杉木人工林土壤肥力質量的演變趨勢及維持措施的研究進展

郭佳歡，孫杰杰，馮會麗，曹鵬鶴，俞元春

（1. 南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學 生物與環境學院，江蘇南京 210037）

近幾十年來，中國人工林迅速發展，逐步替代天然林成為工業木材的主要供應源。《第8次全國森林資源清查報告》[1]顯示：中國現有人工林面積6.933×107hm2，占有林地面積的64%，林地面積居世界首位。人工林蓄積24.830×108m3，占森林蓄積的17%。人工林面積、蓄積增量分別占有林地面積、蓄積增量的78%、37%，人工林對中國森林資源增長的貢獻明顯。報告指出：中國人工林年均采伐1.550×108m3，比上次清查增加了3.221×107m3，采伐量占全國森林采伐量的46%，比上次清查提高了7%，采伐比例持續上升。然而，由于長期的純林化連栽和掠奪式經營，人工林生態系統的脆弱性愈加明顯，接連出現了土壤退化、生物多樣性減少、生產力降低、生態系統穩定性下降等復雜的生態問題，人工林土壤肥力退化問題受到廣泛關注。土壤退化被首次報道是在19世紀初，又被稱作“地力衰退”和“第2代效應”[2]。人工林土壤肥力退化是指營林過程中，人為不利因素干擾引起土壤屬性的改變而無法實現其對人類有價值的特定功能，主要表現為土壤理化性質惡化及其環境調節能力的持續降低、土壤微生物數量減少、營養元素缺失、生物和森林生產力下降等。杉木Cunninghamia lanceolata的地理分布范圍為 19°30′～34°03′N，101°30′～121°53′E，遍及中國亞熱帶地區 18 個省 (市、自治區)，是中國主要的速生工業用材和造林滅荒優勢樹種，具生長快、材質好、用途廣等特點。目前，栽植面積占全國人工林面積的30%以上[3]，在中國林業生產和森林生態系統中發揮著重要作用。為此，本研究對近幾年的杉木研究成果進行綜述，闡述了杉木人工林土壤肥力質量的演變趨勢及維護措施，為實現杉木人工林的可持續高產和維持人工林生態系統穩定提供參考。

1 中國杉木人工林土壤肥力概況

近年來，桉樹Eucalyptus、楊樹Populus、落葉松Larixgmelinii、杉木等人工林在經營過程中出現土壤質量退化、生產力降低等問題，人工林土壤肥力變化受到廣泛關注。本研究對1989?2018年發表的50余篇中國杉木主要產區土壤肥力相關論文數據綜合分析后發現：中國杉木人工林主產區不同程度出現了土壤退化，土壤肥力朝著持續降低的方向發展(表1)。

表1 杉木人工林主產區土壤肥力質量基本情況Table 1 Basic situation of soil fertility in main production area of C. lanceolata plantations

2 杉木人工林土壤肥力質量變化趨勢

2.1 土壤物理性質

土壤作為人工林根系伸展、固持的一種介質，它的物理性質決定了土壤的基本性狀和運動過程，影響著土壤與人工林之間的物質和能量交換，對維持、調節和控制林地生態系統的穩定至關重要。研究表明：杉木生長狀況與土壤物理性質變化有很強的聯系，尤其以表層土(0～20 cm)的變化最為明顯。王丹等[5]研究發現：不同生長發育階段(幼齡、中齡、近熟、成熟、過熟)杉木人工林的土壤孔隙度、緊實度、全蓄水量、田間持水量都達到顯著差異水平(P＜0.05)。俞元春等[12]研究發現：杉木人工林2、3代林土壤容重較1代林分別增加了43.48%和52.17%；在土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈下降趨勢的指標中，2代林相對于1代下降了23.12%、23.33%和22.30%，3代林相對于1代則下降了27.74%、43.91%和33.02%。王剛[13]研究不同林齡(8、11、15 a)杉木人工林后發現：隨著杉木林齡增加，林地土壤容重增加5.0%～8.5%、含水量持續上升2.1%～3.3%，土壤孔隙度下降2.4%～3.5%，土壤變得緊實，容蓄能力變小。盛煒彤等[14]在對不同立地條件(立地指數為12、14、16)的杉木人工林林地土壤調查后發現，隨著栽植代數的增加，不同立地條件下的杉木人工林呈土壤容重上升、毛管持水量及非毛管孔隙度下降，土壤變得堅實，杉木人工林土壤物理性質逐漸變劣。

與此同時，也有學者持不同意見。胡慧蓉等[6]調查了云南不同林齡(6、13、18 a)杉木人工林土壤理化性質后指出：營造杉木人工林之后，土壤含水量上升，容重降低，緊實度減小，土壤物理性質逐步得到改善，這與高志強等[15]的研究結論相類似。陳欣凡等[16]、李晨晨等[17]則指出：相對于杉木純林，針闊混交、林農復合經營更能有效降低林地土壤容重、改善土壤通氣狀況和土壤物理性質。

2.2 土壤化學性質

從生態系統功能的角度來看，土壤肥力很大程度上取決于土壤的養分循環和平衡，這與土壤的化學性質緊密相關。長期連續營造杉木人工林對土壤養分周轉能力、土壤養分含量及土壤pH產生負面影響。已有研究顯示：杉木人工林連栽后的2代林土壤養分周轉能力下降，養分丟失比率為1代林的200%，養分積累率不足1代林的60%[18]。隨著林齡的增加，杉木人工林的年養分吸收和養分利用效率(氮除外)增加，生態系統養分產量下降，土壤養分輸出超過了各齡期林分的投入，土壤凈養分損失增加，氮、磷、鈣等凈養分流失顯著[19]。王清奎等[20]研究表明：福建來周林場杉木人工林隨著連栽次數增加，林地土壤可溶性有機碳(DOC)和可溶性有機氮(DON)、全氮(TN)、全鉀(TK)、銨態氮、速效鉀(AK)以及可溶性有機質(DOM)等均呈遞減的變化趨勢，土壤肥力質量逐代降低。盛煒彤等[14]調查了福建南平杉木人工林后發現：連栽后的2、3代林與1代林相比，速效磷(AP)、堿解氮(AN)含量平均降幅達20%～30%；銅、鋅等微量元素含量也呈遞減趨勢；土壤有機質(SOM)在2代林中有所降低，2、3代林土壤中的胡敏酸含量及土壤腐殖化系數均低于1代林，連栽后土壤肥力下降趨勢明顯。王剛[13]在調查江西景德鎮楓樹山林場內不同栽植代數杉木人工林時發現：連栽后林地土壤有機質、氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量以及鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)交換量均呈下降的變化趨勢。然而，也有學者持不同的觀點。張志才[9]對福建洋口林場連栽杉木林土壤肥力調查發現：2代杉木林土壤化學性質與1代林相比無顯著差異。唐健等[4]對廣西大桂山林場1、2代杉木人工林土壤有機質、全氮含量等15個指標綜合分析后指出：2代幼齡林土壤肥力高于1代幼齡林，連栽并沒有引起林地土壤肥力下降。研究結論的不同可能由于不同的杉木種源和區域環境條件以及經營管理方式的差別，也可能是不同地域杉木的林下植物群落組成、微生物種類、根際分泌物等環境因子的差異，從而導致土壤養分儲量及有效性不同。關于土壤pH，眾多研究均顯示杉木連栽會導致土壤pH降低，引起土壤酸化[4,13?14]。

此外，凋落物的分解、養分歸還量的平衡對杉木林地土壤養分循環也具有重要影響。研究發現：隨著杉木人工林連栽次數增加，杉木林分養分的年歸還量、年吸收量以及歸還吸收比均呈逐代下降的變化趨勢，養分循環速效減緩，多代連栽不利于杉木林地肥力的恢復[21]。隨著杉木林齡的增長，養分年積累量顯著降低，年歸還量、年吸收量和歸還吸收比逐漸增加。因此，可采取杉木林早期施肥、適當延長輪伐周期等手段來補償杉木早期生長所消耗養分，以維持土壤養分的動態平衡。

2.3 土壤微生物

土壤微生物作為土壤隱形的管理者，直接參與土壤的形成、有機物降解和土壤養分循環等過程，對維持土壤肥力質量至關重要。杉木人工純林連栽對土壤質量變化及土壤微生物種群有較大的影響，容易改變土壤微生物區系，導致土壤肥力退化。研究發現：杉木人工林連栽將會加劇杉木根際土壤微生態失衡，明顯降低土壤微生物的多樣性和代謝活性，造成了土壤營養元素的耗竭[8]。另外，劉麗等[22]研究發現：杉木第3代人工林土壤真菌群落結構相較于天然林變化劇烈，出現了核盤菌屬Sclerotinia sclerotiorum、球殼菌屬Mycosphaerellasp.和小皮傘菌屬Marasmiussp.等致病菌群。這些菌群的存在是引起林地土壤退化和肥力下降的主要誘因之一。李延茂等[23]在調查連栽杉木根際土壤微生物多樣性后指出：隨著連栽代數增加，真菌DGGE圖譜帶減少，生物多樣性降低，病原真菌和產毒真菌數量明顯增加，這可能是導致林地土壤肥力下降的直接原因。杉木連栽后，土壤微生物總數下降，土壤生物活性降低[24]。除此之外，杜國堅等[25]研究了杉木混交林后發現：杉闊混交林土壤微生物數量要比杉木純林高7.19%～41.31%。石麗娜等[26]指出：近自然模式經營杉木林(老齡林、萌芽林)更利于土壤微生物生存與發展，可有效改善土壤肥力質量。

2.4 土壤酶活性

土壤酶活性不僅反映了土壤微生物狀態，同時又綜合了土壤理化條件和營養物質的有效性等相關信息，因此常被用作土壤處理對土壤肥力影響研究的“傳感器”，成為衡量土壤退化程度的關鍵指標之一。杉木人工林的土壤酶活性隨著栽植代數增加呈下降的趨勢，土壤肥力效果與土壤酶活性密切相關，多種土壤酶相互作用對土壤養分產生影響。俞新妥等[7]對杉木連栽林和不同混交林土壤酶活性研究發現：在垂直分布上，土壤酶活性從強到弱均表現為0～20、20～40、40 cm以下，且連栽多代杉木林地土壤酶活性下降幅度更大。此外，杉木混交林各層次土壤酶活性顯著高于連栽多代杉木純林。秦國宣等[27]調查了2代杉木人工林土壤酶活性與土壤肥力的關系后發現：杉木人工林土壤酶活性隨著林分年齡增長呈遞減趨勢，且自然恢復的杉木林地土壤酶活性顯著高于林齡為20 a的2代人工林。

與此同時，杉木連栽對不同類型的土壤酶活性影響也不同。羅飛等[28]在研究酸雨區不同林齡杉木人工林土壤酶活性季節動態基礎上，分析了土壤養分與酶活性的相關關系后發現：多酚氧化酶(PPO)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性從強到弱表現為成熟林、中齡林、幼齡林，蔗糖酶活性隨林齡增加表現出先升后降的變化趨勢。隨著林齡的增加，土壤pH逐漸降低導致土壤酶活性大幅下降，凋落物分解速度變緩，全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤有機質含量顯著降低，土壤肥力下降。

杉木連栽引起的土壤有機質減少也往往伴隨著土壤酶活性的下降；間伐將提高杉木林土壤酶活性并持續改善土壤肥力。胡亞林等[29]研究發現：杉木人工林替代天然次生闊葉林后表層土壤有機碳下降44.87%，土壤酸度增加，全氮、全磷等養分減少，土壤酶活性和土壤呼吸強度顯著降低，表層土壤質量惡化。林地土壤有機質減少是土壤養分降低、酶活性下降的驅動因素之一。丁波等[30]通過研究不同間伐強度對18年生杉木人工林土壤酶活性的影響認為：間伐可顯著提高土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶(ALP)、脲酶和蔗糖酶的活性，且在3 a后的綜合表現表明：這類土壤酶活性的提升可有效改善土壤肥力質量。

2.5 化感作用

化感作用是一種存在于大自然和生態系統管理中的重要生態機制。有害化感物質是造成杉木人工林土壤肥力質量下降的重要因子之一。陳龍池等[10?11]研究發現：杉木凋落物所釋放的香草醛等酚類物質積累到一定濃度時對幼齡杉木根系具有化學毒害效果，嚴重影響根部細胞對土壤中及離子的交換吸收，同時促使大量氮素被分配至根部，莖、葉中氮素分配嚴重不足，導致杉木長期處于養分虧缺狀態，降低了杉木生產力。XIA等[31]在調查化感物質對土壤微生物的影響時發現：長期單一栽植杉木林地土壤中含有大量的化感物質環二肽，且2代林的含量明顯高于1代林。該物質不僅對杉木根系有直接的毒害作用，嚴重抑制了根系的生長，同時還會間接改變土壤微生物群落組成，最終引起林地土壤生態失衡，導致土壤質量逐漸惡化。HUANG等[32]對杉木根樁分解過程中酚類物質化感效應的研究表明：微生物在分解根樁的過程中會向周圍土壤釋放多種類型的次生代謝產物，包括酚類物質，當酚類物質在土壤中積累到一定濃度時會抑制杉木根和葉的生長，降低水分利用效率，破壞土壤微生物生態循環系統，導致土壤養分流失、肥力下降。

3 杉木人工林土壤肥力維持研究進展

3.1 科學輪作經營

輪作能有效避免長期經營單一純林所引起的土壤養分耗竭，有助于恢復林地土壤功能，有效提升土壤肥力質量，防止土壤肥力退化。張鼎華等[33]調查杉木、馬尾松Pinus massoniana人工林輪作對土壤肥力和林木生長的影響發現：輪作過程中后茬林地土壤微生物生物量大幅增加，酶活性明顯增強，有毒化感物質含量降低，土壤pH上升，林地土壤肥力改善效果良好，林分生產力明顯提高。張劍等[34]指出：杉木與火力楠Michelia macclurei輪作顯著增加了土壤微生物量碳、土壤微生物熵、易氧化有機碳和碳庫管理指數，提高了土壤微生物對底物的利用效率。在今后的杉木輪作研究中，應合理利用部分樹種間協同促進的生物學特性，選擇合適的樹種，避免有害化感作用，確定正確的輪作順序以及合理的輪作年限，構建合理的輪作系統，最大限度發揮輪作系統的生態效果。

3.2 混交復合造林

通常情況下，混交林凋落物比針葉純林要高很多，土壤中微生物群落組成也更復雜，酶活性也更高，因此，凋落物分解和速效養分的釋放也將更快。混交造林更有利于降低土壤養分損失，有助于人工林土壤肥力的長期維持。曹小玉等[35]對不同林齡(幼齡林、中齡林、近熟林)的杉木人工林補栽欒樹Koelreuteriabipinnata、鵝掌楸Liriodendrontulipifera等闊葉樹種調查發現：混交改造后的3個林齡杉木人工林土壤養分含量均有提高，土壤肥力質量得到改善。田曉等[36]運用FORECAST模型模擬研究了楨楠Phoebe zhennan與杉木混交林未來300 a內林分的時空演變后發現：往杉木人工林內引入一定數量的楨楠可有效遏止土壤退化。當楠-杉混交比例為3∶1時，森林可獲得蓄積量最高，土壤肥力維持效果最好。WANG等[37]研究杉木純林中補植闊葉樹后發現：土壤全氮、硝態氮、全磷和速效磷等養分增加，土壤微生物活性增強，土壤肥力恢復效果明顯。此外，黃云鵬[38]在研究杉木-紅錐Castanopsis hystrix混交林時發現：不同混交比例的人工林林分生產力、土壤肥力均有顯著差異。土壤中全氮、銨態氮、速效磷、土壤有機質隨著杉木比例降低而顯著增加，杉木-紅錐混交比為7∶3時林地土壤肥力提升效果最好。因此，混交復合造林，尤其與闊葉樹混交是杉木人工林土壤肥力質量維持的有效手段。

3.3 調節林分密度

合理調節林分密度可促進林下植被的發展，增加林地生物多樣性，改善群落結構，提高生態功能穩定性，而且對維護林地土壤質量，促進養分循環，維持生產力方面具有重要作用。已有研究發現：中度間伐后林下植物種類、林下死地被植物量增加，土壤溫度上升，死地被物分解速度加快；重度間伐后表層土壤(0～10、10～20 cm)容重下降，含水量和孔隙度增加，土壤全氮、堿解氮、鋅含量上升，并且不同程度間伐對土壤肥力質量均有積極影響[39]。另外，隨著時間推移，間伐撫育在1～2 a內林下植被的組成、多樣性和生物量相對于杉木人工純林有顯著的提高，間伐林土壤性狀明顯改善，林分蓄積量并未降低[40]。還有研究發現：適度間伐后的林分環境和光環境得到改善，林下植被得以發展，土壤微生物群落組成更加穩定。其中，間伐率為33.3%(1 200株·hm?2)時土壤肥力提升效果最為顯著，有利于杉木人工林土壤肥力質量的維持[30]。此外，間伐后林下植被的生長導致土壤含水量上升，促進了可溶性有機碳的溶解，可溶性有機碳含量上升使得β-1,4-葡萄糖苷酶(β-G)、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)活性增強，加速了土壤有機質的分解和養分的釋放，土壤肥力因此提升[41]。與此同時，減少林分密度有助于改善磷的內部循環，提高土壤速效磷含量，滿足樹體營養需求[42]。綜上所述，林分密度是影響杉木人工林養分循環的關鍵因子之一，合理調節林分密度可增加杉木人工林林地生態系統的穩定性，有助于林地土壤肥力質量的維持。其中，中度間伐(25%～30%)后土壤肥力質量的維持效果最好，有利于杉木人工林的經營。

3.4 合理補償肥力

肥力補償能有效補充土壤養分，改善土壤質量，提高林分生產力。杉木人工林林地肥力補償應在營養診斷基礎上，結合林地土壤養分狀況，以自然補償為主，人為補償為輔，做到缺素補償、適量補償。研究顯示：施肥可有效補充土壤養分，增強土壤酶活性，提升土壤肥力水平，緩解杉木缺素病癥[43]。與此同時，不同林齡、不同種源的杉木對肥料的需求也不同。牛寧[44]利用DRIS營養診斷法對3代種子園后代杉木植株養分元素診斷后發現：杉木植株中氮、磷、鉀養分最佳比值區間為rP/N=0.145 8±0.026 1，rK/N=0.932 4±0.044 4，rK/P=6.643 2±0.883 3，杉木對氮、磷、鉀三大營養元素的需求從大到小表現為鉀、磷、氮。WANG等[45]研究發現：在杉木幼齡期施氮、磷肥后，土壤微生物生物量減少，SOM分解速度上升，土壤養分有效性增加。陳勝進等[46]研究指出：連栽后土壤pH逐漸降低，施肥可有效改善這種狀況。同時，在杉木林幼齡階段增施磷肥可促進植株的營養生長，中齡階段補償氮、磷、鉀、鋅可顯著提高蓄積量，近熟期補償銅和鋅可有效提高林木養分利用效率，緩解前期養分耗竭現象。除此之外，杉木早期耗盡土壤養分保持增長，并隨著林齡增加提高土壤養分的利用效率，減少對土壤的依賴。杉木的養分歸還量、養分利用效率、養分周轉時間和歸還比率也隨著林齡的增加而增加[47]。

3.5 可持續森林管理

可持續森林管理(sustainable forest management, SFM)是指在管理和利用森林和林地過程中，保持其現有和未來的生物多樣性、生產力、再生能力、活力及其潛力，以實現在地區、國家和全球范圍內的相關生態、經濟和社會功能，并且不對其他生態系統造成損害[48]。人工林替代天然林后，人為因素的增加，加劇了對森林生態系統的干擾，打亂了原有森林生態位，破壞了林地生物地化循環，給土壤生態系統帶來一定的負面影響。因此，開展可持續管理，采用近自然模式營造和管理人工林，造林時避免破壞性煉山、整地等不合理的生產行為，營造林分結構復雜、生物多樣性豐富穩定的森林生態系統，合理延長輪伐周期，注重擇伐，限制皆伐，注重養分的自然補償，避免土壤養分過度流失。通過上述措施，協調好林地系統與其他生態系統的關系，既能保證杉木人工林持續的木材產量，又可以維持人工林地的土壤生態功能。

4 展望

目前，人工林土壤肥力維持是全世界所面臨的重點難點問題，涉及土壤、微生物、生物化學、植物生理等眾多領域，無論采取何種解決方式和手段，現階段杉木人工林土壤肥力維持都面臨諸多困難。針對現存問題，未來關于杉木人工林土壤肥力質量維持的研究重點如下：①土壤退化是氣候變化的主導因素之一，而氣候變化對人工林土壤退化的影響也是亟待解決的問題。未來可運用科學的監測手段，以對氣候變化敏感的土壤微生物為“傳感器”，探索全球氣候變化對杉木人工林土壤微生物群落的組成、多樣性以及功能的時空演變及其對土壤肥力變化的影響。②目前，關于杉木人工林的研究較多，但多數研究還是建立在以“空間換時間”的基礎上，缺乏長期系統的跟蹤監測，而土壤變化是長期且復雜的過程。今后可在杉木人工林中心產區建立長期的定位研究站，對土壤養分的釋放、活化和植物對養分的吸收、運輸、儲存、歸還等方面展開系統調查，為杉木人工林的土壤肥力質量的維持提供理論依據。③大氣氮沉降的增加是全球氣候變化的主要驅動因素，氮素作為森林和土壤中最主要的營養元素之一，其沉降不可避免地對森林生態系統產生影響。目前，氮沉降對土壤微生物組成、生物量及呼吸作用的影響仍不清楚。因此，有必要研究大氣氮的沉降尺度及其與林地生態系統的交互作用對土壤微生物和土壤酶活性的影響，調查氮沉降對土壤肥力變化的影響，為杉木人工林土壤肥力質量維持提供參考。④當前，雖然已有較多研究顯示杉木人工林施肥可改善土壤質量，然而卻很少有研究區分化肥和有機肥對杉木人工林土壤作用效果的不同，也并未探討過度施肥是否會導致杉木人工林土壤板結和酸化等問題。這有待進一步的研究去論證。