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        應(yīng)用模型模擬施肥對(duì)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的影響1)

        2021-02-10 11:17:14尤佳鄭吉
        關(guān)鍵詞:生長(zhǎng)

        尤佳 鄭吉

        (上海交通大學(xué),上海 ,200240)(上海長(zhǎng)三角區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化與綜合治理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站)

        康宏樟 劉春江

        (上海交通大學(xué))(國(guó)家林業(yè)和草原局上海城市森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站)

        在人工用材林經(jīng)營(yíng)中,施肥是一種重要育林學(xué)措施。施肥能夠補(bǔ)充由于整地、采伐造成的土壤營(yíng)養(yǎng)元素缺乏,提高木材產(chǎn)量和質(zhì)量,增加經(jīng)營(yíng)者經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。同時(shí),施肥能夠改善林分生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程,提升林分其它服務(wù)功能,如土壤腐殖質(zhì)積累、生物多樣性、景觀等[5-7]。研究人工林施肥種類、施肥量及其長(zhǎng)期效果,具有重要的生態(tài)學(xué)理論意義和林業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)作用。

        我國(guó)從70年代中期開(kāi)始林地施肥試驗(yàn)和生產(chǎn)性施肥,目前已積累了許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)[1]。特別是,杉木用材林是進(jìn)行施肥試驗(yàn)和經(jīng)營(yíng)最多的樹(shù)種之一,并取得了一些較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如,相比于氮(N)肥,杉木對(duì)磷(P)肥具有更高的敏感性[8-9];相比于較好立地,施肥對(duì)較差立地林木具有更明顯的影響;相比單獨(dú)施用,N、P和鉀(K)肥混合使用具有更好的效果[10]。但是,在杉木人工林施肥研究中,還存在一些問(wèn)題,例如,在幼林開(kāi)展施肥試驗(yàn)較多,中齡林試驗(yàn)較少,在不同輪伐期林分連續(xù)開(kāi)展的試驗(yàn)較少[9];施肥試驗(yàn)多在較好立地林分進(jìn)行,以便確定速生豐產(chǎn)措施,但在不同立地類型(好、中、差)林分開(kāi)展的對(duì)比試驗(yàn)較少,無(wú)法了解同樣的施肥(經(jīng)濟(jì)投資)在不同立地類型的收益[7]。另外,土壤貧瘠、營(yíng)養(yǎng)元素含量低是低效人工林形成的重要原因,然而,利用施肥進(jìn)行低效人工林改造的試驗(yàn)較少[10]?;谏鷳B(tài)系統(tǒng)過(guò)程的FORECAST模型具有強(qiáng)大模擬經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)人工林生長(zhǎng)、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和功能影響的能力,且可以進(jìn)行多種情景分析,彌補(bǔ)不同立地類型、長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題[11-13]。特別是,F(xiàn)ORECAST模型模擬建立在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了林分—土壤養(yǎng)分獲得性之間反饋關(guān)系,具有良好的模擬人工林施肥效應(yīng)的功能[14]。

        在本研究中,利用FORECAST模型模擬N和P施肥對(duì)杉木人工林生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,其主要目的有以下3個(gè)方面:第一,設(shè)置好、中、差3種立地類型情景進(jìn)行模擬分析,加深理解施肥對(duì)不同類型立地杉木林分的影響效果,為進(jìn)一步開(kāi)展基于施肥對(duì)經(jīng)濟(jì)效益(木材產(chǎn)量)和生態(tài)效益(土壤腐殖質(zhì)積累)分析提供理論根據(jù)。尤其是,在本次模擬試驗(yàn)中,特別關(guān)注較差立地杉木林分對(duì)施肥的敏感性,探討施肥改造低效人工林效果。第二,進(jìn)行杉木人工林生長(zhǎng)(優(yōu)勢(shì)木高、平均胸徑等)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程(林木生物量、土壤腐殖質(zhì)、林分凋落量等)對(duì)N、P施肥的敏感性分析,理清土壤N、P獲得性對(duì)杉木林分生態(tài)系統(tǒng)影響,深入了解N、P降低對(duì)杉木林分土壤肥力影響,加深理解低效人工林形成機(jī)制。第三,純林連茬是杉木人工林經(jīng)營(yíng)的傳統(tǒng)方式,也是造成林地肥力衰退、木材產(chǎn)量降低的重要原因。在本次模型模擬中,將開(kāi)展連續(xù)多個(gè)輪伐期的模擬研究,揭示杉木林分土壤施肥的長(zhǎng)期影響,彌補(bǔ)野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足。

        1 研究區(qū)概況

        本次模擬試驗(yàn)林分背景資料來(lái)源于亞熱帶中心區(qū)域江西和湖南杉木林分。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,形成水熱同期特點(diǎn)。研究區(qū)年降水量為1 000~1 600 mm/a,區(qū)域內(nèi)變異較大,一般春、夏兩季降雨較多;年平均氣溫17 ℃,湖南省及江西省南部年均溫可達(dá)18 ℃以上[15]。該區(qū)域地帶性植被為常綠闊葉。該區(qū)域土壤類型以紅壤土為主,黃土、棕土等也有分布,紅壤主要分布在低山丘陵區(qū),是人工用材林和經(jīng)濟(jì)林理想?yún)^(qū)域。

        亞熱帶中心區(qū)域有長(zhǎng)期的杉木林分經(jīng)營(yíng)歷史,既有生長(zhǎng)良好的速生豐產(chǎn)林,同時(shí)也有林地肥力退化、生長(zhǎng)不良的低效林分[16]。該地杉木人工林土壤營(yíng)養(yǎng)元素有兩個(gè)明顯的特點(diǎn),一是基于長(zhǎng)期地質(zhì)風(fēng)化和經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致的土壤P缺乏,P成為林分生長(zhǎng)的限制性元素[17-18];二是該地區(qū)較高的大氣N沉降,影響了當(dāng)?shù)亓址稚鷳B(tài)系統(tǒng)過(guò)程。例如,在江西省分宜縣林場(chǎng)的杉木林和馬尾松林分,每年降雨N輸入分別為60.6和57.0 kg·hm-2[19]。如此高的N沉降,導(dǎo)致土壤酸性提高,鹽基元素淋失,可能強(qiáng)化了基于化學(xué)計(jì)量比值的相對(duì)P元素缺乏。

        2 研究方法

        FORECAST(Forestry and Environmental Change Assessment)是一個(gè)基于林分水平的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型,涉及森林生物產(chǎn)量與林分結(jié)構(gòu)、演替階段、營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸途徑及與各種經(jīng)營(yíng)管理措施作用(圖1)[11-12]。FORECAST模型的主要價(jià)值在于對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)轉(zhuǎn)換不同的森林管理策略可能造成的結(jié)果進(jìn)行排序,能夠找出各種需要的可選方案和預(yù)測(cè)未來(lái)森林的生長(zhǎng)和主要分布區(qū)的變化。

        近20 a來(lái),F(xiàn)ORECAST模型已在歐洲、北美、亞洲等地的人工林經(jīng)營(yíng)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外研究中,涉及的樹(shù)種包括黑松(加拿大)、歐洲赤松(西班牙)、花旗松(美國(guó))[14];在我國(guó)涉及到的樹(shù)種包括杉木[13],長(zhǎng)白落葉樹(shù)[20]、馬尾松和云杉[14]、水杉[21]等。這些案例顯示,F(xiàn)ORECAST模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,能夠較好反映人工干擾對(duì)杉木生態(tài)系統(tǒng)的影響。這次模型中的立地條件、林分生長(zhǎng)等參數(shù),依據(jù)長(zhǎng)江中游地區(qū)(湖南會(huì)同)杉木林分試驗(yàn)結(jié)果[3,16]。

        立地類型。為了了解施肥對(duì)不同立地杉木林分的影響,在模型模擬中,依據(jù)杉木人工林分布、生長(zhǎng)、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程特點(diǎn)以及經(jīng)營(yíng)措施特點(diǎn),設(shè)置好立地、中等立地和差立地等。在如此好、中、差3類立地類型中,立地條件與長(zhǎng)江中游地區(qū)常見(jiàn)的山脊、山坡、山麓(山谷)林型[3]相對(duì)應(yīng),或者與該地區(qū)高、中、低地位指數(shù)[22]相對(duì)應(yīng)。

        林分經(jīng)營(yíng)措施。在模型模擬中,杉木林分經(jīng)營(yíng)措施(如整地、造林、撫育、輪伐期、采伐等)情景設(shè)計(jì)如下:1)輪伐期25 a,每次收獲實(shí)行皆伐;2)林分收獲采伐后,采伐剩余物留在林地,進(jìn)行穴狀(沒(méi)有煉山)整地,1年生苗栽植造林,初植為密度3 000株/hm2;3)在幼林期間,進(jìn)行一次林下植物清除、沒(méi)有進(jìn)行間伐。這些經(jīng)營(yíng)措施依據(jù)杉木林分經(jīng)營(yíng)實(shí)踐和試驗(yàn)結(jié)果[3,16,23]。

        施肥水平。施肥情景試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:1)3個(gè)水平N肥添加試驗(yàn)40、80、120 kg·hm-2;2)2個(gè)水平P肥添加試驗(yàn)10、20、50 kg·hm-2;3)N和P混合施肥N80 kg·hm-2+P50 kg·hm-2(表1)。每個(gè)輪伐期為25 a,在輪伐期的第10年進(jìn)行施肥。這些林分施肥情景據(jù)根據(jù)已開(kāi)展的杉木林分試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置[1,3,7-10]。

        表1 杉木人工林施肥模擬情景設(shè)置*

        3 結(jié)果與分析

        3.1 施用N肥對(duì)杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程影響

        根據(jù)模擬結(jié)果,與對(duì)照林分相比,在3類立地條件下,N肥的3種施肥強(qiáng)度(40、80和120 kg·hm-2)對(duì)杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響;另外,隨著輪伐期進(jìn)行,僅使用N肥的結(jié)果與對(duì)照林分一樣,林分林木生物量、優(yōu)勢(shì)木高、土壤腐殖質(zhì)含量和林分葉年凋落量都在降低(圖1)。

        圖1 在好立地條件下不同輪伐期杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)不同N施肥量的響應(yīng)

        在好立地條件下,與第1輪伐期相比,第4輪伐期末林分林木生物量約降低22%,優(yōu)勢(shì)木高約降低8%,平均胸徑約降低11%,土壤腐殖質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約降低19%(圖1)。同樣,在中等和差立地條件,這些指標(biāo)也都有相似幅度的降低。這些結(jié)果表明,在這些林分中,施用N肥不但沒(méi)有促進(jìn)林分生長(zhǎng),反而會(huì)產(chǎn)生一些抑制作用。

        3.2 施用P肥對(duì)杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程影響

        根據(jù)模擬結(jié)果,在3類立地條件下,與對(duì)照林分(沒(méi)有施肥)相比,兩種P肥的施肥水平(10和50 kg·hm-2)對(duì)杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都產(chǎn)生了明顯的影響,體現(xiàn)在4個(gè)方面。

        第一,隨著輪伐期進(jìn)行,在2種P肥使用量(10、50 kg·hm-2)條件下,林分生長(zhǎng)指標(biāo)均在持續(xù)提高。例如,在好立地條件下,與未施肥林分相比,50 kg·hm-2施肥量第1輪伐期林木生物量提高13%,第2輪伐期提高34%,第3輪伐期提高47%,第4輪伐期提高60%(圖2)。在中等和差立地條件下,各個(gè)輪伐期林木生物量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),而且增加幅度要高于好立地林分。

        圖2 好立地條件下不同輪伐期杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)不同P施肥量的響應(yīng)

        第二,P肥對(duì)差立地林分作用要大于好立地林分。例如,與對(duì)照林分相比,使用P肥(10和50 kg·hm-2)時(shí),好立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)分別提高27%、50%和5%(圖2),差立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分別提高50%、66%和16%,中等立地各項(xiàng)指標(biāo)的增加量處于二者之間。

        第三,隨著P肥施肥量增加,各項(xiàng)林分生長(zhǎng)指標(biāo)都有明顯增加。例如,在中等立地條件林分,施肥量P10林分的第1、2、3、4輪伐期林木生物量為96、120、117、118 t·hm-2,施肥量P50林分的第1、2、3、4輪伐期林木生物量為101、133、143、147 t·hm-2水平。在P10和P50施肥條件下,好立地和差立地林分也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)。

        第四,施P肥顯示出明顯的累積效應(yīng),即后面輪伐期生長(zhǎng)指標(biāo)要高于第1個(gè)輪伐期。例如,在好立地進(jìn)行P10施肥時(shí),第1、2、3、4輪伐期林分林木生物量分別是159、189、184、186 t·hm-2,與第1輪伐期相比,分別增加19%、16%和17%(圖2);在差立地進(jìn)行P10施肥時(shí),第1、2、3、4輪伐期林分林木生物量分別是45、61、68、71 t·hm-2,與第1輪伐期相比,分別增加36%、51%和58%。在好立地進(jìn)行P50施肥時(shí),第1、2、3、4輪伐期林分林木生物量分別是162、209、230、240 t·hm-2,與第1輪伐期相比,分別增加29%、42%和48%(圖2);在差立地進(jìn)行P50施肥時(shí),第1、2、3、4輪伐期林分林木生物量分別是50、76、84、90 t·hm-2,與第1輪伐期相比,分別增加49%、68%和80%。這些數(shù)據(jù)不僅顯示了P肥對(duì)林地肥力具有長(zhǎng)期改善累積效果,而且表明在差立地P肥的累積效果要高于好立地林分。

        3.3 施用N和P混合肥對(duì)杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程影響

        當(dāng)N和P肥混合(N80 kg·hm-2+P50 kg·hm-2)施用時(shí),以每個(gè)輪伐期各項(xiàng)指標(biāo)平均而言,好立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)分別提高30%、41%和5%(圖3),差立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可分別提高48%、76%和15%。這些數(shù)據(jù)表明,在差立地林分混合N和P肥使用的相對(duì)效果要高于好立地林分。

        圖3 在好立地條件下不同輪伐期杉木林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)不同施肥量的響應(yīng)

        另外,N和P肥混合施用也顯示出明顯的長(zhǎng)期累積效應(yīng),即對(duì)于每一種施肥處理而言,后一個(gè)輪伐期生長(zhǎng)指標(biāo)要高于前一個(gè)輪伐期。例如,在1、2、3、4輪伐期,好立地施肥林分林木生物量分別是199、259、283、294 t·hm-2(圖3),差立地施肥林分林木生物量分別是61、107、129、139 t·hm-2。這些結(jié)果顯示,混合N和P施肥對(duì)林地肥力具有長(zhǎng)期改善累積效果。

        4 結(jié)論與討論

        4.1 杉木林分對(duì)P肥的敏感性及其機(jī)制

        本次模擬表明,單施N肥(40、80和120 kg·hm-2)沒(méi)有明顯影響杉木林分的生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程,而林分施P(10和50 kg·hm-2)后效果顯著。例如,與對(duì)照林分相比,使用P肥(10和50 kg·hm-2)時(shí),好立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)分別提高27%、50%和5%,差立地杉木生物量、優(yōu)勢(shì)木高和土壤有機(jī)質(zhì)含量可分別提高50%、66%和16%。這些結(jié)果反映了該地區(qū)杉木林分對(duì)P元素變化的敏感性。該結(jié)果與一些湖南會(huì)同杉木林分施肥試驗(yàn)相一致,例如,陳楚瑩等[3]的試驗(yàn)表明,施N肥反而降低了杉木幼林生長(zhǎng)。唐明榮等[6]在硅質(zhì)黃紅壤研究發(fā)現(xiàn),杉木幼林單施氮肥和鉀肥對(duì)杉木幼林生長(zhǎng)無(wú)顯著效應(yīng),施磷肥效應(yīng)顯著,如造林當(dāng)年及第3年各施鈣鎂磷肥50 g/株,與對(duì)照比較,杉木幼林地徑、胸徑、樹(shù)高、蓄積分別增加15%、18%和53%。對(duì)幼林(8年生)的試驗(yàn)表明,杉木對(duì)P肥最為敏感,而N和K肥的效果較差;在N、P、K肥混合使用時(shí),蓄積量可提高45%[1]。在江西分宜(板巖區(qū)域)施肥試驗(yàn)也表明,杉木幼林和中齡林均對(duì)P肥具有更大的敏感性[4]。在福建對(duì)不同家系杉木林分試驗(yàn)也表明,施用P肥對(duì)林分生長(zhǎng)具有更顯著的影響[8]。

        P肥試驗(yàn)和模擬結(jié)果與亞熱帶基于富P礦區(qū)土壤情形觀察是一致的。在亞熱帶富P礦區(qū),土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù)是非P礦地區(qū)土壤的10倍,同時(shí)富P立地土壤有機(jī)質(zhì)、其它主要營(yíng)養(yǎng)元素含量也會(huì)提高幾倍,植物葉元素含量也有顯著增高[24]。根據(jù)Wen et al.[24]觀察,P礦區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素增高機(jī)制:1)與亞熱帶非P礦區(qū)不同,富P礦區(qū)巖石的風(fēng)化可持續(xù)提供P元素,從而提高植物群落生產(chǎn)力和干物質(zhì)積累;2)高生產(chǎn)力群落,具有高植物凋落量,形成更多腐殖質(zhì);3)由于腐殖質(zhì)有機(jī)膠體對(duì)金屬離子的表面吸附和離子交換吸附作用、腐殖酸對(duì)元素的整合作用與絡(luò)合作用,土壤腐殖質(zhì)能夠固持多種元素,減少了營(yíng)養(yǎng)元素的淋溶損失。同時(shí),腐殖質(zhì)還具有多空隙特性,保持土壤疏松,涵養(yǎng)水分功能。由此可見(jiàn),在亞熱帶地區(qū)P元素功能特殊性。

        圖4 在好立地25 a生杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分N和P儲(chǔ)量

        在人工林生態(tài)系統(tǒng),N元素來(lái)源有植物固N(yùn)、大氣N沉降等,在一定程度上,可以彌補(bǔ)人工經(jīng)營(yíng)活動(dòng)(例如,煉山、采伐等)造成的N匱缺,使得林分生長(zhǎng)對(duì)N肥不敏感。例如,在江西省分宜縣林場(chǎng)的杉木林和馬尾松林分,每年降雨N輸入分別為60.6和57.0 kg·hm-2[19]。陳楚瑩等[3]調(diào)查表明,在湖南會(huì)同地區(qū),20年生杉木林分年N吸收量約為40 kg·hm-2;若25年生林分進(jìn)行收獲,木材采伐帶走約N110 kg·hm-2。由這些數(shù)據(jù)可知,每年大氣N沉降基本上可以彌補(bǔ)林分N年吸收量,由此可知,杉木林分不是對(duì)N肥不敏感,而是大氣N沉降使得林分土壤供應(yīng)已經(jīng)充分了,而施入的N已是多余的部分。

        亞熱帶地區(qū)土壤富鐵(Fe)特點(diǎn),P易于與Fe結(jié)合,降低了土壤P的可利用性,是驅(qū)動(dòng)土壤相對(duì)性P缺乏重要因子[25-26]。與杉木純林相比,異齡復(fù)層的杉闊混交林往往具有更好的土壤P儲(chǔ)存和供應(yīng)能力[27]。此外,杉木人工林純林連栽、煉山、采伐剩余物去除等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)都會(huì)降低土壤P質(zhì)量分?jǐn)?shù);同時(shí),除了巖石風(fēng)化外,沒(méi)有其它任何P輸入,結(jié)果導(dǎo)致強(qiáng)烈的土壤P匱乏[18]。例如,在湖南會(huì)同的調(diào)查表明,好立地20年生杉木林分表層(10~45 cm)土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.37~0.60 g/kg,有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~25 mg/kg,土壤有效P儲(chǔ)量?jī)H為15 kg·hm-2;林分林木(樹(shù)皮、干材、樹(shù)枝、樹(shù)葉、根系等)P儲(chǔ)量為120 kg·hm-2,其中干材和樹(shù)皮P儲(chǔ)量為54 kg·hm-2;植物(林木、林下植物等)年吸收量為16 kg·hm-2[3]。每次木材采伐、采伐剩余物去除帶去大量P137 kg·hm-2,一次煉山后6 a內(nèi)會(huì)增加徑流P流失10 kg·hm-2,而林木年吸收量16 kg·hm-2,凋落物歸還僅8 kg·hm-2,都會(huì)導(dǎo)致林分土壤P匱乏(表2)。在本次模擬中,兩個(gè)P肥水平(10、50 kg·hm-2)無(wú)法彌補(bǔ)林分一個(gè)輪伐期經(jīng)營(yíng)過(guò)程中流失(約140 kg·hm-2);在此P肥匱缺條件下,P肥使用對(duì)杉木生長(zhǎng)極為重要,因而杉木林分對(duì)施P肥表現(xiàn)出了較高的敏感性。

        植物林分生長(zhǎng)對(duì)P肥的敏感性,從一個(gè)相反的角度說(shuō)明,現(xiàn)行的整地(煉山)、純林連栽、采伐剩余物去除等措施對(duì)林地土壤P元素影響的嚴(yán)重性。在這些造林措施中,大量營(yíng)養(yǎng)元素被移除林分生態(tài)系統(tǒng),土壤腐殖質(zhì)受到嚴(yán)重?fù)p壞,大量礦質(zhì)元素隨徑流淋溶,而許多礦質(zhì)元素是永久性損失,而連續(xù)純林連栽使得這種損失累積[4,28]。因此,通過(guò)杉木人工經(jīng)營(yíng)措施對(duì)降低土壤P元素嚴(yán)重性、施P肥對(duì)杉木林分敏感性,可以看出,土壤P損失是杉木人工林地力衰退、低效林形成核心問(wèn)題;而其機(jī)理可以表述為,杉木林分經(jīng)營(yíng)措施導(dǎo)于有機(jī)質(zhì)損失,導(dǎo)致P和其它元素流失;同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)損失也會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞,降低水分涵養(yǎng)潛力??傊瑢?duì)與杉木人工林而言,基于地質(zhì)和人工經(jīng)營(yíng)活動(dòng)而導(dǎo)致土壤P匱乏是導(dǎo)致杉木低效林形成的核心問(wèn)題。

        4.2 施肥對(duì)杉木林分生長(zhǎng)效果的累加性及其機(jī)制

        模擬結(jié)果表明,在每個(gè)輪伐期施用肥量相同,但是,與前一個(gè)輪伐期相比,后一個(gè)輪伐期林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)都在持續(xù)增加,意味著林分施肥效果具有一定的累加性效應(yīng)。例如,在中等立地杉木林分P50施肥試驗(yàn)中,從第1到第4輪伐期,林分優(yōu)勢(shì)木高依次為12、15、16和16 m,林木生物量依次為101、133、143和147 t·hm-2,土壤腐殖質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為78、78、79、80 t·hm-2,葉凋落量依次為1.3、1.7、2.0和2.1 t·hm-2;在好立地和差立地林分,也都有類似的變化格局。

        一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期試驗(yàn)觀察研究發(fā)現(xiàn),杉木林分(施肥量為N225、P75和K75 kg·hm-2)施肥17年后,比對(duì)照林分樹(shù)高增加20%,胸徑增加14%,土壤有機(jī)質(zhì)增加17%~24%,全氮增加12%~15%,速效氮增加13%~66%,速效磷增加14%~24%,速效鉀增加7%~36%[29]。研究者認(rèn)為,林地施肥后,促進(jìn)林木生長(zhǎng),強(qiáng)化了林分內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物循環(huán),即有利于地上枯枝落葉在地面的積累及腐殖化和礦質(zhì)化的進(jìn)行,同時(shí)土壤微生物群也由此更為活躍,因而增加其土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及提高土壤速效氮、速效磷和速效鉀的水平。

        在杉木林分中,隨著輪伐期延長(zhǎng),不同土壤形態(tài)P質(zhì)量分?jǐn)?shù)和所占比例會(huì)發(fā)生明顯變化,也表明在短輪伐期經(jīng)營(yíng)下杉木林分土壤P元素的不確定性和對(duì)P肥敏感性原因。根據(jù)湖南會(huì)同杉木森林定位觀測(cè)結(jié)果[18],凋落物的輸入和累積促使有機(jī)層土壤可溶性磷、活性無(wú)機(jī)磷和礦物質(zhì)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡增加而顯著增加;隨林齡增加而增加的P年吸收量消耗土壤中的P,使得礦質(zhì)土中的活性無(wú)機(jī)磷和礦物質(zhì)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降;隨林齡增加而下降的根際土壤pH和檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù),促使根際正磷酸根離子與Fe和Al氫氧化物結(jié)合而沉淀,從而增加根際活性無(wú)機(jī)磷和礦物質(zhì)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù);在所有林齡階段,活性有機(jī)磷持續(xù)的被酸性磷酸酶礦化而轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)P形態(tài),供植物吸收利用。另外,隨林齡增加,P逐漸參與生物學(xué)循環(huán),這意味著人工林輪伐期的延長(zhǎng),可能是增加P供應(yīng)的有效措施之一[17]。而在現(xiàn)實(shí)中,大多數(shù)杉木林分多實(shí)行短輪伐期和連栽,形成了與上述P積累過(guò)程相反的一個(gè)逆過(guò)程,會(huì)使林分土壤形成更為強(qiáng)烈的P匱乏。

        在杉木林分施肥中,如此后續(xù)增強(qiáng)效應(yīng)主要機(jī)理可能是,施肥提高了生產(chǎn)力,也增加枯落物凋落量和營(yíng)養(yǎng)元素含量,進(jìn)而促進(jìn)了更多腐殖質(zhì)形成和積累,提高了土壤肥力,也為下一輪伐期林分生長(zhǎng)奠定了更好的基礎(chǔ)。根據(jù)陳金林等[8]調(diào)查,施肥不僅提高生長(zhǎng),也能顯著增加林分葉生物量。有關(guān)研究表明,施肥不僅提高了杉木生長(zhǎng),而且也明顯增加了林分土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7];不僅能顯著增加杉木葉營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和林分生長(zhǎng),也提高了元素歸還量[30]。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明,施肥不僅增加當(dāng)年或當(dāng)輪伐期生長(zhǎng),也通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程增加了土壤肥力,影響了下一個(gè)輪伐期土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)功能。

        4.3 N和P復(fù)合肥對(duì)杉木林分影響

        本次模擬結(jié)果表明,與N80施肥相比,N80P50復(fù)合施肥對(duì)杉木林分優(yōu)勢(shì)木高和其它指標(biāo)均有明顯的促進(jìn)作用;但是與P50施肥林分相比,N80P50復(fù)合施肥對(duì)林分各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有明顯作用。這些對(duì)比數(shù)據(jù)表明,杉木林分對(duì)土壤P施肥具有更強(qiáng)的敏感性。

        在中亞熱帶黃紅壤上中等立地條件、間伐后2 700株·hm-2的10 a杉木林施肥結(jié)果表明,單施N200 kg·hm-2,可增加蓄積量40.9 m3·hm-2;單施P2O5400 kg·hm-2,可增加蓄積量31.0 m3·hm-2;而單施鉀肥肥效不明顯;每公頃施200 kg N、200 kg P2O5、200 kg K2O,可增加蓄積49.1 m3·hm-2顯示了復(fù)合施肥效益[5];李貽銓等[2]對(duì)亞熱帶丘陵黃紅壤區(qū)杉木中齡林間伐后4 a施肥試驗(yàn)表明,施肥當(dāng)年效應(yīng)不明顯,第2、3年N肥效應(yīng)極顯著。在蓄積和胸徑增長(zhǎng)上,P肥有效、K肥效應(yīng)低;P、K肥單施效應(yīng)低于N、P及N、P、K混合施肥[2]。

        由于我國(guó)的中東部是大氣N沉降的嚴(yán)重區(qū)域,林分土壤N飽和會(huì)造成一系列生態(tài)問(wèn)題,在這些區(qū)域進(jìn)行林分進(jìn)行N施肥需要慎重考慮[19-31]。綜合模型模擬和林地施肥試驗(yàn)結(jié)果可知,杉木林分土壤缺P(pán)是一個(gè)普遍問(wèn)題,施用P肥顯示了較好效果。但是,在杉木林分施用N肥時(shí)需要慎重考慮,最好進(jìn)行實(shí)地林分土壤營(yíng)養(yǎng)元素分析,根據(jù)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行添加,避免造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。

        4.4 較差立地林分對(duì)施肥響應(yīng)的敏感性

        在本次研究中,一個(gè)重要的特點(diǎn)是,將杉木林分分為好、中、差3種立地,開(kāi)展施肥效果模擬研究,并展示3種立地林分生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的響應(yīng)的差異性。結(jié)果表明,相對(duì)于好立地林分,差立地林分林木生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)施肥具有更高的敏感性。這與杉木林地施肥試驗(yàn)結(jié)果一致。吳成忠[32]認(rèn)為,在較為貧瘠立地,受土壤肥力不足的影響,杉木幼樹(shù)高生長(zhǎng)受明顯抑制,施肥后能有效促進(jìn)樹(shù)高生長(zhǎng)。

        該結(jié)果對(duì)低效林改造實(shí)踐具有兩方面的指導(dǎo)意義:一是在較差立地施肥,具有較大提升林木生長(zhǎng)的效應(yīng)空間;二是施肥不僅可以促進(jìn)低效林林木生長(zhǎng),而且還可以促進(jìn)林地土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加,意味著林地肥力提高,而且這種提升具有可持續(xù)性。然而,總體而言,在不同立地林分進(jìn)行施肥效應(yīng)的實(shí)證比較研究還較少,應(yīng)該加強(qiáng)研究。特別是,立地條件差是形成低效林的重要因素,要加強(qiáng)研究施肥對(duì)改造低效林潛力和經(jīng)濟(jì)投入效益。

        致謝:這項(xiàng)工作得到了國(guó)家研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0505501)的資助,感謝課題組王彬博士、張雷博士、姜姜教授、虞木奎研究員等對(duì)本項(xiàng)論文工作建議和幫助。在論文工作中,劉春江和鄭吉負(fù)責(zé)整體設(shè)計(jì),鄭吉負(fù)責(zé)模型模擬,尤佳、鄭吉、康宏樟、劉春江負(fù)責(zé)論文寫(xiě)作。

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