间伐对近天然落叶松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的影响

李卫松， 毛军， 查同刚， 王海燕†， 李旭

(1.北京林业大学林学院，100083，北京；2.泛华建设集团有限公司，100014，北京；3.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

间伐对近天然落叶松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的影响

李卫松1， 毛军2， 查同刚3， 王海燕1†， 李旭3

(1.北京林业大学林学院，100083，北京；2.泛华建设集团有限公司，100014，北京；3.北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

为探讨间伐对近天然落叶松+云杉+冷杉混交林凋落物特征的长期影响，对吉林省汪清林业局金沟岭林场间伐强度分别为0(对照)、20%、30%和40%4种处理的20块样地进行土壤和凋落物样品的采集和测定，分析不同间伐处理间凋落物特征及其与土壤养分间的相关性。结果表明：1)近天然落叶松+云杉+冷杉混交林凋落物现存量为51.44～181.60 t/hm2，持水量为20.33～47.27 t/hm2，凋落物C与N质量比介于61～72之间，其N、P和K质量分数在不同间伐强度间呈现不同顺序，C质量分数随间伐强度增加逐渐增大；但不同间伐强度之间的凋落物现存量、持水率和养分质量分数差异不显著(P>0.05)。2)凋落物的现存量、持水量及养分质量分数与土壤养分全量的相关性在不同间伐强度的近天然落叶松+云杉+冷杉混交林间表现出一定的相似性，表明间伐不对凋落物特征与土壤养分相关性构成主要影响。3)间伐27年后，不同间伐强度间凋落物特征差异不显著，这可能是由于间伐时间较长，间伐的影响逐渐减弱所致。

凋落物； 间伐； 近天然落叶松云冷杉林

森林凋落物(forest litter)也可称为有机碎屑或枯落物，是由地上植物组分产生并归还到地表面，作为分解者的能量和物质来源，以维持生态系统功能的所有有机质的总称[1]。森林凋落物是森林土壤的重要组成部分，在森林涵养水源、维持土壤肥力和保持生物多样性等方面具有重要作用[2-5]。凋落物特征取决于输入和分解2个关键过程，是林木特征、环境和生物要素等综合作用的结果，在一定程度上反映土壤养分元素的补充量和森林生态系统的物质循环过程，具有不可忽视的生态学意义[6-7]。抚育间伐影响到森林的多个方面包括林分生长[8-9]、总收获量[10]、林分结构[11]、森林环境[12]及生物多样性[13]等，关于间伐的影响研究一直是一个热点[14-15]。近年来也越来越重视间伐的环境影响如生物多样性、土壤和凋落物等方面[13,16]，但抚育间伐对森林凋落物长期影响方面的研究尚不多见；因此，笔者研究27 a后不同间伐强度对近天然落叶松(Larixolgensis)+云杉(Piceaasperata)+冷杉(Abiesnephrolepis)混交林内凋落物现存量、养分质量分数的影响及其与土壤养分质量分数的关系，对认识间伐的长期影响和近天然落叶松+云杉+冷杉混交林经营管理具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于吉林省汪清林业局金沟岭林场(E 130°05′～130°20′，N 43°17′～43°25′)。金沟岭林场属长白山系老爷岭山脉雪岭支脉，林场总面积为1万6 286 hm2。地貌属低山丘陵地带，海拔550～1 100 m。该研究区地处北温带季风区，属大陆性季风型气候，以绝对零度作为计算起点的温度，因此该区全年平均气温为3.9 ℃左右，年均积温2 144 ℃，1月平均气温-32 ℃左右，7月平均气温32 ℃左右。早霜自9月中旬开始，晚霜延至翌年5月末；年降水量 600～700 mm，且多集中在7月；植物生长期为120 d左右。山地土壤类型以暗棕壤为主。

该试验区为营造于1964—1967年的落叶松人工林，经过多年的演变，已形成为落叶松+云杉+冷杉针阔混交林，具有天然林的部分特征，以下称为近天然落叶松云冷杉林。以长白落叶松、云杉、冷杉为优势树种，其他树种有红松(Pinuskoraiensis)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白桦(Betulaplatyphylla)、椴树(Tiliaamurensis)、枫桦(Betulacostata)和榆树(Ulmuspropinqua)等阔叶树种。

2 研究方法

2.1 样地布设

1986年按照完全随机区组设计布设了20块样地，4种间伐强度处理：以无间伐(T0)为对照，其他间伐强度分别为20% (T20)、30% (T30)和40% (T40)，各处理均有5个重复。2013年样地基本概况见表1。

2.2 样品采集及其理化性质测定

在各样地内按“S”形随机布设7个采样点，采集表层(0～20 cm)混合样品1 kg左右。土样经风干、磨细、过筛后，用于测定土壤性质。

表1 试验样地特征

土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)测定，有机质采用外加热重铬酸钾氧化法测定，全氮采用凯氏定氮仪法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定[17]。

2.3 凋落物样品采集与测定

在2013年9月1日09:00—11:00之间，此时的天气是阴天，每块样地内随机布设3个0.5 m×0.5 m的小样方，在每个小样方内收集全部凋落物，共60个样品。称取各样品湿质量(m1，t/hm2)后，在60 ℃下烘干至恒质量(m2，t/hm2)，则凋落物含水量按下式计算[18]：

S=m1-m2；

(1)

R=(m1-m2)/m2×100%。

(2)

式中：S为含水量，t/hm2；R为含水率，%。

凋落物碳采用外加热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮采用凯氏定氮法，全磷和全钾采用硫酸-H2O2消煮测定[17]。

2.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2007及SPSS 17.0进行数据的统计分析和检验。采用单因素ANOVA分析不同间伐强度对凋落物现存量、持水量和养分质量分数的影响，采用Pearson相关系数进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 凋落物现存量

如表2所示，间伐27 a后，T20、T30和T40近天然落叶松云冷杉林凋落物现存量均值分别是T0的1.15、1.22和1.11倍，表现为T30>T20>T40，均>T0。这与周新年等[1]研究结果不一样，可能的原因是间伐时间年限较长，间伐样地的灌草生长更旺盛，显著高于对照处理，因此导致间伐强度越大，凋落物现存量越大。方差分析表明不同间伐强度间凋落物现存量差异不显著(n=15，P>0.05)(表2)。凋落物现存量的变异系数介于22.95%～33.21%，根据对变异程度的划分，变异系数>90%为高变异性，变异系数<10%时具低变异性，而变异系数在10%～90%之间为中等变异[16]，各间伐强度下凋落物现存量皆属中等变异。

表2 不同间伐强度下凋落物现存量

3.2 凋落物含水量

如表3所示，不同间伐处理下凋落物的含水量均值变化范围为20.33～47.27 t/hm2，T40、T30和T20均大于T0，分别是T0的2.34、1.84和2.08倍，但不同处理间差异不显著(P>0.05)。凋落物的含水率均值变化范围是76.26%～102.19%，表现出随间伐强度降低，含水率下降的规律，即T40>T30>T20>T0，但不同处理间差异不显著(P>0.05)。结果同时表明：凋落物含水率的顺序与凋落物含水量顺序不一致，凋落物含水率高的林分其含水量不一定高；因为其凋落现存量较少，反之，凋落物含水率较低的林分其含水量较高。凋落物现存量与凋落物含水量随间伐的强度的增加呈现相同的趋势。不同间伐强度下的含水量和含水率均属中等变异。

表3 不同间伐强度下凋落物含水量

3.3 凋落物养分质量分数

方差分析表明，凋落物全氮、全磷、全钾、有机碳和C与N质量比在不同间伐处理间差异均不显著(P>0.05)，但不同处理间各养分质量分数相对大小的规律有所不同(表4)。凋落物全氮质量分数介于6.01～7.58 g/kg之间，表现出T20>T0>T40>T30的规律；凋落物全钾质量分数表现为T0>T20>T40>T30，而全磷质量分数不同间伐处理间几乎相等，略低于对照，与凋落物全氮质量分数表现出相同的规律；不同间伐强度的凋落物有机碳质量分数均高于对照，并表现出随间伐强度增大而逐渐升高的趋势。凋落物C与N质量比可衡量凋落物分解程度，不同间伐强度的凋落物C与N质量比均高于对照，其中T30最大达到72.36，凋落物相对较稳定。有机碳质量分数和C与N质量比均大于对照组，这可能是因为强度间伐区内林木株数减少，林内透光、通风条件均有所改善，更有利于微生物和土壤动物活动，加速了凋落物的分解。N、P、K质量分数随间伐强度变化规律不很明显，可能与枯枝落叶凋落过程中养分转移有关，原因有待深入探讨。

表4 不同间伐强度下凋落物养分质量分数(平均值±标准差)

3.4 凋落物特征与土壤养分质量分数的相关性

3.4.1 凋落物现存量和持水量与土壤养分的相关性 森林凋落物的物质直接输送到土壤表层，同时凋落物的分解转化主要受土壤表层的影响，研究表明林地土壤物质交换主要在 0～20 cm 的表层中进行[18]；因此仅讨论该土层中凋落物现存量和持水量与土壤养分之间的相互关系(表5)。

表5 森林凋落物现存量和含水量与土壤养分相关性(n=15)

注：*表示相关性显著(P<0.05)，**表示相关性极显著(P<0.01)；下同。Note:*means significant correlation (P< 0.05)，**extremely significant correlation (P<0.01). The same as below.

凋落物量与土壤养分之间表现出一定的相关性。各强度处理间，凋落物现存量与土壤有机碳均呈显著正相关，其中对照处理的相关系数最大，为0.447；与土壤全氮质量分数呈极显著正相关，也表现为对照处理的相关系数最大，为0.820；凋落物现存量与土壤自然含水量呈显著正相关，也表现为对照处理的相关系数最大，为0.467；凋落物现存量与其他土壤理化性质的相关性均不显著。凋落物含水量与土壤全氮质量分数呈显著正相关，而与土壤有机碳和全磷、全钾质量分数的相关性均不显著。不同间伐强度间，凋落物特征与土壤养分质量分数之间相关性没有明显差异。

3.4.2 土壤养分质量分数与凋落物养分质量分数之间的相关性 不同间伐强度处理间，0～20 cm土层土壤养分质量分数与凋落物养分质量分数的相关性基本一致(表6)。在各间伐处理上，土壤全氮均与凋落物N质量分数呈极显著正相关，与凋落物P、K、C质量分数相关性均不显著；土壤全磷均与凋落物P质量分数呈极显著正相关，与凋落物N、K、C质量分数相关性均不显著；土壤有机碳与凋落物N质量分数呈显著(T0)或极显著正相关(T20、T30、T40)，与凋落物P质量分数呈显著(T0、T20、T40)或极显著正相关(T30)，与凋落物K、C质量分数相关性均不显著。这一方面表明土壤养分全量与凋落物养分质量分数具有一定关系，说明土壤养分一部分来自于凋落物的分解，同时也表明间伐强度不对这种相关性产生显著影响。

表6 土壤养分质量分数与凋落物养分质量分数的相关性(n=15)

4 讨论

本研究结果表明间伐强度越大，凋落物含水量越大，其原因可能有2点。一是间伐27 a后，间伐时间年限较长，间伐样地的灌草生长更旺盛，显著高于对照处理；因此，导致间伐强度越大，凋落物含水量越大。如雷相东等[15]研究抚育间伐对落叶松云冷杉混交林的影响，发现间伐改善了林内的光照条件，有利于下层植被的生长和发育，采伐样地的下层植被比较发达，灌草生物量比较大。二是枯落物含水量为测定时的瞬时值，测定结果与采样的时间有关，也就是说凋落物的含水量具有时空变异性[19]。虽然本文采样是固定在2013年9月1日09:00—11：00之间完成的，并且当天是阴天，但也具有一定的时间变异性，这可能部分解释了本研究结果：凋落物含水量随着间伐强度的增加而增大。

作为常用抚育措施之一，间伐直接改变森林凋落物的输入，同时影响森林内环境要素如水分、温度及微生物的分布，从而对凋落物分解及土壤养分输入产生影响[6,14]。本研究表明，不同间伐处理间的凋落物现存量、含水量、养分含量及其与土壤养分相关性等方面均没有显著差异，且没有表现出一致性的规律。这与以前相似的研究结论有所差异，如T. R. Crow等[14]发现，间伐4 a后的阔叶林凋落物量和生物多样性都显著增加。而周新年等[1]对择伐10 a后的针阔混交林研究表明，弱度和中度择伐林地凋落物及养分质量分数在择伐10a后基本得到恢复，而强度和极强度择伐后的凋落物生物量及其养分质量分数均未恢复。P.Nilsen和L.T.Strand[20]研究表明，间伐33 a后的挪威云杉(Piceaabies)凋落物碳储量在不同间伐强度之间差异不显著。东北兴安落叶松(Larixgmelinii)26 a的间伐试验也得出类似结论[21]。因此，除去林分、地理区域等可能原因外，间伐的时间效应可能是影响凋落物生物量和养分质量分数的重要因素之一，即间伐对凋落物的影响可能只在间伐后一定时间内由于凋落物输入、环境条件等差异导致凋落物特征出现显著变化；但这种影响只持续一定的时间，当超过一定时间长度后，由于林分自然更新或其他因素的影响，间伐的影响逐渐减弱，凋落物特征差异逐渐减小。本文研究的间伐时限达到27 a，故不同间伐强度下的凋落物现存量、持水量、养分质量分数及其与土壤养分相关性等方面差异均未达到显著水平。

5 结论

1)间伐27 a后，不同间伐强度之间的凋落物现存量、含水量和养分质量分数均没有显著差异。凋落物现存量为51.44～181.60 t/hm2，表现为T30>T40>T20>T0；凋落物含水量为20.33～47.27 t/hm2，表现为对间伐强度增加持水率上升的规律；凋落物N、P、K及C质量分数大小在不同间伐强度间的规律有所不同、凋落物全氮质量分数表现出T20>T0>T40>T30的规律；凋落物全钾质量分数表现为T0>T20>T40>T30；全磷质量分数表现出T0>T30>T20>T40；不同间伐强度的凋落物C质量分数表现为T40>T30>T20>T0。

2)凋落物的现存量、含水量及养分质量分数与土壤养分全量之间表现出一定的相关性，但间伐处理对这种相关关系没有明显影响。不同处理间，凋落物现存量与土壤有机碳质量分数呈显著正相关，与土壤全氮质量分数呈极显著正相关；凋落物含水量与土壤全氮质量分数呈显著正相关；凋落物N质量分数与土壤全氮质量分数呈极显著正相关，与土壤有机碳质量分数呈显著或极显著正相关；凋落物P质量分数与土壤全磷质量分数呈极显著正相关，与土壤有机碳质量分数呈显著或极显著正相关。

3)间伐对凋落物特征的影响可能具有一定的年限，超过这一年限后，间伐将不构成主要影响。这也解释了本文的研究结论，即间伐27 a后，不同间伐强度之间的凋落物特征差异不显著。

[1] 周新年，巫志龙，郑丽凤，等.天然林择伐10 年后凋落物现存量及其养分含量[J].林业科学，2008，44(10)：25-28

[2] 王士永，余新晓，贾国栋.北京山区主要人工林枯落物水文效应[J].中国水土保持科学，2011，9(5)：42-47

[3] 邵方丽，余新晓，杨志坚，等.天然杨桦次生林表层土壤水分与枯落物的空间异质性[J].水土保持学报，2012，26(3)：199-204

[4] 陈立新，陈祥伟，段文标.落叶松人工林凋落物与土壤肥力变化的研究[J].应用生态学报，1998，9(6)：581-586

[5] 孙晓芳，黄建辉，王猛，等.内蒙古草原凋落物分解对生物多样性变化的响应[J].生物多样性，2009，17(4)：397-405

[6] 刘明国，苏芳莉，谭学仁，等.不同间伐强度下天然次生林凋落物分解进程研究[J].土壤通报，2012， 41(4)：877-881

[7] 许晓静，张凯，刘波，等.森林凋落物分解研究进展[J].中国水土保持科学，2007，5(4)：108-114

[8] 杜纪山，唐守正.抚育间伐对林分生长的效应及其模型研究[J].北京林业大学学报，1996，18(1)：79-83

[9] 李军，王永明，陈波，等.华北落叶松人工林短周期间伐与林分生产力的关系[J].中国水土保持科学，2012，10(5)：90-93

[10] 于长平，陈昌杰，丁磊，等.抚育间伐对辽东山区3种林型林分总断面积和总收获量的影响[J].辽宁林业科技，2003(6)：1-6

[11] 韩明跃，李莲芳，郑畹，等.间伐强度对云南松中龄低产林分结构的调整研究[J].中南林业科技大学学报，2011，31(2)：27-33

[12] 胡建伟，朱成秋.抚育间伐对森林环境的影响[J].东北林业大学学报，1999，27(3)：65-67

[13] 李春义，马履一，徐昕，等.抚育间伐对森林生物多样性影响研究进展[J].世界林业研究，2006，19(6)：27-32

[14] Crow T R，Buckley D S，Nauertz E A，et al. Effects of management on the composition and structure of Northern hardwood forests in upper Michigan[J]．Forest Science，2002，48(1)：129-145

[15] 雷相东，陆元昌，张会儒，等.抚育间伐对落叶松云冷杉混交林的影响[J].林业科学，2005，41(4)：78-85

[16] 陈雪，马履一，贾忠奎.间伐对森林土壤影响的研究进展[J].中国水土保持，2012(9)：60-63

[17] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000：14-111

[18] 于洋.东北过伐林区蒙古栋天然林土壤、凋落物特征及生物多样性研究[D].北京：北京林业大学，2011：22-23，49-50

[19] 林观土，彭彬霞，韩锡君，等.东莞大岭山七种林分凋落物持水量的时空特征[J].广东林业科技，2009，25(3)：20-24

[20] Nilsen P，Strand L T. Thinning intensity effects on carbon and nitrogen stores and fluxes in a Norway spruce (Piceaabies(L.) Karst.) stand after 33 years[J]. Forest Ecology and Management, 2008, 256(3)： 201-208

[21] 徐庆祥.抚育间伐对大兴安岭兴安落叶松天然林碳储量的影响[D].哈尔滨：东北林业大学，2013：17-19

(责任编辑：程 云)

Effects of thinning on litter characteristics of semi-naturalLarixolgensis+Piceaasperata+Abiesnephrolepismixed forests

Li Weisong1, Mao Jun2, Zha Tonggang3, Wang Haiyan1, Li Xu3

(1.College of Forestry, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Fanhua Construction Limited Co., 100014, Beijing, China; 3.College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

We collected soil and litter samples from twenty plots of semi-naturalLarixolgensis-Piceaasperata-Abiesnephrolepismixed forests under four thinning intensities (0 (control), 20%, 30% and 40%) in Jingoulin Forest Farm, Jilin Province, in order to assess long-term effects of thinning on litter characteristics. The correlations between litter characteristics and soil nutrients were analyzed. The results are shown as follows: 1) The standing crop of litter in semi-naturalL.olgensis-P.asperata-A.nephrolepismixed forests was 51.44-181.60 t/hm2, the water holding capacity of litter was 20.33-47.27 t/hm2, and the litter C:N ratio ranged between 61 and 72. Concentrations of litter N, P and K showed different orders under different thinning intensities and litter C concentration gradually increased with thinning intensity; however, there were no significant differences in standing crop, water holding capacity and nutrient concentration of litters under different thinning intensities (P>0.05). 2) Correlations between litter characteristics and soil nutrients showed certain similarity under different thinning intensities, indicating that thinning intensity was not the main affecting factor. 3) Twenty-seven years after thinning, no significant differences were observed in litter characteristics under varying thinning intensities, showing no long-term thinning effects in our study.

litter; thinning; semi-naturalLarixolgensis-Piceaasperata-Abiesnephrolepismixed forest

2014-03-17

2015-06-16

项目名称：中央高校基本科研业务费专项“典型水土流失类型区土壤可蚀性研究”(TD2011- 2)； 国家林业局公益性行业科研项目“我国典型森林类型健康经营关键技术研究” (20100400201)

李卫松(1988—),女,硕士研究生。主要研究方向:植物营养。E-mail:songweili0322@126.com

†通信作者简介：王海燕(1972—),女,博士,副教授。主要研究方向：土壤及植物营养。E-mail:haiyanwang72@aliyun.com

S714.5； S715； S753

A

1672-3007(2015)05-0037-06