楊會俠

(遼寧省森林經營研究所，丹東，118002)

何友均 鄭 穎 王 衛(wèi) 王 品 姚 博

(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)科技信息研究所) (遼寧省森林經營研究所)

有關森林經營理念的不斷更新和經營方式的不斷改變一直是林業(yè)發(fā)展過程的主旋律，而經營方式的改變對森林生態(tài)系統(tǒng)生產力的影響也是林業(yè)專家研究的主要課題。在人們對森林多功能需求和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的雙重壓力下，以木材產量為主要目標的“拔大毛”式森林傳統(tǒng)經營所產生的弊端不斷顯現(xiàn)，森林的近自然經營理念應運而生，近自然經營成為有望實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)的一條重要途徑［1］。近自然森林經營是指充分利用森林生態(tài)系統(tǒng)內部的自然生長發(fā)育規(guī)律，從森林自然更新到穩(wěn)定的頂級群落這樣一個完整的森林生命過程的時間跨度來計劃和設計各項經營活動，優(yōu)化森林的結構和功能，充分利用與森林相關的各種自然力，不斷優(yōu)化森林經營過程，從而使生態(tài)與經濟的需求能最佳結合的一種真正接近自然的森林經營模式［2］。

在林業(yè)比較發(fā)達的歐美國家，如德國、美國、芬蘭、丹麥等，都曾以木材經營為中心，忽視森林其它功能，致使出現(xiàn)了純林多、森林穩(wěn)定性差、多種功能難以發(fā)揮等問題［3］，但經過一段時間的探索與實踐，最終選擇了以“近自然林業(yè)”作為新的林業(yè)政策和經營方針。西方學者分別對近自然經營過程中的生物多樣性［4-5］、土壤理化性質、各種因素對生態(tài)因子的影響［6-7］及經營過程中需要克服的困難［8］等方面進行了研究，并取得了比較積極的成果，認為近自然經營可以促進珍貴闊葉樹種的自然更新及森林環(huán)境的優(yōu)化［5］，協(xié)調木材生產與生物多樣性的關系，從而發(fā)揮森林的多種功能和效益［9］。目前，德國除了國有森林實行近自然林業(yè)經營外，國家林業(yè)管理部門還引導森林私有業(yè)主進行近自然經營［10］，不斷探討克服私有業(yè)主經營過程中可能存在的技術、管理等方面的困難。

上世紀末，近自然經營理念逐漸被引入我國，許多專家學者［11-14］利用近自然經營理念為我國林業(yè)的發(fā)展把脈，闡述了近自然經營在我國低產天然次生林和人工林經營中的發(fā)展前景。但我國林業(yè)基本上仍然維持在原有的以木材生產為主的經營思路上，真正采用近自然經營理念進行生產和科研實踐活動的卻并不多見。Wang等［15］初步探討了小興安嶺紅松人工林不同經營方式對土壤有機質、微生物和理化性狀的影響，認為提高森林的近自然經營程度有助于提高森林土壤質量。李榮等［16］探討了不同強度的近自然間伐對遼東櫟林群落穩(wěn)定性的影響，認為近自然經營性的間伐可以促進優(yōu)勢樹種的自然更新，增加林地的可利用營養(yǎng)物質，促進先鋒樹種或喜光闊葉樹種的定居與生長，利于森林有機物質的積累，增加物種多樣性，促使森林向混交、復層、異齡等方向發(fā)展。羅沛韜等［17］研究結果表明，近自然經營森林方式大大降低了皆伐對林地土壤密度、毛管孔隙度等土壤結構特性的影響。

黑龍江省哈爾濱市丹清河林場自1998年引入近自然經營理念以來，立足不同的林型與立地條件分別開展了目標樹擇伐林改造、低質天然次生林樹種置換、景觀林培育、紅松種質基因林培育和永久性多功能林培育等多種近自然經營活動，樹種組成、林分結構、森林景觀和林分質量與傳統(tǒng)經營相比有明顯不同。筆者試圖通過對丹清河林場不同經營方式下的天然次生針葉林土壤物理和化學性質的研究，了解不同經營方式對天然次生針葉林林地長期生產力的影響，為近自然經營在小興安嶺地區(qū)乃至全國林業(yè)發(fā)展中的應用提供科學依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 樣地設置

在丹清河林場所有林地廣泛踏查的基礎上，選擇林齡、立地條件相似，但經營方式分別為近自然經營、未經營、傳統(tǒng)經營的天然次生針葉林林分作為調查取樣地，基本情況見表1。在不同經營方式的林分內隨機設置3塊20 m×20 m的臨時樣方，進行植物種類、生物量和土壤理化性質等的取樣調查。

表1 樣地基本情況

1.2 土壤調查與取樣

在各樣方內“S”形選5個樣點，對其中的3個樣點挖取土壤剖面，分0～20、20～40、40～60 cm 3層，每層各取2個環(huán)刀的同時，取土壤樣品。剩余兩個樣點用土鉆打孔，也分0～20、20～40、40～60 cm 3層取樣。將5個樣點相同層次的土壤樣品混合裝袋，帶回室內于陰涼處風干后分別過2 mm和0.25 mm的土壤篩子，留待化學養(yǎng)分測定。

1.3 土壤物理性質測定

土壤密度、持水量和孔隙度各數(shù)值均采用環(huán)刀法測定。

1.4 土壤化學性質測定

全C采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定(LY/T 1237—1999);全N采用半微量凱氏法測定(LY/T 1228—1999);全P采用堿熔—鉬銻抗比色法測定(LY/T 1232—1999);全K采用堿熔—原子吸收分光光度法測定(LY/T 1234—1999);速效N包括銨態(tài)N和硝態(tài)N，其中銨態(tài)N采用氯化鉀浸提—靛酚藍比色法［18］，硝態(tài) N采用氯化鉀浸提比色法測定［18］;有效 P采用鹽酸—硫酸溶液浸提法測定(LY/T 1233—1999);交換性K采用乙酸銨浸提—紫外吸收法測定(LY/T 1246—1999);pH值采用電位法測定(LY/T 1239—1999)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均利用SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析和最小差異法比較不同經營方式對土壤理化性質的影響(α=0.05)，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤。

2 試驗結果

2.1 主要物理性狀指標

從表2看出，天然次生針葉林土壤密度隨著土層的加深而增大。傳統(tǒng)經營林分的土壤密度大于近自然經營和未經營林分的土壤密度。

表2 不同經營方式下各土層的土壤密度 g·cm-3

在不同經營方式下，針葉林土壤中的最大持水量、毛管持水量、最小持水量3個水分指數(shù)(表3)有著相似的表現(xiàn)，即隨土層深度的增加而降低。經營方式對土壤水分指數(shù)有顯著影響，3個指數(shù)均表現(xiàn)出未經營＞近自然經營＞傳統(tǒng)經營。

表3 3種經營方式下天然次生針葉林不同深度土壤水分指數(shù) g·kg-1

從表4可以看出：毛管孔隙度、總孔隙度和土壤通氣度隨著土壤深度的增加呈降低趨勢，但不同經營方式下其差異顯著性有所不同;不同深度土壤非毛管孔隙度沒有明顯差異。不同經營方式間各孔隙度指數(shù)有明顯的差異，分別表現(xiàn)為：毛管孔隙度，近自然經營、未經營＞傳統(tǒng)經營;非毛管孔隙度，傳統(tǒng)經營＞近自然經營、未經營;總孔隙度，未經營≥傳統(tǒng)經營≥近自然經營;土壤通氣度，傳統(tǒng)經營＞近自然經營＞未經營。

表4 不同經營方式下的土壤孔隙度指數(shù)

2.2 土壤有機碳的變化

不同經營方式對天然次生針葉林土壤有機碳質量分數(shù)、貯量和空間分布有明顯影響(表5)。土壤有機碳質量分數(shù)隨著土層加深呈明顯的降低趨勢，地表0～20 cm土層有機碳質量分數(shù)最高。比較來看，0～60 cm土層土壤有機碳平均質量分數(shù)呈現(xiàn)未經營≥傳統(tǒng)經營≥近自然經營。近自然經營林地0～20 cm深度土壤中的有機碳貯量顯著比其它兩層的多，未經營和傳統(tǒng)經營林地3層土壤中的有機碳貯量之間沒有明顯差異。3種經營方式下0～60 cm土壤整體碳貯量之間沒有明顯差異。

2.3 土壤全N、全P、全K的變化

隨著土層深度的增加，天然次生針葉林土壤中的全N、全P質量分數(shù)降低，而全K質量分數(shù)升高。經營方式對全N、全P和全K質量分數(shù)的影響表現(xiàn)為(表6)：平均全N質量分數(shù)沒有明顯的差異;平均全P質量分數(shù)為近自然經營＞未經營、傳統(tǒng)經營;平均全K質量分數(shù)為傳統(tǒng)經營＞近自然經營＞未經營。

未經營或傳統(tǒng)經營的天然次生針葉林林分3層土壤中的全N或全P貯量沒有明顯差異，而近自然經營林分以0～20 cm深度土壤中的全N和全P貯量最大。3種經營方式的林分中全K均以表層貯量最少，下層貯量增加。從3種養(yǎng)分在0～60 cm土層中的貯量總體來看，3種經營方式下的全N和全P貯量沒有明顯差異，全K呈現(xiàn)出近自然經營＞未經營、傳統(tǒng)經營。

表5 3種經營方式下不同深度土壤有機碳質量分數(shù)和貯量

表6 不同經營方式下土壤中全N、全P和全K質量分數(shù)及其貯量

2.4 土壤速效N、有效P和交換性K的變化

從表7來看，除了近自然經營林分土壤表層(0～20 cm)中速效N質量分數(shù)明顯高于其它兩層外，3種經營方式林分中3層土壤的速效N或有效P質量分數(shù)沒有明顯差異，交換性K離子質量分數(shù)隨土層加深而降低。經營方式對3種養(yǎng)分的平均質量分數(shù)影響分別為：速效N和有效P，無明顯差異;交換性K離子，近自然經營、未經營＞傳統(tǒng)經營。除了近自然經營林分土壤中間層(20～40 cm)中速效N貯量比其他兩層低外，3種經營方式林分中3層土壤的速效N或交換性K貯量沒有明顯差異，有效P貯量隨土層加深而增加。0～60 cm土層中速效N或有效P總貯量在3種經營方式間沒有明顯差異，交換性K總貯量表現(xiàn)為近自然經營≥未經營≥傳統(tǒng)經營。

2.5 土壤pH值與C/N比較

從表8可以看出，各經營方式林分內3層土壤C/N比之間沒有明顯差異，經營方式對C/N比的影響表現(xiàn)為未經營＞傳統(tǒng)經營＞近自然經營。

天然次生針葉林內土壤pH值有隨土層加深而提高的趨勢，但以未經營林分土壤層間pH值差異顯著。有經營活動林分中土壤的pH值顯著高于未經營林分。

3 分析與討論

3.1 經營方式與土壤物理性狀

土壤理化性質是評價森林植被、經營技術、人類干擾和氣候因子變化的重要指標［19］。土壤密度小，表明土壤結構相對疏松、孔隙較多，而土壤密度大，土體比較緊實、孔隙較少。本研究中，天然次生針葉林內土壤的密度隨土層深度的增加而增大，而最大持水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤通氣度等呈降低趨勢。從土壤密度與各持水量指數(shù)的關系來看：傳統(tǒng)經營林分的土壤密度最大、持水性最差;未經營林分土壤密度小、持水性最強;近自然經營居中。說明傳統(tǒng)經營過程中進行大樹間伐對林地土壤壓實程度大，干擾強度大。近自然經營對土壤干擾強度小，林分內土壤物理性狀相對優(yōu)于傳統(tǒng)經營，證明了前人［20］關于森林經營措施對土壤壓實和擾動是長期存在的結論。不同經營方式對林分土壤孔隙度各指數(shù)的影響各異，非毛管孔隙度和土壤通氣度以傳統(tǒng)經營最大，這可能與大樹間伐后根系死亡腐爛有關。但毛管孔隙度和總孔隙度呈現(xiàn)出未經營林分優(yōu)于近自然經營、近自然經營優(yōu)于傳統(tǒng)經營的現(xiàn)象進一步說明，干擾強度越大，對土壤體的壓實作用越大，這種作用必將影響林分內植被對養(yǎng)分的吸收、微生物活動和水分的涵養(yǎng)與維持。因此，近自然經營在一定程度上改變了森林生態(tài)系統(tǒng)中的動植物群落結構，從而影響了森林土壤的理化性質［21］。但從總體看，近自然經營對土壤物理性質的影響程度遠小于傳統(tǒng)經營。

表7 土壤中速效N、有效P和交換性K的質量分數(shù)及其土層中的貯量

表8 3種經營方式下土壤C/N比和pH值變化

3.2 經營方式與土壤養(yǎng)分全量

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳的最大貯存庫，土壤有機碳與大氣二氧化碳組成、氣候和地被物的變化緊密相關［22］。土壤有機碳濃度是土壤肥力的一個重要指標，受土壤理化性質、植被、氣候條件、人類活動等的影響，這些因素的改變會影響一定面積、一定深度的土壤有機碳密度的變化，從而影響大氣中溫室氣體的濃度。本研究中，土壤有機碳質量分數(shù)隨土層深度的增加呈降低趨勢，且有經營林分低于未經營林分。土壤有機碳0～60 cm深度總貯量在3種經營方式間沒有明顯差異，這是由于有機碳貯量是土壤密度、體積與有機碳質量分數(shù)相互作用的結果，同時，土壤全碳是一個相對穩(wěn)定的指標，經營方式可能會影響土壤有機碳質量分數(shù)，但過程相對較慢，與 Kutsch 等［23］、王樹力等［24］的研究結果相吻合。

土壤全N質量分數(shù)是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標。Hopmans等［25］認為，土壤N質量分數(shù)比有機質質量分數(shù)更適合作為土壤肥力變化的指示因子。森林土壤含氮量的消長與土壤有機質含量的變化一樣，決定于有機質的積累和分解作用的相對強度，其含量的變化受植被和經營方式等因素的影響。本研究中，經營方式對土壤中的全N質量分數(shù)和貯量沒有明顯的影響，這可能是由于3種經營方式的林分因經營時間較短，短時間內它們難有較大的變化，從而證明土壤有機質與土壤全N質量分數(shù)是植被變化的主要影響因子，二者具有協(xié)同性。近自然經營方式下全P的質量分數(shù)和貯量雖然大于其他兩種經營方式，但沒有明顯差異。相對而言，經營方式對全K養(yǎng)分的影響較大，有經營活動林分的土壤全K質量分數(shù)和貯量大于未經營林分，且以經營強度最大的傳統(tǒng)經營林分內最大。產生這種現(xiàn)象的主要原因可能是傳統(tǒng)經營將林分中的優(yōu)樹、大樹擇伐以后地上植被對土壤中的K吸收能力降低，從而產生相對的富余。

3.3 經營方式與土壤有效養(yǎng)分

土壤中只有少部分有效養(yǎng)分能在短期內被植物吸收，因此森林土壤有效養(yǎng)分的質量分數(shù)及其在單位面積一定深度內的貯量更能反映林分當前的生長狀態(tài)。本研究中，經營方式對土壤中速效N和有效P質量分數(shù)沒有明顯影響，但近自然經營林分土壤中交換性K的質量分數(shù)和貯量大于相應的未經營和傳統(tǒng)經營林分。這與 Kimmins［26］、張鼎華等［27］的研究結果相似：有效養(yǎng)分質量分數(shù)提高，進一步證明近自然經營能夠改善土壤的交換性能。

3.4 經營方式與pH值和C/N比

土壤pH值是土壤基本性質和肥力的重要影響因素之一，一般受成土母質和氣候條件的影響，同時也受地形、植被和經營措施等因素影響。土壤pH值的高低影響土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉化和有效性。從針葉林土壤pH值變化來看，經營林分包括近自然經營和傳統(tǒng)經營大于未經營林分。這可能是由于在經營過程中更多地將林分內生長狀態(tài)不好的闊葉樹枝葉和草、灌歸還到土壤內，促使土壤中的H離子質量分數(shù)降低，從而提高了土壤pH值。

土壤C/N比是影響土壤微生物活性的重要因子，與土壤中有機質和氮素的多少有關，受植被、人類經營活動等因素的影響。近自然經營針葉林土壤C/N比小于傳統(tǒng)經營林分，后者又小于未經營林分的結果，說明森林經營過程中人類活動一定程度上改變了地上植被結構、凋落物量及土壤微生物的活動，從而使C/N比產生了變化。近自然經營由于其經營強度低于傳統(tǒng)的經營方式，其產生的C/N比變化更有利于土壤養(yǎng)分的釋放與供應，有利于森林植物的生長和林分的健康發(fā)展。

4 結論與展望

近自然經營一定程度上影響了天然次生針葉林土壤的物理性狀，但這種干擾程度遠小于傳統(tǒng)經營;經營方式對土壤有機質、全N沒有明顯影響;土壤全P、全K質量分數(shù)與貯量分別以近自然經營和傳統(tǒng)經營林分最大;近自然經營林分土壤中有效K質量分數(shù)的增高，提高了林地土壤的交換性能;與傳統(tǒng)經營方式相比，近自然經營林分土壤C/N比降低、pH值升高，為土壤微生物活動提供了較好的生活環(huán)境，有利于土壤肥力的增強和長期生產力的提高。

近自然林業(yè)是模仿自然、接近自然的一種森林經營方式。它并不是回歸到天然的森林類型，而是盡可能使林分建立、撫育、采伐的方式同“潛在的自然植被”的關系相接近［28］。近自然經營過程要求的技術性比較強，而且更要求指導經營技術的負責人有比較強的責任心和過硬的生產和生態(tài)經驗。針對不同的林型可能需要采取不同的技術措施，不能搞一刀切。還有，近自然經營理念在我國林業(yè)的影響力還不夠深入，其實踐更是鳳毛麟角，因此林業(yè)的近自然經營還需要更長一段道路要走。要開展經營技術的研究，遵循生態(tài)學原理，制定出科學的森林經營方式和技術，要不斷實踐與總結經驗，形成完善的技術支撐體系，充分發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的整體功能，使森林的生態(tài)、經濟與社會效益相得益彰。

致謝：哈爾濱市丹清河林場周錦北，張宗文等參加了野外調查采樣，中國科學院會同生態(tài)站于小軍、黃林等協(xié)助部分實驗室分析工作，沈陽應用生態(tài)研究所人工林組汪思龍研究員指導了論文實驗設計，一并致謝。

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