采伐对东北温带次生林土壤氮矿化的长期影响1)

王嗣奇 陈洪连 孙海龙 冯晨辛 孙昶

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

To explore the long-term effect of harvest intensities on soil nitrogen mineralization of the secondary forests in the northeast of China (including forestation after clear cutting; 50% of the stand volume removed; 25% of the stand volume removed; control) by using ion exchange resin core method, the seasonal change of soil net N mineralization rate and net nitrification rate in the depth of 0-10 cm were investigated in the typical secondary hardwood forest, which have been harvested with different intensities for 8 a. The results showed there was no significant difference in the average net N mineralization rate and net nitrification rate among the treatments (P>0.05). The net N mineralization rate was positively correlated with soil temperature and water content in all the treatments (P<0.01). There was no significant difference in soil temperature, water content and organic carbon content among different treatments (P>0.05). These findings suggest that soil temperature, water content and organic carbon content caused small differences in net N mineralization and nitrification rates among all treatments.There was no significant difference in soil average contents between harvesting treatments and control (P>0.05). However, the average content of forestation after clear cutting was significantly lower than the others, which was probably resulted from the preference of absorbing by Larix gmelini. Soil was the dominant form in mineral N with the proportion of 49.25%-81.52%. There was no significant difference in the ratio of to mineral N among all treatments (P>0.05). These results showed that after being harvested for 8 a, the risk of soil nitrogen loss was decreased significantly in the typical secondary hardwood forests.

树木生长所需要的无机氮主要来自于土壤有机氮的矿化，通常没有干扰的森林土壤具有较低的净氮矿化速率[1-2]。森林采伐常常引起土壤温度、湿度和有机质质量分数增加，导致土壤净氮矿化速率升高，增加土壤无机氮的生产，并引起氮流失[3-4]。如Wilhelm et al[5]以栎类为优势的林分研究发现，皆伐后1 a土壤净氮矿化速率显著增高。由于采伐后林地土壤有机质的数量、质量和微生物活性均随时间而变化，故土壤无机氮的矿化也将随着采伐后时间的推移而发生改变。一些研究认为，采伐后随着时间的推移，林地上新的植物取代了原有的林窗或空地，林地环境逐渐恢复到采伐干扰之前，土壤净氮矿化速率和无机氮质量分数也逐渐恢复到采伐之前[6-7]。Fernández et al[8]对二代蓝桉(Eucalyptusglobulus)皆伐的长期影响研究结果显示，伐后18个月净氮矿化速率和无机氮质量分数显著增加；而伐后11 a土壤净氮矿化速率和无机氮质量分数与未采伐林分相比已无显著差异。然而还有一些研究认为，采伐干扰会长期影响土壤无机氮的矿化过程。如Simard et al[4]对皆伐后14 a和21 a的北方森林研究表明，土壤无机氮质量分数均显著高于未采伐的林分。这表明采伐对土壤无机氮生产的影响长达21 a之久。森林采伐后土壤无机氮生产的长期增加，将加大森林生态系统无机氮的流失，并进一步导致河流污染。

在我国东北温带地区，采伐是主要的森林经营措施之一。森林采伐在获得木材的同时，也严重地干扰了森林氮循环。到目前为止，国内许多研究主要关注皆伐或间伐后短期内氮矿化的变化[8-11]，较少研究采伐后土壤氮矿化长期的变化规律，而关于不同强度采伐对土壤氮矿化长期的影响研究则更少[12]。本文以东北温带帽儿山地区的典型次生林为对象，通过不同强度采伐处理，探讨采伐干扰对东北温带次生林土壤氮矿化的长期影响，并为确定可持续的森林经营措施提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省尚志市的东北林业大学帽儿山实验林场，地理坐标为东经127°30′～127°34′，北纬45°23′～45°26′。该地位于长白山系张广才岭西坡，地貌类型为低山丘陵，平均海拔约300 m，坡度一般6°～15°。该地区属温带大陆性季风气候，年平均气温2.8 ℃，≥10 ℃积温为2 638 ℃，年降水量约723 mm，且主要集中于7、8月份，年平均蒸发量1 094 mm，无霜期为120～140 d。该地区地带性土壤为暗棕壤，非地带性土壤主要有白浆土、草甸土和沼泽土。原地带性顶级群落为红松(Pinuskoraiensis)阔叶林，后经反复破坏退化为以阔叶树为主的天然次生林，主要有山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)等组成的软阔叶林，水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)等组成的硬阔叶林，紫椴(Tiliaamurensis)、五角槭(Acermono)和春榆(Ulmuspropinqua)等组成的杂木林、以及蒙古栎(Quercusmongolica)林。

2 研究方法

2.1 实验设计

在东北林业大学帽儿山实验林场的新垦7林班和北林12林班，选择典型的次生杂木林进行采伐实验。采伐处理包括：皆伐后造林(ZL)、50%强度采伐(CF1)、25%强度采伐(CF2)、对照(CK)。采伐于2006年冬季进行，每个处理重复3次，伐后将采伐剩余物均匀铺于地表，每个重复小区面积为0.36 hm2(60 m×60 m)。皆伐迹地于2007年春栽植落叶松(Larixolgensis)2年生幼苗，造林密度为1.5 m×2.0 m。至2014年调查时，皆伐后栽植的落叶松人工林郁闭度为0.85，平均胸径为8.42 cm，平均树高为6.4 m。

2.2 土壤氮矿化测定

于2014年5月在每个采伐处理小区的中心部位设置20 m×20 m的样地，在样地内按对角线法布设5个样点，采用交换树脂芯法测定土壤净氮矿化速率[13]。试验布设时先移除地表凋落物，然后将PVC管(内径7 cm，高20 cm)垂直打入土壤12 cm深，取出后将PVC管底部2 cm土壤去除，在管子底部和顶部各放入1个混合交换树脂袋(732#树脂和717#树脂各10 g)，再将PVC管放回原位置。同时，在PVC培养管附近用同样大小的钢管取1～10 cm的土壤，低温保存带回实验室测定硝态氮和铵态氮，作为培养初始值。土壤铵态氮、硝态氮采用2 mol·L-1KCl浸提法。过筛(2 mm)后的鲜土按m(鲜土质量)∶V(水)=1 g∶6 mL加入KCl溶液，常温振荡1 h(200 r·min-1)后过滤，浸提液用连续流动分析仪测定。野外试验从5月初至11月初，共6个培养阶段，每月初取出PVC管内的土壤和混合树脂袋，并开始下个月的原位培养。每次PVC培养管内土壤和管底端交换树脂的无机氮之和与培养初始值的差值为该阶段的矿化量，土壤净氮矿化速率、净硝化速率按如下公式计算：

Nmin=(Ct-Ct0)/(t-t0)，

2.3 土壤温度、含水量及理化性质的测定

将温度记录仪埋于土壤5 cm处，每隔1 h，记录仪自动记录温度值。每月月中用土钻取0～10 cm的土壤用铝盒烘干法测定含水量。将试验开始时采集的样品带到实验室风干后，用元素分析仪测定土壤全碳、全氮的质量分数，采用电位法测定土壤pH值。并于实验初期采用环刀法测定土壤密度。土壤基本理化性质测定结果见表1。

表1 不同采伐处理后8 a的土壤理化性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同小写字表示各处理差异显著(P<0.05)。

2.4 数据处理

采用SPSS18.0软件对数据进行单因素方差分析和相关分析，利用LSD法进行多重比较，采用Sigmaplot10.0软件辅助作图。

3 结果与分析

3.1 不同采伐处理对土壤铵态氮和硝态氮质量分数的影响

在生长季各采伐处理土壤铵态氮质量分数随季节发生较大的变化(表2)。各处理土壤铵态氮质量分数最低值均出现在5月初，6月初达到第1次高峰，7月初降低，8—9月出现第2次高峰也是生长季的最高值，随后10—11月又逐渐降低。整个生长季各处理土壤铵态氮平均质量分数由大到小为：50%强度采伐(6.25 mg·kg-1)、CK(6.22 mg·kg-1)、25%强度采伐(6.00 mg·kg-1)、皆伐后造林(5.13 mg·kg-1)。经检验，皆伐后造林处理土壤铵态氮平均质量分数显著低于50%强度采伐、25%强度采伐和CK处理(P<0.01)，而50%强度采伐和25%强度采伐处理与CK差异不显著(P>0.05)。

在生长季各采伐处理土壤硝态氮质量分数随季节亦发生较大的波动(表3)，较大值分别出现在6月初和8月初，较小值分别出现在5月初、7月初和10月初。整个生长季各处理土壤硝态氮平均质量分数由大到小为：25%强度采伐(11.07 mg·kg-1)、皆伐后造林(10.99 mg·kg-1)、50%强度采伐(10.42 mg·kg-1)、CK(9.51 mg·kg-1)。经检验，各采伐处理土壤硝态氮平均质量分数与CK无显著差异(P>0.05)。

表2 不同采伐处理0～10 cm土壤铵态氮质量分数月际变化

注：表中数据为平均值±标准差。

表3 不同采伐处理0～10 cm土壤硝态氮质量分数月际变化

注：表中数据为平均值±标准差。

生长季各处理土壤总无机氮(硝态氮+铵态氮)平均质量分数由大到小为：25%强度采伐(17.07 mg·kg-1)、50%强度采伐(16.68 mg·kg-1)、皆伐后造林(16.12 mg·kg-1)、CK(15.73 mg·kg-1)，经检验，各采伐处理土壤无机氮平均质量分数与CK无显著差异(P>0.05)。

在生长季的大多数月份，不同采伐处理土壤无机氮均以硝态氮为主，但硝态氮占无机氮的比例在不同月份波动较大(表4)。所有处理均在5月初最高(75.6%～81.5%)，之后逐月下降，10月初降至最低(49.3%～51.0%)，11月初又略有上升。整个生长季土壤硝态氮占无机氮的比例平均值由大到小为：皆伐后造林(67.30%)、25%强度采伐(64.99%)、50%强度采伐(62.95%)、CK(62.74%)，各采伐处理土壤硝态氮占无机氮的比例平均值与CK无显著差异(P>0.05)。

表4 不同采伐处理土壤硝态氮占无机氮的平均比例

3.2 不同采伐处理对土壤净氮矿化速率和净硝化速率的影响

生长季各处理土壤净氮矿化速率随季节波动较大，呈春(5—6月)、秋(9—10月)较低，夏季(7—8月)较高的变化趋势(表5)，最大值出现在7月份。生长季各处理土壤净氮矿化速率平均值由大到小为：25%强度采伐(0.215 mg·kg-1·d-1)、50%强度采伐(0.209 mg·kg-1·d-1)、皆伐后造林(0.204 mg·kg-1·d-1)、CK(0.200 mg·kg-1·d-1)，经检验各处理间差异不显著(P>0.05)。

表5 不同采伐处理土壤0～10 cm净氮矿化速率月际变化

注：表中数据为平均值±标准差。

生长季各处理土壤净硝化速率总体表现5—6月较低，7月最高，8—10月略有降低的变化趋势(表6)。生长季各处理土壤净硝化速率平均值由大到小依次为：皆伐后造林(0.199 mg·kg-1·d-1)、25%强度采伐(0.170 mg·kg-1·d-1)、50%强度采伐(0.169 mg·kg-1·d-1)、CK(0.160 mg·kg-1·d-1)。经检验，各采伐处理土壤净硝化速率差异不显著(P>0.05)。

表6 不同采伐处理土壤0～10 cm净硝化速率月际变化

注：表中数据为平均值±标准差。

3.3 土壤净氮矿化速率与温度和含水量的相关性

生长季各处理5 cm深处土壤温度变化一致(表7)，表现为春、秋两季较低，夏季较高，最高值均出现在7月，最低值均出现在10月。生长季各处理土壤温度均无显著差异(P>0.05)。相关分析表明，土壤温度与土壤净氮矿化速率呈显著正相关(P<0.01)，与土壤净硝化速率相关不显著(P>0.05)。

表7 不同采伐处理5 cm土壤温度的月际变化

生长季各处理0～10 cm土壤含水量变化相似，各月份波动较大(表8)，5月含水量出现第1次峰值，6月降至最低值，7月出现第2个峰值，随后8—10月逐渐降低。经检验，各处理土壤含水量差异不显著(P>0.05)。相关分析表明，土壤含水量与土壤净氮矿化速率呈显著正相关(P<0.01)，与土壤净硝化速率相关性不显著(P>0.05)(表9)。

表8 不同采伐处理0～10 cm土壤含水量的月际动态

表9土壤温度和含水量与净氮矿化速率和净硝化速率相关分析

土壤特性净氮矿化速率R2P净硝化速率R2P土壤温度0.44060.00040.09030.1538土壤含水量0.35540.00210.09300.1474

4 结论与讨论

本研究不同采伐处理次生林的土壤净氮矿化速率范围为(-0.02～0.79 mg·kg-1·d-1)，大于Westbrook[14]对安大略针叶林的测定范围(-0.05～0.03 mg·kg-1·d-1)，可能由于Westbrook测定生长季某一时间段有关，但与苏波等[15]对东灵山暖温带油松辽东栎混交林的研究结果相似(-0.19～0.68 mg·kg-1·d-1)。

在本研究的温带次生林中，不同强度采伐处理后8 a，土壤净氮矿化速率和净硝化速率与未采伐的对照差异不显著(P>0.05)，这与陈洪连等[11]在同一林分于采伐后2 a测定的土壤净氮矿化速率和净硝化速率显著高于对照的研究结果不同。森林采伐后导致土壤净氮矿化速率或净硝化速率增加，主要是由于采伐引起了土壤温、湿度增高，以及增加了来自采伐剩余物和死亡根系中易分解有机物的利用[16]。根据陈洪连等[11]的测定，本林分在采伐后2 a各采伐处理的土壤含水量增加，同时采伐剩余物和死亡根系短期内的大量输入，也引起土壤有机质增加，从而导致土壤净氮矿化速率和净硝化速率升高。但在采伐后8 a，随着时间的推移，采伐后造林、50%强度采伐和25%强度采伐处理土壤含水量和土壤有机质含量与对照已均无显著差异。在采伐后2 a，采伐处理的土壤含水量高于对照是因为采伐减少了树冠蒸腾。但采伐后经过8 a的生长，50%和25%强度采伐处理树冠已逐渐得到恢复，而且采伐后造林处理新形成的落叶松林分也已经郁闭，此时各采伐处理的树冠蒸腾与对照可能已基本相近，从而导致土壤含水量无显著差异。同时尽管各采伐处理在采伐后2 a因大量剩余物归还，使得土壤有机质含量短期增加[11]，但因采伐后一方面地表凋落物分解速率加快，另一方面凋落物的归还数量减少，这将导致地表有机质层的数量逐渐下降，随着时间的推移使得各采伐处理在伐后8 a时，土壤有机质含量逐渐接近未采伐的林分。本研究的各采伐处理均未引起土壤温度明显增加，主要是由于采伐后的剩余物平铺于地表形成遮光层，使太阳光照不能直接照射到土壤，导致土壤升温不明显。Dannenmann et al.[6]对欧洲山毛榉(Fagussylvatica)、以及Fernández et al.[8]对蓝桉(Eucalyptusglobulus)的研究表明，这两个树种的林分均在采伐后2 a土壤净氮矿化速率出现增加，并且欧洲山毛榉在采伐后6 a，蓝桉在采伐后11 a土壤净氮矿化速率与未采伐林分已无显著差异，这与本研究测定的不同强度采伐对土壤净氮矿化速率的影响结果相似。但Simard et al[4]对皆伐后21 a的北方森林研究表明，土壤无机氮质量分数均显著高于未采伐的林分，这表明本研究的次生林在受到采伐干扰后土壤净氮矿速率能够在相对较短的时间内得到恢复。

在不同强度采伐处理后8 a，生长季各处理的土壤平均硝态氮质量分数无显著差异，但生长季土壤平均铵态氮质量分数在皆伐后造林处理却明显低于50%强度采伐、25%强度采伐及对照。各处理土壤中的铵态氮和硝态氮质量分数差异主要是由净氮矿化速率、净硝化速率及植物吸收的不同引起[17-19]。根据我们的测定，本研究的各处理间土壤净氮矿化速率和净硝化速率均无显著差异。皆伐后造林处理与其他处理不同的是皆伐后营造了落叶松，这导致该处理的林分树种组成与其他处理完全不同。有研究表明落叶松为喜铵树种，其在生长过程中以吸收铵态氮为主[20-21]。傅民杰[22]对同一地区4种森林类型土壤氮动态的研究也发现，落叶松林的铵态氮质量分数为4种林型中最低，可能是在皆伐后造林处理因落叶松对铵态氮的大量吸收，导致了该处理土壤铵态氮质量分数明显下降。然而落叶松对铵态氮的大量吸收将减少硝化作用的底物，进而降低硝态氮的生产。但实际测得的皆伐后造林处理硝态氮质量分数并未出现明显降低，这可能是落叶松在吸收大量铵态氮的同时，也减少了硝态氮的吸收，并以此作为对硝态氮生产减少的“补偿”。不同强度采伐处理对土壤硝态氮占无机氮的比例影响不显著，这与陈洪连等在采伐后2 a测定的各采伐处理土壤硝态氮占无机氮比例均明显高于对照的结果不同[15]。这说明采伐后经过8 a的恢复，土壤氮素流失的风险已明显降低。

东北温带的次生杂木林经过不同强度采伐处理后8 a，各采伐处理与未采伐林分的土壤含水量、土壤温度以及土壤有机碳含量均无显著差异，采伐后随着林地环境的恢复各采伐处理的土壤净氮矿化速率和净硝化速率与未采伐林分已无显著差异。

在东北温带的次生杂木林，经过50%强度采伐和25%强度采伐处理后8 a，土壤平均硝态氮质量分数与平均铵态氮质量分数与未采伐的林分无显著差异；当皆伐后营造落叶松，导致林地土壤平均铵态氮质量分数显著下降，但对土壤平均硝态氮质量分数无明显影响。经过不同强度采伐干扰后8 a，东北温带次生杂木林的土壤氮素流失风险已明显降低。