姜仕昆，周運超,2，譚 偉,3，陳 竹,2，黃劍峰

（1. 貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學(xué) 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心，貴州 貴陽 550025；3. 貴州大學(xué) 林業(yè)信息工程研究中心，貴州 貴陽 550025）

近自然森林經(jīng)營理論以撫育、間伐、擇伐和天然更新等措施為主要技術(shù)特征，追求森林資源的永續(xù)利用[1]。近自然經(jīng)營管理措施下森林土壤肥力的變化是評價該森林經(jīng)營方式是否有利于森林可持續(xù)經(jīng)營的重要基礎(chǔ)。近自然經(jīng)營對林下土壤肥力的影響國內(nèi)外學(xué)者已有相關(guān)研究。張鼎華等[2]研究發(fā)現(xiàn)：近自然經(jīng)營馬尾松Pinus massoniana幼林的土壤養(yǎng)分含量增加、生物活性增強、土壤酶活性增加、土壤交換性能改善，并且立地條件差的變化幅度較大。吳瑤等[3]應(yīng)用近自然森林技術(shù)對紅松Pinus koraiensis林土壤影響的研究中發(fā)現(xiàn)：土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于未經(jīng)營林分。劉延濱等[4]對退化落葉松Larix gmelinii人工林近自然改造后發(fā)現(xiàn)：林分土壤微生物多樣性增加，有效磷、有效鉀增加。顏歡歡等[5]通過近自然與常規(guī)經(jīng)營千年桐Vernicia montana林的對比發(fā)現(xiàn)，近自然經(jīng)營的千年桐生態(tài)林土壤持水量、氮磷鉀、有機質(zhì)含量都高于常規(guī)千年桐林。但王新宇等[6]在水曲柳Fraxinus mandshurica和長白落葉松Larix olgansis人工林近自然經(jīng)營中發(fā)現(xiàn)：近自然撫育后土壤容重、孔隙度、含水量無顯著差異。徐慶祥等[7]也得出了相似結(jié)論。目前，關(guān)于近自然經(jīng)營對土壤物理性質(zhì)影響的研究存在一定差異，近自然經(jīng)營對土壤肥力影響的研究側(cè)重于土壤肥力某一方面的性質(zhì)，沒有綜合各土壤肥力指標(biāo)而考慮林分肥力變化。近自然經(jīng)營不同措施對不同齡林馬尾松林土壤肥力的影響還沒有相關(guān)報道。本研究針對這些問題，選取了近自然不同經(jīng)營措施馬尾松林土壤肥力的物理、化學(xué)、生物學(xué)指標(biāo)，以全面準(zhǔn)確評價林分土壤肥力的變化，為近自然森林經(jīng)營理論在中國的推廣提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于貴州省貴陽市開陽縣近自然經(jīng)營項目區(qū) (26°48′～27°22′N，106°45′～107°17′E, 平均海拔高度1 000～1 400 m)。地形以山地為主，生態(tài)環(huán)境良好，降雨充沛，屬亞熱帶常綠闊葉林帶，主要的植物屬殼斗科Fagaceae、樟科Lauraceae、山茶科Theaceae 、冬青科Aquifoliaceae等，主要喬木有馬尾松、華山松Pinus armandii、杉木Cunninghamia lanceolata、青岡Quercus glauca、白楊Populus tomentosa、光皮樺Betula luminifera、楓香Liquidambar formosana、樟樹Cinnamomum camphora等；林下主要灌木有杜鵑Rhododendron simsii、馬桑Coriaria nepalensis、火棘Pyracantha fortuneana、鐵仔Myrsine africana等。林內(nèi)濕度較大。近地層苔蘚和地衣發(fā)達。項目區(qū)優(yōu)勢樹種為馬尾松，主要涉及幼齡林、中齡林、近熟林3個齡組，未進行近自然經(jīng)營前林分郁閉度均達0.8 以上。林分土壤類型以黃壤、黃棕壤為主。近自然撫育起始時間為2010年，對象為9年生馬尾松幼齡林：對林分進行修枝、補植、伐除，對目標(biāo)樹有競爭的喬木和目標(biāo)樹附近高大的灌木和草本進行清除，人工輔助調(diào)節(jié)林木水平分布和樹種組成，改善林分空間，實現(xiàn)林分混交，不定期進行；近自然間伐在2013年開展，對象為18年生馬尾松中齡林：對林分進行單株間伐，伐除對目標(biāo)樹有干擾和林分密集區(qū)域長勢差的喬木，實施1次，強度為39.18%；近自然擇伐在2013年實施，對象為22年生馬尾松近熟林：對林分進行單株擇伐，以目標(biāo)樹為核心，伐除競爭木及干擾木，無目標(biāo)樹區(qū)域調(diào)節(jié)林分密度，增加林中空隙，擇伐“霸王樹”，實施1次，強度為37.64%。研究區(qū)擇伐和間伐林分約740 hm2，撫育約670 hm2。

2 研究方法

2.1 土樣采集與分析

2017年11月，依開陽縣林班分布圖，在開陽縣近自然經(jīng)營項目區(qū)分別針對幼齡林撫育、中齡林間伐、近熟林擇伐設(shè)置立地條件相似的樣地。各設(shè)置3組重復(fù)及對照，對照為項目區(qū)未進行任何經(jīng)營的與相應(yīng)齡組立地條件相似的馬尾松林分。在每個林分中部設(shè)置20 m×20 m的大樣方，并在每個大樣方的對角線上選取3個20 cm×20 cm的小樣方，采用環(huán)刀進行取土，取土厚度為20 cm。如此進行土壤樣品采集，以充分全面了解林分土壤肥力情況。對采集的土壤樣品各項土壤指標(biāo)進行測定分析[8]，pH值采用電位法；有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀容量法；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用混合鹽消化堿擴散法；全磷采用鋁銻抗比色法；全鉀采用火焰光度計法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法；容重采用環(huán)刀法；含水量采用酒精燃燒法；總孔隙度采用環(huán)刀法；脲酶采用比色法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各土壤肥力指標(biāo)對土壤整體肥力水平的影響不同且數(shù)值存在量綱差距，所以會嚴(yán)重影響對土壤肥力評價和分析的準(zhǔn)確性。為使評價更合理有效，基于模糊數(shù)學(xué)原理，構(gòu)建土壤肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)植物效應(yīng)曲線將隸屬度函數(shù)分為2種類型[9]。相應(yīng)函數(shù)表達式如下：

式（1）中：x1、x2、x3、x4為土壤肥力指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折點，通過公式計算出各土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值，其值越大反映該指標(biāo)水平越適宜馬尾松生長，這些值在0.1～1.0之內(nèi)。結(jié)合馬尾松對于各項土壤肥力指標(biāo)豐缺的生理特點，以及《全國第2次土壤普查暫行規(guī)程》的土壤養(yǎng)分含量分級和當(dāng)?shù)氐木唧w實際，以及前人的研究情況[9?17]，確定函數(shù)中轉(zhuǎn)折點的相應(yīng)取值如表1所示。

表 1 馬尾松隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點取值Table 1 Value of the turning point of the membership function of P. massoniana

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件對近自然經(jīng)營與對照各土壤肥力指標(biāo)進行獨立樣本t檢驗，以分析近自然經(jīng)營與對照土壤肥力各項指標(biāo)差異的顯著程度。采用Excel 2016對消除量綱后的各指標(biāo)做雷達圖，以直觀全面地了解研究區(qū)各土壤肥力指標(biāo)變化的趨勢及豐缺情況，結(jié)合SPSS 24對各項土壤肥力指標(biāo)進行主成分分析，以綜合評價土壤肥力。主成分分析提取了3個主成分(表2)，每一個主成分都綜合反映了原所有土壤肥力指標(biāo)的大部分信息。通過各土壤類型主成分，利用公式計算各近自然經(jīng)營措施土壤肥力綜合評價得分。公式為：綜合評價得分=W1Y1+W2Y2+W3Y3，其中：W1、W2、W3為各成分特征值權(quán)重進行歸一化處理后的值，Y1、Y2、Y3為土壤肥力指標(biāo)主成分。

表 2 土壤肥力指標(biāo)主成分Table 2 Main components of soil fertility index

3 結(jié)果

3.1 物理指標(biāo)變化

對林分而言，容重應(yīng)在1.0～1.4為優(yōu)[16]。由表3可知：間伐與擇伐土壤容重都優(yōu)于對照，其中擇伐土壤容重顯著大于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育土壤容重小于對照，差異不顯著(P＞0.05)。間伐與擇伐的含水量都大于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育土壤含水量小于對照，差異不顯著(P＞0.05)。擇伐與間伐的總孔隙度均小于對照，差異顯著(P＜0.05)；撫育小于對照，差異不顯著 (P＞0.05)。

3.2 化學(xué)指標(biāo)變化

根據(jù)柳若安等[17]對馬尾松林土壤酸度的研究，適宜馬尾松生長的土壤pH為3.5～5.5。由表4可知：各經(jīng)營措施與對照林分土壤酸度均處于優(yōu)良狀態(tài)，且差異不顯著(P＞0.05)。擇伐與間伐的全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于對照，且差異顯著(P＜0.05)。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)近自然擇伐大于對照，差異顯著(P＜0.05)；間伐大于對照，差異不顯著(P＞0.05)。對于撫育，有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比，差異不顯著(P＞0.05)，其中堿解氮和全鉀差異顯著 (P＜0.05)。

表 3 近自然不同經(jīng)營與對照的土壤物理指標(biāo)比較 Table 3 Comparison of soil physical indicators between different nearnatural management and controls

表 4 近自然不同經(jīng)營管理與對照土壤化學(xué)指標(biāo)的比較Table 4 Comparison of soil chemical and fertility indicators between different near-natural management and control

3.3 生物指標(biāo)變化

由表5可知：研究區(qū)擇伐和間伐蔗糖酶和堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于對照，差異顯著(P＜0.05)。土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)間伐小于對照，差異不顯著(P＞0.05)；擇伐明顯大于對照，差異顯著(P＜0.05)。撫育馬尾松林分蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于對照，差異顯著(P＜0.05)，堿性磷酸酶差異不顯著 (P＞0.05)。

3.4 綜合評價

由圖1可以看出：研究區(qū)采取擇伐的經(jīng)營措施后，土壤全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、脲酶、堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有明顯的增長，土壤物理指標(biāo)的變化趨勢不明顯。間伐的土壤堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增長趨勢，脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有減少趨勢。撫育的堿解氮、全鉀、速效磷、脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有減少趨勢，蔗糖酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增加趨勢。間伐與擇伐各土壤肥力指標(biāo)所構(gòu)成面積明顯大于對照，撫育與對照各土壤肥力指標(biāo)在雷達圖中構(gòu)成的面積相近，結(jié)合表6中間伐與擇伐土壤肥力綜合評價得分均高于對照，差異顯著(P＜0.05)，撫育與對照得分差異不顯著(P＞0.05)，可以斷定近自然間伐與擇伐土壤肥力優(yōu)于對照，近自然撫育與對照土壤肥力相近。

表 5 近自然不同經(jīng)營管理與對照土壤生物指標(biāo)的比較Table 5 Comparison of soilbio-indicators between different nearnatural management and control

圖 1 近自然與對照土壤肥力指標(biāo)隸屬度雷達圖Figure 1 Radar diagram of the membership degree of near-natural and control soil fertility indicators

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

表 6 近自然與對照主成分分析綜合得分Table 6 Comprehensive scores of near-natural and control principal component analysis

研究區(qū)經(jīng)過近自然經(jīng)營后，近自然擇伐的馬尾松近熟林的土壤肥力發(fā)生了顯著變化，主要體現(xiàn)在提高土壤養(yǎng)分和土壤生物酶活性上，其中土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、全磷、速效磷、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著提升。近自然擇伐對林分進行單株擇伐，以目標(biāo)樹為核心，伐除競爭木及干擾木，無目標(biāo)樹區(qū)域調(diào)節(jié)林分密度，增加林中空隙，擇伐“霸王樹”。這些措施能夠減少林分林木數(shù)量，增加林木生長空間，進而給幼小植株提供更多養(yǎng)分，同時增加林內(nèi)光照和改善溫度條件，進而增加低矮植物獲得光照的強度和時間，調(diào)節(jié)林分整體結(jié)構(gòu)，促進林分更新，加速了林內(nèi)生物小循環(huán)，因此土壤化學(xué)和生物指標(biāo)得到了提升。

近自然間伐的馬尾松中齡林土壤肥力也發(fā)生了顯著變化，其中土壤全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了顯著提升。近自然間伐對林分進行單株間伐，伐除對目標(biāo)樹有干擾和林分密集區(qū)長勢差的喬木，使得林分保留木生長空間擴大，促進了實施后幾年林木生長，從而森林更新加快，林下生物多樣性提高，加速了土壤物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，因此提升了土壤肥力。吳瑤等[3]、劉延濱等[4]、包甜甜等[18]、劉俊欽[19]在近自然森林經(jīng)營的研究中也得出了類似結(jié)論。

近自然撫育幼齡馬尾松林土壤肥力變化不顯著。在物理性質(zhì)方面，近自然各經(jīng)營措施對林分土壤的改良是間接作用，并沒有直接改變土壤結(jié)構(gòu)，因此土壤物理指標(biāo)的變化不顯著。這與王新宇等[6]、徐慶祥等[7]在近自然撫育后土壤容重、孔隙度、含水量等物理性質(zhì)方面沒有顯著差異的研究結(jié)果相似。近自然撫育馬尾松幼齡林土壤養(yǎng)分和生物酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯。本研究中，近自然撫育對林分進行修枝、伐除對目標(biāo)樹有競爭的喬木，對目標(biāo)樹附近高大的灌木和草本進行清除，撫育剩余物全面清理，每次對林分結(jié)構(gòu)的調(diào)控影響較小。這些措施在研究區(qū)經(jīng)營年限里對林分的影響可能還未體現(xiàn)。張鼎華等[2]、包甜甜等[18]在近自然幼林經(jīng)營的研究中對修剪的枝干，割除的灌木和草本進行埋蔸，起到了提升土壤養(yǎng)分的作用，因此，對近自然撫育剩余物的不同處理方式可能對土壤養(yǎng)分有不同影響。另外，林分立地條件、林分年齡以及經(jīng)營年限的不同也可能導(dǎo)致近自然撫育對土壤肥力的影響不同。近自然撫育對土壤肥力的影響還有待進一步研究。

整體而言，近自然不同經(jīng)營管理措施確實能夠改造林分結(jié)構(gòu)，改善林境，促進森林更新，提高林下生物多樣性，進而加速土壤物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，影響土壤肥力的化學(xué)和生物指標(biāo)，從而提高土壤養(yǎng)分和土壤生物酶活性，提高土壤肥力。土壤肥力的提升必然能夠促進林分的生長，提高森林質(zhì)量，這對林分的可持續(xù)經(jīng)營有重要作用。

4.2 結(jié)論

采用近自然擇伐與近自然間伐等措施，馬尾松林分土壤肥力得到了顯著的改良，土壤肥力與未進行近自然經(jīng)營的對照林分差異顯著，其中近自然擇伐效果最顯著。近自然撫育對土壤肥力物理指標(biāo)影響不顯著。近自然間伐與擇伐對馬尾松林分土壤肥力的影響具有顯著的促進作用，對馬尾松林分土壤肥力的維護和提高有重要作用。近自然經(jīng)營理論對貴陽市森林土壤肥力的提高和森林可持續(xù)經(jīng)營有重要作用。