竹林土壤养分变异影响因素研究进展

中国林业网 http://www.forestry.gov.cn/2018-11-23来源:《 林业知识服务》微信公众号
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  摘要:在竹林经营过程中,充分了解土壤养分变异的影响因素,是竹林地力维持以及林分生产力提高的基础。文中主要从竹林造林密度、海拔、林分模式、林分起源、经营类型、生长时期等方面阐述在不同影响因素下竹林土壤养分的变异情况,旨在让竹类经营者了解影响竹林土壤养分变异的因素,从而提高林地土壤养分利用效率,优化土壤养分变异现状,促进竹林经营的可持续发展,对提高竹林经济效益和生态效益、改善竹林立地质量具有重要的理论研究价值以及生产实践意义。
  关键词:竹林,土壤养分,变异,影响因素
  作者:张美曼  官凤英  范少辉  卢玉生  詹美春

 

  竹林是我国森林资源的重要组成部分,具有很高的经济、生态和社会价值。近年来,随着竹产业的发展和竹林经营效益的提升,竹子已经成为竹产区人们生活经济的主要来源,为提高竹林综合效益,许多竹类研究人员从影响竹林土壤养分变异因素及竹林土壤养分管理方面进行了大量研究,还有许多关于竹林施肥的相关研究,研究结果表明,竹林在短期内对林地土壤状况有一定的改良作用,但由于竹林生物量大,竹材中含有丰富的养分,同时生产周期较短,经过几个轮伐期后,竹林地土壤养分输出量大于输入量,林地土壤逐渐出现贫瘠状况。因此,合理经营竹林的前提是全面了解竹林土壤环境以及养分状况,进而合理有效地经营竹林,达到竹林的可持续发展。本文将对竹林土壤养分变异因素的研究进行简要综述,以为竹类经营者了解竹林土壤养分变异的影响因素以及对竹林进行合理施肥提供一定的理论基础,使得竹林经营可持续发展。
  1  竹林土壤养分变异因素的相关研究
  1.1  造林密度
  土壤是竹林营养元素的储存库,在竹林生态系统物质循环中起重要作用。密度是影响林分生产力的第2重要因子,仅次于立地质量,竹林密度与林分生产力的关系较为紧密,竹林密度不同,其竹林间的竞争效益(对养分的竞争较大)也不同,从而使得不同密度竹林的生产力不同。
  谢锦忠等研究表明,同一竹种其土壤养分含量会因造林密度的增大而减少,这可能是由于林分密度的不同,其林分地上生物量以及出笋量不同,林分密度愈大其笋产量越大,人为从该林分中带走的养分就越多。范少辉等也认为,不同密度林分其土壤中各养分元素的含量存在一定的差异,同一土层全氮含量随着林分密度的增大而逐渐增加,其他营养元素(有机质、全磷、全钾、速效氮、速效钾和速效磷)在其研究结果中均随着林分密度的增大呈现出先上升后下降的趋势,均在同一密度情况下达到最大,这与马尾松和华北落叶松林分的研究结果一致。而在对于大叶相思和油松的相关研究中发现,随着林分密度的增加土壤养分在不断降低。Singh等对Bambusabalcooa竹林土壤养分变化研究得出,竹林表土即0~20cm土层出现土壤电导率和pH值均随林分密度的增加而升高,土壤中有机质、钙、镁和锌的含量增加,有效磷、交换性钾和有效铁则随着密度的增加而减少,这可能与不同树种以及不同的研究密度范围有关,正如B?ońska等在对不同树种对土壤特性影响的研究中指出,针叶林林地土壤pH值比阔叶林要低,在砂土母质的前提下林分对土壤的酸化作用强度表现为松树>橡树,在黄土母质土壤前提下林分对土壤的酸化作用强度依次为松树>三毛榉>鹅耳枥。鹅耳枥与橡树均可以增加土壤的pH值,并且刺激土壤中酶活性。综上可以看出,竹林土壤养分一般是随着林分密度的变化而变化。因此,在竹林经营过程中应调整竹林密度,以使得竹林土壤养分达到最佳效果,实现竹林的可持续经营。
  1.2  海拔高度
  海拔高度不同,土壤温度与pH值不同,土壤pH值与温度均与土壤养分有效性、微生物及酶活性有密切关系。由于土壤酶对土壤肥力的形成与积累有重要影响,一般作为评价土壤肥力的生物指标,且土壤微生物在土壤中广泛参与有机质与无机质的循环和转化,其多样性等可以较好地衡量土壤养分状况,因此,海拔的变化极易造成土壤养分及特性的改变。
  林振清对建瓯市不同海拔高度毛竹林生态系统中土壤养分状况的研究发现,随着海拔高度的增加,土壤全氮随之增加,而全磷及全钾下降,且表土层最为明显,而土壤pH值、无机氮、速效磷及速效钾则无明显变化规律。陈双林等研究显示,在武夷山高海拔地区的毛竹林土壤中有机质含量比低海拔地区的高,这与蒋俊明等的研究结果一致。Siles等在对不同季节不同海拔高度下林分土壤微生物特性变化的研究中也得出同样的结论,这极有可能是由于海拔高度的增加,土壤的蓄水能力增强,从而导致了土壤中微生物的活动减弱,使其对土壤中的有机质分解减缓,有利于有机物的积累。王雷等对毛竹林表层土壤养分状况的调查发现,坡度大、沙性重的地区养分容易流失。赵超等研究表明,对于不同海拔高度的林地,其表土层的土壤有机质、全氮等养分含量总体上具有随着海拔的升高而增加的变化规律。由此可见,在对不同海拔竹林进行施肥时要综合考虑海拔对土壤养分的影响。
  1.3  不同经营类型和林分模式
  1.3.1  经营类型

  竹林一般采用分类经营,进而达到不同的经营目标,一般有笋用竹林(主要以笋为目标)、材用竹林(主要以获竹材为目的)、笋材两用竹林(笋、材均需)以及生态公益竹林。徐秋芳等研究发现,材用竹林与笋用竹林相比,前者土壤有机质的含量明显偏高,土壤中全氮、全磷和全钾的平均含量在材用竹林地中也比在笋用竹林中稍高,这种现象主要是由于笋用竹林与材用竹林的经营管理方式不同造成的,前者林内人为活动较后者要频繁,有常年挖笋翻耕的现象,造成有机质矿化加剧,对林分碳、氮、磷的累积造成一定影响,同时翻耕会降低林木根系和腐生微生物对水分和营养物质的竞争。孟赐福认为,对雷竹林的疏伐或者采笋等活动是土壤中的N、P、K元素输出的主要途径。Embaye等在对高山竹生物量及其养分含量的研究中表明,年龄3年以上的竹材其养分含量较高,因此养分会随着对老龄竹的采伐收割而逐渐减少,一个轮伐期之后土壤养分有效性将变差。其次,笋用竹林经营中的春末挖笋活动带走了大量氮素,大大降低了竹林土壤中有效态氮的含量。同时由于竹林在生产管理中对氮磷施用量通常为1︰1,而笋体对磷素的需求一般只有氮素的1/5到1/6,这可能是由于植物对磷的需求大多数是在种子中,在竹子高生长过程中对磷素的需求要少,综合各方面导致竹林土壤中磷素的不断积累,使笋用竹林有效磷含量较材用林高。
  1.3.2  林分模式
  林分内物种丰富度与群落的复杂程度、系统的生产力和稳定性有直接的联系。由于竹林纯林的物种丰富度较低,林分结构不稳定,从而导致竹林林分生产力降低,林地地力下降,竹子与其他树种的混交林可以增加林分物种丰富度和多样性,有效改良群落结构,养分的系统循环过程也可得到加速,土壤的自肥能力增强,且混交林也有利于竹子个体的生长。不同植被类型对土壤的培肥作用也不相同,就毛竹纯林来说,其自肥能力较差,而阔叶树的培肥能力较强,这是因为阔叶树的凋落物会不断地被分解,使得土壤中的腐殖质含量提高,林下土壤结构较好。树种不同,其凋落物的类型也不同,相关研究表明,针叶树的凋落物使得土壤酸性增强,导致土壤pH值变小,阔叶树则会使得林地土壤pH值变大。林分树种变化会引起土壤特性的变化,例如土壤有机质、pH值、土壤阳离子交换量、土壤微生物生物量以及酶活性都会因树种的不同而不同。李正才等对毛竹纯林、竹阔混交林地力保持研究表明,毛竹纯林竹材产量显著高于毛竹混交林,但其在长期经营过程中地力维持能力低下,地力衰退加快。杨宽通过对上阔下竹混交林和毛竹纯林土壤养分的调查得出,在0~20cm土层中3种不同比例的阔竹混交林中有机质含量均比毛竹纯林高,这与赵永艳的研究结果一致,随着阔叶林在竹林中所占比例的增加,林地土壤中有机质含量也随之有所增加,当阔叶树所占比例超过一定值后,土壤中的有机质含量却出现了下降的现象;而在20~40cm土层中出现纯林土壤有机质含量比上阔下竹混交林要高的现象,表明竹阔混交林对土壤表层的有机质含量有影响,这可能是由于阔叶树的凋落物对土壤表层有机质含量产生了影响,表层土壤中有效态的养分含量也会出现明显的不同。总体来看,上位阔叶林对毛竹林表层土壤有机质及有效态养分含量的影响效应较深层土壤大,但是通过对其林分土壤肥力的综合评价来看,上阔下竹的混交模式对竹林地土壤肥力的改善有一定作用。
  1.4  林分起源
  不同起源的林分土壤养分也存在变异。徐田通过对滇东毛花酸竹天然林和人工纯林的土壤养分调查发现,全 N、速效 K、速效 P和有机质在人工纯林中的含量均高于天然林。由于在人工经营过程中人为的养分补给对土壤养分有较大影响,人为经营可以提高地力,加速土壤养分循环,施肥与耕作被认为是2种重要的森林经营方式,目前大多数人工竹林也采用施肥与耕作等经营方式。Li等对不同经营年限的毛竹林土壤养分与土壤物理性质的研究表明,毛竹林土壤有机质含量随着强化经营年限的增加逐渐减少,相反土壤氮、土壤pH值和土壤容重均有不同幅度的增加。
  1.5  生长时期
  植物对养分需求量的选择特性以及对不同养分在生长各个时期吸收程度的不同、不同林分条件下其土壤矿化和凋落物返还量的不一等因素,使得各养分元素在竹林不同经营时期的消耗及其下降的速率不同。
  徐田等对毛花酸竹林土壤养分的研究发现,土壤中的全N含量在夏季有所降低,在冬季有所增加。夏季是毛花酸竹出笋的季节,土壤中的大量N被吸收利用;土壤中速效K含量出现冬季比夏季低的现象,这可能由于毛花酸竹对速效K的消耗主要集中在夏季到秋季,这段时期是竹秆木质化程度增加的时期,竹秆木质化转化时需要消耗大量的钾元素。高志勤等对不同林分类型竹林土壤氮素的季节变化进行研究表明,在竹林地土层30~50cm处,其春季和冬季土壤中的全氮质量分数含量的高低如下:未垦复毛竹纯林>毛竹木荷混交林>垦复毛竹纯林,由于其在秋季落叶增加了凋落物量,使得土壤有效养分含量会在冬季存贮,且由于植物消耗减少,养分处于积累期;在夏秋季节则是垦复毛竹纯林>未垦复毛竹纯林>毛竹木荷混交林。有效磷的质量分数含量随着季节变化的趋势与全氮等的变化有所不同,一般在5—10月这段时间土壤中有效磷的含量都处于很低的水平,到12月份后会回升。
  王雪芹等对毛竹高生长期间土壤养分进行调查发现,在毛竹林地土壤中不同形式的氮含量均呈现降低趋势,该结果从侧面反映出土壤中的氮素会以不同形式被毛竹吸收,从而导致土壤全氮含量降低;随着毛竹高速生长,土壤中总有机碳、可溶性有机碳均呈现不同幅度的降低。不同经营年限的林地其土壤养分中的营养元素也不同。Vitousek对土壤中营养元素限制因素及土壤开发进行了相关研究,表明在时间较久的林地上植物的生产力通常受磷元素的影响较大,而在早期的林地其林内植物的生产力受营养元素-氮素的影响较大,主要是由于N、P在土壤中的含量会因植物生长阶段的不同而不同。孟赐福通过对冬季含有覆盖物情况下的雷竹进行不同施肥处理来探索土壤中养分的平衡情况,结果表明,在不同施肥处理中P的积累量比N和K要多,N和K在土壤中的输出量较大,因而在不同经营年限的竹林中其土壤养分含量有显著差异。Embaye对不同林龄高山竹林的研究结果却指出P被吸收利用的较多,林地内P与K的含量匮乏,竹林生物量受P元素的影响较大。蒋俊明等的相关研究表明,毛竹的成林年限对竹林林地肥力有一定的影响,在幼龄林中林地土壤中的非毛管孔隙度与老龄林分相比要多,毛管孔隙度要少,林地的非毛管孔隙度较多时会导致竹林根系层养分含量的下降以及表土层的酸化,所以随着毛竹林年限的增加,其竹林地的土壤孔隙趋向合理化,对林地土壤养分合理化有一定的效果。Shanmughavel等对不同林龄Bambusabambos竹林养分平衡及周转研究得出竹林养分周转速率慢、地力维护差的结论。
  2  研究展望
  尽管竹类研究者对影响竹林土壤养分以及土壤养分变异相关因素的研究在一定程度上取得了重要进展,但通过竹林地下鞭根系统对竹林土壤养分变异的响应过程与机制的进一步研究将有助于深入理解竹林群落内种间与种内之间竞争的机理以及对林地土壤养分的有效管理,这对竹林经营策略制定以及竹林经济生态效益的提高也有重要意义。以下几方面将会是未来关于竹林土壤养分变异性研究的重点:1)深入分析对比丛生竹与散生竹竹林土壤养分变异状况的影响因素;2)单株阔叶树(霸王木)生长过程中根系对养分变异性的影响机制,并探究单株林木对临近竹子根际土壤养分变异的响应机制;3)深入了解竹林养分的时空变异状况与林分生产力、林分结构之间相互影响的动态变化过程等,合理调控不同特性竹林土壤养分,在提高林地生产力的前提下最大化达到不同林分土壤养分的高效利用,对竹林土壤养分状况的了解以及如何高效利用土壤养分并且优化调控土壤养分变异状况、提高竹林经济与生态效益、改善竹林立地质量具有重要的理论研究价值以及生产实践意义,也是未来竹林土壤养分经营的重要研究方向。