杉木林生态系统转换对土壤质量的影响研究

发布时间：2020-05-17 15:01

【摘要】：杉木是我国南方重要的速生用材树种之一。由于杉木人工林的针叶化、纯林化，经营集约化和多代连栽现象的加剧，杉木人工林生态系统固有的生态弱点日益显现，造林地区出现严重的水土流失、生物多样性下降、地力衰退、病虫害和火灾蔓延等各种严重生态后果，直接制约着杉木人工林的可持续发展。从目前的杉木人工林地力衰退研究来看，虽然对杉木人工林地力衰退的机理进行了较多的研究，但是否存在地力衰退现象仍处于争论之中，杉木人工林地力衰退机理也尚不清楚。同时虽然对杉木林地力衰退的防治技术提出一些对策和途径，但是这些技术途径仅仅只针对传统的杉木栽培制度中的某一环节或者生态系统的某一局部加以变革或改良而已，并未从杉木林生态系统整体性角度出发来加以考虑和根本性变革。因此，如何建立一套能根本性地解决杉木人工林地力衰退等生态问题的全新杉木栽培制度已成为杉木人工林可持续发展中一个重大课题。这些问题都有待于进一步的研究和探讨。有鉴于此，多年来课题组针对杉木人工林所存在的各种生态问题，在重视消化吸收国内外学者提出的人工林经营新理论和新方法的基础上，对杉木人工林生态系统实施近自然化的改造和调控。同时在福建农林大学南平西芹教学林场内建立5个森林生态系统模式（包括天然常绿阔叶林模式、老龄杉木林模式、二代杉木萌芽天然更新林模式、93年二代杉木人工林模式（不炼山）和91年二代杉木人工林模式（炼山））作为杉木林生态系统转换模式的系列样地，本研究试图在已建立的5个森林生态系统模式内采用实地定位研究方法，对不同杉木林生态系统转换模式的土壤物理性质、化学性质、腐殖质组成及形态、酶活性等方面进行深入系统研究，为深入揭示杉木人工林地力衰退机制、退化的杉木林生态系统的恢复和重建以及杉木栽培制度变革提供科学理论依据。主要研究结论如下：（1）各系统土壤机械组成各级颗粒所占比例之间不存在明显差异，土壤微团聚体各级颗粒含量存在着一定的差异；土壤0.001粒径含量基本上呈现出91人工林和93人工林＞老龄林＞萌芽林＞天然林的趋势；各系统0-20cm和20-40cm土壤中基本上呈现出1～0.25mm粒级和0.25～0.05mm粒级所占比例较高，0.001mm粒级所占比例较低的格局；各系统0－20cm和20－40cm土壤分散系数均大致呈现出91人工林93人工林老龄林萌芽林天然林的总趋势，而结构系数则均大致呈现出91人工林93人工林老龄林萌芽林天然林的趋势。（2）各系统土壤有机质含量差异较明显，均表现为93人工林较高，萌芽林、天然林和老龄林居中，91人工林较低的趋势，且季节变化较明显。（3）各系统土壤pH值差异显著，均表现为二代杉木林（萌芽林、91人工林和93人工林）pH值略高于老龄林和天然林。且季节变化较明显，基本上呈现出1月＞4月＞10月＞7月的规律。（4）各系统土壤全氮、全磷、全钾含量差异显著，各系统0-20cm和20-40cm土壤全氮、全磷、全钾含量基本上呈现出萌芽林、91人工林、93人工林较高，天然林和老龄林较低的趋势，且季节变化明显。（5）各系统土壤水解氮、速效磷、速效钾含量差异不明显，不同土层各系统变化规律略有差异，且季节变化明显，水解氮和速效钾均呈现1月和4月较高，7月和10月略低的规律，速效磷呈现出4月份较高，其他月份略低的规律。（6）各系统土壤全钙含量系统差异不明显，且季节变化不明显。各系统0-20cm和20-40cm土壤全镁含量均呈现出二代杉木林（萌芽林、91人工林和93人工林）略低于老龄林和天然林的趋势；各系统全镁含量季节变化较明显，呈现出4月略高，1、7、10月较低的规律。（7）各系统土壤交换性钙和交换性镁含量差异较明显，大致均呈现出老龄林、天然林和萌芽林较高，93人工林和91人工林较低的趋势，且季节变化较明显，均呈现出4月份较高，1、7、10月较低的规律。（8）各系统土壤全铁和全铅含量差异和季节变化均不明显，不同土层各系统的全铁含量变化规律较复杂，各系统全铅含量均呈现二代杉木林＞天然林和老龄林的趋势；各系统土壤全锰和全铜含量差异显著，季节变化也均较为明显，各系统土壤全锰基本上呈现出萌芽林、天然林、91人工林＞93人工林和老龄林的趋势。各系统全铜含量呈现出二代杉木林＞天然林和老龄林的趋势。各系统土壤全锌含量差异不明显，大致呈现出萌芽林=93人工林=天然林＞91人工林＞老龄林的趋势，，且季节变化较为明显。（9）各系统0-20cm和20-40土壤有效态铁含量存在一定的差异，呈现出天然林较高，萌芽林和老龄林居中，91人工林和93人工林较低的规律，季节变化较明显；各系统0-20cm和20-40cm土壤有效态锰含量存在一定差异，均呈现出萌芽林天然林93人工林老龄林91人工林的趋势。各系统0-20cm和20-40cm土壤有效态锰季节变化较明显，大致呈现1月和4月较高，7月和10月较低的规律；各系统0-20cm和20-40cm土壤有效态铜含量存在一定的差异，基本上呈现出天然林和萌芽林较高，93人工林、91人工林和老龄林较低的趋势，季节变化较明显；各系统0-20cm和20-40cm土壤有效态锌的含量差异和季节变化均不明显。各系统0-20cm和20-40cm土壤有效态铅含量差异较显著，基本上呈现萌芽林天然林93人工林91人工林老龄林的趋势，且季节性不明显。（10）各系统0-20cm和20-40cm土壤中富里酸碳量含量差异较明显，均呈现出93人工林较高，其它系统较低的规律。土壤中胡敏酸碳量系统间差异较明显，均呈现出91人工林较低，其它系统较高的规律。各系统0-20cm土壤中胡敏素的含碳量差异较明显，呈现出萌芽林老龄林天然林91人工林93人工林的趋势，各系统20-40cm之间差异不明显。（11）从土壤腐殖化度来看，老龄林0-20cm和20-40cm土壤胡敏酸碳量所占比例最高，说明老龄林土壤腐殖化程度较高，土壤腐殖质质量较好；其次是萌芽林、天然林和93人工林，最低为91人工林。（12）从HA/FA比例来看，HA/FA老龄林较高，其次为萌芽林、天然林和93人工林，最低为91人工林。这说明老龄林土壤腐殖质的分子量大，结构复杂，而91人工林土壤腐殖质结构较为简单，其腐殖质质量较差。（13）腐殖质各组分均呈现出富里酸碳量胡敏素碳量胡敏酸碳量的总趋势。富里酸碳量所占的比例较高，胡敏素碳量所占的比例居中，胡敏酸碳量所占比例较低。（14）各系统0-20cm和20-40土壤胡敏酸E4值呈现93人工林较高，老龄林、天然林和萌芽林居中，91人工林较低的规律，说明各系统中93人工林表层土壤的分子量大，复杂程度高，芳香族原子团增多，缩合度变强。（15）各系统0-20cm和20-40土壤E4/E6呈现出天然林较高，萌芽林和91人工林居中，老龄林和93人工林较低的趋势，说明天然林系统土壤脂肪族结构变小，活性也随之变强，团粒化作用发挥，分解和裂解矿物的作用减弱，土壤腐殖质质量良好。（16）土壤胡敏酸的光密度值随着波长的增加逐渐的降低，各土层均呈现出93人工林老龄林天然林萌芽林91人工林的趋势。（17）各系统土壤0-20cm和20-40的松结合态碳量存在较明显差异，呈现91人工林和天然林较高，萌芽林、93人工林和老龄林较低的趋势；稳结合态碳量也存在较明显差异，大致呈现天然林较高，91人工林、萌芽林、93人工林和老龄林较低的规律；紧结合态碳量差异也较明显，呈现93人工林和萌芽林较高，天然林、老龄林和91人工林较低的趋势。从松/紧比值来看，不同系统存在一定的差异，基本上呈现天然林和老龄林较高，萌芽林、91人工林和93人工林较低的趋势。（18）从三种结合态所占比例来看，各系统土壤紧结合态所占比例较高，在48.09～77.95%之间；其次为松结合态，在24.60～49.41%之间；稳结合态最低，在14.48～22.69%之间。（19）各系统0-20cm和20-40cm土壤过氧化氢酶活性存在着一定的差异，均呈现出天然林较高，萌芽林和93人工林居中，老龄林和91人工林较低的趋势；土壤蔗糖酶活性含量差异较为明显，呈现出老龄林较高，天然林、萌芽林、93人工林和91人工林较低的趋势；各系统土壤脲酶活性的含量差异明显，大致呈现出91人工林和93人工林较低，其它系统较高的趋势；土壤酸性磷酸酶活性含量差异不显著，呈现出老龄林和93人工林较高，91人工林较低的规律。各系统土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性基本上呈现随土层的加深而有所下降的规律。（20）通过健康评价法和主成分分析法，运用土壤物理性质，化学性质，生物化学性质的各指标对不同杉木林生态系统转换模式的土壤质量进行了综合评价。从综合评价的结果来看，萌芽林、93人工林（不炼山）和老龄林的土壤质量均优于91人工林（炼山）。这说明这三种模式具有较好的土壤维护和恢复能力，都可作为今后杉木人工林地力衰退防治技术的有益参考和借鉴，尤其是萌芽林。萌芽林是以天然更新和杉木萌芽更新为主要造林技术而形成的杉木阔混交林，由于萌芽林采用系统的整体更新，未受到各种人为干扰，而且能形成具有较高物种多样性和结构多样性的生态系统，因此，萌芽林系统自我调节和自我修复的能力较强，土壤质量较高。
【图文】：

土壤胡敏酸,光密度,情况

图 8 各系统 0-20cm 土壤胡敏酸的光密度情况Fig.8 0-20 cm Soil humic acid each system of the optical density图 9 各系统 20-40cm 土壤胡敏酸的光密度情况Fig.9 20-40 cm Soil humic acid each system of the optical density 8 和图 9 可以看出，土壤胡敏酸的光密度值随着波长的增加逐渐的降低，各土层均呈现出龄林＞天然林＞萌芽林＞91 人工林的趋势。土壤腐殖质结合形态

土壤胡敏酸,光密度,结合态,情况

图 9 各系统 20-40cm 土壤胡敏酸的光密度情况Fig.9 20-40 cm Soil humic acid each system of the optical density图 8 和图 9 可以看出，土壤胡敏酸的光密度值随着波长的增加逐渐的降低，各土层均呈现老龄林＞天然林＞萌芽林＞91 人工林的趋势。2 土壤腐殖质结合形态表 55 各系统土壤腐殖质结合形态Table.55 Soil humus combined form each system三种结合态含 C 量（g.kg-1）三种结合态含 C 比例（g.kg-1态）土层（cm）松结合态稳结合态紧结合态松结合态稳结合态紧结合态松0－20 5.24 3.23 10.27 28.39 17.50 55.63 林20－40 5.03 2.31 6.12 49.41 22.69 60.12 0－20 3.97 2.43 9.83 24.60 15.06 60.90 林 20－40 4.11 2.01 6.16 32.08 15.69 48.09 0－20 5.08 3.19 11.07 24.32 15.27 52.99
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S791.27;S714

【参考文献】