近，中度抚育2个土层土壤达到稳渗所用的时间分别为28 min和16 min，所用的时间较长。土层0～10 cm层中度抚育和对照土壤入渗速率较接近，中度抚育土壤入渗速率始终高于弱度抚育和对照，弱度抚育和中度抚育土层10～20 cm层土壤入渗速率均高于对照，这说明中度抚育可以提升土壤表层入渗性能，尤其是表层土壤。

图1 杨树人工林标准地不同土层厚度土壤入渗过程 Fig.1 Soil infiltration process of different soil layers in Populus plantation

3.1.2.3 土壤入渗过程拟合 土壤水分入渗是个复杂的物理过程，是径流计算和评价水土保持效益的重要指标，而合适的入渗模型是研究林地土壤保水功能的重要手段。本研究选择Kostiakov模型、Philip入渗模型和Horton方程3 个模型模拟土壤入渗速率随时间的变化过程，结果见表4。

表4 不同抚育强度土壤入渗方程模拟结果Table 4 Soil infiltration equation simulation results of different thinning intensity

由表4可知，由R2值及回归方程显著性检验结果可知，Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型R2值均为0.732～0.927，Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型均能很好地描述土壤入渗速率与入渗时间的关系，对实测渗透数据拟合程度较好，而Horton方程拟合效果不理想。Kostiakov入渗模型中，3个抚育强度类型中土层0～10 cm层的a值均大于10～20 cm层，除了中度抚育外，土层0～10 cm层的b值均小于10～20 cm层，可见随着土层深度增加，土壤入渗速率递减加快，这也说明林地表层对水土保持的重要性；各处理水平土壤0～10 cm层，a值范围为0.694～2.254，b值范围为0.032～0.180，土层10～20 cm层中，a值范围为0.270～0.906，b值范围在0.021～0.251，不同土层厚度a、b最大值均出现在中度抚育，这说明中度抚育使土壤入渗速率加快。Philip拟合模型中，3个抚育强度土层0～10 cm层参数s值均大于10～20 cm层，说明0～10 cm层土壤入渗能力比10～20 cm层强，而且参数S最大值均出现在中度抚育，其值分别为3.088、1.736，其中土层0～10 cm层参数S值随着抚育强度的增加而增大，说明中度抚育显著地改善了地表下层土壤结构，促进土壤表层入渗能力的增强。

3.2杨树人工林土壤养分对森林抚育的响应

森林抚育可以改变林内光照、温度、湿度等条件，从而对土壤化学性质产生影响。由表5可知，对照、弱度抚育和中度抚育土层0～10 cm层土壤有机碳质量分数和土壤有机碳储量均显著高于10～20 cm层(P<0.05)，且随着抚育强度的增加，2个土层的土壤有机碳质量分数和有机碳储量均在增加，其中中度抚育土壤有机碳质量分数和土壤有机碳储量显著高于对照和弱度抚育(P<0.05)，而对照和弱度抚育之间无显著差异(P>0.05)。这说明，一定强度的森林抚育可以增加土壤有机碳，有助于土壤的改良和土壤碳汇能力的提升。

土层0～10 cm层和10～20 cm层土壤全氮质量分数随抚育间伐强度的增加而升高，到中度抚育时达到最大值，分别为0.998和0.597 g·kg-1。3个抚育强度类型土层0～10 cm层和10～20 cm层土壤pH值均高于8.0，呈偏碱性，且在不同抚育强度之间变化规律一致，即随着抚育间伐强度的增加而降低，但不同抚育强度之间土壤pH值差异不显著(P>0.05)。

表5 不同抚育间伐强度下土壤养分特性Table 5 Soil chemical property of poplar plantation trees in different thinning intensity

4 讨论

4.1土壤水分特性对森林抚育的响应

本研究结果表明，杨树人工纯林在森林抚育后，林地表层土壤水分条件得到了一定程度的改善，表层土壤容重，对照显著高于其他2种抚育类型。森林抚育对土壤容重的影响主要集中在表层，降低了土壤表层土壤容重，增加了土壤表层的通透性。这很可能是因为抚育降低了林分郁闭度，有利于林下植被的生长发育，进而改变枯落物的组成与数量，有机质含量增多，进而影响土壤容重。这与前人对森林抚育对人工刺槐林[23]、华北落叶松[24]土壤物理性质的影响研究结果是一致的。因此，适度抚育可以降低林分密度，降低土壤容重、改善土壤通气性。

初始入渗速率、稳定入渗速率和累积入渗量等经常作为土壤入渗能力的评价指标，稳定入渗速率可以作为表征后期土壤入渗能力的重要指标。杨树人工林在弱度、中度、对照 3 种抚育类型土壤表层的渗透性能显著优于下层土壤，且抚育强度越大，影响越明显；森林抚育对林地土壤表层土壤渗透性能的影响较大，抚育强度越大，则对土壤渗透性能影响越大，这与对土壤容重的分析结果是一致的。因此，通过抚育可以改变土层结构，降低土壤容重，改善土壤的通气性能和土壤渗透性能，这几个要素之间的关系是相辅相成的。本研究与抚育间伐对北京山区油松幼龄人工林水源涵养功能的影响[25]的研究结果相一致。抚育可以改善林地土壤得渗透性能，进而影响植物根区的水分情况，改变降水在土壤内进行再分配的进程，有效影响地表径流和土壤流失情况，提升土壤的蓄水保水能力。

4.2土壤有机碳对森林抚育的响应

土壤有机碳是提高森林固碳效益的关键因素，是量度土壤水分保持及其有效性的重要因子，是评价森林生态系统服务功能的一个综合指标[26]。抚育措施对土壤碳汇在生态系统中的提升作用是不可忽视的，本研究发现森林抚育后杨树人工林土壤上层有机碳质量分数、全氮质量分数和土壤碳储量均优于下层土壤，且均随着抚育强度的增加而升高，抚育明显提升了土壤的碳汇能力，本研究与在秦岭南坡开展的抚育对锐齿栎中龄林土壤养分的研究结果一致[27]。植被残体和一些土壤生物通过矿化和腐殖化转为土壤有机碳，土壤有机碳间接对土壤入渗产生影响，通过改变土壤团聚体、孔隙结构来影响土壤入渗性能。通过抚育间伐措施，林内光照增强，温度升高，促进了土壤微生物的活动，进而改变林下环境，促进林下植被数量增加，增加了有机碳的来源，所以说间伐有助于土壤的改良，对于提高土壤肥力具有重要意义。

5 结论

森林抚育对杨树人工纯林林地土壤表层水分及养分特征的影响显著，抚育后的林分表层土壤容重明显小于未抚育的林分，土壤渗透性能显著大于未抚育的林分，其中中度抚育对土壤渗透特性的影响最为显著。森林抚育改变了杨树人工林林地光照、温度、湿度等环境条件，降低了土壤容重，增大了土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度，改善了土壤的渗透性能，提高了土壤的持水量。森林抚育有效地提高了杨树人工林土壤有机碳质量分数、全氮质量分数和土壤碳储量。

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(责任编辑：李 莹)

EffectsofforesttendingonsoilsurfacewaterandnutrientsofPopulusplantationforest

WANG Decai, GUO Dandan, WU Guicang, YAN Dongfeng

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In order to address the effects of forest tending on the soil physical and chemical properties of soil surface, three treatments of forest tending densities were set up inPopulusplantation forest in Zhengzhou Huiji area of Henan Province, and soil sampling and relative experiments were carried out, the effects of different tending densities on soil water and nutrients were analyzed. The results showed that soil saturated water holding capacity, soil non-capillary porosity, soil capillary porosity and soil bulk density of two soil layers increased significantly with the increase of forest trending density, the relationship between three treatments was middle>weak>control, and the soil bulk density of 0～10 cm soil layers was greatly higher than that of the other two soil layers(P<0.05). Soil initial infiltration rate, soil stable infiltration rate, cumulative infiltration capacity of former 36 min and soil average infiltration the rate of former 36 min in the soil layer of 0～10 cm were significantly higher than those of the 10～20 cm layer(P<0.05).The soil organic carbon content and soil organic carbon storage in the 0～10 cm layer of three treatments were significantly higher than that of the 10～20 cm layer(P<0.05), and with the thinning intensity increasing, soil organic carbon content and organic carbon storage were increasing correspondingly, soil organic carbon content and soil organic carbon storage of middle tending were significantly higher than that control and weak tending(P<0.05).The total nitrogen content of two soil layers increased with the thinning intensity increased, and middle tending to achieve maximum values, which were 0.998 g·kg-1and 0.597 g·kg-1.Obvious effects of forest tending on the soil surface were addressed, soil bulk density was reduced, the soil capillary porosity and non-capillary porosity were improved, at the same time, soil organic carbon were increased too.

forest tending intensity; soil infiltration; soil water properties; soil nutrients;Populusplantation

S792.11

：A

2016-09-13

国家自然科学基金项目(41201210)；河南省林业厅技术招标项目；河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2014GGJS-036)

王德彩(1983-)，男，山东费县人，副教授，博士，研究方向为森林资源信息化管理。

闫东锋(1979-)，男，河南平舆人，副教授，博士。

1000-2340(2017)02-0163-07