qxx-16(823-备)杉木人工林土壤养分变化规律

1杉木人工林土壤养分变化规律胡亚利1,孙向阳1,张建国2,段爱国2(11北京林业大学水土保持学院,北京100083;21中国林业科学院林业研究所国家林业局林木培育重点实验室,北京100091)土壤是林木生长发育的基质[1]。然而,由于对土壤投入较少,传统的营林措施只是为杉木林凭借原有土壤肥力获得一定产量提供保证作用,使杉木林生产力受到立地条件或土壤因子的极大限制[2]。据统计,50年代至今,全国杉木林面积从300余万公顷发展到1100余公顷翻了215倍,蓄积量从213亿m3增加到315亿m3,只增加了015倍,平均单位面积产量从63m3/hm2减少到22m3/hm2,下降了2/3。而连栽林地的生长量普遍下降了21%~49%,林地肥力下降了1~2个地位指数[3,4]。显然,通过揭示土壤养分动态变化规律,提高土壤生产力,是提高杉木林经营水平的一个重要途径[2]。本文从不同立地条件、不同发育阶段、不同密度管理和不同轮伐期4个方面具体阐述了杉木人工林土壤养分动态变化规律。1不同立地条件下土壤养分变化规律立地是指林木生长所在地域的自然环境[5]。杉木人工林速生丰产的立地条件,要求在14地位指数以上,最好在16、18地位指数以上[6]。已有较多研究表明:指数级越高,土壤肥力就越高,土壤中速效养分含量也随之增加[7],因此可供杉木吸收利用的养分也就会相应增多。国外的研究表明,碳分配对于决定树干生产是重要的,湿度和养分有效性是决定森林碳分配类型的主要指标,有证据表明单独的养分比单独的水分起更大的作用。每年被植物吸收的土壤有效养分数量是决定叶面积发展及林分早期初级净生产的主要因素,并在另一些发育阶段仍然是重要的。而有效养分的数量首先决定于总的地理化学循环中的养分资源,其次决定于在这个循环中养分的移动速率。因此土壤中全量养分及速效养分对于林木生产力都是至关重要的。特别是在我国南方,在水分并不是主要制约因素的条件下,养分是决定林木生产力最关键的因素。在南方地区黄红壤普遍缺P,速效P的多少对于林木生长是限制因素。在福建南平,对14、16、18立地指数的杉木林地土壤养分分析表明:速效P含量在这3个指数间差别十分明显,如以18立地指数的速效P含量作为100,则16立地指数为81,14立地指数为69[8]。杉木是比较喜肥的树种,要求土壤深厚肥沃,养分含量高,特别是速效N、P养分对杉木生长影响很大[8]。1994年曾亮忠等指出:杉木立地指数与全氮、速效磷、土壤腐殖质层厚度和土层厚度之间呈极显著或显著的正相关,表明杉木生长与土壤因子存在密切关系。根据检验结果,它们影响杉木的重要程度顺序是:全氮速效磷土层厚度腐殖质层厚度容重[9]。另外,对于相似立地不同代数的杉木人工林,随栽植代数增加,土壤肥力在持续降低,即2代、3代人工林总体养分状况不如1代人工林,即杉木连栽会引导起地力衰退;因此,不同代杉木人工林生产力是逐渐下降的,同时也存在林地土壤养分的改变,其中最重要的是速效养分的改变,特别是N和P。因此,可以认为:速效N、P的改变,是造成连栽杉木林生产力逐代下降的主要因素[10]。虽然有些学者认为,人工林的连栽不会引起地力衰退。Holstener-Jorgense指出,至少在丹麦的云杉林连续栽培后,没有地力下降的明显证据。Lundgren也认为,在稍肥的立地上,2~3个轮伐期后土壤仍不会出现明显退化;但在贫瘠的土壤上,如果降雨量大,则在第二个轮伐期退化十分明显。另外,在湿润和半湿润热带地区的红壤和其他肥力差的土壤上,如果没有特殊的土壤管理措施,把天然林改变成速生的、短周期的人工林,将不可避免地造成土壤2退化[11]。综上所述,不同立地杉木人工林土壤肥力不同,立地条件越好,土壤养分含量越高,提供给杉木吸收利用的养分也相应增多;土壤速效养分含量变化是影响杉木林生产力和地力变化的重要因素。但对于不同立地杉木连栽引起地力下降的原因还需进一步揭示。2不同发育阶段土壤养分变化规律杉木人工林不同发育阶段土壤养分分析表明,杉木人工林幼龄林阶段,有机养分及有效养分含量是较高的,中龄林时最低,成熟林时又有所回升[12,13]。方乐金等研究了1~4a生杉木幼龄林林地土壤肥力变化趋势:杉木幼龄期未形成明显的土壤退化现象,据此可推定杉木林地土壤肥力退化的进程主要发生在中龄期及成熟期[14]。吴蔚东等选择不同林龄(1~28a)的杉木人工林研究表明,造林到5~8a的幼龄期,包括凋落物、土层厚度、有机质、全N、CEC(阳离子交换量)、BS(盐基饱和度)、pH和速效N、P、K在内的林地主要土壤质量性状大幅度退化,随着树龄的增大,土壤质量性状开始缓慢恢复,但其恢复程序仍远低于初始水平[15]。冯宗炜等研究表明:杉木林地土壤肥力随着杉木林龄增加而降低,造林后19a,在0~60cm的土层中N、P、K含量分别为造林前的4316%、2413%、4312%[16]。孙启武、杨承栋、焦如珍对不同发育阶段、不同立地指数1、2代杉木人工林23项土壤因子测定,分析结果表明:1代杉木人工林不同发育阶段土壤肥力的变化趋势为:幼龄林至中龄林阶段,林地综合地力呈下降趋势;从中龄林至成熟林阶段,林地综合地力略有回升,说明杉木人工林土壤肥力下降的事实[17]。盛炜彤、杨承栋、范少辉系统研究和分析了不同发育阶段、不同代杉木林的土壤物理、化学和生物特性的变化过程,反映出:从幼龄到中龄林阶段土壤肥力呈下降趋势,到成熟林阶段土壤肥力虽稍有上升,但不能恢复到原来的状态;并揭示了杉木人工林随栽植代数增加(2~3代),土壤物理性质变劣,pH值下降,养分含量降低,其中速效P和水解N的下降尤为明显[18]。焦如珍,杨承栋通过研究杉木人工林不同发育阶段林下植被、土壤生物、酶活性及养分的变化指出:土壤养分状况(主要是有机质含量)从杉木幼龄林到中龄林,随着林冠的郁闭,林下植被盖度急剧下降,呈明显的下降趋势;从中龄林到成熟林,随着林木密度及郁闭度下降,林下植被盖度逐步得到恢复,呈明显的上升趋势。研究还指出:由于过氧化氢酶和多酚化酶活性的降低,有可能导致中龄林土壤中多酚类有毒物质的积累,这或许是杉木连栽产量下降或成活率低的原因之一。综上所述,随着杉木林发育阶段及栽植代数不同,土壤肥力下降是一致的,至于引起肥力下降的原因尚无定,还需通过长期定位研究得出合理的结论。3不同密度管理土壤养分变化规律俞新妥、林开敏等在福建林学院莘口教学林场,通过对29a生杉木不同造林密度(1875、2805、3705、6000株#hm2)调查,分析不同造林密度土壤养分变化表明:在0~20cm和20~40cm土层,土壤有机质、全N、全P、水解N、和速效P含量基本上呈现出随密度增大而下降的趋势,速效K含量则未表现出一定的规律性,从维护地力的角度看,控制林分密度至关重要,否则会造成木材材积低,养分浪费大的后果[19]。已有研究表明,通过间伐适当降低林分密度,恢复林下植被是提高杉木林地力的重要途径[20-22]。盛炜彤在江西分宜中国林业科学院亚热带林业实验中心,对9a生的杉木人工林了不同保留密度管理研究,结果表明:林分密度低而林下植被发育好的林分,枯落物分解速度快,有利于土壤养分的有效补充;林分密度大,生长量大的林分,速效N、P下降幅度也大[23]。3田大伦等进一步具体揭示了间伐后杉木林土壤养分变化状况:林木间伐后,林分空间结构发生了变化,同样也影响土壤养分含量的变化,间伐区土壤中大量元素的含量由对照区的30108g/kg降为27.05g/kg,下降了9138%;微量元素含量的变化不大,大量元素中除Mg外,其他元素均有所下降,其中下降幅度最大的Ca,下降了44144%;其次为P,下降了17165%;N下降幅度为11193%,下降幅度最小的为K,下降了710%;从土层来看,间伐区各土层大量元素均有减少,在0~45cm各土层中,大量元素的减幅相差不大,但在45cm以上土层中减幅较大,减幅达13102%[24]。因此,杉木林可通过间伐,降低林冠郁闭度(016~017)而促进林下植被发育[25]。密度管理是育林上的一个重要技术。为研究杉木林在怎样的密度管理下,不但经济上有效,而且能维护地力,近年来,许多学者对杉木造林密度效应规律及合理的杉木密度管理了进行了研究,也有学者对不同造林密度土壤肥力差异进行了初步探索,因此,还需通过长期定位观测来进一步加强研究。4不同轮伐期土壤养分变化规律轮伐期不同对杉木林土壤养分保持影响也很大。崔国发等研究表明:轮伐期越短,林分消耗的营养元素越多,每采伐单位面积木材带走的营养元素量就越高,并且林木径级越小,其营养元素含量就越高。桉树和杨树的轮伐期只有7~10a,国外松(湿地松、火炬松、加勒比松)和杉木的轮伐期也只有15~20a。国外发展的阶段短轮伐期工业人工林,其轮伐期只有1~5a,并且栽植密度非常大,每公顷达到6万株。中短和超短轮伐期人工林无疑会造成土壤养分的减少[26]。俞新妥也指出:生物量研究表明,杉木不同年龄阶段的生物量积累和分配规律有明显差异,如随着年龄增加,杉木的枝、叶、根、边材及林冠的生物量所占的比例逐年下降,而干、皮和心材所占比例则逐年增加。不同发育阶段杉木各器官所含元素的浓度也存在差异,杉木叶片的各种元素浓度多随年龄增加而增加,枝、心材、边材、皮及根的浓度则呈下降趋势。随着林分年龄增长(轮伐期延长),杉木的边材及林冠所占生物量的比例减少,心材及树干所占的比例增加,由于边材及树冠所含养分分别高于心材和树干,因此轮伐期越早(轮伐期越短),每采伐单位干物质所带走的养分越多,养分的利用率越低。如轮伐期由30a缩短为20a时,每单位物质消耗的养分则增加18%;此外,杉木林早期林下植被稀少,到中龄间伐以后植被得到发展,据统计,林分轮伐期从20a延长到30a,仅林下植被所积累的养分可增加109kg/hm2。同时短轮伐期还导致采伐、炼山及整地等对林地干扰的频率的增加,不利于地力的保护。因此,杉木轮伐应综合考虑数量、工艺、经济和生态效果。适当延长伐期有利于提高养分利用率、降低地力消耗,减轻人工林对林地的压力,也可以把这种考虑综合因素的轮伐期称为/生态轮伐期0〔27〕。国外对林下植被影响地力的专门报道文献很少,但如何通过适当的轮伐期使杉木林地土壤养分得到有效的补充,还有待通过长期定位观测进一步揭示。5展望90年代以来,从维护森林可持续生产力的要求出发,如何正确处理提高人工林生产力与维持人工林生态系统稳定性,如何保持森林的健康和长期生产力、维护长期立地生产力的问题,已成为世界林学界关注的焦点28~32。杉木是我国南方主要的速生丰产造林树种,在我国人工林中其面积和蓄积量均居首位,可缓解我国木材供需矛盾。但是,杉木人工林的栽培也面临着许多重大问题。如近十几年来,人们发现杉木栽培过程中地力出现明显衰退,特别是多代连作林分,地力衰退更为明显,已严重影响到林分生产力的提高。目前,关于杉木人工林地力衰退的研究很多,引起地力衰退的原因众说纷纭,如不合理的造林措施、群落结构单一、轮伐4期短、养分亏缺等。综观这些研究成果,许多研究缺乏长期定位观测,有的则采用以空间代时间的研究方法,可比性小,因此,得出的结论说服力差,研究结果科学价值不高〔33〕。总的看来,杉木的研究领域还存在许多重要的问题尚未解决,建议今后一个时期的研究工作着重从以上几个方面具体展开。参考文献[1]田大伦,等.杉木林生态系统功能过程〔M〕.北京:科学出版社,2005:143-154.[2]曾亮忠,陈丽娟,等1限制人工杉木林生长的土壤因子〔J〕.福建林学院学报,1994,14(1):11.[3]俞新妥1论杉木人工林的回归:)))从杉木林地力衰退的因果谈杉木林的可持续经营〔J〕.世界林业研究,1999,12(5):15.[4]何光训1连栽杉木林土壤肥力退化的症结〔J〕.浙江林学院学报,2002,19(1):100-103.[5]楼一平,盛炜彤1人工林长期立地生产力研究概述〔J〕.世界林业研究,1998,No15:21[6]盛炜彤,范少辉,等1杉木人工林长期生产力保持机制研究:不同立地条件土壤养分特性〔M〕.