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人工林地力衰退研究现状与进展

江西林业科技2000年第6期

?综述?

人工林地力衰退研究现状与进展

张露1,高璜2

(1.江西农业大学林学院,南昌 330045;2.江西省林业科学院,南昌 330032)

摘 要:介绍了国内外人工林地力衰退的历史背景和现状,从人工林群落结构、土壤微生物种群区系、土壤理化性质和生化特性,栽培措施等方面分析了导致人工林地力衰退的原因,提出了调整林分结构,保护林下植被、混交,林地施肥和土壤改良、科学营林等措施防止地力衰退;概述了人工林地力衰退的研究进展和今后研究方向。关键词:人工林;地力衰退;防止对策

分类号:S714.8.1 文献标识码:A 文章编号:100622505(2000)0620028206

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目前,由于土地的不合理利用,特别是森林植被破坏,土壤养分流失和淋洗严重,造成地力衰退日益突出。在林业上,一般来说原始林不仅很少出现地力衰退现象,而且土壤肥力常常是增加的,即森林具有较强的自肥能力。但在集约经营的工业人工林中,由于林木生长养分的吸收与森林采伐引起的水土流失等原因影响,人工林地力衰退问题受到林业界的深切关注,如何防止人工林地力衰退,维持人工林长期生产力问题,已成为当今世界林业科学研究的热点之一,拟就掌握的资料作一概述。1 人工林地力衰退的历史背景和现状1.1 人工林地力衰退概念

关于地力衰退的概念,国内外学者使用

了一些不同术语,如“第二代效应”

(second rotation effect ),“生产力下降”

(productivity decline ),“立地退化”(site deterioration ),

“地力衰退”(site decline ),“土壤退化”(soil

degradation ),“立地生产力衰退”

(site produc 2tivity decline ),“森林土壤肥力衰退”

(forest soil fertility decline ),“长期立地生产力”

(long -term site productivity )等,在这些术语中,

意义上互有包容,但各有侧重[1]。马祥庆认

为地力衰退主要是林地生产力下降,它与林地肥力下降密切相关,至少包含林地生产力下降和肥力下降,仅是土壤退化的一种形式[2]。崔国发认为人工林地力衰退实质上就是在人工培育过程中,人类生产活动影响或改变了成土过程的方向和土壤熟化过程,从而破坏了土壤的生态性质,导致林木对土壤生态的需求与发生变化的土壤生态性质之间产生差异,其表现就是人工林下的土壤肥

力下降,林分生产力降低。[3]

。1.2 人工林地力衰退的历史背景和现状从历史上看,人工林“第二代效应”问题,自本世纪初以来就曾在研究中被不断提及过,在19世纪后叶和20世纪初,德国和瑞士就已经观测到第二代挪威云杉生产力下降现象,继而在挪威、印度、印度尼西亚、法国、澳大利亚、南非和前苏联都出现了人工林地力衰退报道,涉及树种有挪威云杉、海岸松、辐射松、日本落叶松、柚木、欧洲赤松和桉树等。中国造林成绩斐然,人工林面积占世界人工

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82?收稿日期:1999-02-02

作者简介:张露(1964-),女,江西萍乡人,江西农业大学林学院副教授,现为南京林业大学森林培育专业在读博士.

林的1/4,而杉木人工林面积占全国人工林总面积的1/4[4]。早在本世纪60年代林学家就开始注意到杉木人工林的地力衰退现象,继而进行了大规模的有组织的研究。杉木连栽引起地力衰退,俞新妥在调查杉木林及其古杉木时,发现福建杉木中心产区有逐渐退缩转移的趋势。随后方奇根据湖南65个林分资料统计得出,林分生长量随连栽代数增加而下降,15年生二三耕土树高比头耕土下降7%和23%,三耕土比头耕土下降两个地位级[5],据福建建瓯报导,杉木二代林蓄积量比头栽林下降40%。张其水、俞新妥报道成年杉木林地上部分生物量二三代分别为一代的83%和55%,蓄积量减少为28%和69%。广西、湖南、江西、福建等地都发现杉木连栽生长量下降的现象。在90年代出版了《人工林地力衰退研究》专辑,证实了杉木人工林地力衰退十分明显。尔后在落叶松、桉树上也发现生长量下降状况,较具代表性的是陈乃金、尹建道首次对长白落叶松人工林重茬更新效果进行的研究,二代林下降趋势明显,且随立地条件的变差而下降速率越高。在好、中、差三种立地类型上,林分平均高生长下降速率依次为12.7%、23.3%和29.0%[6]。但目前对人工林集约经营是否引起地力衰退仍持有不同看法。60年代的Holstener-Jorgenson指出,至少丹麦的云杉人工林连续栽培没有地力下降的明显证据。英国著名热带造林学专家也指出在澳大利亚辐射松人工林经营中第二代人工林超过第一代人工林产量。张浩军等在湖南桃源县枫树乡丘陵区二代杉木幼林调查发现与第一代杉木林相比,均无逊色,并指出地力下降绝非是人工林连栽的必然结果[7]。

2 人工林地力衰退的原因

不同树种人工林地力衰退原因各异,各国学者对此众说纷纭提出了不少假说,但究其原因,有下面几个方面。

2.1 人工林群落的结构简单导致功能降低

人工林林分是以培育目的树种为绝对优势树种组成的植物群落,培育树种的生物学特性和生态学特性决定了人工林生态系统的物质循环和能量流动。在培育人工林中针叶树种占有较大比例。由于组成纯针叶林为单层林,结构简单,个体间生态习性高度一致,生态位高度重叠,造成系统的多样性下降,缓冲能力和反馈调节能力弱,从而导致整个生态系统失去相对平衡地位。

在纯针叶林中,其针叶含有单宁、蜡质和树脂等难分解的有机物,养分分解周转缓慢,养分含量较低。杉木人工林凋落物当年分解量不到50%,寒冷地区落叶松针叶分解更慢,一般为20%~30%。俞元春等在江苏下蜀研究发现,23年杉木人工林年吸收营养元素量为220.9kg/hm2,年归还量84.8kg/ hm2,其中通过降水归还的占47.0%,吸收归还比为0.38。而落叶松人工林每年从凋落物移至土壤中的养分量占系统归还量的30%,占林地凋落层元素积累量的4.9%[8]。从以上可说明人工林生态系统养分循环失衡是客观存在的,而营养元素生物循环的阻滞作用影响了土壤的熟化过程,从而对土壤肥力性状产生不良影响。

2.2 土壤微生物种群区系的变化

土壤微生物是生态系统中的分解者,在物质循环中起着关键性作用。人工林的特殊群落结构形成了独特的林下生态环境,如杉木,落叶松人工林郁闭后林分郁闭度近1.0,林下光照不足,温度较低,形成了相对封闭的小气候,造成土壤动物和微生物种类和数量的减少。杜国坚等(1995)对连栽杉木林研究表明杉木连栽林地土壤微生物总数下降

23.35%,其中细菌、放线菌分别下降

24.70%和34.04%,真菌则增加10.39%,氨化细菌、纤维分解菌、好气固氮菌、微嗜氮菌分别下降36.6%、14.24%、56.56%和25.81%,厌气固氮菌则增加46.15%[9]。土壤中含氮有机物质经过氨化和硝化作用形成氨态氮、硝态氮,供植物生长所需,这两类细菌下降,不利于含氮有机物的分解,而纤维素

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分解菌减少,不利于土壤有机质转化。张其水、俞新妥认为林地土壤微生物随连栽代数增加而减少,第一代大于第二代,第一代大于第三代,并有季节性动态变化,4~6月土壤微生物数量最多,以后逐渐减少[10]。阎德仁对落叶松人工林研究中表明与对照林地相比,落叶松人工纯林土壤微生物总量、细菌和放线菌数量分别下降77.4%~91.5%、77.4%~93.7%和43.1%~78.1%,并随林龄增大,土壤微生物活性进一步恶化[11]。土壤微生物的减少降低了营养元素循环中的凋落物分解速度,从而对营养元素生物循环产生深刻影响。在土壤生物区系里,土壤动物的种群、密度、生物量受炼山影响而显著减少,对土壤理化性质和凋落物分解产生不利影响,这方面的研究目前还不多,还有待于进一步加强。

2.3 土壤理化性质和生化特性影响

连栽引起林分生长量下降,是因为肥力下降,而土壤理化性质的变化与土壤肥力有直接关系。俞新妥等在闽北对人工林连栽次数不同的样地调查表明:连栽林地土壤化学性状指标都随连栽次数的增加而下降,第2代和第3代分别比第1代下降10.0%~20.0%和40.0%~50.0%,土壤有机质分别比第1代下降12.0%和51.0%,土壤腐化程度随连栽次数增加而下降,胡敏酸消光系数减小,结构趋于简化,以致形成土壤有机复合体能力下降[12]。方奇在湘西研究二、三次栽杉林地有机质比头次林地依次下降21%和9%,全N量都下降23%,速效P分别下降8.3%和1.6%,速效K分别下降7.0%和5.5%[5]。周学金等研究表明杉木连栽使土壤磷酸铝、铁、钙盐,交换性钾、钙,全N量呈下降趋势,而交换性Mg增加,表土层变薄,土壤养分含量大幅度下降,杉木生长量逐代下降,第三代杉木生长量可降为第一代的68%[13]。许多研究表明人工纯林的物理性状产生不良影响,土壤容重增加,土壤孔隙度下降,孔隙比例失调,排水、供水性能降低[9]。但也有持不同观点者,崔国发根据其在暗棕壤和白浆土的研究结果认为,落叶松人工林具有良好的通气结构和通气透水性,与天然林(阔叶林)土壤相比,容重指标并无明显增加,第二代林与第一代林相比容重也只是略有增加[14]。

土壤营养元素含量随着连栽代数的增加,表现出明显的下降趋势,土壤酶活性(除多酚氧化酶)下降,脲酶、转化酶、过氧化氢酶等活性明显低于头栽土壤[9,12],二代比一代下降5%~10%,三代比一代下降40%~50%[12]。而连栽地力多酶氧化酶的增加,使酚类物质不能及时被氧化成醌,没有进一步形成腐殖质,导致土壤中酚类物质的积累,使土壤中毒,对林木产生危害[12]。不少研究指出森林土壤中毒现象与植物与微生物有关,且森林土壤比耕作土壤具有更强的毒性。

土壤酸碱性影响土壤微生物活动,土壤有机质分解土壤营养元素的有效性以及土壤发生过程中营养元素的释放和迁移。研究表明,针叶凋落物分解慢,使得林下凋落物不断积累,易形成酸性粗腐殖质,导致土壤酸化,再加上有些林地长期接受酸性沉降物和受酸雨的影响,加剧林地酸化,加重森林危害。俞新妥研究表明连栽杉木林土壤活性酸度有增加趋势;蒋秋怡研究表明杉木连栽会降低根际及非根际土壤的p H值;方奇研究表明常绿阔叶林与第一、二、三代杉木林土壤活性酸度变化较小;陈乃金等研究表明落叶松人工林二代比一代p H值下降了0.2个单位,呈现弱度酸化现象;王秀石研究表明落叶松人工林下土壤并无明显的酸化现象,并指出土壤肥力减低与土壤反应无关[15]。土壤酸度是林木生长重要的土壤环境因素,须注视其发展。

2.4 栽培措施干扰

2.4.1 炼山 有很多学者认为炼山对人工林地力影响很大,炼山后土壤容重下降,土壤毛管孔隙度减少,非毛管孔隙度增加,p H值提高,酶活性增强,土壤微生物活性增强,这

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些因素的改善有助于幼林生长和发育,因而在南方栽杉普遍采用。但是这些有利因素很快就会消失,有的因子还会向不利方面转化。马祥庆(1997)通过8年定位研究表明炼山后土壤有机质,全氮消失,炼山具有短期激肥效应,炼山后雨季前肥力得到改善,雨季后肥力急剧下降,至幼林郁闭时肥力才趋于稳定,炼山导致林地严重水土流失,林地8年的水土流失分别是不炼山造林地的2.64和16.81倍[2]。吴蔚东等(1991)通过不同母质发育土壤在炼山造林之后使土壤养分恶化,在花岗岩地区炼山造林对土壤带来毁灭性侵蚀,使林业生产难以为继,砂岩和板岩地区虽然短期内对林业生产危害不太大,但具有潜在危机[16],火烧整地对土壤的持久肥力不利。

2.4.2 整地及幼林抚育 整地是人工造林中常采用的措施,但当整地不当时会产生不利后果。国外一些报道整地(耕作)可造成森林土壤有机质和氮的大量流失,采用垄耕使立地级降低1.5~2级(18%~24%),荷兰、丹麦和德国等都放弃了集约整地的作法。在我国杉木林区多采用全垦整地而引起严重的水土流失。据张先仪在湘中朱亭林区5a的定位观测表明,全垦整地水土流失量最多,5a 平均固体径流量达

3.14t/hm2,坡度达25°以上水土流失量急剧增多,撩壕整地、水平带状整地年固体径流量分别为0.45t/hm2和0.06t/hm2,穴垦整地范围小,保留植被面积大,水土保持效果最佳[17]。

幼林抚育是促使及早郁闭的有力手段,但在郁闭前林地刚炼山不久,植被稀少,幼树根系分布范围有限,吸收水肥能力弱,经过扩穴、松土、锄草等使表土层松散,抗蚀能力差,而幼林抚育在一年中多在4~5月间需进行一次,故一遇大雨暴雨必然产生趋渗径流,造成严重的水土流失。马祥庆在砂岩母质林地进行抚育试验表明:扩穴连带抚育大于块状抚育大于不抚育的土壤侵蚀量[2]。

2.4.3 不合理的采伐利用方式 随着对木材利用工艺水平的提高,一些国家兴起了全树利用,使木材利用率大为提高,但同时也必然导致土壤养分的大量消耗。由于枝丫、枯枝落叶全部掳走,落叶中富含营养元素不能归还林地,造成土壤养分循环中断,肥力下降。据美国对两个集水区的研究,全树采伐比一般采伐取走的生物量多两倍,Ca、K等营养物质消耗也接近2倍[18]。而短轮伐期工业用材林培育过程中,林木充分利用了地上空间和土壤营养物质资源,使之达到速生丰产,轮伐期越短,林分消耗的营养元素越多。每采伐单位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,这样在林木生长过程中一直消耗着土壤库的养分,使之土壤发生地力衰退。

在采伐过程中,除了拿走生物量中的养分,重型机械对土壤物理性状影响很大,使之土壤被压实,土壤结构破坏,易产生地表径流,导致养分流失,影响林木生长。

3 防止人工林地力衰退的对策

3.1 调整林分结构,保护林下植被

林下植被是人工林生态系统的重要组成部分,在促进系统养分循环,提高林地肥力方面起了巨大作用,林下植被养分含量较高,一般情况下草本大于灌木大于乔木,同时林下植被的凋落物分解快。姚茂和、盛炜彤(1992)等对杉木人工林地下植被的研究表明,林分郁闭度只有在0.7以下时,林下植被才会大量产生,为了促进林下植被的良好发育,一般可通过幼林抚育和抚育间伐来调整林分结构,打破群落单一化的格局。杨承栋(1995)和阎德仁(1995)研究表明:杉木、落叶松人工间伐后,土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾等含量都有显著提高,土壤酶活性和微生物数量也显著增加[19,20]。因为人工林郁闭后林下植被发育很差,为此也可因地制宜,改密植为适当疏植,增加透光度,促进林下植被生长;或每隔一定时间对林下植被砍割一次,为土壤提供更多的营养元素,以恢复地力。

3.2 混交

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天然林与人工林实质上都存在地力下降问题,只是因为天然林是多树种混交,且生产周期长,长期的生长过程中森林自身凋落物对林地的归还,根系对土壤的机械作用以及母岩层营养物质的分解分化,掩盖了地力下降的实质,使维持地力平衡绰绰有余,具有改善地力的作用,而人工林连栽引起地力下降实际上就是单一树种在维持地力平衡上尚嫌不足[7],为此通过混交来防止地力衰退是行之有效的途径。已见报道也较多,与杉木混交的树种有马尾松、柳杉、檫树、火力楠、栲树、木荷、楠木、樟树、观光木等;在东北林区可与落叶松混交的树种有水曲柳、胡桃树、白桦等,据南方混交林科研协作组经过多试验证明,杉松混交后17年土壤活性提高,微生物数量增加,林下凋落物比纯林高1.4~2.1倍,有机质增加1.9~3.0倍,含N量增加了27.9%~73.9%。据冯宗炜研究杉木、火力楠混交林表明:林下凋落物多2.3倍,营养元素年归还量大2~4倍。变单一树种为多树种生长,可有效改善营养元素生物小循环,改善土壤理化性质和生化特性,丰富了微生物区系和含量,加速了凋落物的分解和转化,增强了系统的自肥能力和地力稳定性。

3.3 采用林地施肥及土壤改良措施

由于树种混交、轮栽,保持适量林下植被等生物措施恢复地力过程缓慢,对于一般人工林经营中维持和恢复林地肥力是一项较好的措施,而对定向培育的短轮伐期的工业用材林来说,施肥则是一项必需的基础技术措施[21]。在南方定向培育杉木,东北区定向培育落叶松中辅助于施肥能促进林木生长,有人用客土造林及微生物菌肥来研究杉木及杉木及木麻黄的二代更新情况,但在定向培育杨树过程中,连茬2~3次欧美杨生长量未剧减,土壤中有机质和N、P、K含量略有增加,肥力有改善趋势[22],所以施肥也要因林而宜。在我国经济条件不是很好的情况下,为了培育木材基地的持续发展,对于一些趋短轮伐期和短轮伐期的工业用材林,施肥是一条行之有效,经济可靠的途径。

有些资料表明,针叶林施用石灰或磷酸钙能够降低土壤酸度,提高土壤盐基代换量和盐基饱和度,促进微生物的活动,从而改善土壤肥力状况。吴振铎等(1992)也报道对林龄较大(53年生)、土壤p H值低于5.5的红松人工林,可通过施石灰降低土壤浓度[23],然而崔国发则认为在肥沃的暗棕壤上培育落叶松人工林不应施石灰[2]。由于各学者所涉及的土壤研究类型不一,在土壤改良问题上意见不一致。

3.4 采取科学营林措施

皆伐、炼山、全垦整地和不合理的林地管理都可引起有机质消耗和水土流失,造成大量营养元素从生态系统中输出,为此可以通过不炼山,带状整地及块状抚育措施和抚育季节调整;尽可能保留不妨碍幼林生长的草本、灌木,增加地表覆盖度,以减少水土流失;尽量减少采伐集材过程中机械对林地土壤压实范围,改大面积皆伐为小面积块状皆伐。另外还得慎重确定轮伐期,不能越短越好,相反应当适当延长,最好超过数量成熟龄。

4 人工林地力衰退研究展望

人们从土壤肥力的营养因素和环境因素以及人工林群落结构功能、微生物区系组成等方面探讨了发生人工林地力衰退的原因,但由于受研究方法及经费限制,研究的深度和范围受一定限制,结论也不可避免地具有片面性,而引起地力衰退的最直接或最主要的原因,各研究者得出结论不一。对地力衰退产生的机理研究不够深入,故有必要从土壤生态系统角度,全面而深入地研究人工林与土壤的作用机制,并且从整个地球化学循环和生物地球化学循环的角度研究我国不同地理区域主要人工林类型的地力变化和地力维持问题。人工林地力衰退问题是个复杂问题,它涉及到持续林业经营思想,生态环保意识的社会问题和与其它众多学科如土壤化学、生化、微生物、营林、生态学等的联系。为了集中力量,统一研究,可组织跨学科、跨部

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门的协作研究网,建立新的栽培制度,形成不同地域、不同树种栽培模式,使人工林的研究和栽培水平不断提高,林地得到长期的持续利用。

在地力衰退研究工作中,我国林学家通常采用空间代替时间的方法研究不同连作代数和林分不同发育阶段的立地生产力变化和土壤演化过程,通过野外定位试验来反映立地衰退变化状况,但是长期试验的时间框架往往超过我们立项的时间长度,也许我们终其一生也不能完成,所以地力衰退的长期影响或长期反应也许用野外定位试验是不能解决的,故必须建立起长期预测模型,并且使预测方法具有较高的可靠性。所以立地衰退机理上的探索也许有助于从目前经营措施的影响来达到调控未来长期的生产力水平高低。参考文献:

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R esearch Status and Advances of Land Degradation of Artif icial Forests

ZHAN G Lu1,G AO Huang2

(1.College of Forestry,Jiangxi Agriculture University,Nanchang330045;

2.Jiangxi Academy of Forestry,Nanchang330032)

Abstract:Under the historical background and current situation at home and abroad,cause of land degradation of ar2 tificial forests were revealed by analysing communal structure,soil microflora,soil phychemical and biochemical charater,cultivation methods.Corres ponding countermeasures were put forward such as regulating stands structure, protecting undervegetation,mixed stands,fertilizing,and soil improvement,scientific management.The research ad2 vances and direction were summarized.

K ey w ords:Areificial forest;Land degradation;Countermeasrues

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