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我国华南地区地处热带亚热带,有面积巨大(达2500多万ha)、种类多样的人工林,由于南方酸性红壤肥力水平低,人工林生长通常受到养分供应的限制。本文以苗木、幼林期、成熟期三个不同阶段的奉地区常见人工林为对象,研究其土壤养分特征,同时对速生人工林的不同管理措施(林下灌草去除和火烧炼山)对养分有效性的影响开展试验,为华南地区人工林的养分管理提供科学依据。研究结果如下:
1、在人工林的幼苗期,土壤养分有效性,特别是速效养分的含量与树种的生长速度有关。对于外来速生树种(桉树和相思),根际土壤氮素有效性在栽植后2个月内就有大幅度的下降,而且相思树能够通过固氮作用满足其部分养分需求,但相思林下土壤的无机氮含量和速生桉树类似,表明其快速生长亦使得土壤原有的土壤速效氮降低。这表明桉树林和相思林在生长初期就需要大量的施肥,以满足其对养分的需求。乡土树种生长较速生树种缓慢,但藜蒴作为一种快速生长的乡土树种,是当前生态公益林建设中一个比较好的树种。土壤磷的有效性是华南地区人工林的重要限制性因素。研究结果发现,大叶相思住盆栽一年期间可以提高根际土壤有效磷的含量,而同为固氮树种的马占相思则没有这种效果。因此,在缺磷的地区,我们建议利用大叶相思作为先锋林既可以提高土壤氮的含量,也有利于克服土壤有效磷的缺乏,是比较理想的树种。
2、在人工林建立2-3年后,林型的不同显著影响了土壤养分的含量。桉树和相思树的土壤硝态氮含量很低,显著低于10种乡土树种的混交林。而且,尾叶桉速生林下氮素的矿化和销化作用显著低于乡土树种。这一结果表明,在种植后较短时间内,速生树种,特别是桉树可以使得土壤速效氮耗竭,而且还进一步通过凋落物等影响土壤氮矿化水平,使得土壤有效氮素的提供能力进一步下降。但是从土壤氮素的淋溶损失量来看,速生树种人工林的氮素损失量远小于乡土树种林和草坡。因此,这速生树种有利于保存生态系统中的氮素于地上生物量中,在土壤养分淋失严重的地区,它们的作用不可忽视。季节因素也是影响土壤养分有效性的重要因素。华南地区干湿两季明显的气候差异导致了土壤养分含量变化明显。土壤氨态氮在干季较高,而土壤有效磷的含量则在多雨的湿季较高,土壤硝态氮的季节变化不很明显。土壤氮素矿化和硝化水平都是在雨季较高;而在干季,土壤氮矿化为负值,主要由于土壤氮素的固化过程所致,而土壤硝化过程基本停滞。基于以上结果,我们建议在进行生态恢复时对树种的选择应因地而异。在土壤养分流失严重的地区,速生树种能够有效的减少土壤氮素的流失,且比较快速的生长并恢复植被覆盖。
3、对成熟人工林的研究结果表明,固氮的大叶相思和马占相思人工林在栽植23年后,其表层0.5 cm层土壤有机质和土壤总氮的含量远高于其他非豆科人工林,其中土壤有机质高40%,土壤总氮高30%到60%。土壤氨态氮和硝态氮在各个人工林之间的变化不大,而作为对照的灌草坡的土壤速效氮的含量是最高的,甚至高于固氮的马占相思人工林和大叶相思人工林。灌草坡较低的地上生物量可能是造成土壤速效氮含量较高的因为。湿季土壤的氮矿化和硝化量在各个林型和灌草坡之间没有显著的差异。而大叶相思林下土壤的有效磷含量显著高于其他人工林及草坡,这和之前对其幼苗期的研究结果相似。这一结果表明,大叶相思人工林有利于提高土壤有效磷含量,帮助其他植物克服磷的限制,从而促进生态系统的演替。季节因素同样显著影响了成熟人工林中土壤养分的有效性,特别是土壤氮矿化和硝化过程。与2-3年林龄的早期人工林的研究结果相似,在湿季的土壤氮矿化水平很高,达7.41-11.2 kg N ha-1mo-1,超过本地区顶极常绿阔叶林的氮矿化水平,表明经过20多年的恢复,这些原本退化的土壤已经较好的恢复了土壤肥力,特别是土壤氮素的有效性。而在冬季,土壤氮矿化和硝化过程处于停滞状态。
4、通过在2-3年生尾叶桉人工林和厚荚相思人工林下进行去除与保留灌草的对比研究,我们发现在去除林下灌草6个月后,土壤有机质含量显著降低而土壤有效养分含量的变化不大。土壤氮素的矿化和硝化过程亦受到显著影响,去除灌草的处理中的土壤氮矿化水平显著低于对照,土壤有机质的减少以及细根生物量的降低可能是降低土壤氮矿化和硝化水平的主要因素。尽管普遍认为去除林下灌草可以降低林下植物对养分的竞争,有利于提高土壤养分含量,进而提高林分的产量,但本研究表明去除林下灌草半年后并没有提高土壤养分的含量,反而降低了土壤的氮矿化水平,限制了土壤的氮素有效性。因此,在华南地区的经济林中常用的林下灌草去除的管理措施对土壤养分的影响需要重新考虑,也需要进一步研究来阐明去除灌草1-2年甚至更长时间后对土壤养分过程的影响。
5、火烧炼山是华南地区在植树造林前常用的林地管理措施。研究表明,无论是尾叶桉林还是草坡,火烧2年后土壤有机质相对于对照下降了15%左右,但对土壤总氮的影响并不显著;对于土壤速效养分,火烧2年后仪在夏季显著提高了土壤的氨态氮水平,而对土壤硝态氮的影响则不大。土壤氮素的转化过程也受到火烧的影响,在夏季火烧样地的土壤氨化过程显著低于非火烧样地,这可能是由于在1-2年后,土壤不稳定氮库耗尽,而没有新的氮补充所致。