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文檔簡介

1、森林土壤退化及其防治研究綜述張 橋,蔡嬋鳳廣東省土壤肥料總站,廣東 廣州 510500摘 要:介紹了土壤退化的概念;從樹種生物學(xué)特性、人工林植物群落結(jié)構(gòu)和栽培措施方面探討了森林土壤退化的機(jī)理;提出了防治森林土壤退化的對策。文章最后指出,應(yīng)從多學(xué)科的角度深入系統(tǒng)地研究地力衰退的機(jī)理,利用遙感、地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)手段構(gòu)建包括計(jì)算機(jī)模擬模型、林地指南、關(guān)鍵決策系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等在內(nèi)的不同的預(yù)測和決策工具,同時(shí)加強(qiáng)天然林的進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞:森林土壤;退化;防治中圖分類號:S714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-2175(2004)04-0677-04森林土壤學(xué)是林學(xué)與土壤學(xué)之間的邊緣學(xué)科,主

2、要研究林地(包括有林地和宜林地)土壤形成、發(fā)育、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律及其與林木生長之間的關(guān)系。森林土壤是指在森林植被的長期作用下形成的,能夠?yàn)橹参锷L提供所需要的養(yǎng)分與水分的疏松地表層,它不僅是林木生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ),還是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。自1971年FAO提出土壤退化問題并出版土壤退化專著以來,土壤退化問題日益受到人們的關(guān)注。第一次與土地退化有關(guān)的全球性會議_聯(lián)合國土地荒漠化(desertification)會議于1977在肯尼亞內(nèi)羅畢召開。1996年國際土壤聯(lián)合會在土耳其舉行以土壤退化為主題的第一屆國際土地退化會議,成立了土壤退化研究工作組。1997年眾多學(xué)者在加拿大多倫多

3、國際水土保持學(xué)會會議上探討了侵蝕引起的土壤退化問題。1999年國際土壤聯(lián)合會在泰國舉行第二屆國際土地退化會議,并于2001年在巴西召開第三屆會議。在森林土壤研究方面,加拿大政府和安大略省政府資助5000萬加元設(shè)立了“加拿大北方森林生態(tài)系統(tǒng)長期生產(chǎn)力研究”項(xiàng)目,旨在通過長期生產(chǎn)力維護(hù)的研究為森林可持續(xù)經(jīng)營提供理論、技術(shù)和方法。Worrell和Hampson 1以歐洲地區(qū)的研究為主,回顧了森林經(jīng)營措施對森林土壤的可持續(xù)經(jīng)營的影響方面的研究,并列舉了該領(lǐng)域中需要進(jìn)一步研究的問題。我國退化森林土壤生態(tài)系統(tǒng)面積大,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能差,生產(chǎn)力和蓄積量低,急需恢復(fù)和重建2。20世紀(jì)60年代中國林學(xué)家注意到杉木

4、人工林存在地力衰退現(xiàn)象,在80年代組織了較大規(guī)模的有組織的研究,并于90年代出版了人工林地力衰退研究專集。此后研究擴(kuò)大到落葉松、桉樹和柳杉等樹種。1995年中國國家自然科學(xué)基金委員會資助設(shè)立了“杉木和桉樹人工林長期生產(chǎn)力機(jī)制的研究”重點(diǎn)研究項(xiàng)目,旨在研究這兩個(gè)樹種的長期立地生產(chǎn)力變化規(guī)律和防治衰退的措施。近10多年來南京土壤研究所對我國南方地區(qū)土壤退化的研究較為深入,初步闡明了紅壤退化的機(jī)制,繪制了南方土壤退化圖并提出一些防治紅壤退化的模式3。研究森林土壤退化及其防治對于合理利用、改良森林土壤,制定適宜的栽培、經(jīng)營措施,提高森林土壤生產(chǎn)力及林木生長量具有重要的理論和實(shí)踐意義。1 土壤退化的概念

5、土壤退化(Soil degradation)是指由于人類活動(dòng)引起的林地養(yǎng)分耗竭、退化或農(nóng)林耕地被占用,包括土壤侵蝕、土壤性質(zhì)惡化和非農(nóng)林占地三個(gè)方面4。土壤退化可分為土壤物理性退化、土壤構(gòu)造性退化、土壤營養(yǎng)性退化和土壤化學(xué)性退化5。也有學(xué)者認(rèn)為土壤退化即為土壤生態(tài)系統(tǒng)退化,包括土被退化、植被退化和土壤生物退化6。聯(lián)合國糧農(nóng)組織則將土壤退化分為侵蝕、鹽堿、農(nóng)藥等十類,尤為強(qiáng)調(diào)工業(yè)化對土壤退化影響。關(guān)于土壤退化的概念,國內(nèi)外學(xué)者使用了一些不同術(shù)語,如地力衰退(Land Degradation)、第二代效應(yīng)(The Second Rotation Effect)、生產(chǎn)力下降(Productivity

6、 Decline)、立地退化(Site Deterioration)、地力衰退 (Site Decline)、立地生產(chǎn)力衰退(Site Productivity Decline)、森林土壤肥力衰退(Forest Soil Productivity Decline)、長期立地生產(chǎn)力(Long Term Site Productivity)等,這些術(shù)語互為包容,各有側(cè)重7。2 森林土壤退化機(jī)理森林土壤退化是一個(gè)非常綜合和復(fù)雜的、具有時(shí)間上的動(dòng)態(tài)性和空間上的各異性以及高度非線性特征的過程。天然林與人工林都存在地力下降問題。我們平常所說的天然林很少出現(xiàn)地力衰退現(xiàn)象,主要是由于天然林生產(chǎn)周期較長且多為多

7、樹種混交,生長過程中自身凋落物歸還林地以及母巖層營養(yǎng)物質(zhì)的分解分化作用使得天然林具有較強(qiáng)的自肥能力,掩蓋了地力下降的實(shí)質(zhì)。但在通常集約經(jīng)營的工業(yè)人工林中,由于林木對生長養(yǎng)分的吸收與森林采伐引起的水土流失等原因,林地土壤肥力退化和生產(chǎn)量下降已成不爭之實(shí)。因此人工林地力衰退問題受到林業(yè)界的深切關(guān)注,如何防止人工林地力衰退,維持人工林長期生產(chǎn)力問題,成為當(dāng)今世界林業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。有學(xué)者認(rèn)為,人工林地力衰退實(shí)質(zhì)上就是在人工培育過程中,人類生產(chǎn)活動(dòng)影響或改變了成土過程的方向和土壤熟化過程,從而破壞了土壤的生態(tài)性質(zhì),導(dǎo)致林木對土壤生態(tài)的需求與發(fā)生變化的土壤生態(tài)性質(zhì)之間產(chǎn)生差異,表現(xiàn)出人工林下的土壤肥

8、力下降,林分生產(chǎn)力降低8。學(xué)者指出,林地生產(chǎn)力下降與林地肥力下降密切相關(guān),是土壤退化的一種形式9。國內(nèi)外學(xué)者先后提出了養(yǎng)分虧缺、土壤中毒、土壤酸化10等數(shù)十種人工林土壤退化假說。但究其機(jī)理,筆者認(rèn)為主要存在樹種生物學(xué)特性及栽培措施不合理兩大因素。2.1 樹種生物學(xué)特性原因2.1.1 有毒物質(zhì)積累導(dǎo)致土壤中毒諸多研究表明,連栽樹種存在土壤中毒問題。柞樹根分泌物抑制土壤微生物類群活性是導(dǎo)致柞樹天然更新不良的主要原因11。土壤中有毒物質(zhì)增加與杉木凋落物淋溶和根系分泌物長期作用、土壤微生物抑制發(fā)育等有關(guān)。而無機(jī)有毒物質(zhì)可能與土壤酸度增加,Al3+活性增大,從而對杉木根系產(chǎn)生毒害有關(guān)12。杉木連栽后,多

9、酚氧化酶活性隨著連栽次數(shù)增多而增強(qiáng),有機(jī)質(zhì)減少,酚活性增強(qiáng),酚類物質(zhì)積累增多,土壤中毒,從而導(dǎo)致地力衰退13。2.1.2 速生樹種吸收養(yǎng)分多,歸還少速生樹種連栽吸收養(yǎng)分多,歸還少,系統(tǒng)養(yǎng)分入不敷出,引起森林土壤退化。據(jù)胡曰利等1996- t/hm2 t/hm2 14。筆者認(rèn)為,很多樹種由于生長迅速,都存在吸收養(yǎng)分多的問題。只要輔以適當(dāng)?shù)墓芾泶胧偕鷺浞N并不是導(dǎo)致森林土壤退化的罪魁禍?zhǔn)住?.1.3 土壤動(dòng)物和微生物區(qū)系演變土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者,在物質(zhì)循環(huán)中起著關(guān)鍵性作用。杉木連栽使得林地土壤微生物總數(shù)下降23.35%。其中細(xì)菌、放線菌、氨化細(xì)菌、纖維分解菌、好氣固氮菌、微嗜氮菌分別下

10、降24.70%、34.04%、36.6%、14.24%、56.56%、25.81%,而真菌、厭氣固氮菌增加10.39%、46.15%15。落葉松人工純林土壤微生物總量、細(xì)菌和放線菌數(shù)量與對照林地相比分別下降77.4%91.5%、77.4%93.7%和43.1%78.1%。而且隨林齡增大,土壤微生物活性進(jìn)一步惡化16。2.2 栽培措施原因2.2.1 人工林植物群落結(jié)構(gòu)簡單導(dǎo)致系統(tǒng)功能降低人工林是以培育目的樹種為絕對優(yōu)勢種群的植物群落,所培育樹種的生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性決定了人工林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。在國內(nèi)外培育的樹種中,針葉樹種占較大比例。國外發(fā)展面積較大的針葉樹有輻射松、火炬松、濕地

11、松、花旗松、歐洲云杉、落葉松等;國內(nèi)培育面積最大的樹種是杉木和落葉松,同時(shí)還引種栽培了一些國外松,如火炬松、濕地松、加勒比松等。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國人工林針葉樹比重為53.8%,闊葉樹為46.2%。但闊葉樹如楊、柳、榆、槐以及泡桐等多于平原地區(qū),山區(qū)很少栽植,尤其是南方各省(區(qū))闊葉樹比重更少,如浙江僅占1.2%、福建占4.2%、廣東占3.8%、江西占1.8%、湖南占5.6%、廣西占28.75%13。由于純針葉林為結(jié)構(gòu)簡單的單層林,個(gè)體間生態(tài)習(xí)性比較一致,生態(tài)位高度重疊,系統(tǒng)的多樣性下降,緩沖能力和反饋調(diào)節(jié)能力較弱,導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)失去相對平衡。另外根據(jù)腐殖質(zhì)生物化學(xué)形成理論、酶學(xué)以及林地的研究現(xiàn)狀,

12、 有研究指出林地土壤中氨基酸的缺乏是導(dǎo)致連栽杉木林地土壤肥力退化的癥結(jié)17。2.2.2 林地清理8。而且由于人工林下的枯枝落葉幾乎常年被摟扒掃光,林地生物積累作用微弱,導(dǎo)致林地的生物循環(huán)無法正常進(jìn)行18。2.3.3 整地及幼林撫育整地是人工造林的第二道工序,不適當(dāng)?shù)恼貙?dǎo)致林地嚴(yán)重水土流失。不同整地方式徑流量不同,如砂巖母質(zhì)林地全墾整地、帶墾整地和穴墾整地一年的固體徑流量分別為24.494 t/hm2、19.942 t/hm2和18.272 t/hm219。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的整地方式尤為重要。另外,幼林撫育促使及早郁閉,但如果郁閉前林地因煉山而植被稀少,幼樹根系分布范圍有限,吸收水肥能力弱

13、;而且擴(kuò)穴、松土、鋤草等措施使得表土層松散,抗蝕能力降低,若遇大雨、暴雨必然產(chǎn)生趨滲徑流,造成嚴(yán)重的水土流失。撫育試驗(yàn)表明:土壤侵蝕量擴(kuò)穴連帶撫育>塊狀撫育>不撫育19。2.3.4 不合理的采伐利用方式隨著對木材利用工藝水平的提高,興起了全樹利用熱,木材利用率得到大大提高,但同時(shí)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量消耗。全樹利用方式使得木材、枝、根、葉等的營養(yǎng)元素不能歸還林地,土壤養(yǎng)分循環(huán)中斷,肥力下降20。另外,皆伐和擇伐對采伐跡地土壤化學(xué)性質(zhì)存在比較顯著的影響。主要表現(xiàn)為跡地表層土壤pH值增大,有機(jī)質(zhì)、氮素值和磷元素值明顯高于參考樣地的數(shù)值,同時(shí)可溶性FeO的值明顯低于參考樣地的FeO值21。人工

14、造林追求短輪伐期增加了對林地壓力。一般幼年林木邊材比心材比重大,而邊材所含營養(yǎng)物質(zhì)量大大高于心材,故輪伐期越短,采伐單位木材帶走的養(yǎng)分則越多,林地營養(yǎng)物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速消耗而使地力下降8。另外因輪伐期縮短造成過多的立地干擾(如采伐、木材運(yùn)輸、整地等)也是造成森林土壤退化的原因20。不同集材方式對森林土壤理化性質(zhì)也造成影響。如拖拉機(jī)集材嚴(yán)重改變了土壤的硬度、容重和通透性, 使伐區(qū)有機(jī)質(zhì)含量下降10.4% 22。3 防治森林土壤退化的對策3.1 采取生物措施,改良土壤3.1.1 優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)速生的鄉(xiāng)土植物,調(diào)整林分結(jié)構(gòu),保護(hù)生物多樣性不同生物措施對土壤肥力以及土壤酶活性有不同的影響23。利用物種多

15、樣性、相克相生、互利共生及生物鏈結(jié)構(gòu)等原理,構(gòu)建和優(yōu)化森林土壤生態(tài)系統(tǒng),保護(hù)生物多樣性。林下植物是人工林植物群落結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,有重要的群落學(xué)作用和生態(tài)功能。研究表明,杉木和落葉松人工間伐后,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀等含量都有顯著提高,土壤酶活性和微生物數(shù)量也顯著增加24, 25。林下植物的恢復(fù)和良好的生長能夠維護(hù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)展過程,防止逆向過程的發(fā)生。促進(jìn)林下植物的良好生長發(fā)育主要方法是通過撫育間伐,調(diào)整林分密度,減小林分郁閉度,提高透光度等。另外注意喬、灌、草合理搭配,防止物種結(jié)構(gòu)單一,同時(shí)保護(hù)和引種土壤動(dòng)物和微生物也是改良土壤的有效措施。3.1.2 混交,輪作和間種目前

16、通過營造混交林、輪作和間種山毛豆等綠肥牧草防止地力衰退多有研究報(bào)道。我國南方混交林科研協(xié)作組通過10年時(shí)間及3萬多hm2試驗(yàn)面積的研究,已篩選出了以松、杉等為目的樹種的52個(gè)優(yōu)良混交組合類型26。通過數(shù)年施肥試驗(yàn)后,將桉樹純林改為桉-相思混交林或輪種相思純林的各林分類型凋落物總量及養(yǎng)分含量都有較大提高1427。而且桉樹和相思混交可使5年生桉樹胸徑增加23 cm。雷州林業(yè)局一些林場實(shí)行的桉樹與松樹輪作、桉樹與菠蘿輪作和桉樹與西瓜輪作不僅使林地生產(chǎn)力得到提高,而且使林地得到了休養(yǎng)生息的機(jī)會18。廖觀榮28,29等采用桉樹人工林間種山毛豆對提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)和含水量等物理性質(zhì)、促進(jìn)林木生長有

17、極其顯著的作用。3.1.3 重視叢枝菌根的培養(yǎng)國內(nèi)外的研究都表明,侵染植物的叢枝菌根真菌能促進(jìn)宿主對土壤中礦質(zhì)元素P、N、K、Cu和Zn等的吸收,提高宿主根系對根部侵染病菌的抵抗能力和增強(qiáng)植物對干旱、高溫、高鹽和重金屬的抗性,在退化土壤恢復(fù)中起著重要的作用30, 31。3.2 改革不合理栽培措施采伐剩余物是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源,對土壤的熟化過程和維護(hù)土壤肥力具有非常重要的作用。在清理造林地時(shí),應(yīng)盡量保存采伐剩余物,可將小徑木、大枝椏等取出后的剩余部分平鋪于采伐跡地上,或帶狀堆腐。還可采用化學(xué)除草方法。盡量不要全墾整地,可采用帶墾、穴墾、塊狀墾32。在造林初期撫育,盡可能保留不妨礙幼林生長的草本

18、、灌木,增加地表覆蓋度。同時(shí)盡量減少采伐集材過程中機(jī)械對林地土壤壓實(shí)范圍,改大面積皆伐為小面積塊狀皆伐。另外還應(yīng)慎重確定輪伐期,最好超過數(shù)量成熟齡再采伐。在中等立地條件下,間伐強(qiáng)度達(dá)到每1/15 hm2保留7080株,林下植被蓋度可達(dá)到80%以上,土壤有機(jī)養(yǎng)分、無機(jī)養(yǎng)分含量和三大類微生物數(shù)量大大增多,土壤生物化學(xué)活性明顯增強(qiáng)33。3.3 合理施用化肥,補(bǔ)充養(yǎng)分消耗在施用有機(jī)肥和生物改良土壤等措施的基礎(chǔ)上,合理施用化肥,可迅速補(bǔ)充土壤養(yǎng)分,保證林木速生豐產(chǎn),是培肥地力的必要手段。湛江淺海沉積物磚紅壤5.5年生的桉樹純林的研究表明,施肥區(qū)生物量達(dá)99.093 t/hm2 ,不施肥區(qū)為33.552

19、t/hm210。施肥必須因地因林而異,對于一般的速生豐產(chǎn)林來說,由于輪伐期較長,栽培面積又相當(dāng)大,在我國目前的經(jīng)濟(jì)狀況下確實(shí)難以實(shí)現(xiàn)。而對于中短輪伐期和超短輪伐期工業(yè)人工林而言,施肥應(yīng)因地因樹制宜,考慮經(jīng)濟(jì)效益和肥料資源。3.4 城市污泥人工熟化森林生態(tài)系統(tǒng)土壤施用城市污泥可有效地促進(jìn)樹木的生長發(fā)育,如增加株高和地徑,對林中的灌草層植被也有促進(jìn)和改善;同時(shí)還可以提高林地土壤肥力,如土壤有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分等34。4 討論與結(jié)論(1)森林土壤退化及其防治是人們長期關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一,德國早在1883年便指出云杉連栽后第二代生產(chǎn)力下降,此后日本、挪威、印度、印尼、法國、前蘇聯(lián)、南非、中國等國均有相

20、關(guān)報(bào)道。但直到目前為止,國內(nèi)外對人工林集約經(jīng)營是否引起地力衰退仍有不同看法:Holmsgaard認(rèn)為丹麥云杉連栽不存在地力衰退;國內(nèi)也有學(xué)者指出未有足夠的證據(jù)證明雷州半島現(xiàn)有桉樹人工林地土壤已出現(xiàn)大面積衰退。筆者認(rèn)為地力衰退是一個(gè)復(fù)雜、有爭論的問題,不能因?yàn)槌霈F(xiàn)了某種表面現(xiàn)象就下結(jié)論,而應(yīng)該探其機(jī)理,深入系統(tǒng)研究。(2)影響森林土壤退化的因素較多,涉及到持續(xù)林業(yè)經(jīng)營思想,生態(tài)環(huán)保意識以及土壤化學(xué)、生化、微生物、營林、植物營養(yǎng)、生態(tài)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域,但目前多學(xué)科的交叉融合還停留在定性階段,定量分析較少35。從多學(xué)科交叉的角度研究森林土壤退化及其防治將是最新的趨勢。(3)當(dāng)前比較重視研究人工林的土

21、壤退化及其防治,相對忽視天然林的研究,缺乏整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)的綜合評價(jià)。我國學(xué)者在研究森林土壤退化機(jī)制時(shí)通常采用臨時(shí)標(biāo)本地調(diào)查和以空間代替時(shí)間的研究方法,加上經(jīng)費(fèi)的制約,研究的范圍和深度有限,結(jié)論不可避免地帶有片面性。應(yīng)建立具有良好監(jiān)測系統(tǒng)的長期定位試驗(yàn)站,獲取定量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)而提出一套系統(tǒng)的森林土壤退化評價(jià)指標(biāo)。(4)利用遙感、地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)手段,結(jié)合歷史資料,構(gòu)建不同的預(yù)測和決策工具,包括計(jì)算機(jī)模擬模型、林地指南、關(guān)鍵決策系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等,為森林土壤退化及其防治提供決策依據(jù)。參考文獻(xiàn):1 WORRELL R, HAMPSON A. The influence of

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28、林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡研究: . 桉樹林間種山毛豆對生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的作用J. 生態(tài)環(huán)境, 2003, 12(4): 440-442.30 SYVERTSEM J P, GRAHAM J H. Phosphors supply and arbuscular mycorrhizas increase growth and net gas exchange responses of two CitrusJ. Plant and soil, 1999, 208: 209-219.31 方治國, 陳欣. 叢枝菌根在退化土壤恢復(fù)中的生態(tài)學(xué)作用J. 生態(tài)學(xué)雜志, 2002, 21(2): 61-63.3

29、2 楊偉東, 鐘羅生, 楊國清, 等. 桉樹人工林地力衰退防治研究: 改全墾為帶墾J. 熱帶亞熱帶土壤科學(xué), 1998, 7(3): 179-183.33 楊承棟. 杉木人工林地力衰退的原因機(jī)制及其防治措施J. 世界林業(yè)研究, 1997, 4: 34-39.34 李貴寶, 尹澄清, 林永標(biāo), 等. 城市污泥對退化森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的人工熟化研究J. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 13(2): 159-162.35 賈志清. 太行山封育區(qū)森林土壤肥力的特性研究J. 水土保持通報(bào), 2002, 22(3): 28-31.Forest soil degradation research and preventive strategy: a reviewZHANG Qiao, CAI Chan-fengGuangdong General Agency for Soil and Fertilizer, Guangzhou 510500, ChinaAbstract: The

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