间伐对杉木人工林凋落物-土壤碳氮磷含量及储量的影响

黄凤生，袁健军，余雪琴

（1.浙江省开化县林业局，浙江 开化 324300；2.浙江诚川建设有限公司，浙江 杭州 311400；3.浙江省开化县林场，浙江 开化 324300）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是生态系统最主要的3 种元素，与植物结构及生长密切相关[1-3]。植物生长所需大部分养分来自土壤，土壤对植物生长具有调节作用[4-5]。植物光合作用固定的C 以凋落物分解的形式输入到土壤中，使得土壤C 得到补给。凋落物分解是连接植被和土壤的纽带，人工林经营管理影响凋落物输入和输出过程[6-7]。因此，森林经营管理往往导致凋落物-土壤养分含量的时空变化以及C，N 和P 生态化学计量关系的变化[8-9]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我国亚热带地区最主要的用材树种之一，不仅生长快，而且材质优良，栽培面积大，占现有人工林面积的19.01%，在木材生产和生态安全中发挥着重要作用。间伐是主要的人工林经营技术措施之一，通过降低林分密度，改善林分结构和种间关系，减小树木间的竞争，促进保留木的生长[10]。森林凋落物是土壤养分的主要来源，对于维持森林生态系统养分平衡至关重要[11]。已有研究表明，间伐改变了林内微环境，进而影响地上、地下凋落物的产量、质量和分解[12-14]。抚育间伐可以促进凋落物分解，是缓解针叶凋落物过分积累的主要措施之一。油松Pinus tabuliformis人工林间伐后叶凋落物分解速率可提高0.15%～ 1.87%，养分归还量可提高2.87～ 3.64 倍[15]。此外，由于间伐改变了土壤养分的循环过程，对土壤碳储量及养分含量有重要影响[8]。但是，目前多数研究主要关注间伐后短期内凋落物分解和土壤质量的变化，而间伐对凋落物-土壤C，N 和P 的储量及其生态化学计量关系的长期影响则知之甚少。本研究在浙江省开化县林场以间伐7 年后的杉木人工林为研究对象，研究不同间伐处理对凋落物和土壤C，N 和P 含量、储量及其生态化学计量关系的影响，为杉木人工林养分循环过程研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在浙江省开化县林场，118°25′ E，29°09′ N，属亚热带季风气候，年平均气温16.4℃，年平均降水量1 814 mm，无霜期252 d，年日照总时数1 334.1 h，海拔 180～ 300 m。土壤为红黄壤，pH 值在4.2～ 4.7。林场森林总面积1.26 万hm2，主要以经营杉木为主，杉木人工林面积占林地总面积的60%以上。

供试林分为1996 年采用杉木优良无性系营造的纯林，初植密度为2 500 株·hm-2，造林后前3 年每年抚育2次。2003 年进行1 次抚育间伐（间伐强度约15%）。2010 年进行第2 次间伐，分别设置轻度间伐（18%间伐强度，LT，以株数计，下同）、中度间伐（32%间伐强度，HT）和不间伐（CK）3 种处理，每种间伐处理小区面积20 m×20 m，3 次重复，共9 个小区，所有试验位于同一坡面，试验小区立地条件基本一致。2017 年11 月每木检尺小区内杉木树高和胸径。结果显示，CK，LT 和HT 的保留密度分别为1 805，1 436 和1 102 株·hm-2，平均树高分别为16.1，16.3 和16.7 m，平均胸径分别为18.5，18.9 和20.2 cm。

1.2 数据收集和分析

2017 年11 月，在每块样地内随机设置1 m×1 m的样方5 个，收集样方内所有凋落物，称鲜质量后，取一部分凋落物样品带回实验室用于含水量和化学性质测定。同时在每块样地内采用直径4 cm的土钻，采集0～ 20 cm土层土壤样品，每个样地内随机采集6～ 8 个样点的土样，同一样地土样混合后作为一个混合样。土样经自然风干后，用于土壤化学性质测定。每个样地内采用环刀取3 个样品，用于土壤容重测定。凋落物有机碳（litter organic carbon，LOC）和土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，总氮（total nitrogen，TN）采用凯氏定氮法测量，总磷（total phosphorus，TP）用钼蓝比色法，土壤易氧化有机碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）采用高锰酸钾氧化法测定，水解氮（Hydrolyzed nitrogen，HN）采用碱解扩散吸收法，有效磷（available phosphorus，AP）用钼锑抗比色法[16]。

单位面积凋落物C，N 和P 储量用样方内元素含量乘以面积进行计算，土壤C，N 和P 储量计算公式为：

式中，S为C，N 或P 储量；A为C，N 或P 含量；ρ为土壤容重；D为土层深度。

不同间伐处理之间凋落物和土壤C，N 和P 含量及其储量的差异采用SPSS 22.0 的单因素方差分析检验，并进行Duncan 多重比较。

2 结果与分析

2.1 凋落物和土壤的LOC，SOC，TN，TP 含量及储量的变化

由表1 可知，地表凋落物生物量随间伐强度增大呈增加趋势，但不同间伐处理之间凋落物生物量之间没有显著差异（P>0.05）；凋落物LOC，TN，TP 含量及其储量在不同间伐处理之间也没有显著差异（P>0.05）。

表1 杉木林不同间伐处理凋落物的生物量，LOC，TN，TP 含量及储量Table 1 Biomass,content and storage of LOC,TN and TP of C.lanceolata litter under plantations with different thinning intensities

由表2 可知，土壤容重随间伐强度增大逐渐降低，LT 与CK 之间土壤容重没有显著差异（P>0.05），HT处理土壤容重比CK 降低了9.7%（P<0.05）。土壤SOC 含量随间伐强度增加逐渐增大，仅HT 处理的土壤SOC含量显著高于CK（P<0.05）。土壤SOC 储量、TP 含量及其储量在不同间伐处理之间差异不显著（P>0.05）。土壤TN 含量及其储量随间伐强度增大而增加，LT 和HT 处理土壤TN 含量分别比CK 增加了35.7%和55.5%，土壤TN 储量分别比CK 增加了30.2%和40.7%；仅HT 与CK 之间具有统计上的显著差异（P<0.05）。

表2 杉木林不同间伐处理土壤SOC，TN，TP 含量及储量Table 2 Content and storage of SOC,TN and TP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

土壤ROC，AP 含量及其储量在不同间伐处理之间差异不显著（P>0.05）（表3）。土壤HN 含量及其储量随间伐强度增大而增加，LT 和HT 处理的土壤HN 含量分别比CK 增加了28.9%和45.4%，土壤HN 储量分别比CK 增加了23.7%和32.3%；仅HT 处理与CK 之间具有统计上的显著差异（P<0.05）。

表3 杉木林不同间伐处理的土壤ROC，HN，AP 含量及储量Table 3 Content and storage of ROC,HN and AP in the soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

2.2 凋落物和土壤中的C，N，P 的生态化学计量学特征

由图1 表明，凋落物的OC/TN，OC/TP 和TN/TP 在不同间伐处理之间没有显著差异（P>0.05）。SOC，TN和TP 的计量关系在不同间伐处理之间也没有统计上的显著差异（P>0.05）。由图2 表明，土壤ROC/HN 随间伐强度增大逐渐降低，HT 处理的ROC/HN 与CK 之间差异显著（P<0.05）；HN/AP 则随间伐强度增大逐渐增加，HT 处理的HN/AP 与CK 之间差异显著（P<0.05）；ROC/AP 在不同间伐处理之间差异不显著（P>0.05）。

图1 杉木林不同间伐处理凋落物和土壤C，N 和P 含量的计量关系Figure 1 Stoichiometry of C,N,and P content in litter and soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

图2 杉木林不同间伐处理土壤ROC，HN 和AP 含量的计量关系Figure 2 Stoichiometry of ROC,HN,and AP in soil under C.lanceolata plantations with different thinning intensities

3 结论与讨论

间伐降低了林分密度，改变了林分空间结构，从而影响凋落物分解和土壤养分循环[12]。本研究发现，间伐7 年后，地表凋落物生物量，C，N 和P 元素含量及储量在不同间伐处理之间没有显著差异。已有研究表明，间伐后林木株数减少，冠层郁闭度降低，短期内提高了地表温度，有助于凋落物的分解[11-12]。间伐后的林分，林木个体之间竞争减小，保留木快速生长，通过一段时间恢复，林分凋落物输入量逐渐接近未间伐林分，因而导致凋落物生物量与未间伐林分之间没有差异。凋落物养分含量（如C/N，N/P 等）主要取决于凋落物的组成，间伐7 年后的林分地表凋落物与未间伐林分凋落物组成类似，均以杉木叶、枝为主，这可能是导致不同间伐处理凋落物养分含量没有显著差异的主要原因。但是，丁晓东等[7]对华北落叶松Larix gmeliniivar.principis-rupprechtii人工林间伐试验发现，50%间伐处理的林分6 年后凋落物生物量增加了17.25%，TN 含量增加了31.94%。李国雷等[15]的研究也表明，间伐可显著提高油松凋落物TN 含量，降低木质素和粗脂肪含量，从而促进油松凋落物的分解。这些不同的研究结果可能与树种、间伐强度、间伐后持续时间等因素有关。

本研究结果表明，土壤SOC，ROC，TP 和AP 含量及其储量在不同间伐处理之间差异不显著，但土壤TN和HN 含量及其储量随间伐强度增大显著增加。陈立新和陈祥伟[6]的研究也表明，落叶松人工林间伐15 年间，土壤有机质、TN 和TP 含量是未间伐处理的3.52 倍、2.25 倍和1.35 倍。刁娇娇等[10]研究发现，杉木间伐7 年后，强度间伐、中度间伐和轻度间伐处理土壤层C 储量高于对照，尤其是轻度间伐土壤层C 储量增幅最大。于海群等[17]研究表明，油松人工林随间伐强度增大，土壤SOC 含量逐渐增加。这些研究认为间伐后土壤SOC 含量及储量的增加主要是林下植被改变和凋落物分解速率增加，促进了土壤SOC 的输入和积累。本研究不同间伐处理之间土壤C，P 的储量没有差异，可能与间伐后林木快速生长，不同间伐处理之间凋落物输入量接近有关。

尽管土壤TN含量显著增加，但土壤SOC，TN及TP之间比值在不同间伐处理间并没有显著差异。土壤SOC，TN 及TP 之间化学计量关系保持较小的变异，可能与间伐后土壤C，N 和P 元素变化具有协同作用有关。研究表明，不同区域土壤C/N 具有较大的空间变异性，但C/N 在积累和消耗过程中具有相对稳定的比值[18]。ROC/HN随间伐强度增大逐渐降低，HN/AP 则随间伐强度增大逐渐增加，这也减少了土壤N 的矿化。由此可见，间伐7年后，杉木凋落物和土壤OC，TN 和TP 的生态化学计量关系不受间伐处理的影响，但中度间伐处理土壤C，N和P 速效组分生态化学计量发生显著变化。