间伐对杉木叶凋落物和细根分解的影响

余士香 黄凤生成向荣

（1浙江省开化县林业局 324300；2中国林业科学研究院亚热带林业研究所 浙江富阳311400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方地区最主要的造林树种，材质好，用途广，具有悠久的栽培历史。根据第八次全国森林资源清查数据，目前杉木林面积1096万hm2，占森林总面积的6.66%，蓄积量7.26亿m3。间伐作为一种重要的营林技术措施，通过调整林分密度，改善林分结构和种间关系，在人工林培育过程中具有重要的作用。许多研究发现，间伐改变了林分冠层结构，短期内导致林内光照、水分和温度的变化，进而影响地上/地下凋落物的产量、质量和分解[1-2]。森林凋落物分解是植被向土壤输入营养物质的主要途径，也是生态系统维持养分平衡的重要因素[2]。研究表明，凋落物分解释放的营养物质可以供给森林生长需求量的 69%～87%[3]。通常认为，间伐强度增大将加速凋落物分解，导致凋落物产量降低[4]。但也有研究发现，强度间伐降低了叶凋落物分解速率[5]。可见，不同的间伐处理对凋落物分解影响也不尽相同。林娜等[1]评述了抚育间伐对人工林凋落物分解的影响，指出在相同气候带内凋落物性质对分解过程有重要影响。Kunhamu 等[6]研究表明，间伐降低了凋落物中N、P、K含量。尽管国内外已开展了许多间伐对凋落物分解影响的研究，但多数研究主要关注叶凋落物分解过程和养分循环[7-10]，地下凋落物分解的研究相对较少，间伐对杉木地上/地下凋落物分解影响的研究更是少见。为此，在浙江省开化县林场，以间伐2年后的杉木人工林为研究对象，研究未间伐、中度间伐和强度间伐处理对地上/地下凋落物性质和分解速率的影响，以期为杉木人工林经营管理和养分循环提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于浙江省开化县林场城关分场（东经118°25′，北纬29°09′）。试验区年平均气温16.4℃，年平均降雨量1814 mm，无霜期252d，年日照总时数1334.1 h，属亚热带季风气候。海拔 180～300 m，土壤为红黄壤，土层厚度80 cm以上，质地疏松，平均坡度18º。

1.2 间伐试验

试验林分为 17年生杉木纯林，初植密度为2500株/hm2，2006年进行1次抚育间伐（间伐强度约18%）。2011年春季进行第2次间伐，分别设置中度间伐（20%间伐强度，以株数计）、强度间伐（37%间伐强度，以株数计）和不间伐3种处理，每种间伐处理小区面积20 m×20 m，3次重复，共9个小区。2012年10月调查结果显示，未间伐、中度间伐和强度间伐保留密度分别为1775、1408、1114株/hm2，平均树高分别为14.5、14.8、14.9 m，平均胸径分别为 17.6、18.5、19.1 cm。

1.3 凋落物分解实验

2012年 12月，在每块样地内设置 5个1m×1m的凋落物收集框，收集叶凋落物然后烘干。同时在每块样地内设置8个50cm×50cm小样方，清除地表植被和凋落物，挖掘收集0-20cm土层内的杉木细根（直径＜2mm），根据根系颜色和弹性，挑选活的细根。细根带回实验室后清洗干净，烘干至恒重。将烘干的叶凋落物装入15cm×25cm的尼龙网袋（孔眼直径1mm2），每袋10g，每个样地放置30袋，共270袋。烘干的细根装入 10cm×15cm的尼龙网袋（孔眼直径0.1mm），每袋2g，每个样地放置30袋，共270袋。叶凋落物分解袋平铺在地表，直接接触土壤表面；细根分解袋放置在地表土壤10cm深度处，然后覆土。分别在第90d、180d、270d、360d、540d和720d取样，每次叶凋落物和细根各5袋，烘干称重后计算残留率。

实验前叶凋落物和细根样品中总有机碳（TOC）含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮（TN）含量采用凯氏定氮法，全磷（TP）含量用钼蓝比色法，全钾（TK）含量用火焰光度法测量[11]。

1.4 数据处理

分别计算不同间伐处理下叶凋落物和细根干重残留率(L)、平均腐解率( k )、分解半衰期( t0.5，分解50% 所需时间)和分解95% 所需时间( t0.95)等指标。

叶凋落物（Ll）或细根（Lr）干重残留率采用下式计算：

式中，m0为叶凋落物或细根的初始干重，mt为分解t天时叶凋落物或细根的干重。

叶凋落物或细根平均腐解率（k）采用Olson指数衰减模型[12]计算：

式中，X为叶凋落物或细根分解的残留率；m0为叶凋落物的初始干质量； mt为分解t天时叶凋落物或细根干重；k为叶凋落物或细根平均腐解率；a为修正系数。

本试验图表采用 Excel 2013制作，不同间伐处理之间叶凋落物和细根养分含量及分解速率差异采用SPSS19.0的单因素方差分析来检验。

2 结果与分析

2.1 叶凋落物和细根养分含量

从表1可以看出，叶凋落物和细根总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）和总钾（TK）含量在 3种间伐处理之间均没有显著差异（P＞0.05）。叶凋落物中 TOC含量在不同间伐处理之间变异最小，变异系数仅为 1.0%；TK的含量变异最大，达17.5%；TN和TP含量在不同处理之间变异系数也相对较小。细根中TP含量在不同间伐处理之间变异系数最大，达22.2%；其他3种元素含量变异系数相对较小。尽管叶凋落物和细根4种主要营养元素含量在不同间伐处理之间没有达到统计上的显著差异，但间伐对叶凋落物钾元素含量影响较大，而对细根磷元素含量影响较大。总体上，间伐后短期内（2年）叶凋落物和细根的TOC、TN、TP和TK含量不受间伐处理影响。

表13 种间伐处理叶凋落物和细根养分含量变化

2.2 叶凋落物分解特征

不同间伐处理叶凋落物随时间变化的分解特征见图1。从图1可以看出，第90d时3种间伐处理之间叶凋落物分解速率没有明显差异，从180d开始强度间伐处理分解速率显大，此后一直持续到试验结束。720d时中度和著增强度间伐处理叶凋落物干重残留率分别为未间伐处理的91.9%和80.9%。中度和强度间伐处理日平均腐解率比未间伐处理高13.0%和35.1%（表2）。中度和强度间伐处理叶凋落物分解半衰期和分解 95%所需的时间分别为未间伐处理的86.0%、72.7%和87.8%、74.0%。间伐后短期内，随间伐强度增加叶凋落物分解加快，这主要与间伐降低了林分冠层郁闭度，增加了林地土壤温度，促进了微生物活性，进而增加了凋落物分解。

图1 不同间伐处理叶凋落物干重分解变化（*表示差异显著，下同）

表2 不同间伐处理叶凋落物分解过程中的Olson指数模型和平均腐解率

2.3 细根分解特征

细根分解的干重残留率在第90d时3种间伐处理之间没有显著差异，此后随间伐强度的增大干重残留率减少，表明随间伐强度增加，杉木细根分解速率加快。 720d时中度和强度间伐处理细根干重残留率分别为未间伐处理的 84.7%和 81.4%。中度和强度间伐处理日平均腐解率比未间伐处理高 31.7%和 44.9%（表3）。中度和强度间伐处理细根分解半衰期和分解 95%所需的时间分别为未间伐处理 79.6%、67.4%和75.6%、69.0%。由此可见，间伐强度显著影响细根的分解动态。

图2 不同间伐处理细根干重分解的变化

表3 不同间伐处理细根分解过程中的Olson指数模型和平均腐解率

3 结论与讨论

间伐改变了林分微气象环境和营养空间，导致林木各器官中养分含量发生相应变化[1]。有研究指出，凋落物分解过程中前期分解速率受N 控制，N含量越高，分解速度越快；后期分解速率受木质素浓度或木质素/N比制约[13-14]。Kunhamu 等[6]指出，间伐降低了凋落物中N、P、K的含量。本研究发现，中度和强度间伐2年后的杉木叶凋落物和细根TOC、TN、TP和 TK含量与未间伐林分之间没有显著差异。而在江苏溧水林场的研究表明，仅70%间伐强度的杉木林间伐7年后叶凋落物TN含量显著低于未间伐林分[5]。这些不同的结果一方面与树种特性有关，另外与间伐强度和间伐后持续时间密切相关。

短期内不同间伐处理叶凋落物分解速率没有差异，半年后随间伐强度的增加，叶凋落物分解速率显著增大。叶凋落物分解前的化学性质对前期分解没有影响，分解过程可能更多受环境因素的影响。间伐后林冠郁闭度降低，改善了林内的光照条件，增加了林地土壤温度，有利于增强微生物和酶活性，从而加速凋落物分解[15]。此外，间伐后林下紫外线透射增强，提高了凋落物中木质素光降解作用，也促进了凋落物分解[16]。但肖文娅等[5]研究发现，中度间伐强度的杉木林分内叶凋落物分解最快，轻度间伐次之，强度间伐将减缓杉木叶凋落物的分解。他们认为强度间伐（70%）处理可能导致土壤湿度降低而改变了土壤动物和微生物的种类组成、数量和活性，进而抑制凋落物分解。因此，适宜的间伐强度对维持林分养分循环，促进林分持续健康发展具有重要意义。

间伐后细根的分解速率也随间伐强度增加而增大，但细根平均腐解率低于叶凋落物。这可能是因叶凋落物位于地表，受林内微气象环境的影响较大，而细根在土壤中，间伐后土壤环境的变化弱于地表。尽管如此，相对于未间伐处理，间伐后细根平均腐解率的增加率高于叶凋落物平均腐解率的增加率，表明间伐更有利于细根的分解。本研究中杉木细根分解速率低于金钊等[7]在福建省万木林自然保护区的研究结果，不同的土壤、气候和林分条件可能是造成这种差异的主要原因。已有的研究主要集中在地上凋落物的分解，间伐对根系，尤其是细根分解的影响偏少，今后需进一步加强这方面的研究。此外，本文仅开展了间伐后地上/地下凋落物分解前性质以及分解过程的研究，地上/地下凋落物分解过程中相互作用关系也是今后值得深入研究的内容。

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