王德彩，郭丹丹，吳桂藏，閆東鋒

(河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002)

楊樹人工林表層土壤水分及養(yǎng)分特征對森林撫育的響應

王德彩，郭丹丹，吳桂藏，閆東鋒

(河南農(nóng)業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450002)

為了研究森林撫育經(jīng)營活動對人工林地表層土壤理化特性的影響，以鄭州市惠濟區(qū)黃河灘區(qū)楊樹人工中齡林為研究對象，森林撫育3 a后，設置了3個不同撫育強度處理水平，進行了野外取樣和室內(nèi)試驗，研究了不同撫育強度對楊樹人工林表層土壤水分及養(yǎng)分特征的影響。結果表明,2個土層土壤飽和持水量、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度與土壤容重均隨撫育強度的增大而增加，大小關系為：中度>弱度>對照，其中對照0～10 cm層土壤容重顯著高于其它2個處理水平(P<0.05)；3個處理水平土壤0～10 cm層土壤初滲速率、土壤穩(wěn)定入滲速率、前36 min入滲量和前36 min平均入滲速率均顯著高于 10～20 cm 層(P<0.05)。3個處理水平土層0～10 cm層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤有機碳儲量均顯著高于10～20 cm層(P<0.05)，且均隨著撫育強度的增大而增加，其中中度撫育土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤有機碳儲量顯著高于對照和弱度撫育(P<0.05)。土壤0～10 cm層和10～20 cm層全氮質(zhì)量分數(shù)隨撫育間伐強度的增加而增大，到中度撫育時達到最大值，分別為0.998 g·kg-1和0.597 g·kg-1。因此，森林撫育對楊樹人工林林地土壤表層的影響效果更加明顯，顯著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度，同時土壤有機碳含量和儲量均顯著提高。

撫育強度；土壤滲透；土壤水分；土壤養(yǎng)分；楊樹人工林

森林撫育是調(diào)整林分結構、加快林木生長的重要手段，是提高森林質(zhì)量的重要經(jīng)營措施[1]。森林撫育影響林分生長[2]、林地更新和物種多樣性[3]。關于森林撫育的研究，主要集中在撫育對林木生長[4]、合理密度的確定[5]、林分結構特征[6]等森林結構的影響方面。關于森林撫育對土壤水分及養(yǎng)分的研究結果并不完全一致，部分研究認為森林撫育可以改善土壤物理性質(zhì)[7-8]，減小土壤容重，增加土壤孔隙度[9]，提高毛管持水量[10]，進而促進林地生態(tài)功能的恢復[11]，但是也有研究認為[12]，撫育會導致土壤質(zhì)量的惡化，如結構穩(wěn)定性下降、土壤容積質(zhì)量增加、土壤孔隙度變差，土壤持水能力減弱等。但是，大量研究表明[13-14]，森林撫育作為一個森林經(jīng)營手段，必然會對土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來干擾，必然會引起土壤微生物、水分、溫度、養(yǎng)分和其他物質(zhì)的再分配，繼而對土壤理化特性產(chǎn)生影響，只是不同區(qū)域、不同林分類型和不同撫育方式的影響程度和生態(tài)過程會有差別。楊樹以其速生性強、適應性廣，成材早、產(chǎn)量高和易更新等特點，成為平原造林的首選樹種。中國楊樹人工林目前已超過700多萬hm2，居世界首位，然而，由于初植密度過大、病蟲害嚴重、缺乏調(diào)控管理，導致單株林木的營養(yǎng)空間不足，難以提高產(chǎn)量及培育大徑材。作為林分結構調(diào)控的重要措施，森林撫育通過改善林冠層營養(yǎng)空間及地下水肥環(huán)境[15]，對人工林生長發(fā)育及其林分環(huán)境具有較大影響。因此，了解楊樹人工林土壤水分及養(yǎng)分特征對撫育間伐強度的響應規(guī)律，對于完善科學合理的楊樹人工林培育措施是非常必要的。關于配置模式[16]、經(jīng)營模式[17]、林分密度[18]、施肥方式[19]及氣候變化[20]等對楊樹人工林生長的影響已有報道，而森林撫育對楊樹人工林的土壤理化及水分特性影響的研究較少。本研究以河南省鄭州市惠濟區(qū)楊樹人工林為研究對象，通過設置不同的撫育強度處理，研究不同撫育強度對楊樹人工林的土壤水分及養(yǎng)分特征的影響，旨在為制定科學合理的楊樹人工林森林經(jīng)營措施和楊樹大徑材培育提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為惠濟區(qū)黃河灘區(qū)，惠濟區(qū)位于鄭州市北部，北臨黃河。地理坐標介于北緯34°36′～34°57′，東經(jīng)118°29′～118°54′之間。西北部處于豫西黃土丘陵向豫東沖積平原過渡地帶，地勢自西向東傾斜，海拔為90～220 m。該區(qū)屬于大陸暖溫帶季風半干旱氣候，四季分明，光、熱、水分條件屬南北過渡型，常年平均氣溫為14.2 ℃，極端最低溫度-17.9 ℃，極端最高溫度為43.0 ℃，全年≥10 ℃的積溫為4 673 ℃，平均全年日照時數(shù)為2 385 h，年日照率54%，無霜期227 d，全年平均降水量640.9 mm，主要集中在6-8月份。土壤為褐土、潮土兩大類，pH值為8.0左右，有機質(zhì)含量豐富。

2 研究方法

2.1標準地設置與野外調(diào)查

試驗標準地設置在鄭州市惠濟區(qū)沿黃河大堤南側500 m寬的防護林帶，為楊樹人工純林，于2002年冬季栽植，初植株行距2 m×2 m，林分密度為2 500株·hm-2，2011年采用生態(tài)疏伐方式進行撫育，主要砍伐居于林冠下層生長落后、徑級較小的被壓木、瀕死木和枯立木，也砍伐個別粗大的干形不良木。撫育3 a后，根據(jù)研究區(qū)域森林分布圖、森林撫育作業(yè)示意圖，并結合實地踏查資料，根據(jù)撫育前后的林分密度，設置3個處理類型，分別為對照(2 477株·hm-2)、弱度撫育(采伐后平均林分密度為2 103株·hm-2)和中度撫育(采伐后平均林分密度為1 703株·hm-2)，鑒于楊樹冠幅不大，本次試驗沒有開展強度撫育，每個處理類型設置3塊重復標準地，標準地面積為20 m×30 m，標準地基本情況如表1所示。

在標準地內(nèi)沿對角線設置3個重復土壤剖面，在每個土壤剖面采用環(huán)刀法分0～10 cm和10～20 cm 2層取原狀土2個，1個用于土壤水分物理特性測定，1個用于土壤滲透特性測定。分層取混合土樣，每塊標準地取1 kg左右，去除根系、石塊等裝入布袋并及時帶回實驗室，自然風干后研磨，用于土壤化學元素的測定。

表1 標準地基本概況Table 1 Basic information of ground

2.2室內(nèi)試驗

土壤滲透特性測定采用雙環(huán)入滲法[21]，在內(nèi)環(huán)使土壤表層保持4～5 cm 水層,每更換1次燒杯要將上面環(huán)刀水面加至原來高度，直到滲出水量基本穩(wěn)定為止。記錄數(shù)據(jù)包括初始入滲速率(前8 min平均入滲速率)、穩(wěn)定入滲速率、前36 min累計入滲量等。

采用環(huán)刀法分別測定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度；土壤有機碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；土壤全氮采用硫酸-過氧化氫凱氏定氮儀蒸餾滴定法；土壤pH值采用電位法測定[22]。

2.3指標計算

土壤入滲過程采用Kostiakov入滲模型、Philip入滲模型和Horton入滲模型進行模擬[21]。

Horton模型：f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：f(t)為土壤入滲速率，mm·min-1；t為入滲時間，min；f0、fc、k分別為初滲速率、穩(wěn)滲速率、衰減指數(shù)，值越小表示土壤入滲衰減的越慢。

Philip模型：f(t)=0.5St-1/2+A

(2)

式中：S為模型參數(shù)，表征土壤入滲能力的強弱；A為穩(wěn)滲速率，mm·min-1。

Kostiakov模型：f(t)=at-b

(3)

式中：a，b為模型參數(shù)，分別描述土壤入滲速率隨時間變化的程度和土壤入滲開始后第1個時段內(nèi)的平均入滲速率。

土壤碳儲量計算公式：

土壤有機碳儲量(t·hm-2)=土壤有機碳含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-3)×采樣深度(cm)×10-1

(4)

2.4數(shù)據(jù)處理

對不同土層厚度和不同撫育強度的土壤水分、孔隙度和養(yǎng)分特性指標，采用R軟件(https://cran.r-project.org/mirrors/ , R version 3.3.1)進行Kruskal-wallis非參數(shù)顯著性檢驗(kruskal.test函數(shù))；土壤入滲模型利用R軟件中l(wèi)m.sol函數(shù)進行擬合，獲取模型參數(shù)。

3 結果與分析

3.1楊樹人工林土壤水分對森林撫育的響應

3.1.1 土壤水分特性 從不同撫育強度不同土層厚度楊樹人工林土壤水分及孔隙特性(表2)可以看出，對照、弱度撫育和中度撫育 3 個處理水平土層0～10 cm層土壤容重平均值分別為1.341、1.204和1.166 g·cm-3，對照土壤容重顯著高于其他2種撫育類型(P<0.05)，但2種撫育強度處理之間并無顯著差別(P>0.05)，這說明森林撫育可以降低土壤容重，增加通透性。從10～20 cm層看，中度撫育10～20 cm層土壤容重顯著低于對照和弱度撫育(P<0.05)，弱度撫育和對照之間無顯著差別(P>0.05)；弱度撫育和中度撫育土層0～20 cm層土壤容重均顯著高于0～10 cm層(P<0.05)，但對照2層之間無顯著差別(P>0.05)，這說明森林撫育對土壤容重的影響主要集中在土壤表層。土壤飽和持水量、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度與土壤容重均呈現(xiàn)隨撫育強度的增大而上升的趨勢，大小關系為：強度>中度>對照，而土壤毛管持水量在3個處理之間變化不大。

表2 不同撫育間伐強度下土壤水分及孔隙性質(zhì)Table 2 Soil physical property in different thinning intensity

注：數(shù)據(jù)為平均值±標準差。同列數(shù)據(jù)標不同大小寫字母表示相同土層不同撫育強度、相同撫育強度不同土層厚度差異性顯著(P<0.05，n=18)。下同。

Note: The data is mean±SD . Different capital letters in the same column indicate the same soil layer with different thinning intensity significant difference (P<0.05),Different small letters in the same column indicate with the same thinning intensity different soil layer significant difference(P<0.05). The same as below.

3.1.2 土壤入滲特征

3.1.2.1 土壤入滲特征指標 不同撫育強度不同土層厚度土壤初滲速率(前 8 min 的平均入滲速率)、土壤穩(wěn)定入滲速率、前36 min入滲量和前36 min平均入滲速率見表3。由于到36 min全部土樣都達到了穩(wěn)定入滲，因此計算前36 min的入滲量和平均入滲速率。3個撫育強度0～10 cm層土壤初滲速率、土壤穩(wěn)定入滲速率、前36 min入滲量和前36min平均入滲速率均顯著高于 10～20 cm 層(P<0.05)，即表層土壤的滲透性能優(yōu)于下層土壤，且撫育強度越大，影響越明顯，如對照的土層0～10 cm與10～20 cm 層土壤穩(wěn)定入滲速率分別為2.500 mm·min-1和0.925 mm·min-1，差值為1.575 mm·min-1，而中度撫育土層0～10 cm與10～20 cm 層土壤穩(wěn)定入滲速率分別為4.750 mm·min-1和1.634 mm·min-1，差值為3.116 mm·min-1。

表3 不同森林撫育強度土壤入滲特征Table 3 Soil infiltration characteristics in different thinning intensity

隨著撫育強度的增加，3個處理0～10 cm層土壤初滲速率、土壤穩(wěn)定入滲速率、前36 min入滲量和前36 min平均入滲速率均在增大，且中度撫育各指標值顯著高于弱度撫育和對照(P<0.05)，而弱度撫育與對照之間無顯著差別(P>0.05)，這與對土壤容重的分析結果是一致的。在土壤10～20 cm層，3個處理之間土壤初滲速率、土壤穩(wěn)定入滲速率、前36 min入滲量和前36 min平均入滲速率均無顯著差別(P>0.05)。這說明森林撫育對土壤滲透性能的影響主要集中在土壤表層，且撫育強度越大，對土壤滲透性能的影響越大。

3.1.2.2 土壤入滲過程 圖1為3個處理水平，對照、弱度撫育、中度撫育土層0～10 cm和10～20 cm層土壤入滲過程曲線。由圖1可知，不同撫育強度不同土層深度土壤初始入滲速率均較高，隨著時間的推移，各土層土壤入滲速率開始減小，一定時間后趨于穩(wěn)定。不同撫育強度不同土層入滲特性存在一定差異，弱度撫育和對照土層0～10 cm層和0～20 cm層達到穩(wěn)滲所需要的時間較接近，中度撫育2個土層土壤達到穩(wěn)滲所用的時間分別為28 min和16 min，所用的時間較長。土層0～10 cm層中度撫育和對照土壤入滲速率較接近，中度撫育土壤入滲速率始終高于弱度撫育和對照，弱度撫育和中度撫育土層10～20 cm層土壤入滲速率均高于對照，這說明中度撫育可以提升土壤表層入滲性能，尤其是表層土壤。

圖1 楊樹人工林標準地不同土層厚度土壤入滲過程 Fig.1 Soil infiltration process of different soil layers in Populus plantation

3.1.2.3 土壤入滲過程擬合 土壤水分入滲是個復雜的物理過程，是徑流計算和評價水土保持效益的重要指標，而合適的入滲模型是研究林地土壤保水功能的重要手段。本研究選擇Kostiakov模型、Philip入滲模型和Horton方程3 個模型模擬土壤入滲速率隨時間的變化過程，結果見表4。

表4 不同撫育強度土壤入滲方程模擬結果Table 4 Soil infiltration equation simulation results of different thinning intensity

由表4可知，由R2值及回歸方程顯著性檢驗結果可知，Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型R2值均為0.732～0.927，Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型均能很好地描述土壤入滲速率與入滲時間的關系，對實測滲透數(shù)據(jù)擬合程度較好，而Horton方程擬合效果不理想。Kostiakov入滲模型中，3個撫育強度類型中土層0～10 cm層的a值均大于10～20 cm層，除了中度撫育外，土層0～10 cm層的b值均小于10～20 cm層，可見隨著土層深度增加，土壤入滲速率遞減加快，這也說明林地表層對水土保持的重要性；各處理水平土壤0～10 cm層，a值范圍為0.694～2.254，b值范圍為0.032～0.180，土層10～20 cm層中，a值范圍為0.270～0.906，b值范圍在0.021～0.251，不同土層厚度a、b最大值均出現(xiàn)在中度撫育，這說明中度撫育使土壤入滲速率加快。Philip擬合模型中，3個撫育強度土層0～10 cm層參數(shù)s值均大于10～20 cm層，說明0～10 cm層土壤入滲能力比10～20 cm層強，而且參數(shù)S最大值均出現(xiàn)在中度撫育，其值分別為3.088、1.736，其中土層0～10 cm層參數(shù)S值隨著撫育強度的增加而增大，說明中度撫育顯著地改善了地表下層土壤結構，促進土壤表層入滲能力的增強。

3.2楊樹人工林土壤養(yǎng)分對森林撫育的響應

森林撫育可以改變林內(nèi)光照、溫度、濕度等條件，從而對土壤化學性質(zhì)產(chǎn)生影響。由表5可知，對照、弱度撫育和中度撫育土層0～10 cm層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤有機碳儲量均顯著高于10～20 cm層(P<0.05)，且隨著撫育強度的增加，2個土層的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和有機碳儲量均在增加，其中中度撫育土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)和土壤有機碳儲量顯著高于對照和弱度撫育(P<0.05)，而對照和弱度撫育之間無顯著差異(P>0.05)。這說明，一定強度的森林撫育可以增加土壤有機碳，有助于土壤的改良和土壤碳匯能力的提升。

土層0～10 cm層和10～20 cm層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)隨撫育間伐強度的增加而升高，到中度撫育時達到最大值，分別為0.998和0.597 g·kg-1。3個撫育強度類型土層0～10 cm層和10～20 cm層土壤pH值均高于8.0，呈偏堿性，且在不同撫育強度之間變化規(guī)律一致，即隨著撫育間伐強度的增加而降低，但不同撫育強度之間土壤pH值差異不顯著(P>0.05)。

表5 不同撫育間伐強度下土壤養(yǎng)分特性Table 5 Soil chemical property of poplar plantation trees in different thinning intensity

4 討論

4.1土壤水分特性對森林撫育的響應

本研究結果表明，楊樹人工純林在森林撫育后，林地表層土壤水分條件得到了一定程度的改善，表層土壤容重，對照顯著高于其他2種撫育類型。森林撫育對土壤容重的影響主要集中在表層，降低了土壤表層土壤容重，增加了土壤表層的通透性。這很可能是因為撫育降低了林分郁閉度，有利于林下植被的生長發(fā)育，進而改變枯落物的組成與數(shù)量，有機質(zhì)含量增多，進而影響土壤容重。這與前人對森林撫育對人工刺槐林[23]、華北落葉松[24]土壤物理性質(zhì)的影響研究結果是一致的。因此，適度撫育可以降低林分密度，降低土壤容重、改善土壤通氣性。

初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和累積入滲量等經(jīng)常作為土壤入滲能力的評價指標，穩(wěn)定入滲速率可以作為表征后期土壤入滲能力的重要指標。楊樹人工林在弱度、中度、對照 3 種撫育類型土壤表層的滲透性能顯著優(yōu)于下層土壤，且撫育強度越大，影響越明顯；森林撫育對林地土壤表層土壤滲透性能的影響較大，撫育強度越大，則對土壤滲透性能影響越大，這與對土壤容重的分析結果是一致的。因此，通過撫育可以改變土層結構，降低土壤容重，改善土壤的通氣性能和土壤滲透性能，這幾個要素之間的關系是相輔相成的。本研究與撫育間伐對北京山區(qū)油松幼齡人工林水源涵養(yǎng)功能的影響[25]的研究結果相一致。撫育可以改善林地土壤得滲透性能，進而影響植物根區(qū)的水分情況，改變降水在土壤內(nèi)進行再分配的進程，有效影響地表徑流和土壤流失情況，提升土壤的蓄水保水能力。

4.2土壤有機碳對森林撫育的響應

土壤有機碳是提高森林固碳效益的關鍵因素，是量度土壤水分保持及其有效性的重要因子，是評價森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的一個綜合指標[26]。撫育措施對土壤碳匯在生態(tài)系統(tǒng)中的提升作用是不可忽視的，本研究發(fā)現(xiàn)森林撫育后楊樹人工林土壤上層有機碳質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)和土壤碳儲量均優(yōu)于下層土壤，且均隨著撫育強度的增加而升高，撫育明顯提升了土壤的碳匯能力，本研究與在秦嶺南坡開展的撫育對銳齒櫟中齡林土壤養(yǎng)分的研究結果一致[27]。植被殘體和一些土壤生物通過礦化和腐殖化轉(zhuǎn)為土壤有機碳，土壤有機碳間接對土壤入滲產(chǎn)生影響，通過改變土壤團聚體、孔隙結構來影響土壤入滲性能。通過撫育間伐措施，林內(nèi)光照增強，溫度升高，促進了土壤微生物的活動，進而改變林下環(huán)境，促進林下植被數(shù)量增加，增加了有機碳的來源，所以說間伐有助于土壤的改良，對于提高土壤肥力具有重要意義。

5 結論

森林撫育對楊樹人工純林林地土壤表層水分及養(yǎng)分特征的影響顯著，撫育后的林分表層土壤容重明顯小于未撫育的林分，土壤滲透性能顯著大于未撫育的林分，其中中度撫育對土壤滲透特性的影響最為顯著。森林撫育改變了楊樹人工林林地光照、溫度、濕度等環(huán)境條件，降低了土壤容重，增大了土壤的毛管孔隙度和非毛管孔隙度，改善了土壤的滲透性能，提高了土壤的持水量。森林撫育有效地提高了楊樹人工林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)和土壤碳儲量。

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(責任編輯：李 瑩)

EffectsofforesttendingonsoilsurfacewaterandnutrientsofPopulusplantationforest

WANG Decai, GUO Dandan, WU Guicang, YAN Dongfeng

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In order to address the effects of forest tending on the soil physical and chemical properties of soil surface, three treatments of forest tending densities were set up inPopulusplantation forest in Zhengzhou Huiji area of Henan Province, and soil sampling and relative experiments were carried out, the effects of different tending densities on soil water and nutrients were analyzed. The results showed that soil saturated water holding capacity, soil non-capillary porosity, soil capillary porosity and soil bulk density of two soil layers increased significantly with the increase of forest trending density, the relationship between three treatments was middle>weak>control, and the soil bulk density of 0～10 cm soil layers was greatly higher than that of the other two soil layers(P<0.05). Soil initial infiltration rate, soil stable infiltration rate, cumulative infiltration capacity of former 36 min and soil average infiltration the rate of former 36 min in the soil layer of 0～10 cm were significantly higher than those of the 10～20 cm layer(P<0.05).The soil organic carbon content and soil organic carbon storage in the 0～10 cm layer of three treatments were significantly higher than that of the 10～20 cm layer(P<0.05), and with the thinning intensity increasing, soil organic carbon content and organic carbon storage were increasing correspondingly, soil organic carbon content and soil organic carbon storage of middle tending were significantly higher than that control and weak tending(P<0.05).The total nitrogen content of two soil layers increased with the thinning intensity increased, and middle tending to achieve maximum values, which were 0.998 g·kg-1and 0.597 g·kg-1.Obvious effects of forest tending on the soil surface were addressed, soil bulk density was reduced, the soil capillary porosity and non-capillary porosity were improved, at the same time, soil organic carbon were increased too.

forest tending intensity; soil infiltration; soil water properties; soil nutrients;Populusplantation

S792.11

：A

2016-09-13

國家自然科學基金項目(41201210)；河南省林業(yè)廳技術招標項目；河南省高等學校青年骨干教師資助計劃(2014GGJS-036)

王德彩(1983-)，男，山東費縣人，副教授，博士，研究方向為森林資源信息化管理。

閆東鋒(1979-)，男，河南平輿人，副教授，博士。

1000-2340(2017)02-0163-07