间伐对森林土壤影响的研究进展

陈 雪，马履一，贾忠奎

(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083)

森林生态系统是在森林群落与其环境的作用下形成的具有一定结构、功能和调控能力的自然综合体，是陆地生态系统中最重要的自然生态系统，它在为人类提供木材及其副产品的同时，更为人类创造了一个良好的生存环境。但目前，我国乃至世界林业均面临两大危机，一是木材供需矛盾日益尖锐，二是生态环境不断恶化［1］。因此，在实施天然林保护工程的同时，大力营造人工林，加强人工林的经营管理已被我国列为主要林业课题。其中，抚育间伐作为森林生态系统经营的关键性措施，能为林木创造良好的生长环境，提高林木质量，增加生物多样性，优化森林结构，改良土壤［2－7］，对林木生长乃至整个林分环境均具有重要作用。

目前，国外对抚育间伐效果已经开展了长期的生产活动及科学研究［8－9］。在我国，以往培育人工林只是一味谋求木材产量的提高和经营成本的降低，对于抚育间伐效果的研究也主要是围绕林分密度对林木生长规律和林分蓄积量的影响［10－11］。但近年来，有研究显示间伐能引起森林生物量［12］、碳密度［13］、生物多样性［14－15］以及土壤［15］的变化，尤其是对森林土壤的影响已经成为国内外研究的热点问题，引起了广泛关注。本文通过查阅国内外文献资料，从间伐对森林土壤的影响出发，结合新时期森林抚育的新要求，对间伐后森林土壤物理性质、化学性质以及微生物数量的变化进行了系统总结和评述，并提出了相关问题和对策。

1 间伐对土壤物理性质的影响

1.1 土壤容重的变化

土壤紧实度是树木生长的胁迫因素，直接影响林地植物对营养元素和水分的吸收。在我国土壤学研究中，土壤容重作为衡量土壤质量的必要指标［16］被广泛应用于评价间伐效果的研究中。贾芳等［17］在对北京山区油松幼龄林的研究中发现，间伐后森林土壤容重有所减小，其中0—10 cm土层降低2.2%～10.3%，10—20 cm 土层降低 3.2%～15.3%。陈立新等［18］对落叶松人工林地质量的研究，于海群等［19］对间伐后油松人工林土壤质量的研究，张鼎华等［20］对间伐后杉木、马尾松、建柏、柳杉和木荷人工林土壤肥力的研究，郭蓓等［21］对飞播油松林间伐效果的研究，均得出间伐可减小土壤容重、改善土壤质量的一致结论。这是由于林地通过抚育间伐，郁闭度减小，光照增强，利于林内枯落物分解，从而增加了土壤有机质含量，促进了团粒结构的形成，使土壤结构得到改善所致。

1.2 土壤孔隙度的变化

土壤孔隙度是影响土壤通气性和渗透性的重要因素，决定着土壤贮水、供水量的多少。近年来许多学者将土壤非毛管孔隙度作为衡量生态系统土壤蓄水能力大小的主要指标［22］。间伐作为森林的重要经营措施，可改变林地凋落物组成、分解状况，使地下根系发生变化，从而造成抚育前后林分土壤孔隙度的改变［23］。目前一些研究认为，间伐可增大林分土壤孔隙度，且两者成正相关关系。贾芳等［17］在对北京山区油松幼龄林的研究中发现，间伐后土壤非毛管孔隙度、总孔隙度均有所增加。白岗栓等［24］对仁用杏园土壤理化性质的研究，于海群等［19］对间伐后油松人工林土壤质量的研究均得到一致结论。

然而国内外一些学者的研究却得到相反结论，他们认为间伐并不能通过改善林分条件增加土壤孔隙度，反而破坏土壤结构，使土壤孔隙度减小。Rab等［25］研究发现王桉皆伐后约有1/4面积的土壤受到干扰与破坏。Woodward［26］研究发现，选择25%间伐强度的林分土壤孔隙状况恶化。苏芳莉［27］发现柞树林土壤物理性质在间伐后劣于对照林分。由此可见，间伐对土壤孔隙度的影响方向不一，这可能与树种、立地条件、间伐强度有关，不同树种的林分经间伐后，林内凋落物组分发生改变，从而影响微生物活动，改变土壤孔性和结构。

1.3 土壤水分的变化

土壤水分是构成土壤肥力的重要因素之一，也是土壤物理学研究的重要内容。用能量的观点去研究土壤水分问题，是土壤物理研究中的重大进展，美国物理学家Buckingham在这方面作出了杰出贡献。20世纪70年代末我国科学工作者开始用定量、连续的能量观点来定义土壤水分的能量状况，并将其应用于对间伐效果的评价中。马履一等［28］的研究发现抚育能增加林地持水性、供水性，效果随抚育强度的增加而有所增加。但就目前的研究结果来看，我国学者在间伐对土壤水分的影响研究中，主要内容只涉及土壤含水量、毛管持水量、非毛管持水量、最大持水量等静态指标，而未能从能量的角度分析问题。贾芳等［17］对北京山区油松幼龄林的研究发现抚育林分0—20 cm土层处水源涵养量有所增加，郭蓓等［21］的研究发现间伐可增加林地土壤含水量。

2 间伐对土壤化学性质的影响

2.1 土壤养分的变化

土壤养分是反映土壤肥力的重要指标，是林木生长发育所必需的物质基础，同时也是土壤因子中易于被控制和调节的因子。间伐是调整林分状况的重要措施，它可以改善林分群落结构、物种组成和生境条件，掌握人工林间伐后土壤养分的变化情况，对于促进养分良性循环和维护林地生产力具有重要意义。

前苏联林业科学研究所的研究发现，间伐可增加土壤有效营养元素的含量，其增加量随着间伐强度的加大而提高。这是由于抚育间伐改变了林内小气候，促进了土壤微生物的活动，加速了死地被物的分解，从而提高了土壤肥力。国内许多学者的研究也得到了相似结论。李国雷等［15］、郭蓓等［21］对飞播油松林进行不同程度的间伐后发现，土壤pH值下降，而有机质、全氮、速效钾含量均有所提高。同时，张鼎华等［20］对杉木、马尾松等人工林抚育间伐后林分土壤肥力的研究，苏芳莉［27］对辽东天然杂木林、柞树林和红松人工林的研究，于海群等［19］对油松人工林土壤质量的研究，白岗栓等［24］对仁用杏园间伐后土壤理化性质的研究均得出了一致结论。

然而，美国威斯康星州大学的林业工作者对于该州中部平原地区15年生北美油松的研究结果却表明，间伐后土壤养分含量降低。这是由于间伐使林内温度升高，加快了有机质的分解速度，因而引起了林内土壤营养元素含量的降低［29］。国内也有部分学者得出相似结论。巫志龙等［30］在对人工针阔混交林的研究中发现，择伐后林分土壤营养元素含量均低于初始状态。王海燕等［31］对落叶松云冷杉林分的研究也发现，小于40%的间伐强度未能引起林内土壤养分的显著变化。这些研究均表明间伐未能引起林内土壤养分含量的增加，究其原因可能是采用了不适宜的间伐强度，或是测定时期太短，间伐效果还未充分显现。

2.2 土壤交换性能的变化

土壤阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附的各种阳离子的总量，其大小可作为评价土壤保肥能力的重要指标。目前国内仅有少数学者将土壤交换性能的变化作为评价间伐效果的一项指标。张鼎华等［20］在抚育间伐对人工林土壤肥力的影响研究中发现，间伐两年后土壤交换性能得到改善，土壤阳离子交换量(CEC)有不同程度的下降，交换性盐基总量和盐基饱和度有不同程度的增加。由于间伐后林分土壤生物活性增强、土壤矿质化、养分循环加快以及林下植被的增加引起生物富积作用，从而改变了土壤胶体特性，影响了土壤交换性能。而阳离子交换量的大小与土壤可能吸附的速效养分的容量及土壤保肥能力有关，交换量大的土壤就能吸附较多的速效养分，避免它们在短期内完全流失。因此，土壤交换性能对间伐效果具有一定的响应作用，笔者认为应将其作为评价间伐效果的一项土壤指标应用于实践。

2.3 土壤酶的变化

森林土壤酶系统是森林土壤中生物活动的产物，其活性与土壤理化性质和环境条件密切相关，已经成为土壤健康生物指标中优先考虑的指标之一［32］。土壤酶参与了森林土壤中许多生物化学反应，包括枯落物的分解、腐殖质的形成、土壤养分的固定与供给以及各种氧化还原反应，在一定程度上反映了土壤养分转化的动态情况。20世纪50年代，国外已有学者提出将土壤酶活性作为衡量土壤生物学活性与生产力的指标。在我国，以往对森林土壤酶活性的研究很少，严重滞后于对农田土壤的研究，以致不能满足当代森林土壤及森林经营管理的需要［33］。而近几年，国内陆续有学者对间伐后土壤酶活性的变化进行深入研究，但结论不一［34］。

一些研究认为，随着间伐强度的增加，林内土壤孔隙度升高有利于土壤微生物活动，促进了林内凋落物分解，有机质含量增加，从而使酶活性增强［19］。如火炬松林经间伐后，磷酸酶、几丁质酶会显著增加［35］;密度较大的杉木、马尾松、建柏、柳杉和木荷人工林经间伐后，土壤酶活性增加［20］;油松人工林经间伐后，过氧化氢酶活性显著增加［15］;郭蓓等［21］对飞播油松林间伐后的研究、徐昕等［36］对北京山区幼龄侧柏人工林间伐后的研究均得到一致结论。但也有研究认为，抚育间伐对土壤酶活性的影响不大，甚至有反作用。在德国东北部，62年生完全郁闭的松林间伐5年后，虽然微生物群落结构发生变化，但各种酶活性与对照样地相比并未出现显著差异［37］;张日升等［38］在对沙地樟子松的研究中发现，林分间伐后土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性均有所下降。由此看来，间伐对土壤酶活性的影响非常复杂，这可能与间伐后林下植被物种、根系分泌物和凋落物组成的变化，以及新环境是否能满足土壤微生物的活性相关。

3 间伐对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤有机质和养分转化和循环的动力，进入土壤的各种有机物质都是在土壤微生物的作用下，经过一系列分解、转化，最终形成土壤腐殖质，从而改善土壤结构，为植物生长提供可利用的养分的［39］。相关研究显示，土壤微生物总量的多少与土壤肥力存在正相关关系，通过对土壤微生物总数的测定，可以初步判断土壤肥力的高低，这种方法较传统的对土壤理化性质的测定更为简单，因此有人提出将土壤微生物作为评价林地土壤肥力的指标［40］。

近些年来，在森林抚育间伐效果的研究中，国内学者已经把土壤微生物作为衡量间伐效果的一项指标。张鼎华等［20］研究了杉木、马尾松、建柏、柳杉和木荷人工林的抚育间伐对林分土壤肥力的影响，结果表明间伐两年后土壤微生物数量有所增加。但也有学者认为仅从三大类微生物数量的角度来反映土壤肥力的高低不确切，因为土壤微生物不但与土壤肥力息息相关，还与土壤水分、孔隙度等物理化学指标有关，所以在今后的研究中应结合微生物生理群、酶活性大小等指标综合判定［41］。

4 结论与建议

以往，我国学者仅将林分生长量、蓄积量等指标作为评价抚育间伐效果的依据。近几年来，有关间伐对森林碳储量、生物多样性、森林土壤影响的研究日益增加，尤其是森林土壤，其理化性质、生物活性等指标直接受到林内环境条件的影响，间伐导致林分密度下降，改变了林内光、热、水以及营养物质原有共生模式，这必然会对森林土壤造成一定影响。因此，从土壤质量角度对人工林抚育间伐效果进行研究，对于维护地力以及林分质量具有重要意义。针对我国森林抚育间伐对土壤影响的研究现状，笔者认为，今后应加强以下3方面的研究:

(1)加强间伐对土壤有效水影响的研究。森林土壤水是林木及林下植被生长和生存的物质基础，植物对水的吸收也是一个复杂的生物物理过程，在我国林业上虽然已有多位学者对土壤水分动态以及林木耗水进行了研究［42－44］，但目前国内鲜有研究人员将抚育间伐与土壤水分动态特征相结合进行研究的。

(2)注重间伐对土壤交换性能影响的研究。土壤阳离子交换吸附作用非常普遍，它是土壤中可溶性有效阳离子的主要保存形式，对土壤理化性质、养分固定与释放具有重要影响。间伐通过改变土壤孔性、结构性，从而改变土壤胶体的种类、数量、结晶构造，影响土壤交换性能。然而目前国内在研究间伐与土壤交换性能关系方面相对欠缺，为进一步了解间伐对土壤质量的综合影响，还应加强进一步研究。

(3)注重间伐对土壤综合因子影响的研究。以往我国在抚育效果评价中，仅将土壤容重、水分、养分等作为主要指标，然而随着科学的发展，生物学指标被日益重视，土壤酶活性以及微生物等生物指标已被广泛用于评价抚育间伐效果。然而在森林土壤众多评价指标中，针对不同林分类型，如何筛选出能综合反映林分土壤质量的关键指标已成为日后研究的重点。

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