采伐强度而非方式主导酸性砂质森林土壤采伐后养分淋失

《Geoderma》：Harvest intensity, rather than harvest method or soil preparation, affects post-harvest nutrient leaching in acidic sandy forest soils

本研究针对欧洲森林木材和生物质需求增加导致的养分可持续性问题，在荷兰山毛榉、花旗松和欧洲赤松林中，通过对比不同采伐强度（高强度疏伐、伞伐、皆伐）、采伐方式（仅伐干、全树收获）和土壤准备（浅层覆盖、无覆盖）对采伐后养分淋失的影响。研究发现，皆伐和伞伐强烈增加了溶解养分浓度和淋失，尤其是NO3-，而疏伐、采伐方式和土壤准备影响甚微。结果表明，在贫瘠酸性土壤上，低强度采伐是实现可持续森林管理的关键。该研究为评估森林管理措施的生态后果提供了重要数据支撑。

　　

随着欧盟生物经济战略推动木材和生物质生产，欧洲森林的采伐压力日益增大。然而，长期以来的氮（N）和硫（S）沉降导致的土壤酸化，已造成森林养分库减少、基础阳离子淋失加剧，这引发了人们对高强度采伐实践可持续性的深切担忧。传统的森林养分预算方法因缺乏高质量数据，特别是在采伐后养分淋失动态方面存在显著不确定性，难以有效指导可持续森林管理。尤其是在酸性砂质土壤上，养分的流失风险更高，但关于不同森林管理措施（如采伐强度、采伐方式和土壤处理）如何影响多种养分（包括大量元素、微量元素和铝）淋失的系统性研究仍较为缺乏。

为了量化森林管理对采伐后养分淋失的影响，由Marleen A.E. Vos领导的研究团队在荷兰的15个实验点，针对山毛榉（Fagus sylvatica）、花旗松（Pseudotsuga menziesii）和欧洲赤松（Pinus sylvestris）林分，开展了一项控制严格的野外实验。研究设置了三种采伐强度（高强度疏伐，约20%胸高断面积移除；伞伐，约80%；皆伐，100%）、两种采伐方式（仅伐干、全树收获）以及土壤浅层覆盖处理，并以未采伐地块作为对照。研究人员通过安装宏根窗（macrorhizon）在矿物土壤60厘米深度处进行每月一次的土壤溶液采样，持续一整年，分析了包括氮（铵态氮N-NH₄⁺、硝态氮N-NO₃^-）、硫（S）、磷（P）、钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）、锰（Mn）、铜（Cu）、铁（Fe）、锌（Zn）和铝（Al）在内的多种养分浓度。为了计算养分的年淋失通量，研究结合了实测的月浓度数据与一个基于过程的、模拟月尺度水通量的机理模型（个体森林模型），该模型模拟了每日的降雨截留、蒸腾、蒸发和排水过程。

本研究的关键技术方法包括：在15个实验点设置不同处理的野外控制实验；使用宏根窗进行每月土壤溶液采样和养分浓度分析；结合野外实测数据与机理模型模拟水通量以计算养分淋失；运用广义线性混合效应模型（GLMM）和偏冗余分析（p-RDA）进行统计学分析，评估树种、采伐强度、采伐方式和土壤处理对养分浓度和淋失的影响。

3.1 不同树种的水分平衡

模拟的年排水量因树种和采伐强度而异。在相对干旱的监测年份（年降雨量730±17毫米），对照林的排水量在山毛榉中最高，花旗松中最低。随着林分开阔度增加（从对照到皆伐），年排水量显著增加，这主要是由于林冠截留、蒸腾减少以及土壤蒸发增加所致。山毛榉的林冠截留和蒸腾均低于两种针叶树，但其蒸发量显著更高，导致其排水量普遍高于针叶树。

3.2 溶解养分浓度的变化模式

偏冗余分析表明，养分浓度的变化主要受采伐强度（解释13%的变异）和树种（解释5%的变异）驱动，而采伐方式和土壤准备（覆盖）的影响微乎其微（≤0.5%）。从对照到皆伐，大多数溶解养分浓度呈现上升趋势，尤其是NO₃^-，表明采伐后氮库的快速动员。

3.3 树种、采伐方式和土壤准备对溶解养分浓度的影响

树种显著影响除NH₄⁺、总氮和Al外所有养分的浓度，对S、Mn和Mg的影响尤为显著。采伐强度显著影响了除P和Cu外的所有养分浓度。采伐方式（仅伐干 vs. 全树收获）仅对NO₃^-、K和Fe的浓度有微弱影响。土壤浅层覆盖处理对溶解养分浓度几乎没有影响。

3.4 树种和管理措施对年养分淋失的影响

在未采伐的对照林中，花旗松的多数大量养分和Na的淋失通量最高。采伐强度对养分淋失有极显著影响。从对照到皆伐，养分淋失急剧增加，其中NO₃^-的增幅最大（在不同树种中增加5.1至16倍），K、Ca、Mg和Al的淋失也显著增加。高强度疏伐（~20%生物量移除）对养分淋失的影响很小，与对照无显著差异，而伞伐和皆伐则导致淋失大幅上升。

3.5 采伐方式对年养分淋失的影响

采伐方式对年养分淋失的影响总体较小且不一致。仅在某些树种和特定养分上观察到微弱效应，例如，在花旗松和欧洲赤松中，仅伐干处理下Ca和K的淋失有轻微增加的趋势。这些影响与采伐强度和树种的影响相比微不足道。

研究表明，在酸化的贫瘠砂质森林土壤上，采伐强度是调控采伐后养分淋失的最关键因素。皆伐和伞伐等高强度采伐通过移除植被（减少养分和水分吸收）以及动员土壤中积累的氮库（特别是历史高氮沉降背景下），显著加剧了养分淋失，尤其是NO₃^-的淋失，并伴随Al、Fe、Mn等酸性阳离子的加速流失，加剧了土壤酸化过程。相比之下，低强度的疏伐对养分淋失影响甚微。采伐方式（全树收获 vs. 仅伐干）和采伐后的浅层土壤覆盖处理，在采伐后第二年对养分淋失的影响非常有限。

该研究的深刻意义在于，它明确指出了在面临持续氮沉降和土壤酸化压力的贫瘠森林生态系统中，采用低强度、连续覆盖的森林经营方式（如高强度疏伐）对于维持土壤养分平衡和实现长期可持续木材生产至关重要。而传统的皆伐或伞伐等最终采伐方式则会带来显著的养分流失和土壤酸化加剧风险。这些发现为在欧洲类似环境条件下的森林管理政策制定提供了关键的科学依据，强调了在追求生物经济发展目标时，必须充分考虑森林生态系统的养分承载能力。研究也提示，需要结合整个轮伐期的长期观测，来更全面地评估不同管理策略的可持续性。该论文发表在土壤科学领域权威期刊《Geoderma》上。