杉木是我国南方重要的速生用材树种之一, 人工林的栽培已有上千年的历史。据统计, 杉木人工林面积约占全国人工林面积的24%。但是长期以来由于不合理的传统育林制度(如炼山、强度整地、强度幼林抚育和短轮伐期等)和杉木本身特有的养分循环特性(吸收多, 归还少), 造成多代连栽杉木人工林出现严重的土壤肥力衰退和生产力下降的现象(盛炜彤, 1992)。正是如此, 杉木人工林地力衰退机理和防治技术成为国内外众多学者研究的一个焦点, 并提出了变革传统的栽培制度、施肥、混交、轮栽和套种等解决措施, 但针对如此大面积的杉木人工林, 采用人工措施对地力加以维护难度很大, 经济上也是不大可能的。因此, 通过生物学途径, 依靠自然演替规律, 保护和恢复林下植被, 提高森林的自肥能力, 已成为一个重要的解决途径和方向, 并开始受到重视和研究(姚茂和等, 1992; 杨承栋等, 1992; 焦如珍等, 1997; 俞元春, 1998; 张全发等, 1990; 熊有强等, 1995)。本文在29a不同密度杉木试验林内, 对其形成的不同林下植物覆盖度和生物量梯度与土壤肥力的关系进行研究, 为杉木林下植物的科学管理和地力维护提供理论依据。

1 试验地自然概况

29 a不同造林密度杉木试验林位于福建农林大学莘口教学林场, 地处东经117°25′~117°35′, 北纬26°8′~26°14′, 是武夷山东伸支脉的低山丘陵, 海拔150~500 m之间, 坡度在25°~30°之间。年平均温度为19.5℃, 年降雨量1700 mm, 年平均相对湿度为78%。土壤为花岗岩发育而成的红壤。地带性植被为常绿阔叶林, 杉木林林下植物种类繁多, 主要有狗脊、三龙爪、芒萁、箬竹、毛冬青等为主。

2 研究方法 2.1 试验设计

杉木不同密度试验林采用完全随机区组设计, 设有5种密度处理(1875、2805、3750、4500和6000株·hm^-2), 3个重复, 标准地面积为666.7 m²。于1964年春季按试验设计要求, 选择Ⅰ、Ⅱ级优良苗木, 进行整地造林(植穴大小为60 cm×40 cm×40 cm), 并按常规营林措施进行抚育管理(每年抚育2~3次, 连续3 a)。在长期试验过程中, 未进行过抚育间伐, 但为了改善林地卫生状况, 在不影响试验的情况下, 逐步砍伐并移去病死木和弱小的被压木于林外利用。

2.2 杉木生长调查

在每一个处理内设置20m×20 m标准地, 进行每木检尺, 全面测定其树高、胸径、冠幅和蓄积量等。其结果见表 1。

2.3 林下植物调查

在各标准地内设置5个小样方(2 m×2 m), 对每一样方内的植物种类、总覆盖度、高度和生活力进行调查, 采用样方收获法, 对林下植物的地上部分生物量进行测定。

2.4 土壤肥力测定

在不同密度的杉木林分内, 按梅花型机械设置5个取样点, 分0~20 cm和20~40 cm土层取1 kg混合土样, 并用环刀法取原状土壤, 并带回实验室内, 按常规方法测定其土壤水分物理性质和化学性质(中国科学院南京土壤研究所, 1978; 张万儒等, 1986)。

3 结果与分析 3.1 杉木林分密度对林下植物生长的影响

林下植物的生长发育取决于林内光照等生态条件。从表 2可知, 不同密度杉木林分由于其郁闭度存在明显差异, 造成林内光照条件也明显不同, 从而影响了林下植物的生长发育。林下植物的平均高、总覆盖度和生物量均随杉木密度的增加呈现明显的递减趋势, 1875和2805株·hm^-2的林下植物生物量分别为6000株·hm^-2的2.05和2.30倍; 林下植物的生活力也逐渐减弱。并且林下优势植物也有所不同, 在1875株·hm^-2的林分内, 以箬竹、狗脊居多, 并有一些芒萁出现; 随密度的增加, 林下阴性植物种类有增加趋势, 阳性植物种类呈减少趋势; 在6000株·hm^-2的林分内, 以胄叶线蕨、镰叶瘤足蕨和狗脊居多。这说明杉木林分密度对林下植物的种类组成和生长有明显的影响, 林分密度过大, 不利于林下植物的生长发育。要想恢复和促进林下植物大量生长, 必须采取人工抚育间伐和减少杉木初植密度等方法进行林分密度的调控。

3.2 林下植物对土壤水分物理性质的影响

土壤水分状况和孔隙状况是土壤物理性质的2个重要方面, 亦是土壤肥力的重要因子。从表 3可看出, 0~20 cm土层的自然含水量和土壤贮水量随林下植物覆盖度的减少呈现递减趋势, 20~40 cm的土层规律性不明显, 这表明林下植物对表层土壤的影响较大; 中等林下植物覆盖度的情况下, 0~20 cm和20~40 cm土层的最大持水量、毛管持水量和最小持水量均较大, 土壤密度较小, 而林下植物覆盖度最大和最小的这些水分物理指标均较差, 这说明这些水分物理指标变化可能是林下植物与杉木乔木层共同作用的结果。林下植物覆盖度最大的杉木林地, 这些水分物理指标较差的原因可能是虽然林下植物覆盖度最大, 但其林下植物主要由一些阳性的禾本科植物组成, 其对土壤结构的改良能力相对较弱, 并且乔木层杉木密度较小, 杉木枯枝落叶和根系密度也小, 对土壤结构的改良能力也小。0~20 cm和20~40 cm土层的通气度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度虽然在林下植物覆盖度最小的林地有一些指标存在下降情况, 但基本上随杉木造林密度的增加和林下植物覆盖度的减少而呈递增趋势, 这可能主要是由于杉木密度增加, 杉木枯枝落叶和根系密度增大, 对土壤结构改良能力增强有关。这说明在本试验条件下, 林下植物由于其生物量较小和根系较浅, 对土壤物理性质的改良能力是有限的。如果在林下植物得到充分生长发育, 其生物量达到较大的情况下, 则可能对土壤结构改良将起更大作用, 这有待于进一步的深入研究。

3.3 林下植物对土壤化学性质的影响

林下植物通过吸收和归还等途径参与杉木人工林生态系统的养分循环, 从而对土壤肥力产生影响。从表 4可知, 0~20 cm和20~40 cm土层的有机质、全N、全P、水解N和速效P的含量基本上呈现出随林下植物覆盖度的增加而增加的趋势, 并且以0~20 cm尤为明显。而速效K的含量则为中等林下植物覆盖度情况下较大。在林下植物覆盖度最大的林地, 土壤某些养分含量存在偏低的情况, 可能与其林下植物种类组成和质量有关, 因为其主要由一些禾本科植物组成, 这些植物养分含量相对较低, 且相对难以分解, 因此对土壤改良作用较弱。这说明林下植物具有促进营养元素在地表富集的作用, 这可能与林下植物本身从土壤下层吸收养分, 通过凋落物途径归还给土壤表层, 并促进杉木枯枝落叶的分解, 还有拦蓄地表径流和减少水土流失的作用等有关。因此, 保护和恢复林下植物对杉木林地力的维护具有重要的意义。

4 小结与讨论

杉木林下植物的平均高、总覆盖度和生物量均随杉木林分密度的增加呈现明显的递减趋势, 1875和2805株·hm^-2的林下植物生物量分别为密度6000株·hm^-2的2.05和2.30倍; 林下植物的生活力也逐渐减弱。并且随密度的增加, 林下阴性植物种类有增加趋势, 阳性植物种类呈减少趋势。说明杉木林分密度对林下植物的种类组成和生长有明显的影响。

0~20 cm土层的自然含水量和土壤贮水量随林下植物覆盖度的减少呈现递减趋势, 20~40 cm的土层规律性不明显, 这表明林下植物对表层土壤的影响较大; 中等的林下植物覆盖度情况下, 0~20 cm和20~40 cm土层的最大持水量、毛管持水量和最小持水量均较大, 土壤密度较小, 而林下植物覆盖度最大和最小的这些水分物理指标均较差, 这说明这些水分物理指标变化可能是林下植物与杉木乔木层共同作用的结果。0~20 cm和20~40 cm土层的通气度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度基本上随林下植物覆盖度的减少呈递增趋势, 这可能是主要由于杉木密度增加, 杉木枯枝落叶和根系密度增大, 对土壤结构改良能力增强有关。说明在本试验条件下, 林下植物由于其生物量较小和根系分布较浅, 对土壤物理性质的改良能力是有限的。

0~20 cm和20~40 cm土层的有机质、全N、全P、水解N和速效P的含量基本上呈现出随林下植物覆盖度的增加而增加的趋势, 并且以0~20 cm尤为明显。而速效K的含量则为中等林下植物覆盖度情况下较大, 这可能与其林下植物种类组成有关。说明林下植物具有促进营养元素在地表富集的作用。因此, 保护和恢复林下植物对杉木林地力的维护具有重要的意义。

杉木纯林化、针叶化以及多代连栽现象日益加剧, 造成杉木人工林生产力和土壤肥力的下降, 直接威胁着杉木人工林可持续经营, 这已成为当前许多学者研究的一个热点问题。从本研究结果和其他研究结果来看, 林下植物对改善表层土壤肥力、减少林地水土流失、促进杉木凋落物的分解等都具有明显的作用, 同时林下植物物种多样性的提高, 还可有效减轻林分病虫害的发生和增加系统的稳定性。因此, 必须采取合理的幼林抚育方式和适时调控杉木林分的群落结构等措施, 促进和恢复林下植物的生长发育, 以维护杉木人工林的地力和保持人工林长期生产力的稳定。具体措施如下:首先在杉木幼林期, 杉木幼树仍处于劣势, 必须适当控制林下植物的生长发育(如块状抚育), 避免林下植物与杉木幼树之间对水分、养分和营养空间的激烈竞争, 以促进杉木幼树的正常生长, 避免采用全面松土除草(因为易引起严重的水土流失); 其次当杉木生长处于优势地位(即居于上层)时, 应对高度郁闭的杉木林分及时进行人工间伐措施, 降低林分密度, 以促进和恢复林下植物的天然更新, 发挥林下植物的生态效益; 第三是必须适当延长杉木轮伐期(现规定为25 a), 使林下植物特别是林下阔叶树种的幼苗幼树得以充分生长发育, 逐步形成杉阔异龄混交林, 延长杉木林地土壤肥力的生态恢复期; 第四是在杉木人工林经营过程中应尽量保护林下固氮植物和肥土植物来维护地力。