带状采伐对毛竹林土壤理化性质和酶活性的影响

2020-05-25张洋洋凡莉莉何天友荣俊冬郑郁善

森林与环境学报 2020年3期

张洋洋，凡莉莉，王敏，何天友，荣俊冬，郑郁善,

(1.福建农林大学林学院，福建福州350002；2.福建农林大学园林学院，福建福州350002)

毛竹(PhyllostachysedulisJ. Houzeau)为禾本科(Gramineae)竹亚科(Bambusoideae)刚竹属(Phyllostachys)多年生乔木状单轴散生竹种[1]，是我国用途最广，开发和研究最深入的经济竹种之一，在林业生产中占有十分重要的地位[2-3]。毛竹林主要分布在山地和丘陵地带，经营方式粗放、竹材运输成本高和市场无序竞争等因素严重限制了竹产业的发展[4]。毛竹林是典型的异龄林，传统以择伐的方式进行采伐，即采伐老龄竹、衰老竹，保留幼龄竹、壮龄竹，在林地中始终保持存在不同龄级林木[5]，但传统择伐目前无法满足林业现代化的需求。因此，探索一种能够解决低效、成本高等问题的新采伐方式，有助于实现毛竹产业转型升级。带状采伐，即按照一定的宽度、一定面积对毛竹林实施条带式皆伐[6]。该方式砍伐时间集中，采伐方式简易，有助于实现机械化，促进毛竹林产业达到转型升级的目标，但要考虑这种带状采伐方式是否会对土壤带来一些不可预期的影响，因此有必要在开展毛竹林带状采伐作业的同时对其土壤质量进行研究[7]。

土壤养分是评价土壤自然肥力的重要因素，毛竹林生长需要消耗较多的土壤养分，尤其在林地采伐更新后毛竹林生长需要更多土壤营养供给。土壤速效养分可以反映出土壤近期提供营养元素的能力[8-10]，会直接影响植物的生长速率。土壤酶是土壤生物活性和肥力的重要组成部分，参与各种生物化学过程，以及某些无机物质的氧化与还原[11]，同时也是土壤中有机物转化的执行者，是植物营养元素的活性库[12]，其活性的高低可以反映土壤中各种生物化学反应的强度和方向[13-14]，是评价土壤质量的一项重要指标。此外，土壤化学性质与土壤酶之间有一定的相关性[15]。

关于林木带状皆伐对土壤理化性质的影响的研究较多，张泱等[16]的研究表明，对小兴安岭低质林进行带状皆伐改造后，可改善土壤理化性质；刘美爽等[17]的研究表明，需根据采伐对土壤理化性质的影响程度来选择合理的采伐方式。目前，对毛竹林的采伐研究主要集中在传统的择伐方式，对带状采伐方式的研究很少，仅有曾宪礼等[7]对带状采伐后的毛竹林土壤质量进行评价，其研究结果表明带状采伐在短期内随采伐带宽度增加，能更好地促进毛竹林土壤养分的释放，但带状采伐对毛竹林土壤的影响是一个长期的过程，需要进行长期监测和评价。鉴于此，本研究采用垂直带状采伐方式，选择在采伐初期与更新恢复后1 a的两个时期，测定土壤理化特性与酶活性，分析带状采伐后毛竹林土壤质量恢复特征，为毛竹林带状采伐更新恢复提供理论依据。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省建瓯市房道镇千竹园毛竹林地(北纬26°38′～27°02′，东经117°58′～118°13′)，属于中亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.3 ℃，5—6月份为雨季高峰期，水资源充沛，年平均降水量1 600～1 800 mm[18]，地势平坦，海拔360～370 m，土壤为黄红壤，土层厚度60～80 cm。试验地内竹林覆盖率达99%以上，其间混生少量杉木[Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook.]、锥[Castanopsischinensis(Sprengel) Hance]、木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ.)；灌木主要有地菍(MelastomadodecandrumLour.)、寒莓(RubusbuergeriMiq.)、决明[Cassiatora(Linnaeus) Roxburgh]、朱砂根(ArdisiacrenataSims)、毛山鸡椒[Litseacubebavar.formosana(Nakai) Yang et P. H. Huang]；草本主要有金毛耳草[Hedyotischrysotricha(Palib.) Merr.]、芒萁[Dicranopterisdichotoma(Houttuyn) Nakaike]、五节芒[Miscanthusfloridulus(Lab.) Warb. ex Schum et Laut.]、香附子(CyperusrotundusL.)等。样地总面积0.216 hm2，土壤容重0.84～1.27 g·cm-3，土壤pH值4.17～4.30，土壤电导率(electric conductivity, EC)42.8～85.5 mS·cm-1，土壤中水解氮(dissolved organic nitrogen, DON)含量88.8 mg·kg-1，有效磷(available phosphorus, AP)含量1.71 mg·kg-1，速效钾(available potassium，AK)含量86.2 mg·kg-1。

1.2 样地设置

2018年6月中旬，选择立地条件相似，大小年分明，且同一坡向的毛竹纯林进行垂直带状齐地采伐，采伐前标准样地的基本情况见表1。试验共设置两种采伐宽度，分别为5 m(C1)和7 m(C2)，每条采伐带均沿不同海拔，长度均为30 m。采伐标准样地之间按照采伐宽度设置相同的保留带(CK)，试验标准样地面积分别为150 m2(5 m×30 m)和210 m2(7 m×30 m)，每个采伐带3次重复，共6个试验标准样地。对CK区域进行择伐(小年冬季采伐Ⅳ度及以上毛竹，保留Ⅲ度以下毛竹)。同时对所有样地进行撒施肥料，施肥采用山东克素农业科技有限公司生产的复合肥(N∶P∶K=19∶19∶19)，施肥量为1 125 kg·hm-2。

表1 采伐前标准样地基本情况

1.3 土壤样品采集与分析

1.3.1 土壤样品采集分别在采伐后Ⅰ时期(2018年10月)和Ⅱ时期(2019年6月)进行土壤样品的采集。土壤化学性质按照在每块标准地上、中、下坡，挖1个主剖面和1个辅剖面，共3个主剖面和3个辅剖面，同一剖面按0～10、10～20和20～40 cm三层深度取原状土，每层200 g，同一土层的3份样品分别混合，每块标准地共取3个土样，装于已灭菌的自封袋；土壤物理性质使用环刀(环刀容积为100 cm3)进行采集，同样是3层深度取原状土，每块标准地共取9个样品。土样用镊子剔除石块、植物残根等杂物，放在阴凉通风处晾干后研磨过筛待测。

1.3.2 指标测定土壤理化性质均按照《森林土壤分析方法》[19]相关要求测定。土壤物理性质测定指标包括：土壤质量含水量、土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。土壤化学性质：DON含量采用碱解-扩散皿法测定，AP含量采用盐酸-硫酸溶液浸提法测定，AK含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；EC采用水土体积比为5∶1，用便携式电导率仪测定；pH值采用水土体积比为2.5∶1，用pH计测定。土壤脲酶(soil urease, S-UE)活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，土壤酸性磷酸酶(soil acid phosphatase, S-ACP)活性采用磷酸苯二钠比色法测定，土壤蔗糖酶(soil sucrase, S-SC)活性采用3，5-二硝基水杨酸法测定[20]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差(one-way ANOVA)和多重比较法进行分析，差异显著性水平定义为0.05，比较不同处理、不同土层之间的理化性质与酶活性差异，试验数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 带状采伐对毛竹林土壤物理性质的影响

表2为不同带状采伐处理下的土壤物理性质。从表2可知，带状采伐后的不同时期毛竹林土壤物理特性除土壤容重外，土壤质量含水量、最大持水量、毛管持水量、毛管与非毛管孔隙度均随着土层深度的增加而逐渐降低，20～40 cm土层最低，符合土壤物理性质的分布规律。采伐后Ⅰ时期，土壤质量含水量、最大持水量和毛管持水量的平均值均表现为C2>C1>CK；C1、C2处理的土壤容重平均值分别为1.35和1.30 g·cm-3，小于CK的1.48 g·cm-3，表现为CK>C1>C2，在0～10 cm土层差异显著(P<0.05)。C1、C2、CK处理的土壤毛管孔隙度的平均值分别为40.31%、42.56%、41.33%，表现为C2>CK>C1，而非毛管孔隙度的平均值分别为14.91%、16.67%、17.94%，表现为CK>C2>C1，在0～10 cm土层差异显著(P<0.05)。

采伐后Ⅱ时期，C1、C2、CK处理的土壤质量含水量、最大持水量和毛管持水量的平均值均表现为CK>C2>C1；C1、C2处理的土壤容重平均值分别为1.30和1.21 g·cm-3，大于CK的1.18 g·cm-3，表现为C1>C2>CK。C1、C2处理的土壤毛管孔隙度平均值分别为53.27%、54.50%，CK为57.75%，表现为CK>C2>C1；C1、C2、CK处理的土壤非毛管孔隙度平均值分别为11.21%、13.85%、12.09%，表现为C2>CK>C1，在10～20 cm土层差异显著(P<0.05)。

表2 不同处理下的土壤物理性质

注：不同大写字母表示同一处理下不同土层间的差异达显著水平(P<0.05)，不同小写字母表示同一土层不同处理间的差异达显著水平(P<0.05)。Note: different capital letters indicate a significant difference between different soil layers under the same treatment (P<0.05), while different lowercase letters indicate a significant difference between treatments in the same soil layer (P<0.05).

2.2 带状采伐对毛竹林土壤化学性质的影响

带状采伐对毛竹林土壤速效养分含量的影响如图1所示。采伐后Ⅰ、Ⅱ时期不同处理的土壤速效养分含量发生了明显的变化，土壤DON和AP含量均随着土层深度的增加而逐渐降低。采伐后Ⅰ时期，同一土层土壤DON含量均表现为C2>C1>CK，方差分析表明，DON含量在土壤表层(0～10 cm)与中下层(10～40 cm)差异显著(P<0.05)[图1(a)]；采伐后Ⅱ时期，C1、C2、CK处理不同土层DON含量的平均值表现为CK>C2>C1，CK处理在不同土层之间差异显著(P<0.05)[图1(b)]。采伐后Ⅰ、Ⅱ时期，C1、C2、CK处理各土层土壤AP含量均表现为C1>C2>CK，同一土层C1处理与其余两种处理AP含量差异显著(P<0.05)[图1(c、d)]；采伐后Ⅰ、Ⅱ时期，C1、C2、CK处理各土层土壤AK含量均表现为C2>C1>CK；采伐后Ⅰ时期，同一土层各处理AK含量无显著差异(P>0.05)，但采伐后Ⅱ时期，C1、C2处理均与CK差异显著(P<0.05)[图1(e、f)]。采伐后Ⅱ时期与Ⅰ时期相比，AK、AP含量显著增加。

带状采伐对毛竹林土壤酸碱度和电导率的影响如图2所示。采伐后Ⅰ、Ⅱ时期，同一土层土壤EC、pH值均表现为C2>C1>CK，采伐后Ⅱ时期较Ⅰ时期不同土层平均EC升高，pH值下降。EC除采伐后Ⅱ时期的C1处理外，均随着土层深度的增加而逐渐降低，同一土层C1、C2处理均与CK差异显著(P<0.05)；pH值在不同土层之间无显著差异(P>0.05)。

图1 带状采伐对毛竹林土壤速效养分含量的影响
Figure 1 Effects of strip cutting on the available nutrient content in aP.edulisforest

图2 带状采伐对毛竹林土壤酸碱度和电导率的影响
Figure 2 Effects of strip cutting on the soil pH and EC in aP.edulisforest

2.3 带状采伐对毛竹林土壤酶活性的影响

2.3.1 对土壤蔗糖酶活性的影响 S-SC的作用是增加土壤中可溶性养分含量，与土壤中氮磷含量有关。图3为带状采伐对毛竹林S-SC活性的影响。采伐后Ⅰ时期，C1与CK处理随土壤深度的增加S-SC活性逐渐降低，C2处理呈先下降后升高的趋势，C1、C2、CK处理不同土层的S-SC活性的平均值分别为1.59、2.54和2.34 μg·g-1·h-1，表现为C2>CK>C1，同一土层C1、C2处理与CK差异不显著(P>0.05)[图3(a)]，但采伐后Ⅱ时期却表现为差异显著(P<0.05)；采伐后Ⅱ时期，C1、C2、CK处理不同土层的S-SC活性平均值分别为5.49、5.88和2.72 μg·g-1·h-1，约是采伐后Ⅰ时期的3.45、2.31和1.16倍，表现为C2>C1>CK[图3(b)]。

图3 带状采伐对毛竹林土壤蔗糖酶活性的影响
Figure 3 Effects of strip clear cutting on the soil sucrase activity in aP.edulisforest

2.3.2 对土壤酸性磷酸酶活性的影响 S-ACP的作用是加快土壤有机磷的矿化，土壤磷生物强度和转化方向由其活性来评估，同时是表征土壤磷素有效化强度的重要指标。图4为带状采伐对毛竹林S-ACP活性的影响。采伐后Ⅰ、Ⅱ时期，随着土壤深度的增加，S-ACP活性逐渐降低。采伐后Ⅰ时期，C1、C2、CK处理不同土层S-ACP活性的平均值分别为0.28、0.26和0.34 mg·g-1·h-1，表现为CK>C1>C2，且各处理在土壤表层(0～10 cm)与中层(10～20 cm)差异显著(P<0.05)[图4(a)]；采伐后Ⅱ时期，C1、C2、CK处理不同土层S-ACP活性的平均值分别为0.81、0.73和0.36 mg·g-1·h-1，是采伐后Ⅰ时期的2.89、2.81和1.06倍，表现为C1>C2>CK，且同一土层C1、C2处理与CK差异显著(P<0.05)[图4(b)]。

图4 带状采伐对毛竹林土壤酸性磷酸酶活性的影响
Figure 4 Effects of strip clear cutting on the soil acid phosphatase activity in aP.edulisforest

2.3.3 对土壤脲酶活性的影响 S-UE是决定土壤中氮转化的关键酶，能促进土壤中酰胺肽键的水解而生成植物根系可吸收利用的氨，其活性的高低可以评价土壤供氮能力。带状采伐对毛竹林S-UE活性的影响如图5所示。采伐后Ⅰ、Ⅱ时期，随着土壤深度的增加，S-UE活性逐渐降低，C2处理不同土层差异显著(P<0.05)。采伐后Ⅰ时期，C1、C2、CK处理不同土层S-UE活性的平均值分别为0.46、0.86和0.38 mg·g-1·d-1，表现为C2>C1>CK，同一土层C2与C1、CK处理差异显著(P<0.05)[图5(a)] ；采伐后Ⅱ时期，C1、C2、CK处理不同土层S-UE活性的平均值分别为0.27、0.31和0.18 mg·g-1·d-1，约为采伐后Ⅰ时期的58.7%、36.0%和47.4%，表现为C2>C1>CK，排序结果与采伐后Ⅰ时期一致，C1、C2、CK处理在土壤下层(20～40 cm)差异显著(P<0.05)[图5(b)]。

图5 带状采伐对毛竹林土壤脲酶活性的影响
Figure 5 Effects of strip clear cutting on the soil urease activity in aP.edulisforest

3 讨论与结论

在2018年10月(采伐后Ⅰ时期)进行第1次的土壤样品采集，此时毛竹处于新鞭生长期，次年初夏可以抽出新鞭，毛竹的繁殖靠竹鞭的蔓延生长，受林地土壤养分的影响较大；在2019年6月(采伐后Ⅱ时期)进行第2次的土壤样品采集，此时毛竹处于新立竹生长期，笋体已完全出土，此时竹笋迅速长成粗壮高大的新竹需要大量营养物质，高生长期受到降雨量、温度以及土壤养分供给的影响。经过带状采伐后，林地没有母竹提供营养，新鞭与新竹生长的营养绝大部分来源于土壤，因此对采伐后Ⅰ、Ⅱ时期的土壤进行采集与测定，探讨两个时期的土壤理化性质和酶活性变化情况。采伐后Ⅰ时期，两种采伐处理(C1、C2)林地不同土层土壤质量含水量、最大持水量和毛管持水量的平均值与CK相比显著增加，而采伐后Ⅱ时期较Ⅰ时期的土壤质量含水量、最大持水量和毛管持水量有显著增加，3种处理在采伐后Ⅰ、Ⅱ时期大小排顺序不同；在土壤容重方面，采伐后Ⅰ时期C1、C2处理小于CK，而在采伐后Ⅱ时期略大于CK；在土壤毛管孔隙度与非毛管孔隙度方面，与CK相比，3种处理在采伐后Ⅰ、Ⅱ时期大小排顺序不同。除土壤容重外，其余土壤物理指标均表现为C2>C1，且7 m带状采伐持水性能比5 m带状采伐好，蓄水能力好，土壤物理性质改善快，表明毛竹林带状采伐在短期内可以改善土壤的持水性能。毛竹大年大量发笋长竹，小年换叶生鞭，纵横交错的毛竹林地下鞭根系统的穿透作用可以改善土壤的物理性质[21]。采伐后Ⅱ时期，毛竹林带状采伐处理的土壤持水性、毛管孔隙度与采伐后Ⅰ时期相比有所增加，但低于CK，持水性能相对下降，可能由于林冠层骤然消失，土壤表层蒸发作用强烈，土壤容重和土壤结构体破坏率增大，土壤变得紧实，持水性能变差，采伐对非毛管孔隙度的影响较显著[22]，仅仅依靠天然更新恢复较慢[23]，故在采伐改造时应减少对土壤的扰动，降低土壤理化性质的变化程度[24]，土壤物理性质发生变化时，将会导致土壤化学性质以及酶活性发生改变。土壤DON、AP和AK是能够被植物吸收利用的矿质养分，其水平的高低是土壤氮磷钾元素供应能力的直接反映。采伐初期与CK对比，采伐带土壤DON、AP和AK含量变化趋势不同；在更新恢复1 a后，与CK对比，采伐带土壤DON含量下降，AP与AK含量增加。在采伐后两个时期土壤DON与AK含量均表现为C2>C1，表明在土壤供N和供K能力方面，7 m带状采伐优于5 m带状采伐，而土壤AP含量却相反。

EC表示土壤导电能力的强弱，在一定程度上反映出土壤Ca2+、Mg2+、K+等主要盐基离子含量的丰缺程度。土壤pH值在土壤物质交换、植物营养及水分供应等方面起着重要作用，并通过影响矿质盐的溶解度影响到养分的有效性，从而影响到植物的生长[25]。在本研究中，土壤EC、pH值在采伐后Ⅰ、Ⅱ时期均表现为C2>C1>CK，表明7 m带状采伐中土壤离子等物质交换能力优于5 m带状采伐，高EC和pH值能为毛竹林生长提供更有利的生长环境[26]。与CK对比，采伐带中水溶性盐的含量增大，EC升高。采伐初期与CK对比，采伐后pH值上升，表明采伐能够促进毛竹林的营养吸收，可以减缓营养元素的淋失；采伐后随时间的推移，pH值有所下降，与宋启亮等[27]对森林采伐后出现迹地更新，树木不断生长，土壤pH值逐渐降低的结果一致。

土壤酶作为土壤的重要组成成分，其活性高低可以反映土壤管理系统的效果，可以作为衡量生态系统土壤质量变化的预警和敏感指标[28]，S-SC、S-UE、S-ACP活性能够表征土壤C、N、P等养分的循环状况[29]。7 m带状采伐的S-SC和S-UE活性高于5 m带状采伐，其中S-UE活性与DON含量变化一致。采伐初期与CK对比，采伐带S-SC、S-UE和S-ACP变化趋势不同；在更新恢复1 a后，与CK对比，采伐带酶活性均有升高，表明采伐能够提高S-SC、S-ACP和S-UE活性。杨鲁等[30]对巨桉(EucalyptusgrandisxHill)人工林采伐后，S-SC、S-ACP和S-UE活性均提高，这与本研究的结果一致。

土壤是林木赖以生存的物质基础，采伐更新是连接林业生产和再生产的重要环节，毛竹林采伐更新的研究对于毛竹林的高效培育具有重要意义。从采伐后Ⅰ、Ⅱ时期综合来看，带状采伐能稳定提高土壤AP、AK、EC、pH值、S-UE活性；7 m带状采伐在改良土壤理化性质方面优于5 m采伐。因此，通过采伐可以提高土壤质量，为竹林恢复提供有力条件，但采伐宽度、采伐时间均会造成试验结果的不同。采伐宽度的增加，有利于土壤养分的释放，但采伐强度过大，土壤容重增大，土壤孔隙度和最大持水量等物理性质指标均逐渐降低[31]，同时可能会增加其他物种的入侵，导致林分不稳定[32]，因此需进一步开展研究。

在本研究中，在采伐前IV度及以上的竹株，每个样地内立竹度极低，该阶段毛竹属于6 a以上竹龄，竹株生理活动减弱，会消耗土壤养分，不宜保留，因此对保留带进行择伐；采伐时间选择在6月份，属于探索阶段，此时毛竹林处于生长期，通过采伐林地，没有母株给次年笋孕育与生长提供营养，故对采伐带与保留带进行同等单位的肥料施肥，以保证次年竹林可以快速恢复，但是肥料会对试验结果产生影响，故采取的是撒施，与其它施肥方式相比，虽有利于土壤环境的改善，但因肥料主要停留在土壤表面，挥发性较强，4个月后肥料对试验结果影响较小，能在最大程度上规避肥料因素对试验结果的影响。此外，由于时间紧迫，本研究只在6月份进行了两种宽度的采伐，今后会逐步探索采伐季节与采伐宽度对毛竹林的影响。