抚育间伐对辽东山区人工红松林土壤物理性质及持水特性的影响1)

祁金虎　杨会侠　丁国泉　陶玉柱　白荣芬

(辽宁省森林经营研究所，丹东，118000)



抚育间伐对辽东山区人工红松林土壤物理性质及持水特性的影响1)

祁金虎杨会侠丁国泉陶玉柱白荣芬

(辽宁省森林经营研究所，丹东，118000)

摘要通过野外调查取样和室内测试与分析，研究了不同抚育间伐强度下,人工红松林土壤物理性质及其持水特性。结果表明：与对照相比，0～20 cm土层，弱度、中度和强度抚育间伐处理的土壤密度分别减少了1.36%、17.10%、13.46%；土壤总孔隙度分别是对照的1.02、1.14、1.23倍，土壤毛管孔隙度分别是对照的1.00、1.14、1.21倍，土壤非毛管孔隙度分别是对照的1.13、1.14、1.40倍；土壤最大持水量与对照相比分别提高了0.52%、13.90%、23.18%，土壤非毛管持水量分别高出了12.79%、14.30%、39.65%；土壤饱和入渗系数分别是对照的2.81、3.45、4.99倍。>20～40 cm土层所表现出的规律与0～20 cm土层基本一致，方差分析显示，各抚育间伐处理均能显著改善土壤的物理性质及其持水性能，且以中度及强度抚育间伐处理的效果更优。

关键词抚育间伐；辽东山区；红松；土壤物理性质；持水特性

分类号S714.7

Effect of Thinning on Soil Physical Properties and Water-holding Capacity ofPinuskoraiensisPlantation in Liaodong Mountain Area//

Qi Jinhu, Yang Huixia, Ding Guoquan, Tao Yuzhu, Bai Rongfen

(Forest Management Research Institute of Liaoning Province, Dandong 118000, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：48-51.

We studied the soil physical properties and water-holding capacity ofPinuskoraiensisplantation under three thinning conditions (light, medium and heavy intensity thinning) by field survey sampling and indoor test for the reasonable thinning operation ofPinuskoraiensisplantation in Liaodong Mountain Area. At the depth of 0-20 cm, the soil bulk density was decreased by 1.36%, 17.10%, 13.46%, respectively, for non-thinning. Compared with non-thinning, the soil total porosity was 1.02, 1.14 and 1.23 times of that of the control. The soil capillary porosity was 1.00, 1.14 and 1.21 times of that of the control, and non-capillary porosity was 1.13, 1.14 and 1.40 times of that of the control, respectively. The soil maximum water-holding capacity and non-capillary water-holding capacity both were increased by 0.52%, 13.90%, 23.18% and 12.79%, 14.30%, 39.65%, respectively. The permeability coefficients was 2.81, 3.45, and 4.99 times of that of the control under three thinning conditions. At the depth of 20-40 cm, the thinning treatments had the similar changes in soil physical properties and water-holding capacity with the upper 0-20 cm soil layer. By variance analysis, the thinning significantly improved the effects of soil physical properties and water conservation, especially in medium and heavy intensity thinning.

KeywordsThinning; Liaodong mountain area; Pinus koraiensis; Soil physical properties; Water-holding capacity

红松(Pinuskoraiensis)作为东北地区珍贵的地域性树种之一，因其木材质量好，种子经济价值高，自20世纪30年代开始在辽东山区进行大面积营造，截止目前已有80多年的人工栽培历史。从促进林分生长、提高林分结实能力等方面考虑，应该对其进行合理抚育间伐作业。有关人工红松林的营造技术、病虫害防治、林木生长因子(树高、胸径、生物量)、种子经济价值等前人已做了大量研究[1-6]。但有关人工红松林抚育对土壤理化性质、特别是土壤持水性能的研究，却并不多见。

森林土壤作为林木生长的基础，土壤物理性质的好坏、持水性能高低极大的影响树木的生长，进而还影响到林分的水土保持功能[7]。在水源匮乏、水土流失严重的背景下，近年来围绕森林土壤理化性质、水源涵养功能、水土保持功能等方面的研究日益增多[8-10]。因此，在兼顾经济效益与生态效益的前提下，对人工红松林实施抚育间伐作业势在必行。本研究对辽东山区长期多次不同抚育间伐强度处理下的人工红松林的土壤物理性质及持水性能进行测定与分析，以量化间伐强度与土壤密度、孔隙度、持水量和入渗系数之间的关系，进而从改善土壤物理性质、增加土壤水源涵养功能及水土保持功能，为辽东山区人工红松林适宜抚育间伐强度的确定提供数据参考。

1试验地概况

试验区位于辽宁省本溪市本溪满族自治县草河口镇，该区属于大陆性季风性气候，平均海拔约645 m，年均气温6.5 ℃，年均降水量926.3 mm，无霜期128 d左右。土壤为山地棕色森林土，层次薄、石栎含量高、保水性差，pH值为5.3～6.3。植被以人工红松林为主，其下植物稀疏，仅有少量大叶樟(Cinnamomumparthenoxylon(Jack) Nees)、天南星(Arisaemaerubescens(Wall) Schott)、铁线莲(ClematisfloridaThunb)等。

2研究方法

2.1试验样地设置

所选人工红松林于1949年营造，试验开始前从未进行过任何抚育间伐处理。1959年选取具有代表性的人工红松林样地，以保留株数为指标划分了强度、中度、弱度及对照(不间伐，自然稀疏)4个抚育间伐强度处理，各处理面积均为0.1 hm2，各抚育间伐强度处理分别在1959年、1967年、1987年、1994年、2005年、2012年共进行了6次抚育间伐强度处理作业。2014年实地调查结果见表1，因林木间遮蔽原因，测高仪无法正常使用，树高未进行测定。

表1　样地基本特征

2.2土壤物理性质及持水量测定

2014年10月，于各抚育间伐强度处理小区内均以“S型”取样法选取5个取样点，按0～20 cm和>20～40 cm层次采集土壤环刀样，每层3次重复，4个处理总计取样120个，所取样品带回做室内分析。土壤密度、孔隙度、入渗系数均采用环刀法测定。为便于比较，计算时将不同温度下所测得的土壤入渗系数均换算成10 ℃时的入渗系数。

土壤最大持水量和非毛管持水量使用如下公式计算[4]：①Wt=10 000×P1×h，②Wc=10 000×P2×h。式中：Wt代表最大持水量；Wc代表非毛管持水量；P1代表土壤总孔隙度；P2代表土壤非毛管孔隙度；h代表土层厚度。

2.3数据统计与分析

本研究所获取的数据用Excel 2003进行处理，用SPSS16.0软件作方差分析，以检验各抚育间伐强度处理下土壤物理性质、持水特性(包括最大持水量、非毛管持水量和入渗系数)的差异性(P<0.05)。

3结果与分析

3.1抚育间伐强度对人工红松林土壤物理性质的影响

在森林生态系统中，土壤是水分贮存的重要场所之一，其物理性质(尤其是密度、孔隙度)直接影响到水分的贮存数量及主要贮存方式。为系统的评价抚育间伐强度对红松林土壤物理性质的影响，对抚育间伐处理后红松林土壤物理性质作比较分析(见表2)。

表2　不同土层不同抚育间伐强度样地的土壤物理性质

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母代表同一土层间差异显著(P<0.05)。

3.1.1不同抚育间伐强度的土壤密度

土壤密度是影响土壤蓄水性能的重要指标之一。通常来说，土壤密度小，土壤疏松、蓄水性能强；反之，土壤密度大，土壤紧实、蓄水性能弱[11]。

比较不同抚育间伐强度红松林土壤密度(见表2)可以得出，土壤密度均表现为0～20 cm土层低于>20～40 cm土层。0～20 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的土壤密度比对照分别减少了1.36%、17.10%、13.46%，多重比较分析显示，中度抚育间伐处理与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，而与强度抚育间伐处理间差异不显著；>20～40 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的土壤密度分别比对照处理减少了6.38%、25.39%、18.87%，多重比较分析显示，对照处理与强度、中度抚育间伐处理间差异显著，而与弱度抚育间伐处理间差异不显著。结果表明，抚育间伐处理对红松林土壤密度具有改善效果，且中度及强度抚育间伐处理优于弱度抚育间伐处理，0～20 cm土层优于>20～40 cm土层的效果，原因可能是对林分进行适度间伐，有利于植物根系发育及土壤动物(尤其是蚯蚓)活动，进而会对土壤起到疏松作用，降低土壤密度。

3.1.2不同抚育间伐强度的土壤孔隙度

土壤孔隙度直接关系着土壤的通气、透水性能，是影响土壤蓄水性能的又一重要指标，其中毛管孔隙度的大小能够直接反应出土壤固持水的能力，而非毛管孔隙度更是具有反映土壤涵养水源、削减洪灾发生的能力[12]。

比较不同抚育间伐强度处理下红松林土壤孔隙度(见表2)的可以得出，土壤总孔隙度、毛管孔隙度指标均表现为0～20 cm土层高于>20～40 cm土层，而土壤非毛管孔隙度指标则表现为>20～40 cm土层高于0～20 cm土层。此外，抚育间伐强度能够显著影响到各土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。0～20 cm土层，弱度、中度及强度抚育间伐处理的土壤总孔隙度分别是对照处理的1.02、1.14、1.23倍，土壤毛管孔隙度分别是对照处理的0.99、1.14、1.21倍，土壤非毛管孔隙度分别是对照处理的1.13、1.14、1.40倍，多重比较分析显示，土壤总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度，强度抚育间伐处理与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，与中度抚育间伐处理间差异不显著；>20～40 cm土层，弱度、中度及强度抚育间伐处理的土壤总孔隙度分别是对照处理的1.05、1.28、1.22倍，土壤毛管孔隙度分别是对照处理的1.04、1.28、1.14倍，土壤非毛管孔隙度分别是对照处理的1.08、1.30、1.66倍，多重比较分析显示，中度抚育间伐处理的土壤总孔隙度、毛管孔隙度与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，与强度抚育间伐处理间差异不显著。强度抚育间伐处理的土壤非毛管孔隙度与其它处理间差异显著。结果表明，适当的对红松林做抚育间伐处理，有利于改善其下土壤空隙状况，进而调节土壤渗透、蓄水性能。

3.2抚育间伐强度对人工红松林土壤持水特性的影响

3.2.1不同抚育间伐强度的土壤持水量

森林土壤是贮存水分的重要场所，其持水能力高低受土壤物理性质影响较大。通常土壤最大持水量表征的是土壤水源涵养潜力的最大值，而在饱和持水量条件下，非毛管持水量的多少会直接影响土壤调节蓄水的功能。因此，土壤最大持水能力及非毛管持水能力都是反应林地土壤水源涵养功能的重要指标[13]。

表3　不同土层不同抚育间伐强度样地的土壤持水量

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母代表同一土层间差异显著(P<0.05)。

比较不同抚育间伐强度处理的红松林土壤持水性能(见表3)可以得出，土壤最大持水量表现为0～20 cm土层高于>20～40 cm土层，而非毛管持水量则表现为>20～40 cm土层高于0～20 cm土层。此外，各土层条件下，土壤最大持水量、非毛管持水量均受到抚育间伐强度的显著影响。0～20 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的土壤最大持水量分别比对照处理提高了0.52%、13.90%、23.18%，土壤非毛管持水量分别比对照处理提高了12.79%、14.30%、39.65%，多重比较分析显示，强度抚育间伐处理与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，与中度抚育间伐处理间差异不显著；>20～40 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的土壤最大持水量分别比对照处理提高了4.59%、28.38%、21.61%，土壤非毛管持水量分别比对照处理提高了8.29%、29.55%、65.54%。多重比较分析显示，中度抚育间伐处理的土壤最大持水量与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，与强度抚育间伐处理间差异不显著。强度抚育间伐处理的土壤非毛管持水量与弱度抚育间伐处理、对照处理间差异显著，与中度抚育间伐处理间差异不显著。结果表明，适当的对红松林做抚育间伐处理，有利于提高土壤持水能力。

3.2.2不同抚育间伐强度的土壤入渗系数的变化

地表径流可以通过入渗作用转化为壤中流、地下径流，以实现理水调洪的功能。由此可见，土壤入渗对蓄水保土作用较大，是影响土壤水源涵养功能的又一重要指标[14]。

比较不同抚育间伐强度处理下红松林土壤入渗系数(见表4)可以得出，土壤入渗系数0～20 cm土层高于>20～40 cm土层。此外，各土层条件下，土壤入渗系数与抚育间伐强度间呈显著正相关关系。0～20 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的入渗系数分别是对照处理的2.81、3.45、4.99倍；>20～40 cm土层，弱度、中度、强度抚育间伐处理的入渗系数分别是对照处理的4.80、4.45、5.11倍。多重比较分析结果表明，各土层条件下，弱度、中度、强度抚育间伐处理的土壤入渗系数均显著高于对照处理。说明适当的对红松林做抚育间伐处理，有利于改善土壤入渗性能。

表4　不同土层不同抚育间伐强度样地的土壤入渗系数

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母代表同一土层间差异显著(P<0.05)。

4结论与讨论

本研究通过对辽东山区人工红松林经多次抚育间伐处理后的土壤物理性质进行测定，结果显示抚育间伐强度能够显著的改善土壤密度、土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。这一研究结果与前人基本相同，贾忠奎等[3]对北京山区侧柏人工林的研究表明，抚育间伐能够降低土壤密度、增加土壤蓄水量；王利东[15]对华北落叶松人工林的研究表明，土壤饱和含水量、土壤田间持水量及土壤孔隙度等物理性质指标受间伐强度影响明显。原因是间伐的强度、间隔期、方式等会不同程度的影响到林分的生境，导致林木根系生长、林下土壤内动物(蚯蚓等)活动等发生改变，进而使植物群落多样性及土壤理化性质发生变化[16-18]。

林地土壤作为森林水文功能的一个重要发挥主体，主要是通过其自身强大的保蓄水能力及渗透作用来实现理水、调洪、保土等生态功能[19-20]。土壤持水量及土壤入渗系数作为评价土壤持水性能(水源涵养功能)的两个重要指标，以往研究均表明其受林分密度影响很大，如贾芳等[13]、李侃等[14]的研究结果均表明对林分做适宜的抚育间伐处理能够增加林地土壤水样源涵养功能。本研究所得结论与之相符，即土壤最大持水量、非毛管持水量及土壤入渗系数均会受到抚育间伐强度的显著影响。

因此，适宜的间伐抚育对人工红松林土壤物理性质及持水特性具有改善作用，但要确定红松生长周期内各年龄阶段所对应的最适宜密度应结合土壤肥力水平、林下植物多样性指数、林木生长状况、出材率、净化大气环境等多个经济及生态价值指标进行综合评定。

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收稿日期：2015年9月16日。

第一作者简介：祁金虎，男，1988年5月生，辽宁省森林经营研究所，助理工程师。E-mail：qijinhu2008@163.com。

1)林业公益性行业科研专项(201404303)；辽宁省科学技术计划项目(20121149)；林业科技创新平台运行补助项目(2015-LYPT-DW-048)。

责任编辑：王广建。