林地土壤是森林生长发育的基础, 其生产力水平直接决定着森林的生物产量和功能的发挥。人工林因其速生、丰产、轮伐期短的特性, 20世纪50年代后在世界范围内得以快速的发展。但是, 随着早期营造的人工林部分地更新进入第2代以及不时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; 1990)。大量的研究报道了同树种连栽引起林地土壤肥力下降和林分生产力降低(方奇, 1987; 盛炜彤, 1992; 杨玉盛等, 2001; 俞新妥等, 1990; 李传涵等, 2002; Keeves, 1966; De Bell, 1971; Kimmins, 1990; Evans, 1990; Webb et al., 1967; Gessel et al., 1990)。叶功富等(1996)初步研究了木麻黄(Casuarina equisetifolia)连栽对林地土壤肥力的影响, 表明2代和3代林分亦出现地力衰退和生产力下降的现象。由于滨海沙地的适生树种较少, 特别在前沿沙地尚没有其它树种可以代替木麻黄, 只能进行木麻黄连栽造林或更新, 因此, 木麻黄连栽引起的地力衰退和林分生产力下降, 严重地制约了木麻黄沿海防护林的可持续发展。本研究从福建东山和惠安两地分别选择了1代、2代和3代木麻黄林分, 分析测定各代林分土壤的养分含量及酶活性, 探讨木麻黄连栽对林地土壤肥力变化的影响, 以期为木麻黄防护林的经营管理提供依据。

1 研究区概况

东山县赤山林场位于福建沿海南部, 东经118°18′, 北纬23°40′, 属亚热带海洋性气候, 干、湿季节明显, 年平均降水量945 mm, 降水大部分集中于5 —9月, 11月至翌年2月为旱季, 年平均蒸发量1 056 mm, 年平均气温为20.8 ℃, 极端最高气温36.6 ℃, 极端最低气温3.8 ℃。主要自然灾害为台风和干旱。土壤为滨海沙土, 肥力较低。天然植被稀少, 林下常见零星植被有木豆(Cajanus cajan)、鼠刺(Spinifex littoreus)和牡荆(Verbena negando)等, 主要适合栽植木麻黄、湿地松(Pinus elliottii)、厚荚相思(Acacia crassicarpa)、刚果桉(Eucalyptus 12 ABL)等树种。

惠安赤湖林场位于东经118°55′, 北纬24°35′, 属南亚热带海洋性气候, 年平均气温19.8 ℃, 最高气温35 ℃, 最低气温1 ℃, 全年无霜期320 d, 年降雨量1 029 mm, 年蒸发量2 000 mm, 降雨量偏小, 蒸发量大, 干湿季明显, 干旱频度大, 夏季(7 —9月)多台风和暴雨, 秋冬季盛行东北风, 8级以上大风天气数每年达105 d。沿海土壤为潮积粗沙土或风积黄沙土, 基干林带内侧土壤主要为红泥性风积沙土和泥炭性风积沙土, 除风口风积粗沙土和铁锈性积水沙土外, 大部分土壤适宜木麻黄生长。

2 材料与方法 2.1 材料

在东山赤山林场选择1代木麻黄纯林(40 a)和2代木麻黄纯林(15 a), 惠安赤湖林场选择1代木麻黄纯林(40 a)、2代木麻黄纯林(15 a)和3代木麻黄纯林(8 a)为研究对象, 以上林分均处于基干林带的后沿。为了增加各林分间土壤的可比性, 尽可能在相距较近的林分中选择标准地。

2.2 方法 2.2.1 土壤样品的采集和制备

在以上材料中选择有代表性的林分分别设置标准地各一块, 面积为20 m ×20 m, 每块标准地按X型设置5个采样点挖土壤剖面, 每个剖面分0 ~ 20cm㎝和20 ~ 40cm等不同深度分别采集土壤, 混合后用四分法带回部分样品, 在实验室风干, 研磨后过18号筛, 另取一部分土壤样品过60号筛, 分别装入磨口瓶, 备分析用。

2.2.2 分析方法

土壤pH值按2.5:1的水土比用无二氧化碳的蒸馏水浸提, F -13型酸度计测定。水解性总酸度、交换性酸度和养分含量按常规方法分析(中国科学院南京土壤研究所, 1978; 国家林业局, 2000)。土壤脲酶活性用比色法、磷酸酶用磷酸苯二钠比色法、多酚氧化酶用碘量滴定法、过氧化物酶用容量法测定(关松荫, 1986)。

3 结果与分析 3.1 木麻黄连栽对沿海沙地土壤pH值、交换性总酸度、交换性氢和交换性铝的影响

土壤pH值是土壤中水解性总酸度、交换性总酸度、交换性氢和交换性铝含量的综合反应。木麻黄多代连栽后, 随着栽植代数的增加, 沙地土壤的pH值表现为降低趋势, 且这种趋势在表层土壤中更为明显(表 1)。另外, 从表 1可以看出, 除个别林分的土壤层次外, 沿海沙地土壤的水解性总酸度、交换性总酸度、交换性氢和交换性铝含量等指标随着木麻黄连栽代数的增加而增大, 综合作用的结果, 导致了林地土壤pH值随栽植代数的增加而降低。水解性总酸度、交换性总酸度、交换性氢和交换性铝含量随栽植代数增加表现为升高的现象, 可能与林地凋落物分解释放出有机酸和根系分泌出酸性物质, 并随栽植代数的增加而逐代积累有关。

3.2 木麻黄连栽对沿海沙地土壤养分含量的影响

木麻黄连栽对沿海沙地土壤的各种养分含量有着显著的影响, 不同代数之间的养分含量存在明显的差异(表 2)。

3.2.1 连栽对沙地土壤水解性氮、铵态氮含量的影响

木麻黄连栽后, 沙地土壤的水解性氮和铵态氮含量随代数增加而降低, 东山2代林地土壤的水解性氮含量为1代的49.0%(0 ~ 20 cm)和85.3%(20 ~ 40 cm), 惠安3代土壤的水解性氮含量为1代的83.8%(0 ~ 20 cm)和96.5%(20 ~ 40 cm); 东山2代林地土壤的铵态氮含量为1代的48.1%(0 ~ 20 cm)和95.3%(20 ~ 40 cm), 惠安3代土壤的水解性氮含量为1代的39.1%(0 ~ 20 cm)和53.1%(20 ~ 40 cm)。可见, 木麻黄连栽对表层土壤(0 ~ 20 cm)中水解性氮和铵态氮的降低更为显著。木麻黄防护林是一种典型的人工林生态系统, 在经营管理中, 一般采用皆伐、挖根整地、人工造林的模式进行更新, 因此, 随着栽植代数的增加, 对土壤系统的人为干扰程度势必增大, 这很可能加速了氮素向空气中的释放和随降水淋溶的损失。另外, 由于选择的1代林分林龄为40 a, 其生长基本处于停滞状态, 对氮素的吸收水平大大降低, 而2、3代林分分别为15 a和8 a, 处于速生阶段, 为满足其生长发育的要求, 需从土壤中吸收大量的氮。两方面作用的结果, 造成了林地土壤中水解性氮和铵态氮随栽植代数的增加而降低, 而且在表层土壤中的降低比较深层土壤更为显著。

3.2.2 连栽对沙地土壤有效磷、速效钾和缓效钾含量的影响

木麻黄不同栽植代数的沙地土壤中, 有效磷含量随代数的增加而降低, 东山2代林地土壤的有效磷含量为1代的80.0%(0 ~ 20 cm)和62.5% (20 ~ 40 cm), 惠安3代土壤的有效磷含量为1代的55.6%(0 ~ 20 cm)和33.3%(20 ~ 40 cm), 由此可以看出, 连栽似乎对深层土壤有效磷含量的影响更为明显, 这可能是林木根系从土壤的较深层次吸收磷又部分地归还给了表层土壤; 木麻黄连栽后, 沙地表层(0 ~ 20 cm)土壤的速效钾和缓效钾含量随连栽代数的增加表现为降低趋势, 而较深层次(20 ~ 40 cm)土壤的表现为2代增加, 3代又降低, 这似乎不应归结为连栽的原因。

3.2.3 连栽对沙地土壤全碳和全氮含量的影响

木麻黄多代连栽后, 土壤中全碳和全氮含量随代数的增加表现为降低趋势, 这一趋势在表层土壤中更为明显。东山2代林地土壤中全碳含量是1代的78.2%(0 ~ 20 cm)和90.4%(20 ~ 40 cm), 东山2代林地土壤中全氮含量是1代的93.5%(0 ~ 20 cm)和108.2%(20 ~ 40 cm); 惠安3代林地土壤中全碳含量是1代的28.8%(0 ~ 20 cm)和24.7%(20 ~ 40 cm), 东山2代林地土壤中全氮含量是1代的41.5%(0 ~ 20 cm)和42.2%(20 ~ 40 cm)。可见, 木麻黄连栽使林地土壤中全碳和全氮的含量减少。

值得注意的是, 惠安各代林分土壤中的全碳和全氮含量远高于东山各代林分土壤。这是因为东山和惠安一带居民将大部分木麻黄凋落物取走用作燃料, 但自2000年开始, 惠安县在赤湖林场开发森林旅游资源, 加强了森林保护, 严禁居民搂取森林凋落物, 使林地凋落物的数量大量增加。2002年9月采集土壤样品时, 凋落物厚度可达5 cm左右, 而在东山赤山林场的林地上很少有凋落物。由此可见, 惠安各代林分中全碳和全氮的高含量是保护凋落物的结果。另外, 从其它养分含量看, 凋落物增加并没有引起它们的显著增加, 因此可以推断, 保存林地凋落物可在短期内增加土壤中的全碳和全氮含量, 但对其它养分的作用需要长时间积累, 才可达到较显著水平。

3.3 木麻黄连栽对沿海沙地土壤阳离子交换量的影响

阳离子交换总量是交换性钾、交换性钠、交换性钙、交换性镁及水解性总酸度和总和, 反应了土壤中离子的交换性能。分析结果(表 3)表明, 木麻黄连栽后, 土壤中阳离子交换总量逐代增大, 但不同的沙地土壤增大幅度相差很大。东山2代较东山1代仅增大3.3%(0 ~ 20 cm)和2.4%(20 ~ 40 cm), 而惠安3代较惠安1代增大30.6%(0 ~ 20 cm)和24.8%(20 ~ 40 cm)。土壤中阳离子交换总量的变化是交换性钾、钠、钙、镁和水解性总酸度综合作用的结果。从表 3可以看出, 木麻黄连栽后, 沙地土壤中交换性钾、钠、镁随代数的增加而降低, 而交换性钙和水解性总酸度随代数的增加而增大, 由此可以推断, 沙地土壤中阳离子交换总量的逐代增大, 是交换性钙和水解性总酸度逐代增大的结果。

3.4 木麻黄连栽对沿海沙地土壤酶活性的影响

土壤酶是植物根系及其残体、土壤动物及其遗骸和微生物所分泌的, 它能催化土壤中复杂的有机物质转化为简单的无机化合物, 供植物再利用。对4种土壤酶活性的分析结果(表 4)表明, 木麻黄多代连栽后, 脲酶活性在各沙地土壤中的变化幅度不大, 变幅仅为0.013 mg, 但磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化物酶的活性均随代数的增加而降低, 东山2代林分土壤中磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性比1代林分土壤分别降低5.4%(0 ~ 20 cm)和13.6%(20 ~ 40 cm)、30.4%(0 ~ 20 cm)和23.6%(20 ~ 40 cm)、17.0%(0 ~ 20 cm)和38.4%(20 ~ 40 cm); 惠安3代林分比1代林分土壤分别降低43.2%(0 ~ 20 cm)和40.0%(20 ~ 40 cm)、27.6%(0 ~ 20 cm)和25.6%(20 ~ 40 cm)、15.6%(0 ~ 20 cm)和21.9%(20 ~ 40 cm)。木麻黄连栽后林地土壤中磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性随代数增加而降低的现象, 可能与相应林分土壤中各种养分含量及pH值的逐代降低有关。

4 小结

木麻黄多代连栽后, 随着栽植代数的增加, 沙地土壤的pH值表现为降低趋势, 而土壤的水解性总酸度、交换性总酸度、交换性氢和交换性铝含量等指标随着木麻黄连栽代数的增加而增大。尽管当地居民取走了大部分的凋落物, 但仍有部分的凋落物会存留于林地, 这部分凋落物分解释放出有机酸, 加上根系分泌出酸性物质并逐代积累, 可能是林地土壤pH值随代数增加而降低的原因。

木麻黄连栽后, 沙地土壤的水解性氮、铵态氮、有效磷、速效钾、全碳和全氮的含量随着代数的增加而降低, 连栽对表层土壤中上述养分的降低更为显著, 对缓效钾的影响并不明显。同时, 木麻黄连栽后, 土壤中阳离子交换总量逐代增大, 这主要与交换性钙和水解性总酸度逐代增大有关。

对4种土壤酶的活性研究表明, 木麻黄多代连栽后, 脲酶活性在各沙地土壤中的变化幅度不大, 但磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化物酶的活性均随代数增加而降低, 土壤中磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性随代数增加而降低的现象, 可能与相应林分土壤中各种养分含量及pH值的逐代降低有关。