人工林地力衰退是在人工林营造和经营中由于树种选择与林分结构设计不当、整地与造林粗放、林分经营过程中施肥、耕作和浇水不尽合理以及相同树种的多代连作等原因导致的林地土壤生态环境退化、林地生产力下降的现象。人工纯林的多代连作是导致人工林地力衰退的主要原因之一。早在1869年, 德国在调查第2代云杉人工林时就发现统称为“第2代效应”的地力衰退, 后来挪威、印度、印度尼西亚、法国、澳大利亚、南非和前苏联等许多国家也发现了人工林地力衰退和生产力下降的问题, 涉及的树种有欧洲云杉(Picea abies)、海岸松(Pinus pinaster)、辐射松(Pinus radiata)等(吕继光, 1994)。我国人工林面积达5 000多万hm², 约占世界人工林面积的1/4(沈熙仁, 1994), 但由于多种原因, 人工林质量较差, 平均林木蓄积量仅为28.3 m³·hm^-2, 其中至少有300多万hm²的杉木(Cunninghamia lanceolata)、桉树(Eucalyptus spp.)、马尾松(Pinus massoniana)、兴安落叶松(Larix gmelinii)和杨树(Populus spp.)等人工林已经发生严重的地力衰退(黄鹤羽等, 1994)。

山东省是我国北方杨树人工林主产地之一, 人工林栽培历史悠久, 面积大, 栽培措施集约, 单位面积蓄积量较高, 取得了显著的经济效益和社会效益。但是, 由于长期单一经营和多代连作, 很多地方已经发生了林地土壤生态环境恶化、林木病虫害严重、林木生长衰弱、林地生产力下降等现象。调查发现:山东莒县多代连作的杨树人工林[第1代健杨(Populus euramericana 'Robust', Robust], 第2、3代I -69杨(Populus deltoides 'I- 69 55', I-69 55)和第3、4代的中菏1号(Populus deltoides 'Zhong He 1', Zhong He 1)、土耳其杨(Populus euramericana 'Turkey', Turkey)、107杨(Populus euramericana 'Neva', Neva)等品种, 第3代和第4代林分生长量明显下降、并且出现了比较严重的枯梢、烂根和整株死亡等现象。为了缓解这一问题, 当地农民采取轮作、更换品种、抽沙换土、中耕施肥或林下间作农作物等方式, 提高林地土壤的肥力, 改善土壤的理化性质, 维持林地生产力。本文在调查总结山东省莒县杨树速生丰产林地力维持技术的基础上, 研究抽沙换土、更换品种及林地间作3种经营方式对人工林生长及林地土壤生态环境的影响, 以期为人工林地力维持和速生丰产林的持续经营提供理论依据。

1 自然概况

试验研究地点设在山东省莒县境内, 莒县地处鲁中南山丘区东南部, 118° 35′—119° 09′ E, 35° 19′— 36° 04′ N。该区属暖温带季风区大陆性气候。年平均气温12.1 ℃, 1月份平均气温-3.3 ℃, 极端低温-26.5 ℃; 7月份平均气温25.5 ℃, 极端高温39.4 ℃。常年大于0 ℃的积温4 590 ℃, 日平均气温稳定超过0 ℃的农耕期283 d, 日平均气温超过10 ℃的喜温作物生长期202 d, 无霜期183 d。全年平均降水量873 mm, 降水日数平均85.9 d, 4 —10月份降水量占全年降水量的91 %, 雨热同步。年平均相对湿度71 %。

2 研究方法 2.1 试验设计

抽沙换土措施是在林分采伐更新以后在原有林分行间按照宽1 m、深0.6 m的规格抽掉原来贫瘠河沙, 更换为肥沃的农田土壤。试验地点位于莒县招贤镇境内。设抽沙换土和未抽沙换土2个处理, 每个处理3个重复, 每个小区面积0.48 hm², 随机区组排列。造林品种为土耳其杨, 株行距为3 m ×4 m, 林龄2年, 栽植代数为第3代, 林地的第1代和第2代分别为健杨林和I -69林。

杨树品种轮作试验设在莒县招贤镇后仕阳村, 该林地栽植代数为第3代, 前代品种均为I -69杨, 采伐后分别更换为中菏1号、土耳其杨、107杨和I -69杨(以3代栽植品种均为I -69杨为对照) 4个处理, 每个处理3个重复, 每个小区面积1 hm²。每个品种试验林株行距均为3 m×4 m。

林下间作试验选设在莒县峤山镇聂家鸿沟村。试验林为造林后2年的土耳其杨, 株行距为3 m×5 m, 栽植代数为第3代。该试验分为间作大豆(Glycine max)、花生(Arachis hypogaea)、西瓜(Citrullus lanatus)、生姜(Zingiber officinale)和不间作5个处理, 每个处理面积0.48 hm², 3个重复, 随机区组排列。

2.2 调查及测定 2.2.1 林分调查

野外林分生长状况调查采用标准地调查方法, 设置20 m ×30 m标准地, 50株(5 ×10), 进行每木检尺, 测定树高、胸径。

2.2.2 土样的采集和处理

采用多点采样法, 每块标准地均匀布设3个梅花形采样点, 在每个采样点0 ~ 20 cm的根系周围取样、混合。供微生物分析的鲜土装入已消毒过的密封塑料袋带回实验室0 ~ 5 ℃冷藏, 用于土壤酶活性和土壤养分测定的土壤装入密封袋带回实验室风干过筛。

2.2.3 有机质和土壤养分的测定

土壤有机质采用重铬酸钾滴定法, 水解N采用碱解扩散法, 速效P采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法, 速效K采用醋酸铵-火焰光度计法(刘春生等, 1996)。微量元素Cu、Zn、Fe、Mn采用原子吸收光谱法(鲍士旦, 1999)。

2.2.4 土壤酶活性的测定

脲酶活性采用比色法, 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法, 多酚氧化酶和过氧化物酶活性采用邻苯三酚比色法(关松荫, 1986)。

2.2.5 土壤微生物测定

采用稀释平板法, 细菌采用牛肉蛋白胨培养基, 真菌采用PDA培养基, 放线菌采用改良高氏1号培养基。28 ℃温箱内培养, 细菌、真菌和放线菌分别在1 ~ 3 d、3 ~ 5 d及7 ~ 10 d内检查统计3大类微生物的数量(许光辉等, 1986)。

3 结果与分析 3.1 抽沙换土对连作林地林木生长及土壤微生态环境的影响

抽沙换土对林地土壤环境有明显的改善作用。抽沙换土首先能够在短期内迅速有效地提高土壤养分含量。由表 1可以看出, 与对照林地相比, 抽沙换土以后基础肥力有机质、速效N、P、K分别提高了27.52 %、20 %、72.43 %、151.33 %。微量元素Cu、Zn、Mn的含量分别增加了13.29 %、41.29 %、108.04 %。Fe的含量略有降低, 这可能与成土母质有关。

土壤酶系统是土壤生理活性最强的部分, 土壤中物质的转化、累积和分解是一个复杂的生物化学过程, 而这些过程几乎都是通过酶的作用来完成的。土壤酶活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的动向和强度(关松荫, 1986), 抽沙换土后除过氧化氢酶外其他土壤酶活性都有所增加(图 1), 与对照相比土壤脲酶、过氧化物酶、多酚氧化酶活性分别提高了116.3 %、80.95 %、48.34 %。以上分析说明:抽沙换土与对照林地相比基础肥力和酶活性等都有较大幅度的提高。

土壤微生物是土壤生态系统的主要部分, 是生态系统的分解者, 也是物质循环和能量交流的承担者, 因而它可作为土壤肥力的重要指标(刘苑秋等, 2003)。抽沙换土与不抽沙换土从微生物的数量上存在着明显的差别, 从表 2可以看出, 与对照相比, 抽沙换土林地微生物总量提高了1.95倍, 其中真菌提高了1.55倍, 细菌提高了2.05倍, 放线菌提高了1.24倍。从各种菌所占比例上可以看出, 细菌最多, 放线菌次之, 真菌数量最少。并且立地条件越好, 细菌比例越大。

正是由于抽沙换土增加了土壤养分含量、提高了土壤酶活性, 并且改变了土壤微生物群落结构, 因而整体上改善了土壤微生态环境, 促进了林木生长。调查结果表明:抽沙换土以后林分平均胸径和树高由对照的6.41 cm和5.71 m提高到9.18 cm和6.92 m, 提高幅度分别为43.21 %和21.19 %。

3.2 更换杨树品种对连作地上杨树人工林生长和林地土壤环境的影响

由表 3可以看出, 同一代次的条件下, 更换品种之后对林地土壤肥力和酶活性的影响比较明显。由于前作品种都是I-69杨, 继续栽植I -69杨的林地(对照林地)的有机质、速效N、K的含量都是最低的, 与对照林地相比, 更换成中菏1号、107杨和土耳其杨后林地土壤有机质分别增加了78.21 %、12.06 %、49.81 %, 速效N分别增加了200 %、20.00 %、40.00 %, 速效K分别增加了30.49 %、6.11 %、15.26 %, 更换品种后速效P的含量反而降低。

由图 2可以看出, 与对照林地相比, 更换成中菏1号、107杨和土耳其杨后, 林地土壤脲酶活性分别提高了257.53 %、95.89 %、213.70 %, 过氧化物酶活性分别增加了14.41 %、27.05 %、58.98 %, 多酚氧化酶的活性分别增加了157.14 %、20.17 %、97.48 %。过氧化氢酶活性也有所增加, 但变化幅度不明显。说明杨树连作地更换品种后也会改善土壤的一些性状, 起到一定的地力维持效果, 但是效果没有抽沙换土明显。

从表 4可以看出, 更换品种对土壤微生物区系的改善也非常明显。与对照林地相比, 更换成中菏1号、107杨和土耳其杨后土壤微生物总量分别增长了22.61倍、7.40倍、3.77倍。真菌、细菌、放线菌分别增长了23.91倍、22.76倍、3.18倍, 28.71倍、9.19倍、3.40倍, 2.80倍、1.15倍、0.71倍。从各种菌所占的百分比上可以看出, 随着品种更换, 细菌所占比例也在增大。

3.3 间作对连作林地杨树人工林生长和林地土壤微生态环境的改善作用

在林分郁闭前实行林粮间作是农区林业的重要栽培模式(姜岳忠, 1994), 特别是具有多年栽培历史的连作林地, 由于连作使得林地土壤性质恶化, 通过间作作物的耕作作用使林地土壤得到以耕代抚的目的, 从而改善土壤的肥力状况, 促进林木生长。从图 3和表 5中可以看出, 与对照相比, 间作大豆、花生、西瓜、生姜林地的胸径和树高分别提高了19.72 %、15.25 %、32.00 %、37.84 %和13.25 %、8.17 %、28.66 %、29.12 %。有机质分别提高了57.74 %、41.27 %、115.28 %、116.87 %, 速效P、K分别提高了26.16 %、8.70 %、163.55 %、195.22 %和33.49 %、18.03 %、43.81 %、48.94 %, 速效N含量有增有减, 增减幅度为15.79 %、- 5.26 %、-47.37 %、26.32 %。更换品种后微量元素Fe、Mn的含量是增加的, 但是Cu、Zn元素含量的变化没有明显规律, 间作西瓜和生姜林地的Cu元素含量低于对照林地, 间作大豆、花生、西瓜林地的Zn元素含量也低于对照。

由图 4可以看出, 与对照林地相比, 间作大豆、花生、西瓜、生姜林地的过氧化氢酶活性分别提高了10.69 %、0.63 %、10.69 %、13.84 %。过氧化物酶活性分别提高了16.98 %、7.82 %、19.85 %、65.65 %。多酚氧化酶活性除间作大豆林地比不间作林地活性下降外, 分别提高了12.26 %、28.30 %、36.79 %。脲酶活性却是间作大豆林地最大, 间作西瓜和生姜林地小于对照林地, 这和速效N的规律性是一样的。

林农间作同样会改善连作林地土壤的微生物数量。表 6表明:与对照相比, 间作大豆、花生、西瓜和生姜林地的土壤微生物总量分别提高了2.04、1.22、6.76和6.90倍; 真菌细菌放线菌则分别提高了2.43、1.38、3.39、2.83倍, 2.13、1.28、7.32、7.73倍, 1.24、0.79、3.11、1.33倍。各种菌以细菌为主, 放线菌次之, 并且, 随着间作作物改土效果的增加, 细菌所占的比例逐渐升高。几种不同间作方式改土效果相比, 间作西瓜和生姜对改善连作林地的土壤养分、土壤酶活性状况作用更加明显, 微生物数量也最多。这是由于西瓜和生姜属于高效的经济作物, 另一方面, 西瓜和生姜种植时农民向土壤中投入的也较多, 使用大量的有机肥和化肥, 促进树木生长。同时又有较高的经济效益, 所以间种高效作物是一项较好的连作林地地力维持技术。

4 结论与讨论

间作、抽沙换土、更换品种均能有效地提高土壤养分含量、土壤酶活性和土壤微生物数量, 并且有力促进林木树高和胸径生长量。

近些年来有关农林间作对地力的维护作用的研究很多, 众多研究结果表明:间作能提高土壤微生物区系和种类的多样性, 改善土壤的理化性能, 增强土壤生物活性, 维护土壤肥力, 提高土地生产力(姜岳忠, 1994; 闫德川等, 2000; Chander et al., 1998; Roshan, 20003; Nyberg et al., 2002)。这与本文的研究结果是一致的。但是, 并非任何作物与林木间作都能维护和提高地力, 张鼎华等(1997)认为, 农林间作是否能够维护和提高地力, 关键在间作作物的选择上, 首先必须保证该物种能在林地上良好生长, 适应性强, 其次是间作作物与林木之间没有较大的重叠的生态位, 种间矛盾不突出, 或较易通过某种栽培措施使种间矛盾缓和, 再次是间作作物能最大程度地覆盖地面。要特别注意避免选择那些耗肥和在雨季收获的作物与林木间作。袁玉欣等(1999)提出农林间作系统中林木与农作物竞争水肥最主要是由2 mm以下的吸收根完成的, 所以应该按照林木根系分布和农作物根系分布的大小来选择间作物种类。可见农林间作是否能够维持地力, 间作作物的选择非常重要。

农林间作系统中林木与农作物之间的相互作用关系是目前研究的热点问题, 这方面有关林木对农作物影响的研究比较多, 作物对林木影响的研究还比较少, 如袁玉欣等(2000)曾对杨树与农作物间作条件下的生长进行过研究。研究提出在平原地区实行杨树与农作物间作是提高林木生长量、培养大径材的有效途径。这与本文研究得出间作能提高杨树胸径和树高生长量的结果基本一致。王兴祥等(2003a)在南酸枣(Choerospondias axillaris)和花生间作系统中的研究认为:南酸枣竞争利用了施用于花生中的氮肥, 从而促进了南酸枣的生长, 但是花生产量受到了一定的影响。农林间作系统中林木与农作物的相互作用关系的研究主要是从以下2个方面展开: 1)林木与作物根系分布及对肥水竞争关系的研究。林木与作物相互作用主要集中在地下, 虽然相对于农作物来说林木的根系是深根系的, 但是大多数树种的吸收根主要分布在0 ~ 50 cm的土层范围内, 林木与作物根系对肥水的竞争是不可避免的。Singh等(1989)认为农林间作系统中水分的竞争是促进林木生长和农作物减产的主要原因。但最近有报告指出在南酸枣和花生间作系统中土壤水分的竞争不是促进南酸枣生长和抑制花生生长的主要原因(王兴祥, 2003b)。对于间作能否提高林地的养分含量, 以往的研究结果也并不一致。有的研究者认为间作能够提高N的矿化度和磷的有效性(Haggar et al., 1993), 但也有人认为农林间作系统中P有从系统中输出的趋势(Salazar et al., 1993)。造成这种结果不一致的原因, 袁玉欣等(1999)认为, 一方面是由于树种特性的差异、物种关系的复杂性和立地条件的异质性, 另一方面也是因为间作方式和间作模式不一样。2)化感作用研究。农林间作的化感作用研究还处于起步阶段, 研究的数量较少, 而且很少涉及到毒害机理和有毒成分组成等深入的层面。这方面作者的理解是, 人工纯林, 特别是连作林地会积累大量不利于林木自身生长的分泌物质, 即称为人工林自毒作用, 这是人工林产生衰退的实质所在。通过间作在提高土壤有机质含量、维护地力的同时能够消除或削弱林木的这种自身毒素的积累, 从而促进连作地上林木的生长。总之, 有关农作物对林木生长影响的研究深度和广度都有待提高。