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影响杉木人工林可持续经营因素探讨* |
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（福建林学际 南平 353001）
据第四次全国森林资源连续清查统计，杉木人工林面积达 911万hm2，占全国人工用材林面积的 30.4%，杉木人工林在我国森林资源结构中占有重要地位[1]。目前不断积累的研究资料显示，杉木人工林土壤肥力和林分生产力逐代下降，直接影响林地的可持续经营[2-6]，本文对此进行全面探讨，以便为相应措施的采取提供理论和实践指导。 1 杉木人工林土壤生态系统的脆弱性 杉木人工林大多分布于我国热带亚热带的红壤区，该区岩石矿物风化强烈，盐基高度淋失，形成以高岭石为主（30%-60%）的次生粘土矿物，土壤阳离子交换量低（3-12cmol/kg），盐基离子含量（约 3cmol/kg）和盐基饱和度（＜30%）均较低，土壤缓冲性能差，pH 值低，土壤保肥和供肥能力亦低[6,7]。其次，红壤有机质含量低（1.0%-1.5%），土壤腐殖质品质较差，HA/FA＜0.45，活性 HA 含量高（90%），土壤腐殖质分子量小，结构简单，对土壤矿物分解作用强，腐殖质易遭分解和流失（淋失）[8]。第三，红壤分布区地势不平，山地丘陵面积占 70-80%，坡度大，土壤抗蚀性较低，降雨侵蚀力大，一旦失去植被覆盖，极易发生水土肥流失，生态系统具有潜在的脆弱性[9]。Lumdgrem 认为，在热带和亚热带地区的红壤和其它肥力差的土壤上，如果没有特殊管理措施，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退化[10]。 2 杉木人工林营养元素生物循环的性质和特点 杉木人工林快速生长依赖于土壤中大量养分的供应。渊维俦研究，杉木从速生期到成过熟期，生物量从 53t/hm2 上升到 1584kg/hm2, 同阶段养分吸收与归还比率从 0.17 上升到 0.586[11]，表明杉木在采伐前不同生长阶段养分吸收均远大于归还。 林地地力的维持和提高取决于养分的归还量和循环速率，凋落物是人工林养分归还的主要途径[5]，其数量、组成、分解速率对地力有重要的影响。 杉木在造林后 1～5 年基本上无凋落物，造林后 6～10 年，有少量凋落物（400～1400kg/hm2），10～30 年凋落物数量呈增加趋势（1500～4500kg/hm2，有的高达 5376kg/hm2)，30 年后约为 2000kg/hm2，若按 30 年为一轮伐期折算，年均凋落物约为 2300kg/hm2 [11～20]。而常绿阔叶林在幼龄时即有大量的落叶（如 7 年生火力楠纯林凋落物量为 2900kg/hm2），随后凋落物量大约在 5.0～9.2t/hm2 凋落物的组成和性质直接影响其分解速率及营养元素归还。田大伦研究，杉木凋落物中落叶、枯枝和落果的分解速率分别为 37.8%，21.2% 和 26.3%；吴志东研究，杉木、马尾松、红荷木和栎木凋落物年分解速率分别为 20.2%、42.2%、57.5% 和 50.5%；阮宏华研究，栎林和杉木林凋落物分解速率分别为 58% 和 22.92%。武夷山木荷、米槠、苦槠、甜槠、丝栗栲年分解速率分别为 55.6%、64.4%、59.9%、71.6% 和 67.1% ①; 屠梦照研究，锥栗、木荷、厚壳桂、黄果厚壳桂的分解速率分别为 57%、54.0%、42% 和 54%。由此可见，杉木凋落物年分解速率远小于阔叶树的，这与以下一些因素有关：①难易分解物质含量，大多数阔叶树凋落物中难分解的木质素含量低，而易分解的物质（可溶性物质、半纤维素和粗蛋白质）含量较高，而杉木凋落物的则相反。②阔叶树凋落物的 C/N 小于杉木的。③杉木叶片和小枝一起脱落，落到林地后无法紧贴表层土壤，而阔叶树凋落物的则相反。④参与分解的土壤微生物和动物数量、组成和活性，杉木林凋落物中微生物总数仅为阔叶林的 1/25，细菌和真菌数量亦低，唯放线菌数量相反，生化活性亦低，分解残余物较活跃的类群亦少，细菌种属组成以蜡质芽孢杆菌为主，占细菌总数的 64%～90%；而阔叶林中细菌则以多粘芽杆菌 (55%～64%) 和节细菌 (22%～29%) 为主②。另据报道，参与阔叶树凋落物分解的土壤动物种类亦比杉木的多，其中，以蚯蚓数量差异最为明显[28]。 阔叶树凋落物营养元素归还量和归还与吸收比远比杉木的大。杉木凋落物营养元素归还量为 56～128.1kg/hm2.a，营养元素归还与吸收比率为 0.11～0.49[11～20]。季雨林、雨林和常绿阔叶林凋落物营养元素年归还量分别为 412kg/hm2、286.7kg/hm2 和 184.6kg/hm2；格木凋落物每年归还营养元素为 238.43kg/hm2，是杉木的 2.4 倍；栎林凋落物营养元素归还量是杉木的 3.7 倍；阔叶林的营养元素归还和吸收比率达 0.70～0.86[21～27]。 营养元素归还包含地上凋落物和地下细根的枯落物，地下部分死细根量有的与地上部分枯枝落叶量相当，有的还更大。另外，细根枯落物的养分含量比地上枯枝落叶的高，分解速度亦比枯枝落叶的大，因此，细根枯落物在森林营养元素循环中占重要地位[28、29]。廖利平报道，7 年生杉木、火力楠细根年死亡量分别为 497kg/hm2 和 595kg/hm2，说明阔叶树细根年周转量亦比杉木的大[31]。 从以上分析可以看出，阔叶林枯枝落叶和细根枯落物数量均比杉木林的大，凋落物中叶片所占比例较高，分解速度快，营养元素归还量亦大于杉木林的，养分循环速率较高。因此，阔叶林土壤的自肥能力比杉木林的强。 3 杉木人工林生态系统结构与功能 生态系统的结构是功能发挥的基础。由于杉木人工纯林群落结构十分简单，树种生态习性、生态位、吸收特性与外界物质循环和能量交换特性高度一致，造成系统的多样性差，缓冲能力弱，反馈系统的构成简化，某些生态因子的强度持续增强或减弱，生态环境变化的单向累积，从而极易导致系统功能退化[5]。 一般杉木林下植被的生物量占整个生态系统生物量并不高 (1% 左右），但林下植被在增加系统的组成多样性，提高杉木林地营养元素的循环速率，改善土壤肥力等方面有重要作用[5]。据作者研究，杉木林分中的营养元素含量草本层＞灌木层＞乔木层，林下植被营养元素年积累量除一代的低于乔木层外，二代和三代的均高于乔木层的③。 一般而言，自然生态系统如福建武夷山、梅花山、龙栖山自然保护区及江西九连山，贵州徭人山、雷公山、梵净山中杉木天然林并不存在地力衰退问题[5、32、33]。在这些杉木天然林中，杉木所占比例不大，多种阔叶树又与其伴生，如武夷山自然保护区杉木天然林群落中共有 53 科 102 属 149 种植物，比本省建瓯高阳林区发育阶段较高的杉木—长叶黄肉楠—杜茎山群落 (27 科 36 属 43 种）高出 2～3 倍，其中居乔木第 II 层 (11～25m) 阔叶树有栲树、木荷、石栎、罗浮栲、黄瑞木、拟赤杨、鹿角杜鹃、虎皮楠、冬青等十几个树种，维持着较高的土壤肥力[33、34]。另外，杉木天然林早期生长速度比人工林慢，如贵州徭人山常绿阔叶林中 32 年生杉木树高 16m，胸径 23.4cm，材积 0.354 7m3，仅为同地区杉木人工林平均生长速率的 50%～70%，福建武夷山杉木天然林早期生长速度亦远低于杉木人工林[5、32]。高的生长速度就意味着从土壤中吸收更多的营养元素。由此可见，如何调整和配置杉木林群落结构对其地力维持起着重要作用。 4 杉木连栽导致土壤肥力实质性衰退 杉木多代连栽后，土壤肥力发生如下几个方面实质性变化： (1) 杉木凋落物分解形成酸性粗腐殖质及杉木根系分泌物等共同作用导致表层土壤酸度增加。方奇研究，从杉木头耕土到三耕土 ,pH 值由 5.15 下降到 4.98[2]。作者研究，土壤 pH 值从杉木林取代杂木林（头耕土）起土壤酸度呈增加趋势，pH 值由杂木林的 5.66 下降到三代林的 4.90 ③。 (2) 由于杉木归还的有机物质少且难分解，造成土壤中 N 素供应不足，引起土壤有机质分解过程中 N、C 转化不平衡，不仅影响有机残体的进一步分解，而且影响了土壤腐殖质在土壤中的积累。杉木连栽后土壤腐殖质含量减少，腐殖质中富里酸含量增大，而胡敏酸含量下降，HA/FA 值变小，土壤腐殖质品质变差，土壤中松结合态腐殖质所占比例及土壤腐殖质中松结合态和紧结合态比值呈下降趋势，土壤腐殖质化程度降低③。 (3) 土壤中有毒物质积累增加，土壤中有机有毒物质与杉木凋落物淋溶和根系分泌物长期作用、土壤微生物抑制体发育等有关④。而无机有毒物质则可能与土壤酸度增加，Al3＋活性增大，从而对杉木根系产生毒害有关[8]。张宪武研究，三耕土对香草醛的氧化能力显著高于头耕土，表明香草醛在三耕土中有明显的积累，这对微生物活动和植物的生长有害，三耕土比头耕土更强烈地抑制小麦、白菜的生长发育，抑制杉木种子的发芽和生长，也抑制微生物的存活和发育，显示了三耕土有更强的 (4) 连栽杉木使土壤微生物区系和动物组成发生较大变化，连栽后土壤微生物数量减少，细菌在微生物总数中所占比例减少，且以不活跃的蜡质芽孢杆菌为主，而活跃的多粘芽孢杆菌和节细菌所占的比例低，放线菌的数量和其所占比例则相应加大，真菌在凋落物分解过程中占主导地位，同时土壤动物种类、数量亦明显减少等。 (5) 杉木根际土壤微生境不断恶化，从而直接影响根系对土壤水分和养分吸收，导致林分中杉木个体生长量下降，同时，连栽易引发根系的病虫害，如连栽杉木根系易被半穿刺线虫危害，导致杉木生长量衰减[38]。 5 营林措施干扰 在杉木人工林培育过程中，不合理的经营措施及其他的人为干扰活动，直接造成土壤肥力下降。 (1) 全树利用导致土壤养分的大量消耗。全树采伐比常规采伐（仅利用干材）带走的生物量多两倍，带走的 Ca、K 多近两倍，其它营养物质也显著增多[5]。 (2) 轮伐期缩短，对地力影响较为严重，主要表现在：幼年林木边材占心材的比例大，而随年龄增加其比例减少，同时树冠生物量与树干生物量的比例随年龄的变化亦有类似趋势，而边材和树冠的营养元素含量分别比心材和树干的大，这样，采伐时每单位木材取走的营养元素数量则大量增加[5]。其次，采伐整地干扰频率增加，短轮伐期反复实施将会造成根系对表层土壤的水分、养分的强烈吸收，导致这些物质的缺乏。 (3) 采集过程中，土壤被压实，土壤结构遭破坏，容易发生地表迳流。据研究，皆伐对土壤容重、＞0.25mm 水稳性团聚体含量、总孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量的影响均比择伐的大，不同集材方式（索道、拖拉机、手板车、土滑道等）对上述指标影响最大的为皆伐拖拉机集材，索道集材影响最小⑤。 (4) 炼山使大量采伐剩余物突然释放大量能量，大量有机 C 和营养元素移出迹地生态系统。据作者研究[39、40]，27 年杉木采伐后干皮移走损失的 N、P、K 分别为 307.08kg/hm2、28.20kg/hm2 和 188.60kg/hm2。炼山后土壤营养元素损失 N 为 597.29kg/hm2、P 为 43.48kg/hm2、而 K 增加 15.40kg/hm2，杉木幼林地水土肥流失加剧，在杉木一个轮伐期中生态系统 N、P、K 净损失 966kg/hm2，而炼山造成的损失量占总损失量的比例最大，其中 N 占总损失量的 63%、P 占总损失量的 60%。 (5) 不合理整地方式常导致大量水土流失。据张先仪研究，全垦土壤流失量 3～4t/hm2·a，遇大暴雨之年可达 6t/hm2·a（页岩），全垦的泥沙流失量是穴垦的 1.25 倍，若是花岗岩发育的土壤其受冲刷则更严重[5]。 (6) 一般在幼林郁闭前，每年进行 2～3 次幼林抚育。第一次安排在 4 月底至 5 月初，松土后土层松散，土壤抗蚀能力下降，单场降雨水土流失量可占年侵蚀量的 20%～60%[39]。由此可见，改变幼林抚育的季节和方式是十分必要的。 从以上分析可见，不合理的营林措施，特别是全面劈草、炼山是直接造成杉木人工林土壤肥力退化的重要原因之一。 综上所述，影响杉木林地可持续经营的因素是多方面的，其中既有自然因素又有人为因素，根据笔者对影响杉木人工林可持续经营因素的理解，针对南方林区目前经营现状，应采取以下对策，才能实现林地可持续经营：①以降低林地干扰强度为核心，改革传统营林措施；②增加杉木林不同生长发育阶段群落结构复杂性和物种多样性；③以提高和恢复地力为核心的杉阔轮栽制度；④以提高林地生产力为核心的林地施肥制度；⑤加强宏观调控，树立长期林地利用的观点。 参考文献
第一作者简介 杨玉盛，男，1964 年 9 月生，福建林学院资源与环境系副教授，博士。主持两项课题分别获国家教委、福建省科技进步二等奖和三等奖。在全国性学术期刊上发表有关水土保持、土壤肥力、林农复合经营的学术论文十余篇。目前从事“杉木林可持续经营”的研究。
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