亚热带地区不同森林经营方式对氮输出的影响

张文强，杨智杰，胥 超，李若南，王全成

(1.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007； 2.福建师范大学 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350007)

当前我国人工林经营规模不断扩大，2016年人工林面积已达6 933万hm2，其中南方地区人工林面积占比为42%[1]。但南方地区山高、坡陡、雨大等自然特点，以及不合理的森林经营方式(皆伐、炼山、整地等)，加剧了该区的水土流失和养分损失[2]。氮作为主要的土壤养分，在维持土壤生产力、供给植被生长等方面起着重要作用，而不同森林经营方式直接影响林内环境因素，从而影响森林氮流失形态和过程。与次生林相比，人工幼林郁闭度低，林内光照强、温度高，微生物活性强，土壤氮素矿化、硝化速率高，加之南方地区的气候特点是雨热同期，雨季土壤含水量经常处于饱和状态，极易产生径流[3]。有研究指出，炼山造林后全氮、全磷和全钾的损失量分别为不炼山的22、17和11倍，土壤速效氮含量亦降低24%[4]；相反同炼山造林相比，采取人工促进天然更新的森林经营方式后，不仅水土流失量减少了88%[5]，而且大量剩余物回归地表，增加了土壤表层的有机质含量，促进了土壤改良和森林氮储存，有利于林木生长。当前的研究表明，炼山后养分损失严重，但是针对不同森林更新方式对土壤氮素的影响研究较少，特别是采取人工促进天然更新的森林经营方式后的土壤氮流失变化规律尚不清楚。

近年来，我国南方大面积天然常绿阔叶林被采伐，采用不同的经营方式进行森林更新，形成各种次生林、人工促进天然更新林(简称人促幼林)和皆伐后经营的人工林等森林类型。基于此，本研究选择亚热带地区天然林采伐后形成的米槠次生林、米槠人工幼林、米槠人促幼林为研究对象，探讨了不同森林经营方式下的氮流失差异，旨在为中亚热带森林经营提供科学依据。

1 研究区概况

试验地设在三明市陈大国有林场金丝湾森林公园内的黄坑工区(26°19′N、117°36′E)，平均海拔330 m，属于中亚热带季风气候区，多年平均气温19.1 ℃，无霜期300 d左右，年均降水量1 749 mm，降水主要发生在3—6月份，期间降水量占全年降水量的60%，年均水面蒸发量1 586 mm，年均相对湿度80%。土壤为花岗岩发育的红壤，土壤厚度超过1 m。乔木层优势种为米槠(Castanopsiscarlesii)，其林分密度为2 650株/hm2，平均树高为19.7 m，平均胸径为13.5 cm，其他乔木树种有黧蒴锥(Castanopsisfissa)、木荷(Schimasuperba)等；林下灌木主要由鼠刺(Iteachinensis)、黄瑞木(Adinandramillettii)和山矾(Symplocossumuntia)等构成；草本则以黑莎草(Gahniatristis)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)和毛冬青(Ilexpubescens)等为主。

2 材料与方法

2.1 试验设计

选取米槠次生林内坡向一致、坡度相近的一面坡地作为研究样地(面积约1.14 hm2)，对其进行采伐后以不同经营方式再造林，具体经营方式如下：①米槠人促幼林。2011年12月对原有的米槠次生林进行采伐，采伐时保留米槠幼苗，采伐后将采伐剩余物均匀地平铺在采伐迹地内，之后封禁，任其自然更新。②米槠人工幼林。2011年12月对原有米槠次生林地进行皆伐，然后将采伐剩余物平铺在样地上晾晒，晾干后进行火烧，火烧后进行米槠幼苗种植。观测期间不做施肥处理。

米槠人促幼林和米槠人工幼林的营林面积均为0.36 hm2，每种森林经营模式各设3个重复区域，分布于上、中、下坡地，每个重复面积约为0.12 hm2，在每个重复区域的中心部位建20 m×5 m(顺坡方向×等高线方向)的径流小区。同样，在作为对照的米槠次生林的上、中、下坡位设3个重复的径流小区。不同营林方式下的林分特征和土壤理化性质见表1、2。

表1 不同营林方式下的林分特征

表2 不同营林方式下的土壤理化性质

2.2 样品采集和数据处理

本研究选取2013年3—5月发生的水土流失事件(氮流失量占全年的60%以上)，对每次流失事件的径流进行观测后采样。具体方法为在径流产生后，于次日早上8时进行取样，取样前先测量径流池内径流水的深度以确定径流量，然后搅拌均匀，用1.5 L试剂瓶在径流池内不同位置多点取样，径流样品带回实验室并置于4 ℃环境下待测。

使用SPSS处理3种森林类型的数据，观测期间3

种森林类型的径流量、径流水氮浓度、氮通量之间的差异用重复测量方差分析进行检验(显著性水平设为α=0.05)。

3 结果与分析

3.1 不同森林经营方式的地表径流量

从观测结果和图1可知，在降雨量相同的条件下，观测期间米槠次生林地表径流量为1.3～14.5 m3/hm2，人促幼林地表径流量为1.5～10.1 m3/hm2，二者之间径流量无显著差异(P>0.05)；但是人工幼林地表径流量显著高于次生林和人促幼林(P<0.05)，人工幼林地表单次产流量是次生林的1.8～18.5倍，与人工幼林相比人促幼林地表径流量减少了77.9%～92.6%。

图1 不同森林经营方式的地表径流量

3.2 不同森林经营方式的地表径流氮输出浓度

3.3 不同森林经营方式的地表径流氮输出通量

图2 不同森林经营方式下地表径流氮输出浓度

图3 不同森林经营方式下地表径流氮输出通量

3.4 不同森林经营方式的地表径流氮输出形态

从观测结果和图4可知，米槠次生林、人促幼林和人工幼林的地表径流氮输出形式主要以无机氮为主，无机氮输出比例均大于50%。与次生林相比，人促幼林和人工幼林无机氮输出比例显著增加(P<0.05)，无机氮所占比例由次生林的59.7%增加到82.3%(人工幼林)和68.6%(人促幼林)。

图4 不同森林经营方式下地表径流无机氮输出比例

4 讨 论

4.1 不同森林经营方式对地表径流量的影响

在观测期间发现，相同降雨条件下，人促幼林地表径流量比人工幼林减少了77.9%～92.6%。这是因为：一方面炼山使得枯落物被焚烧，地表裸露，从而使得大量降雨直接形成径流，有研究表明炼山后第一年的地表径流量和土壤流失量分别为不炼山的11和88倍[6]；另一方面，炼山使土壤结构遭到破坏，有研究表明炼山迹地的土壤团聚体破坏率显著高于原生林地，炼山后>5 mm的水稳性团聚体含量减少了37.5%[7]，水稳性大团聚体含量降低后水土流失发生的风险提高。南方山区坡度大，雨量充沛，雨强较大，炼山后林地裸露极易产生严重的水土流失。相反，保留地表采伐剩余物，枯枝落叶不仅可以分散雨水能量，还能增加地表盖度，加大林地表面粗糙度，降低雨水对土壤的溅蚀，减少径流量。赵鸿雁等[8]研究表明，保留凋落物层可以减少88.8%的径流量。以上分析表明亚热带地区在进行森林采伐时，保留采伐剩余物可以有效减少地表径流。

4.2 不同森林经营方式对地表径流氮输出浓度的影响

4.3 不同森林经营方式对地表径流氮输出通量的影响

本研究发现，人工幼林DTN输出通量分别是次生林和人促幼林的20.4和20.8倍。曾杰等[10]在对喀斯特地区土壤养分流失的研究中发现，喀斯特裸地土壤年均氮流失量为47.0 kg/hm2，而牧草地的氮流失量比裸地低64.0%；张兴昌等[11]在黄土高原小流域土壤氮素流失规律的研究中指出，与裸地相比，当植被盖度为60%时土壤氮素输出减少89.3%。对不同区域的研究都发现，维持良好的植被盖度可以有效减少土壤氮流失，因此在皆伐时将采伐剩余物水平堆积而不炼山，保持良好的植被盖度，可以有效地减少幼林地水土流失量，并且可以使土壤氮素保存于采伐剩余物和土壤中，维持土壤地力。我国南方红壤丘陵区受降雨量大、暴雨多、基岩风化程度高、风化壳抗蚀性差、地形破碎、坡度变化大等自然因素影响和人为活动强烈干扰，水土流失范围广。据水利部调查，目前南方红壤丘陵区水土流失总面积13.12万km2，占全区土地总面积的11.12%。因此，在该区选择人工促进天然更新的营林方式具有重要的生态意义。

5 结 论

(1)同炼山造林相比，采取保留采伐剩余物进行人促更新的森林经营方式，可以减少77.9%～92.6%的地表径流量。

(3)不同森林经营方式的氮输出通量也存在显著差异，无机氮是径流氮素输出的主要形式，本研究发现采取人工促进天然更新的森林更新方式，无机氮的输出比例将比炼山造林减少13.7百分点。