余士香 黃鳳生成向榮

（1浙江省開化縣林業(yè)局 324300；2中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所 浙江富陽311400）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方地區(qū)最主要的造林樹種，材質(zhì)好，用途廣，具有悠久的栽培歷史。根據(jù)第八次全國森林資源清查數(shù)據(jù)，目前杉木林面積1096萬hm2，占森林總面積的6.66%，蓄積量7.26億m3。間伐作為一種重要的營林技術(shù)措施，通過調(diào)整林分密度，改善林分結(jié)構(gòu)和種間關(guān)系，在人工林培育過程中具有重要的作用。許多研究發(fā)現(xiàn)，間伐改變了林分冠層結(jié)構(gòu)，短期內(nèi)導(dǎo)致林內(nèi)光照、水分和溫度的變化，進而影響地上/地下凋落物的產(chǎn)量、質(zhì)量和分解[1-2]。森林凋落物分解是植被向土壤輸入營養(yǎng)物質(zhì)的主要途徑，也是生態(tài)系統(tǒng)維持養(yǎng)分平衡的重要因素[2]。研究表明，凋落物分解釋放的營養(yǎng)物質(zhì)可以供給森林生長需求量的 69%～87%[3]。通常認(rèn)為，間伐強度增大將加速凋落物分解，導(dǎo)致凋落物產(chǎn)量降低[4]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，強度間伐降低了葉凋落物分解速率[5]?？梢?，不同的間伐處理對凋落物分解影響也不盡相同。林娜等[1]評述了撫育間伐對人工林凋落物分解的影響，指出在相同氣候帶內(nèi)凋落物性質(zhì)對分解過程有重要影響。Kunhamu 等[6]研究表明，間伐降低了凋落物中N、P、K含量。盡管國內(nèi)外已開展了許多間伐對凋落物分解影響的研究，但多數(shù)研究主要關(guān)注葉凋落物分解過程和養(yǎng)分循環(huán)[7-10]，地下凋落物分解的研究相對較少，間伐對杉木地上/地下凋落物分解影響的研究更是少見。為此，在浙江省開化縣林場，以間伐2年后的杉木人工林為研究對象，研究未間伐、中度間伐和強度間伐處理對地上/地下凋落物性質(zhì)和分解速率的影響，以期為杉木人工林經(jīng)營管理和養(yǎng)分循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于浙江省開化縣林場城關(guān)分場（東經(jīng)118°25′，北緯29°09′）。試驗區(qū)年平均氣溫16.4℃，年平均降雨量1814 mm，無霜期252d，年日照總時數(shù)1334.1 h，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。海拔 180～300 m，土壤為紅黃壤，土層厚度80 cm以上，質(zhì)地疏松，平均坡度18o。

1.2 間伐試驗

試驗林分為 17年生杉木純林，初植密度為2500株/hm2，2006年進行1次撫育間伐（間伐強度約18%）。2011年春季進行第2次間伐，分別設(shè)置中度間伐（20%間伐強度，以株數(shù)計）、強度間伐（37%間伐強度，以株數(shù)計）和不間伐3種處理，每種間伐處理小區(qū)面積20 m×20 m，3次重復(fù)，共9個小區(qū)。2012年10月調(diào)查結(jié)果顯示，未間伐、中度間伐和強度間伐保留密度分別為1775、1408、1114株/hm2，平均樹高分別為14.5、14.8、14.9 m，平均胸徑分別為 17.6、18.5、19.1 cm。

1.3 凋落物分解實驗

2012年 12月，在每塊樣地內(nèi)設(shè)置 5個1m×1m的凋落物收集框，收集葉凋落物然后烘干。同時在每塊樣地內(nèi)設(shè)置8個50cm×50cm小樣方，清除地表植被和凋落物，挖掘收集0-20cm土層內(nèi)的杉木細(xì)根（直徑＜2mm），根據(jù)根系顏色和彈性，挑選活的細(xì)根。細(xì)根帶回實驗室后清洗干凈，烘干至恒重。將烘干的葉凋落物裝入15cm×25cm的尼龍網(wǎng)袋（孔眼直徑1mm2），每袋10g，每個樣地放置30袋，共270袋。烘干的細(xì)根裝入 10cm×15cm的尼龍網(wǎng)袋（孔眼直徑0.1mm），每袋2g，每個樣地放置30袋，共270袋。葉凋落物分解袋平鋪在地表，直接接觸土壤表面；細(xì)根分解袋放置在地表土壤10cm深度處，然后覆土。分別在第90d、180d、270d、360d、540d和720d取樣，每次葉凋落物和細(xì)根各5袋，烘干稱重后計算殘留率。

實驗前葉凋落物和細(xì)根樣品中總有機碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮（TN）含量采用凱氏定氮法，全磷（TP）含量用鉬藍比色法，全鉀（TK）含量用火焰光度法測量[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別計算不同間伐處理下葉凋落物和細(xì)根干重殘留率(L)、平均腐解率( k )、分解半衰期( t0.5，分解50% 所需時間)和分解95% 所需時間( t0.95)等指標(biāo)。

葉凋落物（Ll）或細(xì)根（Lr）干重殘留率采用下式計算：

式中，m0為葉凋落物或細(xì)根的初始干重，mt為分解t天時葉凋落物或細(xì)根的干重。

葉凋落物或細(xì)根平均腐解率（k）采用Olson指數(shù)衰減模型[12]計算：

式中，X為葉凋落物或細(xì)根分解的殘留率；m0為葉凋落物的初始干質(zhì)量； mt為分解t天時葉凋落物或細(xì)根干重；k為葉凋落物或細(xì)根平均腐解率；a為修正系數(shù)。

本試驗圖表采用 Excel 2013制作，不同間伐處理之間葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量及分解速率差異采用SPSS19.0的單因素方差分析來檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量

從表1可以看出，葉凋落物和細(xì)根總有機碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TP）和總鉀（TK）含量在 3種間伐處理之間均沒有顯著差異（P＞0.05）。葉凋落物中 TOC含量在不同間伐處理之間變異最小，變異系數(shù)僅為 1.0%；TK的含量變異最大，達17.5%；TN和TP含量在不同處理之間變異系數(shù)也相對較小。細(xì)根中TP含量在不同間伐處理之間變異系數(shù)最大，達22.2%；其他3種元素含量變異系數(shù)相對較小。盡管葉凋落物和細(xì)根4種主要營養(yǎng)元素含量在不同間伐處理之間沒有達到統(tǒng)計上的顯著差異，但間伐對葉凋落物鉀元素含量影響較大，而對細(xì)根磷元素含量影響較大?？傮w上，間伐后短期內(nèi)（2年）葉凋落物和細(xì)根的TOC、TN、TP和TK含量不受間伐處理影響。

表13 種間伐處理葉凋落物和細(xì)根養(yǎng)分含量變化

2.2 葉凋落物分解特征

不同間伐處理葉凋落物隨時間變化的分解特征見圖1。從圖1可以看出，第90d時3種間伐處理之間葉凋落物分解速率沒有明顯差異，從180d開始強度間伐處理分解速率顯大，此后一直持續(xù)到試驗結(jié)束。720d時中度和著增強度間伐處理葉凋落物干重殘留率分別為未間伐處理的91.9%和80.9%。中度和強度間伐處理日平均腐解率比未間伐處理高13.0%和35.1%（表2）。中度和強度間伐處理葉凋落物分解半衰期和分解 95%所需的時間分別為未間伐處理的86.0%、72.7%和87.8%、74.0%。間伐后短期內(nèi)，隨間伐強度增加葉凋落物分解加快，這主要與間伐降低了林分冠層郁閉度，增加了林地土壤溫度，促進了微生物活性，進而增加了凋落物分解。

圖1 不同間伐處理葉凋落物干重分解變化（*表示差異顯著，下同）

表2 不同間伐處理葉凋落物分解過程中的Olson指數(shù)模型和平均腐解率

2.3 細(xì)根分解特征

細(xì)根分解的干重殘留率在第90d時3種間伐處理之間沒有顯著差異，此后隨間伐強度的增大干重殘留率減少，表明隨間伐強度增加，杉木細(xì)根分解速率加快。 720d時中度和強度間伐處理細(xì)根干重殘留率分別為未間伐處理的 84.7%和 81.4%。中度和強度間伐處理日平均腐解率比未間伐處理高 31.7%和 44.9%（表3）。中度和強度間伐處理細(xì)根分解半衰期和分解 95%所需的時間分別為未間伐處理 79.6%、67.4%和75.6%、69.0%。由此可見，間伐強度顯著影響細(xì)根的分解動態(tài)。

圖2 不同間伐處理細(xì)根干重分解的變化

表3 不同間伐處理細(xì)根分解過程中的Olson指數(shù)模型和平均腐解率

3 結(jié)論與討論

間伐改變了林分微氣象環(huán)境和營養(yǎng)空間，導(dǎo)致林木各器官中養(yǎng)分含量發(fā)生相應(yīng)變化[1]。有研究指出，凋落物分解過程中前期分解速率受N 控制，N含量越高，分解速度越快；后期分解速率受木質(zhì)素濃度或木質(zhì)素/N比制約[13-14]。Kunhamu 等[6]指出，間伐降低了凋落物中N、P、K的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，中度和強度間伐2年后的杉木葉凋落物和細(xì)根TOC、TN、TP和 TK含量與未間伐林分之間沒有顯著差異。而在江蘇溧水林場的研究表明，僅70%間伐強度的杉木林間伐7年后葉凋落物TN含量顯著低于未間伐林分[5]。這些不同的結(jié)果一方面與樹種特性有關(guān)，另外與間伐強度和間伐后持續(xù)時間密切相關(guān)。

短期內(nèi)不同間伐處理葉凋落物分解速率沒有差異，半年后隨間伐強度的增加，葉凋落物分解速率顯著增大。葉凋落物分解前的化學(xué)性質(zhì)對前期分解沒有影響，分解過程可能更多受環(huán)境因素的影響。間伐后林冠郁閉度降低，改善了林內(nèi)的光照條件，增加了林地土壤溫度，有利于增強微生物和酶活性，從而加速凋落物分解[15]。此外，間伐后林下紫外線透射增強，提高了凋落物中木質(zhì)素光降解作用，也促進了凋落物分解[16]。但肖文婭等[5]研究發(fā)現(xiàn)，中度間伐強度的杉木林分內(nèi)葉凋落物分解最快，輕度間伐次之，強度間伐將減緩杉木葉凋落物的分解。他們認(rèn)為強度間伐（70%）處理可能導(dǎo)致土壤濕度降低而改變了土壤動物和微生物的種類組成、數(shù)量和活性，進而抑制凋落物分解。因此，適宜的間伐強度對維持林分養(yǎng)分循環(huán)，促進林分持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

間伐后細(xì)根的分解速率也隨間伐強度增加而增大，但細(xì)根平均腐解率低于葉凋落物。這可能是因葉凋落物位于地表，受林內(nèi)微氣象環(huán)境的影響較大，而細(xì)根在土壤中，間伐后土壤環(huán)境的變化弱于地表。盡管如此，相對于未間伐處理，間伐后細(xì)根平均腐解率的增加率高于葉凋落物平均腐解率的增加率，表明間伐更有利于細(xì)根的分解。本研究中杉木細(xì)根分解速率低于金釗等[7]在福建省萬木林自然保護區(qū)的研究結(jié)果，不同的土壤、氣候和林分條件可能是造成這種差異的主要原因。已有的研究主要集中在地上凋落物的分解，間伐對根系，尤其是細(xì)根分解的影響偏少，今后需進一步加強這方面的研究。此外，本文僅開展了間伐后地上/地下凋落物分解前性質(zhì)以及分解過程的研究，地上/地下凋落物分解過程中相互作用關(guān)系也是今后值得深入研究的內(nèi)容。

[1]林娜, 劉勇, 李國雷,等. 撫育間伐對人工林凋落物分解的影響[J]. 世界林業(yè)研究, 2010, 23(3):44-47.

[2]郭劍芬, 楊玉盛, 陳光水,等. 森林凋落物分解研究進展[J]. 林業(yè)科學(xué), 2006, 42(4):93-100.

[3]Waring RH, Schlesinger WH. 1985. Forest Ecosystems: Concepts and Management[M]. New York: Academic Press.

[4]Roig S, Del Rio M, Canellas I, et al. Litter fall in Mediterranean Pinus pinaster Ait. stands under different thinning regimes [J]. Forest Ecology and Management, 2005, 206(1): 179-190.

[5]肖文婭, 刁嬌嬌, 費菲,等. 不同強度間伐對杉木人工林凋落物分解速率的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2016, 25(8):1291-1299.

[6]Kunhamu T K, Kumar B M, Viswanath S. Does thinning affect litterfall, litter decomposition, and associated nutrient release inAcacia mangiumstands of Kerala in peninsular India? [J]. Canadian Journal of Forest Research, 2009，39(4): 792-801.

[7]金釗, 楊玉盛, 董云社,等. 米櫧與杉木細(xì)根凋落物是否在自身群落中分解得更快?[J]. 植物學(xué)報,2006, 23(6):651-657.

[8]林開敏, 章志琴, 葉發(fā)茂,等. 杉木人工林下杉木、楠木和木荷葉凋落物分解特征及營養(yǎng)元素含量變化的動態(tài)分析[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報, 2010,19(2):34-39.

[9]肖文婭, 費菲, 刁嬌嬌,等. 杉木人工林凋落物中微生物數(shù)量對間伐的響應(yīng)[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016, 44(1):31-36.

[10]劉文飛, 樊后保. 杉木人工林凋落物 C,N,P歸還量對氮沉降的響應(yīng)[J]. 林業(yè)科學(xué), 2011,47(3):89-95.

[11]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析（第三版）[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[12]潘輝, 黃石德, 洪偉, 等. 三種相思人工林和木荷林凋落葉分解的動態(tài)分析[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報, 2008, 17 ( 3) : 39 -43.

[13]Taylor B R，Parkinson D，Parsons W F J. Nitrogen and lignin content as predictor of litter decay rates:a microcosm test [J]. Ecology，1989，70( 1) :137-167.

[14]Berg B，Muller M，Wessen B. Decomposition of red clover ( Trifolium pratense) roots [J]. Soil Biology& Biochemistry，1987，19 ( 5 ) : 589- 594.

[15]Rietl A J, Jackson C R. Effects of the ecological restoration practices of prescribed burning and mechanical thinning on soil microbial enzyme activities and leaf litter decomposition [J]. Soil biology and biochemistry, 2012, 50: 47-57.

[16]張慧玲, 宋新章, 哀建國, 等. 增強紫外線-B 輻射對凋落物分解的影響研究綜述[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報, 2010, 27(1): 134-142.