毛亮亮 董希斌 曲杭峰 张宝山 刘慧 高然 高彤

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

抚育间伐也叫抚育采伐，是人们有目的的对天然林、人工林等进行人为干扰活动，是为了促进林木生长、提高林木品质[1]，结合林分生长发育及自然稀疏规律，适当伐除部分林木，调整树种组成和密度、改善环境条件，进而影响到林分生产力和土壤养分状况的一种经营措施[2]。土壤在森林生态系统的物质和能量传输中起着重要的作用，不但为植物的生长提供了物理支撑，而且为植物生长提供了必要的养分。土壤养分中氮、磷、钾的供应水平直接影响到林木的分布、生长和产量，对森林群落内植物种类的分布格局具有重要影响[3]。抚育间伐在实现调整林分密度，改善林木生长环境，获取一定数量木材的同时[4]，改变了林内小气候，提高林地内光照条件、林地土壤温度，促进了土壤微生物的活动，从而引起林下土壤理化性质变化进而影响土壤养分[5]。因此,土壤养分在一定程度上可以反映森林生态环境的好坏。抚育间伐对森林土壤养分具有不同的改善作用。胡玉珠[6]在辽宁省阜新蒙古族自治县阜新镇试验地对油松林采用不同强度的抚育间伐，3 a后调查结果表明，土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾质量分数显著升高。阿叶尔[7]在北美乔松林内的抚育间伐试验结果表明，抚育后15 a林内土壤营养元素质量分数降低，表明抚育间伐降低了土壤养分。抚育间伐对土壤养分的影响与林分类型、林分密度以及气候条件的差异有关。对此，近年来有很多学者就抚育间伐对土壤养分的影响进行了研究[8-9]。张甜等[10]以小兴安岭地区天然针阔混交次生林为研究对象，进行不同强度的间伐，结果表明抚育间伐大大改善了森林生境条件，为林内生物提供了良好的生存环境。商添雄等[11]在山西省沁源县好地方林场以华北落叶松人工林为研究对象，进行不同强度的间伐试验，结果表明间伐可提高华北落叶松人工林土壤有机碳、全氮、全磷质量分数，减缓土壤养分的流失。然而，大多数学者都是关注表层土壤[12-13]，对于表层以下土壤养分的研究相对较少。因此，为了更好地了解小兴安岭地区不同抚育间伐强度对天然针阔混交林不同层次土壤养分的影响，研究土壤有机碳、pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾对抚育间伐强度的响应，确定最适合土壤养分积累的抚育间伐强度，为小兴安岭地区的土壤养分利用与改良、土壤养分质量评价和营林活动提供理论依据和数据支撑。

1 研究地区概况

研究区处于我国东北部的小兴安岭，试验样地设置在黑龙江省伊春市带岭林业实验局东方红林场。林场位于小兴安岭南麓，带岭区东南13.9 km处。地理坐标128°37′46″～129°17′50″E，46°50′8″～47°21′32″N，平均海拔为600 m。试验区夏季湿润，温凉多雨，冬季干燥寒冷，且低温时间漫长，属于典型的大陆性湿润季风气候。年最高气温可达37 ℃，年最低气温可达-40 ℃，全年平均气温1.4 ℃。该区域降水时间全年为130 d左右，集中在7—9月，年平均降水量为661 mm。土壤以暗棕壤为主，少量林地为谷地草甸土和沼泽土，平均厚度60 cm左右，试验样地的森林群落类型是天然针阔混交林，主要乔木树种有：红松(Pinuskoraiensis)、冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、椴树(Tiliatuan)、色木槭(AcermonoMaxim)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr)等。平均林龄70 a，平均胸径16 cm，平均树高11 m，林分郁闭度0.8以上。灌木以忍冬(Lonicerajaponica)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、山高梁(Spodiopogoncotulifer)居多。草本植物主要有三棱草(Scirpusplaniculmis)、羊胡子苔草(Carexcallitrichos)。

2 研究方法

2.1 样地设置

2011年，在研究地根据采伐蓄积量与总蓄积量之比，设置A(抚育间伐强度10%)、B(抚育间伐强度15%)、C(抚育间伐强度20%)、D(抚育间伐强度25%)、E(抚育间伐强度30%)、F(抚育间伐强度35%)6块抚育间伐样地和对照样地CK(抚育间伐强度0)，样地面积均为100 m×100 m。抚育间伐的原则按照用材林抚育作业技术规程，间伐木为非目的树种、有害树种和局部过密的林木，包括腐朽木、濒死木、被压木以及干形不良的林木。抚育间伐后对各样地进行了补植更新，补植树种为红松、云杉。2021年4月，对抚育间伐10 a后的7块试验样地进行外业调查，每块样地选择典型区域随机布设3块30 m×30 m的调查区域，样地概况如表1所示。

表1 样地基本概况

2.2 样品的采集

2021年4月中旬，在每个处理样地内采用“S”形随机选择3个采样区取样，除去地表凋落物后，用土钻采样，每个样点取3个土层的深度，分别为0

2.3 样品测定方法

土壤养分指标测定方法如表2所示。

表2 土壤养分指标测定方法

2.4 数据分析

所有试验数据经Excel2016整理统计后，分析在SPSS26.0软件中进行，使用单因子方差分析和最小显著差数法(LSD)分析不同抚育间伐强度和不同土层深度下各土壤理化指标的差异显著性以及土壤养分间的Pearson相关性。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳质量分数和pH在不同抚育间伐强度下的差异

对试验地7种处理的土壤总有机碳进行分析。由表3可见，表层、次表层和底层均除F样地有机碳质量分数低于对照样地，其他样地的有机碳质量分数均高于对照样地。总体上表层、次表层和底层土壤有机碳质量分数随着间伐强度的增大呈现先增加后减少的趋势；其中表层、次表层和底层均为E样地的土壤有机碳质量分数最高。对于表层土壤有机碳质量分数对照样地与B、C、D、E样地之间差异显著(P<0.05)，次表层和底层土壤有机碳质量分数对照样地只与E样地之间差异显著(P<0.05)，与其他样地之间均差异不显著。对同一抚育间伐强度下的不同土层土壤有机碳质量分数进行分析，结果表明土壤有机碳质量分数由表层至次表层到底层呈现出递减的规律。表层的有机碳与次表层和底层有机碳质量分数差异性显著(P<0.05)，而次表层和底层的有机碳质量分数基本相等，差异性不显著。

根据表3，测得土壤的pH值均在4.5～5.5，此地土壤的pH呈酸性。同一土层土壤pH与对照样地相比，间伐后样地土壤的pH均略有升高，但只有表层土壤pH对照样地与B、C、D、E样地差异显著，次表层土壤pH对照样地与B、D、E样地差异显著，底层土壤pH对照样地与D、E样地差异显著(P<0.05)。不同土层的土壤pH，随着深度的增大，土壤的pH均略减小，但表层与次表层土壤pH以及次表层土壤与底层土壤pH均差异不显著。

表3 抚育间伐后各样地土壤有机碳质量分数和pH值

3.2 抚育间伐对土壤氮磷钾的影响

由表4可见，A～F样地，土壤的全氮质量分数均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的全氮质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。方差分析表明，表层土壤全氮质量分数对照样地与C、D、E样地之间差异显著(P<0.05)，次表层和底层土壤全氮质量分数对照样地除与A样地之间差异不显著，其他样地均与对照样地之间差异显著(P<0.05)。表层、次表层和底层均为E样地的土壤全氮质量分数最高，且E样地与其他样地之间均差异显著(P<0.05)。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的全氮质量分数逐渐减小；表层与次表层全氮质量分数均差异显著(P<0.05)；次表层与底层的全氮质量分数除D样地与对照样地差异显著(P<0.05)，其他样地均差异不显著。

表4 抚育间伐后各样地土壤全氮和碱解氮质量分数

A～F样地，土壤的碱解氮质量分数均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的碱解氮质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。方差分析表明，表层土壤碱解氮质量分数对照样地除与E样地之间差异显著(P<0.05)，其他样地与对照样地均差异不显著；次表层土壤碱解氮质量分数对照样地与B、E、F样地之间差异显著(P<0.05)，底层土壤碱解氮质量分数对照样地与B、E样地差异显著(P<0.05)，其他样地均与对照样地之间差异不显著。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的碱解氮质量分数逐渐减小，其中表层与次表层和底层的碱解氮质量分数均差异显著(P<0.05)，次表层与底层土壤的碱解氮质量分数，除F样地差异显著(P<0.05)，其他均差异不显著。

由表5可见，A～F样地，土壤的全磷质量分数均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的全磷质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。方差分析表明，表层土壤全磷质量分数对照样地除与B、C样地之间差异不显著，其他样地均与对照样地之间差异显著(P<0.05)；次表层土壤全磷质量分数对照样地除与A、B样地之间差异不显著，其他样地均与对照样地之间差异显著(P<0.05)。底层土壤全磷质量分数对照样地除与A样地之间差异不显著，其他样地均与对照样地之间差异显著(P<0.05)。表层、次表层和底层均为E样地的土壤全磷质量分数最高，且除次表层E样地与D样地差异不显著，其他样地之间均与E样地差异显著(P<0.05)。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的全磷含量逐渐减小；表层与次表层全磷质量分数除C样地外，其他样地均差异显著(P<0.05)；次表层与底层的全磷质量分数除B、C样地差异不显著，其他样地均差异显著(P<0.05)。

表5 抚育间伐后各样地土壤全磷和速效磷质量分数

A～F样地，土壤的速效磷质量分数均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的速效磷质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。经方差分析可知，表层土壤速效磷质量分数对照样地与其他样地之间均差异显著(P<0.05)；次表层和底层土壤速效磷质量分数对照样地除了与A样地之间差异不显著，其他样地与对照样地之间均差异显著(P<0.05)。表层、次表层和底层均为E样地的土壤速效磷质量分数最高，且E样地与其他样地之间均差异显著(P<0.05)。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的速效磷质量分数逐渐减小，其中表层与次表层的速效磷质量分数均差异显著(P<0.05)，次表层与底层土壤的速效磷质量分数，除对照样地与C样地差异不显著，其他均差异显著(P<0.05)。

表6 抚育间伐后各样地土壤全钾和速效钾质量分数

由表6可见，A～F样地，土壤的全钾质量分数均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的全钾质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。经方差分析可知，表层与次表层土壤全钾质量分数对照样地只与E样地之间差异显著(P<0.05)；底层土壤全钾质量分数对照样地除与A、B样地之间差异不显著，其他样地均与对照样地之间差异显著(P<0.05)。表层、次表层和底层均为E样地的土壤全钾质量分数最高。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的全钾质量分数逐渐减小；次表层与底层的全钾质量分数均差异显著(P<0.05)。

A～F样地，土壤的速效钾质量分数除A、F样地外，其他样地均高于对照样地，总体上随着抚育间伐强度的增大，土壤的速效钾质量分数呈现先增大后逐渐减小的趋势。经方差分析可知，表层土壤速效钾质量分数对照样地与其他样地之间均差异显著(P<0.05)；次表层和底层土壤速效钾质量分数对照样地除了与A样地之间差异不显著，其他样地与对照样地之间均差异显著(P<0.05)。表层、次表层和底层均为E样地的土壤速效钾质量分数最高，且E样地与其他样地之间均差异显著(P<0.05)。在相同的间伐强度下，随着土层深度的增加，土壤的速效钾质量分数逐渐减小，其中表层与次表层的速效磷质量分数均差异显著(P<0.05)，次表层与底层土壤的速效钾质量分数，均差异显著(P<0.05)。

3.3 土壤养分间相关性分析

对土壤养分进行相关性分析如图1所示，其中有机碳与pH、全氮相关性显著，有机碳与碱解氮相关性极显著；pH与全氮、碱解氮、全钾相关性显著，全氮与碱解氮、全钾相关性极显著，全氮与全磷、速效磷相关性显著，碱解氮与全钾相关性显著；全磷与速效钾相关性显著，全磷与全钾相关性极显著；速效磷与全钾相关性极显著；速效磷与速效钾相关性显著，全钾与速效钾相关性显著，且它们的相关性均呈正相关。这表明土壤养分不仅与间伐强度有关，土壤养分间也会相互影响。

图1 土壤各养分间的相关性

4 结论与讨论

抚育间伐是一种维持森林生态平衡的重要方法，在森林保护中的应用比较广泛。采用抚育间伐适当调整森林的结构，能够促进森林健康生长，缩短林木的培养时间，从而提高林分的质量[14]。抚育间伐改变了郁闭度，进而改变林地光照环境，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[15]。因此，合理的抚育间伐对林分生长和林地土壤养分改善具有较好的促进作用。本研究结果与一些学者研究结果相一致。冯健等[16]的研究结果表明，带状抚育间伐方式促进了落叶松人工林的生长和土壤养分的积累，尤其是全磷和有效磷的质量分数。杨爱风[17]研究不同强度抚育间伐对辽宁东部山区天然次生杂木林下土壤理化性质的影响，结果表明适当的抚育间伐能提高天然次生杂木林土壤养分。然而徐庆祥等[18]的研究结果表明，相比对照林分，间伐林分土壤全氮量、全磷量和全钾量均降低。这主要可能是其试验设置时分别于1999和2009年进行2次下层抚育间伐，每次间伐强度平均约为38%，抚育间伐强较大，间伐后林下光照增强，地温增高，导致土壤有机质分解速度加快，养分循环加快。王有良等[19]对福建省三明市官庄国有林场11年生杉木人工林为对象进行研究，研究结果表明，不同间伐强度下杉木人工林土壤有机碳和全氮质量分数随着间伐强度增加呈逐渐减小的趋势，原因是研究区取样土壤属于红棕壤，砂粒含量较高，这可能导致间伐后土壤碳氮质量分数降低，间伐后，林窗变大，加速土壤有机碳和全氮的淋溶损失。此外，间伐后，部分树木去除林冠后，凋落物减少，进入土壤的有机质减少，导致碳氮质量分数降低。周全等[20]的研究结果表明抚育间伐对杉木林地土壤pH值和土壤钾元素的影响不明显。这与本研究结果相似。本研究土壤养分的有机碳、全氮、碱解氮、全磷、速效磷质量分数均明显高于对照样地，全钾质量分数与速效钾质量分数略高于对照样地，但是差异不显著。总体上抚育间伐样地均比对照样地土壤养分质量分数高，说明抚育间伐有利于土壤养分的积累。

张甜等[21]运用基于熵权法的灰色关联模型，综合评价小兴安岭用材林土壤肥力，研究结果表明，改造的样地中最有利于土壤养分积累的是间伐强度是25%～30%。管惠文等[22]的研究结果表明，大兴安岭落叶松天然次生林中等间伐强度的改造样地土壤肥力最佳。陈蕾等[23]将大兴安岭落叶松天然次生林的土壤呼吸速率与土壤理化性质作为因子，综合评价得出，抚育间伐强度为25%时，改造效果最佳。王晓伟[24]对内蒙古赤峰市用材林设置间伐强度不同的7块样地进行研究，研究结果发现15%、20%的中等间伐强度有利于土壤理化性质改善和土壤肥力的积累，适宜内蒙古赤峰市用材林的抚育间伐。然而马芳芳等[25]研究辽东山区不同间伐强度的日本落叶松人工林，研究结果表明，间伐5 a后，高强度间伐落叶松林表层土壤碳、氮质量分数、氮磷比及活性碳质量分数显著高于中度和强度间伐落叶松林。本研究结果表明随着抚育间伐强度的增大，土壤养分呈现出先上升后下降的趋势，其中E样地的土壤养分质量分数最高，这表明30%的抚育间伐强度最有利于小兴安岭天然针阔混交林土壤养分的积累。

土壤养分随着土层的增加而减少，原因可能因为越接近表层的土壤最先接受凋落物分解的养分，底层土壤则越难接受到表层凋落物分解的养分。总体来说，表层土壤养分明显较高，并且随着土层深度增加而不断递减，递减速度从快到慢，最后趋于稳定。郝凯婕[26]通过分析抚育间伐后的川西米亚罗林区典型低效林不同深度土壤的碳质量分数，结果表明表层总有机碳质量分数高于底层，而且30%的间伐强度样地土壤总有机碳质量分数和微生物量碳质量分数均最高。胡昊程等[27]对昆明市宜良县花园林场云南松中龄林进行研究，发现0

综上所述，以小兴安岭天然针阔混交林抚育间伐10 a后的土壤为研究对象，探究抚育间伐强度和土层深度对土壤养分的影响。间伐10 a后，不同间伐强度均在一定程度上增加了小兴安岭针阔混交林的土壤养分，其中30%的间伐强度最有利于小兴安岭天然针阔混交林土壤养分的积累。然而土壤养分不仅与间伐强度有关，还与植被密度、光照、水分、经济和社会等因素息息相关[29]。而且土壤养分间也会相互影响[30]。本文只对小兴安岭天然针阔混交林土壤养分进行了研究，而土壤养分的监控是一个漫长而复杂的过程[31]，还需要进行持续的观测和分析，才能更加全面地评价抚育间伐对森林生态系统土壤养分的影响，为探究最适合森林生态系统土壤养分的抚育间伐强度提供更加科学的参考。