【研究综述】采伐对森林土壤功能的影响

摘要：采伐作为主要的森林经营措施之一，直接或间接地影响了森林土壤功能演变规律。合理采伐能改善森林土壤功能，进而促进森林的恢复、更新和演替，维持森林资源的可持续性。文中在介绍土壤功能概念及分类的基础上，综述了森林土壤功能（水分和养分循环、碳存储、缓冲与过滤、植物生产和动植物栖息地功能）对采伐方式和强度的响应，并探讨了研究中亟待解决的问题，以期为维护和提高土壤功能，更好地经营森林提供参考。

作者：秦倩倩 王海燕 李 翔

森林土壤是森林生态系统重要的资源，是植物生存的基础，土壤状况直接影响植物的生长发育。土壤功能指土壤在自然或管理生态系统中发挥作用的能力，以维持植物和动物生产力，维持或提高水和空气质量，并支持人类健康和居住。因此，森林生态系统稳定和林业可持续发展的前提是维护和提高土壤功能。采伐是经营森林的主要措施，但采伐不可避免地影响土壤功能。常用的采伐方式有皆伐、间伐和择伐3类，如何选择采伐方式及强度以尽可能减少对土壤功能的破坏，是森林采伐中务必考虑的问题。本文综述采伐对森林土壤功能的影响，并对未来我国森林经营及土壤功能等研究的重点进行讨论，旨在为相关研究提供借鉴与参考。

1 土壤功能概念及分类

土壤功能是土壤固有的属性，由土壤本身的物质循环、能量流动、生物演替和信息传递等特征决定。Blum在《Soil Function》中将土壤功能定义为土壤作为自然资源，在环境、社会和经济等方面执行的6种功能。有关土壤功能分类的探讨可追溯到1992年的土壤质量会议，最早明确提出土壤功能分类体系的是Blum和Santelises。国外学者注重土壤功能分类本身的研究，并已设立相关法律法规；而国内学者只是依据研究的侧重点对土壤功能进行划分。目前，土壤功能分类仍没有统一的标准，结合国内外研究成果，本文将森林土壤功能分为水分和养分循环功能、碳存储功能、缓冲与过滤功能、植物生产功能和动植物栖息地功能。

2 采伐对森林土壤功能的影响

2.1 水分循环功能

在森林生态系统中，土壤水分是影响林木生长速率的重要因子，其含量不仅受雨水、地形的影响，同时还与植被和土壤特性等有关。森林采伐使环境条件发生剧烈改变，进而影响土壤水分循环。

采伐对土壤水分的空间异质性影响较大。众多研究结果均表明，未采伐样地表层土壤含水量具有较强的异质性，且空间变异特征较复杂；而采伐样地在较小尺度上表现出空间自相关变异，异质性程度降低。谷加存等研究发现，未采伐样地土壤表层含水量的样本方差和变异系数均比采伐样地高。通常认为，森林采伐后林冠丧失，枯枝落叶层减少，土壤结构变差，孔隙度减少，使土壤含水量减少，持水性降低。Nakane等以日本红松林为研究对象，得出皆伐后土壤含水量下降的结论。而杨鲁等研究发现，采伐干扰使巨桉人工林土壤含水量较未采伐林地上升，这可能是由于林木采伐后雨水直接进入土壤而造成的。择伐因保留部分林木，所以土壤水分的变化程度比皆伐小，但皆伐后木本植物和草本植被快速再生，可造成更大的林冠截留降水以及蒸腾干燥。郑丽凤等认为，随着采伐强度的增大，土壤持水能力下降加剧，伐后10年仍未得到恢复。但也有研究表明，高强度择伐使土壤直接暴露面增大，使原有凋落物和采伐剩余物加速分解，且样地杂草茂密，土壤随着时间的推移变得疏松，土壤孔隙发达，提高了土壤蓄水能力。

2.2 养分循环功能

森林采伐改变了土壤结构及各种环境因子，土壤养分也必然发生变化。Hedwall等研究发现，除铵以外其它元素的浓度在皆伐后1.5~2.5年达到峰值，而铵的浓度峰值出现较早；Olsson等研究得出，皆伐导致凋落物层C、N含量和C/N比降低，而矿质土壤中其含量和C/N比增加；随后Hassett等也研究发现，由于伐后微生物量减少，土壤氮转换速率降低，皆伐降低了土壤氮循环。采伐活动显然影响了土壤养分元素的平衡。

伐后林地光照充足，地表温度升高，凋落物快速分解，土壤微生物数量增加，酶活性增强，必然提高了伐后初期土壤养分循环速率，从而引起土壤养分的增加，而随后的迅速减少与采伐强度过大、水土流失严重和伐后靠天然更新等有关。因此，伐后初期土壤的保肥及释放养分能力最强。择伐对土壤养分的影响较小，而皆伐对土壤养分影响显著。许忠学等研究发现，择伐后的土壤中全氮、碱解氮、有效磷含量均较皆伐高，但速效钾含量与之相反。而Anna等研究得出，与择伐相比，皆伐在头22年对欧洲赤松的生长无显著影响，松针中的大部分元素浓度与采伐强度无关。也有研究表明，伐后3年，高强度采伐提高了林下植被多样性，对土壤养分的影响不显著。

2.3 碳存储功能

森林是碳循环的重要组分，在维持碳平衡和改善温室效应中发挥着关键作用。土壤存储的碳，包括有机碳和无机碳。土壤有机碳储量受凋落物数量和分解速率的影响，变化较大；而土壤无机碳储量与成土母质有关，变化较小。采伐改变了林内光照、地上植被组成和土壤温度等，进而影响着森林碳循环。

采伐对生态系统的影响因强度不同而异，其中土壤碳库受皆伐干扰最大，而轻度择伐（≤30%）不仅有利于恢复生态系统和木材生产，还能维持或提高土壤碳储量。采伐的方式与强度均可影响有机质的分解，进而影响土壤碳的固定和存储。由于林分类型和采伐强度的多样化，众多学者对森林土壤碳储量进行了大量研究。Nakane研究日本红松林伐后1年土壤碳循环发现，矿质土壤碳积累量因采伐产生的死根所提供的腐殖质增加而略有增加。Grand等认为根基腐烂、采伐残留物的逐步分解等导致采伐对土壤的影响呈现出土壤碳存储量增加和土壤有机碳减少2种趋势。Johnson等基于meta分析得出，森林采伐对碳存储影响较小；Hoover得出采伐前后美国北温带森林碳库没有显著差异的结论；Nilsen等发现，伐后33年土壤碳储量变化依旧不明显。

2.4缓冲过滤功能

在林业利用区域，土壤的缓冲过滤功能尤为重要。土壤有机质和pH值是土壤缓冲过滤功能评价的重要指标。有机质能提高土壤缓冲能力，还有利于消除土壤污染；而pH值决定粘土矿物和有机质吸附重金属的能力。采伐必然导致有机质含量和pH值的变化进而影响土壤的缓冲过滤能力。因此，这里主要从有机质和pH值的角度综述采伐对土壤缓冲过滤功能的影响。

采伐对土壤有机质的影响表现在伐后初期（2～5年）土壤有机质含量增加，之后迅速减少，甚至低于采伐前的水平，表层土壤变化更为明显。皆伐和择伐迹地在初期有机质的增幅可达40.7%和20.3%，随后皆伐林地的有机质含量比择伐林地降低得快些，甚至低于择伐及保留带林地。Yanai等研究发现，由于伐后凋落物加速分解，森林地被有机物质在20年内下降了50%。采伐降低了森林覆盖率，改变了土壤的水热条件和矿化作用，从而影响土壤的酸碱性。间伐使林地土壤pH值空间自相关变异减少，但随机性变异增强。土壤pH值随着采伐强度的增加有所升高，且随着时间的推移，同一林地的pH值也有所升高。但也有学者得出采伐半年后林地酸性增强，pH值下降的相反结论。他们认为这是由于采伐后硝化作用加强，酸性有机物质易被淋洗造成的。

2.5 动植物栖息地功能

据统计，我国许多珍稀物种因乱砍滥伐已消失殆尽，仅东北地区的红松林面积在10年内就下降了85.6%，森林病虫害也因此猖獗。森林采伐影响了土壤的动植物栖息地功能，使生物多样性发生了改变。

皆伐对生物多样性的影响较择伐大。低强度择伐可在一定程度上丰富林分内的植物种类，提高和维持森林生态系统的结构和组成；但当超过一定采伐强度时，会降低森林生物多样性。国内有学者研究了人为干扰对森林系统生物多样性的影响，认为林下植被多样性随着采伐强度的增大而增大，这与Lei等的采伐没有显著改变林分树种组成的研究结果不同。龙涛研究得出采伐干扰会导致林地土壤细菌、真菌等数量显著下降，且极显著地降低土壤微生物的多样性，这与Baath等对挪威云杉纯林伐后土壤微生物动态研究得到的结果相似。但也有研究发现，采伐干扰使土壤微生物数量增加，采伐样地的微生物总数、放线菌等均增多。此外，不同林型适宜的采伐强度不同，例如，最适合维护马尾松林生物多样性的采伐强度为50%～70%，而抚育采伐强度为20.9%~25.5%时能提高大兴安岭林区的生物多样性。许多学者认为，采伐对草本层干扰较大，但高采伐强度有利于维持灌木层的生物多样性。

2.6 植物生产功能

土壤的植物生产功能决定林木生长情况，而采伐后生态系统中大量生物量被移出林地，缺少林木及地被植物的吸收，淋溶损失加大，导致大量具有生产能力的土壤流失，从而直接影响森林生态系统的生产力和可持续性。这里从植物生长的角度分析采伐强度对土壤生产功能的影响。

采伐不仅对伐后保留木产生影响，还显著影响伐后林分的生长速度。众多研究表明，林层的断面积、蓄积生长率、胸径、树高和林下植被多样性、盖度均随采伐强度的增加而增加。但也有部分学者进一步研究发现，高强度采伐导致林层断面积和蓄积生长率呈下降趋势。也有学者认为采伐对植物生产功能影响较小，如董希斌等得出林分树高生长受采伐强度影响不大的结论；张会儒通过研究间伐对落叶松云冷杉林的影响得出，间伐没有显著影响总收获量和改变林分的树种组成；Lei等和宋启亮等也研究得出类似的结论。高强度采伐虽然对单株林木的生长有促进作用，但降低了林分单位面积产量；而采伐强度过弱则无法改善林分环境条件，不利于林木生长。因此，中度采伐强度（30%）最适合林木生长，既可提高森林生产力，改善林内生态小循环，更有利于伐后林木的恢复生长。

3 讨论与展望

目前，土壤功能的基础研究还比较薄弱，因此需进一步规范土壤功能的概念，完善土壤功能分类体系，以推动有关土壤功能研究的快速发展。此外，虽然择伐能充分发挥林木的生长潜力，更好地利用土壤资源，有利于土壤养分循环，但纵观国内近几十年来的森林采伐史，择伐方式变动较频繁，对择伐理论缺乏正确的理解和运用，因此择伐作业效果一直不好。如何进行合理择伐才能最大限度地发挥土壤功能，实现森林林分经济效益和生态效益，仍是国内外研究争论和探讨的热点，未来研究中需要注重以下问题：

1）国内有关土壤功能的研究除加强对热点养分元素的研究外，还应从微量元素、重金属等角度研究采伐强度对土壤功能的影响，且应对采伐影响下土壤不同形态的营养元素做详细系统的分析。

2）应从土壤和植被2个角度同步探讨采伐强度对森林土壤功能影响的研究，还应对土壤温湿度和凋落物量等影响土壤功能的关键因子进行定量研究。

3）森林土壤功能对采伐响应的研究多集中于环境因素，而对生物因子的关注较少，其具体作用机制以及过程并不清楚，需将土壤功能研究与生态学、环境科学、生命科学等结合，建立评价土壤功能系统的指标和方法，进而展开深层的研究。

森林采伐一定程度上破坏了土壤功能，但不同研究方向及不同林型适宜的采伐强度均不同。因此，建议在森林采伐时，在相同林型研究成果的基础上，明确研究目的，合理控制采伐强度，减少高强度择伐，积极推广低强度择伐，避免皆伐，将采伐对土壤功能的破坏降到最低，迫不得已时用强度或极强度择伐取代皆伐。总之，鉴于不同研究区域和不同林分类型土壤受采伐强度影响的复杂性，我国在不同采伐强度下土壤功能演变规律方面的研究还有较大的发展空间，需进一步加强采伐影响下土壤功能的实验研究，系统探究森林土壤功能的变化机理，以维护和提高森林土壤功能，更好地经营森林。

作者简介：秦倩倩（1995-），女，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向：土壤学、植物营养生态学，E-mail: qinqianqian19@163.com。

通信作者：王海燕（1972-），女，湖北浠水人，博士，副教授，研究方向：土壤学、植物营养学，E-mail: haiyanwang72@aliyun.com。