不同林下植被管理杉木人工林土壤全量养分季节动态

黄樱，费裕翀，路锦，李玲燕，曹光球,2*

（1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350000；2.国家林业和草原局 杉木工程技术研究中心，福建 福州 350000）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国特有的针叶速生用材树种，其面积与蓄积量分别约占我国主要优势人工林树种的四分之一及三分之一［1-2］。长期以来，杉木木材市场供给主要以中小径材为主。随着我国人民生活水平的提高，杉木木材市场需求发生较大变化，大径级木材的市场需求日益增加［3］。为增加杉木大径材的有效供给，近年来，杉木中心产区杉木大径材培育逐渐得到重视，成为目前杉木定向培育研究的一个热点。在杉木大径材培育技术体系中，立地控制是最基础性的技术措施之一。长期以来，由于传统不合理的造林模式，如炼山、纯林种植、连栽等，导致杉木人工林地力及生产力下降，限制了杉木大径材林分的培育。为此，林业工作者以营建杉阔混交林以及保护林下植被等营林措施视为调控杉木人工林土壤质量的重要途径［4］。

林下植被作为森林生态系统的重要组成部分，具有调控林下环境，提升林地土壤养分含量，促进养分有效吸收的作用［5］。目前已有较多学者探究了不同林下植被管理措施对杉木人工林土壤特性的影响，如李佩擎［6］的研究表明林下植被去除降低了杉木人工林土壤真菌数量，不利于凋落物的分解，降低了土壤养分含量；杨承栋等人［7］的研究同样表明通过对林下植被进行抚育能促进杉木人工林土壤养分的有效吸收；费裕翀等人［8］的研究则表明林下植被去除能够提高杉木人工林土壤全磷、水解氮和速效磷含量，但降低了土壤有机质、全钾和速效钾含量。不同林下植被管理对于杉木人工林土壤特性的影响仍有待深入。且上述研究普遍对杉木人工林进行林下植被处理后单次取样的土壤样品进行测定，而不同林下植被具有不同的物候，在各个季节具有不同生长代谢模式，对于林地土壤的影响可能有所不同。因此本研究以杉木大径材培育林为研究对象，在林分内设置林下植被保留和林下植被去除两种管理措施，测定不同季节下的杉木大径材培育林土壤的全量养分含量差异，从而为杉木人工林长期生产力维护提供理论参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省南平市顺昌县洋口国有林场南山工区下林场（东经117°92′—118°64′，北纬26°87′—27°13′），系武夷山脉南部，属低山丘陵区，海拔252～339 m，平均坡度26°～32°。该区年平均气温18.6 ℃，极端最高气温41.4 ℃，极端最低气温-5.8 ℃，年降水量1 600～1 900 mm，年平均蒸发量为1 308～1 587 mm，无霜期277～285 d，光照充足，雨量充沛，属亚热带季风气候。土壤类型为山地红壤，土层深度1 m 以上。

1.2 标准地概况与样品采集

2018年10月在福建省洋口国有林场南元管护站，根据海拔、坡度、坡向等立地条件基本一致的原则，选择林下植被保留和林下植被去除管理措施下的杉木人工林。两种林分造林时间均为1984 年，种苗来源为杉木第1 代种子园的优良家系壮苗，初植密度为2 505 株/hm2，1997 年进行抚育间伐，间伐强度约为50%，保留株数为1 187 株/hm2。间伐后的杉木人工林采取近自然化管理，使林下植被自然演化，减少人为干扰。林下植被保留林分采取近自然化管理至今，林分密度为958 株/hm2，平均树高22.7 m，平均胸径31.9 cm，林下灌木层主要为粗叶榕（Ficus hirta）、杜茎山（Maesa japonica）、大叶紫珠（Callicarpa kochiana）和木荷（Schima superba）等，草本主要为薄盖短肠蕨（Allantodia hachijoensi）、金毛狗（Cibotium barometz）、观音莲座蕨（Angiopteris fokiensis Hieron）和江南短肠蕨（Allantodia metteniana）等，草本层生物量6.7 t/hm2，林下植被总盖度92%；林下植被去除林分自2012 年7 月起，每年进行1 次林下植被清理，林下灌木清除采用割灌机，林下草本采用镰刀手工割除，林分密度为983 株/hm2，平均树高22.3 m，平均胸径30.2 cm。

每种林分类型中分别设置3个20 m×20 m标准地，共设6 个标准地。分别于2019 年春季（3 月）、夏季（6 月）、秋季（9 月）和冬季（12 月）在每块标准地按对角线设置5 个土壤样品采样点（4 个角各1 个，对角线交叉点1 个），去除表层枯枝落叶后，采用环刀取0～20 cm 土层的土壤样品测定化学性质，将同一标准地5 个剖面同一土层的土壤混合，去除石块、根系等杂质，用四分法取1 kg 左右土壤装入自封袋带回实验室，经风干后粉碎过1 mm 和0.25 mm 筛，备用测定化学性质。

1.3 测定方法

土壤全氮和全碳含量采用全自动碳氮分析仪（Elemental Analyzer Vario ELIII，德国）测定。全磷含量测定采用碱熔-钼锑抗比色法，全钾含量测定采用碱熔-火焰光度法，全钙和全镁含量测定采用EDTA络合滴定法，全锰含量测定采用原子吸收分光光度法［9］。

1.4 数据处理

初始数据采用WPS 2012 进行整理统计和作图，采用SPSS 24.0 软件进行Duncan 差异显著性检验和独立样本t检验。

2 结果与分析

2.1 土壤全碳、全氮和全磷季节动态

由图1（不同小写字母指相同季节时不同处理差异显著，不同大写字母代表相同处理下不同季节差异显著（P=0.05），下同。）可知，UP 和UR 处理间土壤全碳含量未有较为一致的规律，且在各季节两者间差异均未达到显著水平，表明不同林下植被管理间土壤全碳含量差异较小。但相比于春季，UP 处理下的夏季和秋季全碳含量显著提高了48.69%和43.45%。

除冬季外，其它季节UP 处理下的土壤全氮含量均高于UR 处理，但两者间差异均未达到显著水平，而冬季UP 处理下的全氮含量相比于UR 则显著降低了15.14%。以各季节来看，UP 和UR 处理下的全氮含量以夏季和秋季较高，但各季节间差异同样未达到显著水平。

各季节土壤全磷含量均呈UR处理高于UP处理，但两者间差异均未达到显著水平。UP 和UR 处理全磷含量均呈冬季＞秋季＞夏季＞春季，其中冬季和秋季全磷含量均显著高于春季。相比于春季，UP 处理下的秋季和冬季全磷含量分别显著提高了3.06%和3.41%，UR 处理下的秋季和冬季全磷含量分别显著提高了2.13%和2.34%。

图1 土壤全碳、全氮和全磷含量季节动态Fig.1 Seasonal dynamics of contents of soil total carbon,total nitrogen and total phosphorus

2.2 土壤全钾、全钙、全镁和全锰季节动态

由图2可知，除秋季外，土壤全钾含量总体以UR处理较高，但差异均未达到显著水平。以各季节来看，UP和UR处理全钾含量以秋季最高，春季最低，但各季节间差异同样未达到显著水平。相比于春季，UP 和UR 处理下的秋季全钾含量显著提高了22.91%和13.05%。

各季节土壤全钙含量均呈UR处理高于UP处理，且差异均达到显著水平。相比于UP 处理，UR 处理下的全钙含量在春季、夏季、秋季和冬季分别提高了20.57%、65.13%、56.20%、76.29%。UP 处理下的全钙含量在各季节间无显著差异，而UR 处理下的全钙含量以冬季最高，春季最低，且差异达到显著水平。

各季节土壤全镁含量均呈UR处理高于UP处理，但差异均未达到显著水平。UP 和UR 处理下的全镁含量以秋季和冬季较高，春季和夏季较低。相比于夏季，UP 和UR 处理下的秋季全镁含量显著提高了68.26%和46.19%。

各季节土壤全锰含量均呈UP处理高于UR处理，其中在冬季两者差异达到显著水平。相比于UR处理，UP处理下的冬季全锰含量显著提高了20.82%。UP和UR 处理下的全锰含量以秋季和冬季较高，春季和夏季较低。

图2 土壤全碳、全氮和全磷含量季节动态Fig.2 Seasonal dynamics of contents of soil total potassium,total calcium,total magnesium and total manganese

3 讨论

杉木人工林生态系统结构相对单一，林地的抗逆性和养分利用率较低，而林下植被因根系的活动、枯落物的分解等生理代谢活动有利于土壤养分积累，减缓土壤质量恶化，提升林分生产力［10-11］。本研究结果表明通过近自然化管理保留林下植被，能够提升土壤的全氮和全锰含量。研究表明杉木人工林氮元素和锰元素都较为缺乏［12-13］，可见林下植被保留有利于土壤其含量的上升。但与氮元素和锰元素不同，林下植被去除下的土壤全磷、全钾、全钙和全镁含量总体高于林下植被保留，与相关研究有所差异，这可能与本研究地处亚热带地区，生产力较高，林下植被去除措施为将林下植被残体原样堆积于林分，提升了土壤养分有关。此外本研究结果表明不同林下植被管理间的土壤全碳差异较小，而吴亚丛等［14］人的研究则表明通过对林下植被进行抚育，显著降低了樟子松（Cinnamomum camphora）人工林土壤有机碳含量。这可能是由于相比于全碳，有机碳含量环境因子的变化十分敏感，故而林下植被管理对其影响较为明显。

学者对土壤养分季节峰值的研究而结论不一，有学者认为夏季水热条件较好，植物生长代谢活动旺盛，土壤养分达到峰值［15-16］。但本地区由于属亚热带地区，春秋季节水热条件可能相对更好，因此如全碳、全镁和全钾在秋季更高。值得注意的是林下植被去除处理下的土壤全磷、全氮和全钙含量在冬季明显升高，这可能与该研究于夏季进行林下植被去除，经过分解且林下植被去除后林分利用量较少，导致冬季土壤养分含量上升。温度和降雨也是影响土壤养分含量的重要气候因子。本实验地区为亚热带季风气候，夏季温度高降雨多，冬季温度低降水少，在本研究中，本地区的杉木人工林各土壤养分主要呈现秋冬季较高，春夏季较低的趋势。这是由于从春季开始本地区的温度持续上升，土壤微生物活性增强，根系分泌物增加导致土壤中的养分含量升高，同时由于秋季杉木枯枝增加，土壤表层的凋落物被微生物分解后经淋溶作用进入土壤，导致土壤养分含量在秋冬季较高。冬季气温降低，土壤干燥含水率下降，土壤微生物活性降低，根系的分泌物减少，凋落物的分解缓慢导致土壤养分含量在冬季开始下降。但是由于冬季气温下降植物生长减缓，为保证第二年的生长，植物将养分从地上部分向下转移，土壤养分积累大于消耗，因此冬季土壤养分含量仍然大于春夏季。而第二年春季气温升高，植物生长加快，根系从土壤吸收大量养分以供地上部分的生长，因此土壤中的养分在春季降低。同时春夏季降雨较多，土壤淋溶作用增加导致土壤中的养分流失较多，因此春夏季的土壤养分含量低于秋冬季土壤养分含量。

目前本研究对各季节下的土壤全量养分进行了测定，但由于形态差异，土壤全量养分需在土壤中转化为可供植物直接吸收利用的形态，如速效磷、水解氮等，在今后的研究中需注重速效养分含量测定，从而更全面反映不同林下植被管理对土壤特性的影响效益。