不同经营方式对人工林土壤化学性质的影响

马长顺，王雨朦

(1.青海省海东市乐都区林业局新乐公园，青海 海东 810700；2.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

为了缓解我国木材短缺的问题，自20世纪80年代中期开始，我国政府决定在全国范围内大面积营造人工用材林[1]。这种做法既可以保护现有森林，又有利于环境改善和生物多样性的保护。然而，由于经营管理不科学，人工林也面临着土壤肥力衰退、生态恶化和森林生产力下降及病虫害等问题[2]。因此，研究不同抚育采伐强度、不同带宽对人工用材林土壤的影响，从而制定合理的营林模式，对于我国人工林的科学培育和利用具有重要意义。

1 研究方法

以小兴安岭人工用材林为研究对象，在天然林内设置6块样地，采伐强度依次为10%、15%、20%、25%、30%和35%，每块样地设置4条采伐带和4条保留带，带宽依次为6、10、14和18 m。在各采伐带以及保留带内采集土壤样本，对其化学性质进行测定。测定指标包括pH值、有机质含量、全N含量、全P含量、全K含量、水解N含量、有效P含量和速效K含量。通过比较实验数据，分析不同采伐强度、不同带宽下人工林土壤化学性质的变化情况。

1.1 土壤有机质和pH的测定方法

土壤溶液中氢离子与氢氧根离子相对数量决定着土壤的酸碱性。一般用pH值表示。土壤溶液pH值范围一般在4～9，pH值的差别由土壤类型决定。山地多为酸性土壤，平原多为中性或碱性土壤，森林土壤除少数类型外多为酸性[3-4]。不同林木对土壤酸碱性有不同的适应性。土壤酸碱性对林木生长的影响在许多情况下是通过土壤微生物和土壤养分有效性而间接影响于林木[5]。

在各采伐带内随机设置4个样点，各采伐带之间样点保持同一水平位置，对照样地CK选择在10 m保留带内，每个样点取土壤剖面为0～10 cm的土壤1 kg带回实验室进行分析。土壤pH值的测定采取水浸法，水土体积比按照50∶1的比例，用pH计按照LY/T1239—1999规定进行测定，直接读得pH值。

土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物。其来源主要包括动物、植物、微生物的排泄物、分泌物及其残体，流入土壤的废水废渣等[6-7]。土壤有机质的含量因土壤类型的不同而有较大差异，含量高的可达20%或30%以上(如泥炭土、某些肥沃的森林土壤)，含量低的不足1%或0.5%(如荒漠土、风沙土)。

土壤有机质采用油浴重铬酸钾(K2Cr2O7)氧化法，按照LY/T1237—1999规定进行测定。

计算方法：

有机质=

(1)

有机质(%)=有机碳(%)×1.724。

(2)

式中：0.800 0为1/6K2Cr2O7标准溶液的浓度(mol/L)；5.0为1/6K2Cr2O7标准溶液的体积(mL)；V0为空白标定用去硫酸亚铁溶液体积(mL)；V为滴定土样用去硫酸亚铁溶液体积(mL)；0.003为1/4碳原子的摩尔质量(g/mol)；1.1为氧化校正系数；1.724为将有机碳换算成有机质的系数；m1为风干土样质量(g)；K2为将风干土换算成烘干土系数。

1.2 土壤营养元素的测定方法

土壤化学元素测定需要分别针对不同元素，采取不同的测定方法。

(1)土壤全氮采用自动凯氏法(LY/T1228—1999)测定，仪器为VS—KT—P型全自动定氮仪。

计算方法：

(3)

式中：V为滴定样品用去盐酸(或硫酸)标准液体积(mL)；V0为滴定试剂空白试验用去盐酸(或硫酸)标准溶液体积(mL)；C为盐酸(或硫酸)标准溶液的浓度(mol/L)；0.014为氮原子的摩尔质量(g/mol)。

(2)水解氮的含量采用扩散法(LY/T1231—1999)测定，将森林土壤样品置于扩散皿的外室，加锌—硫酸亚铁还原剂和1.8 mol/L 的NaOH溶液。在控制温度条件下，土壤中易水解的氮化合物，被稀碱水解成铵盐，铵盐与碱进一步作用形成氨气；锌粉和亚铁可将土壤中的亚硝态氮和硝态氮还原为氨。氨气不断扩散逸出，被内室的硼酸吸收，用标准酸滴定，便计算出水解性氮的含量。

计算方法：

(4)

式中：V为滴定待测液用去的盐酸(或硫酸)标准溶液体积(mL)；V0为滴定试剂空白，试验用去盐酸(或硫酸)标准液体积(mL)；C为盐酸(或硫酸)标准液浓度(mol/L)；14为氮原子的摩尔质量(mg/mol)；1000为换算为mg/kg换算系数。

(3)全磷的含量采用酸溶-钼锑抗比色法(LY/T1232—1999)测定。

计算方法：

(5)

全五氧化二磷P2O5=全磷P×2.29。

(6)

式中：C为从工作曲线上查得显色液的磷浓度数；V为显色液体积，50 mL；ts为分取倍数，ts=待测液体积(mL)/吸取待测液体积(mL)；M为烘干土样质量(g)；106为将微克换算成克的除数；2.29为将磷换算成五氧化二磷的系数。

(4)有效磷的含量采用氢氧化钠浸提-钼锑抗比色法(LY/T1233—1999)测定

计算方法：

有效磷P=

(7)

式中：显色液含磷μg/g为从工作曲线上查得的磷浓度数(μg/g)；显色液体积为50 mL；分取倍数=浸提液总体积/吸取浸提液体积。

(5)全K的含量采用酸溶-火焰光度法(LY/T1234—1999)，仪器为火焰光度计。

计算方法：

(8)

全氧化钾K2O=全钾K×1.204 6。

(9)

式中：C为从工作曲线查得溶液中钾浓度(μg/g)；V为待测液定容体积50 mL；ts为分取倍数，ts=待测液体积(mL)/吸取待测液体积(mL)；M为烘干土样质量(g)；106为将微克换算成克的除数；1.2046为将钾换算成氧化钾的系数。

(6)速效K的含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法(LY/T1236—1999)测定。

计算方法：

(10)

式中：C为从工作曲线上查得待测液钾的浓度(μg/g)；N为浸提剂体积(50 mL)；K2为将风干土样换算成烘干土样的水分换算系数；m1为风干土样质量(g)。

2 结果与分析

2.1 10%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地A采用强度为10%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表1。

表1 A样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表1可知，各采伐带内土壤pH值随带宽的增大呈现上升趋势，土壤均呈弱酸性，各采伐带之间以及采伐带与对照样地之间土壤pH值差异不显著，土壤有机质含量随带宽的增大呈现上升趋势，但差异不显著。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量随带宽的增大呈现上升趋势，除6 m采伐带S1土壤全N含量略低于对照样地外，其它各采伐带土壤全N含量均明显高于对照样地。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量均明显高于对照样地，且随带宽的增大呈现上升趋势，增长幅度为10.78～32.85mg/kg。

2.2 15%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地B采用强度为15%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表2。

表2 B样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表2可知，各采伐带内土壤pH值与对照样地相比均有不同程度的上升，但差异不显著，增长幅度为0.09～0.38。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量均明显高于对照样地，且随带宽的增大整体呈现上升的趋势，增长幅度为2.28～3.3g/kg。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量均明显高于对照样地，且随带宽的增大整体呈现上升的趋势，增长幅度为30.58～34.15mg·kg-1。

2.3 20%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地C采用强度为20%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表3。

表3 C样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表3可知，各采伐带内土壤pH值与对照样地相比均有不同程度的升高，且随带宽的增大整体呈现上升的趋势。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量随带宽的增大呈现上升的趋势，全P含量与对照样地相比差异不显著，随带宽的增大呈现上升的趋势。6 m采伐带S1与10 m采伐带S2之间土壤全K含量差异不显著，但均明显低于对照样地，14 m采伐带S3与18 m采伐带S4之间土壤全K含量差异不显著。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量随带宽的增大呈现上升的趋势，有效P含量差异不显著，均略高于对照样地，速效K含量均明显高于对照样地，速效K含量随带宽的增大呈现上升的趋势。

2.4 25%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地D采用强度为25%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表4。

表4 D样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表4可知，各采伐带内土壤pH值均低于对照样地，pH值随带宽的增大呈现先升高后下降的趋势，土壤有机质含量随带宽的增大呈现先升高后下降的趋势。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量均高于对照样地，且随带宽的增大呈现先升高后降低的趋势，各采伐带之间以及各采伐带与对照样地之间土壤全N含量差异较显著，全P含量随带宽的增大呈现先上升后下降的趋势，全K含量均高于对照样地，且随带宽的增大呈现下降的趋势，。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量随带宽的增大呈现先升高后下降的趋势，有效P含量与对照样地相比均有不同程度的上升，且差异较显著。

2.5 30%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地E采用强度为30%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表5。

表5 E样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表5可知，各采伐带内土壤pH值均高于对照样地，但差异不显著，土壤有机质含量与对照样地相比差异不显著，各采伐带之间差异也不显著。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量随带宽的增大呈现下降的趋势，均明显高于对照样地，全P含量与对照样地相比差异较显著，全K含量与对照样地相比差异不显著。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量随带宽的增大呈现下降的趋势，有效P含量与对照样地相比差异不显著。10 m采伐带S2土壤速效K含量明显高于对照样地，6 m采伐带S1、14 m采伐带S3土壤速效K含量略低于对照样地，18 m采伐带S4土壤速效K含量明显低于对照样地。

2.6 35%采伐强度对人工林土壤化学性质的影响

样地F采用强度为35%的抚育采伐方式，采伐后各条采伐带内土壤化学性质平均值见表6。

表6 F样地土壤化学性质

注：表中数据为平均值±标准差，同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

由表6可知，各采伐带内土壤pH值随带宽的增大呈现下降的趋势，各采伐带内土壤pH值呈弱酸性，有机质含量随带宽的增大呈现下降的趋势。

全量养分中，各采伐带内土壤全N含量随带宽的增大整体呈现下降的趋势，但各采伐带之间土壤全N含量差异不大，全P含量随带宽的增大整体呈现下降的趋势，全K含量随带宽的增大整体呈现下降的趋势。

速效养分中，各采伐带内土壤水解N含量随带宽的增大呈现下降的趋势，有效P含量随带宽的增大呈现下降的趋势，且均高于对照样地，速效K含量随带宽的增大呈现下降的趋势，且均高于对照样地。

3 结果与分析

(1)不同强度抚育采伐对用材林土壤化学性质的影响。各样地采伐带经过不同强度抚育采伐后，土壤pH值整体呈上升趋势，这是由于抚育采伐后，林地内凋落物减少，CO2以及有机酸等酸性物质的来源减少，因此林地内土壤pH有所升高[8]。各采伐带整体趋势表现为10%～15%的低强度抚育采伐条件下，各采伐带内土壤有机质及营养元素含量差异不显著；15%～25%的中等强度抚育采伐条件下，10～18 m带宽的采伐样地内土壤有机质及营养元素含量较高；25%～35%的高强度抚育采伐条件下，6～10 m带宽的采伐样地内土壤有机质及营养元素含量较高。这是由于经过低强度的抚育采伐后，各采伐带内林分密度、光照、湿度等条件等变化不大，因此土壤有机质及营养元素含量差异不显著，经过中等强度抚育采伐后，各采伐带内林分密度趋于合理，植被竞争减小，光照、水分更充足，适宜土壤内微生物的繁殖和活动，有利于促进凋落物的分解[9-10]，从而使土壤有机质及营养元素含量升高，然而经过较高强度的抚育采伐后，各采伐带内林分密度、光照和湿度等条件发生剧烈的变化，土壤内微生物活动受到影响，林分密度大幅度下降也使其截流能力下降，土壤受雨水冲刷严重[11-13]，这种林地内小气候变化随带宽的增大而加剧，因此高强度采伐条件下，小带宽土壤有机质及营养元素含量反而较高。

(2)用材林最佳经营方式。对于人工林，采用14～18 m带宽，强度为20%的抚育采伐，林地土壤化学性质较好，土壤pH值保持在6.27～6.51，微生物活性较高，有利于土壤有机质的分解；有机质含量最高可达到21.98 g/kg，明显高于其它采伐带；微生物的活跃以及有机质含量的升高同样促使土壤内N元素含量的增长，为林木生长提供充足的营养元素；人工林林分密度均匀，树种单一，种间竞争小，经过中等强度、大带宽的抚育采伐后，林地内光照、湿度条件合理，有利于P元素、K元素的释放以及林木的吸收。综合考虑，14～18 m带宽，20%采伐强度条件下，土壤酸碱度以及营养元素条件对于林分生长最为有利；其次为6 m带宽，强度为35%的抚育采伐；再次为18 m带宽，强度为10%～15%的抚育采伐；最后为10 m带宽，25%～30%的抚育采伐。

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