森林土壤學

 

森林土壤學是土壤科學的重要分支。近幾十年來，特別是近20多年來．森林土壤學在理論研究和林業生產實踐中取得了較大的進展，從已往巨視的認識土壤、弄清土壤的發生、分類和一些基本的理、化性質．發展到從微視頒域去揭示森林土壤的組成架構，研究森林土壤組成架構與其功能的關係，並能動地發展到合理地利用森林土壤資源，因地製宜地選擇合適的樹種，或引進外地樹種．探索在不同立地條件下如何合理地利用森林土壤資源，維護、提升森林土壤生產力的綜合逾徑，以及對低產土地的改良和利用。當今，隨著世界人口在不斷增長，耕地面積逐漸縮小，每年對木材、纖維和其它林產品的要求量在日益

增長．迫切要求合理地利用有限的森林土壤  源，提升森林土壤生產力。為此，文中從森林土壤組成、架構、性質與功能一致性這個原理出發，重點論述森林土壤的物理性質、化學性質、生物化學活性以及森林土壤微生物等方面的研究進展．闡述維護和提升森林土壤生產力的途徑。

1 森林土壤物理性質的研究

林土壤物理性質的研究，相比之下是進展較為緩慢的領域。但近幾十年來，隨著教學、物理學在土壤物理學中不斷滲透以及遙感技術和電子計算機的應用，使這個分支學科在理論探討以及生產實踐上的應用都有較快的發展。如美國和澳大和亞等國在土壤水分管理方面的研究，西歐諸國在土壤架構與在農地工作方面的研究等．

1．1 囊林土壤水分的研究

土壤水分是構成土壤肥力的重要原素之一[3]，也是土壤物理學的重要研究領域用能量的觀點去研究土壤水分問題，是土壤物理研究中的重大進展。美國的物理學家Buck─ingham E．在這方面作出了傑出貢獻[?。他提出。在土壤中影響水分運動和平衡的力是守恆的，並第一次進行了土壤水分勢能的測定，確定了土壤水分含量和勢能之問的相關關系。Buckingham E．的另一個重要貢獻是，把Darcy定律延伸到對未飽和的土壤中水分運動進行研究，首先提出了土壤的電導率概念，並確定了電導率與土壤水分含量之問的相關關係。土壤水勢概念出現於60年代，70年代末引入我國，科學工作者開始用定量的、連續的能量觀點，即從熱力學、機械力學、分子動力學原理來定義土壤水分的能量狀況，代替以定性為主問斷的形態學觀點研究土壤水分的性質和狀況。水勢概念國內外已廣泛應用於林業生產實踐，其主要優點是，用統一的概念和單位說明土壤一植物一大氣連續系統中的水分關係。以及在一定條件下，隨時觀測土壤中水分動態變化狀況，而不破壞土壤。當今，以水的能量觀點去研究土壤水分，已成為近代土壤水分研究的主要趨勢。這種辦法，在森林土壤研究領域，特別是在森林土壤水分動態、水分脅迫對林術生長和代謝的影響，以及林地排水等方面已得到廣泛的應用。

用中子法測定土壤水分，被認為是用間接方法涮定土壤水分最準確、最簡捷的一種方法口︰。此法的優點是原地定位監測而不必破壞土壤，已被引入森林土壤研究之中。

1．2 土壤磁性研究

該項研究工作始於50年代，但直到70年代才進入系統化，我國學人劉孝義、俞勁炎等於70年代後期將土壤磁性研究介紹到我國。土壤磁性研究在土壤分類、改良、鑑定等方面獲得了廣泛的應用。蘇俄學人用磁性方法測定了黑鈣土的成土年齡l近1 0年來，我國對全國主要土壤的磁化率剖面作了系統測定[‘]，從中了解到各種成土過程如腐殖質、潛育、富鋁化對土壤磁性消長的影響，並設想把土壤磁測數據用於土壤鑑定，或作為土壤分類指標之一。運用磁化水灌溉土壤，改良鹽鹼地或灌溉果樹，收到了較好的增產效果。目前，森林土壤生態系統的磁性研究基本上仍屬空白，有待開拓。此外。還有一個研究土壤學的現代方法，就是運用紫外沈降法對土壤顆粒成分進行分析測定[1 。主要原理是根據土壤的過磷酸鈉溶液，在吸收紫外光線時。具有特徵的沈降分散密度，透過對沈降分教密度測定，進而對顆粒的組成及含量進行分析。該分析方法主要優點；測出的結果具有很好的重現性}能測出不同粒徑的顆粒組成及含量，使土壤顆粒成分的任意分類成為可能。該方法利用超音波處理土壤溶液，使製備試樣標準化，並不破壞土壤顆粒組成。

2 森林土壤化學的研究

土壤化學是土壤科學的基礎學科，在3O年代時，土壤化學僅限於普通的土壤化學分析，後來隨著化學理論和分析技術的發展，土壤膠體化學、土壤電化學、土壤生物化學和土壤環境保護研究也相應地得到了發展。在我國，電化學方法在土壤研究中的應用已達到國際先進水準，並具有自己的特點[1]。隨著分析技術的發展。已把普婕的重量、容量分析、比色分析等提升到一個新的水準。運用原子吸收光譜、等離子發射光譜、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振高壓液相色譜以及凝膠滲透色譜等技術，揖示森林土壤無機和有機物質的組成 結梅，特別是闡明有機物質在森林土壤中的功能。國外7O年代在農業上確定了腐殖酸類的基本架構單元，如蘇俄學人KononoBa、加拿大學人Griffith S．M．和SchnitzerM．等分別做了大量工作。作者曾研究了臥龍自然保護區5個不同植被森林土壤腐殖質具有基本相似的組成架構[5]，並揭示了不同植被帶滲濾水中的可溶性有機物質主要組分的組成架構，酚和苯羧酸是其主要架構單元。近年來，研究腐殖酸類的分子架構及分子量}I起國內外很多學人的重視，腐殖酸類的應用和功能，展現了一幅新的前景。蘇俄學人正在研究腐殖酸類的固氮功能[1 ，這為人類利用空氣中搏離態氮，從理論上和實踐上揭開了新的篇章。運用紫外線分析法測定土壤中碳酸鹽礦物的組成，其測定的準確度很高[1 。熱分析方法也被廣泛地應用於對土壤中碳酸鹽的測定[1 。土壤的氧化還原性質被認為是土壤肥力和土壤形成過程的重要指標，是製定經營措旖、改良和利用土壤的重要依據[1 ，在森林土壤逸一領域中這一指標主要指示林地的排水狀況．凝膠色譜法被應用於研究土壤腐殖酸類的分級組成及腐殖酸的性質，其研究結果能較好地應用於解釋森林土壤的形成過程、肥力及土壤分佈的區域[1為了提升森林土壤的肥力和生產力，森林土壤化學重視對林木營養元素的研究。自l9世紀中期李比希(J．Von liebig)提出植物礦質營養理論以來，很多學人在森林與土壤相互影響、森林自身的生物循環、桔落物分解對土壤性質的影響嗌 ，以及森林土壤化學性質變化對森林生長、養分循環的影響諸方面做了大量的工作。在林業生產實踐之中已經逐漸地認識到，僅從大量元素的全量或常規分析的速效量去研究森林生長與營養元素之問的關係，很多問題難以得到圓滿的解釋。作者在某些二茬杉木幼齡林難成活的區域，經分析發現其土壤中N、P、K含量並不低，就是一個很好的例證。微量元素對森林生長的影響越來越引起重視，這與森林土壤中很多重要的化學回應和生物化學回應就是在微量元素參與之下進行的有著密不可分的關係。Zn、Cu、Mn、Mo、B等就是土壤中某些酵或輔酵的組成部分，其倦化作用的專一性很強，不可互相代替EIR]眾多學人在研究不同立她條件下不同樹種與土壤化學性質相互影響時，巳注意到不同樹種對土壤化學性質的特異影響和要求。作者透過對生長不良的杉木幼葉和生長良好的杉木幼葉進行對比分析，發現二茬生長不良的杉木幼葉明顯缺少Mg和P。近年來，稀土元素的應用對林木生長起到了明顯的增產效果鑑於不同樹種具有不同的生理生化特徵，對土壤中不同營養元素的需求量也不同，因此研究不同樹種在不同生長期對各種營養元素需求的動態平衡定量值[1 ，研究土壤中水、肥、氣、熱各原素與營養元素平衡、協調及其與林木生長的關係，是森林土壤化學面臨的重要課題。

3 森林土壤生物化學活性的研究

土壤生物，特別是土壤微生物，參與土壤中複雜有機物質的分解和再合成，參與N、c、S、P等的循環，使土壤成為特殊的生物一有機一無機複合體．其中很多化學回應是在酵的僵化之下進行的，因此，國際上對土壤酵活性的研究是比較活躍的．許多學人認為，生物的趨向性發展同酵促回應是聯繫在一起的。一些學人認為，酵活性水準取決於土壤微生翱有機體、動物區系、高等植物根系的生命活動產物及死細胞釋放出的內酵的總和。)(∞“ee認為，釋放酵的數量取決於生物的代謝活動．在國際上對土壤中水解酵類和氧化還原酵類活性的研究比較活躍，特 I是50年代之後，由於分子生物學的傑出成就，對土壤森林土壤研究幾十方面的進展，酵研究的發展．產生了積極的影響。許多學人發表文章和專著．論述研究各類土壤酵活性的原理和方法，酵活性在土壤發生、分類領域中的應用．土壤酵與土壤肥力以及森林生產

力之間的相互關係。許多學人認為，酵活性可以作為土壤生物活性和土壤肥力的指標，並指出評價生草灰化土壤時，應以蛋白酵和脫氧酵的總的活性為標準。rbyp“ryllo~ 和HayMOB(1977)認為，蛋白酵活性可作為診斷典型的黑鈣土有效肥力的指標。我國學人鄭宏元、張德生、周禮凱曾對土壤酵活性與土壤肥力關係進行過較多研究。余新妥等學人經研究認為，杉木人工林多代連栽產量下降、甚至栽不活，很可能是由於連栽杉木林地裡多酚氧化酵活性過高造成土壤中毒的緣故。Zhang的試驗結果表明，杉木連栽林地的土壤抽提物對杉木生長有抑制作用口。

游離氨基酸是土壤中具有生物活性的化合物，也是腐殖質的架構單元，游離氮基酸通常是作為土壤中生物循環的重要環節之一而引起科學工作者的重視[1 目前浙江林學院姜培坤等正在做這項工作，並已取得初步成果。

4 森林土壤微生物的研究

森林土壤微生物活性是土壤性質的重要組成部分，土壤微生物學的基本內容是闡明微生物在土壤物質轉化中的作用．以及與土壤肥力及林木營養的密切關係，土壤中三大類微生物數量，即細菌、放線菌和真菌的數量多少，通常是作為森林土壤生物活性高低的重要標誌之一。隨著科學的發展，把不同屬、種微生物的數量分佈，作為土壤肥力的指示[9]。在森林土壤生態的研究中，通常把芽孢杆菌、螢光杆菌以及一些有色細菌出現的數量多少，作為森林土壤肥力高低的重要標誌。在放線菌分類之中，通常認為灰色菌絲群和諾卡氏菌出現多少，是土壤肥力高低的指示；分枝杆菌出現較多，則被認為是土壤肥力較低的

指示}在真菌分類之中，通常把木霉和曲霉以較高比例出現，看作是肥力較高的指示。在森林土壤定位研究中，通常把三大類微生物數量分佈和不同種、屬微生物季節性動態變化，作為森林土壤生物活性動態變化和森林土壤生產力動態變化的重要標誌。在森林生產力較高的林地裡，通常不僅是微生物數量分佈較多，而且出現的種屬也較多。微生物區系分析廣泛地應用於對土壤生態環境質量的評價，應用於土壤衰退程度和森林生產力高低的評價。

微生物肥料的廣泛應用已有較長的歷史了，1886~1888年同，(}L Hel|reg|)應用微生物方法分離鑑定了根瘤菌，根瘤菌廣泛地應用於豆科樹種固氮，豆科樹種與楊樹混交可以有效地促進楊樹的生長。70年代發現根瘤菌能夠在榆科的Parasponia屬植物上結瘤。近年來，法蘭克氏菌廣泛地應用於非豆科樹種固氮，從而為非豆科樹種固氮開辟了新的途徑。已發現共有7個目8科24屬的幾百種植物能同法蘭克氏菌共生固氨們。據初步統計，細菌中已有100多個種被用於製作細菌肥料，其提升森林土壤生產力的效用是多方面的，如磷細菌可轉化土壤中無效磷為有效磷，鉀細菌可轉化土壤中無效鉀為有效鉀，有些細菌的代謝產物有刺激林木生長的效用。外生菌根真菌在林業上的廣泛應用已顯出成效，尤其是對針葉樹種如濕地松、馬尾橙等在沒有使用過菌根真菌的區域，外生菌根真菌促進林木生長的效果就更為明顯 對闊葉樹種也有菌根真菌應用的報道。此外，已證實土壤中的非共生固氮菌對提升林地土壤含氨量也有顯著效果，這方面正日益引起森林土壤學人的重視。

5 森林土壤的定位研究

森林的輪伐期較長，因此需要對森林土壤進行長期的定位研究。在林業發達的國家，如美國、英國、蘇俄、瑞典、芬蘭等國，堅持對森林土壤進行長期的定位研究，並且自60年代以來，已形成一個全球性的試驗網，研究不同立地條件、不同林分下土壤水、肥、氣、熱的動態變化。自二次大戰以後，莫斯科大學土壤系在校國內一直堅持長期的定位研究，研究內容包括︰森林生長與土壤性質變化的關係I滲濾水及土壤水溶液的化學成分；土壤中空氣組成及其含量}土壤中大量元素、微量元素的含量以及土壤微生物區系組成等。國際上許多學人運用氣相色譜法研究土壤空氣中O2、N2、CO︰、CHl、Hzs、N O等的含量∞] 前蘇聯學人A．K．fptleBa等對土壤中可移動的營養特如氮化物、灰分元索等的含量，它們的生物循環及其在土壤中的動態平衡，進行了長期的定位研究，並發現這些物質對植物的生長、發育及土壤生產力均具有特殊的意義[ 。我國學人對主要造林樹種(如杉木、楊樹、落葉松、泡桐、馬尾松、櫟類、按樹等)的林地土壤正堅持長期的定位研究，研究土壤理、化、生物活性的動態變化及其與林木生長的關系，以便為製定合理的營林措施提供科學的依據。為此，森林土壤學人在枯枝落葉層、土壤和滲濾水的組成架構及季節動態，以及林地土壤的水分動態、生長回應等方面，都做了大量工作。

6 森林土壤生產力的維護和提升

人工林地力衰退已 f起各國林業工作者的普遍關注。早在1923年，德國Weidmann就曾報道丁下撒克遜第二、三代雲杉林的生長置大幅度下降現象。接著Roth於1943年、Kosa於1947年，先後報道了在瑞典挪威也有類似的現象。1966年Keeves曾報導南澳輻射松(P s radmta)生產力平均下降了25％。Julia Evans在《人工林長期生產力-90年代現狀》中，指出速生人工林連作斬獲置下降[9]。我國對人工林地力衰退的注意始於6O年代，並開展了對連作杉木林生長置下降的研究，證實杉木人工林在第一代就有較明顯的土壤肥力下降，第二代杉木人工林和第一代相比，平均生長置下降lO ～15 。第三代杉木人工林和第一代相比，平均生長量下降40 ～50 。更為嚴重的是，一些地區第二代杉木人工林的幼苗成活率很低，甚至不能成活。這種情況在江西省大崗山和浙江省麗水地區實驗林場等地均有發現。其它樹種人工林如桉樹、落葉松、木麻黃、桐樹等均存在明顯的、程度不同的地力衰退。

如何維護和提升森林土壤的生產力，永續利用有限的森林土壤資源，對此各國學人均在做認真的探討。我國學人在實踐活動中發現，透過營造混交林、更換樹種、保留枯枝落葉、施肥、培育優良品種等，可以有效地提升林木生長置。我國華北地區成功地利用枸樹和刺槐混交，明顯地促進了枸樹的生長，在我國中亞熱帶地區，利用火力楠等闊葉樹種與杉木混交，促進了杉木的生長，提升了土壤的肥力[B]。透過問伐、發育林下植被，能明顯地改奔林土壤研究幾個方面的進展。

90年代，我國林業工作者和土壤工作者舉行了林地地力衰退問題的討論會，並出版了論文集。展望未來，如何合理地開發利用有限的森林土壤資源，維護和提升森林土壤的生產力，防止地力衰退，將是森林土壤學面臨的重要任務。為了實現這一宏偉目標，森林土壤學必須加強對土壤組成、架構、性質與土壤功能關係的研究，實行巨視與微視研究相結合、理論與實踐相結合，加強多學科密切協作，努力運用高新技術，把森林土壤學的研究提升到一個新的水準。