煉山后27年生杉木人工林生長及生物量分配格局

楊 振， 吳 凱， 李 智， 吳明晶， 馬祥慶， 吳鵬飛

(1.福建農林大學林學院，福建福州350002；2.國家林業(yè)局杉木工程技術研究中心，福建 福州350002；3.福州市晉安區(qū)農林水局，福建福州350001；4.福建省將樂國有林場，福建三明353300)

煉山是一項傳統(tǒng)營林方式，主要通過人為焚燒采伐跡地以清理林地.煉山在短期內具有激肥效果，可提高幼苗存活率，促進幼苗生長；但同時也會導致林地水土流失加劇、土壤性質變差、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，不利于維持人工林長期生產力[1-3].可見，煉山對人工林生態(tài)系統(tǒng)積極或消極的影響難以統(tǒng)一下定論[4].目前，有關煉山的研究主要集中在土壤和林下植被方面，研究表明煉山導致土壤中大量有機質養(yǎng)分損失并加大水土流失風險[5，6]，煉山后土壤中N、P和K的含量會出現不同程度下降[7]；此外煉山對林地具有“生態(tài)消毒”作用，使得人工林林地內的原生種種質資源損失嚴重，林地生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定[8].研究[9]闡述煉山對林地生態(tài)系統(tǒng)所帶來的危害，對人工林的生產力有不利影響.而煉山對人工林生態(tài)系統(tǒng)造成的影響持續(xù)時間很長，有報道稱煉山后5 a林地內的生態(tài)環(huán)境才逐漸改善，但煉山不會對人工林生產力造成長久的影響[1].

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國南方重要的速生用材樹種[10]，具有悠久的栽培歷史，生產力高且材質好，現已成為促進南方丘陵山區(qū)經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的重要樹種之一[11].黃云玲[12]發(fā)現，在不同地位指數林地內煉山對1～5年生的杉木林生長的影響不同，對較低地位指數杉木林的生長具有顯著的促進作用，而對較高地位指數杉木林的生長則無顯著促進作用.陳養(yǎng)[13]研究發(fā)現，煉山處理對杉木林前期生長具有積極影響，但在9 a后，不煉山的積極影響開始顯示，15 a后兩種處理的樹高、胸徑的差距呈縮小趨勢.目前大多數有關煉山對杉木人工林影響的研究基本只針對幼林階段，研究年限一般不超過10 a，無法有效地評價煉山對杉木人工林的長期影響[14，15].

本文以煉山后造林的27年生杉木人工林為研究對象，測定其喬木層生物量及杉木各器官的碳及主要養(yǎng)分(N、P、K)含量，旨在研究煉山后杉木人工林林地養(yǎng)分的循環(huán)特征，為杉木人工林的高效、可持續(xù)經營提供參考.

1 試驗地概況

試驗地位于福建省尤溪林業(yè)科學研究所后山，東經115.6°—117.8°，北緯25.5°—26.4°，海拔200 m，平均坡度25°，西南坡向，年均氣溫19℃左右，平均降雨量1 599.6 mm，年蒸發(fā)量1 323.4 mm，相對濕度83%，春夏季多雨，3—6月降雨量占全年降水量的56%.前茬為馬尾松純林.土壤為山地紅壤，成土母質為粉砂巖.林下植被為山蒼子(Litsea cubeb)、箬竹(Indocalamus tessellatus)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、黃瑞木(Adinandra millettii)等，蓋度為85%～95%.樣地土壤理化性質見表1.

表1 杉木人工林土壤的理化性質(0～20 cm)Table 1 Soil physical and chemical properties under Chinese fir plantation(0-20 cm)

2 研究方法

2.1 試驗設計

于1987年選擇1年生苗木造林，整地方式為穴狀整地(60 cm×40 cm×40 cm).造林密度3 600株·hm-2.試驗設計煉山與不煉山(保留采伐剩余物)處理，其中每個處理設置3個調查樣地，即3個重復.每個樣地面積均為100 m2，于2014年7月進行調查與測定.

2.2 喬木層生長量調查及樹干解析

在每個調查樣地進行每木檢尺，測定樹高，統(tǒng)計杉木平均胸徑及平均樹高.采用平均標準木法，每個樣地隨機選出1株標準木，伐倒，以2 m為區(qū)分段截取圓盤進行樹干解析，根據魏占才[16]的方法計算各齡級的胸徑及樹高.

2.3 生物量測定

采用Monsi分層切割法分別測定每個樣地標準木的根、葉、枝、干、皮鮮重，并隨機抽取各部分具有代表性的部分樣品，烘干后測定干物質量，計算含水率，再換算成單位面積的生物量[17].現場測定鮮重后帶回實驗室，在105℃下殺青后于75℃烘干至恒重，根據其含水率計算林分單位干物質量.

各器官生物量分配率/%＝各器官平均單株生物量(kg·株-1)/平均單株總生物量(kg·株-1)×100

2.4 養(yǎng)分測定

不同器官樣品經烘干、粉碎、過篩處理后，用碳氮分析儀測定C、N含量，采用鉬銻抗比色法測定P含量，采用火焰光度計法測定K[18].

單株養(yǎng)分積累量/(g·株-1)＝各器官養(yǎng)分濃度(g·kg-1)×其生物量(kg·株-1)

2.5 數據統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20.0軟件進行數據的方差分析和獨立樣本T檢驗(P＜0.05)，并用Origin 9.1作圖，結果用平均值±標準差表示.

3 結果與分析

3.1 煉山對杉木人工林生長的長期影響

如圖1所示，與不煉山處理相比，煉山處理明顯抑制了27年生杉木人工林樹高及胸徑的生長.煉山處理杉木在生長初期(5 a左右)的樹高生長量大于不煉山處理，但之后不煉山林地的杉木樹高生長量逐漸超過煉山處理；而在第7年左右，不煉山林地的胸徑生長量開始超過煉山林地.

圖1 杉木林不同林地清理方式下的樹高、胸徑變化Fig.1 Changes in height and DBH of Chinese fir plantation by different ground clearance methods

3.2 煉山處理對杉木人工林生物量分配的長期影響

從表2可知，與煉山處理相比，不煉山處理杉木人工林的葉、皮、根生物量較大，差異顯著(P＜0.05).不煉山處理杉木林分喬木層總生物量為194.12 t·hm-2，煉山處理林分喬木層總生物量為161.44 t·hm-2，可見，煉山處理對杉木林生物量積累具有不利影響.從不同處理對生物量分配的影響來看，不煉山處理下，杉木根生物量的分配比例(11.26%)大于煉山處理(9.39%)，說明不煉山處理杉木人工林的根部較為發(fā)達，更有利于保持水土.但是，煉山處理下杉木林干的生物量與不煉山處理之間的差異未達顯著水平(P＞0.05)，且分配比例也相近，分別為65.36%和63.26%.

表2 杉木人工林不同處理方式下各器官生物量及各器官所占比例1)Table 2 Biomass allocation of Chinese fir by different clrearance methods

3.3 杉木林各器官養(yǎng)分及碳積累量差異

從圖2可知，不煉山處理杉木人工林N、P、K養(yǎng)分含量及C積累量均高于煉山處理，煉山與不煉山處理的P積累量差異達顯著水平(P＜0.05).與不煉山處理相比，煉山造林后27年生杉木人工林葉的C、N、P積累量，皮的C、N、K積累量，枝的P、K積累量以及根的K積累量均明顯下降(P＜0.05)，干的C、N積累量、根的P積累量和葉的K積累量，同樣呈下降趨勢.從煉山對杉木人工林養(yǎng)分分配格局的影響來看，煉山27a后，不同器官C、N、K的分配格局均表現為干最大，枝最??；煉山處理P的分配格局則表現為葉＞干＞枝＞根＞皮，不煉山處理P的分配格局表現為葉＞干＞皮＞根＞枝.可見，煉山對杉木人工林的養(yǎng)分含量和C積累量影響較大.

4 小結與討論

大量研究表明，煉山可在相對較短的時間內明顯促進林木生長發(fā)育.楊尚東等[3]研究表明，煉山處理后造林初期土壤養(yǎng)分、微生物、生物炭等各項指標均明顯提高，但僅僅4個月后，煉山處理中土壤各項理化性質卻迅速降低并顯著低于不煉山處理；雖然細菌多樣性在各土層中的變化不一，但煉山會導致表層土壤細菌多樣性指標下降.在本試驗初期，煉山處理杉木的樹高和胸徑生長均高于不煉山處理；但從長遠看，煉山處理對杉木樹高與胸徑生長、養(yǎng)分含量及C積累均無益，這與前人的研究結果具有一致性.究其原因，除了煉山對土壤養(yǎng)分的影響外，土壤酶、林下植被也可能是導致這一結果的原因[19].煉山會導致土壤遭受極端高溫，使有機質等土壤酶底物的輸入降低，微生物死亡，土壤pH值發(fā)生明顯變化，以致土壤酶活性降低；但煉山亦會通過改善土壤物理環(huán)境等方式導致不同酶的活性隨著林分生長的變化而發(fā)生改變[20].因此，有關煉山對土壤酶活性及其林地生產力的影響尚需進一步探討.由于林下植被是生態(tài)評價的重要指標，林下植被的覆蓋度是影響土壤含水率等土壤物理性質的重要因子[21].煉山形成的林火可顯著降低林下植被物種多樣性，但林火的干擾會通過增加土壤速效養(yǎng)分而影響林下植被的生長潛力[22].從煉山的綜合效應來看，煉山可導致林下植被與凋落物覆蓋度降低，加劇水土流失[23]，造成煉山積累的養(yǎng)分迅速減少，最終降低杉木人工林的長期生產力.

圖2 杉木林地不同處理杉木各器官養(yǎng)分積累的比較Fig.2 Comparison on nutrient accumulation in various tissues by difference clearance methods

林齡是研究林木生物量和養(yǎng)分積累量的重要考慮因素，陳東升等[24]以7、17、30、40年生發(fā)育階段的日本落葉松(Larix kaempferi)人工林為對象進行研究，結果表明，不同發(fā)育階段日本落葉松干、枝、皮、葉、根生物量和養(yǎng)分濃度差異顯著，杉木[25]、馬尾松[26]、木荷[27]等南方主要造林樹種亦表現出此規(guī)律.由此可見，養(yǎng)分積累量與生物量積累的變化趨勢不同，林木隨著林齡的增長表現出更強的養(yǎng)分利用效率.本文以27年生杉木成熟林為研究對象，一定程度上彌補此前研究出現的時間維度不足.本研究發(fā)現：不煉山林地的生物量和各主要林木器官的養(yǎng)分分配方面都優(yōu)于煉山林地，說明從長遠來看，煉山后林地的生產力受到了很大程度的抑制；而且與煉山處理相比，不煉山處理10 a后，杉木人工林表現出更強的生長潛力，樹高和胸徑生長量明顯升高.由此可見，煉山處理的杉木人工林在生長后期，生長性狀的差異愈加顯著.

然而，煉山對杉木人工林N、P和K養(yǎng)分長期吸收利用的影響不同.本研究表明，煉山造林27 a后，不煉山處理的養(yǎng)分積累量均大于煉山處理，這可能是由于煉山會導致土壤養(yǎng)分流失.盛煒彤[28]的研究表明，煉山3 a后，土壤養(yǎng)分流失量高達586.26 kg·hm-2.對于P積累量而言，南方林區(qū)土壤有效態(tài)P普遍缺乏[29]，植物本來就處于低P脅迫環(huán)境，加之煉山造成林地養(yǎng)分流失加劇，最終導致兩種處理下杉木P積累量的差異達顯著水平.其中，不煉山處理杉木的葉片、枝干的P積累量均顯著大于煉山處理，且整株P總積累量所占比例較高，這可能與不煉山處理根系生物量的比例(11.26%)較大有關，有利于對土壤有限P素的吸收，并向地上部轉運[30，31].此外，K是植物生長發(fā)育的必需元素，在維持細胞滲透壓平衡、改善氣孔運動、保障酶活性、優(yōu)化光合性能、促進同化產物運輸，以及提高植物抵抗生物和非生物脅迫等方面具有重要作用[32].煉山杉木林的K積累量小于不煉山杉木林，且呈顯著差異，說明煉山處理降低杉木對林地K的吸收量，進而影響K累積量.

本研究結果表明：根的生物量表現為煉山處理＜不煉山處理；而2種處理中根的C積累量差異不明顯，表明煉山處理杉木林的根部具有更高的C吸收效率.陸昕等[33]研究認為一定強度的林火會促進土壤碳的累積，因而煉山林地的根對土壤中碳的吸收促進其碳的積累.但是其他器官的碳積累量則表現為不煉山更優(yōu)，尤其是葉與皮中，兩種處理間的C積累量差異達到顯著水平.因為葉是重要的固碳器官，植物葉片的固碳作用也是促進植物C積累的重要方式.除此之外，皮也能進行光合固碳作用.劉俊祥等[34]研究表明，枝條皮層光合作用對CO2的再固定，可增加植株的碳收益.

由于在林業(yè)采伐時，通常是留下樹枝、樹皮和樹葉等組分于林地中，使其養(yǎng)分得以回歸利用，以緩解林地采伐造成的地力下降[35].然而杉木屬于針葉樹種，其枝葉不易腐爛分解，若留在林地中必然會影響后續(xù)的造林生產，增加生產成本[36].采用加速腐爛或控制不徹底火燒來加速養(yǎng)分回歸，有待進一步研究.因而在杉木林生產中，應處理好采伐剩余物、整地以及養(yǎng)分維護之間的關系，才能實現可持續(xù)經營.