落叶松成熟林不同采伐方式对林下土壤化学性质的影响*

李玉江 李国伟 刘冠兵

（1.黑龙江省林业和草原调查规划设计院绥化院，黑龙江 绥化 152000；2.北华大学林学院，吉林 吉林 132012；3.吉林省林业勘察设计研究院，吉林 长春 130022）

落叶松（Larix gmelinii）是中国东北地区主要造林树种，在东北林区占据着重要的地位[1]。森林土壤作为树木生长的载体，土壤质量影响着树木的生长状态及生产水平[2-9]。曹娟等对杉木人工林土壤进行研究后发现，C:N主要受土壤有机碳影响，而不同深度的C:N比稳定[10]。周焘等通过对长白落叶林进行抚育新间伐研究发现，抚育间伐可以显著增加森林内土壤有机碳与全氮的含量[11]。牛小云等对不同发育阶段的日本落叶松林下土壤酶的活性研究发现，对林分密度进行调控可以有效缓解地力衰退的问题[12]。这说明对森林进行的采伐操作对于提高森林土壤肥力是有益的。本研究以落叶松人工成熟林为研究对象，分析了不同采伐强度林下土壤的总有机碳、全氮、pH值及碳氮比值变化情况。研究有益于了解对落叶松成熟林采取不同采伐方式及不同采伐强度时，林分土壤肥力变化情况，以期为落叶松成熟林实施复层林改造及森林可持续经营提供数据支撑及理论指导。

1 研究区概况

研究区位于吉林省临江市东北部的桦树林场，地处126°16′～127°16′E，41°57′～42°57′N，海拔930～1054 m，属于长白山龙岗山脉。该地区属温带大陆性季风气候，春季少雨干旱、夏季温热多雨，1月份最低平均气温-32℃，7月份最高平均气温32℃，全年平均气温4℃。主要降水集中在7～8月，年平均降水量为750～1000 mm。土壤类型主要为暗棕色森林土，厚度达50 cm以上。pH 4.19～6.37。该地属于长白山植物区系，森林覆盖率96%。主要森林类型为红松阔叶混交林，主要乔木树种包括落叶松(Larix gmelinii)、红松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea asperata)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)等。研究样地落叶松人工林为原始林阔叶林采伐后，营造人工落叶松林后形成。

2 材料与方法

2.1 试验样地设置

试验样地位于桦树林场48林班内，杨木项子山北坡，林分类型为落叶松人工成熟林，设置样地时林分年龄为43年。于2017年冬季按照试验样地设计进行采伐，采伐方式分为带状皆伐和择伐。皆伐带走向为南北方向，皆伐区域采伐强度为100%；采伐带宽度分为20、30、40 m，南北长度200 m，各皆伐带间保留了大约20 m宽的林带。择伐区域设置了3种采伐强度，分别为25%、35%、45%。2018年4月在采伐地内种植了水曲柳幼树，2018年8月在每个采伐强度及未经营林分各设置3块试验样地，样地面积为30 m×30 m（表1）。

表1 研究样地基本概况

2.2 样品采集与测定

2020年8月，采用对角线五点混合取样法[13]进行土壤样品采集，取样深度为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，样点布设方式如图1所示。进行土壤采样之前，需要去除采样点表面的凋落物层，利用铁锹挖掘垂直土壤剖面，然后在每个土层深度采集土壤样本（去掉土壤中的岩石、砂粒），最后将采集到的土壤样品称取等量，按层进行混合，每层合成一个土壤样品，每个样地可以得到3个不同深度的土壤样品。在实验室阶段，将土样自然风干后，过10目和100目土壤筛，然后进行土壤化学指标测定。

该实验过程中未对土壤中的全磷和全钾元素进行分析，只对土壤pH值、全氮(TN)、总有机碳(SOC)、碳氮(C:N)比进行了测定与分析。各土壤指标测定方式为：pH值（电位法LY-T 1239-1999）；土壤全氮(TN)（凯氏定氮法LY-T 1228-1999）；土壤总有机碳（SOC）（重铬酸钾氧化-外加热法LY-T 1237-1999）。

2.3 数据处理与分析

所测数据采用Microsoft Excel 2016软件进行数据录入、整理形成电子文档。数据利用SAS9.4统计分析软件进行分析。在分析过程中，选定的试验因子有：采伐方式、皆伐带宽度、择伐强度，其中皆伐带宽度与择伐强度嵌套在采伐方式中，两者为嵌套关系，无交互作用。

3 结果与分析

3.1 不同经营强度下样地土壤化学性质变化情况

从表2可以看出，皆伐样地与对照样地的pH值随着土层深度的增加，呈现先增加后减少的趋势；而择伐样地的pH值随着土层深度的增加而减小。将表层土壤（0～10 cm）pH值大小按采伐方式排序，顺序为择伐>对照>皆伐，而且在不同采伐方式样地中，pH值均随着采伐宽度/强度的增加而增大。所有试验样地中土壤全氮与土壤总有机碳的含量均随着土层深度的增加而呈现减少趋势；碳氮比在不同宽度/强度样地与不同土层深度规律不明显。

表2 不同样地土壤化学性质

3.2 不同经营强度、不同深度土壤化学性质差异性分析

本实验所采用的模型包含2种效应：（1）不同处理的固定效应；（2）样地与土壤化学性质变化的随机效应，为混合模型，利用SAS（mixed过程）进行模型拟合（表3）。

表3 模型参数及其意义

从表4可以看出，样地中宽度/强度以及土层深度，对土壤总有机碳、全氮、pH值的影响是极显著的（P<0.01），对碳氮比的影响不大。采伐方式与土层深度的交互作用只对土壤pH值影响极显著（P<0.01）。

表4 土壤元素含量各因素F值

根据从lsmeans语句获得的估计值对不同采伐方式、不同土层深度土壤化学性质变化（图2），及不同宽度/强度、不同深度土壤化学性质变化（图3）进行差异性分析。从图2中可以发现，土壤中的总有机碳含量是随着土层深度增加而减小的，且差异显著（P<0.05），而在不同采伐方式下，土壤中总有机碳含量无明显差异。土壤中全氮含量也是随着土层深度增加而呈减少趋势，但差异不显著；不同主伐方式之间择伐样地土壤全氮含量略高于皆伐样地，差异不显著。不同土层深度对土壤pH值变化无显著影响，在表层土壤（0～10 cm）中皆伐样地土壤酸性大于择伐样地，且差异显著（P<0.05）。土壤碳氮比（C:N）随着土层深度增加呈减小趋势，但是不同土层深度间变化趋势无规律，0～10 cm与10～20 cm土层深度不同主伐方式间存在显著差异（P<0.05），皆伐大于择伐。

图2 不同主伐方式、不同深度土壤化学性质变化

根据图3可知，在不同宽度/强度下，20、40 m宽皆伐样地与35%、45%择伐强度样地的土壤总有机碳含量排在前列，其中表层土壤（0～10cm）中20 m宽皆伐样地中总有机碳含量最高达104.88 g/kg，而在10～20 cm与20～40 cm深度土层中，35%择伐强度的土壤总有机碳含量最高，分别为72.55、66.96 g/kg；20、40 m宽皆伐样地与45%择伐强度样地中不同土层深度之间的总有机碳含量差异显著（P<0.05）。

图3 不同宽度/强度、不同深度土壤化学性质变化

35%择伐强度样地中，土壤全氮在各个深度土层含量均最高。表层土壤（0～10 cm)中35%择伐强度土壤全氮与45%择伐强度、20 m宽度皆伐样地差异不显著，与其他样地差异显著（P<0.05）；10～20 cm深度土层35%择伐强度与45%择伐强度样地差异不显著，与其他样地差异显著（P<0.05）。20～40 cm深度土层中土各样地间土壤全氮含量差异不显著。各样地内不同土层深度土壤全氮含量均随着土层深度增加而减小。

不同样地间的土壤pH值变化幅度与其他化学元素相比较小，在表层土壤（0～10 cm）中，不同采伐强度的择伐样地和对照样地与不同宽度的皆伐样地间存在显著差异（P<0.05）；10～20 cm土层深度对照样地的pH值与其他各样地均差异显著（P<0.05），其他各样地间均无显著差异；20～40 cm土层深度对照样地pH值与其他样地也存在着显著差异（P<0.05），其他样地间规律不明显。所有样地中，不同土层深度间pH值变化规律不明显，但从图中可以发现，择伐样地中土壤pH值均随着土层深度增加而下降，而不同宽度的皆伐样地与对照样地的土壤pH值随着土层深度的增加而呈现先增加再减少趋势。

在不同样地中，40 m与20 m宽皆伐带中，土壤表层（0～10 cm）与10～20 cm土层的土壤碳氮比位列第一与第二位，且与其余多数样地间差异显著（P<0.05）。20～40 cm土层中各样地间土壤pH值均差异不显著。

4 讨论

4.1 不同采伐方式对土壤化学性质的影响

采伐会造成森林内原有平衡状态被破坏，林内环境条件会发生剧烈变化。森林土壤理化性质在较小尺度上与植被分布、微立地环境变化以及干扰方式等有关[14]。根据分析结果，在不同采伐方式下，皆伐样地表层土壤（0～10 cm）的总有机碳平均值为76.59 g/kg，而择伐样地总有机碳平均值为71.73 g/kg，皆伐样地土壤有机碳含量大于择伐样地，且差异显著（P<0.05）。造成皆伐样地土壤总有机碳较高的原因可能与采伐过程中遗留在林地当中的大量木材碎屑，及林地上方林冠突然加大，导致林内植被快速生长有关[15]。林下快速生长的植被根系的分泌物和凋落物经微生物作用可以有效增加土壤有机碳[16]。土壤表层（0～10 cm）与10～20 cm深土层中皆伐样地的土壤全氮含量均低于择伐样地，而且不同深度之间差异均显著（P<0.05）。沈雅飞[17]通过对马尾松人工林间伐研究，认为适当强度的间伐有利于土壤碳氮养分的保存和提高，但不同立条件不同树种适合的间伐强度不同。张文雯等[18]通过对不同间伐强度华北落叶松林分研究，认为重度间伐样地由于大幅降低了林分郁闭度，地表凋落物减少，地表径流增加，会加速氮流失。皆伐样地土壤表层（0～10 cm）的土壤pH值小于择伐样地，且差异显著（P<0.05），其他土层深度间差异不明显。徐雪蕾[19]等对杉木人工林不同强度间伐样地的研究发现，间伐后土壤的养分均比对照样地有所增加，但是pH值变化不显著；张泱等[20]对小兴安岭低质林改造研究表明，顺山带状皆伐样地土壤的pH值总体上随着时间的推移而下降，皆伐后3年各样地土壤的pH值低于对照样地。不同采伐样地间碳氮比变化规律不明显。

4.2 不同皆伐宽度/择伐强度样地与对照样地土壤化学性质对比

根据图3可以发现，除25%择伐强度样地的10～20 cm、20～40 cm土层的土壤总有机碳含量低于对照样地外，其他各个不同择伐强度样地与不同宽度皆伐样地的土壤有机碳含量均高于对照。35%与45%择伐强度样地，20、40 m宽度皆伐样地表层土壤(0～10 cm)与10～20 cm总有机碳含量均较高。35%与45%择伐强度样地和20 m与30 m宽度皆伐样地中表层土壤（0～10 cm）土壤全氮含量均高于对照样地，但是各样地之间的差异显著性除了35%择伐强度样地与对照样地差异显著外，其余样地间差异并不显著。从各样地情况分析，择伐样地中，35%择伐强度样地的土壤养分增加最明显；皆伐样地中，20 m宽度皆伐样地土壤养分增加最明显。择伐样地结论与徐雪蕾等[19]研究结论一致；皆伐样地结论与陈蕾等[21]对大兴安岭阔叶混交林进行块状皆伐后土壤养分变化研究结论一致，适宜的改造强度，可使林内坏境达到最佳，土壤肥力也有明显的改善，但当改造带宽过大时，林内微气候改变，生物活性等减少，改造效果会明显下降。不同宽度皆伐样地土壤表层（0～10 cm）的pH值均明显低于对照样地与各个强度的择伐样地，且样地间差异显著（P<0.05）。这一结论与徐雪蕾[19]等对杉木间伐样地研究，与张泱等[20]学者对阔叶低质林带状皆伐研究所得的结论一致。

5 结论

试验结果表明，择伐方式与皆伐方式均会促进林下土壤养分（土壤有机碳、全氮）增加；皆伐会促使林下表层土壤pH值显著低于择伐样地与对照样地。根据本文研究结果，该地区落叶松人工成熟林最适宜的择伐强度应当控制在35%左右，最适宜的皆伐带宽为20 m，南北走向。

根据我国当前森林可持续经营发展理念，当前森林经营应当以择伐经营为主，尽量避免对森林进行皆伐作业，这对于森林大径材培育、复层林营造都是有益的。皆伐经营适合于对低产林改造或者营造阳性珍贵树木，本研究结论对于指导该地区林业可持续经营具有重要的指导意义。