带状抚育间伐对辽东落叶松人工林生长及部分土壤养分指标的影响

冯 健 王骞春 郑 颖 陆爱君 于世河 王月婵 陈东升

（1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；2.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091）

落叶松（Larixspp.）是我国重要造林树种，据第九次全国森林资源清查数据表明，我国现有落叶松人工林面积316.29 万hm2，蓄积达2.37 亿m3。东北地区作为落叶松人工林主产区，现有林分面积占东北全部人工林面积的70%以上。现有落叶松人工林存在林分密度过高，导致树木长势弱、成材率低、生产力下降、人工林地力衰退等问题显现[1-5]。因此，有必要通过合理的营林措施调整林分密度促进林木生长并改善土壤肥力。抚育间伐作为重要的营林措施可有效促进林木单株生长，提升林木单株生产力。目前，抚育间伐对林木生长的影响主要涉及树高、胸径、冠幅和单株材积等指标，如尤文忠等[6]、董莉莉等[7]对蒙古栎（Quercus mongolica）次生林和张鹏等[8]对杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林的研究均认为间伐可促进平均胸径的增加。唐继新等[9]研究米老排（Mytilaria laosensis）中龄人工林认为，密度调控措施对米老排平均木胸径和材积的生长有显著的促进作用。近年来，对落叶松人工林抚育间伐也有研究，如赵匡记等[10]开展了华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）林分生长对间伐和修枝的响应研究；温晶等[11]开展了不同抚育间伐强度对兴安落叶松（Larix gmelinii）林分平均直径和树高生长的影响研究。关于落叶松人工林抚育间伐研究多数集中探讨间伐对各林木生长指标的影响及不同间伐强度下林分各径级株数分布，而涉及土壤因子对林木各生长指标及林分生产力影响的研究较少。因此，本研究选取带状抚育间伐并补植不同树种的落叶松人工林为研究对象，在抚育间伐10 a 后对林地林木生长因子和土壤主要养分指标进行调查、测定和分析，并对林木生长因子和土壤养分因子进行相关分析，阐明了带状抚育间伐对落叶松人工林生长和土壤养分的影响情况，旨在为落叶松人工林合理经营提供技术支持和理论参考。

1 研究样地概况

研究地点位于辽宁省清原满族自治县大边沟林场（125°09′E，41°59′N），系长白山山脉的延伸区域，海拔400～600 m，全年平均气温5 ℃，年平均降水量700～800 mm，全年无霜期120～125 d。土壤多为山地棕色森林土，pH 值5.5～6.5。本实验样地设置在该林场草皮沟岭的21 林班52 小班，坡度16°，坡向西南，土层厚度51 cm，为落叶松人工纯林，于1991 年造林，初植密度4444 株/hm2，2008 年进行带状间伐，方式为隔2 行伐2 行（STI）或者隔3 行伐3 行（STII），间伐前密度约为1483 株/hm2，郁闭度0.8，平均胸径11.8 cm，间伐后密度为1062 株/hm2，郁闭度0.5，平均胸径12.3 cm。2009 年，在间伐样地内分别补植云杉（Piceaspp.）、东部白松（Pinus strobus）、白桦（Betula platyphylla）和红松（Pinus koraiensis）等树种，白桦为2 年生苗木，云杉、东部白松和红松为4 年生苗木。补植前清除部分影响补植的伐根，并进行穴状整地，规格为50 cm×50 cm×30 cm。STI处理不同树种均补植2 行，STII处理不同树种均补植3 行，2 种补植方式株行距均为1.5 m×1.5 m。

2 研究方法

2.1 调查方法

2019 年6 月，采用典型样地法，选取带状抚育间伐落叶松人工林并分别补植云杉（LS）、东部白松（LE）、白桦（LW）、红松（LK）、自然更新（带状抚育间伐后带内未补植树种）（LN）等5 种林型样地和未抚育间伐落叶松人工纯林（CK）作为试验林分，每种林分设置3 个20 m×30 m 的标准地（2 个标准地为STI，1 个标准地为STII），共18 个标准地。对标准地的乔木（DBH≥3 cm）进行每木检尺，记录其树高、胸径和冠幅等数据。

采用S 形取样法分别采集每个标准地内5 点的0～10 cm 和10～20 cm 土层土壤，同一土层土壤均匀混合，装入土壤袋，风干过筛后进行土壤养分分析。

2.2 生长指标测定

全标准地测量，每株测量胸径、树高和冠幅的生长指标。树高采用Vertex IV 超声波测高仪（精确到0.01 m，Haglof，瑞典）测量，胸径采用测树围尺（精确到0.1 cm）测量。按公式（1）计算落叶松材积（V）。

式中：V表示单株材积，D表示单株胸径，H表示单株树高。

2.3 土壤养分测定方法

土壤pH 采用电位法，用水浸提测定（水土质量比2.5∶1）；土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定；全氮用凯氏定氮法测定；铵态氮采用碱解扩散法测定；全磷、有效磷采用钼锑抗比色法测定[5]。

2.4 数据处理与分析

采用SPSS 22.0 软件中的比较平均值进行单因素方差和多重比较（LSD 法）分析，F检验结果若P<0.05 为差异显著，若P<0.01 为差异极显著。

3 结果与分析

3.1 带状抚育间伐对林木生长特征的影响

3.1.1 不同带状间伐方式对林木生长特征的影响

由表1 可知，在不同带状抚育方式下，除树高差异不显著外，其他各生长指标均达到显著（P<0.05）及极显著差异（P<0.01）。STI和STII胸径极显著（P<0.01）大于CK 胸径，分别是CK 的1.26 倍和1.20 倍，而不同带状间伐方式间差异不显著，表现为STI>STII。不同处理间树高未达到显著差异，表现为CK>STII>STI。STI和STII单株材积极显著（P<0.01）大于CK 单株材积，分别是CK 单株材积的1.53 倍和1.32 倍。STI和STII冠幅极显著（P<0.01）大于CK 冠幅，分别是CK 冠幅的1.49 倍和1.46 倍。不同处理间高径比和冠径比分别维持在1.01～1.30 和0.17～0.21 之间，STI和STII冠径比皆大于CK 冠径比，且差异达到极显著水平（P<0.01）。总体而言，除了树高表现为CK 高于STI和STII外，其他生长因子均表现为STI和STII高于CK，且差异达到显著（P<0.05）及极显著水平（P<0.01）；而STI和STII之间各生长因子之间均未达到显著差异，胸径、冠幅和单株材积表现为STI>STII，其他因子（树高、高径比和冠径比）表现为STII>STI。

表1 不同带状抚育间伐方式落叶松人工林林分生长状况Table 1 Growth status of larch plantations after different strip tending thinning

3.1.2 不同补植树种对林木生长特征的影响

由表2 可知，不同补植树种间林木各生长因子均未达到显著差异，而不同补植树种各林分生长因子与CK 比较，除树高外，胸径、单株材积、冠幅、高径比和冠径比均达到显著（P<0.05）及极显著差异（P<0.01）。不同处理间胸径由大至小依次为LN>LK>LE>LW>LS>CK，不同补植树种处理胸径依次是CK 胸径的1.28 倍、1.23 倍、1.21 倍、1.20 倍和1.20 倍；树高由大至小依次为CK>LK>LE>LW>LN>LS；单株材积由大至小依次为LN>LK>LW>LE>LS>CK，不同补植树种处理单株材积依次是CK 单株材积的1.42 倍、1.37 倍、1.36 倍、1.33 倍和1.31 倍；冠幅由大至小依次为LN>LE>LW>LK>LS>CK，不同补植树种处理冠幅依次是CK 冠幅的1.52 倍、1.50 倍、1.49 倍、1.46 倍和1.43 倍；高径比由大至小依次为CK>LE>LS>LW>LK>LN；冠径比由大至小依次为LE>LW>LS>LN>LK>CK。

表2 不同补植树种落叶松带状抚育间伐人工林林分生长状况Table 2 Growth status of larch plantations with different species repair planted

3.2 土壤养分特征

3.2.1 不同带状间伐间土壤养分特征

由表3 可知，不同土层之间比较，总氮、铵态氮和有机质含量表现为随着土层加深而减少的趋势，总磷和有效磷含量则表现出相反的趋势。在0～10 cm 土层，不同处理间全氮、铵态氮和有机质含量均表现为STII>CK>STI，方差分析表明，不同处理间全氮和有机质含量达到显著差异（P<0.05）；不同处理间全磷含量表现为STII>STI>CK，STI和STII全磷含量分别是CK 全磷含量的1.91 倍和2.22 倍；不同处理间有效磷含量表现为STI>STII>CK，STI和STII有效磷含量分别是CK 有效磷含量的2.13 倍和1.62 倍，方差分析表明，不同处理间全磷和有效磷含量均未达到显著差异。在10～20 cm 土层，不同处理间全氮含量表现为STI>CK>STII，而铵态氮含量表现为STII>STI>CK；不同处理间全磷、有效磷和有机质含量均表现为STI>STII>CK，其中，STI和STII全磷含量分别是CK 全磷含量的1.91 倍和1.79 倍，STI和STII有效磷含量分别是CK 有效磷含量的2.13倍和1.44 倍，方差分析表明，各处理间各土壤化学因子间均未达到显著差异。

表3 不同带状间伐方式落叶松人工林林下土壤养分Table 3 Soil nutrient of larch plantations after different strip thinning

3.2.2 不同补植树种间土壤养分特征

由表4 可知，总氮、铵态氮和有机质含量在不同土层间表现为随着土层加深而减少的趋势，总磷和有效磷含量在不同土层间表现出相反的趋势。在0～10 cm 土层，不同补植树种林下总磷和有效磷含量比对照有所提高，尤其是LS、LW 和LK 提高幅度较大，分别是CK 总磷和有效磷含量的2.3 倍和2.52 倍、2.18 倍和2.14 倍、2.55 倍和2.31 倍；其他土壤化学因子在不同补植树种林下与CK 之间差异不显著。在10～20 cm 土层，有机质和总氮含量在不同补植树种处理间及与对照比较，变化均不明显。LK 和LE 中铵态氮含量有较大幅度提高，分别是CK 铵态氮含量的1.53 倍和1.24 倍；LS、LW和LK 中总磷和有效磷含量有较大幅度提高，分别是CK 总磷和有效磷含量的2.39 倍和3.36 倍、2.95 倍和3.02 倍、2.37 倍和2.42 倍。方差分析表明，有效磷含量在各个土层中均达到显著差异，其他各土壤化学因子均未达到显著差异。

表4 不同补植树种落叶松人工林带状间伐林林下土壤养分Table 4 Soil nutrient of larch plantations with different species repair planted

3.3 落叶松人工林林木生长因子与土壤养分的关系

3.3.1 不同带状抚育方式落叶松人工林林木生长因子与土壤养分的关系

由表5 可知，林木生长因子与土壤pH 值相关性最强，其中，胸径和单株材积分别与10～20 cm土层土壤pH 值达到显著（P<0.05）和极显著负相关（P<0.01），而高径比与10～20 cm 土层土壤pH值达到显著正相关。林木生长因子与土壤磷含量相关性也较强，其中，单株材积与0～10 cm 土层有效磷含量达到显著正相关，冠幅与10～20 cm土层全磷含量达到显著正相关。除上述达到显著及以上相关以外，单株材积、冠幅和冠径比与0～10 cm 土层全磷含量呈较强的正相关性，胸径、冠幅和冠径比与有效磷含量呈较强正相关；胸径和冠径比与10～20 cm 土层全磷含量呈较强正相关，胸径、单株材积和冠幅与10～20 cm 土层有效磷含量呈较强正相关，高径比分别与10～20 cm 土层全磷和有效磷含量呈较强负相关。

表5 不同带状抚育间伐方式落叶松人工林林木生长因子与土壤养分相关性分析Table 5 Correlation analysis of growth factors and soil nutrient of larch plantations after different strip tending thinning

3.3.2 不同补植树种落叶松带状抚育间伐人工林林木生长因子与土壤养分的关系

由表6 可知，林木生长因子与土壤养分相关性不强，只有高径比与10～20 cm 土层全磷和有效磷含量达到显著（P<0.05）负相关。虽然其他林木生长因子与土壤养分之间未达到显著相关，但仍存在一定相关性，如，胸径、单株材积、冠幅和冠径比与0～10 cm 土层全磷含量呈较强正相关，冠径比与0～10 cm 土层全氮和有机质含量呈较强正相关，胸径、冠幅和冠径比与10～20 cm土层全磷含量呈较高正相关，胸径、单株材积和冠幅与10～20 cm 土层有效磷含量呈较强正相关。

表6 不同补植树种落叶松带状抚育间伐人工林林木生长因子与土壤养分相关性分析Table 6 Correlation analysis of growth factors and soil nutrient of larch plantations with different species repair planted

续表 6

4 结论与讨论

STI和STII的胸径、单株材积和冠幅均比CK有显著的提高，其中，胸径分别提高了25.80%和19.63%，单株材积分别提高了53.01%和31.68%；冠幅分别提高了49.29%和45.99%；而STI和STII处理之间各生长因子差异不显著，总体上STI各生长因子优于STII。树高在STI、STII和CK 之间差异未达到显著水平，CK树高略高于STI和STII。这一研究结果表明，带状抚育间伐促进了胸径、单株材积生长量的增加，而对树高影响不大。本研究结论与以往研究相一致[12-14]。王启美[12]对10 年生日本落叶松（Larix kaempferi）林做间伐试验，结果表明间伐处理可显著提高落叶松胸径和单株材积生长量。王毓靖等[13]研究间伐对桉树（Eucalyptus robusta）人工林林分生长的影响表明，间伐5 a后，间伐林分的平均树高和平均胸径均有显著提高，其中，强度间伐（40%）对胸径的影响最大，较对照增加了4.29 cm。

补植树种的不同对落叶松林木各生长因子影响不显著，但与CK 比较，各林木生长因子均有较大的提高和改善，如，不同补植树种样地林木与CK 比较，胸径提高了20.34%～28.25%，单株材积提高了30.6%～42.39%，冠幅提高了42.89%～51.58%。产生上述结果的原因在于补植树种还处在幼龄阶段，地径或胸径在2.02～5.28 cm 之间，树高在0.99～6.36 m 之间，其对落叶松林木生长的影响还较小。而不同补植树种林地落叶松林木生长因子提高的原因在于带状抚育释放了林地空间，同时，增加了林地植被多样性（相关数据另外发表），改善了林地土壤肥力，从而促进了落叶松的生长。

采用高径比和冠径比作为林木形质指标，结果表明无论从不同带状抚育间伐方式比较，还是从不同补植树种比较，各处理样地高径比和冠径比与CK 高径比和冠径比差异均达到极显著差异，各处理高径比较CK 高径比更接近于1，各处理样地冠径比均大于CK 冠径比。高径比是林分平均高与平均胸径的比值，它反映了林木干形的圆满程度。一般认为，林木的高径比越接近于1，其圆满度越好，本研究中不同样地高径比排序为CK>STII>STI>1，这表明STI处理的干形最好。冠径比是林分的平均冠幅与平均胸径的比值，它反映了林木营养面积的大小及长势情况。本研究各样地冠径比均大于CK，这表明带状抚育间伐后，增加了冠幅，更有利于树木光合作用。高径比和冠径比研究结果说明落叶松人工林经过带状抚育间伐并补植不同树种后改善了林木干形。此结果与其他研究相一致[2,15]。商添雄等[2]研究华北落叶松人工林林木生长因子对抚育间伐的相应表明间伐后第4 年高径比与林木冠径比分别处于0.91～0.98 与0.19～0.22 之间，其中各间伐强度下林木冠径比皆大于CK 且差异显著。于世川等[15]研究抚育间伐对黄龙山辽东栎（Quercus liantungensis）林木形质的影响也得到了同样的结果。

无论是采取哪种抚育间伐方式，还是补植哪种树种均在不同程度上提高了土壤养分。不同抚育间伐方式对土壤养分的影响表现为，在0～10 cm土层，STII处理显著提高了全氮、铵态氮、有机质含量，STI和STII处理显著提高了全磷和有效磷含量，两个处理的全磷和有效磷含量分别是CK全磷和有效磷含量的1.91 倍和2.13 倍、2.22 倍和1.62 倍；在10～20 cm 土层，STI处理提高了全氮含量；STI和STII处理提高了铵态氮、全磷、有效磷和有机质含量，其中，STI、STII中全磷和有效磷含量分别是CK 全磷和有效磷含量的1.91倍和2.13 倍、1.79 倍和1.44 倍。本研究土壤养分改善的可能原因是通过带状抚育间伐，改善了林地的光、水环境，增加了林地的植被组成，不同补植处理样地草本层和灌木层物种数量分别是CK样地中草本层和灌木层物种数量的1.16～1.68 倍和2～3.5 倍（另文发表），植被的增加进而改善了林地养分。本研究结果与一些学者研究结果相一致。刘旭军等[16]和颜忠鹏[17]的研究表明适当强度的间伐有利于磷元素的积累。高明等[18]研究表明采用强度为19%～21%的中等强度抚育间伐方式，有利于土壤养分的改善。

林木生长与土壤养分存在一定相关性。在不同带状抚育间伐处理样地中，林木生长因子与土壤值pH、磷含量有较强的相关性，其中，胸径和单株材积分别与10～20 cm 土层pH 值达到显著和极显著负相关，单株材积与0～10 cm 土层有效磷含量达到显著正相关，冠幅与10～20 阐明土层全磷含量达到显著正相关。在不同补植树种落叶松人工林带状抚育间伐样地中，林木生长因子与土壤化学因子相关性不强，只有高径比与10～20 cm土层全磷和有效磷含量达到显著负相关。这一研究结果表明，落叶松带状抚育间伐人工林样地林分生长因子与土壤磷含量相关性较高。同样，商添雄等也得到了类似结果，其研究结果表明土壤全磷与林木平均树高生长量和平均冠幅生长量呈显著正相关[2]。林分生长因子与土壤化学因子性关系表明，通过抚育间伐，即促进了林分的生长，又改善了林地土壤养分，其原因在于抚育间伐改变了林地光环境，促进了林地灌木、草本等植被的增加，植被的增加改善了林地土壤养分，林地土壤养分的改善又进一步促进了林分的生长[18-19]。因此，合理的抚育间伐对落叶松人工林林分生长和林地土壤养分改善具有较好的促进作用。

带状抚育间伐（STI和STII）使得胸径、单株材积和冠幅等生长因子有显著的提高，其中，胸径分别提高了25.80%和19.63%，单株材积分别提高了53.01% 和31.68%；冠幅分别提高了49.29%和45.99%；且STI各生长因子优于STII。从生长因子角度考虑，在生产中推荐采用STI带状抚育间伐方式。带状抚育间伐（STI和STII）提高了土壤养分含量，其中，STI和STII处理显著提高了全磷和有效磷含量，分别为CK 的1.91 倍和2.13倍、2.22 倍和1.62 倍；在10～20 cm 土层，STI和STII处理提高了铵态氮、全磷、有效磷和有机质含量，其中，STI、STII中全磷和有效磷含量分别是CK 全磷和有效磷含量的1.91 和2.13 倍、1.79 倍和1.44 倍。从土壤养分含量角度考虑，本研究的两种抚育间伐方式均可在生产中推荐采用。