迹地炼山对杉木林植物多样性与土壤特性的影响1)

张梦雅 王新杰 刘乐 张鹏 付尧

(北京林业大学，北京，100083) (北京林业大学鹫峰实验林场) (国家林业局林产工业规划设计院)



迹地炼山对杉木林植物多样性与土壤特性的影响1)

张梦雅 王新杰 刘乐 张鹏 付尧

(北京林业大学，北京，100083) (北京林业大学鹫峰实验林场) (国家林业局林产工业规划设计院)

依照立地条件相一致原则，采用空间代替时间方法，选取闽西北地区造林1 a及造林3 a杉木(Cunninghamialanceolata)纯林，分别对炼山及未炼山林地的植物多样性及土壤特性进行研究。 结果表明：炼山与未炼山造林后植被多样性差异显著。炼山在造林1 a时增加灌木多样性，减少草本多样性，造林3 a时灌草多样性均减少。随造林年限增加，仅炼山林地灌木多样性降低，其余均呈增加状态；炼山在造林1 a时增加土壤密度，造林3 a时增加土壤含水率、密度及毛管孔隙度，其他土壤因子质量分数降低。随造林年限增加，炼山林地各土壤因子质量分数有所提升，未炼山林地反而下降；通径分析表明，炼山造林地内灌木多样性受土壤特性限制较未炼山林地小，但炼山林地草本多样性受土壤特性的限制远大于未炼山林地。影响较大的土壤因子为土壤孔隙度，磷、钾质量分数。总体看来，迹地炼山对杉木林植被及土壤影响较大，但随时间推移影响日益减小。

迹地清理；炼山法；植物多样性；土壤理化性质；通径分析

Slash disposal methods; Burning method; Plant diversity; Soil physical and chemical properties; Path analysis

林下植被和土壤是生态系统重要组成部分，也是评价生态系统的重要因子[1]。土壤提供林木生长所需水分与养分，是林木生存生长的最基本条件及不可或缺的载体。林下植被可以改良土壤、促进养分循环，对林地物种多样性维持也发挥重要作用。两者在森林生态系统中相辅相成，共同为林木生长提供最有利条件[2]，且均易受采伐或清理方式等干扰的影响，干扰类型、强度等都是决定其恢复的重要因素[3]。

杉木是闽西北地区历史悠久的主要造林树种，具有生长迅速、木材耐腐蚀、树干通直等特点[4]。在南方栽植面积广，对林业发展、生态建设和经济发展有着重要作用，占据着不可取代的地位[5-6]。该地区杉木多为人工纯林，主要进行皆伐作业，伐后仅将树干搬运(未炼山)或火烧采伐剩余物(炼山)进行迹地清理。现有研究表明，炼山会对林地造成较大影响。马祥庆等[7]发现炼山能够短时间提高土壤肥力、造林成活率及林下植被发育，但会加重水土流失，这与大部分学者研究结果一致[8-12]。同时，炼山后的土壤温度高于其他方法[13]，炼山还能够提高萌条数量并促进萌条生长[14]，有利于1年生草本和阳性植物的生长，且能促进杉木造林[15-16]。因此，本研究以炼山及未炼山造林的杉木纯林为对象，通过分析其植被多样性、土壤理化性质及两者的通径关系，研究对生态系统稳定及林业可持续发展更有益的迹地清理方式。为后续杉木林地皆伐后迹地清理方式的选择提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于将乐国有林场，福建省西北部的三明市(117°5′～117°40′E，26°26′～27°4′N)。属中亚热带季风区，年平均降水量约1 680 mm，年平均温度19.8 ℃；地处低山丘陵区，平均坡度28°，平均海拔261 m；土壤为红壤，平均土层厚度65 cm；森林资源丰富，有林地面积达18.87万hm2，森林覆盖率为84.5%，主要乔木树种为杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford ‘Pubescens’)、马尾松(PinusmassonianaLamb)等，主要灌木为檵木(Loropetalumchinensis)、楤木(Araliachinensis)、粗叶榕(FicushirtaVahl)、盐肤木(Rhuschinensis)等，主要草本为狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、黑莎草(GahniatristisNees)、草珊瑚(Sarcandraglabra)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

2014年7月份，在保证造林前林分、初植密度及抚育措施均一致前提下，按照立地条件相一致原则及空间代替时间方法，在炼山及未炼山清理试验地内，分别选取造林1 a(2013年3月份造林)及造林3 a(2011年3月份造林)的林地设置20 m×30 m的杉木标准地。每种类型6块，共计24块。标准地情况如表1所示。

表1 各标准地基本概况

2.2 样地调查

调查样地的坡度、坡向、海拔等基本指标。灌木样方设置在标准地的中心及四角，大小为5 m×5 m，调查灌木种类、株数，卷尺测定每株高度、盖度、冠幅后取平均值，游标卡尺测定地径；草本样方设置于灌木样地的中心，大小为1 m×1 m，调查草本种类、株数，卷尺测定每株高度、盖度后取平均值。

3) 等待按键信号，等待工人安装零部件并将发动机转到合适的安装位置，如果等待时间>5s无信号则报警提示按键异常并结束程序；

2.3 土壤取样与测定

土壤剖面设置在各个样地的左上角、中心及右下角，每个样地3个，剖面深度(H)为60 cm，使用环刀及自封袋采集0≤H<20 cm、20 cm≤H<40 cm、40 cm≤H<60 cm土壤样品。环刀取样按照国家规定进行土壤物理性质的测定与计算[17]。自封袋取土晾干、研磨、过筛后于2014年10月份至2015年1月份测定化学性质。土壤全氮质量分数采用半微量凯氏法、全磷质量分数采用酸溶-钼锑抗比色法、全钾质量分数采用酸溶火焰光度计法、有效磷质量分数采用碳酸氢钠浸提法、速效钾质量分数采用乙酸铵浸提火焰光度计法、碱解氮质量分数采用碱解扩散法、有机质质量分数采用重铬酸钾氧化法、pH值采用酸度计法[18]测定。

2.4 数据处理

2.4.1 多样性指数计算

根据各位学者对8项常见多样性指标的应用和评价[19]，结合本研究特点，为了综合分析林地植被数量、物种多样性及分布均匀程度，共选取以下4项常用指标。

Margelef丰富度指数(DM)：DM=(S-1)/lnN；

Pielou均匀度指数(JS，W)：JS,W=H′/lnS。

式中：N为观察到的个体总数；Pi为物种i的概率；S为物种总数。

2.4.2 数据统计分析

数据统计及计算使用Microsoft Excel 2016，数据分析使用SPSS 20.0。其中，植被多样性及土壤特性进行单因素ANOVA方差分析，相关性采用通径分析方法，具体参考宋小园等[20]的研究。

3 结果与分析

3.1 不同迹地清理方式对林下植被多样性的影响

3.1.1 不同迹地清理方式对灌木多样性的影响

炼山对林地灌木多样性造成显著影响(表2)。短时间内除DM外，其余指数与未炼山林地差异显著，但长时间后,各指数间则不具有显著差异。炼山林地DM、DS、H′、JS，W指数比未炼山林地在造林1 a时分别增加了11.24%、25.70%、27.19%、24.49%，造林3 a时则分别降低了21.07%、8.33%、14.97%、9.82%。同时，炼山林地灌木多样性随着造林时间的增长而逐渐减小，未炼山林地却相反。可以认为，短时间内炼山有利于灌木生长，但随着造林年限的增加，未炼山林地更具优势。

3.1.2 不同迹地清理方式对草本多样性的影响

炼山导致草本多样性指数降低，炼山后短期内林地各多样性指数与未炼山林地具极显著差异，长期后JS，W指数差异不显著(表3)。炼山林地DM、DS、H′、JS，W指数较未炼山林地在造林1 a时分别降低了34.41%、20.30%、30.63%、22.53%，造林3 a时仅分别降低了30.60%、10.78%、21.75%、10.88%。不论是否炼山，随着造林时间的增长，草本多样性一直增加，且炼山对草本造成的影响随造林年限增加而逐渐减小。

表2 不同迹地清理方式后造林林下灌木多样性指数

注：表中数值为“平均值±标准差”；同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)；同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

表3 不同迹地清理方式后造林林下草本多样性指数

注：表中数值为“平均值±标准差”；同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)；同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

3.2 不同迹地清理方式对土壤特性的影响

3.2.1 不同迹地清理方式对土壤物理性质的影响

炼山对土壤物理性质造成影响(表4)，短期内炼山林地仅土壤密度高于未炼山林地，其余指标均降低，且土壤含水率、密度和总孔隙度差异显著，分别相差19.11%、10.95%和10.22%，其余指标差异不显著。造林长期后炼山林地总孔隙度与非毛管孔隙度降低，其余指标升高，总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差异显著(分别相差4.25%、4.85%、86.34%)，其余不显著。对比不同造林时间，除非毛管孔隙度外，炼山林地各土壤性质随造林时间增长而逐渐改善，未炼山林地却逐渐变差。

表4 不同迹地清理方式后造林土壤物理性质

注：表中数值为“平均值±标准差”；同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)；同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

3.2.2 不同迹地清理方式对土壤化学性质的影响

炼山林地所有土壤化学性质指标值小于未炼山林地(表5)，土壤pH值在各处理间无显著差异，造林短期内炼山林地土壤各营养指标与未炼山林地差异显著，但造林长期时，土壤全磷、碱解氮和有效磷质量分数变为差异不显著。炼山林地的土壤pH值，全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾质量分数较未炼山林地造林1 a时分别降低了2.60%、45.29%、31.94%、6.43%、40.79%、55.84%、65.66%、30.91%，造林3 a时则分别降低了2.68%、39.09%、9.39%、7.57%、25.10%、7.57%、52.17%、44.63%。在化学性质方面，炼山林地土壤有机质、碱解氮质量分数随造林时间的增长而逐渐增加，其余指标逐渐下降，而未炼山林地中所有指标都下降。

表5 不同迹地清理方式后造林土壤化学性质

迹地清理方式有机质质量分数/g·kg-1碱解氮质量分数/mg·kg-1有效磷质量分数/mg·kg-1速效钾质量分数/mg·kg-1未炼山1a(3.086±0.125)Aa(26.066±1.001)Aa(17.152±3.577)Aa (99.124±4.013)Aa炼山1a(1.827±0.147)Bb(11.512±0.837)Bb(5.890±0.943)Bb(68.488±5.006)Bb未炼山3a(2.629±0.189)Aa(15.707±1.324)Bb(11.755±3.903)ABab(88.429±3.116)Aa炼山3a(1.969±0.213)Bb(14.518±3.245)Bb(5.622±0.374)Bb(48.960±3.417)Cc

注：表中数值为“平均值±标准差”；同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)；同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

3.3 植物多样性指数与土壤主要理化指标的关系

3.3.1 灌木多样性与土壤理化性质的关系

灌木多样性指数与土壤主要理化性质的直接通径系数表明(表6)，炼山后造林土壤对灌木的限制较小，反而未经过火烧的造林地灌木生长受限更严重。在炼山林地内，仅土壤pH值对灌木多样性指数产生显著影响，与各多样性指数(DM、DS、H′、JS，W)直接通径系数分别为0.568、0.791、0.823、0.761。未炼山造林地中两者关系较为复杂，灌木多样性与土壤全磷质量分数呈显著负相关，土壤全钾质量分数分别与灌木DS、H′、JS，W呈显著负相关。同时土壤总孔隙度仅对灌木H′产生显著影响，土壤毛管孔隙度对灌木JS，W产生显著影响，土壤pH值对灌木DM产生极显著影响，且均呈负相关。

表6 灌木多样性与土壤理化性质直接通径系数

注：*代表在0.05水平显著；** 代表在0.01水平显著。

3.3.2 草本多样性与土壤理化性质的关系

草本多样性指数与土壤主要理化性质的直接通径系数如表7所示，炼山林地草本多样性受土壤特性的限制高于未炼山林地。炼山林地内，草本DS和JS，W分别与土壤总孔隙度、有效磷质量分数呈显著负相关，草本DM和DS分别与土壤pH值呈显著负相关，土壤有机质质量分数仅与草本JS，W呈显著正相关，土壤全钾质量分数与草本DM,DS和H′呈显著负相关，土壤速效钾质量分数分别与草本DS、H′、JS，W呈显著负相关。未炼山林地内，土壤毛管孔隙度与草本H′呈显著负相关，土壤非毛管孔隙度与草本DS呈显著正相关，土壤有机质质量分数与草本DS、H′、JS，W均呈显著负相关，土壤全磷质量分数与草本DM呈显著负相关。

表7 草本多样性与土壤理化性质直接通径系数

注：*代表在0.05水平显著；** 代表在0.01水平显著。

4 结论与讨论

炼山是一种常用迹地清理方式，其简单易行，是南方地区重要的森林经营措施。前者的研究大部分表明其有利于幼木生长[14-15]、短时间内增加速效养分[9-10]。据此可以推断，在杉木林皆伐后利用火烧进行迹地清理，会增加林地的灌草多样性，对土壤速效养分具有短期促进作用。然而这一推断并没有在本研究中得到完全证实：仅炼山林地的灌木多样性指数在造林1 a后较未炼山林地有所提升，其余多样性指数均低于未炼山林地。炼山林地的土壤物理性质中仅个别指标在炼山后有所提高，化学性质全部低于未炼山林地。但是，随着造林年限的增加，炼山林地仅灌木多样性下降，草本多样性、土壤物理性质和化学性质均有改善，而未炼山林地灌草多样性方面有所增加，土壤理化性质却在下降。

造成这些的原因有很多，对不炼山林地，草本未受火烧，受损较小，恢复较快，但炼山后表层土温度短暂升高，有利于灌木萌发[21]。因此，造林1 a时炼山林地灌木多样性更高，但迹地清理后造林3 a时则由于地表裸露，受到雨水的冲刷，导致水土流失等问题，使得地力下降[22]，其生长开始受到抑制。因此，炼山造林1 a林地内多为1年生灌木，且多样性指数高于未炼山林地。这一结果与马祥庆[14]等的研究所得结论在草本方面有所不同，木本植物方面类似。可能是由于草本植物极易受外界因素影响，且研究地本身具有差异导致。同样的，土壤密度是一定体积的土壤质量，炼山后土壤没有了植物的遮挡，高温作用下容易板结进而造成密度的增加[23]，且土壤孔隙度与土壤密度具有显著负相关关系[24]，因此，造成林地土壤性质改变。炼山林地的土壤养分变化结果与前者[1，23]的研究结果基本一致，但未表现林开敏等[9]研究的增加趋势，可能由于林开敏等的研究中短期范围指几个月到1 a，而本研究中造林短期指造林后1 a，所以导致研究结果有所差异。对于造林年限对土壤特性的影响，可能是火烧后林地内灰烬经过分解，能够一定程度补充损失养分，进而炼山后林地内土壤特性呈现逐渐改善的趋势。

植被与土壤存在着相互影响、互相促进的密切关系[25]。炼山林地内灌木生长较未炼山林地受限小，且相关性较大的养分为磷与钾。由于磷元素在植物体内参与能量代谢，在光合和呼吸等过程发挥着重要作用[26]，促进早期根系的形成和生长，促进花芽分化[27]。而钾元素参与蛋白质、淀粉合成，其可以提高光合速率[28]，同时还可以提高植物对氮的吸收和利用[29]。这两种元素都是木本植物初生长时关键养分，可能由于前茬种植杉木，未炼山林地土壤养分改变较小，灌木更受限制。与灌木相反，炼山林地草本多样性与土壤特性的相关性更大。炼山林地内草本多样性受一些速效养分的限制格外明显，但未炼山林地仅与孔隙度，有机质、磷质量分数相关性显著。可能与炼山后土壤温度升高对速效养分及含水率影响较大有关。

通过对迹地清理后林地的植被多样性及土壤特性的综合分析，笔者认为，闽西北地区杉木纯林炼山后造林并无优势，不建议对迹地进行炼山处理。但随造林时间的延长，炼山对林地造成的影响逐渐减小，所以，以现有研究为基础，整合更多方面研究，并加以更长时间的监测，将更有利于揭示炼山在闽西北地区杉木林造林前清理的可靠性与可行性。

[1] 杨尚东,吴俊,谭宏伟,等.红壤区桉树人工林炼山后土壤肥力变化及其生态评价[J].生态学报,2013,33(24):7788-7797．

[2] 彭东海,侯晓龙,何宗明,等.金尾矿废弃地不同植被恢复阶段物种多样性与土壤特性的演变[J].水土保持学报,2016,30(1):159-164.

[3] PASCARELLA J B, AIDE T M, SERRANO M I, et al. Land-use history and forest regeneration in the Cayey mountains, Puerto rico[J]. Ecosystems,2000,3(3):217-228.

[4] BI J, BLANCO J A, SEELY B, et al. Yield decline in Chinese fir plantations: a simulation investigation with implications for model complexity[J]. Canadian Journal of Forest Research,2007,37(9):1615-1630.

[5] ZHAO M, XIANG W, PENG C, et al. Simulating age-related changes in carbon storage and allocation in a Chinese fir plantation growing in southern China using the 3-PG model[J]. Forest Ecology & Management,2009,257(6):1520-1531.

[6] MA X, HEAL K V, LIU A, et al. Nutrient cycling and distribution in different-aged plantations of Chinese fir in southern China[J]. Forest Ecology & Management,2007,243(1):61-74.

[7] 马祥庆, 杨玉盛, 林开敏, 等.不同林地清理方式对杉木人工林生态系统的影响[J]. 生态学报, 1997, 17 (2) : 176-183.

[8] WANG L H. Effects of slash disposal methods on the physical and chemical properties of soil on the harvested sites in northeast China[J]. Scientia Silvae Sinicae,2002,38(6):88-92.

[9] 林开敏,何智英,俞新妥,等.炼山后杉木幼林地土壤肥力动态研究[J].福建林学院学报,1992,12(3):290-295.

[10] 叶镜中,邵锦峰,王桂馨,等.炼山对土壤理化性质的影响[J].南京林业大学学报,1990,14(4):1-7.

[11] 黄莉,吴福忠,杨万勤,等.炼山和遮阳覆盖对马尾松人工林土壤全氮及矿质氮格局的影响[J].水土保持学报,2014,28(1):167-177.

[12] 凌威，王新杰，刘乐，等.皆伐与不同迹地清理方式对杉木土壤化学性质的影响[J].东北林业大学学报，2016,44(4)：48-53.

[13] 张正雄,赵尘,周新年,等.皆伐与不同迹地清理方式对我国南方林地土壤温度的影响[J].森林工程,2010,26(6):1-3.

[14] 马祥庆,王荣溪,陈友力,等.不同迹地清理方式对杉木萌芽更新的影响研究[J].福建林业科技,1994,21(2):15-18.

[15] 林开敏,俞新妥,何智英,等.炼山后杉木幼林生长动态研究[J].福建林学院学报,1992,12(1):1-8.

[16] 刘永刚,胡光辉,闫争亮,等.炼山与未炼山清理对2年生巨尾桉人工林林木生长量及其群落灌草层植物种类组成的影响[J].西部林业科学,2009,38(4):63-69.

[17] 国家林业局.森林土壤水分一物理性质的测定：LY/T 1215-1999[S].北京:中国标准出版社,1999.

[18] 国家林业局.森林土壤分析方法:中华人民共和国林业行业标准[S].北京:中国标准出版社,1999:74-108.

[19] BANDEIRA B, JAMET J L, JAMET D, et al. Mathematical convergences of biodiversity indices[J]. Ecological Indicators,2013,29(6):522-528.

[20] 宋小园,朱仲元,刘艳伟,等.通径分析在SPSS逐步线性回归中的实现[J].干旱区研究,2016,33(1):108-113.

[21] 崔现亮,罗娅婷,毕延菊,等.储藏和萌发温度对青藏高原东缘12种灌木种子萌发的影响[J].生态学杂志,2014,33(1):23-32.

[22] 马祥庆,何智英,俞新妥.不同林地清理方式对杉木人工林地理的影响[J].林业科学,1995,31(6)：485-490.

[23] 舒学平.不同林地清理方式对杉木林土壤容重和速效养分含量的影响[J].防护林科技,2013(8):18-19.

[24] 邓羽松,丁树文,蔡崇法,等.鄂东南崩岗洪积扇土壤物理性质空间分异特征[J].中国农业科学,2014,47(24):4850-4857.

[25] KARDOL P, BEZEMER T M, VANDER PUTTEN W H. Temporal variation in plant-soil feedback controls succession[J]. Ecology Letters,2006,9(9):1080-1088.

[26] 常胜合,舒海燕,秦广雍,等.植物对磷饥饿的反应研究进展[J].中国农学通报,2005,21(7):199-203.

[27] JENSEN H， SCHJOERRING J K， SOUSSANA J F. The influence of phosphorusd efficiency on growth and nitrogen fixation of white clover plants[J]. Annals of Botany,2002,90:745-753.

[28] 李冬花,郭瑞林,张毅,等.钾肥对小麦产量及营养品质的影响研究[J].河南农业大学学报,1997,31(4):357-361.

[29] 陆景陵.植物营养学[M].北京:中国农业大学出版社,2001:36-91.

1)“十二五”农村领域国家科研计划项目(2012BAD22B05)。

张梦雅，女，1995年6月生，北京林业大学林学院，硕士研究生。E-mail:mengya_zhang@bjfu.edu.cn。

王新杰，北京林业大学林学院，副教授。E-mail：xinjiew@bjfu.edu.cn。

2016年11月28日。

S715.3

责任编辑：任 俐。

Effect of Burning Disposal Method on Undergrowth Vegetation Diversity and Soil Properties ofCunninghamialanceolata//Zhang Mengya, Wang Xinjie, Liu Le(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Zhang Peng(Jiufeng Experimental Forest Farm of Beijing Forestry University); Fu Yao(Planning and Design Institute of Forest Products Industry of State Forestry Administration)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(3)：63-67,76.

In accordance with the same site conditions and employing the method of spatial sequence instead of temporal sequence, we studied the differences of species diversity and soil properties between burning and non-burning method in 1-a and 3-aCunninghamialanceolataforests in the Fujian Northwestern. Burning logging lash had significant effect on species diversity. Burning increased shrub diversity but decreased herb diversity in 1-a forest. In 3-a forest, burning had different reduction degrees of diversity. With the prolonging of the planting year, shrub diversity increased but others all decreased; Burning increased soil bulk density, and other soil properties were decreased in 1a forest. Soil moisture, soil bulk density and capillary porosity had increasing trend in 3-a forest, other soil properties were decreased. With the prolonging of the planting year, burning increased soil properties but soil properties in non-burning forest were decreased. By the path analysis, the effect between shrub diversity and soil characters was higher in non-burning forest than burning forest, but the herb diversity was different. The main factor was soil porosity, P and K. Therefore, burning disposal method has significant effect on undergrowth vegetation diversity and soil properties, but the effect is decreased with time.