杉木人工林地力衰退研究进展

　　摘要：杉木作为我国重要速生树种, 在我国林业生产中占据不可或缺的重要地位, 但其地力衰退问题日益显露, 已引起相关学者的高度重视。文中通过查阅大量文献, 在前人研究的基础上, 首先论述了杉木人工林地力衰退特征, 如土壤酸化、缺磷、富铝和化感等;而后从不同角度论述了杉木人工林地力衰退的原因, 如酸沉降加剧、不适宜的营林活动、肥料施用不当等;并提出一系列维护措施, 如轮作、营造混交林、追肥等;最后概述了杉木人工林地力衰退的最新研究进展及今后的研究方向。
　　
　　关键词：杉木; 人工林; 地力衰退; 低磷; 富铝; 化感作用;

　　早在19世纪初, 我国林学家就提出人工林地力衰退的相关问题, 这种衰退现象在当时被称为“第二代效应”。这是由于在人工林经营培育过程中, 成土过程方向和土壤熟化过程被改变, 由此引起土壤性质恶化而无法满足林木生长需求, 其表现为土壤理化性质退变、土壤微生物多样性减少、土壤肥力下降、林分生产力降低等[1]。在我国南方, 杉木是重要速生用材树种之一, 生长快, 材质好, 产量高, 用途广, 且距今有1 000多年的人工栽培历史, 近30年来, 随着种植面积的不断扩张, 已成为我国南方最重要的速生林之一, 在我国林业生产中占据重要地位。由于片面追求速生丰产, 杉木人工林生产力下降、地力衰退问题日益得到相关学者的重视, 并开展了大量研究。但目前针对杉木地力衰退的综合性论述鲜见报道。鉴此, 本文将对近10年来杉木相关研究成果以及存在的不足进行综述, 以期阐述杉木人工林地力衰退的原因、退化特征、维护措施, 为实现杉木人工林的可持续经营和维持人工林生态系统的稳定提供参考。
　　
　　1 杉木人工林地力退化特征
　　
　　1.1 土壤酸化
　　
　　杉木生长适宜的土壤酸度为4.5~6.5, 但随着化学肥料的施用、杉木人工林多代连栽、酸沉降加剧等, 使得土壤酸度加深, 土壤性质进一步恶化。此外, 我国南方土壤多为缺磷富铝的酸性土, 由于杉木自毒作用分泌的有机酸和酚类物质及酸雨污染的日益严重, 进一步加剧了南方地区土壤的酸化程度。孟红旗[2]研究指出, 施加化学磷钾肥的土层p H值显著低于对照, 土壤酸化速率明显上升。王士亚[3]指出, 随着杉木连栽次数的增多, 土壤酸碱度、全氮含量、全碳含量均有所降低。此外, 酸沉降的化学组成对酸性土壤的进一步酸化起着催化剂的作用。
　　
　　1.2 有效磷不足
　　
　　南方酸性红壤易于形成易被植物吸收的磷酸二氢根, 造成土壤磷素含量低, 且酸性土壤的全磷含量高, 而可供林木吸收利用的有效磷含量低, 从而使得杉木人工林产量下降。在缺磷环境下, 杉木无性系的生长速度明显受到抑制。梁霞等[27]研究指出, 缺磷条件下1年生杉木叶片和根际的酸性磷酸酶 (APA) 活性明显高于正常供磷处理。韦如萍等[4]研究发现, 缺磷处理对杉木苗根系生长及土壤养分和微生物数量影响显著, 较之正常和高浓度供磷处理, 缺磷胁迫导致杉木苗根系干物质累积量增加, 根冠比增大, 根系表面积和根尖数随胁迫时间延长而增加。关于土壤磷含量的变化则持不同的意见, 如王士亚[5]指出, 随着杉木连栽次数的增多, 全磷含量随着连栽代数的增加而增加, 土壤有效磷含量的变化则是先降低再升高;而赵均嵘[6]则研究得出, 二代杉木林地土壤速效磷含量虽然有些会略低于一代老龄杉木林, 但两者总体上比较接近, 差异不明显, 而全磷含量总体上还略高于一代杉木林, 土壤活性有机磷和中等活性有机磷也是均高于一代老龄杉木林, 说明杉木连栽并没有造成土壤全磷和速效磷含量的明显下降。
　　
　　1.3 富铝
　　
　　杉木主要分布的南方红壤区, 由于高温多雨, 土壤风化强烈, 严重的淋溶作用导致了土壤的富铝化现象, 成为制约杉木人工林生长的主要限制性因子, 阻碍了我国南方林业的可持续发展。铝是土壤中含量最多的金属元素, 多以有机络合态、无机离子态、无机化合物、难溶态、聚合态等多种形式存在, 其中以无机离子态对植物根系的毒害作用最大, 其他形态的铝毒性则较小, 而在非酸性土壤中铝以对植物无害的难溶态存在, 但随着土壤p H值的降低, Al以对大部分植物有毒害的可溶性A1形式存在。随着杉木连栽代数的增加, 土壤p H值会降低, 随之土壤中铝的含量就会升高。通常, 在酸性红壤中铝离子的交换量占土壤阳离子交换总量的20%~80%, 这使得土壤中的阳离子易于缺失, 导致土壤中镁、钾、钙、硼、钼等营养元素的缺乏, 植物生长不良。此外, 肖厚军等[7]研究指出, 活性铝不仅对植物有着很强的毒害作用, 如抑制有丝分裂与DNA的合成、破坏激素平衡、影响酶活性、破坏膜的结构和功能、影响植物对养分的吸收与代谢, 铝含量还与土壤肥力密切相关, 如影响土壤中营养元素的有效性及土壤微生物的活性、促进有毒元素的释放、加速盐基离子的淋失。
　　
　　1.4 化感
　　
　　植物化感物质主要包括酚类、类萜、含氮化合物、聚乙炔和香豆素类次生物质有机化合物等, 大多存在于林下凋落物、根际土壤或各组织器官中, 并可通过不同途径释放到周围环境中, 从而直接或间接作用于自身或周边其他生物的生长。化感主要分为自毒与他毒。曹光球[8]研究指出, 就不同水分水平而言, 同一浓度邻羟基苯甲酸对杉木幼苗叶绿素含量的影响基本表现为随着溶液渗透势的增加, 其对杉木幼苗中叶绿素含量的影响逐渐减小;在同一水分水平下, 随着邻羟基苯甲酸浓度升高, 对杉木幼苗叶绿素含量的影响也呈下降趋势;在完全营养液、缺Ca营养液及缺P营养液这3种营养条件下, 杉木幼苗叶绿素含量基本表现为随着邻羟基苯甲酸浓度的升高呈下降趋势, 抑制效应逐渐增强。庄正等[9]研究指出, 杉木幼苗的形态学指标总体上随着浸提液浓度的上升而下降, 且杉木幼苗的根部对浸提液反应最为敏感, 低浓度时根长显著高于对照, 高浓度时根长显著低于对照, 而茎长、叶长的差异显著性则远不及根长。此外, 张腾[10]通过琼脂混粉法, 将供体植物杉木、马尾松的器官粉末添加到琼脂中, 用以种植水稻、莴苣和萝卜得出, 杉木、马尾松对水稻的化感作用表现为低浓度促进, 高浓度抑制, 而对莴苣和萝卜表现为抑制作用, 并且随浓度的增加而加强, 而靶标植物幼苗叶绿素和蛋白质含量随杉木叶粉末配置浓度的增大而降低。
　　
　　1.5 土壤酶活性
　　
　　土壤酶是存在于土壤中各酶类的总称, 是土壤组成成分之一, 其活性能反映土壤微生物活性的高低、生化强度与方向以及土壤中碳、氮、磷的动态变化, 对土壤肥力具有重要作用。秦国宣等[11]研究发现, 随着第2代杉木林林分年龄的增长, 土壤酶活性逐渐减少, 且土壤酶活性与土壤深度呈反比;此外, 第2代杉木人工林地的土壤酶活性显著低于自然恢复的杉木林地;各类土壤酶活性在四季中的夏季最高, 其他季节则因酶的不同类别而异;土壤酶活性与土壤其他营养元素有着密不可分的关系, 且林地土壤中各种不同酶活性共同作用于土壤, 从而影响其肥力。罗飞等[12]研究表明:土壤酶活性随着p H值的升高而降低, 与全磷、有效磷、速效钾、全氮、水解性氮、有机质含量呈显著正相关;且土壤p H随土层加深而增大, 养分含量及酶活性均随土层加深而减少, 土壤肥力下降。
　　
　　1.6 微生物区系变化
　　
　　土壤微生物的类群、数量与分布等都对土壤的质量产生重要影响, 且微生物与植物根系存在相互促进的作用, 对植物的生长发育起到关键作用。赵萌等[13]研究得出:杉木人工林地土壤中微生物的数量自山洼到山脊逐渐减少;同一立地类型中, 土层中微生物数量与土层深度呈反比;同一立地类型的杉木人工林地土壤微生物总数低于板栗林地;微生物总数、细菌、放线菌的数量与土壤含水率呈显著线性正相关;土壤含水率、土壤温度、全氮及土壤有机碳含量对杉木人工林地中土壤微生物数量的多少起到至关重要的作用。夏志超等[14]研究发现, 常绿阔叶林转变为杉木人工林后, 林地土壤的可培养细菌、放线菌数及微生物生物量碳均呈下降趋势, 且杉木人工林地总磷脂脂肪酸 (PLFAs) 、细菌PLFAs、真菌PLFAs比常绿阔叶林分别降低了49.4%、52.4%和46.6%, 革兰氏阳性和阴性细菌PLFAs远低于常绿阔叶林。相关研究表明, 杉木人工林替代自然林并连栽后, 土壤细菌多样性指数降低, 而土壤真菌多样性指数呈上升趋势, 且自然林土壤中优势真菌种群在第3代杉木林中消失[15-16]。
　　
　　2 杉木人工林地力退化原因
　　
　　2.1 酸沉降加剧
　　
　　随着工农业发展和社会进步, 我国南方地区酸雨现象日益加剧, 土壤是酸沉降最大的承受体, 同时也是植物赖以生存的介质, 而土壤中的盐基离子是植物必需的营养元素, 在酸雨影响下易于淋失, 从而使得土壤中和酸的能力下降, 致使土壤养分库耗竭, 造成人工林生产力下降[17-18]。刘源月等[19]研究发现, 在重度酸雨组实验中, 土壤p H值持续下降至3.71, 土壤酸化明显, 土壤呼吸作用被抑制且呈持续减弱趋势, 进一步加深了土壤酸化程度。刘广深等[20]研究得出, 长期的酸沉降加速了土壤的侵蚀退化, 指出酸沉降主要通过改变土壤胶结物质的数量和性质及土壤的酸碱条件, 使得土壤团聚作用降低而黏粒含量增加, 导致其更易被侵蚀。谢书妮[18]指出, 土壤微生物活性在土壤p H值为3~8范围时保持良好, 土壤p H值的降低抑制了土壤真菌和细菌的产生, 微生物总数及多样性随之减少。罗飞等[21]研究指出, 酸雨区土壤p H值随着土层的加深而增大, 酶活性及养分含量则随之减少。刘菊秀[22]研究指出, 酸沉降与氮沉降量的增加导致森林营养失衡, 加速了森林土壤中重金属的活化, 从而造成对植物的毒害。此外, 酸沉降对杉木生长的直接危害主要表现在使树叶的气孔、角质层及腊被受到损伤, 养分元素淋失, 代谢紊乱及光合作用受到干扰, 导致植被死亡。俞飞等[23]研究发现, 重度酸雨显著影响了杉木幼苗的潜在活性 (Fv/Fo) 和非光化学淬灭系数 (q N) , 在相同p H值酸雨处理下, 季节变化对杉木幼苗的生长量与叶绿素荧光特性有显著影响, 并且酸雨和季节的交互作用对杉木的Fv/Fo和q N也产生显著的影响。
　　
　　2.2 不适宜的营林活动
　　
　　炼山在我国南方杉木人工林栽培中起到过重要作用, 同时也对杉木人工林地力状况有重要影响。林地炼山后, 地表裸露, 使得土壤储水能力减弱, 土壤易板结、容重增加, 地表径流随之增加, 土壤物理性质进一步恶化。相关研究指出, 迹地炼山对杉木林植被及土壤的影响随着时间推移日益减弱, 主要表现在炼山后, 在造林1年时土壤密度增加, 且随着时间的推移, 土壤含水率、密度及毛管孔隙度均有所增加, 而其他土壤因子质量分数则降低, 且杉木植株密度大约在炼山造林后7年达到最大值, 随后降低。
　　皆伐即在一个采伐季节内将伐区上的林木全部伐除的森林主伐方式, 我国多处存在乱砍滥伐、过度采伐的现象, 使得其对土地造成更严重的破坏。相关研究表明, 皆伐作业使得土壤变得更为紧实, 且随着皆伐后时间的推移, 同一土层中的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤总孔隙度和含水率呈现逐渐递减的趋势, 使得土壤自身持水能力减弱, 引起水土流失, 导致炼山后杉木林土壤生态系统的恢复周期更长。
　　
　　2.3 化学肥料不合理施用
　　
　　由于人工林集约化生产过程中不注重平衡施肥, 而长期偏施氮肥等酸性肥料, 导致土壤中的酸性离子大量积累, p H值不断下降, 同时化学肥料的不合理使用在导致土壤环境恶化的同时, 也使杉木林生产量下降。有研究发现, 长期过量而单纯施用某种化肥会使土壤胶体分散、理化性质恶化;长期的单一施肥或偏施氮肥则会导致土壤养分的不平衡, 降低肥料利用率, 甚至可能会造成土壤中营养元素的缺乏或流失;一些生理性肥料的长期施用可能会导致耕地土壤的酸化, 而随着化肥的大量施用, 在影响土壤微生物活性的同时, 也使得土壤中重金属日益积累[24-25]。
　　
　　2.4 单一化连栽种植
　　
　　由于多年来传统的杉木人工林集约经营模式, 使得杉木人工林出现生态系统结构过于简单、水土流失、地力衰退、生物多样性下降、抵御自然灾害能力弱等各种严重的生态问题。杉木纯林连栽会导致土壤质量的下降, 从而影响土地生产力的增长与持续。覃祚玉等[26]研究得出, 随着杉木栽植代数的增加, 土壤通气度、非毛管孔隙度、0~40cm土层涵养水源量等均呈降低趋势, 而土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量及毛管持水量、排水能力、通气度等指标则呈一定的提高趋势。土壤酶参与土壤中各种生物化学过程, 是土壤中重要的化学物质。杉木连栽后土壤酶活性降低, 研究发现一代杉木林土壤酶活性显著高于二代杉木林[27]。随着杉木连栽, 土壤蔗糖酶、脲酶与酸性磷酸酶活性呈现增加趋势, 而土壤群落的生物多样性逐步减少[26]。
　　
　　3 杉木人工林地力维护进展
　　
　　3.1 合理轮作
　　
　　轮作是用地养地相结合的一种生物学措施, 不仅有利于均衡利用土壤养分和防治病、虫、草害, 同时还能有效地调节土壤肥力, 改善土壤理化性状。杨起帆[28]研究了杉木连栽、杉木-马尾松轮作及杉木-马尾松-杉木轮作后土壤物理性质、有机质及全氮含量的变化规律, 发现后两者的土壤水分条件更好, 有机质及全氮含量变化更为规律, 且分析指出在地形相对一致的情况下, 通过马尾松的短期轮作 (10年) 能够有效改善杉木林地土壤肥力状况。
　　
　　3.2 营造混交林
　　
　　混交林可以形成层次多或冠层厚的林分结构, 能够提高林地防护效能和稳定性, 营造杉木混交林可以加速凋落物的分解, 加速土壤营养元素的吸收补充, 且具有一定的防火性。葛乐等[29]试验得出, 杉木林下套种不同树种对林地土壤物理性质有一定程度的改良作用。陈琴等[30]研究指出, 与纯杉木相比, 混交模式有效地提高了非根际区和根际区的土壤有机质含量、有效氮含量以及全氮含量。王华等[31]研究指出, 杉阔混交林与纯林和阔叶林相比, 氮与碳含量均较高。黄钰辉等[32]指出, 混交林土壤相较杉木纯林土壤在p H值与速效氮和速效磷质量分数方面有不同程度的升高。黄冬梅[34]研究指出, 杉木木荷混交林林下植被丰富且数量均衡, 多样性指数为2.27, 更有利于保持水土与有机物分解, 认为营造针阔混交林比杉木纯林更利于林下植物恢复与更新以及维持林地物种多样性, 利于人工林的可持续发展。
　　
　　3.3 适度追肥
　　
　　合理施肥能增加土壤肥力, 提高林木产量。我国南方土壤偏酸, 氮、磷素含量低, 钾素缺乏严重。吕红翠[33]通过袋控施肥表明, 施肥提高了林地土壤p H值和有机质含量, 能够明显促进土壤中全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾养分含量的提高, 并表现出明显的规律性。有关研究表明, 在P相对缺乏的杉木生态系统中, 施磷肥有利于保障植物N/P化学计量的稳定, 有效维持林下植物资源的平衡分配, 施氮肥则显著提高了杉木无性系幼苗的生长, 其中施氮量为1 g/株的指数施肥是杉木幼苗温室培育的适宜方法[34-35]。此外, 陈胜进[36]研究发现, 对杉木林地进行袋控施肥后, 杉木的树高、胸径有所增长, 土壤结构得到改善, 土壤p H值、有机质含量皆呈上升趋势。李宗明等[37]指出, 通过对苗期杉木的叶面施肥, 杉木的苗高、地径、干重及一级苗皆有显著增长。
　　
　　3.4 添加生物炭
　　
　　生物炭是一种新兴的酸性土壤改良剂, 其独特的生物物理化学性质在降低土壤酸度、改良土壤微生物生长环境、提高土壤肥力等方面具有重要的潜在应用价值。有关研究发现, 生物炭有利于土壤聚集水分、降低容重、提高孔隙度等, 且能够很好地调节酸性土壤的p H值, 提高土壤中阳离子交换量[36], 在增加土壤总体酶活性的同时, 可以直接提升土壤中有机碳的含量, 避免土壤中过量氮元素导致的板结和肥力下降, 除此之外, 生物炭能改变我国酸性红壤中不同活性铝的含量, 主要通过降低具有生物毒性的Al含量来缓解铝毒, 从而改善作物生长状况[37-38]。有研究发现, 生物炭可有效增加土壤中有效磷的供给, 且在300℃或400℃下烧制的生物炭更有利于增加土壤有效磷含量, 提高作物对磷素的吸收利用[39]。此外有研究表明, 生物炭对杉木不同发育阶段的影响为:幼龄林>中龄林>老龄林, 且竹炭对土壤改良作用优于木炭[40]。但生物炭的制作成本较高, 因此, 低成本、高产出将是日后研制生物炭的主要方向。
　　
　　3.4 近自然经营
　　
　　近自然营林即将保护森林与经济效益相结合, 同时遵循因地制宜、用地养地相结合、多效益兼顾的原则, 在丰产的同时也能保存较好的地力。近自然营林不仅能保持生物多样性, 而且能够减少水土流失、维护土壤肥力、减少成本。有研究表明, 近自然经营与常规管理相比, 杉木林土壤肥力得到改善, 如土壤水分物理性质改善、土壤养分含量增加等;杉木的平均树高、胸径、单位体积等分别提高8.61%~17.29%、98.24%~17.64%、27.94%~58.46%;且立地条件越差改善幅度越大[41]。也有学者对杉木近自然经营的相关措施提出建议, 认为对于其研究区域的杉木纯林进行近自然改造, 间伐强度不应大于60%;人工补植树种在增加生物多样性的同时, 还能完善林分垂直结构, 其中大叶栎、红锥等是与杉木混交生长较理想的树种[42]。
　　
　　4 研究展望
　　
　　近年来, 杉木人工林地力衰退现象愈演愈烈, 也越来越受到相关学者的重视。今后的研究应更加关注以下几个方面:1) 杉木人工林地力衰退是一个复杂的过程, 涉及土壤物理、化学、微生物以及人类生产经营活动等各方面, 过去的研究大多采用传统的“以空间代时间”的研究方法, 缺乏同一林地上定期的定位观测资料, 得出的研究结论缺乏说服力, 这种研究方法颇受争议, 建立长期定位观测研究以及多学科、综合性的评测地力方法是日后人工林地力衰退研究的重点与方向。2) 高效植物基因型、耐铝杉木等优良新品种的培育及基因工程的应用为应对土壤地力衰退提供了新的对策。针对目前已经筛选出的杉木优良品系, 深入进行基因材料遗传特性、逆境适应特征及营养学机制等方面的研究是开展林木营养遗传改良以及育种的重要保证。3) 生物炭已被证实可以改良土壤理化性质, 在提高土壤酸度、增加磷素有效性、减缓铝毒害、降低自毒及有益于土壤生物生存等方面有显著效果。但目前在林业方面的研究尚鲜有报道, 解释生物炭在林业生态系统中发挥有益功能的根本机制, 阐明其对杉木人工林土壤生态系统产生的长远影响, 是生物炭在杉木人工林大规模应用的根本保障。
　　
　　参考文献
　　
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