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間伐對(duì)森林土壤影響的研究進(jìn)展

2012-01-26 23:02馬履一賈忠奎
中國(guó)水土保持 2012年9期
關(guān)鍵詞:間伐人工林學(xué)報(bào)

陳 雪,馬履一,賈忠奎

(北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

森林生態(tài)系統(tǒng)是在森林群落與其環(huán)境的作用下形成的具有一定結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控能力的自然綜合體,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的自然生態(tài)系統(tǒng),它在為人類(lèi)提供木材及其副產(chǎn)品的同時(shí),更為人類(lèi)創(chuàng)造了一個(gè)良好的生存環(huán)境。但目前,我國(guó)乃至世界林業(yè)均面臨兩大危機(jī),一是木材供需矛盾日益尖銳,二是生態(tài)環(huán)境不斷惡化[1]。因此,在實(shí)施天然林保護(hù)工程的同時(shí),大力營(yíng)造人工林,加強(qiáng)人工林的經(jīng)營(yíng)管理已被我國(guó)列為主要林業(yè)課題。其中,撫育間伐作為森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵性措施,能為林木創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境,提高林木質(zhì)量,增加生物多樣性,優(yōu)化森林結(jié)構(gòu),改良土壤[2-7],對(duì)林木生長(zhǎng)乃至整個(gè)林分環(huán)境均具有重要作用。

目前,國(guó)外對(duì)撫育間伐效果已經(jīng)開(kāi)展了長(zhǎng)期的生產(chǎn)活動(dòng)及科學(xué)研究[8-9]。在我國(guó),以往培育人工林只是一味謀求木材產(chǎn)量的提高和經(jīng)營(yíng)成本的降低,對(duì)于撫育間伐效果的研究也主要是圍繞林分密度對(duì)林木生長(zhǎng)規(guī)律和林分蓄積量的影響[10-11]。但近年來(lái),有研究顯示間伐能引起森林生物量[12]、碳密度[13]、生物多樣性[14-15]以及土壤[15]的變化,尤其是對(duì)森林土壤的影響已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,引起了廣泛關(guān)注。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料,從間伐對(duì)森林土壤的影響出發(fā),結(jié)合新時(shí)期森林撫育的新要求,對(duì)間伐后森林土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及微生物數(shù)量的變化進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和評(píng)述,并提出了相關(guān)問(wèn)題和對(duì)策。

1 間伐對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

1.1 土壤容重的變化

土壤緊實(shí)度是樹(shù)木生長(zhǎng)的脅迫因素,直接影響林地植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素和水分的吸收。在我國(guó)土壤學(xué)研究中,土壤容重作為衡量土壤質(zhì)量的必要指標(biāo)[16]被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)間伐效果的研究中。賈芳等[17]在對(duì)北京山區(qū)油松幼齡林的研究中發(fā)現(xiàn),間伐后森林土壤容重有所減小,其中0—10 cm土層降低2.2%~10.3%,10—20 cm 土層降低 3.2%~15.3%。陳立新等[18]對(duì)落葉松人工林地質(zhì)量的研究,于海群等[19]對(duì)間伐后油松人工林土壤質(zhì)量的研究,張鼎華等[20]對(duì)間伐后杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林土壤肥力的研究,郭蓓等[21]對(duì)飛播油松林間伐效果的研究,均得出間伐可減小土壤容重、改善土壤質(zhì)量的一致結(jié)論。這是由于林地通過(guò)撫育間伐,郁閉度減小,光照增強(qiáng),利于林內(nèi)枯落物分解,從而增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,使土壤結(jié)構(gòu)得到改善所致。

1.2 土壤孔隙度的變化

土壤孔隙度是影響土壤通氣性和滲透性的重要因素,決定著土壤貯水、供水量的多少。近年來(lái)許多學(xué)者將土壤非毛管孔隙度作為衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力大小的主要指標(biāo)[22]。間伐作為森林的重要經(jīng)營(yíng)措施,可改變林地凋落物組成、分解狀況,使地下根系發(fā)生變化,從而造成撫育前后林分土壤孔隙度的改變[23]。目前一些研究認(rèn)為,間伐可增大林分土壤孔隙度,且兩者成正相關(guān)關(guān)系。賈芳等[17]在對(duì)北京山區(qū)油松幼齡林的研究中發(fā)現(xiàn),間伐后土壤非毛管孔隙度、總孔隙度均有所增加。白崗栓等[24]對(duì)仁用杏園土壤理化性質(zhì)的研究,于海群等[19]對(duì)間伐后油松人工林土壤質(zhì)量的研究均得到一致結(jié)論。

然而國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的研究卻得到相反結(jié)論,他們認(rèn)為間伐并不能通過(guò)改善林分條件增加土壤孔隙度,反而破壞土壤結(jié)構(gòu),使土壤孔隙度減小。Rab等[25]研究發(fā)現(xiàn)王桉皆伐后約有1/4面積的土壤受到干擾與破壞。Woodward[26]研究發(fā)現(xiàn),選擇25%間伐強(qiáng)度的林分土壤孔隙狀況惡化。蘇芳莉[27]發(fā)現(xiàn)柞樹(shù)林土壤物理性質(zhì)在間伐后劣于對(duì)照林分。由此可見(jiàn),間伐對(duì)土壤孔隙度的影響方向不一,這可能與樹(shù)種、立地條件、間伐強(qiáng)度有關(guān),不同樹(shù)種的林分經(jīng)間伐后,林內(nèi)凋落物組分發(fā)生改變,從而影響微生物活動(dòng),改變土壤孔性和結(jié)構(gòu)。

1.3 土壤水分的變化

土壤水分是構(gòu)成土壤肥力的重要因素之一,也是土壤物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。用能量的觀點(diǎn)去研究土壤水分問(wèn)題,是土壤物理研究中的重大進(jìn)展,美國(guó)物理學(xué)家Buckingham在這方面作出了杰出貢獻(xiàn)。20世紀(jì)70年代末我國(guó)科學(xué)工作者開(kāi)始用定量、連續(xù)的能量觀點(diǎn)來(lái)定義土壤水分的能量狀況,并將其應(yīng)用于對(duì)間伐效果的評(píng)價(jià)中。馬履一等[28]的研究發(fā)現(xiàn)撫育能增加林地持水性、供水性,效果隨撫育強(qiáng)度的增加而有所增加。但就目前的研究結(jié)果來(lái)看,我國(guó)學(xué)者在間伐對(duì)土壤水分的影響研究中,主要內(nèi)容只涉及土壤含水量、毛管持水量、非毛管持水量、最大持水量等靜態(tài)指標(biāo),而未能從能量的角度分析問(wèn)題。賈芳等[17]對(duì)北京山區(qū)油松幼齡林的研究發(fā)現(xiàn)撫育林分0—20 cm土層處水源涵養(yǎng)量有所增加,郭蓓等[21]的研究發(fā)現(xiàn)間伐可增加林地土壤含水量。

2 間伐對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1 土壤養(yǎng)分的變化

土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要指標(biāo),是林木生長(zhǎng)發(fā)育所必需的物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也是土壤因子中易于被控制和調(diào)節(jié)的因子。間伐是調(diào)整林分狀況的重要措施,它可以改善林分群落結(jié)構(gòu)、物種組成和生境條件,掌握人工林間伐后土壤養(yǎng)分的變化情況,對(duì)于促進(jìn)養(yǎng)分良性循環(huán)和維護(hù)林地生產(chǎn)力具有重要意義。

前蘇聯(lián)林業(yè)科學(xué)研究所的研究發(fā)現(xiàn),間伐可增加土壤有效營(yíng)養(yǎng)元素的含量,其增加量隨著間伐強(qiáng)度的加大而提高。這是由于撫育間伐改變了林內(nèi)小氣候,促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng),加速了死地被物的分解,從而提高了土壤肥力。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的研究也得到了相似結(jié)論。李國(guó)雷等[15]、郭蓓等[21]對(duì)飛播油松林進(jìn)行不同程度的間伐后發(fā)現(xiàn),土壤pH值下降,而有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量均有所提高。同時(shí),張鼎華等[20]對(duì)杉木、馬尾松等人工林撫育間伐后林分土壤肥力的研究,蘇芳莉[27]對(duì)遼東天然雜木林、柞樹(shù)林和紅松人工林的研究,于海群等[19]對(duì)油松人工林土壤質(zhì)量的研究,白崗栓等[24]對(duì)仁用杏園間伐后土壤理化性質(zhì)的研究均得出了一致結(jié)論。

然而,美國(guó)威斯康星州大學(xué)的林業(yè)工作者對(duì)于該州中部平原地區(qū)15年生北美油松的研究結(jié)果卻表明,間伐后土壤養(yǎng)分含量降低。這是由于間伐使林內(nèi)溫度升高,加快了有機(jī)質(zhì)的分解速度,因而引起了林內(nèi)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的降低[29]。國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者得出相似結(jié)論。巫志龍等[30]在對(duì)人工針闊混交林的研究中發(fā)現(xiàn),擇伐后林分土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量均低于初始狀態(tài)。王海燕等[31]對(duì)落葉松云冷杉林分的研究也發(fā)現(xiàn),小于40%的間伐強(qiáng)度未能引起林內(nèi)土壤養(yǎng)分的顯著變化。這些研究均表明間伐未能引起林內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的增加,究其原因可能是采用了不適宜的間伐強(qiáng)度,或是測(cè)定時(shí)期太短,間伐效果還未充分顯現(xiàn)。

2.2 土壤交換性能的變化

土壤陽(yáng)離子交換量是指土壤膠體所能吸附的各種陽(yáng)離子的總量,其大小可作為評(píng)價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)學(xué)者將土壤交換性能的變化作為評(píng)價(jià)間伐效果的一項(xiàng)指標(biāo)。張鼎華等[20]在撫育間伐對(duì)人工林土壤肥力的影響研究中發(fā)現(xiàn),間伐兩年后土壤交換性能得到改善,土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)有不同程度的下降,交換性鹽基總量和鹽基飽和度有不同程度的增加。由于間伐后林分土壤生物活性增強(qiáng)、土壤礦質(zhì)化、養(yǎng)分循環(huán)加快以及林下植被的增加引起生物富積作用,從而改變了土壤膠體特性,影響了土壤交換性能。而陽(yáng)離子交換量的大小與土壤可能吸附的速效養(yǎng)分的容量及土壤保肥能力有關(guān),交換量大的土壤就能吸附較多的速效養(yǎng)分,避免它們?cè)诙唐趦?nèi)完全流失。因此,土壤交換性能對(duì)間伐效果具有一定的響應(yīng)作用,筆者認(rèn)為應(yīng)將其作為評(píng)價(jià)間伐效果的一項(xiàng)土壤指標(biāo)應(yīng)用于實(shí)踐。

2.3 土壤酶的變化

森林土壤酶系統(tǒng)是森林土壤中生物活動(dòng)的產(chǎn)物,其活性與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān),已經(jīng)成為土壤健康生物指標(biāo)中優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一[32]。土壤酶參與了森林土壤中許多生物化學(xué)反應(yīng),包括枯落物的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分的固定與供給以及各種氧化還原反應(yīng),在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)情況。20世紀(jì)50年代,國(guó)外已有學(xué)者提出將土壤酶活性作為衡量土壤生物學(xué)活性與生產(chǎn)力的指標(biāo)。在我國(guó),以往對(duì)森林土壤酶活性的研究很少,嚴(yán)重滯后于對(duì)農(nóng)田土壤的研究,以致不能滿足當(dāng)代森林土壤及森林經(jīng)營(yíng)管理的需要[33]。而近幾年,國(guó)內(nèi)陸續(xù)有學(xué)者對(duì)間伐后土壤酶活性的變化進(jìn)行深入研究,但結(jié)論不一[34]。

一些研究認(rèn)為,隨著間伐強(qiáng)度的增加,林內(nèi)土壤孔隙度升高有利于土壤微生物活動(dòng),促進(jìn)了林內(nèi)凋落物分解,有機(jī)質(zhì)含量增加,從而使酶活性增強(qiáng)[19]。如火炬松林經(jīng)間伐后,磷酸酶、幾丁質(zhì)酶會(huì)顯著增加[35];密度較大的杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林經(jīng)間伐后,土壤酶活性增加[20];油松人工林經(jīng)間伐后,過(guò)氧化氫酶活性顯著增加[15];郭蓓等[21]對(duì)飛播油松林間伐后的研究、徐昕等[36]對(duì)北京山區(qū)幼齡側(cè)柏人工林間伐后的研究均得到一致結(jié)論。但也有研究認(rèn)為,撫育間伐對(duì)土壤酶活性的影響不大,甚至有反作用。在德國(guó)東北部,62年生完全郁閉的松林間伐5年后,雖然微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,但各種酶活性與對(duì)照樣地相比并未出現(xiàn)顯著差異[37];張日升等[38]在對(duì)沙地樟子松的研究中發(fā)現(xiàn),林分間伐后土壤過(guò)氧化氫酶和中性磷酸酶活性均有所下降。由此看來(lái),間伐對(duì)土壤酶活性的影響非常復(fù)雜,這可能與間伐后林下植被物種、根系分泌物和凋落物組成的變化,以及新環(huán)境是否能滿足土壤微生物的活性相關(guān)。

3 間伐對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力,進(jìn)入土壤的各種有機(jī)物質(zhì)都是在土壤微生物的作用下,經(jīng)過(guò)一系列分解、轉(zhuǎn)化,最終形成土壤腐殖質(zhì),從而改善土壤結(jié)構(gòu),為植物生長(zhǎng)提供可利用的養(yǎng)分的[39]。相關(guān)研究顯示,土壤微生物總量的多少與土壤肥力存在正相關(guān)關(guān)系,通過(guò)對(duì)土壤微生物總數(shù)的測(cè)定,可以初步判斷土壤肥力的高低,這種方法較傳統(tǒng)的對(duì)土壤理化性質(zhì)的測(cè)定更為簡(jiǎn)單,因此有人提出將土壤微生物作為評(píng)價(jià)林地土壤肥力的指標(biāo)[40]。

近些年來(lái),在森林撫育間伐效果的研究中,國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)把土壤微生物作為衡量間伐效果的一項(xiàng)指標(biāo)。張鼎華等[20]研究了杉木、馬尾松、建柏、柳杉和木荷人工林的撫育間伐對(duì)林分土壤肥力的影響,結(jié)果表明間伐兩年后土壤微生物數(shù)量有所增加。但也有學(xué)者認(rèn)為僅從三大類(lèi)微生物數(shù)量的角度來(lái)反映土壤肥力的高低不確切,因?yàn)橥寥牢⑸锊坏c土壤肥力息息相關(guān),還與土壤水分、孔隙度等物理化學(xué)指標(biāo)有關(guān),所以在今后的研究中應(yīng)結(jié)合微生物生理群、酶活性大小等指標(biāo)綜合判定[41]。

4 結(jié)論與建議

以往,我國(guó)學(xué)者僅將林分生長(zhǎng)量、蓄積量等指標(biāo)作為評(píng)價(jià)撫育間伐效果的依據(jù)。近幾年來(lái),有關(guān)間伐對(duì)森林碳儲(chǔ)量、生物多樣性、森林土壤影響的研究日益增加,尤其是森林土壤,其理化性質(zhì)、生物活性等指標(biāo)直接受到林內(nèi)環(huán)境條件的影響,間伐導(dǎo)致林分密度下降,改變了林內(nèi)光、熱、水以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)原有共生模式,這必然會(huì)對(duì)森林土壤造成一定影響。因此,從土壤質(zhì)量角度對(duì)人工林撫育間伐效果進(jìn)行研究,對(duì)于維護(hù)地力以及林分質(zhì)量具有重要意義。針對(duì)我國(guó)森林撫育間伐對(duì)土壤影響的研究現(xiàn)狀,筆者認(rèn)為,今后應(yīng)加強(qiáng)以下3方面的研究:

(1)加強(qiáng)間伐對(duì)土壤有效水影響的研究。森林土壤水是林木及林下植被生長(zhǎng)和生存的物質(zhì)基礎(chǔ),植物對(duì)水的吸收也是一個(gè)復(fù)雜的生物物理過(guò)程,在我國(guó)林業(yè)上雖然已有多位學(xué)者對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)以及林木耗水進(jìn)行了研究[42-44],但目前國(guó)內(nèi)鮮有研究人員將撫育間伐與土壤水分動(dòng)態(tài)特征相結(jié)合進(jìn)行研究的。

(2)注重間伐對(duì)土壤交換性能影響的研究。土壤陽(yáng)離子交換吸附作用非常普遍,它是土壤中可溶性有效陽(yáng)離子的主要保存形式,對(duì)土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分固定與釋放具有重要影響。間伐通過(guò)改變土壤孔性、結(jié)構(gòu)性,從而改變土壤膠體的種類(lèi)、數(shù)量、結(jié)晶構(gòu)造,影響土壤交換性能。然而目前國(guó)內(nèi)在研究間伐與土壤交換性能關(guān)系方面相對(duì)欠缺,為進(jìn)一步了解間伐對(duì)土壤質(zhì)量的綜合影響,還應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步研究。

(3)注重間伐對(duì)土壤綜合因子影響的研究。以往我國(guó)在撫育效果評(píng)價(jià)中,僅將土壤容重、水分、養(yǎng)分等作為主要指標(biāo),然而隨著科學(xué)的發(fā)展,生物學(xué)指標(biāo)被日益重視,土壤酶活性以及微生物等生物指標(biāo)已被廣泛用于評(píng)價(jià)撫育間伐效果。然而在森林土壤眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中,針對(duì)不同林分類(lèi)型,如何篩選出能綜合反映林分土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)已成為日后研究的重點(diǎn)。

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