（森林培育专业论文）重庆铁山坪的森林健康及石灰改良作用.pdf

摘要 重庆铁山坪的森林健康及石灰改良作用 森林培育专业硕士研究生：潘伟 指导教师：史东梅副教授 王彦辉研究员 捅要 本文于2 0 0 6 2 0 0 7 年的2 个生长季( 5 1 1 月) ，在我国西南典型的酸雨区重庆选择了典型 森林类型为研究对象，进行了林木地上和地下生长、树冠状态、根系分布等森林健康的综合 调查，用以评价当地森林的健康程度；进行了包括马尾松( 胁“s 小口踟，l 缸| r l 口) 、香樟 ( c 加，l 口朋d m “优c 口，l p j i l d 阳) 等当地主要树种的大范围植物受到干旱和酸雨胁迫的实地调查， 探讨林木在不利条件胁迫下的适应能力，通过调查筛选出优良的抗性植物：选择具有代表性 的马尾松纯林样地，在样地内布设土壤施用石灰石粉的营养调控的定位试验，研究调控措施 对林木地上生长和细根特征的影响，确定土壤施加石灰石粉的最佳处理梯度。主要结论如下： ( 1 ) 在个体水平上，马尾松根系与地上指标均存在正相关关系。树高、胸径、针叶生物量、 落叶率与马尾松根系生物量和细根密度达到显著相关性( r 2i i l i 。= 0 7 3 6 2 ) 。通过能反映林木个 体地上生长状况的4 个指标并结合林木根系生物量的多少，能对酸雨区马尾松受酸沉降的危 害程度做出综合评价；通过几年的连续观测，发现铁山坪马尾松针叶的落叶率在逐年升高， 2 0 0 0 2 0 0 4 年马尾松林木的落叶率在中等落叶水平( 2 5 6 0 ) 的比率达到6 0 以上，2 0 0 3 和2 0 0 4 年中等落叶水平的比率分别达到7 8 7 、7 7 5 。2 0 0 5 2 0 0 7 的中等落叶水平的比率也都达到7 5 以上。同时，调查中发现马尾松林冠层的变色率也比较严重，且每年呈递增趋势。说明铁山 坪地区马尾松林木处于亚健康状态，森林健康状况另人担忧。 ( 2 ) 总体来看，马尾松单木生物量在各器官中的分配比例顺序基本为干( 6 0 8 ) 枝( 1 8 1 ) 根( 1 0 2 ) 皮( 7 2 ) 叶( 3 7 ) ，随着土壤酸化程度的加剧，不同优势等级的 马尾松根系生物量均有减少的趋势，根系生物量的减少会导致马尾松其他器官生物量的减少， 从而影响林木的健康水平。进一步说明本试验地土壤严重酸化对马尾松单术各器官生物量特 别是根系的负面影响尤为突出。 ( 3 ) 从根系的分布来看，马尾松根系主要集中在表层0 3 0 厘米的土壤中，香樟和木荷的根系 主要集中分布住土壤的0 2 0 层中，比马尾松根系的分布总体上要浅。从根系在表层十壤分布 所l j i 。总量的比例看小荷 香樟 马尾松；而从单位面积中根系的总量米看则有香樟 木荷 马尾 松；同时对马尾松和香樟的混交林进行分析，得剑马尾松纯林根系的分布相对比混交林林的 均匀，混交林根系更集中分布住十壤的表层。混交林中香樟和马尾松相互影响，处丁i 竞争地 位。但香樟舀：其中i ，。t 要地位，对马尾松的根系分布产生较人影响。而弓尾松对香樟的影响 很小：对马尾松细根的5 项物删指十，j ：进i j ：分析得剑，随着卜层深度的增加根系的5 项指标均 阿南人。，硕f 。：o 伊论文 表现递减的趋势，根系土要集中分布在十壤的表层，根系的这种浅层分布不能充分的吸收养 分和水分，不利丁树木的健康生长。在调布中发现不同的优势度林小的表层根系分布的比例 各不相同，级木表层根系所占整个根系的比例更大。说明的受害更为严重，对酸雨的危 害更为敏感。 ( 4 ) 通过对铁山坪地区1 3 种主耍树种的抗旱性调查得到：抗旱性强的树种为卜荷；较强的 树种依次为枫香、峨嵋紫楠：中等的树种依次为石栎、野杏树、毛桐、漆树、青皮、香樟、 杉木、马尾松：差的树种依次为槲栎、毛叶木姜子；通过对该地区多达6 5 种植物的抗酸性和 大气污染的集中调查，初步筛选出适合重庆酸雨地区用于城市绿化、经济林、用才林的抗性 很强的树种。包括9 种造林树种( 枫香、木荷、杜仲、香樟、毛桐、黄葛树、小叶香楠、石 栎、银桦) ，1 5 种绿化树种( 日本珊瑚树、白兰花、深山含笑、乐昌含笑、小叶榕、高山榕、 刺桐、雪松、腊梅、青叶垂榕柱、海桐、黄花槐、法国梧桐、野杏树、峨嵋紫楠) ，2 种花卉 植物( 天竺癸、剑麻) ，此外筛选出抗性较强的经济树种为柑橘。 ( 5 ) 酸性土壤中混入石灰石粉土壤的p h 值研究得到：随着土层加深，土壤p h 值在混施前后 总体上都表现出先增加后缓慢增加然后保持稳定的趋势，但混施前仅表层( m 1 0 c m ) 与后4 层( 1 0 2 0 、2 0 3 0 、3 0 - 4 0 、4 0 5 0c m ) 土壤的p h 值差异显著( p m o t ( 1 0 2 ) b a r k ( 7 2 ) n e e d l e ( 3 7 ) w i t ht h eg r a v e n e s so fs o 订a c i d i f i e d ，t h ed i f 亿r e n td o m i n a n c e 伊a d e so f p 咖“sm 口髂d 门肠甩口r o o t b i o m a s sr e p r e s e n tad e c r e a s i n gt r e n d a n dw h i c hw i i jt a k eo t h e r si n g r e d i e n id e c r e a s e j u s ta sw ek n o w i ti sd i s a d v a n t a g ef b r f b r e s th e a l t h a n dt h eg r a v e n e s sa c i dr a i n sh a v e nb r o u g h tan o t a b l en e g a t i v e i n f e c t i o nf o rp 历“s 朋口s s d 仃励甩口s b i o m a s s e s p e c i a l l yi h er o o t s b i o m a s s i v a h s lr a c t 3 ) s t u d yf 而mt h er o o td i s t r i b u t i o no fp 觑“s ，以口5 s d ，z 缸，l 口，r o o tm a i n l yd i s t r i b u t i o ni ns o i ll a y e ro f o 3 0 c m ，w h i l ec 历，l 口，打d ，n “，nc 口，哆p i l l d ，口a n d 鲫f h ，咒s p 6 叠，1 l m si 。o o tm a i nd i s t r i b u t i o ni ns o i li a y e r o f0 - 2 0 c m w h i c ha r ef l e e t e rt h a n p 纫“s ，咒口s 跏f 口，l 口sr o o td i s t r i b u t i o n t h eo r d e ro fs i z eo ft o t a ld r y w 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np e r c e n t a g ec l a s s i f i c a t i o n s i a n d a r d ，s o m ep l a n t sw i t hv e d rs t r o n gr e s i s i a n c et oa c i dr a i n si n c l u d e d ：i 口比f 妇m 6 n ，加，小口月n ， s c h i m as u p e r b ag n r d 托tc h n m p ，e u c o m m t ag t y p t o s t m b o i d e sh ue t c h e n g ，c i n n a m o m h m c a m p h o r n ，m 口t l o m sb a r b n m s ，f i c u sv l r e n s ，m n c h i l u sm t h o e n s i sh 盼n t n ，l i t h o c a r p u sg l 口b ， g r e b i t l e am b u s t ac n n n b u r 眦mo d o r a t t s s i t u m k e 卜g 口w t ，m i c h e t i nn l b nd c ，m i c h e l i a m 口u d i n e ，m i c h e l i 口c h 口p e n s i ，f i c h sm i c r o c 口r p nl f ， f t c u sa t t t s s t m q ，e r y t h r t n av a r t e g a t q l ， c e d r u sd o d n r nl o u d ，c h i m o n a n t h u sp r a e c o xi l 3l t n k ，f i c u sg 0 t d c n p r t n c e s s ，p “t o s p o r l l mt o b i r f 丁矗“肝6 j 爿以唧矗d ，i n 上口n f j i z 口厅f 口( _ y 4 白，p k f 口几“s i _ 5 ：p 口以i c 口 彻已甩c 矗，尸p “，z “s ，尸向d e 6 es 已口，e 已，z f ”d ，行已f 已甩s f 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g r o u n dd a t ao f2 0 0 4y e a ro ft h ef i v ec h a r a c t e r i s t i c so ff i n er o o t sn o th a v ea ni m p a c to nt h e 2 0 0 7 s 0 nt h ec o n c l u s i o n st h a t ，t h ef i n er o o tc h a r a c t e r i s i i c so f2 0 0 7y e a rm a n i f e s td i 骶r e n c e sa sa r e s u l to ft h ed i 骶r e n tl i m e s t o n ep o w d e rd o s e s 1 ta l s os h o w st h a tt h edt r e a t m e n ti st h ep r o p e s td o s e 0 fl i m i n g ，b r i n gt h em o s tp r o m i n e n c ee f f e c t st ot h ef i n er o o t 伊o 、t h 1 【e yw o r d s ：i o r e s th e a l t hp 讯比sj ，l 口跚甩妇甩口l a m b f i n er o o t sl i m ep o 、e ra c i dr a i na r e ao f c h o n g q i n g v i l 独创性声明 学位论文题目：重麽迭出埋的盔挞鳇鏖壁互蕴堕鏖佳用 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中己加了 特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：曰不保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名： 弱嘶 i 导师签名：* 弋 签字日期：2 的9 年 6 月f o 日 砷南火学硕十 伊论丈 第1 章文献综述 森林的健康程度是衡量森林质量和生态环境功能的重要尺度。但随着自然资源的过度开 发，森林健康受到严重威胁。森林火灾、病、虫害、空气污染、湿地退化和生态环境变化等 等因素都对森林健康造成了严重破坏，致使出现森林资源锐减、林卜营养不良、地力衰退、 森林质量和生长量下降、森林生态环境功能丧失等重大问题。同时，近些年来不断增加的气 候变化、酸沉降危害等环境胁迫，在直接危害林术的同时，更是加剧了森林健康水平的下降。 我国酸雨形势最为严峻的西南地区，由于受大气污染和酸沉降的严重影响，该地区主要 森林树种马尾松的林地- 十壤酸化严重，导致森林生态系统严重衰退，年生产力下降，甚至造 成成片死亡的现象，经济损失巨大【。因此，对森林的现状进行健康调查和监测，恢复和营造 健康的森林，对于保证良好的森林资源质量和生态功能具有重大的理论意义和现实意义。发 展提高森林健康水平的营林措施，提出科学可行的森林健康调查和监测技术，发展调控和提 高森林健康水平的营林技术，对于提高森林的质量和功能、科学制定具体的林业经营措施和 林业政策，更是起着“导航器”和“标尺”的重要作用。 1 1 酸雨对林木生长的影响概述 酸雨是大气污染的一种表现形式。雨、雪、雾、雹和其他形式的大气降水，p h 值小于5 6 的，统称为酸雨【2 1 。从本质上说，酸雨就是指排放到大气中的各种物质变酸，然后酸性物质从 大气中沉降，它分成“湿沉降”和“干沉降”两大类。“湿沉降”一般系指p h 值低于5 6 的天然降雨 以及酸雪、酸雾等；“干沉降”是指硫氧化物和氮氧化物以及包含硫、氮氧化物的颗粒随风而降， 在沙漠等干燥地区，大气中的酸性物质往往以这种形式沉降到地面。 酸雨透过林层降到土壤上势必引起土壤的酸化，土壤酸化是指土壤内部产生和外部输入 的氢离子引起土壤p h 值降低和盐基饱和度减小的过程【3 】 或者说是土壤酸度由低变高的一个 持续不断的自然过程。在湿润气候区，土壤形成和发育的过程本身就是一个自然酸化的过程， 大气污染所引起的干、湿酸沉降则人大加快自然土壤的酸化速率。由酸沉降导致的十壤酸化 是全球变化中的一项重要内容。 1 1 1 酸雨危害森林的方式和阶段 酸雨对林木的影响主要有两种方式：直接影响和间接影响。直接影响是指：酸雨会破坏 叶片表皮组织( 如角质层) 和膜结构，影响细胞对物质的选抒性吸收1 4 5 】；干扰林木正常的代谢 过程( 如光合、呼吸作用和水分吸收) 【6 】；影响繁殖过程( 如花粉的萌发和花粉管的形成，种子的 形成和萌发) 【7 】；由丁氢离子的代换作刚而加速刚离子的淋失【出9 1 。间接影响一般是通过改变t 壤性质而造成的，十壤酸化主要表现住十壤p h 值卜降、盐基饱和度降低、铝离子人鼙积累。 酸m 的间接影响还包括氮素沉阶增加，j i 起十壤养分不平衡，致使卤根数龄卜降i l o 】：酸雨影响 了十壤微甘：物的活性，抑制枯十上落nl 和十壤彳j 机物的分解l l ，n 日时酸雨造成的树小牛k 势衰 第l 争文献综述 退使林分容易遭受病虫害的侵袭，加速林分的衰亡。人肇证据表明，酸雨对森林生长的间接 影响比对地上部分的直接危害更“泛更严重。不过在现实情况下，酸雨对森林这两方面的影 响是很难完全区分开的，常常表现为一种综合作l h 。 根据原联邦德国g o t i i n g e r 人学的u l r i c h 的研究成果，酸雨对森林的危害可分为四个阶段： ( 1 ) 由丁二酸雨增加了硫和氮，树小生长变化较为迅速，呈现受益的倾向； ( 2 ) 随着硫和酸的长年累月降落，土壤不断进行着离子交换，养分被淋失，致使土壤的中和 能力以及养分的供应能力( 如钙、镁等树木生长必需的元素) 大大减弱； ( 3 ) 连续的硫酸和s 0 2 降落，活化了土壤中的铝。大多数土壤都含铝，然而是非溶态的，酸雨 把铝释放出来，在土壤中使它成为可溶形态，危害树木赖以吸收养分和水分的根毛，这个阶 段十壤溶体和根部的钙铝比率小于1 。当钙铝比率低于0 1 5 时，所溶出的铝具有毒性，它使树 木生长受到抑制，土壤溶体会出现高浓度未被络合的3 价铝离子，引起根系严重枯萎，致使树 木枯死。此时，生态系统己失去恢复力； ( 4 ) 一株看起来有生命力、实质上濒临死亡的树，在其生活周期中如遇到环境胁迫( 实际上 环境胁迫只是个诱发因子，如持续干旱) 时就会死亡，生态系统酸化后带来的长期的积累性 效应因此显露出来。 1 1 2 酸雨对林木生长的危害 酸沉降是当今世界上最严重的环境问题之一，由丁酸沉降所引起的森林十壤的酸化在我 国南方已有所报道【1 2 3 1 。野外调查表明，在降水p h 值小于4 5 的地区，马尾松林、华山松和冷 杉林等出现大量黄叶并脱落，森林成片地死亡。 自2 0 世纪8 0 年代以来，重庆南山1 8 0 0 h m 2 的马尾松己死亡4 6 ，峨眉山金顶冷杉死亡率达 4 0 ，四川奉节县茅草坝林场6 0 0 0 h m 2 的华山松已死亡9 6 ，这些衰退现象已初步证实与酸雨 有关【1 4 】。刘厚田等于1 9 8 5 1 9 8 6 年对重庆南山马尾松衰亡与酸雨的关系进行了研究。初步认 为酸雨危害是南山马尾松衰亡的主要原因之一。 树木对酸雨最敏感的部位是叶片，火量的研究表明【16 。，模拟酸雨引起树木损伤的主要症 状在叶部，常会出现失绿、坏死、失水萎蔫和过早脱落等症状，从而对树木生长和木材材性 有很人的影响。酸雨对树木叶片产生的伤害与叶片的形状有关，比较平坦伸展的阔型叶片能 够使酸雨雨滴较长时间停留在叶面上，使树木较容易受到直接伤害。另外，酸雨还会引起森 林冠层稀疏，降低森林抵抗病虫害的能力【1 7 _ 引。酸雨对树木生长发育产生的危害程度取决于 降水酸度、化学组成、树木种类、树木的生理状况及成熟程度。 就酸雨对森林生态及树木生k 的危害与影响，国内外学者进行了人量的调奄和研究，已 得到一定的成果。酸雨造成树小和森林生态系统的危害是一个长期缓慢的过稃，酸雨中的h 、 s 0 2 、n 0 是危害树小的上要冈子。酸雨作川丁植物，破坏植物形态结构、损伤f 物细胞膜、 抑制植物代谢功能( 1 9 之1 1 。邱栋梁研究发现酸雨可迫使叫绿体的光还原活性、光合磷酸化活 2 两南大学7 i 页十。产何论文 性降低，电子传递链的破坏与磷酸化解偶联，从而使叶绿体不能有效吸收、传递、转换光能。 此外，酸雨还影响种子的发芽率。研究表明当酸雨p h 值小于2 o 时，种f 发芽率急剧卜| 降。同 时，酸雨会引起铝和其它重金属元素对树木生长的毒害，降低土壤中微生物活性，最终导致 林术衰退和死亡。 综上所述，大气酸性沉降物对森林土壤环境的变化和对森林生长潜在的威胁是明显的， 其对土壤环境的影响是多方面的，包括土壤化学状态、养分有效性、土壤生物等。在一些缓 冲作用较差的土壤环境中，其变化很快就能通过林木生长而得到表现。大气酸性沉降一土壤环 境中朋胁迫n 有效养分增加盐基离子有效量减少林术根系生长受阻或模式改变林木干旱胁 迫落叶一褪色等等，构成一系列的因果关系。酸雨造成森林衰退和死亡己成为世界林业的重大 课题。 1 2 森林健康调查体系研究概述 森林健康的定义是：一个理想的健康森林应该是这样的森林，生物因素和非生物冈素对 森林的影响( 如病虫害、空气污染、营林措施、木材采伐等) 不会威胁到现在或将来森林资 源经营的目标。森林健康的实质就是森林生态系统能够维持其多样性和稳定性，同时又能持 续满足人类对森林的自然、社会和经济需求的一种状态，是实现人与自然和谐相处的必要途 径。 森林健康研究最早出现是在2 0 世纪6 0 年代，当时森林健康作为森林管理者的一个基本概 念，它强调的是森林病虫害、森林火灾和干旱等胁迫因子对森林的影响以及如何实施有效的 体制等。从6 0 年代到8 0 年代中期，随着人们对森林作为生态系统主体认识的不断深入以及环 境污染、木材的过量消耗而造成的森林生态系统的不断退化，对森林健康的理解也随之发生 变化，对森林健康的研究也逐步从林分转移到森林生态系统上来【2 3 4 1 。 1 2 1 各国森林健康的体系发展 德国在2 0 世纪7 0 年代末期，有1 3 的国土面积是森林当发现森林出现生产力衰退状况后， 首先提出了森林健康状态的概念，并进行了森林健康状态的监测和评价= 作瞵】。由此迅速扩 大至整个欧洲【2 6 1 。从1 9 8 3 年开始，德国在原有的全国森林资源监测网络加入森林健康状态的 调查监测和分析评价体系，随后义增加了研究致害因素及森林生态系统反应机制的固定观测 样地体系。通过同定样地的长期监测，发现了导致森林生长衰退的不适当的森林经营措施。 1 9 8 6 年，这种方法体系的森林健康状态监测计划也在欧洲3 1 个国家启动。结果表明，由丁空 气污染的原冈，人气沉降物引起十壤酸化，进而影响到生态系统的营养物质的平衡并造成损 火。 住关国，1 9 8 7 年干i i l 9 9 2 年两次就森林健康问题举行国会听证会。1 9 8 8 年，制定了森林健 康计划，1 9 9 3 年住1 9 8 8 年基础上，捉了1 2 项森林健康目标。这个汁划将森林健康融丁_ 森林 q ：态系统斧。哩