擇伐對太岳山油松林表層細(xì)根生物量和土壤養(yǎng)分含量的影響

邵 森

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

擇伐對太岳山油松林表層細(xì)根生物量和土壤養(yǎng)分含量的影響

邵 森

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

以山西太岳山40年生油松(Pinustabuliformis)人工林為研究對象，基于不同的森林經(jīng)營措施，運用方差分析法分別探討了油松人工林表層不同土壤厚度下的細(xì)根生物量和土壤養(yǎng)分含量之間的差異.結(jié)果表明：擇伐林生長季表層細(xì)根生物量大于未擇伐林，兩者沒有顯著差異(P>0.05)；擇伐林平均單株表層細(xì)根生物量大于未擇伐林，兩者差異顯著(P<0.05)；擇伐林表層土壤中的全氮含量、有機質(zhì)含量、銨態(tài)氮含量高于未擇伐林，差異顯著(P<0.05)；硝態(tài)氮含量和速效鉀含量高于未擇伐林，差異不顯著(P>0.05)；而擇伐林表層土壤中的全磷含量低于未擇伐林，差異顯著(P<0.05).

擇伐; 油松人工林; 細(xì)根生物量; 土壤養(yǎng)分

植物根系是地下生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，細(xì)根占植物根系總生物量的3%～30%.細(xì)根通常是指直徑為2～5 mm、主要用于吸收林分地下水分和養(yǎng)分的根系[1-2].細(xì)根不但能促進養(yǎng)分的循環(huán)和周轉(zhuǎn)(貢獻率為20%～80%)[3-4]，在地下生態(tài)過程中也極為活躍，具有生理活性強、生命周期短等特點[3].研究[5]表明，遺傳特性、環(huán)境因子以及人為干擾等因素能影響細(xì)根及其生物量的變化.在太岳林區(qū)，人工干擾對林分有重要影響，其中最常見的干擾方式為擇伐.

擇伐是森林采伐與經(jīng)營的重要途徑，廣泛應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)實踐中.它主要通過改變林分密度，進而改變林分的種群結(jié)構(gòu)、分布格局以及競爭關(guān)系[6]，最終導(dǎo)致地下細(xì)根生物量發(fā)生改變[7].細(xì)根生物量的變化以及相關(guān)的生態(tài)過程又會引起土壤養(yǎng)分的變化，土壤養(yǎng)分對擇伐后的林分恢復(fù)具有重要作用[8].林分經(jīng)歷擇伐之后，受到人為和自然因素干擾，地面留下大量的枯枝落葉，其中含有豐富的有機質(zhì)，產(chǎn)生的大量碳元素會重新進入土壤中[9].研究[10]表明，林分采伐后初期土壤氮含量明顯提高，隨后又逐漸下降，甚至低于之前含量.Keenan et al[11]指出，林分采伐之后短期內(nèi)可溶性磷含量沒有顯著變化.張景普等[12]針對落葉松人工林的研究表明，在25%采伐強度下，采伐3 a的土壤中全氮、全磷、全氮以及有效磷含量沒有顯著差異.由此可見，人工干擾會對不同立地條件下的土壤養(yǎng)分產(chǎn)生不同影響.而人工干擾措施對油松人工林土壤養(yǎng)分含量的影響，在以往的研究中鮮見報道.本研究對比分析5 a后擇伐和未擇伐油松林的表層細(xì)根生物量及其林下土壤養(yǎng)分含量之間的變化特性，以期為太岳林區(qū)的人為干擾對細(xì)根生物量和土壤養(yǎng)分影響的研究提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于靈空山林場(36°40′1″N,112°4′28″E)，隸屬山西長治太岳林區(qū).該地區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候.海拔1 300～1 800 m，年均溫8.6 ℃；1月均溫最低，為-10.4 ℃；7月均溫最高，為17.4 ℃.年均降水量662 mm，7—9月的降雨量占全年總降雨量的60%以上.土壤類型為棕壤、褐土等.主要林分類型有華北落葉松純林、油松純林、華北落葉松油松混交林、油松遼東櫟混交林等.該林地在栽種喬木之前，主要用于農(nóng)耕，后來進行大面積人工造林，自此林分開始自然更替.每年只進行枯倒木的移除工作，部分林分于2012年進行擇伐，擇伐強度約為40%.

研究區(qū)內(nèi)，油松(Pinustabulaeformis)為喬木層建群種，同時有少量遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)；灌木層植物數(shù)量較少，主要有華北繡線菊(Spiraeafritschiana)、毛榛(Corylusmandshurica)和胡枝子(Lespedezabicolor)等；草本植物主要有苔草、莎草(Cyperusrotundus)和山羅花(Melampyrumroseum)等[13].

2 試驗方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

該樣地內(nèi)油松純林樹齡為40 a，林分密度為3 750株·hm-2.其中一部分油松林于2012年進行擇伐，擇伐強度40%左右，擇伐之后林分密度2 250株·hm-2，自此未對林分進行人工干擾.2016年8月份在樣地內(nèi)選擇地勢平坦的擇伐林與未擇伐的油松純林，各建立4塊20 m×20 m的固定樣地，調(diào)查林分的郁閉度、密度、喬木樹高、胸徑等.樣地概況見表1.

表1 擇伐前后樣地主要特征Table 1 Main characteristics of plantation before and after selective logging

2.2 土樣采集

于2016年8月，在8塊樣地里按照“S”型，分別選取5個點采集土樣.采用內(nèi)徑8 cm、筒長40 cm的根鉆，每個點按照0～10、10～20 cm土層厚度分次取樣，然后放入寫好編號的自封袋中，帶回實驗室進行處理分析.

2.2.1 細(xì)根生物量測定 將取回的土樣先進行挑根處理，再用篩孔為0.1 mm的篩子反復(fù)沖洗幾次.將根系上所有土壤顆粒都洗凈之后，用鑷子將細(xì)根放入蒸發(fā)皿中，置于60 ℃的烘箱內(nèi)進行烘干(48 h以上)，稱量精確至0.000 1 g.

細(xì)根生物量/(g·m-2)=土柱細(xì)根質(zhì)量×10 000/[π(8/2)2]

單株表層細(xì)根生物量/(g·m-2)=細(xì)根生物量×單株潛在平面空間

式中，單株潛在平面空間是由林分密度推算所得.

2.2.2 土壤養(yǎng)分測定 對分根處理后的土樣進行碾碎過篩，篩孔為1 mm.稱取100 g土樣進行風(fēng)干處理，時間為1周;其余的鮮土放回自封袋，并置于0 ℃以下的冰箱中保存.風(fēng)干處理后的土樣先用研缽研磨，再通過孔徑為0.149 mm的篩子進行過篩，然后干燥保存.

選取土壤養(yǎng)分類型，并按照方法[14]對各種土壤養(yǎng)分含量進行測定，其中土壤有機質(zhì)含量測定采用油浴法；土壤全磷含量測定采用鉬銻抗比色法；土壤全氮含量測定采用凱式定氮法；土壤銨態(tài)氮含量測定采用靛酚藍比色法；土壤硝態(tài)氮含量測定采用紫外分光光度法；土壤速效鉀含量測定采用火焰光度法.

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用雙因素方差分析法比較了不同經(jīng)營措施下不同土壤厚度的表層細(xì)根生物量之間的差異；運用單因素方差分析法比較了不同經(jīng)營措施下單株表層細(xì)根生物量與土壤養(yǎng)分含量的差異.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營措施下油松林表層土壤中細(xì)根生物量的變化

未擇伐林和擇伐林的表層總細(xì)根平均生物量分別為355.05和319.82 g·m-2，二者無顯著差異.不同經(jīng)營措施下的林分密度分別是3 750和2 250株·hm-2.擇伐林單株林木所占面積為2.25 m2，未擇伐林單株林木所占面積為4.00 m2；擇伐林的平均單株表層細(xì)根生物量比未擇伐林增加了479.55 g·株-1，兩者之間具有顯著差異(P<0.05)(表2).可見在擇伐的干擾下，油松林生長更具優(yōu)勢，擇伐有助于擴大單株林分的地下部分營養(yǎng)空間，進而增加細(xì)根生物量.

表2 不同經(jīng)營措施對油松林表層細(xì)根生物量的影響Table 2 Effect of different management practices on the surface fine root biomass of P.tabulaeformis

3.2 不同經(jīng)營措施下油松林表層土壤中細(xì)根生物量的垂直分配

未擇伐林和擇伐林的地下細(xì)根生物量隨土層深度的增加而減小，但相互之間無顯著差異(P>0.05).未擇伐林的0～10 cm土層和10～20 cm土層中的細(xì)根生物量均大于擇伐林，差異不顯著(P>0.05).未擇伐林和擇伐林0～10 cm土層的細(xì)根生物量占表層總生物量分別為53.68%和54.35%；未擇伐林和擇伐林10～20 cm土層的細(xì)根生物量占表層總生物量分別為46.32%和45.65%(圖1).

圖1 不同經(jīng)營措施對油松林不同土壤厚度細(xì)根生物量的影響Fig.1 Effect of different management practices on fine root biomass of P.tabulaeformis under different soil thickness

3.3 擇伐后油松林表層土壤養(yǎng)分含量的變化

擇伐后的油松林表層土壤養(yǎng)分(全氮、硝態(tài)氮、有機質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀)含量整體呈現(xiàn)上升趨勢，僅全磷含量降低.擇伐林在0～10 cm土層的全磷含量比未擇伐樣地下降約15.8%，擇伐林在10～20 cm土層的全磷含量比未擇伐樣地下降約17.5%.全氮、硝態(tài)氮、有機質(zhì)等含量在0～10 cm土層均顯著上升，其中銨態(tài)氮含量增幅最大，為61.3%；速效鉀含量增幅最小，為6.1%.在10～20 cm土層中，銨態(tài)氮含量增幅最大，為60.7%；速效鉀含量增幅最小，為4.8%.擇伐5 a后的油松林表層土壤養(yǎng)分發(fā)生了顯著變化，具體表現(xiàn)為擇伐林土壤中的全氮含量、有機質(zhì)含量、銨態(tài)氮含量均顯著高于未擇伐林(P<0.05)，而擇伐林土壤中的全磷含量顯著低于未擇伐林(P<0.05).而兩種處理下硝態(tài)氮含量和速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)，但是擇伐林的土壤硝態(tài)氮含量和速效鉀含量均高于未擇伐林(圖2).

圖2 兩種經(jīng)營措施下土壤中各種養(yǎng)分含量的比較Fig.2 Comparison of soil nutrients between logging and unlogging plantations

4 小結(jié)與討論

4.1 擇伐對細(xì)根生物量的影響

研究[15]表明，在對林分進行經(jīng)營后，細(xì)根生物量會顯著減少.擇伐之后會出現(xiàn)大量的死細(xì)根，之后死細(xì)根逐漸分解，使得擇伐林的細(xì)根生物量小于未擇伐林[7,16].林冠層面積的減小使得光輻射增強、地表溫度升高，再加上枯枝落葉的快速分解，使得干擾后細(xì)根生物量得以恢復(fù)[17-18].在本試驗中，擇伐林的恢復(fù)時間是5 a，擇伐強度約為40%，表層總細(xì)根生物量與原始林相比并沒有顯著差異，但是符合擇伐林的細(xì)根生物量少于未擇伐林這一規(guī)律.此林區(qū)處于深山區(qū)，擇伐后5 a內(nèi)沒有過多的人為干擾，地表枯落物豐富;擇伐時使用的油鋸屬于輕機械，不會對地表造成嚴(yán)重的破壞，使得擇伐之后林分恢復(fù)較快，這是兩種林分的細(xì)根生物量差異不顯著的原因.與此同時，擇伐之后林冠層覆蓋面積驟減，林分內(nèi)的光照強度和光照時間顯著增加，而油松是喜光樹種，并且新生的幼苗根系多分布于土壤表層，這也使得細(xì)根生物量恢復(fù)較快.

單株細(xì)根生物量是體現(xiàn)樹木生長狀況的重要因素[19].研究[7]表明，單株細(xì)根生物量與采伐強度成正比.本試驗結(jié)果顯示，擇伐林單株細(xì)根生物量顯著大于未擇伐的林分.一方面，擇伐直接導(dǎo)致林分內(nèi)樹木減少，使得保留木的單株細(xì)根生物量明顯增大；另一方面，擇伐擴大了單株地下空間，水分和養(yǎng)分含量供應(yīng)更加充足，因此地下細(xì)根生長和林分恢復(fù)也相應(yīng)加快.

4.2 擇伐對土壤養(yǎng)分含量的影響

擇伐初期，林窗顯著增大，更多的光輻射進入林分，使得地表溫度升高，林地有機物礦化釋放的可溶性養(yǎng)分遭受淋失，引起部分水土流失[20]，土壤微生物數(shù)量也相應(yīng)增加；同時酶活性的增強使得地面上的枝葉等迅速分解，使得土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)速率和含量升高，土壤酸度也相應(yīng)增大[21-23].本研究所測的土壤養(yǎng)分含量中除全磷以外，擇伐林均大于未擇伐林，而擇伐林的土壤全磷含量顯著低于未擇伐林.這可能是由于油松林擇伐后，林冠層空隙增大，降雨導(dǎo)致淋溶作用增強.研究[24-26]證實，土壤環(huán)境發(fā)生變化之后，磷元素的分解吸收受到顯著影響，隨著土壤溫度、含水量以及沒水時間的增加，土壤向外界釋放大量的磷元素；酸性和石灰性土壤顯著降低了無機磷的有效性；土壤中的有機磷易流失，被植物利用的部分減少，降雨也使得有機磷喪失.上述因素可能導(dǎo)致?lián)穹チ滞寥廊缀康陀谖磽穹チ?擇伐對林分細(xì)根生物量和土壤養(yǎng)分的影響十分顯著，進而對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響.在擇伐之后5 a，林分細(xì)根生物量恢復(fù)較快，擇伐造成的土壤各種養(yǎng)分含量的提高是促進這一過程的原因之一，使得擇伐林的細(xì)根生物量與未擇伐林沒有顯著的差異.而擇伐之后短期內(nèi)幾乎所有土壤養(yǎng)分含量都顯著上升.

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EffectofselectiveloggingonthesurfacefinerootbiomassandsoilnutrientofPinustabulaeformisplantationinTaiyuemountain

SHAO Sen

(Forestry College, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

To investigate the influence of selective logging on plantation development, surface fine root biomass and soil nutrient of 40-year-oldPinustabulaeformisplantation were analyzed. The results showed that fine root biomass did not varied between selective logging and non-logging plantation during growing season (P>0.05). Biomass of surface fine root a single tree in selective logging plantation was greater than that of non-logging (P<0.05). Soil nutrient, including total nitrogen (P<0.05), organic matter(P<0.05), ammonium nitrogen(P<0.05), nitrate nitrogen and available potassium, were higher in the surface soil of selective logging plantation than non-logging. While total phosphorus was higher in non-logging than logging plantation (P<0.05).

selective logging;Pinustabuliformisplantation; fine root biomass; soil nutrient

2017-03-08

2017-06-12

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD060020506).

邵森(1995-)，男，碩士研究生.研究方向：森林生態(tài)學(xué).Email:saychou418@163.com.

S718.5

A

1671-5470(2017)06-0654-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.06.009

(責(zé)任編輯:葉濟蓉)