抚育间伐强度对内蒙古赤峰地区用材林土壤肥力的影响

王晓伟

(内蒙古赤峰市红山区林业局，内蒙古 赤峰 024000)

抚育间伐强度对内蒙古赤峰地区用材林土壤肥力的影响

王晓伟

(内蒙古赤峰市红山区林业局，内蒙古 赤峰 024000)

为研究抚育间伐后用材林土壤理化性质的变化，以内蒙古赤峰市用材林为研究对象，设置间伐强度不同的7块样地，对照样地记为CK，不进行采伐作业，分析不同间伐强度对土壤理化性质的影响，利用主成分分析法建立土壤肥力的评价体系，计算不同样地土壤肥力的综合得分。结果表明：综合得分由大到小依次是：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)。其中S3、S4样地的综合得分较高，达到了0.833、0.795，即15%、20%的中等间伐强度有利于土壤理化性质改善和土壤肥力的积累，适宜内蒙古赤峰市用材林的抚育间伐。随着抚育间伐强度的不断增大，改造样地的综合得分呈现先增加后下降的趋势，即改造样地的土壤肥力呈现先变佳后变得不佳的变化过程。

抚育间伐；用材林；土壤肥力；主成分分析法

0 引言

土壤作为森林生态系统不可或缺的部分[1]，在保持水土、涵养水源、为植物生长提供养分、为生物繁衍提供物质基础等方面发挥重要的作用[2]，土壤对生态系统物质和能量的传输意义重大[3]，林木的分布、生长和产量与土壤肥力状况息息相关[4]。土壤养分状况不仅可以直接对土壤理化性质产生影响[5]，而且在林下植物种类的分布格局方面起着重要的决定作用，不可忽视。土壤作为地球表面的覆盖层，是人类生存的基本条件[6]，是国民经济健康良好发展的基石，是农业生产和自然生态系统的地基[7]，土壤与森林生态系统之间联系紧密，土壤的变化往往会引起森林生态系统的改变[8]，同时，森林生态系统的变化又会对土壤的演变产生影响，土壤的重要性不可替代，地上植物生长发育必要的营养物质和水分是从土壤获取的[9]。曾翔亮等[10]对低质林进行不同面积的带状和块状改造，认为块状改造提高土壤肥力能力强于带状改造，且20 m×20 m块状改造方式最佳。高明等[11]选取小兴安岭用材林为研究对象，发现用材林的最佳抚育方式为 14～18 m 带宽，20%强度的抚育间伐。唐国华等[12]通过对大兴安岭低质林进行补植改造，认为补植密度800株/hm2的改造最有利于土壤肥力的改善和积累。

目前国内外学者采用模糊数学方法、灰色关联度法、层次分析法、系统评价模型、主成分分析法等对土壤肥力质量进行综合评价[13- 15]，主要角度集中于研究带状改造、块状改造、抚育间伐改造和补植改造等改造方式对土壤肥力的影响。但关于内蒙古赤峰市用材林不同抚育间伐强度对土壤肥力的影响和综合评价研究较少。本文以内蒙古赤峰市用材林为研究对象，设置7个抚育间伐强度，探讨抚育间伐对土壤肥力的影响，利用主成分分析法对抚育间伐改造后的土壤肥力进行综合评价，得出最佳的抚育强度，可为后续内蒙古赤峰市用材林相关研究提供参考和依据。

1 研究区域概况

本试验区位于内蒙古赤峰市红山区城郊林场，属于内蒙古自治区东部，赤峰市南部，属中温带大陆性季风气候区，具有雨热同季，日照丰富，春秋季多风，干旱寒冷期长的特点。年平均降水量360～400 mm，多集中在7、8月份，年蒸发量1 800～1 900 mm，是年降水量的5.2倍，全年5～7月蒸发量最大，可达856.5 mm，占全年蒸发量的45%以上，全年风向冬季西北风持续半年之久，夏季转东南风持续较短，春秋风向交错，特别是冬春刮风日多，风速大，8级以上大风日数可达16 d，占全年大风日数的53%，瞬时最大风速可达38.8 m/s。日平均温度≥10℃的积温为3 000～3 200℃，日照总时数2 900～3 000 h，无霜期140 d左右，平均初霜日在9月下旬，终霜日在5月上旬。低温冷害发生年份较多，年平均气温为6.8℃，最热月7月份的平均气温23.5℃，最冷月1月份的平均气温-11.7℃，极端最高气温41.5℃，极端最低气温-30.4℃。该地区的用材林树种主要以油松(Pinus tabuliformis Carr)、樟子松(Mongolian scotch pine)为主，同时还分布着许多杨树(PopulusL)及灌木锦鸡儿(Caragana sinica)等。样地的选择分别在城郊林场的4个片区：分别是西山片区位于红山区的西部，地理坐标：东经118°45′48.8″～118°52′04.4″，北纬42°18′26″～42°21′05.1″；红山片区位于红山区的东北部，地理坐标：东经118°58′15.5″～119°02′21.3″，北纬42°17′15.6″～42°18′40.1″；东山片区位于红山区的东部，地理坐标：东经118°59′28.8″～119°03′07″，北纬42°15′01.5″～42°17′40.6″；南山片区位于红山区的南部，地理坐标：东经118°56′39.7″～118°58′57.6″，北纬42°13′56.5″～42°14′54.4″。土壤平均厚度23 cm，腐殖质层厚度2 cm，地势平缓，坡向东南，立地条件较好，坡度多在15°以下为保障数据的可靠性，4个片区的选择地质条件、气候条件、样地的距离等外在条件都保持一致性。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2014年5月经过实地勘察设计，在内蒙古赤峰市红山区林业局城郊林场设立试验样地，改造样地编号依次记为S1～S6，对照样地为CK，其中7块样地的大小为20 m×20 m，面积为0.04 hm2，同时抚育强度分别为CK(0%)、S1(5%)、S2(10%)、S3(15%)、S4(20%)、S5(25%)、S6(30%)，CK作为对照样地，不进行抚育间伐作业，在试验样地相邻处，选择林分和立地条件相似的保留地作为对照样地。

2.2 土壤肥力指标的收集与测定

于2017年5月进行野外取样，在每块抚育间伐样地和对照样地上，按照“S”型混合采样法进行取样，每个样地选择5个土壤取样点，在每个取样点均取厚度为0～10 cm的土壤样本，按照四分法混合取样，每个土壤样本为1 kg。将土壤样本带回实验室，在室内土壤经过自然风干、研磨过筛，然后分析化学性质，土壤化学性质的测定方法见表1，详细方法见《土壤调查试验室分析方法》。土壤的物理性质采用环刀法进行测量，环刀容积为100 cm3。

表1 土壤化学性质测定方法Tab.1 Methods of determination of soil chemical properties

2.3 土壤肥力的综合评价方法

利用Excel2010软件对土壤化学性质原始数据进行标准化处理，采用主成分分析法对用材林抚育间伐改造3a后土壤肥力进行综合评价，利用SPSS19.0计算出权重和改造后样地的综合得分，当综合得分越高时，表明改造后的土壤肥力越佳，此强度越适宜用材林的抚育间伐改造。

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对土壤肥力的影响

对野外作业所取土样进行室内实验，所得数据实测值见表2～表4。由表2可知，S2、S3、S5 样地，土壤含水率均高于对照样地，且差异性显著(P<0.05)；在各个改造样地中，S3样地的土壤含水率95.78%最大，比对照样地高17.17%，S6样地的土壤含水率75.19%最小，低于对照样地3.42%。S3、S6样地的土壤密度均高于对照样地，经方差分析与对照样地差异性显著(P<0.05)；其中S2、S5样地的土壤密度低于对照样地，且S2样地的土壤密度0.55 g/cm3最小，低于对照样地0.10 g/cm3，经方差分析，S2、S5样地与对照样地差异性不显著(P≥0.05)。对各样地的最大持水量进行分析，S1、S6样地的最大持水量小于对照样地，且S1样地的最大持水量89.26%最小，低于对照样地23.89%；S3样地的最大持水量139.06%最大，比对照样地高25.91%；通过方差分析发现，S1、S3、S6样地的最大持水量与对照样地相比，差异性显著(P<0.05)。S4、S5、S6样地，总孔隙度均高于对照样地，且在各个改造样地中，S4样地的总孔隙度87.52%最大，高于对照样地13.34%，对上述三个样地与对照样地进行方差分析，存在显著性差异(P<0.05)。随着抚育间伐强度的不断增加，各样地土壤含水率和最大持水量大体上呈现先增大后减小的变化趋势(S5样地除外)，样地的土壤密度和总孔隙度不存在明显的变化趋势。

表2 各样地土壤含水率、土壤密度、最大持水量和总孔隙度实测值Tab.2 Soil moisture content，soil density，maximum water content and total porosity

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由表3可知：S2、S3、S5、S6样地的有机质质量分数高于对照样地，S4样地低于对照样地且5.56 g/kg最小，小于对照样地0.36 g/kg，S6样地的有机质质量分数7.33 g/kg最大，高于对照样地1.41 g/kg，经方差分析，S2～S6样地与对照样地差异性显著(P<0.05)。S1、S2、S3、S5、S6样地的全钾质量分数均小于对照样地，S4样地大于对照样地，其中S6样地9.62 g/kg最小，S4样地13.98 g/kg1最大，高于对照样地1.73 g/kg；S1～S6样地的全钾质量分数，经方差分析与对照样地差异性显著(P<0.05)。S2～S6样地的全氮质量分数均大于对照样地，与对照样地差异性显著(P<0.05)；在各个改造样地中，S6样地全氮质量分数2.89 g/kg最大，高于对照样地1.12 g/kg。S1、S3、S4样地的全磷质量分数均大于对照样地，S2、S5、S6样地均小于对照样地，经方差分析S1～S6样地与对照样地差异性显著(P<0.05)；S4样地的全磷质量分数6.62 g/kg最大，高于对照样地1.51 g/kg。随着抚育间伐强度的不断增加，各样地有机质、全钾、全氮和全磷质量分数均不存在明显的变化趋势。

表3 各样地有机质、全钾、全氮和全磷质量分数实测值Tab.3 All kinds of organic matter，total potassium，total nitrogen and total phosphorus quality score g·kg-1

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由于内蒙古赤峰市红山林业局城郊林场的土壤呈弱碱性，所以pH值普遍偏高。由表4可知：各改造样地的pH值与对照样地相差不大，差异性不显著(P≥0.05)，其中以S1、S3、S4样地pH值相同，且pH值7.87最小，比对照样地高0.08。S1、S6样地的速效氮质量分数高于对照样地，S3、S4样地低于对照样地，其中S6样地90.33 mg/kg最大，高于对照样地15.66 mg/kg，S4样地54.66 mg/kg最小，比对照样地低20.01 mg/kg；经方差分析，S1、S3、S4、S6样地与对照样地差异性显著(P<0.05)。S2、S3、S4样地的速效磷质量分数均大于对照样地，差异性显著(P<0.05)，S5、S6样地小于对照样地，差异性不显著(P≥0.05)；在各改造样地中，S4样地速效磷质量分数156.36 mg/kg最大，高于对照样地71.52 mg/kg。S2样地的速效钾质量分数大于对照样地，S3～S6样地小于对照样地，通过方差分析可知，S2～S6样地与对照样地差异性显著(P<0.05)；其中S2样地的速效钾质量分数209.57 mg/kg最大，高于对照样地47.32 mg/kg，S3样地94.25 mg/kg最小，低于对照样地68.00 mg/kg。随着抚育间伐强度的不断增加，各样地pH值、速效氮、速效磷和速效钾质量分数均不存在明显的变化趋势。

表4 各样地pH、速效氮、速效磷和速效钾质量分数实测值Tab.4 The measured values of various pH，instant nitrogen，instant phosphorus and instant potassium

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 抚育间伐后土壤肥力的综合评价

利用Excel2010对所测得的土壤理化性质数据进行标准化处理，有关研究表明内蒙古赤峰市红山区林业局城郊林场用材林的土壤呈弱碱性，其pH值均大于7，当pH值越小即越靠近7时，对用材林的生长越有利，可见pH值为逆向指标；林下土壤密度越大，表明土壤的板结程度加剧，土壤越紧实，对林木根部呼吸和以及生长不利，影响土壤的持水性能，因此土壤密度也为逆向指标，其他土壤理化性质指标均为正向指标，所得标准化数据见表5。

表5 各样地土壤肥力指标标准化处理Tab.5 Various soil fertility indexes standardized treatment

利用SPSS19.0软件对标准化后的数据进行降维处理，即主成分分析，其总方差分析结果见表6。由表6可知：前3个主成分的累计贡献率达到了84.191%，前3个主成分能够反映原始数据的基本信息，可以充分描述不同抚育间伐强度对用材林土壤理化性质的影响。

表6 各样地土壤肥力指标总方差分析Tab.6 Analysis of total variance of soil fertility index

提取前3个主成分的因子载荷见表7，其中第1主成分在全钾质量分数、有机质质量分数、全磷质量分数、pH值、速效磷质量分数指标上有较大因子载荷；第2主成分在最大持水量、土壤含水率、总孔隙度指标上有较大因子载荷；第3主成分在速效钾质量分数、全氮质量分数、土壤密度指标上有较大因子载荷。计算出前3个主成分的因子得分，然后确定每个主成分的权重，分别为0.502、0.280、0.218，最后得出各个样地抚育间伐后土壤肥力的综合得分。结果见表8。

由表8可得：综合得分为正值的样地是S3、S4，达到了0.833、0.795，综合得分明显大于其他样地，其他样地得分均为负值，可见15%、20%的中等间伐强度比较适宜内蒙古赤峰市红山林业局城郊林场用材林的抚育改造，有利于土壤理化性质改善和土壤肥力的积累；对土壤理化性质进行主成分分析，其综合得分由大到小依次是：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)；随着抚育间伐强度的不断增大，改造样地的综合得分变化趋势为先增加后下降，即改造样地的土壤肥力质量呈现由逐渐变佳到不佳的过程。

表7 各样地土壤肥力指标因子载荷Tab.7 Various soil fertility index factor loading

表8 各样地土壤肥力综合得分Tab.8 Various soil fertility scores

4 结论与讨论

本文以内蒙古赤峰市红山区林业局城郊林场用材林为研究对象，对其进行不同强度的抚育间伐改造，研究3a后不同样地的土壤理化性质。结果表明：S1～S6样地的全钾质量分数，经方差分析与对照样地差异性显著(P<0.05)；S1、S3、S4样地的全磷质量分数均大于对照样地，S2、S5、S6样地均小于对照样地，经方差分析S1～S6样地与对照样地差异性显著(P<0.05)；各改造样地的pH值与对照样地相差不大，差异性不显著(P≥0.05)，其中以S1、S3、S4样地pH值相同，且pH值7.87最小，比对照样地高0.08；随着抚育间伐强度的不断增加，各样地土壤含水率和最大持水量大体上呈现先增大后减小的变化趋势(S5样地除外)，其他理化性质指标均不存在明显的变化趋势。

通过主成分分析法，对内蒙古赤峰市红山区林业局城郊林场用材林抚育间伐改造3a后的土壤肥力进行综合评价分析，不同样地的综合得分从大到小依次为：S3(0.833)、S4(0.795)、CK(-0.051)、S2(-0.143)、S1(-0.228)、S5(-0.340)、S6(-0.867)。其中S3、S4样地的综合得分最高，达到了0.833、0.795，可得15%、20%的中等间伐强度比较适宜内蒙古赤峰市红山林业局城郊林场用材林的抚育改造，有利于土壤理化性质改善和土壤肥力的积累。随着抚育间伐强度的不断增大，改造样地的土壤肥力质量呈现由逐渐变佳到不佳的过程。

对用材林进行抚育间伐改造，中等强度的抚育间伐使得林地内光照、湿度等气候条件发生改变，对氨化细菌、硝化细菌和固氮菌等有益微生物的正常生长和活动有利，加快了土壤中有机质的分解速率，进而有机质含量提高；中等强度的抚育间伐使得用材林林内空间结构分布趋向于合理，郁闭度减小，光照透过上层林冠到达中下层的能力增加，下层叶片得以生长发育较快，林下植被的水土保持能力增强，加速了地表凋落物分解，土壤肥力得到了增加和改善。过低强度的抚育间伐在影响林地小气候方面不明显，郁闭度变化较小，而采伐和压实等人为干扰因素破坏了林地土壤条件，使得土壤肥力质量低于对照样地。过高强度的抚育间伐极大改变了林地内小气候环境，光照强度过大，林分稀疏，截留能力减弱，使得雨水直接冲刷土壤，土壤肥力流失严重，可能是造成土壤肥力质量低于对照样地的原因。张鼎华等[16]认为抚育间伐能够增强土壤微生物活性，使得土壤养分循环加快，改善和提高了土壤肥力。高明等[17]得出了19%～21% 中等强度抚育间伐方式有利于土壤化学性质改善的结论。上述学者的研究成果与本文的结论基本相符。抚育间伐对内蒙古赤峰市红山区林业局城郊林场用材林土壤肥力的影响及综合评价，不仅与间伐强度有关，还与光照、经济和社会等因素有关，多种因素的互相影响制约才形成了现有的土壤肥力和现实生产力，这几个方面有待进一步探讨。同时，本文只对抚育间伐改造3a后的土壤肥力进行了研究，后续土壤肥力的变化情况需要更加长期的定位观测和分析。

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EffectsofTendingFellingonSoilFertilityofTimberForestinChifengArea，InnerMongolia

Wang Xiaowei

( Inner Mongolia Chifeng City Hongshan District Forestry Bureau，Chifeng 024000 )

In order to study the changes of soil physical and chemical properties of the timber forest after tending felling，seven samples with different thinning intensities were selected as the research object in Chifeng city，Inner Mongolia.The contrast plots were recorded as CK and no logging were carried out.The effects of different thinning intensities on soil physical and chemical properties were analyzed.Principal component analysis was used to establish the evaluation system of soil fertility，and the comprehensive score of soil fertility was calculated.Results showed that the comprehensive scores were：S3 (0.833)，S4 (0.795)，CK (-0.051)，S2 (-0.143)，S1 (-0.228)，S5 (-0.340)，S6 (-0.867).Among them，the comprehensive score of S3 and S4 plots was 0.833，0.795.The middle thinning intensity of 15% and 20% was beneficial to the improvement of soil physical and chemical properties and accumulation of soil fertility，which was suitable for tending felling of timber forest in Chifeng city，Inner Mongolia.With the increasing intensity of tending thinning，the comprehensive score of the reconstructed plots showed the trend of increasing first and then decreasing，that is，the soil fertility of the reconstructed plots changed first and then became poor.

Tending felling；timber forest；soil fertility；principal component analysis

S 791.2

A

1001-005X(2017)06-0019-06

2017-06-13

林业公益性行业科研专项(201204509)

王晓伟，硕士，工程师。研究方向：森林经营。E-mail：56115010@qq.com

王晓伟.抚育间伐强度对内蒙古赤峰地区用材林土壤肥力的影响[J].森林工程，2017，33(6)：19-24.