间伐对光皮桦人工林生长及土壤化学性质的影响

潘秉林，王振宇，杨 梅，刘世男

(1.广西壮族自治区国有雅长林场，广西 百色 533209；2.广西大学林学院，广西 南宁 530004)

作为一种森林经营的重要手段，抚育间伐通过调节林分群落结构、物种组成和生境条件，影响林分生产力和土壤肥力[1-2]，降低林分密度、减少林木间竞争、释放营养空间和改善光照环境，为留存木创造适宜的生长条件，从而促进林木生长，缩短培育周期[3].间伐强度、间伐开始期、间隔期等技术措施影响林分生长及生产力.适宜的间伐强度通过降低林分密度，扩大保留木的营养空间，能够最大限度地平衡林分资源和林木生长，从而有效促进单株胸径生长.单株材积随间伐强度的增大而增加，林分密度越小，单株材积越大[4-5].由于间伐改善了林分小气候条件，可加速林下凋落物分解，有利于提高土壤肥力[2，6]，但也有报道[7]显示，抚育间伐降低了土壤肥力，如间伐15 a后北美乔松林林内土壤营养元素含量降低.不同的林分类型、树种、生长阶段、林分密度以及气候条件对林分光照、湿度、温度等环境因子产生影响，使间伐强度的效果也有所不同.因此，应根据林分的不同生长阶段选择合适的间伐强度[8].有学者[9]对西南桦林分密度及间伐与施肥的综合效应进行了研究，结果显示，随着间伐强度的增加，西南桦的平均胸径、冠幅、单株材积均与间伐强度呈正相关，而树高和林分蓄积量未发生明显变化；西南桦造林的初植密度和间伐后的密度分别以1 665～1 335株/hm2和900～1 050株/hm2最佳，这一结果对开展光皮桦人工林的间伐试验具有一定的指导意义.

光皮桦(Betulaluminifera)又名亮叶桦、亮皮树、桦角，为桦木科(Betulaceae)桦木属(Betula)落叶乔木，属我国特有的优良速生珍贵用材树种[9].目前，国内外已有一些光皮桦生物学特性、育苗与造林技术、种群生态学及遗传育种等方面的研究报道[10-13].光皮桦在广西主要分布在桂北、桂西北，是最主要的次生落叶阔叶林建群种，多为采伐迹地、火烧迹地、新开公路边及游耕地、撂荒地等次生裸地的天然更新次生林[14].近年来，营造了一些光皮桦人工林，目前多数已进入中、幼龄阶段，林分开始出现分化和自然稀疏现象，原有的营养空间已不能满足林木需求，林木生长缓慢，亟须开展抚育间伐，降低林分密度，改善林木生长条件.因此，本次研究以广西乐业县国有雅长林场13 a生光皮桦为研究对象，探讨不同抚育间伐强度对光皮桦林分生长和林地土壤的影响，为制定光皮桦林合理的经营技术措施提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究地点位于广西壮族自治区国有雅长林场九龙分场36林班31小班.地处北纬24°85′～24°95′，东经106°39′～106°39′.该地属亚热带湿润气候区，雨量充沛，冬无严寒，夏无酷暑，干湿季节明显.年平均气温16.3 ℃左右，极端最高气温34 ℃，极端最低气温-5.3 ℃，年降水量1 100～1 500 mm，相对湿度83%，4—10月为雨季，11月至次年5月为旱季.

试验地地貌类型以丘陵为主，海拔1 426 m，位于山坡的中上部，坡度为41°，坡向为东坡.土壤主要为黄壤和黄红壤，土壤厚度90 cm以上，枯枝落叶层10～15 cm.试验区域内的林下灌木主要有盐肤木(Rhuschinensis)、野牡丹(Melastomacandidum)、余甘子(Phyllanthusemblica)、乌饭树(Vacciniumbracteatum)等；草本常见有石珍芒(Arundinellanepalensis)、龙须草(Eulaliopsisbinata)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等.

1.2 试验方法

1.2.1 样地设置

在试验地中选择立地条件相似的13 a生人工光皮桦纯林，于2004年5月造林，株行距为2 m×3 m，初始造林密度为1 665株/hm2.2012年实施间伐时，林分保留造林密度为1 083株/hm2.按照留优去劣、间密留匀、兼顾株间距的原则，在2012年12月对林分进行了不同强度的抚育间伐(主要除去平均木以下的个体)，将人为经营干扰等级划分为强度间伐、中度间伐、弱度间伐及未间伐对照区，分别为公顷保留583株(46.2%)、800株(26.4%)、900株(16.9%)和1 083株(CK).在每种间伐强度林地中设置3块样地(20 m×30 m)，于2017年10月进行标准地调查及土壤样品釆集.

1.2.2 林分生长调查

对样地内林木进行每木检尺，测定胸径、树高，按以下公式计算光皮桦单株材积[15]：

V阔=0.527 643×10-4D1.882 161 1H1.009 316 6，

式中：V为单株材积，m3；D为胸径，cm；H为树高，m.

1.2.3 土壤样品采集

分别在每块标准样地内设置采样点3处，按0～20 cm和20～40 cm土层分别采集土壤样品，将相同标准地同一土层样品充分混合，去除须根及杂物，用四分法取混合土壤约1 kg带回室内，经自然风干、剔杂、研磨、过筛和混匀后装瓶保存，待测定土壤化学性质.

1.2.4 土壤养分含量测定

参照GB 7848～7858—78《森林土壤养分分析》测定土壤大量养分含量.全氮(N)含量采用凯氏定氮法测定，全磷(P)含量采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定，全钾(K)含量采用火焰光度法测定，速效磷(P)含量采用碳酸氢钠法测定，速效钾(K)含量采用醋酸铵提取-火焰光度法测定，铵态氮(NH4-N)含量采用氧化镁浸提-扩散法测定，利用pH计测定土壤酸碱度.

1.2.5 土壤酶活性测定

参考《土壤酶及其研究法》[16]，采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，靛酚比色法测定土壤脲酶活性，磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性.

1.2.6 数据分析

用Excel 2010和SPSS 21.0软件对光皮桦在不同间伐强度下林木生长以及土壤理化性质进行数据统计分析，采用LSD最小显著差异法分析差异显著性.

2 结果与分析

2.1 不同间伐强度对光皮桦生长的影响

不同间伐强度光皮桦生长状况见表1.由表1可知：在林龄为8 a的光皮桦人工林实施抚育间伐5 a后，随着抚育间伐强度的加大，光皮桦树高、胸径、单株材积随之增加.其中，在强度间伐下(583株/hm2)，树高、胸径和单株材积均高于其他间伐强度，分别为15.3 m、17.2 cm和0.181 1 m3/株，与对照相比，分别增加7.5%、2.0%和22.0%.由此说明，光皮桦在造林后第8年进行间伐有利于林木个体营养面积的增加，需要通过强度间伐释放环境资源空间以促进林木生长.但由于株数减少，导致林分蓄积量随着间伐强度的增大而呈现递减趋势.

表1 不同间伐强度光皮桦生长状况

注：表中数据为各间伐强度3次重复平均值；同一指标下，不同小写字母表示各间伐强度间具有显著差异(P<0.05).下同.

对不同间伐强度下光皮桦的胸径、树高、材积进行方差分析，判断光皮桦的胸径、树高、单株材积生长是否有显著变化.结果表明：不同间伐强度下，光皮桦林分在胸径、单株材积和蓄积量上与对照之间均存在显著差异(P<0.05)，表明间伐对光皮桦林分生长发挥了重要作用，尤其是对林分胸径生长具有显著的促进作用，且间伐强度越大促进效果越明显，但各处理之间树高均不存在显著性差异，而林分蓄积量呈现显著降低趋势.

2.2 不同间伐强度对光皮桦径级分布的影响

从胸径的径级频率分布来看，间伐显著增加了大胸径光皮桦单株在林分内所占比例，见表2.随着间伐强度的增大，在20 cm≤DBH<25 cm较大径级范围内，光皮桦单株出现频率有逐渐升高的趋势.其中，强度间伐差异达显著水平；在小径级5 cm≤DBH<10 cm内，随间伐强度的增大，光皮桦单株出现频率呈现显著降低的趋势，未间伐林分光皮桦单株出现频率显著高于其他3个间伐处理；在中等径级15 cm≤DBH<20 cm范围内，呈现先增加后降低的趋势.在中等间伐强度处理下，出现频率最高且显著高于强度间伐和未间伐林分.另外，仅强度间伐的光皮桦林分出现树干直径大于25 cm的单株，所有林分中均未出现胸径低于5 cm的光皮桦单株.

表2 不同间伐强度13 a生光皮桦不同径级频率分布

2.3 不同间伐强度对林分土壤化学性质的影响

2.3.1 全氮和铵态氮含量

由图1、图2可见：在4种间伐处理下，除了强度间伐时全氮含量最大值在20～40 cm土层(质量分数为1.879 g/kg)外，其余间伐强度下全氮、铵态氮含量都是0～20 cm土层土壤大于20～40 cm土层土壤.随着间伐强度的增大，林分土壤全氮含量呈现逐渐上升趋势，且全氮含量以强度间伐林分最高，而铵态氮含量表现为下降趋势.方差分析结果显示：不同间伐强度下各层土壤全氮含量皆存在显著差异；铵态氮含量仅在20～40 cm土层土壤中达到显著水平(P<0.05).

2.3.2 全磷和速效磷含量

间伐对土壤全磷含量表现出显著影响.经过间伐处理的林分0～20 cm土层土壤全磷含量大于20～40 cm土层土壤(见图3)，且随着间伐强度的增大，0～20 cm土层土壤全磷含量呈现下降趋势，间伐显著降低了土壤表层全磷含量.由图4可见，间伐后林分土壤中速效磷含量显著低于未间伐林分.依此可推测，间伐不利于磷素的富集，林木可吸收的速效磷含量减少.

2.3.3 全钾和速效钾含量

由图5和图6可知：未间伐林分、弱度间伐林分速效钾含量随着土层深度的增加而降低，中度间伐和强度间伐林分土壤中速效钾含量则随着土壤深度的增加而增大.较弱间伐强度林分土壤水分淋洗较少，从而使速效钾元素富集于土壤表层.强度间伐林分土壤各层中全钾含量明显低于其他林分，土壤中全钾含量为未间伐林分>弱度间伐林分>中度间伐林分>强度间伐林分.与对照相比，处理组0～20 cm土层中速效钾含量表现出显著降低的趋势(P<0.05).

2.3.4 土壤酶活性

由表3可见：随着间伐强度的增大，0～20 cm土层中4种土壤酶(过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶)均呈显著下降趋势，而20～40 cm土层土壤中4种酶活性均呈先增大后减小的趋势.由此表明，间伐在一定强度范围有利于深层土壤酶活性的提高.20～40 cm土层土壤中4种酶活性最大值均出现在中度间伐林分中，其中，过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶分别高于未间伐林分41.6%、68.3%、201.8%、102.7%.土壤酶活性的增高有利于土壤养分转化.

表3 不同间伐强度及土层的酶活性

3 讨论与结论

3.1 适宜的间伐强度有利于光皮桦生长及大径木形成

光皮桦适应性强，耐干旱瘠薄，是裸地造林的速生先锋树种，对光照、养分等因子的变化敏感.林分中、幼林接近郁闭时，密度过大会导致林木个体对生活资源的竞争加剧，适当采取合理强度的间伐可显著改善光皮桦的生长.抚育间伐能够促进光皮桦胸径和单株材积的增长，有利于改善林分径级结构.在一定间伐强度范围内，间伐强度愈大对林木直径生长的促进效应就愈加明显，且各间伐强度与对照间均存在显著差异.有关西南桦[17]、辽东落叶松[18]、马尾松[19]间伐和密度的研究显示，间伐使林分密度降低，而密度对保留木直径生长的促进效应与其获得了更多的空间、养分等资源直接相关，而直径又是不同密度下单株材积的决定因子，因此密度对单株材积生长的作用规律与对直径生长的作用规律相同；林分树高主要由树种的遗传特性和立地条件决定，其受间伐及密度的影响是非常有限的[19-22].

间伐可以显著增加光皮桦次生林和兴安落叶松天然林林分蓄积量[21，23]，但本研究中光皮桦人工林林分蓄积量呈显著降低的趋势.根据董建文等[24]、潘启龙等[25]的研究，光皮桦人工林速生期比天然林早，且光皮桦人工林胸径生长表现为前期生长较快、后期较慢的规律，胸径连年生长量于1.1 a达到极大值，此后逐年递减.本研究中，光皮桦人工林在8 a时进行间伐，速生期内密度效应并未显现.不同间伐强度下胸径生长差异达到显著水平，加之伐去林木减少了株数量，所以最终导致林分蓄积量降低.林分蓄积量受树种特性、林木个体生长、林分密度、立地质量等因素的影响较大，国内外有关间伐对林分蓄积影响的研究未能形成定论.例如段劼等[26]报道，在良好的立地条件下，林木生长快，减少密度后可为保留木提供充足的环境资源，与未间伐林分相比，中度间伐营造了适宜的地上和地下空间，明显提高了侧柏人工林的蓄积量，而弱度和强度间伐后的林分密度仍过大或过小，林木株数与个体生长之间的彼此消长使得林分蓄积量有所减少；而在较差的立地条件下，间伐后的侧柏林分蓄积均低于未间伐的林分，环境资源仍不能满足其生长的需要，加之株数减少，使林分蓄积量下降.林分蓄积量由平均单株材积和密度共同决定，这两个因子互为消长.若保留木个体材积增加，但数量减少，在一定时期内林分蓄积增长量尚不能弥补间伐所带来的蓄积损失，表现为林分蓄积降低.因此，选择合适的间伐强度应考虑树种特性、林分经营目的、经营周期，调整和确定合理的经营密度，对于促进林分生长至关重要.

3.2 合理间伐可改善光皮桦人工林土壤的养分状况

抚育间伐在改变林分结构的同时，可以引起林地内小气候条件(光、水、热、气等)变化，使树木生长环境得到较大改善，促进凋落物分解和土壤微生物活动，增强根系活力，提高养分循环速度，有利于土壤有机质的形成，从而使土壤地力得到维持和改良[28].间伐后的一段时期内，由于林地表面的凋落物减少，使凋落物分解转化形成的土壤有机质含量降低，而土壤温度、水分的变化会加速土壤中有机质的分解消耗.由于林木吸收或水土流失，引起土壤养分含量降低，但对不同树种及不同林分类型的土壤会产生不同的影响.强度间伐减少了湖南会同杉木人工林不同土层全氮含量[28]，使大兴安岭林区兴安落叶松人工林土壤全磷和全氮含量下降[27].在本研究中，间伐显著降低了光皮桦林土壤全磷、全钾含量，但土壤中全氮含量随间伐强度的增大有所增加.一方面，是与光皮桦凋落叶易分解有关，间伐进一步改善了林地内光、水、热条件，促进了土壤微生物的活动，加速了死地被物的分解速率，有利于土壤中氮素的积累[28]；另一方面，也可能与光皮桦根系对养分的富集能力有关.

抚育间伐后，光皮桦林分土壤铵态氮、速效磷和速效钾含量随间伐强度的增大呈下降趋势.人工林间伐后，林分光照条件的改善使林木生物量增加，而对矿质元素需求的增长幅度更大，从而导致土壤速效养分含量减少[29].

3.3 光皮桦人工林土壤酶活性对间伐响应敏感

森林土壤的物质循环和能量转化过程均需要借助于土壤酶的参与，其活性大小可作为判断土壤肥力的指标之一[30-31].同时，土壤酶对外界环境的变化非常敏感，间伐强度不同引起林分内光照、温度、湿度等环境因子的变化也不同，且地上凋落物改变、地下死根数量、根系扩展程度对土壤微生物活动的影响也有所不同.在一定间伐强度范围内，土壤酶活性与间伐强度呈正相关关系；超过一定间伐强度，土壤环境变化剧烈，酶活性呈下降趋势[32-34].本研究中，20～40 cm土层土壤中过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性符合随间伐强度增大先增加后降低的规律，而0～20 cm土层土壤中4种酶活性则均呈显著下降趋势.由于不同间伐强度下土壤含水率和土壤酶活性变化趋势一致，推测土壤水分是影响土壤生物化学过程中土壤酶活性的一个重要因素；另一方面，养分含量变化与酶活性密切相关已在许多研究中被证实[32-35].研究认为，间伐引起光皮桦人工林土壤全磷和全钾等含量降低，对土壤酶活性起到了一定的限制作用.

对林分进行抚育间伐时，间伐强度的选择非常重要.在中度间伐(26.4%)强度下，光皮桦人工林林分土壤理化性质、酶活性都有大幅提高.同时，中度间伐可以保证林分不至于过分稀疏，有利于合理利用各种环境及立地因子，是最适合光皮桦人工林抚育间伐的强度.