炼山后27年生杉木人工林生长及生物量分配格局

杨 振， 吴 凯， 李 智， 吴明晶， 马祥庆， 吴鹏飞

(1.福建农林大学林学院，福建福州350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州350002；3.福州市晋安区农林水局，福建福州350001；4.福建省将乐国有林场，福建三明353300)

炼山是一项传统营林方式，主要通过人为焚烧采伐迹地以清理林地.炼山在短期内具有激肥效果，可提高幼苗存活率，促进幼苗生长；但同时也会导致林地水土流失加剧、土壤性质变差、生态环境恶化等问题，不利于维持人工林长期生产力[1-3].可见，炼山对人工林生态系统积极或消极的影响难以统一下定论[4].目前，有关炼山的研究主要集中在土壤和林下植被方面，研究表明炼山导致土壤中大量有机质养分损失并加大水土流失风险[5，6]，炼山后土壤中N、P和K的含量会出现不同程度下降[7]；此外炼山对林地具有“生态消毒”作用，使得人工林林地内的原生种种质资源损失严重，林地生态系统不稳定[8].研究[9]阐述炼山对林地生态系统所带来的危害，对人工林的生产力有不利影响.而炼山对人工林生态系统造成的影响持续时间很长，有报道称炼山后5 a林地内的生态环境才逐渐改善，但炼山不会对人工林生产力造成长久的影响[1].

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方重要的速生用材树种[10]，具有悠久的栽培历史，生产力高且材质好，现已成为促进南方丘陵山区经济发展和生态环境保护的重要树种之一[11].黄云玲[12]发现，在不同地位指数林地内炼山对1～5年生的杉木林生长的影响不同，对较低地位指数杉木林的生长具有显著的促进作用，而对较高地位指数杉木林的生长则无显著促进作用.陈养[13]研究发现，炼山处理对杉木林前期生长具有积极影响，但在9 a后，不炼山的积极影响开始显示，15 a后两种处理的树高、胸径的差距呈缩小趋势.目前大多数有关炼山对杉木人工林影响的研究基本只针对幼林阶段，研究年限一般不超过10 a，无法有效地评价炼山对杉木人工林的长期影响[14，15].

本文以炼山后造林的27年生杉木人工林为研究对象，测定其乔木层生物量及杉木各器官的碳及主要养分(N、P、K)含量，旨在研究炼山后杉木人工林林地养分的循环特征，为杉木人工林的高效、可持续经营提供参考.

1 试验地概况

试验地位于福建省尤溪林业科学研究所后山，东经115.6°—117.8°，北纬25.5°—26.4°，海拔200 m，平均坡度25°，西南坡向，年均气温19℃左右，平均降雨量1 599.6 mm，年蒸发量1 323.4 mm，相对湿度83%，春夏季多雨，3—6月降雨量占全年降水量的56%.前茬为马尾松纯林.土壤为山地红壤，成土母质为粉砂岩.林下植被为山苍子(Litsea cubeb)、箬竹(Indocalamus tessellatus)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、黄瑞木(Adinandra millettii)等，盖度为85%～95%.样地土壤理化性质见表1.

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

2 研究方法

2.1 试验设计

于1987年选择1年生苗木造林，整地方式为穴状整地(60 cm×40 cm×40 cm).造林密度3 600株·hm-2.试验设计炼山与不炼山(保留采伐剩余物)处理，其中每个处理设置3个调查样地，即3个重复.每个样地面积均为100 m2，于2014年7月进行调查与测定.

2.2 乔木层生长量调查及树干解析

在每个调查样地进行每木检尺，测定树高，统计杉木平均胸径及平均树高.采用平均标准木法，每个样地随机选出1株标准木，伐倒，以2 m为区分段截取圆盘进行树干解析，根据魏占才[16]的方法计算各龄级的胸径及树高.

2.3 生物量测定

采用Monsi分层切割法分别测定每个样地标准木的根、叶、枝、干、皮鲜重，并随机抽取各部分具有代表性的部分样品，烘干后测定干物质量，计算含水率，再换算成单位面积的生物量[17].现场测定鲜重后带回实验室，在105℃下杀青后于75℃烘干至恒重，根据其含水率计算林分单位干物质量.

各器官生物量分配率/%＝各器官平均单株生物量(kg·株-1)/平均单株总生物量(kg·株-1)×100

2.4 养分测定

不同器官样品经烘干、粉碎、过筛处理后，用碳氮分析仪测定C、N含量，采用钼锑抗比色法测定P含量，采用火焰光度计法测定K[18].

单株养分积累量/(g·株-1)＝各器官养分浓度(g·kg-1)×其生物量(kg·株-1)

2.5 数据统计与分析

采用SPSS 20.0软件进行数据的方差分析和独立样本T检验(P＜0.05)，并用Origin 9.1作图，结果用平均值±标准差表示.

3 结果与分析

3.1 炼山对杉木人工林生长的长期影响

如图1所示，与不炼山处理相比，炼山处理明显抑制了27年生杉木人工林树高及胸径的生长.炼山处理杉木在生长初期(5 a左右)的树高生长量大于不炼山处理，但之后不炼山林地的杉木树高生长量逐渐超过炼山处理；而在第7年左右，不炼山林地的胸径生长量开始超过炼山林地.

图1 杉木林不同林地清理方式下的树高、胸径变化Fig.1 Changes in height and DBH of Chinese fir plantation by different ground clearance methods

3.2 炼山处理对杉木人工林生物量分配的长期影响

从表2可知，与炼山处理相比，不炼山处理杉木人工林的叶、皮、根生物量较大，差异显著(P＜0.05).不炼山处理杉木林分乔木层总生物量为194.12 t·hm-2，炼山处理林分乔木层总生物量为161.44 t·hm-2，可见，炼山处理对杉木林生物量积累具有不利影响.从不同处理对生物量分配的影响来看，不炼山处理下，杉木根生物量的分配比例(11.26%)大于炼山处理(9.39%)，说明不炼山处理杉木人工林的根部较为发达，更有利于保持水土.但是，炼山处理下杉木林干的生物量与不炼山处理之间的差异未达显著水平(P＞0.05)，且分配比例也相近，分别为65.36%和63.26%.

表2 杉木人工林不同处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 杉木林各器官养分及碳积累量差异

从图2可知，不炼山处理杉木人工林N、P、K养分含量及C积累量均高于炼山处理，炼山与不炼山处理的P积累量差异达显著水平(P＜0.05).与不炼山处理相比，炼山造林后27年生杉木人工林叶的C、N、P积累量，皮的C、N、K积累量，枝的P、K积累量以及根的K积累量均明显下降(P＜0.05)，干的C、N积累量、根的P积累量和叶的K积累量，同样呈下降趋势.从炼山对杉木人工林养分分配格局的影响来看，炼山27a后，不同器官C、N、K的分配格局均表现为干最大，枝最小；炼山处理P的分配格局则表现为叶＞干＞枝＞根＞皮，不炼山处理P的分配格局表现为叶＞干＞皮＞根＞枝.可见，炼山对杉木人工林的养分含量和C积累量影响较大.

4 小结与讨论

大量研究表明，炼山可在相对较短的时间内明显促进林木生长发育.杨尚东等[3]研究表明，炼山处理后造林初期土壤养分、微生物、生物炭等各项指标均明显提高，但仅仅4个月后，炼山处理中土壤各项理化性质却迅速降低并显著低于不炼山处理；虽然细菌多样性在各土层中的变化不一，但炼山会导致表层土壤细菌多样性指标下降.在本试验初期，炼山处理杉木的树高和胸径生长均高于不炼山处理；但从长远看，炼山处理对杉木树高与胸径生长、养分含量及C积累均无益，这与前人的研究结果具有一致性.究其原因，除了炼山对土壤养分的影响外，土壤酶、林下植被也可能是导致这一结果的原因[19].炼山会导致土壤遭受极端高温，使有机质等土壤酶底物的输入降低，微生物死亡，土壤pH值发生明显变化，以致土壤酶活性降低；但炼山亦会通过改善土壤物理环境等方式导致不同酶的活性随着林分生长的变化而发生改变[20].因此，有关炼山对土壤酶活性及其林地生产力的影响尚需进一步探讨.由于林下植被是生态评价的重要指标，林下植被的覆盖度是影响土壤含水率等土壤物理性质的重要因子[21].炼山形成的林火可显著降低林下植被物种多样性，但林火的干扰会通过增加土壤速效养分而影响林下植被的生长潜力[22].从炼山的综合效应来看，炼山可导致林下植被与凋落物覆盖度降低，加剧水土流失[23]，造成炼山积累的养分迅速减少，最终降低杉木人工林的长期生产力.

图2 杉木林地不同处理杉木各器官养分积累的比较Fig.2 Comparison on nutrient accumulation in various tissues by difference clearance methods

林龄是研究林木生物量和养分积累量的重要考虑因素，陈东升等[24]以7、17、30、40年生发育阶段的日本落叶松(Larix kaempferi)人工林为对象进行研究，结果表明，不同发育阶段日本落叶松干、枝、皮、叶、根生物量和养分浓度差异显著，杉木[25]、马尾松[26]、木荷[27]等南方主要造林树种亦表现出此规律.由此可见，养分积累量与生物量积累的变化趋势不同，林木随着林龄的增长表现出更强的养分利用效率.本文以27年生杉木成熟林为研究对象，一定程度上弥补此前研究出现的时间维度不足.本研究发现：不炼山林地的生物量和各主要林木器官的养分分配方面都优于炼山林地，说明从长远来看，炼山后林地的生产力受到了很大程度的抑制；而且与炼山处理相比，不炼山处理10 a后，杉木人工林表现出更强的生长潜力，树高和胸径生长量明显升高.由此可见，炼山处理的杉木人工林在生长后期，生长性状的差异愈加显著.

然而，炼山对杉木人工林N、P和K养分长期吸收利用的影响不同.本研究表明，炼山造林27 a后，不炼山处理的养分积累量均大于炼山处理，这可能是由于炼山会导致土壤养分流失.盛炜彤[28]的研究表明，炼山3 a后，土壤养分流失量高达586.26 kg·hm-2.对于P积累量而言，南方林区土壤有效态P普遍缺乏[29]，植物本来就处于低P胁迫环境，加之炼山造成林地养分流失加剧，最终导致两种处理下杉木P积累量的差异达显著水平.其中，不炼山处理杉木的叶片、枝干的P积累量均显著大于炼山处理，且整株P总积累量所占比例较高，这可能与不炼山处理根系生物量的比例(11.26%)较大有关，有利于对土壤有限P素的吸收，并向地上部转运[30，31].此外，K是植物生长发育的必需元素，在维持细胞渗透压平衡、改善气孔运动、保障酶活性、优化光合性能、促进同化产物运输，以及提高植物抵抗生物和非生物胁迫等方面具有重要作用[32].炼山杉木林的K积累量小于不炼山杉木林，且呈显著差异，说明炼山处理降低杉木对林地K的吸收量，进而影响K累积量.

本研究结果表明：根的生物量表现为炼山处理＜不炼山处理；而2种处理中根的C积累量差异不明显，表明炼山处理杉木林的根部具有更高的C吸收效率.陆昕等[33]研究认为一定强度的林火会促进土壤碳的累积，因而炼山林地的根对土壤中碳的吸收促进其碳的积累.但是其他器官的碳积累量则表现为不炼山更优，尤其是叶与皮中，两种处理间的C积累量差异达到显著水平.因为叶是重要的固碳器官，植物叶片的固碳作用也是促进植物C积累的重要方式.除此之外，皮也能进行光合固碳作用.刘俊祥等[34]研究表明，枝条皮层光合作用对CO2的再固定，可增加植株的碳收益.

由于在林业采伐时，通常是留下树枝、树皮和树叶等组分于林地中，使其养分得以回归利用，以缓解林地采伐造成的地力下降[35].然而杉木属于针叶树种，其枝叶不易腐烂分解，若留在林地中必然会影响后续的造林生产，增加生产成本[36].采用加速腐烂或控制不彻底火烧来加速养分回归，有待进一步研究.因而在杉木林生产中，应处理好采伐剩余物、整地以及养分维护之间的关系，才能实现可持续经营.