郭 琦 王新杰 衣曉丹

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

杉木是我國南方特有的速生豐產(chǎn)樹種。目前杉木人工林的面積已達(dá)768.31 萬hm2，占南方人工林面積的60% ～80%［1］。由于杉木林全墾整地、煉山、純林短期輪伐、多代栽植，以及該樹種特有的生物學(xué)特性等，導(dǎo)致土壤逐漸板結(jié)，養(yǎng)分含量急劇下降，生物學(xué)活性顯著降低，致使林地生產(chǎn)力不斷下降，地力衰退日趨嚴(yán)重［1－4］。20 世紀(jì)50年代至今，蓄積量從63 m3/hm2減少到22 m3/hm2，林地肥力下降了1 ～2 個地位級指數(shù)［5］。

林下生物量包括林下植被和林下凋落物。林下生物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，促進(jìn)人工林養(yǎng)分循環(huán)和維護(hù)林地地力具有不可忽視的作用［6－7］。凋落物作為養(yǎng)分的基本載體，在養(yǎng)分循環(huán)中是連接植物與土壤的紐帶，因而，凋落物在養(yǎng)分循環(huán)和維持土壤肥力方面，凋落物有著特別重要的作用［8］。

通過研究林下生物量，分析不同林齡杉木人工林土壤理化性質(zhì)的變化，探討林下生物與杉木人工林土壤理化性質(zhì)的關(guān)系及影響，為杉木人工林地力恢復(fù)提供更多思路。

1 調(diào)查地概況

研究地位于福建省三明市將樂縣，地理坐標(biāo)東經(jīng)117°05' ～117°40'，北緯26°26' ～27°04'，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。海拔400 ～800 m，土壤為山地紅壤。平均氣溫18.8 ℃，年均降水量1 600 mm，降水大多集中在3—8月份。無霜期為171 d，年均相對濕度為83%。主要喬木樹種有:杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana Lamb.)、火力楠(Michelia macclurei Dandy)、樟樹(Cinnamomum camphora (L.)Presl)等。林下灌木種類主要有:苦竹(Pleioblastus amarus)、粗葉榕(Ficus hirta Vahl)、黃毛楤木(Aralia decaisneana Hance)、黃瑞木(Adinandra millettii)、短尾越橘(Vaccinium carlesii Dunn)、檵木(Loropetalum chinensis)等。草本種類有:烏毛蕨(Blechnum orientale Linn.)、烏蕨(Stenoloma chusanum)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)、黑莎草(Gahnia tristis nees)、鐵線蕨(Adiantum capillus-veneris Linn.)等。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)地設(shè)置

2012年分別在杉木幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林內(nèi)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，每種類型設(shè)置3 個標(biāo)準(zhǔn)樣地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為20 m ×30 m。在標(biāo)準(zhǔn)地4 個角設(shè)置4 個面積為5 m×5 m 的灌木樣方，在灌木樣方4 個角和中央設(shè)置5 個面積為1 m ×1 m 的草本樣方;在標(biāo)準(zhǔn)地靠近四角和中央位置設(shè)置5 個1 m×1 m 凋落物樣方。

2.2 林下生物量測定

植被生物量測定:在灌木樣方內(nèi)調(diào)查灌木種類、數(shù)量、株高、地徑等內(nèi)容;每個5 m×5 m 灌木樣方內(nèi)每種灌木選取樣株分為莖、葉、根3 部分測定生物量，稱取各部分質(zhì)量;在標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置的1 m ×1 m 草本樣方內(nèi)，測定草本的種類、蓋度、數(shù)量等，收獲全部草本，按地上和地下2 部分稱取質(zhì)量。灌草稱取質(zhì)量后，各部分均勻取樣并稱取質(zhì)量。將樣品在105℃烘干至恒質(zhì)量，之后稱取樣品干質(zhì)量。

凋落物生物量測定:在標(biāo)準(zhǔn)地的凋落物樣方內(nèi)按照未分解葉、未分解枝、半分解層和完全分解層4部分全部收取并稱重，均勻取樣，105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱取樣品干質(zhì)量。

2.3 土壤測定

在標(biāo)準(zhǔn)地邊挖土壤剖面，每個標(biāo)準(zhǔn)地挖一個剖面，按0 ～5、＞5 ～10、＞10 ～20、＞20 ～30、＞30 ～40 cm 分層用環(huán)刀取樣，每層用環(huán)刀3 次取樣，稱土壤濕質(zhì)量，105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱取土壤干質(zhì)量。土壤密度和孔隙度采用環(huán)刀法測定［9］。土壤元素N用凱氏消煮法;堿解氮用半微量凱氏法;有效磷用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法;速效鉀用中性醋酸鈉提取土壤樣品后，用火焰光度計(jì)測定;有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化－外加熱法［9－10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡杉木純林林下植被生物量

不同林齡階段的杉木純林，林下植被生物量均隨著杉木純林林齡的增加先增后減，近熟林最高。灌木生物量成熟林最高，過熟林明顯下降。草本生物量幼齡林最低，在近熟林階段達(dá)到最大，成過熟林階段有部分下降。

林下植被生物量很大程度上由林分覆蓋度和樹冠結(jié)構(gòu)決定［11］，幼齡林密度高林內(nèi)光照條件差，隨著林木生長自然整枝和稀疏，林內(nèi)光線逐漸增加［12］，成過熟林階段林內(nèi)郁閉度又提高，所以呈現(xiàn)以上的變化趨勢。但是幾種林分間均未達(dá)到顯著差異(表1)。

表1 不同林齡杉木人工純林林下植被生物量kg·hm －2

3.2 林下凋落物存儲量

3.2.1 林下凋落物的質(zhì)量

各個林齡杉木純林凋落物質(zhì)量(表2)除幼齡林，由大到小的順序均為:未分解葉、未分解枝、半分解、完全分解，幼齡林未分解枝大于未分解葉。幼齡林凋落物除未分解枝均為最少。半分解和完全分解層隨林齡呈增加趨勢，完全分解層由0.10 t/hm2增長到1.09 t/hm2;凋落物總量成熟林最高5.01 t/hm2，幼齡林最低2.08 t/hm2。

表2 不同林齡杉木人工純林凋落物質(zhì)量 t·hm －2

不同林齡階段完全分解層質(zhì)量，幼齡林與近、成、過熟林差異顯著，其他均無顯著差異。幼齡林存量最低是由于杉木的枯枝宿存［13］。隨杉木生長，林內(nèi)凋落物總量、半分解和完全分解層質(zhì)量逐漸增加，在成過熟林階段達(dá)到穩(wěn)定。說明隨杉木人工純林生長，林分結(jié)構(gòu)更加完整［13］，更多凋落物被分解，養(yǎng)分將釋放到土壤中去，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。

3.2.2 林下凋落物生物量比例

不同林齡杉木凋落物各組成部分比例(表3)，幼齡林階段未分解枝最多為48.06%，完全分解層僅占4.81%;成熟林未分解枝大于完全分解。其余由大到小的順序?yàn)?未分解葉、半分解、完全分解、未分解枝。

表3 不同林齡杉木人工純林林下凋落物各組成成分的比例 %

杉木不同林齡階段凋落物組成除幼齡林階段外，各部分比例均無顯著差異，成熟林未分解枝比例略高，為22.54%。幼齡林到中齡林階段凋落物分解速率快速提高;成熟林到過熟林階段凋落物總質(zhì)量不變，但半分解和完全分解層比例提高，說明在成熟林到過熟林的階段中更多的未分解物進(jìn)入到完全分解層，分解速率加強(qiáng)，將有更多的凋落物養(yǎng)分回歸到土壤養(yǎng)分。

3.3 不同林齡杉木純林土壤物理性質(zhì)

3.3.1 土壤密度

各林齡階段的杉木純林土壤密度(表4)。各林齡土壤密度隨土壤深度增加基本呈現(xiàn)增加趨勢。土壤密度幼齡林階段最低，土壤密度隨著林齡增加先升高后下降再升高。成熟林時期恢復(fù)到與幼齡林相似的土壤密度(1.36 g/cm3)，過熟林時期又迅速增加到1.61 g/cm3，遠(yuǎn)高于其它林齡階段。

表4 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤密度 g·cm －3

3.3.2 土壤總孔隙度、毛管孔隙度

土壤毛管孔隙度是評價土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，其大小、數(shù)量及分配是土壤物理性質(zhì)的基礎(chǔ)［14］。土壤總孔隙度(表5)和毛管孔隙度(表6)隨土壤深度增加基本呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，隨著林齡的增加先下降后上升再下降?？偪紫抖戎旋g林＞30 ～40 cm 土層最低，為40.63%，成熟林上升到46.32%，過熟林階段又迅速降至36.65.5%;毛管孔隙度＞10 ～20 cm 處幼齡林30.06%、中齡林為25.94%、成熟林恢復(fù)到30.05%、過熟林急劇降至14.28%。說明土壤結(jié)構(gòu)得到了一定程度的恢復(fù)。

表5 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤總孔隙度 %

3.4 不同林齡杉木純林土壤養(yǎng)分

3.4.1 土壤全氮

幼齡林土壤N 元素(表7)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，隨林齡增加N 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降。近熟林階段土壤N 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，在成熟林階段稍有上升。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土壤深度增加沒有顯著變化規(guī)律。不同林齡、不同土壤深度的N 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有顯著差異，說明隨著林齡的增加，土壤N 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較穩(wěn)定。

表6 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤毛管孔隙度 %

表7 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg －1

3.4.2 土壤堿解氮

幼齡林土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表8)最高，表層為0.227 4 g/kg，隨林齡增加土壤內(nèi)堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降明顯，近熟林表層僅為0.129 4 g/kg，到過熟林回升但并不顯著;堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度增加與全氮相似。堿解氮與土壤微生物相關(guān)，從近熟林到過熟林，隨著林木密度及郁閉度下降［15］，提高了林內(nèi)透光度，土壤內(nèi)微生物活躍，提高了土壤內(nèi)堿解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表8 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg －1

3.4.3 土壤速效鉀、有效磷

各層土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)中齡林最高，近熟林降到最低(表9)。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨杉木生長在不同階段呈現(xiàn)出先升高再降低后升高的變化趨勢(表10)。有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度增加各林齡沒有一致的變化規(guī)律，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

3.4.4 土壤有機(jī)碳

土壤有機(jī)碳是反映土壤肥力的一個重要指標(biāo)，對保持土壤肥力具有重要意義［16］。有機(jī)碳含量主要集中于土壤表層(表11)。各林齡隨土壤深度增加有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較明顯的遞減趨勢;各林齡間，幼齡林階段表層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.22 g/kg，近熟林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為25.50 g/kg，過熟林有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)恢復(fù)到35.04 g/kg，呈先下降后上升的趨勢。

表9 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg －1

表10 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg －1

表11 不同土層不同林齡杉木人工純林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg －1

3.5 相關(guān)性

3.5.1 凋落物相關(guān)性

對凋落物進(jìn)行相關(guān)性分析(表12)，可以看出未分解枝與其他部分無顯著相關(guān)性;未分解葉與半分解和完全分階層均有極顯著正相關(guān);完全分解層與半分解層極顯著正相關(guān)。說明凋落物葉的質(zhì)量對半分解和完全分解層的積累有重要的影響，而完全分解層會將分解的養(yǎng)分釋放到土壤，補(bǔ)充因林木生長所吸收的養(yǎng)分。所以，林內(nèi)凋落葉的比例決定了林地土壤養(yǎng)分回歸的程度。

表12 凋落物相關(guān)系數(shù)

3.5.2 凋落物及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

分析凋落物與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性(表13)，除有效磷外，其他元素均與土壤密度呈負(fù)相關(guān);總孔隙度和毛管孔隙度呈正相關(guān)，但均無顯著相關(guān)性;毛管孔隙度與有效磷顯著負(fù)相關(guān)。說明除有效磷以外土壤結(jié)構(gòu)的改善有利于土壤養(yǎng)分的形成，土壤養(yǎng)分的提高也有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善，兩者相輔相成。

林內(nèi)凋落物中半分解和完全分解層質(zhì)量與(除有效磷外)土壤元素呈負(fù)相關(guān)，其中與有機(jī)碳呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān);與土壤密度呈正相關(guān)，與總孔隙度和毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)。其中完全分解層質(zhì)量與土壤密度呈顯著正相關(guān)，與總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)。可能是由于凋落物中的養(yǎng)分要經(jīng)過半分解和完全分解過程之后釋放到土壤，養(yǎng)分歸還存在滯后性，所以當(dāng)半分解和完全分解層質(zhì)量減少時養(yǎng)分才釋放到土壤中。有機(jī)碳主要集中在土壤表層，凋落物分解釋放的養(yǎng)分也主要集中在土壤表層，所以顯著負(fù)相關(guān)，養(yǎng)分的歸還影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成［16］，從而影響土壤結(jié)構(gòu)，完全分解層對土壤的作用更為直接。

表13 凋落物及土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3.5.3 林下植被生物量及土壤物理性質(zhì)相關(guān)性

林下植被各部分及總體生物量與土壤物理性質(zhì)均無顯著相關(guān)性(表14)。對比凋落物生物量，說明杉木人工純林林下植被生物量對土壤物理性質(zhì)的影響力小于凋落物。

表14 林下植被生物量與土壤物理性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

杉木人工純林林下植被生物量隨林齡增長先增加后降低，在近、成熟林階段達(dá)到最大。林下植被生物量與林內(nèi)光照等條件密切，隨著杉木純林自然稀疏、整枝和郁閉，林下植被才會出現(xiàn)上述趨勢。

凋落物隨著林齡的增長會逐漸增加。杉木幼齡林到中齡林階段，成熟林到過熟林階段凋落物分解速率提高，更多的未分解枝葉進(jìn)入半分解和完全分解層，更多的養(yǎng)分將會歸還土壤。

杉木人工純林在幼齡林階段土壤結(jié)構(gòu)最好，有機(jī)養(yǎng)分及有效養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高［17］，養(yǎng)分歸還速度相對較慢，歸還與吸收相比，存在時間上的滯后性。前期生長階段地力逐漸衰退，在杉木林培育營造過程中，適當(dāng)?shù)难娱L造林時間，土壤理化性質(zhì)會得到一定程度的恢復(fù)，但生長期延長時間還有待進(jìn)一步研究。

凋落葉所占比例決定了林分內(nèi)養(yǎng)分歸還土壤的多少，所以保留林下凋落物，促進(jìn)凋落物的分解對于林地地力保持和恢復(fù)有一定的積極意義。現(xiàn)有的人工清理凋落物等措施會加速人工杉木林土壤地力的衰退。

［1］ 焦如珍，楊承棟，屠星南，等.杉木人工林不同發(fā)育階段林下植被、土壤微生物、酶活性及養(yǎng)分的變化［J］.林業(yè)科學(xué)研究，1997，10(4):373－379.

［2］ 李昌華.杉木人工林和闊葉雜木林土壤養(yǎng)分平衡因素差異的初步研究［J］.土壤學(xué)報，1981，18(3):255－261.

［3］ 方奇.杉木連栽對土壤肥力及其林木生長的影響［J］.林業(yè)科學(xué)，1987，23(4):389－397.

［4］ Kimmens.Forest Ecology［M］.New York:Macmillan Publishing Company，1987.

［5］ 鐘羨芳.連栽杉木人工林地力衰退原因及對策［C］//福建省水土保持學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會論文集.福建泰寧:福建省水土保持學(xué)會，2006.

［6］ 潘維儔，田大倫，雷志星，等.杉木人工林養(yǎng)分循環(huán)的研究(二):丘陵區(qū)速生杉木林的養(yǎng)分含量、積累速率和生物循環(huán)［J］.中南林學(xué)院學(xué)報，1983，3(1):1－17.

［7］ 馮宗煒，陳楚瑩，王開平，等.亞熱帶杉木純林生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的積累、分配和循環(huán)的研究［J］.植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)叢刊，1985，9(4):245－256.

［8］ 費(fèi)鵬飛.森林凋落物對林地土壤肥力的影響［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報，2009，15(13):55－56.

［9］ 舒洪嵐.杉木人工林土壤理化性質(zhì)及酶活性的變化規(guī)律［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(9):81－83.

［10］ 陳金林，俞元春，羅汝英，等.杉木、馬尾松、甜櫧等林分下土壤養(yǎng)分狀況研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，1998，11(6):586－591.

［11］ 陳民生，趙京嵐，劉杰，等.人工林林下植被研究進(jìn)展［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，39(2):321－325.

［12］ 王玉，郭建斌.黃土高原半干旱區(qū)側(cè)柏人工林群落物種多樣性研究［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2007，32(4):22－26.

［13］ 周麗麗，蔡麗平，馬祥慶，等.不同發(fā)育階段杉木人工林凋落物的生態(tài)水文功能［J］.水土保持學(xué)報，2012，26(5):249－253.

［14］ 王榮偉.不同營林措施對杉木人工林生長及土壤肥力的影響［D］.福州:福建農(nóng)林大學(xué)，2012.

［15］ 胡亞利，孫向陽，張建國，等.杉木人工林土壤養(yǎng)分變化規(guī)律［J］.河北林業(yè)科技，2007(1):9－11.

［16］ 王清奎，汪思龍，馮宗煒，等.杉木人工林土壤有機(jī)質(zhì)研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15(10):1947－1952.

［17］ 葉學(xué)華，羅嗣義.杉木人工林地力衰退研究概述［J］.江西林業(yè)科技，2001(6):42－45.