人工林地力的衰退与维护研究现状与趋势

人工林地力的衰退与维护研究现状与趋势_干热河谷植被恢复

人工林地力的衰退与维护研究现状与趋势

张昌顺，李　昆

(中国林科院资源昆虫研究所，昆明650224)

摘　要:人工林地力的衰退与维护是一世界性问题，本文在查阅大量国内外文献的基础上，介绍了国内外人工林地力衰退状况，从人工林群落结构及其功能、土壤微生物种群区系变化、植物自身毒素、栽培措施等方面分析了地力衰退产生的原因，同时提出了保护林下植被，调整林分结构，混农林业、混交，轮作与休闲，林地施肥与土壤改良等措施维护地力；概述了人工林地力衰退研究进展及发展趋势。

关键词:人工林；地力衰退；地力维护

由于人类对自然资源掠夺式地开采利用，生态环境受到严重破坏，可供人类利用的自然资源急剧减少，而人类对原材料资源需求却不断增长。森林作为可再生资源，在能源日益短缺、环境每况日下的今天，已倍受世界各国的关注^［1］。发展人工林特别是热带、亚热带地区发展速生丰产林已成为世界林业发展的一种趋势。但人工林发展也出现了许多弊端，其中主要是人工林地力下降，从而引起其长期生产力的下降，以及由于树种单一而引起的病虫害增加、生物多样性极差、生态稳定性差等，这使林学家们对人工林能否维持多代高生产力表示了极大的担忧^［2］。我国人工林面积约占世界1/4，且地力衰退在我国非常普遍。本文就目前人工林地力衰退问题作一综述，并提出地力维护的对策。

1　国内外人工林地力衰退研究状况

人工林地力衰退是一世界性的问题。人工林地力问题最早发现于19纪初，有人称其为“第二代效应”^［2］。当时在欧洲，尤其在德国和瑞士，为了提高林木的单产，纷纷将天然阔叶林改变为针叶人工林，特别是人工云杉林。早在1833年和1869年德国对第二代云杉人工林进行调查时发现了云杉林连载生产力下降。1923年Weidemann报道了萨克松地区第二、三代云杉林产量下降的很严重。土壤生产力变化一直是林学界关心的问题^［4］，二战后，随着工业化生产的发展，人工林面积不断扩大，人们更加普遍地认识到这一问题。Roth(1943)和Kasa(1947)报道了瑞士和挪威云杉人工林有类似情况。继之在印度和爪哇关于柚木，在日本关于日本落叶松，在澳大利亚关于银桦^［5］，在澳大利亚和新西兰关于辐射松^［6–8］，在南非关于桉树^［9］，都有因连栽导致地力衰退和生产力下降的报道。Keeves(1966)^［9］指出:虽然辐射松在澳大利亚南部第一代生长非常好，但到第二代则在85%的土地上生产力平均下降25%，短轮伐期使地力日益下降。对造成人工林地力衰退的原因，国外也有一些报道^［10］。Buison^［11］等(1986)在澳大利亚研究表明:短轮伐期、造成地力下降的情况越严重，这主要是由于木材取走大量的营养元素。J.evans^［2］认为，地力衰退问题并不是林业上的特殊问题和现象，在农业、林业和园艺等植物栽培领域中，这一问题的性质虽然不同，而实质却是一致的。对于地力衰退，大多数国家采取了相应的措施。

我国人工林发展成绩斐然，然而人工林地力衰退在我国普遍存在，南方17个省(市)都不同程度地存在着杉木人工林地力下降的问题^［12］。在长期的人工林经营中，林业研究者们相继报道了杉木、木麻黄、落叶松、马尾松、桉树、杨树等人工林存在地力衰退、生产力下降的趋势^［13］，特别是杉木人工林，一代不如一代普遍存在。据冯宗炜等(1980)^［14］在会同地区的研究表明:杉木林地土壤肥力和土壤微生物数量随着杉木林龄的增加而降低，造林后19年，在0～60cm的土层中N、P、K含量分别为造林前土壤含量的43.6%、24.3%和43.2%，土壤微生物为造林前土壤微生物总数量的91.6%。此后方奇(1987)^［15］对杉木栽培的头耕土、二耕土、三耕土土壤养分状况调查时发现:15年生头耕杉木林土壤肥力与常绿阔叶林相比，杉木林有机质与全N、P、K分别下降了45%、38%、42%和32%，速效N、P、K分别下降了28%、38%和18%，土壤A+B层厚度下降4.3%，约3㎝；土壤容重、pH值稍有增大。而二、三耕杉木林土壤与头耕地相比，土壤pH值分别下降4.6%和2.9%，有机质分别下降21%和9%，全N均下降23%，二耕地全P比头耕地下降14.6%，然而三耕地上升22.9%；二、三耕地速效N分别下降5.8%和1.0%，速效P分别下降8.3%和1.66%，速效K分别下降7.0%和5.5%。盛炜彤研究发现:随着杉木林连栽代数的增加，除多酚氧化酶外，土壤酶活性下降。而土壤多数酶，如蛋白酶、转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和过氧化物酶等在土壤有机质的分解、转化以及营养元素的供应过程中都起着关键的作用，这些酶活性的下降直接影响到物质转化和养分的供应^［16］。

综上所述，人工林地力衰退是一个世界性的问题，在我国呈日趋严重的趋势，此问题不解决，我国将不仅遭受严重的生态、经济双重惩罚，林业的可持续发展必将受挫。

2　人工林地力衰退的原因

各树种人工林地力衰退原因各异，各国学者对此先后提出数10种假说，如养分亏缺、养分紊乱、土壤中毒、土壤酸化、化感作用^［17］、综合生态胁迫假说^［18］和植物自身毒素^［19］等。姚茂和认为人工林地力衰退的原因是多方面的，在宏观上受气候(包括大气污染)、地貌、地形条件的影响。由于自然地理和生态系统内部存在差异，热带、亚热带地区的人工林比温带地区人工林易发生衰退；在微观上，人工林的地力衰退与土壤、营林措施、人工林群落结构及造林树种本身有关，其中不合理的育林措施是导致地力衰退的最直接原因^［20］。但究其原因，有以下几方面。

2.1　人工林树种单一、针叶化、结构简单导致功能降低

森林是依靠不断与外界交换物质和能量来维持系统的有序的耗能结构。系统的结构是功能的基础，系统的多样性大、结构复杂、与环境交换物质和能量的方式、途径多样、数量繁多就能增大系统的负熵流，起着减缓熵的作用，形成稳定有序的耗能结构。人工林以培育目的树种为绝对优势树种组成的偏途顶级群落，培育树种的生物学特性和生态学特性决定了人工林生态系统的物质循环和能量流动。我国人工林针叶化严重，1999年全国森林资源清查发现，我国人工林中针叶树比重为53.8%，南方有些省份高达95%以上，且针叶树多为松杉又多栽于山区，其对地力维护远不如阔叶树。人工林多营造成纯林，树种单一、林分结构简单，群落结构简单意味着组成树种的生态习性、生态位、同化特性以及与外界物质和能量交换特性高度一致，造成系统多方面多样性下降，缓冲能力减弱，生态环境变化聚积和叠加。据朱守谦研究，贵州梵净山长绿阔叶林乔木层的物种丰富度为30.7±5.8种，雷公山为21.7±5.8种，茂兰为27.8±10.6种，即使到达海拔2100～2350m的梵净山冷杉铁杉阔叶混交林，其物种丰富度也达11.4±2.8种，而典型的人工纯林物种丰富度仅为1.0^［21］。

2.2　土壤微生物种群区系的变化

土壤微生物是生态系统中的分解者，在物质循环中起着关键性作用。人工林特殊的群落结构形成了独特的林下环境，人工林郁闭后，林分郁闭度近1.0，林内光照不足、温度较低、湿度较大，形成了独特的森林小气候，造成森林土壤动物和微生物种类数量的减少。我国林学界对此有较为深入的研究。杨承栋等人报道过二代杉木林土壤中细菌、放线菌和真菌低于一代林，且在种、属上差异显著，特别是真菌的属种分布差异发生了质的变化，在根际土壤中，土壤杆菌在二代杉木林土壤细菌所占的比例明显低于一代，表明土壤性质劣化，二代林的氨基酸种类、游离糖含量明显少于一代林，土壤组成结构也存在明显差异^［23］。土壤微生物的减少，降低了营养元素生物循环中凋落物的分解，从而对营养元素生物循环产生深刻的影响。

2.3　人工林自身毒素积累的影响

众多研究表明，一些树种某些器官中或这些器官残体分解过程中，以及这些树种根际微生物在其生命活动过程中均存在、产生和分泌某些物质，这些物质对自身种子的萌发生长起抑制，且这些物质在树种长期的生命活动过程中，在土壤中不断积累，进而对其连作更新的自身幼苗的生产起抑制作用^［19］。Chou通过对土壤和根系混合的水浸提液的实验证明辐射松老根明显抑制新一代辐射松幼苗根际微生物的正常活动，从而限制根系的生长和导致新生枝条的萎缩^［24］。大量研究表明，对植物生长产生不利作用的物质主要是酚类化合物，陈竑竣认为:多酚类物质在杉木林地中积累严重，由此造成杉木生产力下降^［25］。

2.4　经营抚育管理措施的影响

2.4.1　树种连栽

到目前为止，已有大量关于树种连栽对森林以及立地持续生产力影响的研究报道。虽然仍无充分证据证明用针叶树替代阔叶林或混交林一定会导致立地生产力下降，但一些研究者仍然坚持认为某些树种本身会导致立地生产力下降。Weideman(1923)报道了德国下萨克森地区连栽的第二代和第三代云杉林的生长有相当大的下降^［4］。盛炜彤等(1992)在对我国杉木人工林地力衰退问题的研究中发现:地力衰退问题在常绿阔叶林采伐后种植杉木开始就出现了，而连栽更是加剧了地力的衰退，研究表明连栽杉木林的土壤有机质、土壤养分含量、土壤腐殖质层厚度以及土壤养分储存量等一代比一代差，并导致土壤微生物数量和种类的改变，土壤酶活性的降低，最终使林分生产力逐代降低^［26］。

2.4.2　炼山

Johnston(1998)认为火极大地影响林地养分富余程度，对长期立地生产力的管理有很大的影响。高密度火消耗大量碎片和林褥，降低土壤有机质和养分含量，特别是沙质土，相反低密度火对土壤有机质和养分含量影响较小。炼山影响着土壤化学变化和立地植被再生，燃烧土层越深pH值变化越大。10年后矿化土层pH值回到燃烧前的水平；燃烧后交换性Ca增大2倍，10年后回到燃烧前水平。虽然N在所有矿化土层中增加，但是碱性N在有机土层中降低50%，10年后仍然增加；除Ca、N、pH快速增加外，土壤化学变化小，10年后能够恢复到燃烧前水平^［27］。炼山使大量采伐剩余物突然释放大量的能量，使大量的有机碳和营养元素移出迹地生态系统。杨玉盛(1997)研究表明:27年生杉木采伐后干和皮移走损失的N、P、K分别为597.27㎏/hm²、43.48㎏/hm²和15.40㎏/hm²。炼山后土壤营养元素损失N为307.08㎏/hm²，P为28.20㎏/ hm²，K为188.60㎏/hm²；在杉木一个轮伐期中，生态系统N、P、K净损失966㎏/hm²，而炼山造成的损失占总损失的比例最大，其中N占N总损失量的63%，P占总损失量的60%^［28］。另外，炼山对土壤动物种群密度和生物量影响结果表明:炼山会使土壤动物密度显著减少，动物活动不仅促进凋落物的分解，而且改善土壤物理性质等都说明炼山对土壤肥力产生不利的影响。

2.4.3　造林整地及幼林抚育

整地、抚育是人工林营造时常用的方法。由于其减少了杂草及非目的树种的竞争，改善了土壤物理性质，并且在一定程度上改善了土壤营养状况，有提高造林成活率和促进幼林生长的效果。但是，如果方法或强度控制不当，就会加速土壤有机质的矿质化和水土流失。Var.Goor曾经报道过一次深抚50cm深，可造成干灼的砂土森林土壤有机质和N的大量流失，多年后由耕作层损失的有机质和N达30%。因此，荷兰、丹麦、德国都放弃了集约整地的做法^［29］。在我国南方人工林经营较为集约，多用全垦整地造林，因此造成大量营养元素损失和水土流失。马庆祥等^［30］研究表明，扩穴连带抚育，大于快状抚育大于不抚育的土壤侵蚀量，该地区在第一代辐射松林被皆伐后，对立地进行了撩壕处理，在撩壕处理的地方，由于采伐剩余物和表土层被搅动，主要是养分的原因造成材积生长量下降了将近40%，其研究结果说明了撩壕种植处理对树木生长的影响。张鼎华等通过对沙县异州林业采育场研究发现，造林3年后，采用松土锄草、扩穴连带抚育方式抚育杉木幼林3年，地表10cm的土层中土壤有机质、全氮、全磷、全钾与仅进行劈草抚育相比分别降低18.63%、25.28%、4.64%、11.61%；10～20cm土层土壤分别降低了15.48%、15.43%、5.07%、14.12%，降低幅度最大的是全氮，幅度最小的是全磷^［19］。2.4.4不合理的采伐利用方式

森林产品对立地来说是一个养分成本(Scncho，et al.1994；Nykvist，1997)^{［31，32］}。采伐养分的损失远远超过因土壤矿化和降雨补充的养分，特别是轮伐期短时。随着木材利用工艺水平的提高，一些国家兴起了全树利用，大大提高了木材的利用率，却导致土壤养分的大量消耗。由于枝丫、枯枝落叶全部带走，落叶中富含养分元素不能归还林地，造成土壤养分循环中断，肥力下降。在研究只采伐干和全树采伐对生物量养分损失影响中，高养分含量的树体器官移走的越多(枝和叶)，致使养分损失越大。Kimmins^［33］对全树收获养分损失对林木生产力影响进行评估，评估包括铁杉、柏树、松、云杉、冷杉及杨树森林类型，完全收获地上部的比只收获商品树干的氮的移走率提高86%～280%，磷的移走率提高54%～364%，钾的移走率提高14%～236%，钙的移走率提高15%～199%。邵青还(1991)引自巴西的资料，如果树皮留在林地，则N、P、K、Ca、Mg的含量增加83%、87%、63%、83%、82%。即使不包括林地原有的养分自然界的矿化作用和随雨水流入的养分增量以及轮伐期内其他增加的养分，这些元素分别维持林木生长94a、42a、14a、35a和28a^［34］。

在采伐过程中，除了带走生物量中营养元素外，重型机械对土壤物理性状影响也很大。它使土壤被压实，土壤结构破坏，易形成地表径流，导致水土流失和养分流失，采伐机械使土壤容重和土壤结实度增加、土壤空隙度降低等，这些都影响土壤物理性质、养分的有效性和根的穿透能力，最终影响下一代林木生长。

3　人工林地力维护

3.1　保护林下植被，调整林分结构，发挥林下植物功能

林下植被是人工林生态系统中重要的组成部分，在促进系统养分循环、提高林地肥力等方面起到巨大的作用。林下植被养分含量较高，一般情况下草本＞灌木＞乔木，同时林下植被凋落物分解速度快。其对土壤的影响除了对土壤改良外，还有拦截和过滤地表径流，减少林地水土流失的作用。张先仪^［35］研究发现，杉木幼林全垦抚育严重铲除林下植被，致使林地裸露，造成严重的水土流失。杨承栋(1995)^［36］、阎德仁(1995)^［37］研究发现，杉木落叶松人工林间伐后，土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾等含量显著提高，土壤酶活性和微生物数量也显著增加。由于人工林郁闭后，林下植被发育很差，因此在经营人工林时，为促进林下植被的生长发育，因地制宜，改密植为疏植、通过幼林抚育和抚育间伐等措施来调整林分结构，改善林分状况，打破群落单一化格局，定期或不定期砍伐林下植被，为土壤提供更多的养分，改善土壤肥力。

3.2　混农林业

混农林业(agroforestry)^［38］是一定自然经济地理条件和社会文化背景下林地生物性的生产性组合。混农林业之所以能有效地维护地力是由于其能有效地防止水土流失。在杉木—油桐—仙人草混农林业模式中，2年后混农林复合经营林分水和土的流失量大大减少，仅分别为杉木纯林林分的17.2%和4.6%；混农林分土壤理化性质均优于杉木纯林；土壤微生物类群的数量明显多于对照，尤其出现了细菌性的纤维分解菌，同时土壤酶活性均高于对照林地^［13］。总之，混农林业能使土壤肥力得到维护和改善^［19］。

3.3　混交

混交就是在同一土地上同时经营两种或两种以上树种的经营方式。天然林地力衰退为什么不明显?这是由于天然林由多种树种混交，生长周期又长，在漫长的生长过程中森林自身凋落物对林地的回归、根系对土壤的机械作用以及母质层营养物质的分解风化等具有改善林地的作用^［39］。而人工林轮伐期短，养分回归又少，地力衰退显著。因此，可以通过混交来防止地力衰退的问题。其实质可能是由于地上部植物种类多样性的提高，引起土壤微生物区系和种类多样性的增加，从而减少了由单树种栽培所导致的微生物区系和种类多样性低下而造成的自我毒素的积累。混交可以改善土壤理化性质，加速凋落物的分解，从而改善营养养分的生物循环，增强了系统的自肥能力。陈际伸(2001)^［40］研究湿地松、鹅掌楸混交林营养元素的生物循环研究也表明，混交林较好地满足N、P、Mg，其归还量也大，有培肥土壤的作用。

3.4　轮栽与休闲

轮栽就是尽可能选择与外界物质和能量特性不同的树种，按照一定时间顺序安排的种植方式。轮栽能在一定程度上改变土壤微生物区系状况，减少土壤有毒物质的积累，改善林地土壤生物活性条件，改变病原菌和害虫生存环境，抑制林分病虫害的发生。陈爱玲等^［41］对杉阔轮栽模型土壤腐殖质及肥力研究表明，轮栽后土壤有机质全氮含量增加，土壤生化活性加强，土壤速效养分供应增强腐殖质H^A(胡敏酸)/F^A(富里酸)比值和E4(胡敏酸光密度值)上升，土壤松结合态和紧结合态腐殖质含量及其比值增加，土壤腐殖质活化度增强，土壤肥力得到明显改善。休闲是利用各种林分的采伐迹地自然演替而成的适应于当地气候土壤的植被来恢复和维护土壤肥力的间歇式的林地利用方式。休闲培肥土壤、维护地力原因在于自然或人为促进植被恢复，改变了地上部分的植被种类，并提高了植物种类的多样性，因而诱发了土壤微生物区系和种类的多样性，创造了有利于土壤微生物活动和繁衍的微环境。虽然如此，但在人工林地相对不足的我国，用土地休闲来恢复和维护地力是不现实的。我们应该考虑别的即能获取土地的高产出，又能达到培肥土壤、维护地力的方式来维护地力^［19］。

3.5　科学营林

皆伐、炼山、全垦整地、撩壕和不合理的林地管理均引起土壤有机质消耗和水土流失，造成大量营养元素输出生态系统。为此，我们可以不炼山或带状整地、穴垦整地、块状抚育措施和抚育季节调整；在抚育间伐时尽可能减少对不影响幼林生长的林下植被的破坏，增加地表盖度，减少水土流失；采伐集材过程中对土壤造成机械伤害，另外确定合理的轮伐期，可参照各人工林生态成熟龄，适当延长轮伐期，改大面积皆伐为小面积块状皆伐、渐伐或择伐，都可以缓解地力衰退问题。

3.6　加强人工林的生态管理

人工林经营和管理过程中的各种措施与技术，或多或少会对人工林环境、能量流动、物质循环产生影响，我们应该研究其各自产生的影响，并从保持系统生态平衡的角度出发，保持人工林生物及遗传基因的多样性。抚育、间伐、灌溉等措施，尽可能减少对土壤的干扰，避免有机质、养分的过度损失，同时使人为干扰最小，干扰时间最短。采取林下种植绿肥，进行混交试验或实行轮作，推广表土还穴、抚育埋青作肥，增加林地有机质。同时，注意保护林下植被，对人工林内的枯枝落叶要加以保护，不得樵采。积极发展薪炭林来解决农民的燃料不足。借鉴近自然林业理论^［42］，通过对人工林的立地控制、遗传控制、环境控制、密度控制、群落结构控制及维护和提高土壤肥力等配套技术，使森林各子系统之间、森林与环境之间关系的协调、森林内外生态的平衡，使人工林具高产又维护地力，最终实现林业的可持续发展和森林的永续利用。

3.7　土壤改良及林地施肥

虽然农林间作、树种混交、轮作、休闲，保持适量的林下植被等生物措施有维护和改善地力的作用，但其过程缓慢，随着人工林的发展，土壤改良和施肥已成为一项必需的基础技术措施^［43］。有资料表明，针叶林施用石灰或磷酸钙能降低土壤酸度，提高土壤盐基代换量和盐基饱和度，促进微生物活动，从而改善土壤肥力状况。吴振铎等(1992)报道对林龄较大(53年生)，土壤pH低于5.5的红松人工林，通过施石灰可降低土壤浓度^［44］。芬兰Salonen等认为施P、N肥可以增加真菌数量。吴惠仙等^［45］(2000)对I－69杨进行了施肥研究，结果发现:施肥区中土壤有机质、全N、速效N、有效Zn、Fe，叶片中Zn、Cu、Mn等均高于对照。目前在许多国家，林木施肥已经和良种壮苗、适地适树、抚育间伐等措施，构成了经营速生丰产林的完整科技支撑体系^［1］。大量研究表明，土壤改良和林木施肥后，土壤肥力得到了维护和改善。

4　地力衰退研究展望

人们从土壤肥力的营养因素和环境因素以及人工林群落结构功能、微生物区系组成等方面，探讨人工林地力衰退的原因。但由于受研究方法和经费限制，研究的广度和深度均受到一定的限制，结果必然具有片面性。故有必要从土壤生态学、个体生态学、地球化学循环和生物地球化学循环等角度，全面深入地研究人工林与土壤的作用机制、研究我国不同地理区域主要人工林类型的地力变化和地力维护的问题。另外，就是利用数学模型、计算机等建立预测现在的主要经营措施对未来长期立地质量影响的方法和体系，并且保证长期预测方法的可靠性。

改变“以空间代时间”的传统研究方法，通过建立固定样地对不同树种人工林土壤肥力、养分循环进行长期系统的定位监测。鉴于我国的国情，人工林地力维护研究主要集中在混交、间作、土壤改良和林木施肥。当然，借鉴不同树种天然林的更新规律，加强“接近自然林业理论”中保留采伐剩余物的拟生免耕造林，提高林分自肥能力研究，由此指导建立科学、合理的林木栽培制度，这也是人工林地力衰退研究的重点和方向。

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Research Status and Advance of Soil Degradation of Artificial Forests

Zhang Chang－shun，Li Kun

(Research Institute of Resource Insects，CAFKunming，650224)

Abstract:Soil degradation and its improvement for artificial plantation is a universal question.On the basis of literatures analysis，the historical background and current situation on site productivity decline of timer plantation are reviewed in this paper.Then，its causes were revealed by analysing communal structure and function，soil microflora，phytoautotoxin，cultivationmethods，and so on.To improve soil fertility，countermeasure were put forward such as protecting undervegetation，regulating stands structure，managing agroforestry，mixed stands，tree rotation and fallow，fertilizing，and soil improvement，scientific management.Finally，new advance and the trend of its research were summarized.

Key words:artificial plantation；Soil degradation；Soil improvement