森林土壤退化及其防治研究综述

1、张 桥等：森林土壤退化及其防治研究综述 679森林土壤退化及其防治研究综述张 桥，蔡婵凤广东省土壤肥料总站，广东 广州 510500摘 要：介绍了土壤退化的概念；从树种生物学特性、人工林植物群落结构和栽培措施方面探讨了森林土壤退化的机理；提出了防治森林土壤退化的对策。文章最后指出，应从多学科的角度深入系统地研究地力衰退的机理，利用遥感、地理信息系统等高新技术手段构建包括计算机模拟模型、林地指南、关键决策系统、专家系统等在内的不同的预测和决策工具，同时加强天然林的进一步研究。关键词：森林土壤；退化；防治中图分类号：S714 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）04-0677-

2、04森林土壤学是林学与土壤学之间的边缘学科，主要研究林地（包括有林地和宜林地）土壤形成、发育、组成、结构、性质、变化规律及其与林木生长之间的关系。森林土壤是指在森林植被的长期作用下形成的，能够为植物生长提供所需要的养分与水分的疏松地表层，它不仅是林木生存的重要物质基础，还是森林生态系统的重要组成部分。自1971年FAO提出土壤退化问题并出版土壤退化专著以来，土壤退化问题日益受到人们的关注。第一次与土地退化有关的全球性会议_联合国土地荒漠化(desertification)会议于1977在肯尼亚内罗毕召开。1996年国际土壤联合会在土耳其举行以土壤退化为主题的第一届国际土地退化会议，成立了土壤退

3、化研究工作组。1997年众多学者在加拿大多伦多国际水土保持学会会议上探讨了侵蚀引起的土壤退化问题。1999年国际土壤联合会在泰国举行第二届国际土地退化会议，并于2001年在巴西召开第三届会议。在森林土壤研究方面，加拿大政府和安大略省政府资助5000万加元设立了“加拿大北方森林生态系统长期生产力研究”项目，旨在通过长期生产力维护的研究为森林可持续经营提供理论、技术和方法。Worrell和Hampson 1以欧洲地区的研究为主，回顾了森林经营措施对森林土壤的可持续经营的影响方面的研究，并列举了该领域中需要进一步研究的问题。我国退化森林土壤生态系统面积大，系统结构和功能差，生产力和蓄积量低，急需恢复

4、和重建2。20世纪60年代中国林学家注意到杉木人工林存在地力衰退现象，在80年代组织了较大规模的有组织的研究，并于90年代出版了人工林地力衰退研究专集。此后研究扩大到落叶松、桉树和柳杉等树种。1995年中国国家自然科学基金委员会资助设立了“杉木和桉树人工林长期生产力机制的研究”重点研究项目，旨在研究这两个树种的长期立地生产力变化规律和防治衰退的措施。近10多年来南京土壤研究所对我国南方地区土壤退化的研究较为深入，初步阐明了红壤退化的机制，绘制了南方土壤退化图并提出一些防治红壤退化的模式3。研究森林土壤退化及其防治对于合理利用、改良森林土壤，制定适宜的栽培、经营措施，提高森林土壤生产力及林木生长

5、量具有重要的理论和实践意义。1 土壤退化的概念土壤退化(Soil degradation)是指由于人类活动引起的林地养分耗竭、退化或农林耕地被占用，包括土壤侵蚀、土壤性质恶化和非农林占地三个方面4。土壤退化可分为土壤物理性退化、土壤构造性退化、土壤营养性退化和土壤化学性退化5。也有学者认为土壤退化即为土壤生态系统退化，包括土被退化、植被退化和土壤生物退化6。联合国粮农组织则将土壤退化分为侵蚀、盐碱、农药等十类，尤为强调工业化对土壤退化影响。关于土壤退化的概念，国内外学者使用了一些不同术语，如地力衰退（Land Degradation）、第二代效应(The Second Rotation Eff

6、ect)、生产力下降(Productivity Decline)、立地退化(Site Deterioration)、地力衰退 (Site Decline)、立地生产力衰退(Site Productivity Decline)、森林土壤肥力衰退(Forest Soil Productivity Decline)、长期立地生产力(Long Term Site Productivity)等，这些术语互为包容，各有侧重7。2 森林土壤退化机理森林土壤退化是一个非常综合和复杂的、具有时间上的动态性和空间上的各异性以及高度非线性特征的过程。天然林与人工林都存在地力下降问题。我们平常所说的天然林很少出现地力

7、衰退现象，主要是由于天然林生产周期较长且多为多树种混交，生长过程中自身凋落物归还林地以及母岩层营养物质的分解分化作用使得天然林具有较强的自肥能力，掩盖了地力下降的实质。但在通常集约经营的工业人工林中，由于林木对生长养分的吸收与森林采伐引起的水土流失等原因，林地土壤肥力退化和生产量下降已成不争之实。因此人工林地力衰退问题受到林业界的深切关注，如何防止人工林地力衰退，维持人工林长期生产力问题，成为当今世界林业科学研究的热点之一。有学者认为，人工林地力衰退实质上就是在人工培育过程中，人类生产活动影响或改变了成土过程的方向和土壤熟化过程，从而破坏了土壤的生态性质，导致林木对土壤生态的需求与发生变化的土

8、壤生态性质之间产生差异，表现出人工林下的土壤肥力下降，林分生产力降低8。学者指出，林地生产力下降与林地肥力下降密切相关，是土壤退化的一种形式9。国内外学者先后提出了养分亏缺、土壤中毒、土壤酸化10等数十种人工林土壤退化假说。但究其机理，笔者认为主要存在树种生物学特性及栽培措施不合理两大因素。2.1 树种生物学特性原因2.1.1 有毒物质积累导致土壤中毒诸多研究表明，连栽树种存在土壤中毒问题。柞树根分泌物抑制土壤微生物类群活性是导致柞树天然更新不良的主要原因11。土壤中有毒物质增加与杉木凋落物淋溶和根系分泌物长期作用、土壤微生物抑制发育等有关。而无机有毒物质可能与土壤酸度增加，Al3+活性增大，

9、从而对杉木根系产生毒害有关12。杉木连栽后，多酚氧化酶活性随着连栽次数增多而增强，有机质减少，酚活性增强，酚类物质积累增多，土壤中毒，从而导致地力衰退13。2.1.2 速生树种吸收养分多，归还少速生树种连栽吸收养分多，归还少，系统养分入不敷出，引起森林土壤退化。据胡曰利等1996-1999年的调查统计，桉树人工林不仅枯落物量少，而且养分含量少，5.5年生桉树施肥林与不施肥林枯落物累计总量分别为22.315 t/hm2和11.901 t/hm2 14。笔者认为，很多树种由于生长迅速，都存在吸收养分多的问题。只要辅以适当的管理措施，速生树种并不是导致森林土壤退化的罪魁祸首。2.1.3 土壤动物和微

10、生物区系演变土壤微生物是生态系统中的分解者，在物质循环中起着关键性作用。杉木连栽使得林地土壤微生物总数下降23.35%。其中细菌、放线菌、氨化细菌、纤维分解菌、好气固氮菌、微嗜氮菌分别下降24.70%、34.04%、36.6%、14.24%、56.56%、25.81%，而真菌、厌气固氮菌增加10.39%、46.15%15。落叶松人工纯林土壤微生物总量、细菌和放线菌数量与对照林地相比分别下降77.4%91.5%、77.4%93.7%和43.1%78.1%。而且随林龄增大，土壤微生物活性进一步恶化16。2.2 栽培措施原因2.2.1 人工林植物群落结构简单导致系统功能降低人工林是以培育目的树种为绝

11、对优势种群的植物群落，所培育树种的生物学特性和生态学特性决定了人工林生态系统的物质循环和能量流动。在国内外培育的树种中，针叶树种占较大比例。国外发展面积较大的针叶树有辐射松、火炬松、湿地松、花旗松、欧洲云杉、落叶松等；国内培育面积最大的树种是杉木和落叶松，同时还引种栽培了一些国外松，如火炬松、湿地松、加勒比松等。据统计，全国人工林针叶树比重为53.8%，阔叶树为46.2%。但阔叶树如杨、柳、榆、槐以及泡桐等多于平原地区，山区很少栽植，尤其是南方各省(区)阔叶树比重更少，如浙江仅占1.2%、福建占4.2%、广东占3.8%、江西占1.8%、湖南占5.6%、广西占28.75%13。由于纯针叶林为结构

12、简单的单层林，个体间生态习性比较一致，生态位高度重叠，系统的多样性下降，缓冲能力和反馈调节能力较弱，导致整个生态系统失去相对平衡。另外根据腐殖质生物化学形成理论、酶学以及林地的研究现状, 有研究指出林地土壤中氨基酸的缺乏是导致连栽杉木林地土壤肥力退化的症结17。2.2.2 林地清理林地清理是人工造林的第一道工序，对森林土壤影响极大。北美等国称火烧清理迹地为控制用火(Control burning)，国内称作炼山，东南亚等国则称刀耕火种。炼山后土壤容重下降，土壤毛管孔隙度减少，非毛管孔隙度增加，pH值提高，酶活性和土壤微生物活性增强，有助于幼林生长和发育，因而在南方地区普遍采用。但火烧清理迹地会

13、造成有机质及养分烧失、水土流失加剧。研究表明，炼山后土壤有机质、全氮损失，林地8年的水土流失分别是不炼山造林地的2.64和16.81倍8。而且由于人工林下的枯枝落叶几乎常年被搂扒扫光，林地生物积累作用微弱，导致林地的生物循环无法正常进行18。2.3.3 整地及幼林抚育整地是人工造林的第二道工序，不适当的整地导致林地严重水土流失。不同整地方式径流量不同，如砂岩母质林地全垦整地、带垦整地和穴垦整地一年的固体径流量分别为24.494 t/hm2、19.942 t/hm2和18.272 t/hm219。根据实际情况选择合适的整地方式尤为重要。另外，幼林抚育促使及早郁闭，但如果郁闭前林地因炼山而植被稀少

14、，幼树根系分布范围有限，吸收水肥能力弱；而且扩穴、松土、锄草等措施使得表土层松散，抗蚀能力降低，若遇大雨、暴雨必然产生趋渗径流，造成严重的水土流失。抚育试验表明：土壤侵蚀量扩穴连带抚育>块状抚育>不抚育19。2.3.4 不合理的采伐利用方式随着对木材利用工艺水平的提高，兴起了全树利用热，木材利用率得到大大提高，但同时导致土壤养分大量消耗。全树利用方式使得木材、枝、根、叶等的营养元素不能归还林地，土壤养分循环中断，肥力下降20。另外，皆伐和择伐对采伐迹地土壤化学性质存在比较显著的影响。主要表现为迹地表层土壤pH值增大，有机质、氮素值和磷元素值明显高于参考样地的数值，同时可溶性FeO的

15、值明显低于参考样地的FeO值21。人工造林追求短轮伐期增加了对林地压力。一般幼年林木边材比心材比重大，而边材所含营养物质量大大高于心材，故轮伐期越短，采伐单位木材带走的养分则越多，林地营养物质在短时间内迅速消耗而使地力下降8。另外因轮伐期缩短造成过多的立地干扰(如采伐、木材运输、整地等)也是造成森林土壤退化的原因20。不同集材方式对森林土壤理化性质也造成影响。如拖拉机集材严重改变了土壤的硬度、容重和通透性, 使伐区有机质含量下降10.4% 22。3 防治森林土壤退化的对策3.1 采取生物措施，改良土壤3.1.1 优先选用优质速生的乡土植物，调整林分结构，保护生物多样性不同生物措施对土壤肥力以及

16、土壤酶活性有不同的影响23。利用物种多样性、相克相生、互利共生及生物链结构等原理，构建和优化森林土壤生态系统，保护生物多样性。林下植物是人工林植物群落结构中的重要组成部分，有重要的群落学作用和生态功能。研究表明，杉木和落叶松人工间伐后，土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾等含量都有显著提高，土壤酶活性和微生物数量也显著增加24, 25。林下植物的恢复和良好的生长能够维护土壤生态系统的进展过程，防止逆向过程的发生。促进林下植物的良好生长发育主要方法是通过抚育间伐，调整林分密度，减小林分郁闭度，提高透光度等。另外注意乔、灌、草合理搭配，防止物种结构单一，同时保护和引种土壤动物和微生物也是改良土壤的有效

17、措施。3.1.2 混交，轮作和间种目前通过营造混交林、轮作和间种山毛豆等绿肥牧草防止地力衰退多有研究报道。我国南方混交林科研协作组通过10年时间及3万多hm2试验面积的研究，已筛选出了以松、杉等为目的树种的52个优良混交组合类型26。通过数年施肥试验后，将桉树纯林改为桉-相思混交林或轮种相思纯林的各林分类型凋落物总量及养分含量都有较大提高14。广东增城马尾松、黎蒴拷混交林土壤硝化细菌、好气性固氮菌的数量分别比松纯林的提高0.07、0.05倍27。而且桉树和相思混交可使5年生桉树胸径增加23 cm。雷州林业局一些林场实行的桉树与松树轮作、桉树与菠萝轮作和桉树与西瓜轮作不仅使林地生产力得到提高，而

18、且使林地得到了休养生息的机会18。廖观荣28,29等采用桉树人工林间种山毛豆对提高土壤肥力、改善土壤结构和含水量等物理性质、促进林木生长有极其显著的作用。3.1.3 重视丛枝菌根的培养国内外的研究都表明，侵染植物的丛枝菌根真菌能促进宿主对土壤中矿质元素P、N、K、Cu和Zn等的吸收，提高宿主根系对根部侵染病菌的抵抗能力和增强植物对干旱、高温、高盐和重金属的抗性，在退化土壤恢复中起着重要的作用30, 31。3.2 改革不合理栽培措施采伐剩余物是土壤有机质的重要来源，对土壤的熟化过程和维护土壤肥力具有非常重要的作用。在清理造林地时，应尽量保存采伐剩余物，可将小径木、大枝桠等取出后的剩余部分平铺于采

19、伐迹地上，或带状堆腐。还可采用化学除草方法。尽量不要全垦整地，可采用带垦、穴垦、块状垦32。在造林初期抚育，尽可能保留不妨碍幼林生长的草本、灌木，增加地表覆盖度。同时尽量减少采伐集材过程中机械对林地土壤压实范围，改大面积皆伐为小面积块状皆伐。另外还应慎重确定轮伐期，最好超过数量成熟龄再采伐。在中等立地条件下，间伐强度达到每1/15 hm2保留7080株，林下植被盖度可达到80%以上，土壤有机养分、无机养分含量和三大类微生物数量大大增多，土壤生物化学活性明显增强33。3.3 合理施用化肥，补充养分消耗在施用有机肥和生物改良土壤等措施的基础上，合理施用化肥，可迅速补充土壤养分，保证林木速生丰产，是

20、培肥地力的必要手段。湛江浅海沉积物砖红壤5.5年生的桉树纯林的研究表明，施肥区生物量达99.093 t/hm2 ，不施肥区为33.552 t/hm2，施肥区生物量是不施肥区的2.95倍。同时，施肥区5.5年凋落物也是不施肥区的1.88倍10。施肥必须因地因林而异，对于一般的速生丰产林来说，由于轮伐期较长，栽培面积又相当大，在我国目前的经济状况下确实难以实现。而对于中短轮伐期和超短轮伐期工业人工林而言，施肥应因地因树制宜，考虑经济效益和肥料资源。3.4 城市污泥人工熟化森林生态系统土壤施用城市污泥可有效地促进树木的生长发育，如增加株高和地径，对林中的灌草层植被也有促进和改善；同时还可以提高林地土

21、壤肥力，如土壤有机质和有效养分等34。4 讨论与结论（1）森林土壤退化及其防治是人们长期关注的生态环境问题之一，德国早在1883年便指出云杉连栽后第二代生产力下降，此后日本、挪威、印度、印尼、法国、前苏联、南非、中国等国均有相关报道。但直到目前为止，国内外对人工林集约经营是否引起地力衰退仍有不同看法：Holmsgaard认为丹麦云杉连栽不存在地力衰退；国内也有学者指出未有足够的证据证明雷州半岛现有桉树人工林地土壤已出现大面积衰退。笔者认为地力衰退是一个复杂、有争论的问题，不能因为出现了某种表面现象就下结论，而应该探其机理，深入系统研究。（2）影响森林土壤退化的因素较多，涉及到持续林业经营思想，

22、生态环保意识以及土壤化学、生化、微生物、营林、植物营养、生态学等众多学科领域，但目前多学科的交叉融合还停留在定性阶段，定量分析较少35。从多学科交叉的角度研究森林土壤退化及其防治将是最新的趋势。（3）当前比较重视研究人工林的土壤退化及其防治，相对忽视天然林的研究，缺乏整个生态系统的生态功能和结构的综合评价。我国学者在研究森林土壤退化机制时通常采用临时标本地调查和以空间代替时间的研究方法，加上经费的制约，研究的范围和深度有限，结论不可避免地带有片面性。应建立具有良好监测系统的长期定位试验站，获取定量和动态监测数据，进而提出一套系统的森林土壤退化评价指标。（4）利用遥感、地理信息系统等高新技术手段

23、，结合历史资料，构建不同的预测和决策工具，包括计算机模拟模型、林地指南、关键决策系统、专家系统等，为森林土壤退化及其防治提供决策依据。参考文献：1 WORRELL R, HAMPSON A. The influence of some forest operations on the sustainable management of forest soil-a review. Forestry, 1997, 70 (1): 61-85.2 森林土壤专业委员会. 我国山地森林土壤资源的保护与合理利用M. 北京: 中国林业出版社, 1990: 1-8.3 张桃林. 中国红壤退化机制与防治M. 北

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