杉木幼林间伐剩余物存留量对土壤养分及微生物量的影响

张裕中，张雨晨，张 勰，，何功秀，4，张 翼，张森强

(1.湘西土家族苗族自治州林业局，湖南 吉首 416000；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；3.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；4.水土保持与荒漠化防治湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410004；5.会同县广坪国有林场，湖南 会同418307)

随着人工林快速发展，高度的集约经营以及不合理的营林和栽培措施导致人工林地力衰退、林分生产力水平下降、生物多样性降低等问题[1-4]。对此，大多数林业工作者认为不同的管理措施会影响微生物的群落结构，从而影响土壤地力[5]；抚育间伐可以促进林木在生长过程中充分利用水、土、光、热等自然条件，有利于维持地力，提高森林的生态效益[6-7]。间伐后剩余物中含有大量营养元素，能被微生物分解以供给林木吸收，会对林地土壤质量产生不同的影响[8]。我国主要通过火烧、清除、保留等传统方式对剩余物进行处理和利用[9-10]。剩余物火烧处理对土壤的影响主要表现为改变土壤结构、减少土壤有机质等[11]。而剩余物清除处理会导致大量养分流失，同时也使林地土壤裸露面积增加，造成水土流失，不利于维护林地生产力[12]。保留处理有利于改善土壤生化性质，间伐剩余物作为外源输入，提高了土壤有机碳的输入，有利于提升土壤微生物群落的丰富度，简单易行，是改善土壤养分和维持森林立地的不二之选。且平铺覆盖不仅能够增加地表环境的空间异质性和复杂性，为土壤生物提供生境，同时还可以降低降雨过程所产生的溅蚀、淋溶作用[13]。平铺间伐剩余物能有效覆盖林地，减少裸露面积，提高土壤含水量，同时其分解能产生大量营养物质，有利于改善人工林生长状况[14]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中国亚热带地区主要速生用材树种之一，也是中国造林面积最大的树种，在国民经济中占有重要地位，以它为研究对象具有现实意义[15-16]。杉木人工林连栽会导致土壤养分含量显著降低，其中氮素、磷素的下降尤为明显，因此，如何解决林地立地条件下降的问题，提高土壤养分含量，成为了推广杉木人工林的重中之重。研究表明，通过保留采伐剩余物能够有效地维持杉木人工林土壤养分含量，但其剩余物存留量对土壤养分的具体影响仍不清楚。为了研究剩余物不同存留量对土壤养分及微生物量的具体影响，本文对湖南省会同县国家野外科学观测研究站10年生杉木林间伐后，采集不同程度保留剩余物处理后的土壤，进行碳氮磷含量和土壤酶活性、微生物量等的测定，探讨剩余物不同程度保留处理对杉木林地土壤理化性质及生物学特性的利弊，旨在为杉木合理经营、实践提供参考。

1 试验地概况

试验地点位于湖南省怀化市会同县广坪镇(109°45′E，26°50′N)，属中亚热带季风性湿润气候区，年平均气温16.7 ℃，年空气相对湿度80%，年均降水量1 200～1 400 mm，降雨主要集中在4—8月。地貌为低山丘陵，地层属震旦纪板溪系灰绿色变质板页岩，林地土壤为变色页岩和砂岩发育成的山地黄壤，风化程度甚深，土层深厚，土壤pH值5.0～6.0。研究地植被为杉木人工纯林，试验林的林下植被稀疏，主要灌木有杜茎山(Maesajaponica)、菝葜(Smilaxchina)、冬青(Ilexpurpurea)等,主要草本植物有铁芒萁(Dicranopteris

linearis)和华南毛蕨(Cyclosorusparasiticus)等。

2 材料与方法

2.1 试验样地

试验样地为2010年营造的杉木人工林，初始造林密度为2 520株·hm-2。2021年春季，对林地进行了本底调查和样地设置(见表1)，现存林分密度为2 340株·hm-2。

表1 样地特征Tab.1 Characteristics of sample plots处理平均树高/m平均胸径/cm土壤含水率/%土壤容重/(mg·m-3)pHR010.6712.1740.011.154.17R113.0613.8839.021.134.24R213.5213.8538.881.134.26CK10.7311.3239.001.184.22

2.2 试验设计

2021年6月，在试验地内设置12个20 m×20 m的样地，进行抚育间伐，强度控制在30%左右，间伐后密度约为1 650 株·hm-2，间伐材只取走树干(含皮)部分，其余间伐剩余物(以枝叶为主)按照试验设计保留在样地内并平铺均匀。试验共设4个处理，即R0(保留全部，2815.95kg·hm-2)、R1(保留3/4，2 111.96 kg·hm-2)、R2(保留1/2，1 407.98 kg·hm-2)和CK(不保留，0kg·hm-2)。2022年6月，采集植物、土壤等样品。

2.3 样品采集与指标测定

2.3.1 土壤样品采集

每个样地沿对角线按“上中下”选择3个土壤采样点，沿土壤剖面自上而下分三层(0～20cm、20～40 cm、40～60 cm)用取土环刀(Φ70×52 mm，容积200 cm3)采样，在室内去除可见的石块、根系以及动植物残体等，并将土壤样品分成三份。一部分土样被105 ℃高温烘干后冷却称重，测定含水率并计算土壤容重；一部分土样在室温条件下风干后用于测定土壤酶活性；一部分土样被风干及去除杂物后，研磨，过0.149 mm的筛，保存好用于测定有机碳、全氮、全磷等养分含量。

2.3.2 土壤样品测定

土壤物理性质主要测定指标及方法[17]：土壤含水率采用烘干法；土壤容重、孔隙度采用环刀法。

土壤化学性质主要测定指标及方法[17]：土壤pH采用电位法，土壤悬浮液(质量浓度为20%)搅动30 min，用pH计(PHS-2F，LEICI，上海)测定；有机碳含量采用重铬酸钾加热法；全氮含量采用凯氏定氮法；全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；有效磷含量采用HCl-NH4F法提取，钼锑抗比色法和分光光度计(UV-2600，SHIMADZU，日本东京)测定；土壤铵态氮和硝态氮含量在用 2 mol·L-1氯化钾溶液浸提土壤后，采用全自动间断分析仪(SmartChem 200)测定。

土壤酶活性主要测定指标及方法[18]：过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法。

土壤微生物量主要测定指标及方法[18]：土壤微生物碳、氮和磷的测定采用氯仿熏蒸提取法。

2.3.3 数据处理与分析

利用EXCEL、SPSS 25.0软件对土壤的基本理化性质、碳氮磷含量、酶活性和微生物量等进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 杉木间伐剩余物存留量对土壤碳氮磷全量的影响

不同间伐剩余物存留量对土壤有机碳及全量元素的影响不同(见表2)。在0～20 cm土层，R0处理下，土壤有机碳、全氮的含量分别为18.75、1.81 g·kg-1，其中R0处理下土壤有机碳含量比其他处理高出17.55%～48.34%，R2处理下土壤全磷含量最高并且显著高于其他处理(P<0.05)，CK处理中各养分含量最低。在20～40 cm、40～60 cm土层中，R2处理土壤各养分含量均为最高，并且显著高于其他处理，其中R0处理下土壤全氮含量最低，并且显著低于CK。在不同间伐剩余物存留量处理下，土壤有机碳及全量元素含量均表现出随土层深度增加而降低的趋势。

表2 不同间伐剩余物存留量下土壤理化性质Tab.2 Soil physicochemical properties under different thinning residue retention amountsg·kg-1土层指标R0R1R2对照有机碳含量18.75±1.05 Aa13.32±0.93 Ac15.95±0.11 Ab12.64±0.41 Ac0～20 cm全氮含量1.81±0.12 Ca1.57±0.09 Ad1.76±0.05 Ab1.47±0.10 Bc全磷含量0.31±0.03 Ac0.33±0.03 Ab0.39±0.01 Aa0.30±0.02 Ac有机碳含量15.29±0.41 Bb12.90±0.31 Ab15.56±0.52 Aa10.89±0.61 Bc20～40 cm全氮含量1.24±0.07 Bc1.45±0.10 Bb1.65±0.05 Ba1.32±0.06 Ab全磷含量0.28±0.01 Bb0.30±0.01 Bab0.35±0.02 Ba0.26±0.01 Bb有机碳含量11.10±0.61 Cb10.30±0.51 Bb14.01±0.84 Ba9.04±1.03 Cb40～60 cm全氮含量1.06±0.07 Cd1.22±0.07 Cb1.49±0.06 Ca1.14±0.10 Cc全磷含量0.24±0.02 Cc0.28±0.01 Cb0.32±0.02 Ca0.25±0.03 Bc注: 小写字母代表同一土层不同处理的显著水平(P<0.05);大写字母代表同一处理不同土层的显著水平(P<0.01)。下同。

双因素方差分析表明，土壤有机碳及全量元素含量对间伐剩余物存留量和土层因子的响应存在差异(见表3)。间伐剩余物存留量对土壤有机碳、全氮含量存在极显著的影响(P<0.01)，对全磷含量表现出显著影响(P<0.05)；土层因子对全氮含量表现出显著影响(P<0.05)，对土壤有机碳和全磷含量表现出极显著影响(P<0.01)。存留量×土层的交互作用对各养分均不存在显著影响。

表3 不同间伐剩余物存留量对土壤理化性质影响的双因素方差分析Tab.3 Bivariate analysis of soil chemical properties under different thinning residue retention源有机碳含量全氮含量全磷含量间伐剩余物存留量7.57**10.41**4.66*土层5.36**31.36*30.01**间伐剩余物存留量×土层2.87ns47.81ns1.28ns注:ns表示无显著影响;*表示P<0.05;**表示P<0.01。

3.2 杉木间伐剩余物存留量对土壤氮磷有效养分的影响

根际土壤中铵态氮、硝态氮、有效磷的含量随着剩余物存留比例的下降呈先增加后减少的趋势，不同处理之间均存在显著差异(P<0.05，见表4)。各处理结果中，铵态氮含量的大小顺序为：R1>R0>R2>CK，与CK相比，R1根际土壤中的铵态氮含量变化最大，增加了71.01%；硝态氮含量在各处理间的大小顺序为：R1>R2>R0>CK，与CK相比，R1根际土壤中的硝态氮含量变化最大，增加了26.27%，间伐效果最佳；有效磷含量的大小顺序为：R2>R1>R0>CK，与CK相比，R2处理下根际土壤中的有效磷含量变化最大，增加了41.30%。

表4 不同间伐剩余物存留量下土壤有效养分含量Tab.4 Effective nutrients of rhizosphere soils under dif-ferent thinning residue retention amountsmg·kg-1处理铵态氮含量硝态氮含量有效磷含量R09.44±0.76 b2.39±0.04 c7.57±0.2 bR114.69±0.37 a2.98±0.03 a9.18±0.30 bR29.03±0.20 b2.86±0.02 b9.99±0.20 aCK8.59±1.08 c2.36±0.03 c7.07±0.32 d 注:小写字母代表不同处理的显著水平,P<0.05。下同。

3.3 杉木间伐剩余物存留量对土壤酶活性的影响

根际土壤酶活性随间伐剩余物存留量的差异呈现不同的变化规律，各处理间土壤酶活性表现出显著差异(P<0.05，见表5)。各处理中，土壤过氧化氢酶活性强弱为R0>CK>R1>R2，R0、R1、CK处理间无显著差异，R2处理酶活性显著低于其他处理；保留间伐剩余物能够提高土壤蔗糖酶活性，相较于CK，R1、R2处理下蔗糖酶活性分别增加了105.83%和56.31%；而脲酶活性的变化与蔗糖酶相反，保留间伐剩余物后其酶活性表现出不同程度的下降，相较于CK，R0、R1、R2活性分别减少了6.11%、26.11%、26.11%；酸性磷酸酶活性的大小顺序为R1>R2=CK>R0，相比于CK，R1增加了50.00%，R0、R2处理间无显著差异。

表5 不同间伐剩余物存的影响留量对土壤酶活性的影响Tab.5 Effects of different thinning residue retention amounts on enzyme activities in rhizosphere soil mg·g-1处理过氧化氢酶含量蔗糖酶含量脲酶含量酸性磷酸酶含量R00.77±0.01 a1.18±0.43 c1.69±0.25 b0.19±0.01 bR10.74±0.11 a2.12±0.23 a1.33±0.16 c0.30±0.01 aR20.65±0.01 b1.61±0.73 b1.33±0.31 c0.20±0.01 bCK0.76±0.14 a1.03±0.08 d1.80±0.36 a0.20±0.01 b

3.4 杉木间伐剩余物存留量对土壤微生物碳氮磷含量的影响

在各间伐剩余物存留量处理下土壤微生物碳、氮、磷的含量存在显著差异(P<0.05，见表6)。相比于CK，各处理间的微生物碳、氮、磷含量均呈现显著差异。微生物含碳量各处理间的大小为R0>R1>R2>CK，且在R0达到最大值，各处理间呈显著差异；微生物氮含量呈增加的趋势，且均高于CK，在R2处理下达到最大值，而R0和R1处理间无显著差异，R0、R1与R2及CK处理间有显著差异；微生物磷含量各处理间的大小为R2>CK>R1>R0，R2和CK处理间无显著差异，R0和R1处理间无显著差异。

表6 不同间伐剩余物存留量下土壤微生物碳、氮、磷含量Tab.6 Microbial carbon, nitrogen, and phosphorus in rhizosphere soil under different residual amounts of thinning residuesmg·kg-1指标R0R1R2CK微生物碳含量17.85±0.01 a16.89±0.01 b15.92±0.02 c15.81±0.01 d微生物氮含量9.21±0.18 b9.32±0.26 b10.97±0.65 a7.20±0.37 c微生物磷含量61.73±1.74 b72.40±1.81 b101.60±0.86 a94.16±7.56 a

3.5 相关性分析

通过对土壤养分、酶活性及微生物量指标进行相关性分析可知(见表7)，铵态氮、硝态氮与蔗糖酶呈显著正相关(P<0.05)，微生物碳含量与有效磷呈显著负相关(P<0.05)，微生物生物量磷与铵态氮呈显著负相关(P<0.05)。

表7 土壤养分含量、酶活性及微生物含量的相关性分析Tab.7 Correlation analysis of soil nutrients with enzyme activity and microbial biomass过氧化氢酶含量蔗糖酶含量脲酶含量酸性磷酸酶含量微生物碳含量微生物氮含量微生物磷含量有机碳含量-0.12-0.200.02-0.300.360.23-0.38全氮含量-0.22-0.01-0.12-0.200.070.36-0.42全磷含量0.310.02-0.12-0.25-0.270.28-0.11铵态氮含量0.130.57*-0.280.57-0.17-0.30-0.59*硝态氮含量-0.380.66*-0.470.41-0.56-0.08-0.28有效磷含量-0.560.46-0.400.01-0.58*0.20-0.01 注:*表示P<0.05。

4 结论与讨论

4.1 杉木间伐剩余物存留量对土壤养分的影响

在森林经营过程中，采伐剩余物是土壤养分的重要输入源之一，其经由微生物活动所释放的养分元素会显著提升林地土壤养分含量[19]。本研究中，不同采伐剩余物存留量对土壤有机碳及养分元素含量产生了显著影响，保留1/2的采伐剩余物能够更好地维持土壤有机碳、全氮的含量，而全部清除采伐剩余物会导致土壤有机碳含量的下降。有研究表明，采伐剩余物能够缓解环境和气候因素如降雨、温度等对土壤有机质的影响，提高土壤有机质的稳定性，且采伐剩余物作为外源的有机质输入，会加速土壤养分的周转，从而提高土壤养分[19]。过度清除采伐剩余物会造成林地土壤裸露，降雨淋溶作用增大，导致土壤养分的流失。本研究中，清除部分采伐剩余物有利于深层土壤氮含量的提升，产生这样的现象可能是由于杉木采伐剩余物基质质量不高，在分解过程中需要吸收外界的氮素来加速分解作用，清除部分采伐剩余物可以减少分解过程中对氮素的需求，在维持土壤养分的同时保证分解作用的进行。

本研究发现，保留间伐剩余物林地土壤铵态氮含量和硝态氮含量均表现出显著高于全部去除处理，铵态氮的变化幅度显著高于硝态氮，原因可能是剩余物中氮素主要以无机氮的形式存在，杉木基质质量低分解，氮素释放较为缓慢，仅通过淋洗作用回归土壤中的无机氮较少，因此，各处理硝态氮变化幅度不大[20]，保留1/4剩余物处理下剩余物保留量在1407.98 kg·hm-2时，铵态氮含量显著增高，原因可能是间伐剩余物提升了土壤有机质的矿化作用，加速了有机质中氮素的释放[21]。

保留间伐剩余物处理下林地土壤铵态氮、硝态氮及有效磷的含量总体上呈现上升趋势，可见采伐剩余物保留处理确能提高土壤有效养分含量。但有效磷含量在全部保留处理中下降幅度很大，原因是磷元素是亚热带土壤中的生长限制因子之一，在森林土壤中，磷元素的矿化作用是影响土壤磷含量的主要因素。对间伐剩余物的处理，为微生物提供了更为复杂的生境，改善了土壤微生物的群落结构，提高了生理活动和对外界环境的养分需求，剩余物所提供的外源养分不足以支撑起生命活动，从而导致了土壤磷的下降[22]。

4.2 杉木间伐剩余物存留量对土壤酶活性及微生物的影响

土壤酶是土壤生化过程的催化剂，是评价土壤肥力的主要指标，是维持森林生态系统物质循环和能量流动的关键，土壤酶活性反映了土壤生化反应的强度[23]。在本研究中，不同处理间的土壤过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性均呈显著差异(P<0.05)。根据王丽君等[24]的试验结果，土壤酶活性与土壤含水量、养分含量及微生物碳、氮、磷含量存在显著的相关性，酶活性变化是多因子综合作用的结果。试验中蔗糖酶、酸性磷酸酶活性随剩余物比例的下降呈先增加后减少的趋势，原因可能与温度、植物生长吸收等因素有关，剩余物大量堆积和土壤裸露均不利于酶活性的增加，随着剩余物的减少，酶的活性也不断增加，在1 407.98～2 111.96 kg·hm-2呈现峰值。采伐剩余物可能是通过磷元素的累积抑制了酶的活性，Wang等[25]研究指出磷添加使酸性磷酸酶的绝对活性和比活性分别降低了37.23%和47.52%，符合这一猜测。土壤酶活性是土壤酶催化物质转化的能力，作为土壤的生物指标，土壤酶活性能够很好地指示土壤环境的细微变化。而酶活性又与土壤各成分含量以及林分混交度、树种结构、年龄、演替阶段经营模式等的关系十分密切。通过控制这些因素，如对林分实行氮添加、保留凋落物、保留采伐剩余物、调控混交林中某种树种的比例、加强缺磷地区有效磷管理、营造林龄和演替阶段高的林分等措施，调控好土壤中各种酶的活性，对营造更加健康、生态和经济效益更高的林分有重大意义。土壤微生物含量是土壤质量的直接反映。在本研究中，保留剩余物处理的根际土微生物氮、磷含量存在显著差异，各处理微生物碳含量差异不显著。吴波波等[26]研究表明，在表层土壤保留采伐剩余物，能提高微生物的活性，加速土壤与微生物的交互作用，从而提升土壤微生物含量，与本文的研究结果相一致。

综上所述，保留间伐剩余物会显著提高土壤的养分及微生物含量，将剩余物的保留量控制在1407.98 kg·hm-2时，各指标表现最佳，其中土壤有效养分和微生物磷含量均有显著提升。保留适当间伐剩余物对土壤养分的维持具有一定效果，有利于可持续林业的发展。