人工林地力衰退机理及其防止对策

󰀁问题探讨

人工林地力衰退机理及其防止对策

崔国发

(黑龙江省林科院林业所,哈尔滨150040)

摘要　本文分析了导致人工林地力衰退的因素,主要有:自然地理环境和生态系

统固有的脆弱性;人工林植物群落的结构简单导致功能降低;土壤动物和微生物

区系演变;土壤理化性质和生化特性变化;人工林对营养物质的消耗;营林生产

活动的干扰等。并提出了防止人工林地力衰退的对策。

关键词　人工林　地力衰退　机理　土壤肥力　防止对策

人工林地力衰退问题是营林科学研究的热点。防止人工林地力衰退,维持人工林长期生产力,引起了很多国家林学家们的关注,被认为是今后的重点研究课题(沈国舫,1991)。

J.Evans(1990)认为,地力衰退并不是林业上的特殊问题,在农业、林业和园艺3个植物栽

培领域中,这个问题的性质虽然不同,但实质上是一致的。这个“实质”问题就是人类生产

活动干扰了土壤形成和熟化过程,影响或改变了进展方向。在农业上,要维持作物每年达

到一定的产量水平,一般采取选用优良品种、施肥、病虫害防治和换茬等措施。在林业上,

由于研究人员所处自然地理条件的限制、所研究的人工林生态系统差异,以及考虑问题的

出发点不同,研究内容存在很大差异,由此得出结论也不尽一致,从而提出的防止措施和恢复途径也不相同。

1　人工林地力衰退机理

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的进程,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。导致人工林地力衰退的原因,概括起来,有如下几方面。

1.1　自然地理环境和生态系统固有的脆弱性

热带和亚热带地区的人工林比温带和寒温带地区的人工林容易发生地力衰退。热带

森林,特别是寡营养森林,营养物质集中在植被中,如果森林被采伐,植被受到破坏,营养

物质的恢复是很难的,需要漫长的过程。在北方森林中,特别是在富营养的森林中,土壤保1996 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCH No.5󰀁收稿日期:1995-09-10。持着大部分营养物质,在北方针叶林中,地表以上的有机物约有70%存在于枯枝落叶层

中,而在热带森林中,枯枝落叶层中的有机质仅为6%[1]。由于生物循环的特点不同,决定

了营养元素在森林生态系统中的分配,从而决定了森林采伐利用带走的营养元素的数量,

以及对土壤库养分的消耗。在热带条件下,岩石矿物风化强烈,尤其是化学风化作用,原生矿物绝大部分被分解,

产生大量次生粘土矿物。二层矿物中的高岭石就是在强烈风化作用下的产物,主要分布在

我国热带、亚热带地区的土壤中。高岭石的阳离子交换量最小,为6mg当量/100g±。因此,粘土矿物以高岭石为主的土壤,其保肥性能和供肥能力较低。土壤肥力主要依靠生物

循环的快速率来维持,土壤库养分积累小于植物库。因此,热带地区的土壤具有固有的生

态脆弱性。同时,热带地区土壤中的腐殖质中,富里酸含量大于胡敏酸。富里酸易溶于水,

并呈强酸性,对岩石矿物具有强烈的溶解作用,并且富里酸的各价离子盐均能溶于水,因此在雨量较多的热带和亚热带地区,土壤的腐殖质和养分容易随土壤径流而流失。这是热

带和亚热带土壤肥力易于下降的主要原因之一。Lumdgrem也认为,在湿润和半湿润的热

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退化。

我国北方比较干旱地区的土壤中粘土矿物主要是蒙脱石和伊利石,伊利石和蒙脱石

的阳离子代换量较高,其阳离子代换量分别为每百克土30mg当量和/100mg当量,远远

大于高岭石的代换量。因此,富含伊利石和蒙脱石的土壤具有较高的保肥性能。辽宁省干旱地区的棕壤,其表土的阳离子代换量为28.16mg当量/100g±;黑龙江省东部山地的暗

棕壤的表层土代换量为38mg当量/100g±;内蒙古暗栗钙土的代换量高达91mg当量/

100g±。而南方红壤的代换量一般只有3～10mg当量/100g±[2]。在东北地区的森林土壤中,凋落物一般分解较慢,分解形成的腐殖质中以胡敏酸为主,胡敏酸的二价和三价离子

盐不易溶于水,因此主要沉淀于表层的土壤中,土壤的腐殖质含量较高,因此,土壤不仅具

有较高的保肥和供肥能力,而且具有较大的缓冲性能,人工林地力衰退的现象不明显。

1.2　人工林植物群落的结构简单导致功能降低人工林的林分是以培育的目的树种为绝对优势种群组成的植物群落,培育树种的生

物和生态特性决定了人工林生态系统的物质循环和能量流动。在培育的树种中,针叶树占

较大比例,国外发展面积较大的针叶树有辐射松、火炬松、湿地松、花旗松、欧洲云杉、落叶

松等;国内培育面积最大的树种是杉木和落叶松,同时还引种栽培了一些国外松,如火炬松、湿地松、加勒比松等。大量研究资料表明,针叶树的凋落物不易分解,从而导致营养元

素的生物循环不畅。

在稳定的顶极群落中,虽然针叶树占有不同程度的优势,但却有不同数量的阔叶树及灌木和草本植物伴生。结构简单的人工林生态系统,特别是纯针叶单层林,由于组成树种

生态习性、生态位、吸收特性,与外界物质和能量的交换特性高度一致,造成系统的多样性

下降,缓冲能力弱,反馈调节系统的构成简单,导致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,引起生态系统失去相对平衡的地位。林下灌木和草本植物增加了植物群落组成的多样性。尽管它们的生物量占整个植物群落生物量的比例较小,但是不

同的植物具有不同的吸收特性,占据着各自的生态位,从而增加了系统的缓冲性能,阻滞生态因子单向加强或减弱。同时,伴生的阔叶树,以及林下灌木和草本植物一般都是“乡居62 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCH植物”,在漫长的土壤形成和植物群落演替过程中,其对土壤的生态需求与土壤的生态性

质形成相对一致性。在成熟土壤的熟化过程中,“乡居植物”仍然维护着土壤形成的进展方

向与过程。

在人工林的营造过程中,阔叶树和灌木基本上被清除。同时,当林分郁闭后,培育树种成为绝对优势种群,林下植物难以生存,形成了单层结构,俗称“清膛林”,林分植物群落结

构的变化引起了物质循环等功能的降低,尤其是针叶树的凋落物几乎每年全部分解完毕,

即使在寒温带地区也是如此。针叶树的凋落物则分解较慢,并且养分含量较低,杉木人工林的凋落物当年分解量不到50%[4],在寒冷地区,落叶松的针叶分解速率更慢,一般为

20%～30%,针叶人工林的林木吸收了土壤中的速效养分,在养分归还土壤的过程中,有

相当长的时间处于难利用状态,从而影响到林木的正常生长。营养元素生物循环的阻滞影

响了土壤的熟化过程,从而对土壤肥力性状产生不良影响。1.3　土壤动物和微生物区系演变

人工林的特殊群落结构形成了独特的林下生态环境。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,从而影响了凋落物的分解速率。由于乔木和灌木凋落物组成、贮

量以及根系分泌物的不同,导致不同林分土壤微生物组成和数量的差异。在松阔混交林凋

落物分解过程中,细菌起重要作用,在针叶林的土壤中,真菌在参与难分解的针叶转化过

程中起着较大作用;在相同条件下,松阔混交林土壤中有机残体分解速度比杉木林快;土壤微生物是生态系统中的分解者,在物质循环过程中起着关键性作用。土壤微生物组成和

数量的变化影响到营养元素循环中的凋落物分解环节的过程,从而对营养元素生物循环

产生深刻影响。有关人工林对土壤动物区系的影响的资料较少。许文力等(1991)研究了炼山对土壤动物种群、密度、生物量的影响,结果表明炼山使土壤动物密度显著减少,土壤

动物的活动不仅促进了凋落物的分解,而且改善了土壤的物理性质,因此土壤动物的减少

对土壤肥力产生不利影响。

1.4　土壤理化性质和生化特性变化土壤的理化性质是土壤肥力的环境因素,影响着土壤对林木养分的供应。土壤的生物

化学特性不仅影响到土壤营养元素的转化,而且直接对林木的生长产生影响。

人工林的林木一般为均匀分布,并且林分的密度较大,尤其短周期工业人工林。在林

木的生长过程中,根系的生长对土体产生挤压,从而改变了土体的容重、紧实度及孔隙度等物理性质。营林生产活动,比如机械采运,也会造成土壤板结。土壤容重的大小反映出

土壤透水性、透气性和根系的生长阻力状况。单位土壤容积中的根量随容重的增加而减

少。同时,容重的大小影响细根的分布深度和均匀性,从而影响林木对水分和养分的吸收,进而影响林木的生长,容重与年平均高生长量呈负相关。容重在1.10g/cm3以下的,最适

宜杉木生长;1.10～1.25g/cm3林木生长一般;超过1.30g/cm3时,杉木生长较差,当容重

达到1.5g/cm3,植物根系已难伸入,1.6～1.70g/cm3是根系穿透的临界点,有的粘土在

容重1.58g/cm3时就不能穿人任何植物的根系了[4]。盛炜彤(1992)研究表明,在粘重的土壤条件下,大小孔隙比例是决定杉木根系发育与地上部分生长的重要因素,最适宜杉木生

长的大孔隙应占土壤容积的20%以上,15%～20%为中等,低于15%时生长严重受阻,大小孔隙的适宜比例为1∶2～1∶1;根据杉木生长对土壤水分、容重、孔隙度的要求,确定63人工林地力衰退机理及其防止对策了最适于杉木生长的土壤三相比:液相30%～40%,气相20%～30%,固相40%～50%。

杉木纯林土壤的物理性质的恶化,导致土壤供养、供水能力及氧气含量下降,从而引起林

木生长量下降。

盛炜彤等(1992)研究表明,从常绿阔叶林采伐后栽种杉木林开始,地方衰退就已经开始。随着杉木林连作代数的增加,土壤的酶活性(多酚氧化酶除外)下降;土壤多数酶,如蛋

白酶、转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、中性磷酸酶、过氧化氢酶和过氧化物酶等,在土壤有机质

的分解和转化过程中,以及营养元素的供应过程中都起着关键作用,它们活性的下降直接影响到物质转化和养分的供应状况。这些酶的活性与有机质的含量正相关,土壤有机质数

量的减少将导致土壤酶活性的降低。在有机质腐殖质化过程中,酚类物质不能及时被氧化

成醌,导致在土壤中积累,对林木产生危害,引起杉木林生产力下降[6]。

土壤酸碱性是土壤肥力的环境因素。土壤酸碱度影响土壤微生物活动、土壤有机质的分解、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与迁移。并且各种植物

对土壤的酸碱度都有特定的要求。我国土壤的pH值由北向南有逐渐降低的趋势。土壤酸

度的形成是母质、生物和气候共同作用的结果。分布在热带和亚热带常绿阔叶林下的土壤呈酸性反应,表层土壤的pH值一般小于5.0;暖温带的阔叶林下的棕壤土壤pH为6.0～

7.0;中温带针阔混交林下的土壤一般呈微酸性,表层土壤pH一般在5.5～6.5之间。南

方的红壤和黄壤的酸性反应是由铝离子引起的。在红壤和黄壤的成土过程中,进行着强烈

的脱硅富铝化过程,即富铝化作用。在这一过程中,硅和盐基离子被淋溶,铁和铝发生积聚。同时,黄壤和红壤的腐殖质以富里酸为主,富里酸呈酸性,土壤pH值一般为4.0～

5.0。第一代杉木林大多是在天然或次生常绿阔叶林采伐和烧垦后迹地上更新的。方奇

(1983)研究了杉木林对土壤酸度的影响,结果表明,杉木林并未对土壤的酸度产生深刻的影响。常绿阔叶林、第一代杉木林、第二代杉木林和第三代杉木林的土壤活性酸度pH值

分别为5.05,5.13,4.99,4.98,酸性的变化很小[7]。俞新妥等(1989)在福建省三明市的研

究表明,连作杉木林的土壤活性酸度有增加趋势。土壤酸度的增加,促进了酸性淋溶过程,

使盐基离子溶解于水而被淋失,引起土壤营养元素减少,陈乃全(1990)等曾研究了落叶松人工林对土壤酸度的影响,第二代落叶松和第一代落叶松人工林的A层土壤pH值分别

为6.22和6.03,呈现弱度酸化迹象。土壤酸度是林木生长重要的土壤环境因素,须继续

注视人工林对土壤酸度的影响,并做进一步深入的研究。

土壤阳离子代换量和盐基饱和度是土壤肥力的重要特征指标,指示土壤的蓄养保肥性能和供肥能力。随着杉木连栽代数的增加,盐基代换量下降。

1.5　人工林对营养物质的消耗

现在对人工林的经营一般集约化程度较高,林木充分利用了地上空间和土壤营养物质资源,从而使林分达到了速生、丰产。在林木的形态建成过程中,要消耗大量养分,由于

林木的吸收特性一致,所需营养元素结构相同,土壤库的某些营养元素被大量消耗。在采

伐利用时,被利用部分所含的养分被带出生态系统。

热带和亚热带地区的人工林同样具有天然林的生物循环特点,林木的吸收量大于归还量。达到主伐年龄的杉木林,营养元素年吸收量仍然大于归还量,归还量与吸收量之比,

N为0.45,P为0.49,K为0.29,Ca为0.35,Mg为0.39(冯宗炜,1985)。

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。64 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCH