全 文 ：长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量动态研究 3
周　莉　代力民 3 3 　谷会岩　于大炮
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　采用对比实验 ,对不同采伐年限的长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量变化进行了分析与
研究. 结果表明 ,不同采伐年限的采伐迹地土壤养分含量差异很大. 林地土壤 p H 值随着伐后时间的推移
而出现一个先下降后上升的过程 ,表层土壤在伐后 5 年的酸性最强 ,10～20 cm 层土壤在伐后 10 年酸性
最强 ;土壤有机质含量、全量养分含量和速效养分含量均在采伐初期 2～5 年增加 ,随后又迅速减少 ,尤其
是表层土壤变化更为明显 ;土壤阳离子交换量 (CEC)及交换性 Ca、Mg 也都表现出相同的变化趋势. 因此 ,
森林采伐后应及时人工造林、更新进行植被恢复 ,可将养分固定而减少和防止土壤养分的流失.
关键词 　采伐迹地 　土壤养分 　阔叶红松林 　长白山
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1771 - 05 　中图分类号 　S714. 8 　文献标识码 　A
Dynamics of soil nutrient contents in cutting forestlands of broad2leaved Korean pine forest on Changbai
Mountains. ZHOU Li ,DAI Limin , GU Huiyan , YU Dapao ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of
Sciences , S henyang 110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (10) :1771～1775.
A comparative study was made to analyze the dynamics of soil nutrient contents in different cutting forestlands of
broad2leaved Korean pine forest on Changbai Mountains. The results showed that soil nutrient contents in differ2
ent forestlands with different cutting times had obvious differences. With the cutting time going on after logging ,
soil p H value had the trend of declining firstly and increasing afterwards. The acidity of the topsoil was the high2
est after cutting for five years ,and that of 10～20 cm soil layer was the strongest after cutting for ten years. The
organic matter content as well as the total and available contents of nutrients increased at the first 2～5 years ,
and then declined rapidly ,especially for those in topsoils. The cation exchange capacity (CEC) ,exchangeable Ca
and exchangeable Mg had the same trend. Therefore , after forest cutting , artificial planting and regeneration
should be carried out in time to resume the vegetation to reduce and prevent soil nutrient loss.
Key words 　Cutting forestland , Soil nutrient contents , Broad2leaved Korean pine forest , Changbai Mountains.
3 国家自然科学基金项目 (70373044)和国家“十五”科技攻关资助项
目 (2002BA516A20 ,2001BA510B07) .3 3 通讯联系人.
2004 - 01 - 07 收稿 ,2004 - 04 - 02 接受.
1 　引 　　言
植物群落演替是植物与土壤相互影响和相互作
用的过程. 首先 ,土壤是植物生长重要的基质 ,不仅
为植物生长提供所必需的矿质营养元素、水分、空气
和微生物 ,而且也是生态系统中物质和能量交换的
重要场所 ,土壤状况直接影响植物的生长发育 ,影响
植物群落内植物种类的分布格局[16 ,28 ] ;同时植物在
整个生长发育过程中也能通过根系分泌物和枯落物
等改善土壤的水、热、气、肥等理化性质. 对于演替过
程中土壤养分动态变化国内外学者已经做了不少研
究[1 ,27 ,31～33 ] . 森林采伐是人类经营森林的主要手
段 ,合理采伐可以促进森林的恢复、演替和更新 ,保
持森林资源的持续. 但是 ,由于森林采伐 ,尤其是皆
伐后大量地面生物量的移除 ,改变了枯落物的分解
条件 ,从而影响有机质的循环过程 ,导致水热等各种
物质的再分配 ,并导致土壤养分的改变[6 ,17 ,19 ,20 ] .
Hasmot [12 ]发现热带雨林择伐后 ,土壤的 CEC 急剧
下降 ,其下降速度远高于温带森林土壤 ,成为热带林
业生产上的一个严重问题. Jennifer 等[14 ]研究却发
现择伐 3 年后林地表层土壤的 Ca + 、K+ 、Mg + 的浓
度均比采伐前有显著的提高. 土壤肥力变化是土壤
演变的重要内容之一 ,而土壤养分含量的多少又是
衡量土壤肥力水平的一个重要指标. 森林采伐以后 ,
土体结构及各种环境因子发生了改变 ,土壤内部养
分也必然发生一系列的变化[4 ,8 ,26 ] . 可见 ,研究采伐
后林地土壤养分的分布特征 ,对于了解森林生态系
统土壤肥力、营养元素循环以及森林群落更新演替
规律都有重要意义.
长白山林区地域辽阔 ,森林资源丰富 ,是我国重
要的木材生产基地. 由于多年来一直处于过量采伐
状态 ,林区生态环境受到严重威胁 ,一些地区水土流
失严重 ,森林土壤的形态特征及理化性质均发生了
相应变化。到目前为止 ,部分学者已经对不同采伐
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1771～1775
方式和采伐作业[11 ,30 ]及不同的林型[7 ,10 ,29 ] 、植被类
型[13 ]对林地土壤理化性质的影响做了大量的研究.
但对于森林土壤采伐前后的演变规律及土壤的动态
变化情况尚未做系统的研究。本研究是对长白山林
区原始林地及不同择伐期择伐迹地的土壤 ,采取相
同立地条件下对比取样进行了研究 ,旨在揭示森林
土壤采伐前后的养分演变规律 ,为今后更新造林提
供依据和指导性建议.
2 　研究地区与研究方法
211 　试验地概况
试验地设在位于长白山腹地的吉林省延边朝鲜族自治
州白河林业局 (42°01′～42°48′N , 127°53′～128°34′E) 所属
红石林场内. 该地区属于温带大陆性气候 ,春季干旱多风 ,夏
季炎热多雨 ,冬季干燥寒冷 ;年均气温为 - 713～419 ℃, ≥10
℃积温 1 759～2 406 ℃;年降雨量 600～900 mm ,主要集中
在 6～8 月 ,无霜期 109～141 d. 地带性植被为阔叶红松林 ,
属于长白山植物区系 ,主要树种有色木槭 ( Acer mono) 、水曲
柳 ( Fraxinus m andshurica) 、胡桃楸 ( J uglans m andshurica) 、
紫椴 ( Tilia am urensis ) 、春榆 ( Ul m us japonica) 、蒙古栎
( Quercus mongolica) 、冷杉 ( A bies holophylla) 、红松 ( Pinus
koraiensis) 等 , 地被物主要为山茄子 ( B rachybot rys paridi2
f ormis) 、小叶芹 ( Aegopodium alpest re)等.
212 　研究方法
运用空间序列代替时间序列的研究方法 ,选择海拔、坡
向、坡度相近的择伐期分别为 2、5、10、15 年的择伐迹地及原
始林地样地分别布设 0106 hm2 (20 m ×30 m)的样地 (表 1) .
表 1 　各样地概况
Table 1 Outlines of sample plots
样地
Plots
海拔
Elevation
(m)
坡度
Slope
(°)
坡向
Exposure
(°)
郁闭度
Cover
degree
A 815 20 SE15 0195
B 804 25 SE25 0150
C 836 15 SE20 0170
D 825 20 SE30 0185
E 820 10 SE30 0190
A :原始林 Virgin forest ;B :择伐 2 年 Selective cutting 2 years ;C :择伐
5 年 Selective cutting 5 years ;D :择伐 10 年 Selective cutting 10 years ;
E :择伐 15 年 Selective cutting 15 years. 下同 The same below.
在每个典型样地内 ,分别于林冠下、林冠边缘和林隙挖 3 个
土壤剖面 ,用铝盒和环刀分 0～10 cm 和 10～20 cm 两个层
次取样 ;最后将各样地 3 个土壤剖面相同层次的土壤样品分
别混合后装入土壤袋 (约 200 g) ,备室内分析. 将混合土风干
后采用常规法[25 ]测定各项土壤化学性质 ,每个土样设计 3
个重复 ,测定结果取平均值 ,同时计算标准误差.
3 　结果与分析
311 　土壤有机质的变化
由表 2 可以看出 ,各采伐林地内土壤有机质含
量相对原始林地而言 ,均有不同程度的提高 ,尤其是
采伐 2 年林地最为明显 ,其 0～10 cm 层土壤有机质
含量增加了 2115 倍 ,10～20 cm 层土壤有机质增加
了 4134 倍. 其次是采伐 5 年林地 ,其 0～10 cm 层土
壤有机质含量增加了 2103 倍 ,10～20 cm 层土壤有
机质增加了 2122 倍. 但随着伐后时间的推移 ,这种
增加趋势逐渐减弱. 到采伐 15 年后 ,林地土壤有机
质含量分别为 14131 和 4183 g·kg - 1 ,仅比原始林地
增加 0159 倍和 0173 倍. 主要由于森林采伐后的几
年内 ,采伐迹地的水、热条件都有利于凋落物层和遗
留下来的大量采伐剩余物的分解及有机质的矿化作
用 ,加上采伐后的枯枝落叶层的有机质向下淋洗 ,使
得采伐后初期有机质含量表现为显著增加[22 ] . 但是
由于这些增加的养分不能及时地被迹地植物吸收和
利用 ,在淋溶作用和地表冲刷下 ,土壤养分开始下降
甚至可以低于原来的水平.
表 2 　不同采伐林地土壤有机质含量
Table 2 Organic matter contents in the soil of different cutting forest2
lands
样地
Plots
土层深度
Layers
(cm)
有机质含量
Organic matter contents(g·kg - 1)
平均值
Mean
标准误差
Standard
error
变异系数
Variation
coefficient
A 0～10 81976 0157 0111
10～20 21797 0121 0113
B 0～10 281241 4154 0128
10～20 141944 2152 0129
C 0～10 271182 2147 0116
10～20 91014 1142 0127
D 0～10 151695 2174 0130
10～20 31772 0160 0128
E 0～10 14131 2154 0131
10～20 4183 0151 0118
312 　土壤 p H 值的变化
择伐后的林地土壤 p H 值随着伐后时间的推移
而出现一个先下降后上升的过程 (图 1) . 表层土壤
在伐后 5 年的酸性最强 ,p H 值仅为 5131 ,其次为伐
后 2、10、15 年 ,p H 值分别为 518、5186 和 5197 ,而
10～20cm 层土壤在伐后 10 年酸性最强为 5128 ,其
次为伐后 5、2、15 年 ,其 p H 值分别为 5139、5164 和
51781 原始林地表层土壤和 10～20 cm 层土壤的
p H 值均高于择伐迹地土壤的 p H 值. 其主要原因大
概由于伐后光照增强和水、热、气等条件的变化 ,粗
腐殖质加速分解 ,产生大量酸性物质 ,胶体上盐基离
子容易被氢离子代换而被淋溶掉 ,使得土壤 p H 值
降低[5 ,18 ,24 ] ;但随着大量杂草的侵入 ,灰分元素不
断增加 ,使迹地土壤的酸度降低 ,p H 值有所回升 ,直
至恢复到采伐前的状态.
2771 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 1 　不同采伐林地土壤的 p H 值
Fig. 1 p H in the soil of different cutting forestlands.
A :原始林 Virgin forest ,B :择伐 2 年 Selective cutting 2 years ;C :择伐
5 年 Selective cutting 5 years ;D :择伐 10 年 Selective cutting 10 years ;
E :择伐 15 年 Selective cutting 15 years. 1) 0～10 cm ;2) 10～20 cm. 下
同 The same below.
313 　土壤养分元素 N、P、K的变化
从测定结果来看 ,阔叶红松林经过择伐后 ,各种
养分元素含量都有所上升 ,随着林龄的增加 ,其上升
的趋势逐渐减小 ,与土壤中有机质含量的变化动态
一致. 全量养分中 ,全 N 含量的变化幅度最大 ,伐后
2 年和 5 年表层土壤全 N 含量分别增加 6149 和
6176 g·kg - 1 ,10～20cm 层土壤全 N 含量分别增加
5128 和 3185 g·kg - 1 ,随后开始缓慢下降 ,至伐后 15
年两个层次土壤全 N 含量仍然比原始林地高出 212
和 1125 g·kg - 1 (图 2a) ;另外 ,表层土壤的全 P 含量
在伐后 2、5、10、15 年时分别比原始林增加 1137、
1149、0103 和 0166 g·kg - 1 ,10～20 cm 层土壤的全
P 含量分别增加 1188、2154、1101 和 0172 g·kg - 1
(图 2b) .
图 2 　不同林地土壤全 N (a)和全 P(b)含量变化
Fig. 2 Contents of total N (a) and P ( b) in the soil of different cutting
forestlands.
　　速效养分中 ,碱解 N 在几个采伐样地表层土壤
中的含量分别比原始林增高 4215 %、4811 %、
1918 %和 1412 % ,在 10～20 cm 层土壤中开始 10
年增加的幅度相对较大 ,最高可达 22812 % ,10 年后
开始下降但也微高于原始林水平含量 (图 3a) . 几个
采伐林地表层土壤的速效 P 和速效 K 含量均表现
为初期 2～3 年显著增加 ,并随着伐后时间推移而表
现为大幅度降低甚至低于原始林地水平. 尤其是速
效 P ,在伐后 2 年表现为最高 ,可达 1017 g·kg - 1 ,而
在伐后 15 年仅有 1155 g·kg - 1 ,照比原始林地土壤
的 312 g·kg - 1还低 1165 g·kg - 1 . 下层土壤的速效
养分变化不是特别明显 (图 3b、c) .
图 3 　不同林地土壤碱解 N (a) 、速效 P(b)和速效 K(c)含量变化
Fig. 3 Contents of hydrolysable N (a) ,available P ( b) and K(c) in the
soil of different cutting forestlands.
314 　土壤阳离子交换性能的变化
不同采伐迹地土壤 CEC 及交换性 Ca 和 Mg ,可
用来反映森林采伐对土壤阳离子交换性能的影响.
由表 3 可见 ,各个采伐林地土壤的阳离子交换量都
比较高 ,说明土壤的保肥能力都比较好. 并且随着伐
后时间的推移也都表现出一个先升高后降低的过
程 ,与有机质含量的动态变化基本相同. 在择伐初期
377110 期 　　　　　　　　　　周 　莉等 :长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量动态研究 　　　　　　　　　　　
表 3 　不同采伐林地土壤的 CEC、交换性 Ca 和交换性 Mg
Table 3 The contents of CEC,ex. Ca ,ex. Mg in the soil of different cut2
ting forestlands
样地
Plots
土层深度
Layers
(cm)
阳离子交换量
CEC
(cmol·kg - 1)
交换性 Ca
Ex. Ca
(cmol·kg - 1)
交换性 Mg
Ex. Mg
(cmol·kg - 1)
A 0～10 321305 ±41564 23110 ±3182 2164 ±0127
10～20 151759 ±31097 9168 ±2130 1143 ±0122
B 0～10 661889 ±21163 34121 ±4107 4195 ±0181
10～20 501181 ±31372 15195 ±2111 4162 ±0178
C 0～10 691982 ±51566 47174 ±1113 5183 ±1105
10～20 451135 ±41186 29115 ±1175 3108 ±0130
D 0～10 441647 ±61040 32145 ±4161 3130 ±0166
10～20 201750 ±41825 5128 ±1165 1143 ±0135
E 0～10 451732 ±51750 19180 ±4163 3196 ±0128
10～20 291808 ±41669 10101 ±1189 3108 ±0137
的林地内 ,土壤 CEC 达到一个较高的值 ( 691982
cmol·kg - 1comol·kg - 1/ 501181 cmol·kg - 1) ,随后开
始下降. 从交换性 Ca、交换性 Mg 来看 ,也是在采伐
后 2～5 年 ,林地土壤交换性 Ca、Mg 明显高于原始
林地土壤 ,而随着林龄的增加 (由 5 年增至 10 年) ,
表层土层交换性 Ca 下降了 32 % ,交换性 Mg 下降
了 4314 % ,10～20cm 层土壤下降的速度更快. 也就
是说 ,在采伐后 2～5 年土壤的保存速效养分的能力
最大 ,可被植物利用的元素较多 ,这与以上对土壤养
分元素变化动态的分析是非常一致的.
4 　讨 　　论
森林土壤库中物质元素的积累量与群落自身的
发育特征有直接的关系. 森林采伐后初期 2～5 年由
于伐后林地光照充足 ,地表温度升高 ,凋落物及采伐
留下的枯枝迅速分解 ,土壤微生物数量增加 ,酶活性
增强 ,必然导致土壤养分循环速率的提高 ,向林地归
还了大量的养分 ,从而引起土壤养分水平的提高和
土壤酸性的增强. 林地土壤的阳离子交换量 (CEC)
及交换性 Ca ,Mg 也都表现出初期呈增加趋势随后
降低 ,与土壤养分的变化趋势相同 ,表明此时土壤的
保肥供肥能力最强 ,释放养分供给植物生长的能力
也最强[15 ] . 尤其是采伐 2 年林地最为明显 ,其 0～
10 cm 层土壤有机质含量增加 2115 倍 ,全 N 含量分
别增加 6149 g·kg - 1 ,10～20 cm 层土壤有机质增加
4134 倍 ,全 N 含量分别增加 5128 g·kg - 1 1 这时杨
桦类的阔叶树种能够充分利用伐后形成的肥沃生境
条件快速生长. 伴随着森林群落的郁闭 ,这种养分归
还的过程开始减慢 ,并且在淋溶作用和地表冲刷下
迹地表层土壤大量的养分开始损失 ,养分含量因此
而降低. 这段时期内红松幼苗正好利用阔叶树形成
的遮荫酸性环境和阔叶树不能充分利用的剩余资源
开始生长和侵入. 待红松需要较多光照的时候 ,阔叶
树冠层亦开始稀疏 ,早期的先锋性阔叶物种开始大
量消退 ,红松逐渐成为建群种. 因此说 ,群落的演替
过程就是林木对土壤养分条件的不断适应和不断改
造以及不同树种在不同土壤化学环境下相互竞争的
过程 ,土壤环境梯度的改变 ,导致竞争平衡的改变 ,
并形成新的生态整合 ,促进物种更替和群落结构的
变化及进展演替. 林冠层的多次疏开为营养元素的
积累创造了有利条件 ,也为适应物理环境的物种提
供了生存条件 ,由此维持了立地长期生产力而不衰
退.
土壤是森林生态系统中最基本的资源 ,是森林
生长的基础 ,同时又是生态系统中最难再生甚至不
可能再生的物理组分. 土壤养分状况能够直接影响
植物群落种间竞争和物种的丰富度[2 ,3 ,9 ,21 ,23 ] ,从而
为群落的演替奠定基础. 一旦人类的经营利用活动
使土壤发生灾害性的变化 ,森林生态系统则将发生
不可逆转的衰退. 森林采伐后 ,尽管土壤养分显著增
加 ,对于提高土壤肥力及促进苗木生长非常有利 ,但
这种增加趋势也只是在采伐后初期几年内有意义 ,
所以应该及时地人工造林进行植被恢复 ,将养分固
定并减少和防止土壤养分流失 ,否则土壤养分含量
会迅速下降 ,保肥能力也将大大降低.
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作者简介 　周 　莉 ,女 ,1977 年生 ,硕士 ,主要从事森林生态
和植物生态等方面研究 ,发表论文 7 篇.
577110 期 　　　　　　　　　　周 　莉等 :长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量动态研究