抚育经营对杨桦次生林林分结构及土壤性质的影响

红 玉，王 耀，金 鑫，胡万良，王雪松，郑小贤

(1.国家林业局 调查规划设计院，北京 100714；2.辽宁省森林经营研究所，辽宁 丹东 118002；3.北京林业大学 森林资源与环境管理国家林业局重点实验室，北京 100083)

辽宁省东部山区(简称辽东山区)属于长白、华北2大植物区系的过渡地带。全省天然次生林面积210万hm2，占林地总面积的40.6%，其中90%以上分布在东部山区，为重要的水源涵养和林产品基地。辽东山区天然林是辽宁中部城市群和工农业生产基地的绿色屏障和重要水源地[1]，为生态环境保护以及促进区域经济、社会可持续发展发挥着不可替代的作用。

辽东山区森林在历史上遭到几次大规模的破坏，使阔叶红松混交林这一当地稳定的顶极森林生态系统失去平衡，产生逆行演替，形成了目前林分质量不高、蓄积量较低的栎林或杨华次生林[2-3]。为改善林分状况，迫切需要开展林分结构调整[4-17]，毕刚蕊[17]选取直径结构、生物多样性、天然更新和演替阶段等参数,对辽东山区柞树次生林进行近自然度的计算与评价，并提出了基于不同近自然度等级的林分改造型、抚育间伐型、采伐更新型、改造防护型4种经营对策。尤文忠[4]等以萌生蒙古栎次生林为研究对象，设置幼龄林和中龄林抚育间伐试验区，利用2组试验区长期连续测定数据，比较分析不同抚育间伐强度对林分生长及结构的影响。丁国泉[18]通过对辽东山区天然次生林不同抚育强度林分直径模型研究，提出适度的抚育间伐可以获得多种规格的木材，而强度的抚育间伐则有利于进行大径材培育，但仍然缺乏长期试验数据说明不同经营措施对林分结构和土壤理化性质的综合分析研究。

本研究选择20 a杨桦次生林为研究对象，通过对试验地不同抚育经营技术措施，42 a定位观测，分析研究不同经营措施对杨桦林林分因子、林地土壤等的影响，提出适合辽东山区次生林的经营技术，为促进森林更新和加速林木生长，实现辽东山区次生林的可持续经营提供方法和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省东部桓仁县八里甸子镇大南沟，41°13′-41°14′N，124°51′-124°52′E，海拔550 m。年平均气温4.6℃，年均降水量900 mm，年蒸发量900～1 000 mm。试验区≥10℃的年积温在3 000℃左右，无霜期120 d，土壤为暗棕色森林土，土层厚度20～40 cm。主要森林类型为天然次生林、人工红松和人工落叶松林。区域内植物物种丰富，有长白山和华北植物区系的植物2 000多种，主要乔木树种有蒙古栎(Quercusmongolica)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、胡桃楸(Jug-lansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、红松(Pinuskoraiensis)、黄檗(Phellodendronamurense)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、色木槭(Acermono)、日本落叶松(Larixkaempferi)、长白落叶松(Larixolgensis)等。

1.2 林分选择及试验方法

以杨桦次生林为研究对象。试验林面积21 hm2,位于西坡，坡度5°～10°，土层厚度20～40 cm。抚育经营前(1973年春)林分林龄20 a、平均胸径7.7 cm、平均树高8.0 m、密度645株·hm-2、蓄积量24.0 m3·hm-2。抚育经营作业时将林分划分为5个试验区(表1 )，每个试验区面积4 hm2左右，在每个试验区内选择有代表地段设置长期定位观测样地(标准地)1块，每个样地面积为0.1 hm2。5个试验区分别设计为强伐补松、弱伐补松、皆伐植松留萌、皆伐植松不留萌及对照区(不作业)。5个试验区林分至2017年(44 a间)，抚育经营情况见表1。

1.3 林分调查

试验前对试验区林分进行全林检尺，以后每3～5 a对标准地内胸径3 cm以上的所有乔木进行实测胸径，计算蓄积、平均胸径、密度、树种组成等，已连续观测42 a。

土壤理化性质的测定：2011年和2015年，分别在每块标准地内以对角线方向取5个点进行土壤取样，土层厚度(H)分为0～10 cm和10～20 cm。采用环刀法测定土壤密度、毛管孔隙度、饱和持水量等指标。采用雷磁PHS-3C型酸度计进行测定pH值。用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质。速效N、速效P、速效K质量分数的测定，分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和醋酸氨浸提-火焰光度计法。

表1 5个试验区林分抚育经营概况Table 1 Survey of forest tending management in five test areas

2 结果与分析

2.1 树种结构变化

1973-2015年试验林分树种组成变化结果见表2。由表2可知，对照区1981年以后山杨比例逐渐减少，蒙古栎组成逐渐增加达到30%。强伐补松，1973年白桦和山杨比例合计为80%，1993年上层抚育后，白桦和山杨所占比例下降到50%，2005年间伐后山杨比重仅剩10%，2015年针阔比例为6∶4。弱伐补松，1981年调查时红松未达到起测径阶，阔叶树占比100%，1993年秋进行上层抚育后，白桦作为先锋树种快速侵入林地中，2015年针阔比例为4∶6。皆伐植松留萌，皆伐后栽植红松，保留有前途阔叶树，山杨和白桦作为先锋树种侵入林地中，2015年达到针阔比例为6∶4。皆伐植松不留萌，只保留红松，形成红松纯林。

通过对试验林分42 a的试验结果，从强伐补松、弱伐补松、皆伐植松留萌可以看出软阔树种逐年减少，刺楸、蒙古栎等硬阔叶树种逐年增多。林分现已改造成针阔混交林。可见，人工干预能够改善次生林的树种组成，加速向针阔混交林的演替过程。

2.2 林分平均胸径变化

42 a各标准地林分平均胸径变化动态见表3。从20 a(1993年)的生长状况看，对照区(阔叶树)林分平均胸径最大，为12.1 cm。2005年调查，对照区阔叶树平均胸径最大为14.6 cm，强伐补松红松平均胸径略高于其他标准地。2015年观测，强伐补松、弱伐补松、经过几次抚育间伐，阔叶树平均胸径>对照区。红松的平均胸径皆伐植松不留萌>强伐补松>皆伐植松留萌>弱伐补松。对照区未进行经营任其生长和自然稀疏，林木密度大，林分生长环境差，平均胸径最小。弱伐补松自1993年以后未开展抚育经营，由于林分密度过大，林木生长环境得不到改善，阔叶树和红松生长受限，导致平均胸径较小。到2005年，强伐补松、皆伐植松留萌、皆伐植松不留萌都进行了抚育间伐，林分结构得到改善，林木长势良好。通过长期观测，综合考虑红松和阔叶树的平均胸径，强伐补松和皆伐植松不留萌红松平均胸径较大，并且强伐补松同时可以获得大径级阔叶材，强伐补松抚育效果最好，皆伐植松留萌次之。

2.3 林分蓄积变化

各标准地蓄积变化见表4。1993年林分试验前，强伐补松蓄积最高，为78.9 m3·hm-2。2005年时，皆伐植松不留萌蓄积最高，为196.1 m3·hm-2。2015年时，强伐补松蓄积最高，为245.8 m3·hm-2。

表2 试验区各标准地树种结构变化Table 2 Structural changes of tree species at different plots in test area

分析总蓄积量，强伐补松林分总蓄积量最高，为359.9 m3·hm-2，高于对照区55.36%，其他标准地总蓄积量均>对照区(见表4)。因此，强伐补松试验结果较好，并且林分质量也高。

通过固定标准地观测表明，次生林及时进行抚育，林分结构得到调整，提高蓄积量，诱导形成阔叶红松林，其林分更加稳定有利于发挥其更大生态效益的同时，还可以收获大径级阔叶材。

表3 试验区各标准地平均胸径动态变化Table 3 Dynamic variation of average DBH at different plots in test area

注：横线上、下分别为阔叶树、红松相应值。下同。

表4 试验区各标准地蓄积动态变化Table 4 Dynamic variation of the volume at different plots in test area m3·hm-2

注：总蓄积量等于2015年林分蓄积量与历年采伐量之和。

2.4 土壤理化性质的变化

2.4.1 土壤物理性质的变化 2015年对标准地内土壤物理性质进行测定(表5)，可以得出，除对照区以外，土壤密度均表现为0～10 cm土层略低于10～20 cm土层。多重比较分析，0～10 cm土层，皆伐植松不留萌试验区与对照区和皆伐植松留萌差异不显著，与强伐补松和弱伐补松差异显著；10～20 cm土层，强伐补松与对照区、弱伐补松、皆伐植松留萌、皆伐植松不留萌差异显著。

不同试验区总孔隙度，对照区0～10 cm土层与10～20 cm土层无变化；皆伐植松不留萌0～10 cm土层低于10～20 cm土层；强伐补松、弱伐补松、皆伐植松留萌0～10 cm土层略高于10～20 cm土层；多重比较分析，0～10 cm土层，皆伐植松留萌与其他试验区差异显著；10～20 cm土层，对照区与强伐补松无差异，与弱伐补松、皆伐植松留萌差异显著，与皆伐植松不留萌差异不显著。

不同试验区饱和持水量，对照区、强伐补松、皆伐植松不留萌区0～10 cm土层高于10～20 cm土层；弱伐补松、皆伐植松留萌区0～10 cm土层低于10～20 cm土层。多重比较分析，0～10 cm土层，强伐补植与对照区、皆伐植松留萌、皆伐植松不留萌差异显著，与弱伐补松差异不显著。10～20 cm土层，强伐补植与对照区、弱伐补松、皆伐植松留萌、皆伐植松不留萌差异显著，与皆伐植松留萌差异不显著。

从上述指标可以看出，森林经营能够改善土壤物理性质，提高土壤水源涵养能力。本次试验结果，强伐补松的涵养水源效果最好，其次为弱伐补松。

2.4.2 林地土壤化学性质的变化 各标准地土壤化学性质测定情况见表6。土壤表层(0～10 cm)土壤有机质含量皆伐植松留萌最高，皆伐植松不留萌次之。综合考虑10～20 cm土层有机质含量，由大到小依次为强伐补松、皆伐植松留萌、弱伐补松、皆伐植松不留萌和对照区。

表5 不同森林经营措施土壤的物理性质Table 5 Physical properties of soils under different forest management practices

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母代表同一土层间差异显著(P<0.005)。下同。

表6 不同森林经营措施土壤的化学性质Table 6 Chemical properties of soils under different forest management practices

试验区的土壤都偏酸性，皆伐植松不留萌为红松纯林酸性最大，对照区最小，接近中性。营造单纯针叶树种将会导致土壤酸化，使土壤理化性质变劣。

全氮含量强伐补松最高，高于对照区83.3%；速效氮含量强伐补松、弱伐补松和皆伐植松留萌均>对照区，皆伐植松不留萌<对照区。速效氮含量由大到小为强伐补松、弱伐补松、皆伐植松留萌、对照区和皆伐植松不留萌。阔叶红松混交林速效氮含量均>对照区，只有红松纯林较低。

全磷含量由大到小依次为皆伐植松不留萌、强伐补松、皆伐植松留萌、弱伐补松和对照区；速效磷含量由大到小为皆伐植松留萌、弱伐补松、强伐补松、对照区和皆伐植松不留萌。

全钾含量由大到小为对照区、皆伐植松留萌、弱伐补松、皆伐植松不留萌、强伐补松；速效钾含量由大到小依次为强伐补松、对照区、弱伐补松、皆伐植松留萌和皆伐植松不留萌。

可以看出，红松纯林土壤中有效营养成分含量最低，针阔混交林含量较高，其中抚育改造冠下引进红松，并适时进行抚育间伐的强伐补松土壤肥力最高。

3 结论与讨论

通过对5块标准地长期观测，可以看出对照区阔叶混交林由于未进行任何经营措施，林分生长缓慢，林分蓄积量小。强伐补松针阔比例适中，树种组成和林分结构合理，林分生长稳定。2015年时，强伐补松平均胸径虽然低于皆伐植松不留萌，但在抚育间伐中还获得大径级阔叶材，林分总蓄积量最大。强伐补松土壤理化性质也是标准地中最好的。弱伐补松在1993年至今并没有进行抚育作业，影响试验地内树木生长导致林分蓄积量较少，未获得大径级木材。强伐补松和弱伐补松，在辽东山区次生林经营中，阔叶林下栽植针叶树有利于诱导形成异龄复层混交的林分结构，有利于提高林分蓄积，既提升了林分质量又改善了土壤性质。皆伐植松留萌和皆伐植松不留萌为次生林皆伐后栽植红松，水源涵养功能降低，病虫害抵抗能力也较弱。皆伐植松留萌是抚育过程中适当保留阔叶树形成针阔混交林。林分中针阔比例为6∶4，林分结构合理，水源涵养能力和病虫害抵抗能力增强。皆伐植松不留萌，树种单一，虽然林分蓄积量较高，但导致土壤酸化，使土壤理化性质变劣。因此，在次生林经营中不建议将天然次生林改造成纯林。

辽东山区次生林早已偏离区域森林生态系统顶级群落阔叶红松林的林分结构和特征，原生优势树种种源缺乏，如果全靠自然演替，需要相当长的时间且难以恢复。本研究表明，通过对辽东山区天然次生林的合理经营，林下补植红松、沙松等针叶树种，并及时进行抚育，有助于恢复针阔混交林，提升林分质量。

参考文献:

[1] 谭学仁，张放，胡万良，等．辽东山区天然次生林恢复技术[M].辽宁:辽宁科学技术出版社，2008.

[2] 宋德利，王拥军.辽东山区天然次生林经营的发展与问题[J].安徽农业科学，2007，35(5):1365-1366，1372.

[3] 朱教君.次生林经营基础研究进展[J].应用生态学报，2002，13(12):1689-1694.

ZHU J J.A review on fundamental studies of secondary forest management[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(12):1689-1694.(in Chinese)

[4] 尤文忠，赵刚，张慧东，等.抚育间伐对蒙古栎次生林生长的影响[J].生态学报，2015，35(1):56-64．

YOU W Z,ZHAO G,ZHANG H D,etal.Effects of thinning on growth of mongolianoak (Quercusmongolica) secondary forests[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(1):56-64.(in Chinese)

[5] 佟富春，王庆礼，刘兴双，等.长白山次生林演替过程中土壤动物群落的变化[J].应用生态学报,2004，15(9) :1531-1535.

TONG F C,WANG Q L,LIU X S,etal.Dynamics of soil fauna communities during succession process of secondary forests in Changbai Mountain[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(9):1531-1535.(in Chinese)

[6] 刘红民，邢兆凯，顾宇书，等.辽东山区天然次生阔叶混交林空间结构的研究[J].西北林学院学报，2012，27(3):150-154.

LING H M,XING Z K,GU Y S,etal.Spatial structure of natural secondary broad-leaved mixed forest in eastern mountainous area of Liaoning Province [J].Journal of Northwest Forestry University,2012,27(3):150-154.(in Chinese)

[7] 邵芳丽，余新晓，宋思铭，赵阳.天然杨-桦次生林空间结构特征[J].应用生态学报，2011，22(11):2792-2798.

SHAO F L,YU X X,SONG S M,ZHAO Y.Spatial structural characteristics of naturalPopulusdavidiana-Betulaplatyphyllasecondary forest[J]．Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(11):2792-2798.(in Chinese)

[8] 张吕醉，王孝安，郭华，等.辽东栎林林隙特征及其对群落更新的影响[J].生态学杂志，2008，27(11):1835-1840.

ZHANG L J,WANG X A,GUO H,etal.Gap characteristics and its effects on community regenerartion ofQuercusliaotungensisforest on loess Plateau[J].Chinese Journal of Ecology,2008,27(11):1835-1840.(in Chinese)

[9] 刘足根，朱教君，袁小兰，等.辽东山区次生林主要树种种群结构和格局[J].北京林业大学学报，2007，29(1)：12-18.

LIU Z G,ZHU J J,YUAN X L,etal.On the structure and patterns of major tree species populations of secondary forests in the montane regions of eastern Liaoning Province[J].Journal of Beijing Forestry University,2007,29(1):12-18.(in Chinese)

[10] 胡理乐，毛志宏，朱教君，等.辽东山区天然次生林的数量分类[J].生态学报，2005，25(11):2848-2854.

HU L L,MAO Z H,ZHU J J,etal.Classification and ordination of secondary forests in montane zone of eastern Liaoning Province[J].Acta Ecolgica Sinica,2005,25(11):2848-2854.(in Chinese)

[11] 王晓春，王金叶，江泽平.甘肃小陇山次生林经营技术研究[J].西北林学院学报，2008，23(3):142-146.

WANG X C,WANG J Y,JIANG Z P.Stdieson the secondary forest management techniques in the Xiaolongshan mountainsin Gansu Province [J].Journal of Northwest Forestry University,2008,23(3):142-146.(in Chinese)

[12] 李金良，郑小贤.水源林经营目标与经营原则体系研究[J].西北林学院学报,2007,22(6):157-160.

LI J L,ZHANG X X.Study on the management objectives and principles of watershed forests[J].Journal of Northwest Forestry University,2007,22(6):157-160.(in Chinese)

[13] 靳芳，鲁邵伟，余新晓，等.中国森林生态系统服务功能及其价值评价[J].应用生态学报，2005，16(8):1531-1536.

JIN F,LU S W,YU X X,etal.Forest ecosystem service and its evaluation in China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2005,16 (8):1531-1536.(in Chinese)

[14] 国家林业局.中华人民共和国林业行业标准 森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721-2008)[S].北京：中国林业出版社，2008.

[15] 雷静品，江泽平，袁士云.甘肃小陇山次生林多目标经营研究[J].西北林学院学报，2008，23(6) :182-186.

LEI J P,JIANG Z P,YUAN S Y.Research on the multi-objective management of the secondary forest in Xiaolong mountains[J].Journal of Northwest Forestry University,2008,23(6):182-186.(in Chinese)

[16] 玉宝，张秋良，王立明,等.天然林多目标经营研究现状及趋势[J].西北林学院学报，2015，30(1):189-195.

YU B,ZHAN Q L,WANG L M,etal.Research status and trend on multifunctional management of naturai forest[J].Journal of Northwest Forestry University,2015,30(1):189-195.(in Chinese)

[17] 毕刚蕊，殷鸣放，谭希斌，等.基于近自然度评价的柞树天然次生林近自然经营的探讨[J].林业实用技术，2011(5):18-20.

[18] 丁国泉，许继中.辽东山区天然次生林林分直径分布模型研究[J].林业资源管理，2012(5):94-97.

DING G Q,XU J Z.Study on the stand diameter distribution model of the natural secondary forests in the mountainous areas of eastern Liaoning[J].Forest Resources Management,2012(5):94-97.(in Chinese)