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雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施

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雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施

土壤与环境2002,113268273http//www.environment.soil.gd.cnSoilandEnvironmentalSciencesEmailsessoil.gd.cn基金项目广东省林业厅重点项目桉树人工林地力衰退防治研究的部分内容作者简介廖观荣(1938-)男,高级工程师,从事桉树林地退化及其治理研究。收稿日期20020116雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施廖观荣1,林书蓉1,李淑仪1,蓝佩玲1,廖新荣1,王尚明2,杨国清2,简明2,林琳2,陈孝21广东省生态环境与土壤研究所,广东广州5106502国营雷州林业局,广东遂溪524348摘要通过对雷州半岛桉树人工林大面积土壤调查研究和多点田间试验,揭示了桉树人工林地力退化的成因,提出了可行的防治措施。其退化成因是桉树人工林生态系统本身的脆弱性、水土流失严重、人为因素对生物积累过程的干扰、桉树全树利用方式、耕垦的不适当以及林地养分收支严重失衡。其防治措施是增加桉树人工林生物多样性、回归林地调落于土壤、应用适当的采伐利用方式和采伐剩余物的处理方式。关键词雷州半岛桉树人工林地力退化成因防治措施中图分类号S718.5X17文献标识码A文章编号1008181X(2002)03026806人工林地力退化,已经成为国内外林业界关注的热点。桉树人工林地力退化,也已成为桉树速生丰产与持续发展急需解决的问题12。本文在大面积调查和田间试验的基础上,探讨桉树人工林地力退化的成因和防治措施。1研究方法1.1土壤调查应用全球卫星定位系统(GPS)技术和地理信息系统(GIS)技术,按土壤调查规范进行操作,参阅文献2。1.2林分调查按林分调查规范,设置标准地进行调查和采样。1.3野外观测设施与调查1.3.1经流场在桉树人工林下设置三个经流场,每个集雨投影面积25m2。每次降雨记录降雨量,有径流产生时,等雨停后记录径流量,并取混合径流水样,测定泥沙量及有效性N、P、K、Ca、Mg含量。1.3.2侵蚀场在桉树人工林下设置3个侵蚀场,每个面积667m2,均匀分布9支用于观测侵蚀的木桩,年底测定侵蚀深度,取其平均值,同时取表土测定N、P、K、Ca、Mg含量。1.4田间试验根据不同土壤类型,不同桉树品种,设置多点田间肥料试验。试验小区采用随机区组排列,3次重复。1.5分析方法按国家标准局1987年发布的森林土壤分析方法(GB7848-7858-78)进行。2结果与分析2.1桉树人工林地力退化的成因通过对雷州半岛桉树人工林大面积的调查和试验研究,我们认为桉树人工林地力退化的成因是多方面的。2.1.1桉树人工林生态系统的脆弱性桉树人工林生态系统,与热带亚热带地区的自然生态系统(如热带雨林)有着显著的不同。(1)在生物多样性和群落结构方面,自然生态系统中的初级生产者总是由多种植物构成,水平结构和空间层次结构很复杂,消费者(动物、微生物)种类丰富,营养层次多,食物链、食物网也十分复杂,而桉树人工林生态系统与此相差很大(见表1)。表1不同林型植物多样性与生物多样性比较生物类别鼎湖山季风常绿阔叶林混交林5桉林①植物乔木种类47112兽类38--昆虫种类430300100鸟类177117微生物数量/107个g1干土4.054.753.55土壤动物优势种2873①根据热带亚热带森林生态系统研究资料综合廖观荣等雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施269(2)在生态系统物质循环方面,自然然生态系统中的生产者、消费者、分解者各营养层之间维持一定的平衡,物质循环基本上是自我完善的。相反,以生产木材为目的的按树人工林生态系统,随着产品的输出,一部分营养物质流出系统之外,损失的部分必须人为补充,以此维持生态平衡。生态学家认为,生态系统的稳定程度,主要取决于系统结构的复杂程度,系统内食物链的多少和长短。系统结构越复杂,食物链越多、越长,则系统越稳定34。2.1.2严重的水土流失雷州半岛虽然地势平缓,但雨量大、暴雨多。一场暴雨过后,绝大部分雨水还未来得及渗人土壤,就从地表流失而造成冲刷。据雷州林业局最近10年的降雨资料统计,日降雨量5099mm/d,1年中有5次日降雨量100mm/d以上,1年中有4次。根据我们的实地观测,降雨强度在9.5mm/h以上,便可产生径流。我们在雷州林业局按树人工林下设置的径流场和侵蚀场,观测结果列于表23。表23结果说明,按树人工林浅海沉积物砖红壤的水土流失是十分严重的。年径流量达4955m3/hm2a,随径流流失的速效养分,相当于尿素283.4kg、过磷酸钙89kg、氯化钾401.4kg所含的养分总量随径流流失的表土达16.8t/hm2a随表土流失的有机质和全量氮、磷、钾养分,相当于滤坭798kg、尿素19.3kg、过磷酸钙35.4kg、氯化钾48.7kg所含的养分总量。2.1.3人为因素对生物积累过程的干扰国内外森林定位试验结果表明,林木从土壤中吸收的养分,有相当大的部分以凋落物的形式归还土壤。通过本身的物质循环,实现养分自给。桉树人工林在完全没有人类干扰的环境中,森林生态系统可以以凋落物的形式归还土壤的养分,也是相当可观的。尾叶桉凋落物量为7.353t/hm2a,其中积蓄的养分N为64.48kg,P为3.52kg,K为7.26kg,Ca为28.03kg,Mg为22.05kg。只是由于人类的干扰,全部或大部分凋落物养分不能回归土壤,破坏了系统的生物积累。有人认为,桉树林下的光板现象,是桉树化感作用引起。我们调查和实验的结果认为,桉树林下的光板现象,是人为不断扒走凋落物的结果,这与彭少麟等5的研究结果一致。此外,人为扒走凋落物,也是引起林地水土流失的主要因素之一。研究林地土壤侵蚀的学者6认为,就防止林地土壤侵蚀的作用而言,林下植物能起10以内的保护作用,树冠的作用因其形态和降水性质而异,多数有负面作用,偶然有有限的正面作用,残落物对防止林地土壤侵蚀起主要作用并且认为,地表的60有残落物覆盖,侵蚀便可基本停止。由此可见,扒走林地的凋落物,对林地土壤侵蚀起多么大的破坏作用。2.1.4桉树全树利用的方式森林经营的目的是提供木材,桉树采伐时却几乎全树利用。除干材作纸浆原料外,桉叶可蒸桉油,树皮可制烤胶,树头可制木炭。即使林场不利用,老百姓也会把剩余的枝叶一起拉走作燃料。这样,采伐时从林地带走的养分是相当可观的见表4。2.1.5耕垦的影响桉树人工林造林前采用机耕全垦,深度30cm,表2桉树人工林径流量及其流失的养分试验地点观测设施降雨量/mma1径流量/m3hm2a1径流系数养分流失量/kghm2a1NH4+N速效磷速效钾雷林林科所径流场1687.84955.00.29130.370.55200.68表3桉树人工林土壤侵蚀量及其流失的养分试验地点观测设施降雨量/mma1侵蚀深度/cm侵蚀量/thm2a1养分流失量/kghm2a1有机质全氮全磷全钾碱解N速磷速钾代换性钙代换性镁迈进林场仁仙林队侵蚀场1893.71.1216.8159.67.732.1824.361.060.080.460.020.002表4桉树采伐时从林地带走的养分数量kg/hm2树种林龄/aNPKCaMg合计柠檬桉10.5260.19322.939191.360370.062120.560965.114雷林号桉6.5171.72312.23941.96963.47638.198327.605表中数据引自曾天勋等两种桉树林分的主要养分元素和分配270土壤与环境第11卷第3期(2002年9月)然后开沟、下基肥、回土、定植。造林后第2年,机耕抚育一次,深度20cm。这种耕垦方式,对清除杂草、疏松土层,为桉树前期生长创造了较好的土壤环境。但从土壤肥力考虑,机耕全垦有如下负面影响。(1)加剧了水土流失。由表23结果可知,机耕全垦林地的水土流失是十分严重的。(2)不利于创造良好的土壤结构。由于机耕全垦,翻动、破碎土壤,不利于大团聚体形成。桉树人工林浅海沉积物砖红壤0l5cm上层,>2mm水稳性团聚体总量为35.9g/kg,只占0.25mm团聚体总量的6.1。(3)表土层压实板结。由于机耕的影响,按树人工林土壤表层的体积质量大于底层见表5)。土壤压实是自然土壤没有的退化现象,它的不良后果,还难于估计。2.1.6林地养分收支严重失衡表6是根据雷州林业局生产技术规程和近几年的研究成果,估算雷林一号按人工林地一个轮伐期内(以6.5a计算)主要养分收支状况。这个估算由于还有一些次要的养分输出、输入因素未考虑在内(如氮的挥发和自生固氮菌的固氮作用等),以及个别项目只根据一年的观测结果推算一个轮伐期,因而只具有相对准确性。表6结果说明,按树人工林地的养分亏损是十分严重的。如果按照现在的模式继续经营下去,雷林一号按人工地每年要亏损N145.40kg/hm2a,P5.16kg/hm2a,K236.38kg/hm2a,相当于316.09kg尿素,84.42kg过磷酸钙,472.76kg氯化钾所含的养分总量。这些亏损的养分从那里补充只能从土壤中补充。但是,根据我们对雷林一号按肥料试验对照区(无肥区)的试验结果,土壤供应量每年只有N5.84kg/hm2a,P0.42kg/hm2a,K2.11kg/hm2a,对比林地每年的亏损量只是杯水车薪。因此,实际上桉树只能在饥饿状态下生长。2.2防治措施从以上的论述中,我们可以了解到防治土壤退化的技术措施,最主要的就是增加桉树人工林生态系统的生物多样性,控制水土流失和消除不利的人为因素的干扰。2.2.1增加桉树人工林生态系统生物多样性主要措施是实行混交和间作,尤其是桉树与固氮树种混交或与豆科绿肥牧草间作。目前雷州林业局已实行桉树与粗果相思混交,桉树与山毛豆间作,取得良好效果。今后应扩大规模,以取得更大的效益。同时引进更多与桉树混交或间作的品种,从中选择更优良的品种,以求得更大的生态效益和经济效益。笔者认为,这是解决桉树人工林土壤退化问题最根本的一条措施。试验结果证明,桉树与粗果相思混交或与山毛豆间作以后,林地的枯枝落叶增加了,被农民扒走的问题也部分地解决了,水土流失受到了控制,林地土壤水分、土壤有机质、主要表5桉树人工林土壤的体积质量mg/m3土类土层/cm02020404060608080100浅海沉积物砖红壤1.621.461.401.381.36玄武岩砖红壤0.960.880.870.840.83表6雷林一号桉人工林地一个轮伐期(6.5a)主要养分收支估计输入项输出项项目NPK项目NPK/kghm2/kghm2施肥379.87127.24230.98采伐带走171.7212.2441.97凋落物归还(以30计)94.225.857.49凋落物损失(以70计)219.8613.0117.47大气飘人①10.371.2612.22水土流失897.6517.751462.76渗漏流失②140.34124.61264.94合计484.46134.08250.691429.57167.611787.14对比亏损947.1133.531536.45年亏损145.405.16236.38①、②根据徐永荣、刘有美等资料推算廖观荣等雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施271养分指标以及土壤团粒结构有所改善,初步表现出土壤肥力逐步提高的趋势(表710)。2.2.2林地凋落物回归土壤在桉树人工林生态系统内部,养分循环主要由下列过程组成(1)植物的吸收(2)在体内运输和利用(3)通过凋落物回复到土表(4)回复养分的矿化,再提供给植物吸收。由此不断的循环往复。凋落物的积累和分解在生态系统的营养元素循环中至关重要7。桉树人工林每年的凋落物及其蓄积的养分数量也是相当可观的。它是土壤有机质和其他养分积累的主要来源(表11)。国内外森林定位试验结果表明,森林从土壤中吸收的养分,有相当大部分以凋落物的形式归还土壤。在完全没有人类干扰的环境中,森林生态系统可以通过本身的物质循环,实现养分自给。由此可见,保存林地凋落物,并实现回归土壤,对于防止桉树人工林地力衰退是多么重要。此外,土壤肥力的核心是土壤有机质,在一般情况下(即沼泽土、坭炭土等特殊情况例外),土壤表7粗果相思桉树混交与桉树纯林凋落物及其蓄积的养分比较(4年生林分)地点林分凋落物厚度凋落物干重凋落物蓄积的养分/kghm2/cm/kghm2NPKCaMg纪家林场草律林队粗果相思十尾叶桉3.8722753.162.9914.3446.1938.07尾叶桉纯林2.0700026.463.9224.2941.3033.95表8粗果相思桉树混交与桉树纯林土壤养分含量比较(4年生林地)地点林分层次厚度有机质全N全P全K水解N速效P速效K/cm/gkg1/mgkg1纪家林场草律林队粗果相思十尾叶桉0158.700.360.090.7435.60.435.015307.500.330.090.7424.90.095.0尾叶桉纯林0158.000.350.070.7423.40.383.315306.400.260.100.6223.70.153.3表9粗果相思桉树混交与桉树纯林土壤有效贮水量和土壤孔隙性比较(4年生林分)林分层次厚度/cm土壤有效贮水量孔隙度/dm3m3/m3hm2mm总孔隙通气孔隙毛管孔隙田间持水孔隙粗果相思十尾叶桉01518.902.9461.9224.4308.9237.5153021.312.1457.3238.6278.6218.7尾叶桉01516.121.6415.6207.0285.3208.6153018.491.8411.7214.3268.2197.4表10粗果相思桉树混交与桉树纯林土壤水稳性团聚体比较(4年生林分)林分层次厚度/cm水稳性团聚体组成/gkg10.25mm团聚体总量/gkg15mm52mm21mm10.5mm0.50.25mm粗果相思十尾叶桉01535.740.261.8197.3277.3612.3387.7153031.538.753.6217.4263.3604.5359.5尾叶桉01521.318.045.6185.4304.8575.1424.9153017.924.641.6201.4306.6591.5408.5表11桉树人工林凋落物量及其蓄积的养分树种凋落物量/thm2a1养分蓄积量/kghm2a1NPKCaMg合计柠檬桉84.84136.431.902.0925.703.4069.52雷林号桉86.37748.322.863.8431.473.1089.59尾叶桉7.35364.433.527.2628.0322.05125.34272土壤与环境第11卷第3期(2002年9月)有机质含量的高低代表土壤肥力的高低。雷州林业局林地土壤肥力不高,最重要的就是土壤有机质含量不高。玄武岩砖红壤土壤有机质平均含量在18g/kg左右,浅海沉积砖红壤土壤有机质平均含量在8g/kg左右。按照全国土壤养分含量分级标准,分别属4级和5级,是较缺乏和缺乏这一级。占雷林总面积68的浅海沉积物砖红壤和浅海沉积物黄色砖红壤土壤有机质含量和其他养分指标都在临界值以下。这样的土壤怎么可能实现桉树的速生丰产只有逐步提高土壤有机质含量,才有可能实现桉树的稳产高产。但是要提高土壤有机质含量,不是靠施化肥能够达到的,必须靠施有机质肥料才能实现。如果要使030cm土层的土壤有机质提高0.1(即1g/kg),则需要施用含有机质25的干滤坭60t/hm2才能实现(滤坭的腐殖化系数为0.3计算)。由此可见,要提高大面积林地土壤有机质含量,靠施用有机肥是不现实的。无论从人力、物力、财力,资源方面考虑都办不到。唯一可行的办法,就是靠林地凋落物和间种绿肥牧草,走生物自肥的道路。2.2.3探讨采伐利用方式近年来,一些国家兴起全树利用的采伐方式。雷州林业局也实行这种采伐方式。树干作木片原料。剩余物中的树尾及枝桠,大部分加工成次小材作木片原料,小部分加工成木柴作燃料,树皮、树叶除小部分作工业原料,用于生产GLT和桉油外,其余全部用作燃料,树根大部分用于烧木炭。基本上无剩余物。全树利用提高了木材利用率,也提高了经济效益。同时,也严重地影响了下一代林地的土壤肥力。据报导,全树利用比仅利用干材取走的生物量多两倍,取走的营养物质Ca、K接近两倍,取走的其他物质也显著增多9。我们调查分析了迈进林场红旗林队2037班一块6年生的刚果桉林地,其结果列于表1213。表13结果表明,如果6年生刚果桉全树利用,采伐时带走的N、P、K、Ca、Mg营养元素共1649.4kg/hm2。如果采伐时只利用主干,枝、叶、皮、根回归给土壤,则只带走营养元素736.9kg/hm2。只占全部营养蓄积量的44.68。其余55.32的养分都回归土壤,这无疑对减缓土壤肥力退化大有好处。全树利用和只利用主干究竟哪种比较合算,应作深入地研究,在找到生态效益和经济效益的最佳平衡点后才能决定。从生态效益考虑,全树利用对土壤肥力极为不利。就算从经济效益考虑,全树大为有利,也应制定一定的政策,从增加的经济效益中返回一部分补偿生态效益的损失,以维持生态平衡。2.2.4采伐剩余物的处理方式火烧在国内外都是常见的处理办法。我国南方林区历来有造林前炼山的习惯。雷州林业局大部分林地,造林前为方便机耕作业,也采取火烧办法处理采伐剩余物和地被物,许多林队工人反映,火烧后对幼林生长有利。炼山可能带来短期的好处,但从长期看,由于烧掉大量有机物,营养元素的丧失,最终将导致不利的后果。澳大利亚的研究表明,中等强度的火烧,地表温度可达500℃,引起N、P、K、Ca、Mg、S、Fe等营养元素丧失,其中N的损失可达72(每公顷220kg)9。也有研究10表明,炼山加剧了水土流失,炼山第1年的径流量和泥沙流失量分别为比不炼山林地的11倍和88倍炼山头3年有机质、全N、全P、全K流失量分别是不炼山林地的10倍、9倍、11倍、8表126年生刚果各部分的干质量组成项目干枝叶皮根合计t/hm26a160.217.18.818.022.5226.6各部分占70.477.63.97.99.9100.0表136年生刚果桉各部分营养元素蓄积量kg/hm2a项目NPKCaMg合计各部分比例/主干35.22.166.515.83.3122.844.68枝9.10.616.19.70.736.113.14叶18.50.613.94.71.839.514.36皮8.60.922.412.51.245.716.62根14.80.511.33.30.830.811.20合计86.24.75130.246.07.8274.9100.00廖观荣等雷州半岛桉树人工林地力退化的成因与防治措施273倍,水解N、速效P、速效K的流失量为不炼山林地的8倍、13倍和5倍炼山对010cm土层的土壤水分物理性质、化学性质、微生物和酶活性影响最大,对土壤的不良影响3年后仍然存在炼山对杉木幼林前期(3a)有促进作用,但随着时间推移而逐年减少。国外有将采伐剩余物就地平铺的作法,取得良好效果。建议雷州林业局开展造林前地被物处理办法的研究,以确定最有利的处理方式。综上所述,防治桉树人工林地力衰退最根本的措施,是实行桉树与固氮阔叶树种混交,或在桉树行间间种豆科绿肥牧草,同时千方百计实现林地凋落物回归土壤。如果这两方面的措施能够得到真正落实,地力衰退便可基本解决。要落实好这两方面的措施,还有许多工作要做,包括试验研究和管理工作。至于采伐利用方式,采伐剩余物的处理方式,以及采伐期长短等影响地力的措施,也应积极研究,以寻找最好的解决办法。致谢参加工作的还有广东省生态环境与土壤研究所林美莹、骆伯胜,雷州林业局林松煜、赵贵、卢健等,谨此致谢。参考文献1廖观荣,钟继洪,郭庆荣,等.土壤水分对幼龄桉树蒸腾和生长的影响J.土壤与环境,2001,104285288.2廖观荣,林书蓉,李淑仪,等.雷州半岛桉树人工林地力退化的现状和特征J.土壤与环境,2001,1112528.3卞有生.生态农业基础M.北京中国环境科学出版社,1956.4沈季理.农业生态学M.北京中国农业出版社,1996.5彭少麟.人类干扰对热带人工桉林生态系统的影响J.生态学报,1995,15增刊A辑36.6张经炜.华南坡地研究M.北京科学出版社,1994.7徐化成.森林地力的动态特性和人工林地力下降问题A.见盛炜彤主编.人工林地力衰退研究C.北京中国科技出版社,1992.8欧阳育林.两种桉树林分枯落物的调查研究A.见曾天勋主编.雷州短轮伐期桉树人工林生态系统研究C.北京中国林业出版社,1996.9RAISONRJ,CRANEWJR.NutritionalcostsofshortenedrotationinplantationforestryA.inForestandProductivityC.MartingsNijhoffpublishers,1986.10福建林学院杉木所.炼山对杉木人工林生态系统影响的研究A.见盛炜彤主编.人工林地力衰退C.北京中国科技出版社,1992.CausesandcontroloflandcapacitydegenerationofeucalyptusplantationsinLeizhouPeninsulaLIAOGuanrong1,LINShurong1,LIShuyi1,LANPeiling1,LIAOXinrong1,WANGShangming2,YANGGuoqing2,JIANMing2,LINLin2,CHENXiao21GuangdongInstituteofEcoenvironmentalandSoilSciences,Guangzhou510650,China2LeizhouForestryBureau,Suixi,Guangdong524348,ChinaAbstractByinvestigationandfieldtrial,thispaperrevealsthecausesoflandcapacitydegenerationofeucalyptusplantationsinLeizhouPeninsula,andputforwardthecontrolmeasures.Thecausesincludethevulnerabilityoftheeucalyptusplantationecosystems,severesoilandwaterloss,anthropogenicdisturbancetobioaccumulationprocess,wholetreeutilizationway,unsuitablereclamation,andseriousimbalanceinforestnutrientbudget.Thecontrolmeasuresaretoincreasethebiodiversityoftheeucalyptusplantations,returnlittertoforestsoil,adoptproperfallingandutilizationwaysoftrees,aswellaspropertreatingwaysofthefallingresidue.KeywordsLeizhouPeninsulaeucalyptusplantationlandcapacitydegeneration

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