择伐对太岳山油松林表层细根生物量和土壤养分含量的影响

邵 森

(北京林业大学林学院，北京 100083)

择伐对太岳山油松林表层细根生物量和土壤养分含量的影响

邵 森

(北京林业大学林学院，北京 100083)

以山西太岳山40年生油松(Pinustabuliformis)人工林为研究对象，基于不同的森林经营措施，运用方差分析法分别探讨了油松人工林表层不同土壤厚度下的细根生物量和土壤养分含量之间的差异.结果表明：择伐林生长季表层细根生物量大于未择伐林，两者没有显著差异(P>0.05)；择伐林平均单株表层细根生物量大于未择伐林，两者差异显著(P<0.05)；择伐林表层土壤中的全氮含量、有机质含量、铵态氮含量高于未择伐林，差异显著(P<0.05)；硝态氮含量和速效钾含量高于未择伐林，差异不显著(P>0.05)；而择伐林表层土壤中的全磷含量低于未择伐林，差异显著(P<0.05).

择伐; 油松人工林; 细根生物量; 土壤养分

植物根系是地下生态系统不可或缺的组成部分，细根占植物根系总生物量的3%～30%.细根通常是指直径为2～5 mm、主要用于吸收林分地下水分和养分的根系[1-2].细根不但能促进养分的循环和周转(贡献率为20%～80%)[3-4]，在地下生态过程中也极为活跃，具有生理活性强、生命周期短等特点[3].研究[5]表明，遗传特性、环境因子以及人为干扰等因素能影响细根及其生物量的变化.在太岳林区，人工干扰对林分有重要影响，其中最常见的干扰方式为择伐.

择伐是森林采伐与经营的重要途径，广泛应用于林业生产实践中.它主要通过改变林分密度，进而改变林分的种群结构、分布格局以及竞争关系[6]，最终导致地下细根生物量发生改变[7].细根生物量的变化以及相关的生态过程又会引起土壤养分的变化，土壤养分对择伐后的林分恢复具有重要作用[8].林分经历择伐之后，受到人为和自然因素干扰，地面留下大量的枯枝落叶，其中含有丰富的有机质，产生的大量碳元素会重新进入土壤中[9].研究[10]表明，林分采伐后初期土壤氮含量明显提高，随后又逐渐下降，甚至低于之前含量.Keenan et al[11]指出，林分采伐之后短期内可溶性磷含量没有显著变化.张景普等[12]针对落叶松人工林的研究表明，在25%采伐强度下，采伐3 a的土壤中全氮、全磷、全氮以及有效磷含量没有显著差异.由此可见，人工干扰会对不同立地条件下的土壤养分产生不同影响.而人工干扰措施对油松人工林土壤养分含量的影响，在以往的研究中鲜见报道.本研究对比分析5 a后择伐和未择伐油松林的表层细根生物量及其林下土壤养分含量之间的变化特性，以期为太岳林区的人为干扰对细根生物量和土壤养分影响的研究提供依据.

1 研究区概况

研究区位于灵空山林场(36°40′1″N,112°4′28″E)，隶属山西长治太岳林区.该地区属于温带半湿润大陆性季风气候.海拔1 300～1 800 m，年均温8.6 ℃；1月均温最低，为-10.4 ℃；7月均温最高，为17.4 ℃.年均降水量662 mm，7—9月的降雨量占全年总降雨量的60%以上.土壤类型为棕壤、褐土等.主要林分类型有华北落叶松纯林、油松纯林、华北落叶松油松混交林、油松辽东栎混交林等.该林地在栽种乔木之前，主要用于农耕，后来进行大面积人工造林，自此林分开始自然更替.每年只进行枯倒木的移除工作，部分林分于2012年进行择伐，择伐强度约为40%.

研究区内，油松(Pinustabulaeformis)为乔木层建群种，同时有少量辽东栎(Quercusliaotungensis)、山杨(Populusdavidiana)和白桦(Betulaplatyphylla)；灌木层植物数量较少，主要有华北绣线菊(Spiraeafritschiana)、毛榛(Corylusmandshurica)和胡枝子(Lespedezabicolor)等；草本植物主要有苔草、莎草(Cyperusrotundus)和山罗花(Melampyrumroseum)等[13].

2 试验方法

2.1 样地设置与调查

该样地内油松纯林树龄为40 a，林分密度为3 750株·hm-2.其中一部分油松林于2012年进行择伐，择伐强度40%左右，择伐之后林分密度2 250株·hm-2，自此未对林分进行人工干扰.2016年8月份在样地内选择地势平坦的择伐林与未择伐的油松纯林，各建立4块20 m×20 m的固定样地，调查林分的郁闭度、密度、乔木树高、胸径等.样地概况见表1.

表1 择伐前后样地主要特征Table 1 Main characteristics of plantation before and after selective logging

2.2 土样采集

于2016年8月，在8块样地里按照“S”型，分别选取5个点采集土样.采用内径8 cm、筒长40 cm的根钻，每个点按照0～10、10～20 cm土层厚度分次取样，然后放入写好编号的自封袋中，带回实验室进行处理分析.

2.2.1 细根生物量测定 将取回的土样先进行挑根处理，再用筛孔为0.1 mm的筛子反复冲洗几次.将根系上所有土壤颗粒都洗净之后，用镊子将细根放入蒸发皿中，置于60 ℃的烘箱内进行烘干(48 h以上)，称量精确至0.000 1 g.

细根生物量/(g·m-2)=土柱细根质量×10 000/[π(8/2)2]

单株表层细根生物量/(g·m-2)=细根生物量×单株潜在平面空间

式中，单株潜在平面空间是由林分密度推算所得.

2.2.2 土壤养分测定 对分根处理后的土样进行碾碎过筛，筛孔为1 mm.称取100 g土样进行风干处理，时间为1周;其余的鲜土放回自封袋，并置于0 ℃以下的冰箱中保存.风干处理后的土样先用研钵研磨，再通过孔径为0.149 mm的筛子进行过筛，然后干燥保存.

选取土壤养分类型，并按照方法[14]对各种土壤养分含量进行测定，其中土壤有机质含量测定采用油浴法；土壤全磷含量测定采用钼锑抗比色法；土壤全氮含量测定采用凯式定氮法；土壤铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法；土壤硝态氮含量测定采用紫外分光光度法；土壤速效钾含量测定采用火焰光度法.

2.3 数据处理

运用双因素方差分析法比较了不同经营措施下不同土壤厚度的表层细根生物量之间的差异；运用单因素方差分析法比较了不同经营措施下单株表层细根生物量与土壤养分含量的差异.

3 结果与分析

3.1 不同经营措施下油松林表层土壤中细根生物量的变化

未择伐林和择伐林的表层总细根平均生物量分别为355.05和319.82 g·m-2，二者无显著差异.不同经营措施下的林分密度分别是3 750和2 250株·hm-2.择伐林单株林木所占面积为2.25 m2，未择伐林单株林木所占面积为4.00 m2；择伐林的平均单株表层细根生物量比未择伐林增加了479.55 g·株-1，两者之间具有显著差异(P<0.05)(表2).可见在择伐的干扰下，油松林生长更具优势，择伐有助于扩大单株林分的地下部分营养空间，进而增加细根生物量.

表2 不同经营措施对油松林表层细根生物量的影响Table 2 Effect of different management practices on the surface fine root biomass of P.tabulaeformis

3.2 不同经营措施下油松林表层土壤中细根生物量的垂直分配

未择伐林和择伐林的地下细根生物量随土层深度的增加而减小，但相互之间无显著差异(P>0.05).未择伐林的0～10 cm土层和10～20 cm土层中的细根生物量均大于择伐林，差异不显著(P>0.05).未择伐林和择伐林0～10 cm土层的细根生物量占表层总生物量分别为53.68%和54.35%；未择伐林和择伐林10～20 cm土层的细根生物量占表层总生物量分别为46.32%和45.65%(图1).

图1 不同经营措施对油松林不同土壤厚度细根生物量的影响Fig.1 Effect of different management practices on fine root biomass of P.tabulaeformis under different soil thickness

3.3 择伐后油松林表层土壤养分含量的变化

择伐后的油松林表层土壤养分(全氮、硝态氮、有机质、铵态氮、速效钾)含量整体呈现上升趋势，仅全磷含量降低.择伐林在0～10 cm土层的全磷含量比未择伐样地下降约15.8%，择伐林在10～20 cm土层的全磷含量比未择伐样地下降约17.5%.全氮、硝态氮、有机质等含量在0～10 cm土层均显著上升，其中铵态氮含量增幅最大，为61.3%；速效钾含量增幅最小，为6.1%.在10～20 cm土层中，铵态氮含量增幅最大，为60.7%；速效钾含量增幅最小，为4.8%.择伐5 a后的油松林表层土壤养分发生了显著变化，具体表现为择伐林土壤中的全氮含量、有机质含量、铵态氮含量均显著高于未择伐林(P<0.05)，而择伐林土壤中的全磷含量显著低于未择伐林(P<0.05).而两种处理下硝态氮含量和速效钾含量差异不显著(P>0.05)，但是择伐林的土壤硝态氮含量和速效钾含量均高于未择伐林(图2).

图2 两种经营措施下土壤中各种养分含量的比较Fig.2 Comparison of soil nutrients between logging and unlogging plantations

4 小结与讨论

4.1 择伐对细根生物量的影响

研究[15]表明，在对林分进行经营后，细根生物量会显著减少.择伐之后会出现大量的死细根，之后死细根逐渐分解，使得择伐林的细根生物量小于未择伐林[7,16].林冠层面积的减小使得光辐射增强、地表温度升高，再加上枯枝落叶的快速分解，使得干扰后细根生物量得以恢复[17-18].在本试验中，择伐林的恢复时间是5 a，择伐强度约为40%，表层总细根生物量与原始林相比并没有显著差异，但是符合择伐林的细根生物量少于未择伐林这一规律.此林区处于深山区，择伐后5 a内没有过多的人为干扰，地表枯落物丰富;择伐时使用的油锯属于轻机械，不会对地表造成严重的破坏，使得择伐之后林分恢复较快，这是两种林分的细根生物量差异不显著的原因.与此同时，择伐之后林冠层覆盖面积骤减，林分内的光照强度和光照时间显著增加，而油松是喜光树种，并且新生的幼苗根系多分布于土壤表层，这也使得细根生物量恢复较快.

单株细根生物量是体现树木生长状况的重要因素[19].研究[7]表明，单株细根生物量与采伐强度成正比.本试验结果显示，择伐林单株细根生物量显著大于未择伐的林分.一方面，择伐直接导致林分内树木减少，使得保留木的单株细根生物量明显增大；另一方面，择伐扩大了单株地下空间，水分和养分含量供应更加充足，因此地下细根生长和林分恢复也相应加快.

4.2 择伐对土壤养分含量的影响

择伐初期，林窗显著增大，更多的光辐射进入林分，使得地表温度升高，林地有机物矿化释放的可溶性养分遭受淋失，引起部分水土流失[20]，土壤微生物数量也相应增加；同时酶活性的增强使得地面上的枝叶等迅速分解，使得土壤养分周转速率和含量升高，土壤酸度也相应增大[21-23].本研究所测的土壤养分含量中除全磷以外，择伐林均大于未择伐林，而择伐林的土壤全磷含量显著低于未择伐林.这可能是由于油松林择伐后，林冠层空隙增大，降雨导致淋溶作用增强.研究[24-26]证实，土壤环境发生变化之后，磷元素的分解吸收受到显著影响，随着土壤温度、含水量以及没水时间的增加，土壤向外界释放大量的磷元素；酸性和石灰性土壤显著降低了无机磷的有效性；土壤中的有机磷易流失，被植物利用的部分减少，降雨也使得有机磷丧失.上述因素可能导致择伐林土壤全磷含量低于未择伐林.择伐对林分细根生物量和土壤养分的影响十分显著，进而对森林生态系统产生一定的影响.在择伐之后5 a，林分细根生物量恢复较快，择伐造成的土壤各种养分含量的提高是促进这一过程的原因之一，使得择伐林的细根生物量与未择伐林没有显著的差异.而择伐之后短期内几乎所有土壤养分含量都显著上升.

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EffectofselectiveloggingonthesurfacefinerootbiomassandsoilnutrientofPinustabulaeformisplantationinTaiyuemountain

SHAO Sen

(Forestry College, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

To investigate the influence of selective logging on plantation development, surface fine root biomass and soil nutrient of 40-year-oldPinustabulaeformisplantation were analyzed. The results showed that fine root biomass did not varied between selective logging and non-logging plantation during growing season (P>0.05). Biomass of surface fine root a single tree in selective logging plantation was greater than that of non-logging (P<0.05). Soil nutrient, including total nitrogen (P<0.05), organic matter(P<0.05), ammonium nitrogen(P<0.05), nitrate nitrogen and available potassium, were higher in the surface soil of selective logging plantation than non-logging. While total phosphorus was higher in non-logging than logging plantation (P<0.05).

selective logging;Pinustabuliformisplantation; fine root biomass; soil nutrient

2017-03-08

2017-06-12

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFD060020506).

邵森(1995-)，男，硕士研究生.研究方向：森林生态学.Email:saychou418@163.com.

S718.5

A

1671-5470(2017)06-0654-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.06.009

(责任编辑:叶济蓉)