杉木人工林不同代、不同發(fā)育階段土壤肥力的變化

杉木人工林不同代、不同發(fā)育階段土壤肥力的變化

杉木人工林通常是從天然落葉林的砍伐、人工種植和形成的。杉木人工林群落和自然落葉林群落的樹種、土壤覆蓋物種、群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性和管理過程中存在很大差異。由于人類林的人工干預(yù)，林下土壤在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)特性上發(fā)生了顯著變化。杉木人工林通常由于樹種及群落結(jié)構(gòu)的單一性,加之人為的嚴(yán)重干擾,使得土壤肥力向著不利于林木生長的方向變化,從第1代闊葉林砍伐、火燒清林、造林整地開始,直到第2代、第3代,土壤肥力總的發(fā)展趨勢是不斷惡化1林下植被環(huán)境研究分二個區(qū)域進(jìn)行,一是福建南平,屬中亞熱帶,低山丘陵地形,年均氣溫18.7℃,年降水量1670mm,年均相對濕度81%,地帶性植被為常綠闊葉林,土壤為白云母中細(xì)粒花崗巖發(fā)育的山地暗紅壤,土層厚度在100cm以上。主要林下植被有黃瑞木(Adinandramellatti(Hook.etArn.)Benth)、狗脊(Woodwardiajaponica(L.F.)Sm.)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus(Labill)Warb.)和芒萁(Dicranopterisolichotoma(Thunbo)Bernh.)等;二是江西分宜中國林科院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心上村林場、年珠林場以及山下林場,屬中亞熱帶,低山丘陵地形,年均氣溫15.8~17.7℃,年均降水量1591mm,地帶性植被為常綠闊葉林,土壤為板頁巖風(fēng)化物發(fā)育的山地黃紅壤。林下植被以2樣品采集和測定樣地設(shè)置:選擇不同立地(以第1代林的14、16、18地位指數(shù)為準(zhǔn))、不同栽植代數(shù)、不同林齡(幼齡林、中齡林與成熟林)的杉木人工林設(shè)置樣地,每個樣地3個重復(fù)。林分調(diào)查:樣地面積400~500m土壤調(diào)查與取樣:除按常規(guī)方法調(diào)查土壤剖面外,其中三個重復(fù)樣地中一個樣地土壤樣品按0~20、20~40、40~60cm三層采取,分析其理化性質(zhì)。另取一個0~40cm的混合樣,供土壤生化活性、有機(jī)質(zhì)和微生物分析。其余二個樣地的土壤樣品按0~20、20~40cm二層采取,供理化性質(zhì)分析。土樣采集時在樣地內(nèi)機(jī)械布設(shè)6個點(diǎn),用土鉆取混合樣品,土壤樣品采于1998年5月份。土壤樣品分析:土壤物理性質(zhì)測定土壤水分物理常數(shù);土壤化學(xué)性質(zhì)測定pH值、速效N速效P、速效K、全N、P、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn;土壤酶活性測定多酚氧化酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、蛋白酶5種;土壤微生物測定土壤微生物類群(或生物量)。土壤理化性質(zhì)的測定均按《森林土壤分析方法》(林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行。3結(jié)果與分析3.11杉木人工林土壤酶活性信息主要研究了從常綠闊葉林、杉木幼齡林、中齡林、成熟林4個時間段的土壤性質(zhì)變化。在江西分宜中國林科院亞林中心年珠林場,測定了具有相似立地條件的9年生杉木人工林和次生常綠闊葉林下的土壤化學(xué)性質(zhì),并進(jìn)行了比較。9年生杉木人工林土壤有機(jī)質(zhì)下降了14.66%,速效P下降12.28%,速效K下降10.41%,速效N和Mg不同林齡階段除速效養(yǎng)分存在一定差別外,土壤三大類微生物及土壤酶活性也均存在差別。中齡林的微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)量均明顯低于幼齡林和成熟林。中齡林時,土壤蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性明顯下降。過氧化氫酶、脲酶及多酚氧化酶在中齡林和成熟林也是下降的研究表明,根際土壤的有機(jī)質(zhì)、水解N和速效P等均比非根際土壤有所提高,但在中齡林階段上述養(yǎng)分的含量均相對較低,成熟林比中齡林雖有所上升,但與幼齡林階段相比還是下降的Ca3.2連續(xù)種植杉木人工林的土壤類型變化3.2.1土壤滲透性能下降從對亞林中心15個樣地,包括不同林齡階段和不同代林分的土壤物理性質(zhì),土壤養(yǎng)分及土壤酶等23項(xiàng)指標(biāo)的主分量分析,土壤物理性質(zhì)在第一主分量占有較大的負(fù)荷量,表明土壤物理性質(zhì)在第1代及第2代林之間,以及不同林分發(fā)育階段之間存在較大的變化。表2表明,第2代杉木林土壤密度普遍增加,毛管持水量及非毛管孔隙度下降。福建南平16地位指數(shù)的杉木林各層(0~20、20~40、40~60cm)的土壤容重是隨著連栽代數(shù)增加而增加的,如2代林0~20、20~40cm的土壤容重分別比1代林增加了0.40、0.25g·cm由于連栽林分土壤容重增加,非毛管孔隙度下降,導(dǎo)致土壤滲透性能下降?？偟内厔菔巧寄?、3代林土壤滲透速度和滲透系數(shù)均較1代的低。如2代杉木成熟林0~20cm土壤的滲透速度和滲透系數(shù)分別比1代林下降了98.34%和98.53%,3代林較1代林分別下降了97.23%和97.06%。土壤水分性能是土壤物理性質(zhì)中的重要因素,是土壤肥力的重要標(biāo)志。測定表明,16地位指數(shù)杉木中齡林表土層(0~20cm)的最大持水量、毛管持水量和最小持水量均隨栽植代數(shù)的增加而下降。如2代林0~20cm土層較1代林分別下降了24.3%、23.14%和24.67%,3代林較1代林分別下降了39.65%、43.75%和42.75%,20~40cm土層也有類似趨勢。3.2.2土壤化學(xué)特征的變化3.2.2.代杉木幼林不同發(fā)育階段的代際效應(yīng)比較杉木對土壤養(yǎng)分的要求較高,特別是有效養(yǎng)分供應(yīng)直接影響到林木生長。張建國等表3表明,2代林土壤有機(jī)質(zhì)含量是降低的,2代林比1代林下降了2%~20%;2代林的全N、全P、全K也比1代林的低,說明2代林土壤養(yǎng)分總量在下降,下降幅度大體是全N12%~24%,全P3%~36%,全K4%~6%,但速效養(yǎng)分的下降幅度遠(yuǎn)大于全量,如水解N下降了11%~33%,速效P下降了2%~47%,速效K下降了8%~30%。福建南平的研究表明(表4),16地位指數(shù)的2、3代杉木幼林表層土的速效P與K較1代林的低,如2代林分別較1代林降低了47.16%和34.26%,3代林分別較1代林降低了41.68%和22.55%,14指數(shù)的幼齡林也有類似情況。對于16地位指數(shù)的中齡林,2代林除速效K略有增加外,其它養(yǎng)分均有下降。3代林0~20cm土層的有機(jī)質(zhì)、全N、水解N較1代林分別降低了43.9%、15.1%和28.86%國外研究認(rèn)為,森林收獲對土壤有機(jī)質(zhì)、N有不利影響南方的紅黃壤原本普遍缺P,連栽使其含量更低,供應(yīng)更加不足。在福建南平調(diào)查的不同地位指數(shù)(14、16、18)的不同代(1、2、3代)及不同發(fā)育階段(幼齡林、中齡林及成熟林)速效P含量多是隨著栽植代數(shù)的增加而下降,而且下降幅度較大(18指數(shù)變化不規(guī)律),達(dá)到16.6%~73.0%,大多為20%~35%(表4)。杉木林土壤中的有效P含量遠(yuǎn)低于臨界值,而連栽林地則離臨界值更遠(yuǎn),有的已接近缺乏值。江西亞林中心的調(diào)查結(jié)果與此是一致的,因此,有效P的缺乏是連栽林地生產(chǎn)力下降的主要原因。3.2.2.2.土壤養(yǎng)分的變化微量元素對杉木生長也有重要影響。福建南平點(diǎn)的調(diào)查結(jié)果表明,該地區(qū)杉木林土壤全Fe平均含量為22.61mg·kg3.2.2.3.土壤養(yǎng)分福建南平的調(diào)查結(jié)果表明3.2.2.土壤酸度隨栽植天數(shù)的變化國外有許多針葉林是否引起土壤酸化的研究表7表明,不同代數(shù)杉木根際土壤的pH值均低于非根際土壤,幅度為0.2~0.5,同時,除幼齡林外,2、3代林的土壤pH值也均低于1代林,幅度為0.2~0.4。可見杉木林的根際土壤是一個偏酸的環(huán)境,土壤酸度隨栽植代數(shù)增加而增加,這主要是土壤膠體界面陰陽離子吸收不平衡所至。杉木在生長過程中要大量吸收土壤中的K3.2.2.胡敏酸與富里酸的比例土壤有機(jī)質(zhì)是林分生產(chǎn)力與土壤肥力的重要因素杉木人工林傳統(tǒng)的育林干擾,如煉山、整地、撫育、采伐都導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)的減少。江西分宜的煉山試驗(yàn)表明,中等強(qiáng)度的煉山(堆高60cm,堆積物質(zhì)量15kg·m胡敏酸與富里酸的比例在一定程度上能說明土壤腐殖質(zhì)類型、性質(zhì)和腐殖化程度,這是衡量土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)志之一。福建南平的調(diào)查結(jié)果表明,除少數(shù)情況外,2、3代林胡敏酸含量及土壤腐殖化度均較1代林低,如16地位指數(shù)的2代杉木幼齡林胡敏酸含量較1代林下降了79.93%,腐殖化度降低了87.07%;2代成熟林的胡敏酸含量較1代成熟林下降了46.9%,腐殖化程度下降了71.41%。2、3代林的土壤中胡敏酸與富里酸的比值一般均低于1代林,這說明連栽杉木林腐殖質(zhì)聚合程度較低,質(zhì)量也較差,這與杉木2、3代人工林養(yǎng)分循環(huán)速率慢和分解速率低相一致。3.2.2.代杉木人工林土壤微生物與造林地立地條件的關(guān)系土壤微生物在森林枯落物分解、土壤腐殖質(zhì)的合成、土壤養(yǎng)分循環(huán)及物質(zhì)和能量代謝過程中起重要作用。福建南平的調(diào)查表明,14、16二個地位指數(shù)的土壤微生物總數(shù)在1、2、3代林的中齡林時期總是最低,而在成熟林時期又有所恢復(fù),這個情況與在江西亞林中心的調(diào)查結(jié)果是一致的。此種結(jié)果與杉木人工林發(fā)育中群落結(jié)構(gòu)和植物多樣性變化有關(guān)。杉木人工林在中齡林時的郁閉度大,林下植物發(fā)育差,生物多樣性差,而到了成熟林,由于林分郁閉疏開,植物多樣性顯著增加。據(jù)作者的研究,林下植被發(fā)育和植物多樣性與微生物種群及數(shù)量成正相關(guān)。在福建南平,隨著杉木人工林栽植代數(shù)的增加,幼齡林土壤微生物總數(shù)趨于增加,但杉木中齡林、成熟林的土壤微生物趨于下降。如14地位指數(shù)的杉木成林,2代林土壤微生物總數(shù)及細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)分別較1代下降了63.80%、63.01%、73.44%和70.23%;16地位指數(shù)2代杉木成熟林的土壤微生物總數(shù)、細(xì)菌總數(shù)分別較1代林降低了76.93%、21.28%,但土壤放線菌和真菌總數(shù)有所增加。14地位指數(shù)3代成熟林土壤微生物總數(shù)及細(xì)菌、放線菌、真菌總數(shù)分別比1代林降低了54.10%、51.25%、69.38%和62.58%,16地位指數(shù)3代林也存在同樣情況。江西的調(diào)查表明,第2代土壤的微生物生物量及細(xì)菌總數(shù)均低于第1代,放線菌總數(shù)除個別的外,也是呈同時下降趨勢,但真菌總數(shù)規(guī)律性不強(qiáng)?？傊?杉木人工林土壤三大類微生物的總數(shù)是因不同發(fā)育階段及不同連栽代數(shù)而不同的。從杉木人工林發(fā)育階段看,在中齡林階段不利于微生物發(fā)育,總數(shù)最低。從不同連栽代數(shù)看,隨著連栽代數(shù)增加,微生物生物量以及三大類的數(shù)量也呈下降趨勢,說明2、3代人工林也存在著不利于微生物發(fā)育的環(huán)境。上述不同發(fā)育階段,不同連栽代數(shù)微生物狀況成為杉木連栽人工林枯落物分解及養(yǎng)分釋放緩慢以及有效養(yǎng)分減少的重要因素。3.2.2.土壤磷酸酶活性土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起重要作用,土壤酶活性是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一。過氧化氫酶能促進(jìn)多種物質(zhì)的氧化,加速有毒物質(zhì)的分解。杉木連栽后,土壤中過氧化氫酶活性明顯降低,12、14、16地位指數(shù)立地2代杉木林土壤H土壤磷酸酶活性直接影響到土壤中磷元素循環(huán),杉木連栽后,土壤磷酸酶活性明顯降低。12、14、16地位指數(shù)2代杉木林土壤磷酸酶活性分別下降70.37%、36.17%、59.63%。磷酸酶活性降低勢必要影響到土壤中磷代謝,多酚氧化酶參與土壤中多酚類物質(zhì)的氧化,土壤中多酚氧化酶過低會導(dǎo)致土壤中多酚類物質(zhì)積累,引起林木中毒,多酚氧化酶活性變化有別于其它4種酶的活性變化。在差的立地條件下,2代杉木林土壤多酚氧化酶活性不僅沒有降低,反而升高;在中等立地條件下,2代杉木林多酚氧化酶活性下降28.57%;好的立地條件下,2代杉木林多酚氧化酶活性下降70.59%。該研究結(jié)果表明,連栽杉木林土壤中多酚類物質(zhì)積累,通常出現(xiàn)在立地條件較好的土壤中。4不同栽植代人工林土壤理化性質(zhì)及其變化(1)杉木人工幼齡林到中齡林發(fā)育階段的土壤養(yǎng)分及土壤生物活性向不良方向改變,到近成熟林有所改善。(2)隨著連栽代數(shù)的增加,杉木人工林的土壤物理性變劣,土壤密度提高,土壤毛管持水量和非毛管孔隙度下降。(3)不同栽植代