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杉木人工林不同代、不同发育阶段土壤肥力的变化杉木人工林通常是从天然落叶林的砍伐、人工种植和形成的杉木人工林群落和自然落叶林群落的树种、土壤覆盖物种、群落结构、生物多样性和管理过程中存在很大差异由于人类林的人工干预,林下土壤在物理性质、化学性质和生物学特性上发生了显著变化杉木人工林通常由于树种及群落结构的单一性,加之人为的严重干扰,使得土壤肥力向着不利于林木生长的方向变化,从第1代阔叶林砍伐、火烧清林、造林整地开始,直到第2代、第3代,土壤肥力总的发展趋势是不断恶化林下植被环境1研究分二个区域进行,一是福建南平,属中亚热带,低山丘陵地形,年均气温
18.7℃,年降水量1670nln年均相对湿度81%,地带性植被为常绿阔叶林,土壤为白云母中细粒花岗岩发育的山地暗红壤,土层厚度在100cm以上主要林下植被有黄瑞木(Adinandra mellatti(Hook.etArn.)Benth)、狗脊(Woodwardia japonica(L.F.)Sm.)、五节芒(Miscanthus floridulus(Labill)Warb.)和芒箕(Dicranopteris olichotoma(Thunbo)Bernh.)等;二是江西分宜中国林科院亚热带林业实验中心上村林场、年珠林场以及山下林场,属中亚热带,低山丘陵地形,年均气温
15.8~
17.7℃,年均降水量1591mm,地带性植被为常绿阔叶林,土壤为板页岩风化物发育的山地黄红壤林下植被以样品采集和测定2样地设置:选择不同立地(以第1代林的
14、
16、18地位指数为准)、不同栽植代数、不同林龄(幼龄林、中龄林与成熟林)的杉木人工林设置样地,每个样地3个重复林分调查样地面积
400、500m土壤调查与取样:除按常规方法调查土壤剖面外,其中三个重复样地中一个样地土壤样品按0~
20、20~
40、40飞0cm三层采取,分析其理化性质另取一个040cm的混合样,供土壤生化活性、〜有机质和微生物分析其余二个样地的土壤样品按0~
20、20~40cm二层采取,供理化性质分析土样采集时在样地内机械布设6个点,用土钻取混合样品,土壤样品采于1998年5月份土壤样品分析:土壤物理性质测定土壤水分物理常数;土壤化学性质测定pH值、速效N速效P、速效K、全N、P、K、Ca MgFe、Cu、Zn、Mn;土壤酶活性测定多酚氧化酶、过氧化氢酶、胭酶、磷酸酶、蛋白酶5种;土壤微生物测定土壤微生物类群(或生物量)土壤理化性质的测定均按《森林土壤分析方法》(林业行业标准)进行结果与分析3杉木人工林土壤酶活性信息
3.11主要研究了从常绿阔叶林、杉木幼龄林、中龄林、成熟林4个时间段的土壤性质变化在江西分宜中国林科院亚林中心年珠林场,测定了具有相似立地条件的9年生杉木人工林和次生常绿阔叶林下的土壤化学性质,并进行了比较9年生杉木人工林土壤有机质下降了
14.66%,速效P下降
12.28%,速效K下降
10.41%,速效N和Mg不同林龄阶段除速效养分存在一定差别外,土壤三大类微生物及土壤酶活性也均存在差别中龄林的微生物总数、细菌数量均明显低于幼龄林和成熟林中龄林时,土壤蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性明显下降过氧化氢酶、胭酶及多酚氧化酶在中龄林和成熟林也是下降的研究表明,根际土壤的有机质、水解N和速效P等均比非根际土壤有所提高,但在中龄林阶段上述养分的含量均相对较低,成熟林比中龄林虽有所上升,但与幼龄林阶段相比还是下降的Ca连续种植杉木人工林的土壤类型变化
3.2土壤渗透性能下降
3.
2.1从对亚林中心15个样地,包括不同林龄阶段和不同代林分的土壤物理性质,土壤养分及土壤酶等23项指标的主分量分析,土壤物理性质在第一主分量占有较大的负荷量,表明土壤物理性质在第1代及第2代林之间,以及不同林分发育阶段之间存在较大的变化表2表明,第2代杉木林土壤密度普遍增加,毛管持水量及非毛管孔隙度下降福建南平16地位指数的杉木林各层(0~
20、
2040、40~60cm)的土壤容重是随着连栽代数增〜加而增加的,如2代林
020、2040cm的土壤容重分别比1代林增加了
0.
40、
0.25〜〜g•cm由于连栽林分土壤容重增加,非毛管孔隙度下降,导致土壤渗透性能下降总的趋势是杉木
2、3代林土壤渗透速度和渗透系数均较1代的低如2代杉木成熟林0~20cm土壤的渗透速度和渗透系数分别比1代林下降了
98.34%和
98.53%,3代林较1代林分别下降了
97.23%和
97.06%o土壤水分性能是土壤物理性质中的重要因素,是土壤肥力的重要标志测定表明,16地位指数杉木中龄林表土层(0~20cm)的最大持水量、毛管持水量和最小持水量均随栽植代数的增加而下降如2代林020cm土层较1代林分别下降了
24.3%、
23.14%和
24.67%,3代林较1〜代林分别下降了
39.65%、
43.75%和
42.75%,20~40cm土层也有类似趋势土壤化学特征的变化
3.
2.2代杉木幼林不同发育阶段的代际效应比较
3.
2.
2.杉木对土壤养分的要求较高,特别是有效养分供应直接影响到林木生长张建国等表3表明,2代林土壤有机质含量是降低的,2代林比1代林下降了2%20%;2代林的全N、全P、全K也比〜1代林的低,说明2代林土壤养分总量在下降,下降幅度大体是全N12限24%,全P3%36%,全K4%6%,但速效养分的下降幅度远大于全量,如水解N下降了11%〜〜33%,速效P下降了2%47%,速效K下降了8%30虬福建南平的研究表明(表4),16地位〜〜〜指数的
2、3代杉木幼林表层土的速效P与K较1代林的低,如2代林分别较1代林降低了
47.16%和
34.26%,3代林分别较1代林降低了
41.68%和
22.55%,14指数的幼龄林也有类似情况对于16地位指数的中龄林,2代林除速效K略有增加外,其它养分均有下降3代林020〜cm土层的有机质、全N、水解N较1代林分别降低了
43.9%、
15.1%和
28.86%国外研究认为,森林收获对土壤有机质、N有不利影响南方的红黄壤原本普遍缺P,连栽使其含量更低,供应更加不足在福建南平调查的不同地位指数(
14、
16、18)的不同代(
1、
2、3代)及不同发育阶段(幼龄林、中龄林及成熟林)速效P含量多是随着栽植代数的增加而下降,而且下降幅度较大(18指数变化不规律),达到
16.6Q
73.0%,大多为20%35%(表4)杉木林土壤中的有效P含量远低于临界值,而连栽林地则离临界值〜更远,有的已接近缺乏值江西亚林中心的调查结果与此是一致的,因此,有效P的缺乏是连栽林地生产力下降的主要原因.土壤养分的变化
3.
2.
2.2微量元素对杉木生长也有重要影响福建南平点的调查结果表明,该地区杉木林土壤全Fe平均含量为
22.61mg-kg.土壤养分
3.
2.
2.3福建南平的调查结果表明土壤酸度随栽植天数的变化
3.
2.
2.国外有许多针叶林是否引起土壤酸化的研究表7表明,不同代数杉木根际土壤的pH值均低于非根际土壤,幅度为
0.
20.5,同时,除幼龄〜林外,
2、3代林的土壤pH值也均低于1代林,幅度为
0.
20.4可见杉木林的根际土壤是〜一个偏酸的环境,土壤酸度随栽植代数增加而增加,这主要是土壤胶体界面阴阳离子吸收不平衡所至杉木在生长过程中要大量吸收土壤中的K胡敏酸与富里酸的比例
3.
2.
2.土壤有机质是林分生产力与土壤肥力的重要因素杉木人工林传统的育林干扰,如炼山、整地、抚育、采伐都导致土壤表层有机质的减少江西分宜的炼山试验表明,中等强度的炼山(堆高60cm,堆积物质量15kg•m胡敏酸与富里酸的比例在一定程度上能说明土壤腐殖质类型、性质和腐殖化程度,这是衡量土壤腐殖质品质优劣的标志之一福建南平的调查结果表明,除少数情况外,
2、3代林胡敏酸含量及土壤腐殖化度均较1代林低,如16地位指数的2代杉木幼龄林胡敏酸含量较1代林下降了
79.93%,腐殖化度降低了
87.07%;2代成熟林的胡敏酸含量较1代成熟林下降了
46.9%,腐殖化程度下降了
71.41%
2、3代林的土壤中胡敏酸与富里酸的比值一般均低于1代林,这说明连栽杉木林腐殖质聚合程度较低,质量也较差,这与杉木
2、3代人工林养分循环速率慢和分解速率低相一致代杉木人工林土壤微生物与造林地立地条件的关系
3.
2.
2.土壤微生物在森林枯落物分解、土壤腐殖质的合成、土壤养分循环及物质和能量代谢过程中起重要作用福建南平的调查表明,
14、16二个地位指数的土壤微生物总数在
1、
2、3代林的中龄林时期总是最低,而在成熟林时期又有所恢复,这个情况与在江西亚林中心的调查结果是一致的此种结果与杉木人工林发育中群落结构和植物多样性变化有关杉木人工林在中龄林时的郁闭度大,林下植物发育差,生物多样性差,而到了成熟林,由于林分郁闭疏开,植物多样性显著增加据作者的研究,林下植被发育和植物多样性与微生物种群及数量成正相关在福建南平,随着杉木人工林栽植代数的增加,幼龄林土壤微生物总数趋于增加,但杉木中龄林、成熟林的土壤微生物趋于下降如14地位指数的杉木成林,2代林土壤微生物总数及细菌、放线菌、真菌数分别较1代下降了
63.80%、
63.01%、
73.44%和
70.23%;16地位指数2代杉木成熟林的土壤微生物总数、细菌总数分别较1代林降低了
76.93%、
21.28%,但土壤放线菌和真菌总数有所增加14地位指数3代成熟林土壤微生物总数及细菌、放线菌、真菌总数分别比1代林降低了
54.10%、
51.25%、
69.38%和
62.58%,16地位指数3代林也存在同样情况江西的调查表明,第2代土壤的微生物生物量及细菌总数均低于第1代,放线菌总数除个别的外,也是呈同时下降趋势,但真菌总数规律性不强总之,杉木人工林土壤三大类微生物的总数是因不同发育阶段及不同连栽代数而不同的从杉木人工林发育阶段看,在中龄林阶段不利于微生物发育,总数最低从不同连栽代数看,随着连栽代数增加,微生物生物量以及三大类的数量也呈下降趋势,说明
2、3代人工林也存在着不利于微生物发育的环境上述不同发育阶段,不同连栽代数微生物状况成为杉木连栽人工林枯落物分解及养分释放缓慢以及有效养分减少的重要因素土壤磷酸酶活性
3.
2.
2.土壤酶在土壤物质循环和能量转化中起重要作用,土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标之一过氧化氢酶能促进多种物质的氧化,加速有毒物质的分解杉木连栽后,土壤中过氧化氢酶活性明显降低,
12、
14、16地位指数立地2代杉木林土壤H土壤磷酸酶活性直接影响到土壤中磷元素循环,杉木连栽后,土壤磷酸腋活性明显降低
12、
14、16地位指数2代杉木林土壤磷酸酶活性分别下降
70.37%、
36.17%、
59.63%磷酸酶活性降低势必要影响到土壤中磷代谢,多酚氧化酶参与土壤中多酚类物质的氧化,土壤中多酚氧化酶过低会导致土壤中多酚类物质积累,引起林木中毒,多酚氧化酶活性变化有别于其它4种酶的活性变化在差的立地条件下,2代杉木林土壤多酚氧化酶活性不仅没有降低,反而升高;在中等立地条件下,2代杉木林多酚氧化酶活性下降
28.57%;好的立地条件下,2代杉木林多酚氧化酶活性下降
70.59虬该研究结果表明,连栽杉木林土壤中多酚类物质积累,通常出现在立地条件较好的土壤中不同栽植代人工林土壤理化性质及其变化41杉木人工幼龄林到中龄林发育阶段的土壤养分及土壤生物活性向不良方向改变,到近成熟林有所改善2随着连栽代数的增加,杉木人工林的土壤物理性变劣,土壤密度提高,土壤毛管持水量和非毛管孔隙度下降3不同栽植代数的土壤pH值下降,根际土壤尤为明显,
2、3代林比1代林的下降幅度
0.2~
0.4大土壤养分含量下降特别明显的是速效P和水解N,
2、3代林0~40cm土层内的速效P比1代林下降的幅度20%30%大土壤中微量元素,如Cu和Zn在
2、3代人工林土壤中也趋于〜降低2代人工林的土壤有机质也呈下降趋势,
2、3代林土壤中的胡敏酸含量及土壤腐殖化程度均较1代林的低4连栽杉木人工林土壤微生物总数和微生物生物量呈逐代下降的趋势,连栽杉木林土壤酶活性也是降低的总之,连栽杉木林土壤功能是下降的。