抚育间伐对川西柳杉人工林生长和土壤有机碳的影响

龚映匀,王瑞辉,张 斌,刘凯利,董凯丽,刘俊涛,赵苏亚,周钰淮

(中南林业科技大学 林学院,长沙 410004)

柳杉(Cryptomeriafortunei)是川西中高海拔地区适生树种,也是我国亚热带地区速生用材林基地建设的主要造林树种之一[1],据第七次全国森林清查结果,仅四川省的柳杉蓄积量就占全国柳杉人工林蓄积的62.84%[2]。柳杉在川西地区原多作为用材林种植,目前多处于中幼龄阶段,普遍存在树种单一、结构简单、密度过大等问题,进而导致林木生长不良、地力衰退,森林生态和经济效益难以达到预期效果[3]。为适应林业转型和生态建设需要,四川省计划将这些森林转为兼顾用材与生态的兼用林。抚育间伐作为森林经营管理的主要措施之一,能够改变林分内光照、温度和水分等微环境,缓解林木竞争关系,调控“植物-土壤-微生物”整体系统的协同互作关系,是推动人工林生态系统地上-地下生态过程的关键。有关学者研究认为,抚育间伐能够影响森林植被生长[4-6]、土壤理化性质[7]及有机碳储量[8-11]等,从而影响整个森林生态系统的生态效益,而抚育间伐也能够通过影响林木径阶分布格局[12],以此达到大径阶木材生产要求,为社会带来经济效益。在已有研究中,鲜有针对川西地区柳杉进行的抚育间伐研究,本文以川西高海拔柳杉人工林作为研究对象,设置不同间伐强度处理,探究抚育间伐对柳杉人工林生长、林木径阶分布、土壤理化性质及碳储量的影响,综合评价抚育间伐的生态与经济效益,以期为川西高海拔柳杉人工林的科学经营管理、森林质量提升提供参考。

1 研究区概况

研究区位于雅安市雨城区(29°40′～30°14′ N,102°51′～103°12′ E),地处四川盆地西部边缘的邛崃山脉二郎山支脉大相岭北坡,地势西高东低,海拔在1 549～1 569 m之间,属中山地带,坡度10～21°,坡向为东或东南朝向。该区属亚热带季风性湿润气候,年均气温为16.2 ℃,年均降水量约为1 732 mm,森林植被覆盖率高达71.55%[13]。常见植被有柳杉、杉木(Cunninghamialanceolata)、箭竹(Fargesiaspathacea)、冬青(lexchinensis)、鱼腥草(Houttuyniacordata)、双盖蕨(Diplaziumdonianum)、透茎冷水花(Pileapumila)、吉祥草(Reineckiacarnea)、蛇根草(Ophiorrhizajaponica)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

2015年秋,选择林木分布较为均匀且立地条件基本一致的9a生柳杉人工纯林作为研究对象,样地面积均为20 m×30 m,造林初植密度2 850株/hm2,设置4种不同强度间伐处理:对照(CK,0%)、轻度间伐(T1,21.1%)、中度间伐(T2,36.9%)、重度间伐(T3,49.0%),每个处理3个重复,共12个样地。间伐对象主要为IV级木、V级木和部分Ⅲ级木,间伐木全部运出林地,样地基本情况如表1所示。

2.2 样地调查与计算

柳杉胸径采用每木检尺法测定(5 cm起测,样地设置时标记胸径位置,确保每年的测定位置相同),树高利用树高曲线计算(样地设置时标记20株作为树高测定样株,样株树高采用钓鱼竿或测高器测定),蓄积量等指标根据单株材积和株数进行计算,单株材积根据四川省柳杉人工林二元立木材积[14]公式计算,计算公式如下:

V=0.000057173591×D1.8813305×H0.99568845

式中:V为柳杉单木材积(m3)；D为胸径(cm)；H为树高(m)。

表1 样地基本概况

2.3 土样采集与测定

采用环刀法,在各研究样地中选择具有代表性的地段挖3个剖面,按0～20 cm和20～40 cm深度利用100 m3环刀垂直插入各剖面采集土样,每层3个重复,用于土壤孔隙度、容重以及含水率等物理性质的测定[15],随后将各层土壤均匀混合,取大约1 000 g混合土风干、磨碎、过100目筛后用于化学性质的测定分析。

将土样置于105 ℃烘箱中烘干至恒质量后测定其含水率,然后计算容重与孔隙度等物理指标。土壤全氮(TN)采用元素分析仪法[16]；全磷(TP)采用碱熔-钼锑抗比色法[17]；全钾(TK)采用碱熔-火焰光度计法[18]。

土壤有机碳指标包括有机碳含量和有机碳密度,土壤有机碳含量采用重铬酸钾水合热法测定。土壤有机碳密度指单位面积一定深度土层中土壤有机碳的储量,某一土层有机碳密度的计算公式为:

DSOCk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/10

式中:DSOCk为第k层土壤有机碳密度(t/hm2)；Ck

为第k层土壤有机碳含量(g /kg)；Dk为第k层土壤容重(g /cm3)；Ek为第k层土层厚度(cm)；Gk为第k层土层直径大于2 mm石砾所占的体积百分比。

2.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 23.0软件进行数据分析处理,分别采用One-way ANOVE进行方差分析、Shapiro-Wilk检验方法进行正态性检验和Pearson检验方法进行相关性检验。

3 结果与分析

3.1 对林木生长与径阶分布的影响

3.1.1胸径生长量

由表2看出,柳杉胸径年平均生长量T1,T2,T3比CK分别增加了0.77,1.23,1.43 cm,各处理间存在显著差异(P<0.05),胸径年平均生长量排序为T3(1.89)>T2(1.69)>T1(1.23)>CK(0.46)。随间伐强度增加,柳杉胸径年平均生长量呈递增趋势,因为抚育间伐除劣留优,林分长势更佳,且间伐后密度降低,改善林内光照条件,为林木提供了更大的生长空间,使之获得充足阳光与足够养分。

表2 柳杉胸径生长量变化

3.1.2树高生长量

表3可知,间伐处理后的样地树高年平均生长量均与CK处理存在显著差异(P<0.05),但T1,T2和T3处理间的树高年平均生长量差异不显著(P>0.05),故抚育间伐在一定程度上可促进树高生长,但间伐强度的大小对于树高年平均生长量的影响不大。各间伐处理的树高生长量第2年最大,此后趋于平稳。由此可知,抚育间伐短期内对树高生长有一定促进作用,但从长期来看,树高生长主要还受遗传品质和立地条件的影响。

3.1.3林分蓄积增长量

由表4可知,柳杉林分蓄积年增长量抚育间伐样地均大于CK样地,且差异显著(P<0.05),但T1,T2和T3间差异不显著(P>0.05)；抚育间伐后的第2年林分蓄积年增长量最大,而后的增长又趋于平缓。抚育间伐虽可以促进林木胸径和树高生长量增加,但同时也使单位面积立木株数减少,林分蓄积年增长量则取决于两方面之间的平衡。

表3 柳杉树高生长量变化

表4 柳杉蓄积增长量变化

3.1.4林分径阶分布

由图1可知,胸径≥16 cm的单木占比排序为T3(82.35)>T2(71.93)>T1(41.18)>CK(26.63),在T2处理中占比最多的径阶较于CK处理向右推移了3个径阶,而T3处理占比最多的径阶较于CK处理向右推移了3～4个径阶。通过对4种处理的柳杉径阶分布进行正态性检验,发现各处理的径阶分布均不具正态性(P<0.01),这可能是由于林分内大径阶与小径阶林木数量比例不均造成,其中CK和T1处理样地内小径阶林木占比偏多,但T2和T3处理林地内占比更多为大径阶林木。

3.2 对土壤有机碳的影响

3.2.1土壤有机碳含量和碳密度

从图2可以看出,0～40 cm土层有机碳含量均值的大小排序为T2>T3>T1>CK。经方差分析,土壤有机碳含量均值经间伐后林分均与CK存在显著性差异(P<0.05),T1，T2，T3分别为CK的1.30,2.04,1.59倍,T1与T2间存在显著差异(P<0.05),T2与T3之间差异不显著(P>0.05)；0～20 cm土层有机碳含量T2明显高于CK，T1，T3,且存在显著差异(P<0.05)。观测还发现在相同间伐处理下,随土层深度增加,土壤中有机碳含量呈减少趋势。

由图3可知,有机碳密度均值0～40 cm土层排序为T2>T3>CK>T1,其中T2与CK和T1处理之间存在显著差异(P<0.05)；0～20 cm土层排序为T2>T3>T1>CK,T2与其它3种处理均存在显著差异(P<0.05)；20～40 cm土层各处理间差异不显著(P>0.05)。

图1 不同间伐强度对柳杉人工林径阶分布的影响

注:不同小写字母表示不同间伐强度下差异显著(P<0.05)。

注:不同小写字母表示不同间伐强度下差异显著(P<0.05)。

抚育间伐能够显著促进有机碳含量增加,尤其是T2处理的有机碳含量增加最为显著。考虑由于土壤有机碳含量受多种增量因素和减量因素综合影响,在中度间伐下,正面效应更明显,如林木生长旺盛,地被物发育良好,林分具有较优垂直结构,林地温度提升,土壤动物与微生物活动较强,枯落物较多且分解较快等；负面效应较少,如水土流失和土壤侵蚀较弱,间伐本身带走的碳源较少等。

3.2.2土壤理化性质

由表5可知,土壤容重均值和毛管持水量均值0～40 cm土层间伐处理与CK处理存在显著差异(P<0.05)。土壤容重均值T1,T2,T3比CK分别下降了33.33%,31.18%,32.26%；土壤毛管持水量均值T1,T2,T3比CK分别上升了72.53%,53.34%,59.51%。总孔隙度均值0～40 cm土层各处理间差异不显著(P>0.05)。

表5 不同间伐强度下土壤的理化性质

0～40 cm土层营养元素均值,T1,T2,T3与CK相比,土壤TN分别增加了18.62%,51.82%,25.51%；土壤TP分别减少了29.55%,53.41%,38.64%；土壤TK分别减少了47.99%,64.39%,52.92%。3种营养元素均值T2与T3均和CK存在显著差异(P<0.05),各处理均表现为随土层深度的增加而降低的趋势。

抚育间伐能够显著降低土壤容重,增加毛管持水量,但对总孔隙度影响不大；中度和重度间伐后,土壤TN含量显著增高,TP与TK含量则明显降低。主要由于林分密度降低改善了林内光照条件,促进林下植被发育、土壤微生物活动,同时加快枯落物分解,且试验地处高海拔地区,林下植被多为落叶植物,其产生的凋落物可向林地输入大量有机质。间伐后林地土壤的结构得到改善,容重降低、毛管孔隙度增加,TN含量提高,但间伐强度过大时,林木的枯落物减少且分解过快,会减少营养物质的释放与归还量,同时雨水冲刷也会造成部分营养元素流失,如短期内P,K含量降低。

3.2.3土壤有机碳储量与理化性质的相关性

由表6可知,0～20 cm和20～40 cm土层有机碳含量与TN含量呈极显著正相关(P<0.01),与TP含量呈极显著负相关(P<0.01),0～20 cm土层有机碳含量与毛管持水量呈极显著负相关(P<0.01)。

从表7可以看出,0～20 cm土层有机碳密度与TN呈极显著正相关(P<0.01),与TP及毛管持水量呈极显著负相关(P<0.01),与TK及总孔隙度呈显著负相关(P<0.05)；在20～40 cm土层有机碳密度与TN呈显著正相关(P<0.05),与其他指标关系不显著；在0～40 cm土层中,土壤有机碳密度与TN呈极显著正相关(P<0.01),与TP呈极显著负相关(P<0.01),与TK及毛管持水量呈显著负相关(P<0.05)。

表6 土壤有机碳含量与理化性质相关系数

表7 土壤有机碳密度与理化性质相关系数

间伐4年后土壤有机碳含量和碳密度与TN呈显著正相关,表土层达到极显著水平,与TP、TK、总孔隙度和毛管持水量的关系为负相关。由于土壤中的有机碳主要源于林地枯落物与腐殖质的分解,水土流失、土壤侵蚀、抚育间伐等均会造成有机碳的损失,川西中山地区年降雨量大,土壤表层的溶解性有机碳易被带至林地底层或其它水体。间伐驱动下的“植被—土壤—微生物”互作关系是一个复杂过程,适宜的间伐强度可促进植被生长,改善土壤理化性质,促进微生物活动,增加土壤碳储量,使森林生态系统趋于健康稳定,若间伐强度过大,则对微环境造成巨大扰动而产生一系列负面影响,间伐强度过小时,驱动力不足也难以达到预期效果。

4 讨论与结论

4.1 讨论

1) 抚育间伐对柳杉林木生长的促进作用在间伐后的4年间呈“弱—强—弱—弱”的趋势。部分学者对油松(Pinustabulaeformis)、兴安落叶松(Larixgmelinii)等树种的抚育间伐试验也表明,间伐3～5年后林分的平均胸径、树高和蓄积量均显著高于不间伐[19],但不同间伐强度对树高影响差异不明显[20]。总体来看,抚育间伐对胸径生长的促进作用明显。在树高生长方面,多数学者认为其主要受遗传特性和立地条件的影响,与抚育间伐关系不大；对于蓄积量的影响,主要体现在间伐后林木株数的减少,对蓄积量产生失去效应,但胸径生长的增加,对其产生增长效应。抚育间伐对林分生长产生的增长和失去效应还与诸多因素相关[21],研究时需根据不同区域具体情况对应分析,后期仍需进行长期与动态的研究观测。

2) 柳杉林内株数占比随间伐强度的增加向更高径阶集中,表明适当增加间伐强度有利于培育大径阶林木。徐金良等[22]在浙江开化开展了抚育间伐对杉木人工林生长影响的研究,发现间伐后试验地内胸径20 cm 以下径级林木的株数有所降低,而胸径20 cm以上径级林木数量增加；吴建强等[23]对浙江临安26a生杉木人工林进行间伐试验,发现间伐3a后林分内14 cm径阶及以上的林木株数显著高于对照,并认为对干扰木的间伐有利于较大径阶林木的生产。目前，市面上大径阶林木销路较为理想,在实践生产中可考虑适当加重间伐强度,使林分内大径阶林木株数达到更多占比,获得更可观的经济收益。

3) 抚育间伐能够显著促进柳杉土壤有机碳含量和碳密度的增加,且对表土层的促进作用大于心土层,因为间伐后林分中的粗木质残体多存于土表,木栓质与木质素等顽固组分对土壤有机碳的输入增加[24],本试验T2处理的效果最为明显。Nilsen等[25]认为间伐后由于林地内光照增强、土壤温度升高、微生物活性及呼吸速率等都相应变强,土壤有机质的分解与释放速率加快,均会导致林地内土壤碳储量的降低；殷博等[26]以秦岭南坡红桦(Betulaalbo-sinensis)林为对象设置试验,观测发现抚育间伐5a后土壤碳密度几乎不受间伐强度影响,且各强度处理间均无显著差异；孙志虎等[27]以佳木斯市孟家岗林场的长白落叶松(Larixolgensis)人工林为对象进行抚育间伐试验,发现3次15.3%～23.8%的间伐处理下土壤碳库和矿质土壤碳库比CK提高的比例甚至高达12.8%和15.5%,但在高强度处理下,土壤碳储量会低于CK。由此可见,相关研究结果不尽相同,这可能是土壤碳储量受到观测时期、气候条件、林分特征、干扰频次等因素的综合影响,当具体到某一林分时,影响因素的主次发生变化,从而导致试验结果存在一定差异。

4) 抚育间伐能够显著降低土壤容重,增加毛管持水量,但对总孔隙度影响不大,中度和重度间伐能够显著增加土壤TN含量,且随间伐强度增加N含量均值呈先上升后下降趋势,而间伐后土壤TP、TK含量降低。戎建涛等[28]对浙江文成石垟林场的柳杉人工林进行抚育间伐试验,认为间伐会增加土壤容重,且随采伐强度增大而增加；陈蕾等[29]以兴安落叶松林为对象进行间伐试验,发现土壤呼吸速率与容重、TP呈负相关关系,适宜的间伐强度可提高土壤呼吸速率[30],随间伐强度增加,土壤中N,P,K 营养元素质量分数呈先升后降趋势。由于抚育间伐对土壤理化性质的影响与地理位置、土壤类型、林分特征等因素相关,所以研究者们的结论不一,但多数研究表明,适宜的抚育间伐能够降低土壤容重、增大孔隙度,增加土壤有机质含量[31-32],提高土壤肥力[33],改善林内微环境。

5) 间伐4年后的土壤有机碳含量和碳密度与TN呈显著正相关,并在表土层达到极显著水平,与TP、TK、总孔隙度及毛管持水量的关系为负相关。可见,抚育间伐后的林地土壤有机碳含量和碳密度均与土壤中的N,P等营养元素存在相关性,尤其是与TN呈显著正相关,这可能是NH4+和NO3-结合到土壤的有机质骨架中,生成难以被微生物降解的化合物或酚聚合物[34-36],从而促进土壤有机碳的积累。此外,林木年龄、品质与环境条件等,均会对土壤有机碳含量与N,P,K等营养元素的关系产生影响。

4.2 结论

抚育间伐在短期内对柳杉林木胸径、树高及蓄积量均有显著促进作用,与此同时,中度和重度间伐还促进了柳杉人工林的径阶株数占比向更高的径阶集中,抚育间伐能够提高林分表土层的有机碳含量和碳密度,间伐后的土壤有机碳含量和碳密度均与土壤TN、TP存在显著相关性。根据试验结果,考虑到川西高海拔地区柳杉人工林的生态、经济多功能特征,在经营策略上短期内可采取中度间伐以达到更优的综合成效,但对于抚育间伐的长期成效仍需耐心观测及更进一步的研究与探讨。