目标树经营模式对杉木人工林生长及土壤肥力的短期影响

张 辉，蔡一冰，胡亚楠，邹显花,3*，李 明，林开敏，马祥庆

(1.福建农林大学 林学院，国家和草原林业局 杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；2.信阳市林业科学研究所，河南 信阳 464000；3.南昌工程学院，江西 南昌 330099)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国人工林面积最大的用材林树种，分布于秦岭、淮河以南17个省区[1]。杉木具有生长快、材质好、产量高等特点，深受广大杉木产区人民的喜爱[2]。但长期以来不合理的经营措施导致杉木人工林生产力下降等系列问题，制约杉木人工林可持续经营。同时传统杉木经营中的“重栽疏养”，严重影响了优质杉木大径材的培育。因此如何解决杉木人工林地力衰退等生态问题成为当前林业生产中急需解决的重大课题。

大量研究发现，林下套种、密度控制和近自然经营等措施在保持人工林长期生产力方面起到很好效果[3-5]。其中，近自然经营被认为是解决因人工林经营引起一系列生态问题的有效模式，而目标树经营技术是实现近自然森林经营的重要环节[6]。目标树经营是通过伐除干扰木为目标树提供更多生长空间，提高目标树木材质量，可以看作是一种特殊的疏伐或抚育间伐[7]，经营的核心是调控林木生长和生存环境，降低林冠层和地下根系之间的竞争，改变林内水、光和热的分配，进而调节林下植被和土壤性质，促进目标树的生长，从而提高林分质量，选择目标树经营进行抚育，最大程度地利用森林生态系统自我恢复机制，使人工林经营在生态和经济上获得双赢，是珍贵树种、大径材国家战略储备林重要经营模式[8-10]。虽然国内对杉木人工林的近自然经营进行了一些研究，但主要关注目标树生长变化[11]，而研究近自然经营对杉木人工林土壤层肥力的影响较少[8]，未能全面反映目标树经营对杉木人工林的实际效果和作用机制，难以很好地指导当前杉木人工林的持续经营。

鉴于此，本研究以福建洋口国有林场中龄林杉木为对象，以传统封育经营为对照，开展不同目标树经营模式(目标树经营、目标树施肥经营)下杉木人工林生长及土壤养分的定位观测研究，分析不同经营模式林木生长及土壤肥力的变化，揭示杉木人工林目标树经营的调控机理，为营造杉木大径级用材林以及发挥杉木人工林生态效益提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于福建省洋口国有林场(26°50′47″N，117°54′40″E)，属福建省杉木中心产区，是主要的杉木用材林生产基地。年平均温度18.5 ℃，年平均降水量1 880.2 mm，无霜期230 d，海拔200～300 m，土壤以山地红壤为主，雨量充沛，湿度较大，生长期长。造林地前茬为杉木林采伐迹地，采伐后炼山整地，2002年造林。林下植被主要有粗叶榕(Ficushirta)、紫麻(Oreocnidefrutescens)、福建观音座莲(Angiopterisfokiensis)、深绿卷柏(Selaginelladoederleinii)、黑足鳞毛蕨(Dryopterisfuscipes)、江南短肠蕨(Allantodiametteniana)、金毛狗脊(Woodwardiajaponica)等。

2 研究方法

2.1 试验设计

关于目标树最佳选择期，普遍认为以人工林树木胸径达到10～15 cm为宜[12]。因此选择林木生长情况基本一致的14年生杉木中龄林为对象，设计目标树经营、目标树联合施肥经营、传统封育经营等3种试验处理。采用随机区组设计，每个区组设计3种不同经营模式处理小区，共设3个区组，9个试验小区(图1)。每个标准样地面积400 m2(20 m×20 m)。

2016年12月实施目标树作业，在每块样地内选择树干通直无分叉，树冠丰满、生长情况较好的10株杉木作为目标树。把位于目标树同冠层或上冠层、上坡位，与目标树树冠重叠的杉木标记为干扰树并伐除，树冠层不影响目标树生长的树木作为辅助木予以保留，样地内其他树不做处理。目标树经营施肥处理中，在样地目标树上坡方向条状施0.5 kg复合肥。在标准地的4个角埋设水泥桩，并编号，以便长期定位调查。样地情况见表1。

表1 不同目标树经营模式设计Table 1 Design of different target tree managements

2.3 调查方法

2.3.1 不同经营模式的杉木生长调查 2018年11月对试验样地的所有杉木进行每木检尺，测量杉木胸径和树高。在杉木胸高位置(1.3 m)用围径卷尺测胸径(精确到0.1 cm)，树高采用超声波测高测距仪(Haglof，Sweden)测定(精准到0.1 m)。根据福建省杉木材积公式计算林分杉木单株材积和蓄积量。

2.3.2 不同经营模式的杉木土壤肥力调查 2018年11月在不同的试验标准地内按照“S”形布点，避开施肥条带，选择5个目标树周围土壤取样点，采用100 cm3环刀，在每个样地的上、中、下部目标树周围分别按0～10、10～20、20～40、40～60 cm取原状土，带回室内，用于土壤物理性质测定。然后取相同土层样品混合后带回实验室风干，去除土壤样品里面的石砾、植物根系、炭块等，研磨分别过2 mm和0.149 mm土筛后保存，用于土壤化学性质测定。由于土壤酶活性具有明显的季节变化，因此在2018年2月、5月、8月和11月取0～10、10～20 cm土层测定土壤酶活性，根据福建水热的季节性规律，取样时间分别对应了春季(2-4月)、夏季(5-7月)、秋季(8-10月)、冬季(11-1月)。

2.4 测定方法

pH采用电位法测定，含水量采用烘干法；土壤容重孔隙度、持水量采用环刀法测定，元素分析仪测定(VarioMaxCN，Elementar，德国)测定全N；土壤经过强酸消煮后采用电感耦合等离子体发射光谱仪(PE OPTIMA 8000，美国)测定全P和全K；水解性氮采用碱解-扩散法测定，有效P采用碳酸氢钠浸提法测定；速效K采用火焰光度法测定[13]。

土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法，脲酶采用靛酚蓝比色法，过氧化氢酶使用H2O2分光光度法[14]。

2.5 统计分析

采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析和最小二乘法进行显著性检验。土壤理化性质与土壤酶活性相关分析采用Person相关分析法，并用Origin 2018作图。

3 结果与分析

3.1 不同经营模式对杉木生长的影响

从表2看出，不同经营模式对杉木树高、胸径生长有不同程度影响。目标树经营模式下树高比CK高出15.1%，胸径年均增量比CK高出23.6%。目标树施肥经营模式下树高比目标树经营模式高2.1%，胸径年均增量比目标树经营模式高2.2%。说明目标树经营和施肥均能在一定程度上促进杉木树高、胸径生长，但在目标树经营模式初期施肥效果不显著。

表2 不同经营模式对杉木人工林生长的影响Table 2 Effects of different treatments on the growth of C.lanceolata plantation

不同经营模式对杉木林单株材积有较大影响，对杉木林蓄积量影响不显著。目标树经营模式下单株材积年均增量比CK高25.9%，且差异显著(P<0.05)。目标树施肥经营模式下单株材积年均增量为比目标树经营模式高3.3%。说明目标树经营和施肥均能在一定程度上提高杉木林单株材积，但在目标树经营模式初期施肥效果不显著。目标树经营和目标树施肥经营模式下杉木林蓄积量均小于CK，但差异不显著。这是因为伐除干扰树后目标树经营林分密度明显小于对照样地。

3.2 不同经营模式对土壤理化性质的影响

同一经营模式下的不同土壤层，土壤容重随土壤深度加深呈递增趋势，土壤质量含水量、土壤最大持水量及土壤孔隙度随土壤深度加深呈现递减趋势(表3)。目标树经营与目标树联合施肥经营条件下，不同土层的土壤容重、土壤质量含水量、土壤最大持水量及土壤孔隙度等指标总体上均高于CK处理，但随着土层深度的增加差异性减小。其中，在0～10 cm土层土壤容重、土壤质量含水量、土壤最大持水量目标树经营分别显著提高5.5%、19.0%、12.2%，而目标树联合施肥分别显著提高5.2%、24.4%、9.5%，而土壤总孔隙度、pH差异性未达显著水平。

表3 不同经营模式对土壤物理性质的影响Table 3 Effects of different management modes on the soil physical properties

不同目标树经营模式下，杉木林土壤全N、全P、全K、水解性N、有效P、速效K含量随土层深度加深呈现递减趋势(表4)。目标树经营模式、目标树联合施肥经营模式处理的土壤养分含量高于对照，但随着土层深度的增加差异性减小。土壤全N、全P、全K含量在0～10 cm目标树经营模式分别显著提高7.4%、15.7、5.2%，目标树联合施肥经营模式分别显著提高23.5%、25.5%、9.4%，土壤水解性N、有效P、速效K含量在0～10 cm目标树经营模式分别显著提高7.1%、9.2%、24.9%，目标树联合施肥经营模式分别显著提高15.2%、8.7%、30.7%，而在10～20 cm土层，仅有土壤全P、水解性N、有效P、速效K含量目标树经营模式下显著提高25.0%、4.2%、7.2%、14.1%，目标树联合施肥经营模式下显著提高35.0%、16.1%、7.7%、23.0%。

表4 不同经营模式对土壤化学性质的影响Table 4 Effects of different management modes on the soil chemical properties

3.3 不同经营模式对土壤酶活性的影响

不同目标树经营模式下，土壤酶活性(蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶)随土层加深呈现递减趋势(图2)。不同季节(2、5、8、10月)目标树经营模式、目标树联合施肥经营模式处理的土壤酶活性大于对照(TF>TM>CK)。其中，在0～10 cm土层，目标树经营模式、目标树联合施肥经营模式下蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性显著大于对照，在目标树经营模式与目标树联合施肥模式之间仅脲酶活性有显著差异(TF>TM)；目标树经营模式下蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性平均提高13.3%、14.3%、7.9%，目标树联合施肥模式下蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性平均提高21.6%、27.8%、12.1%。而10～20 cm土层，不同季节目标树经营模式、目标树联合施肥模

式及对照组蔗糖酶活性无显著差异，且目标树经营模式、目标树联合施肥经营模式下仅土壤脲酶活性均显著大于对照，目标树经营模式与目标树联合施肥模式之间仅过氧化氢酶活性均有显著差异。

4 结论与讨论

目标树经营2 a后，14年生杉木单株材积年均增量显著提高0.031 m3，而杉木林蓄积量变化不显著。与对照相比，目标树经营杉木林土壤肥力状况得到一定改善。目标树经营和目标树施肥经营均能增加表层土壤养分，平均显著提高表层土壤蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活性13.3%、21.1%、10.0%，起到改良林地土壤肥力的作用。综上所述，目标树经营模式，可以利用自然动力，促进森林反应能力，从而改良土壤肥力，对杉木的生长有较好的促进作用，是值得大力推广的杉木人工林经营模式。

4.1 不同目标树经营模式对杉木生长的影响

森林可持续经营和多功能林业使得森林经营朝着近自然的方向发展，目标树经营是实现近自然经营的核心，近年来不少研究发现目标树经营对不同树种的生长具有促进作用[15-18]。张晓红等[19]和J.S.Ward[20]进行干扰树伐除试验表明，“树冠重叠”释放对不同目标树的直径生长均有促进作用，促进作用因树种而异。王懿祥[21]研究表明，伐除干扰树显著促进了目标树的胸径和材积生长，对树高生长影响不大。本研究发现目标树经营模式下树高年均增量、胸径年均增量、单株材积年均增量分别比CK处理高15.1%、23.6%、25.9%。目标树经营林分的年均树高、胸径、单株材积增量均有不同程度的提高，这与上述研究结果相似，随着目标树释放程度的加深，目标树的生长状况可能越来越好。干扰树间伐后，目标树的生长空间得以释放，获得了充足的水热光照，土壤养分条件得以改善，因而促进了不同树种的树高、胸径和材积的生长[22]。

4.2 不同目标树经营模式对土壤肥力的影响

目标树经营使林下植被类型、光照强度、土壤温度、水分等发生变化，从而使土壤物理性质和养分循环机制发生变化[22-24]。邹慧[25]研究表明，孔隙度和含水率均随土层深度的增加而减小，目标树经营东北红松(Pinuskoraiensis)能显著提高土壤含水率。吕倩等[8]也发现马尾松(P.massoniana)人工林经过目标树经营初期改造，土壤的持水能力及含水量都有一定程度的提升。本研究发现2 a后目标树经营模式、目标树联合施肥经营模式下土壤质量含水量、最大持水量均呈显著增加。与上述研究结果基本一致。引起土壤含水量升高的主要原因是植物生物量的变化。目标树经营能促进林下植物生长，提高植被生物量[26]，林分生物量的增加导致输入土壤中有机质的数量增加，以及植物根系的生长对改善土壤结构有积极的作用，增强保水性，起到涵养土壤水分的作用。

土壤养分是森林生产力的基础，间伐后林下环境的变化影响土壤物质循环和养分周转，进而引起土壤养分的变化[27]。目标树处理和施肥对表层土壤的各养分含量均有明显促进作用，但只在0～10 cm土层达到显著差异，这可能与目标树经营处理的时间较短有关。目标树经营联合施肥对杉木人工林表层土壤全N、全P、水解性N、有效P、速效K含量有明显的影响，在0～10 cm土层，目标树联合施肥经营模式处理，土壤全N含量较目标树经营模式有显著的增加(P<0.05)。说明目标树经营对土壤养分含量虽有较大影响，但不如施肥见效快。目标树处理和施肥对表层土壤的全K含量的提高也有一定的积极影响。目前较为一致的看法是：间伐改善了林内光环境，提高土壤微生物活性，促进土壤物质和能量循环有利于腐殖质的形成，从而提升土壤肥力[28]。伐除干扰木减少了林木之间对水分和无机养分的竞争[29]，因此目标树经营以及施肥都能有效促进土壤养分的积累。

土壤酶是土壤的生物催化剂，对维持土壤生态系统的稳定起着重要作用[30-32]。刘颂颂等[33]研究表明，林分间伐套种后土壤酶活性明显高于未间伐林分。张景普等[27]研究表明，中度和强度间伐均显著提高土壤多种酶(酚氧化酶、外切葡萄糖苷酶等)的相对活性。李宽莹等[34]研究表明，施肥可提高土壤脲酶、蔗糖酶等活性。本研究发现，目标树经营对提高土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性有明显促进作用，尤其在0～10 cm土层。目标树经营模式下蔗糖酶活性有不同程度的提高，目标树经营模式下脲酶活性都显著大于CK(P<0.05)，与目标树经营模式相比，目标树联合施肥经营模式不同月份土壤脲酶活性呈显著提高(P<0.05)。目标树经营模式过氧化氢酶活性也有所增加，且在2、5、8月达到显著性差异水平(P<0.05)。随着土层的加深，蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性均呈现递减的趋势，这与上述研究结果相似。土壤酶活性的提高可能是因为目标树经营改善了林下植被的生长环境，施肥给植被带来了更多的养分，提高林下植被的多样性和数量，使林分植物根系和微生物代谢释放了大量的酶类物质[35-36]。