二次世界大战后, 全世界人工林面积不断扩大(Evans, 1990)。人工林在世界商品材中所占的比例越来越大, 发展人工林, 特别是在热带、亚热带地区发展速生丰产林, 已成为当今世界各国林业发展的一种趋势。然而, 在二次大战后40多年人工林急剧发展的同时, 人工林地力衰退问题也逐渐引起人们的关注(Kimmins, 1990; Gessel, 1990), 随着早期营造的人工林部分地更新进入第二代以及不时地出现的同树种纯林产量逐代减少的警示, 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(Evans, 1990;沈国舫, 1988; 1991)。同树种连栽导致生产力下降最早的实例是德国1833年和1869年对第二代云杉进行调查时发现的。19世纪后期, 人们更普遍地认识到这个问题。当今, 人工林地力的维护和林地生产力的持续性问题已成为世界许多林学家所关注的焦点。

人工纯林轮栽方式是尽可能选择与外界物质能量交换特性不同的树种按照一定的时间顺序依次安排的种植方式, 这种种植方式与农业上的轮作相似。由于林木栽培周期长, 一种栽培方式实施的效果通常要到十几年甚至数十年之后才能体现出来, 加之林地环境的多变性而导致的土壤肥力的异质性, 使得研究轮栽对土壤肥力的影响难度较大, 所以至今尚未见林业上轮栽对地力定量影响的报道。本文对南方常见的造林树种杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)的轮作进行了11年的观察和研究, 旨在探索轮栽对林木生长以及林地土壤肥力的影响, 为人工林栽培的地力维护提供依据。

1 试验地概况

试验地位于福建省松溪县旧县项目林场。该地地处福建的北部、武夷山脉的东南部, 地属中亚热带海洋性季风气候。年平均温度16.2 ℃, 年平均相对湿度84 %, 年平均降水量1890 mm, 极端最低、最高温为-7.4 ℃和38.2 ℃, 海拔高320 m。土壤为花岗片麻岩发育而成的红壤, 土层厚度大于1 m。

2 研究方法

在同一坡面、同一水平带上, 选择相毗邻的杉木纯林(22 a生)和马尾松纯林(28 a生), 于1989 -06进行皆伐, 当年11月炼山, 1990-02挖穴整地造林。造林时, 在杉木采伐迹地上种植杉木纯林(连载)和马尾松纯林(轮栽); 在马尾松采伐迹地上种植杉木纯林(轮栽)和马尾松纯林(连栽)。种植密度杉木为2500株·hm^-2; 马尾松为3000株·hm^-2。在每一处理的种植地上设置样地, 样地面积10 m ×15 m, 每一处理重复3次。抚育按常规法进行(劈草、扩穴连带), 造林后前3年每年抚育3次, 3年后每年仅劈草两次, 直至林分郁闭。杉木种植后4 ~ 5 a郁闭; 马尾松5 ~ 6 a郁闭。

于2000-11在林分下进行土壤采样, 每样地多点(6点)取样, 然后混合, 土壤取样深度为0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm, 同时调查测定各林分生长状况。

土壤分析均采用常规方法进行(中国科学院南京土壤研究所, 1980; 许光辉等, 1986; 张万儒等, 1986)。文中各表数据均为3个重复的平均。

造林后土壤一些基本理化性质见表 1(1990年5月取样分析)。

3 结果与讨论 3.1 轮栽对土壤生物活性的影响 3.1.1 轮栽对土壤微生物量的影响

从表 2可知, 除真菌以外, 不同土层土壤的细菌、放线菌、固氮菌和纤维素分解菌的数量均以轮作土壤大于连作土壤, 真菌数量轮栽林分与连载林分土壤基本相同。同样是杉木林分, 但由于前茬树种不同, 土壤微生物数量也不同, 前茬为马尾松林分(轮作)的, 其0 ~ 20 cm土层土壤的细菌、放线菌、固氮菌以及纤维素分解菌中的放线菌的数量分别是前茬为杉木林分(连作)的2.02、3.18、1.77和3.54倍, 20 ~ 40 cm土层分别为2.18、2.31、1.85和3.14倍; 同样是马尾松林分, 前茬为杉木林分(轮作)的, 其0 ~ 20 cm土层土壤的细菌、放线菌、固氮菌以及纤维素分解菌中的放线菌数量分别是前茬为马尾松林分(连作)的1.91、1.42、1.81和1.79倍, 20 ~ 40 cm土层分别为1.54、2.03、1.80和2.00倍。经显著性检验分析, 无论是0 ~ 20 cm还是20 ~ 40 cm土层, 上述几个指标轮作和连作的微生物数量差异均达极显著水平。

3.1.2 轮栽对土壤酶活性的影响

从表 3可知, 不同土层土壤的酶无论是氧化酶系还是水解酶系的, 其活性都以轮作的土壤为大, 土壤呼吸强度也以轮作土壤为大, 土壤酚的含量则以轮作的土壤为小。同样是杉木林分, 但由于前茬树种不同, 土壤酶活性也不同, 前茬为马尾松林分(轮作)的, 其0 ~ 20 cm ±层土壤的呼吸强度、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、转化酶、脲酶和磷酸酶活性分别是前茬为杉木林分的1.72、1.67、2.02、1.42、1.45、1.22和1.20倍, 20 ~ 40 cm土层分别是1.64、1.76、1.49、1.04、1.55、1.10和1.44倍; 同样是马尾松林分, 前茬为杉木林分(轮作)的, 其0 ~ 20 cm土层土壤的呼吸强度、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、转化酶、脲酶和磷酸酶活性分别是前茬为马尾松林分(连作)的1.45、1.80、2.56、1.27、1.76、1.44和1.30倍, 20 ~ 40 cm土层分别是1.25、1.60、1.68、1.68、1.65、1.45和1.29倍。0 ~ 20 cm土层, 杉—杉(连作)土壤酚含量是杉—马(轮作)的1.45倍; 20 ~ 40 cm土层为1.48倍。0 ~ 20 cm土层, 马—马(连作)土壤酚含量是马—杉(轮作)的1.68倍; 20 ~ 40 cm土层为1.66倍。显著性检验结果表明, 杉木林分0 ~ 20 cm土壤除脲酶和磷酸酶活性轮作(前茬为马尾松)与连作(前茬为杉木)的差异水平达显著外, 其余酶活性的差异均达极显著水平; 20 ~ 40 cm土壤除过氧化物酶和脲酶差异不显著外, 其余酶活性差异均达极显著水平。

土壤微生物群体的数量和种类随植物种类的变化而发生变化(麦克拉伦等, 1984), 不同植物种类的根系分泌物的不同决定了根际微生物的种类的不同(Vancura et al., 1965), 定殖于一种植物根际上的微生物不一定能定殖于另一植物的根际上(Krasil' nikov, 1958), 不同植物种类其归还土壤的物质在数量和类型上的不同造成了土壤微生物区系也不同(Sanger et al., 1997;Johansson, 1986; Guggenberger et al., 1994a; 1994b)。因此, 单一树种其根际上的微生物无论是种类或数量都较少。轮作可视为不同树种同一空间、不同时间意义上的混交, 从这一意义上看, 轮作林分土壤微生物数量应较多于连作林分的土壤, 土壤呼吸强度和土壤酶活性也较强于连作土壤(土壤呼吸强度和酶活性主要来源于土壤微生物的活动)。

单一树种由于土壤微生物种类和数量的相对稀少, 其代谢、凋落物分解的一些有毒的中间产物易累积于土壤中。Kunc曾发现香草醛在土壤培养过程中一系列的氧吸收峰与微生物对香草醛的转化或降解的各个步骤有关, 即香草醛转化为香草酸再转化为原儿茶酸, 然后使环裂解, 在这一系列的转化降解中涉及不同类群微生物的协同进行, 此过程如缺乏某一类微生物, 转化降解将不能顺畅进行而发生中间产物的累积(Kunc, 1971)。地面上植物种类的多样性, 将诱发土壤微生物种类的繁杂性, 从而保证土壤中物质代谢的顺畅而不发生中间产物的累积。土壤酚是土壤常见的植物代谢累积的有毒物质, 林地土壤高含量的酚显然对林木生长不利。林地轮作后, 另一树种的介入将导致某些新的土壤微生物种群的产生, 土壤这些新的微生物种群就可能将前茬植物累积于土壤中的一些有毒物质降解转化。

3.2 轮栽对土壤化学性质的影响 3.2.1 轮栽对土壤酸度和交换性能的影响

由表 4可知, 轮作林分土壤各土层无论是水、氯化钾还是醋酸钠浸提所测定出的酸度均小于连作林分的土壤; 阳离子交换量、盐基总量和盐基饱和度轮作林分土壤各土层则大于连作林分的土壤。

用水、氯化钾和醋酸钠浸提的土壤酸度分别为土壤活性酸、交换性酸和水解性酸, 后两者统称为潜性酸。活性酸由土壤溶液中的氢离子所引起, 潜性酸由土壤胶体吸附的氢离子或铝离子所引起。土壤的酸化过程主要源于土壤的有机酸以及在多雨的自然条件下土壤中的盐基离子向下淋溶导致土壤中的氢、铝离子取代土壤胶体上的盐基离子而为土壤所吸附。与连作土壤相比, 轮作土壤由于有相对较高的生物活性, 土壤生物代谢过程中产生的有机酸不易在土壤中累积以及相对较为旺盛的微生物活动导致土壤胶体上吸附有相对较多的盐基离子, 因此轮作土壤的土壤酸度相对较低, 由此也导致了土壤盐基总量的增加和盐基饱和度的提高。

3.2.2 轮栽对土壤养分含量的影响

从表 5看, 连栽土壤与轮栽土壤的有机质、全氮、全磷、全钾含量基本相同。但无论是轮栽土壤还是连栽土壤, 不同层次土壤的有机质、全氮、全磷、全钾含量都有不同程度的下降(与表 1相比), 下降的原因无疑是造林后幼林地的抚育以及幼林地的裸露引起的水土流失造成的。然而, 从土壤的速效养分看, 轮栽土壤无论是0 ~ 20 cm土层还是20 ~ 40 cm土层, 水解氮、有效磷、有效钾的含量都大大超过连栽土壤。轮栽土壤生物活性强(微生物数量多、酶活性强以及土壤呼吸强度大等)是导致土壤可利用养分含量大于连栽土壤的直接原因。我们对轮栽和连栽的土壤养分含量进行了差异显著性检验, 检验结果表明, 无论是0 ~ 20 cm还是20 ~ 40 cm土层土壤, 全量养分指标差异不显著, 但各有效养分指标差异均达极显著水平。

3.3 轮栽对林分生长量的影响

表 6表明, 轮栽林分生长量无论是杉木还是马尾松都超过连栽林分。前茬是马尾松的杉木林分(轮栽)的胸径、树高、冠幅和材积分别是前茬是杉木的杉木林分(连载)的1.14、1.09、1.05和1.35倍; 前茬是杉木的马尾松林分(轮栽)的胸径、树高、冠幅和材积分别是前茬是马尾松的马尾松林分(连栽)的1.14、1.20、1.03和1.52倍。土壤微生物数量增多、酶活性增强、酚含量降低、土壤酸度下降、盐基总量增加和土壤有效养分的提高, 无疑将导致轮栽林分胸径、树高、材积等生长量大于连栽林分。差异显著性检验结果表明, 无论是杉木还是马尾松, 除冠幅外, 轮栽与连栽胸径、树高、材积差异均达显著水平。

4 结语

杉木、马尾松人工林林分实行轮作后(11 a生), 与连作林分相比, 土壤微生物数量增加、酶活性增强、土壤酸度降低、盐基总量增加、盐基饱和度提高以及土壤的有效养分含量有较大幅度的增加, 并由此导致了林分胸径、树高、材积等生长量的增加。

轮作林分土壤肥力提高, 林分生长量增加的实质在于:人工林林分实施轮作后, 由于后茬植物与前茬植物种类的不同导致土壤微生物种类和数量的增多, 土壤生物活性增强, 并由此而导致土壤酸度降低、有毒物质减少, 有效养分增加。