应用模型模拟施肥对杉木人工林生态系统的影响1)

尤佳 郑吉

(上海交通大学，上海 ，200240)(上海长三角区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站)

康宏樟 刘春江

(上海交通大学)(国家林业和草原局上海城市森林生态系统国家定位观测研究站)

在人工用材林经营中，施肥是一种重要育林学措施。施肥能够补充由于整地、采伐造成的土壤营养元素缺乏，提高木材产量和质量，增加经营者经济效益[1-4]。同时，施肥能够改善林分生态系统过程，提升林分其它服务功能，如土壤腐殖质积累、生物多样性、景观等[5-7]。研究人工林施肥种类、施肥量及其长期效果，具有重要的生态学理论意义和林业生产指导作用。

我国从70年代中期开始林地施肥试验和生产性施肥，目前已积累了许多试验数据和经验[1]。特别是，杉木用材林是进行施肥试验和经营最多的树种之一，并取得了一些较多的试验数据。例如，相比于氮(N)肥，杉木对磷(P)肥具有更高的敏感性[8-9]；相比于较好立地，施肥对较差立地林木具有更明显的影响；相比单独施用，N、P和钾(K)肥混合使用具有更好的效果[10]。但是，在杉木人工林施肥研究中，还存在一些问题，例如，在幼林开展施肥试验较多，中龄林试验较少，在不同轮伐期林分连续开展的试验较少[9]；施肥试验多在较好立地林分进行，以便确定速生丰产措施，但在不同立地类型(好、中、差)林分开展的对比试验较少，无法了解同样的施肥(经济投资)在不同立地类型的收益[7]。另外，土壤贫瘠、营养元素含量低是低效人工林形成的重要原因，然而，利用施肥进行低效人工林改造的试验较少[10]。基于生态系统过程的FORECAST模型具有强大模拟经营活动对人工林生长、生态系统过程和功能影响的能力，且可以进行多种情景分析，弥补不同立地类型、长期试验数据不足的问题[11-13]。特别是，FORECAST模型模拟建立在森林生态系统的物质生产和养分循环规律的基础上，构建了林分—土壤养分获得性之间反馈关系，具有良好的模拟人工林施肥效应的功能[14]。

在本研究中，利用FORECAST模型模拟N和P施肥对杉木人工林生长和生态系统功能的影响，其主要目的有以下3个方面：第一，设置好、中、差3种立地类型情景进行模拟分析，加深理解施肥对不同类型立地杉木林分的影响效果，为进一步开展基于施肥对经济效益(木材产量)和生态效益(土壤腐殖质积累)分析提供理论根据。尤其是，在本次模拟试验中，特别关注较差立地杉木林分对施肥的敏感性，探讨施肥改造低效人工林效果。第二，进行杉木人工林生长(优势木高、平均胸径等)和生态系统过程(林木生物量、土壤腐殖质、林分凋落量等)对N、P施肥的敏感性分析，理清土壤N、P获得性对杉木林分生态系统影响，深入了解N、P降低对杉木林分土壤肥力影响，加深理解低效人工林形成机制。第三，纯林连茬是杉木人工林经营的传统方式，也是造成林地肥力衰退、木材产量降低的重要原因。在本次模型模拟中，将开展连续多个轮伐期的模拟研究，揭示杉木林分土壤施肥的长期影响，弥补野外试验数据不足。

1 研究区概况

本次模拟试验林分背景资料来源于亚热带中心区域江西和湖南杉木林分。该区域属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，形成水热同期特点。研究区年降水量为1 000～1 600 mm/a，区域内变异较大，一般春、夏两季降雨较多；年平均气温17 ℃，湖南省及江西省南部年均温可达18 ℃以上[15]。该区域地带性植被为常绿阔叶。该区域土壤类型以红壤土为主，黄土、棕土等也有分布，红壤主要分布在低山丘陵区，是人工用材林和经济林理想区域。

亚热带中心区域有长期的杉木林分经营历史，既有生长良好的速生丰产林，同时也有林地肥力退化、生长不良的低效林分[16]。该地杉木人工林土壤营养元素有两个明显的特点，一是基于长期地质风化和经营导致的土壤P缺乏，P成为林分生长的限制性元素[17-18]；二是该地区较高的大气N沉降，影响了当地林分生态系统过程。例如，在江西省分宜县林场的杉木林和马尾松林分，每年降雨N输入分别为60.6和57.0 kg·hm-2[19]。如此高的N沉降，导致土壤酸性提高，盐基元素淋失，可能强化了基于化学计量比值的相对P元素缺乏。

2 研究方法

FORECAST(Forestry and Environmental Change Assessment)是一个基于林分水平的生态系统过程模型，涉及森林生物产量与林分结构、演替阶段、营养运输途径及与各种经营管理措施作用(图1)[11-12]。FORECAST模型的主要价值在于对预测未来生态系统的发展趋势和对转换不同的森林管理策略可能造成的结果进行排序，能够找出各种需要的可选方案和预测未来森林的生长和主要分布区的变化。

近20 a来，FORECAST模型已在欧洲、北美、亚洲等地的人工林经营研究中得到了广泛的应用。在国外研究中，涉及的树种包括黑松(加拿大)、欧洲赤松(西班牙)、花旗松(美国)[14]；在我国涉及到的树种包括杉木[13],长白落叶树[20]、马尾松和云杉[14]、水杉[21]等。这些案例显示，FORECAST模型模拟结果与试验数据吻合，能够较好反映人工干扰对杉木生态系统的影响。这次模型中的立地条件、林分生长等参数，依据长江中游地区(湖南会同)杉木林分试验结果[3，16]。

立地类型。为了了解施肥对不同立地杉木林分的影响，在模型模拟中，依据杉木人工林分布、生长、生态系统过程特点以及经营措施特点，设置好立地、中等立地和差立地等。在如此好、中、差3类立地类型中，立地条件与长江中游地区常见的山脊、山坡、山麓(山谷)林型[3]相对应，或者与该地区高、中、低地位指数[22]相对应。

林分经营措施。在模型模拟中，杉木林分经营措施(如整地、造林、抚育、轮伐期、采伐等)情景设计如下：1)轮伐期25 a，每次收获实行皆伐；2)林分收获采伐后，采伐剩余物留在林地，进行穴状(没有炼山)整地，1年生苗栽植造林，初植为密度3 000株/hm2；3)在幼林期间，进行一次林下植物清除、没有进行间伐。这些经营措施依据杉木林分经营实践和试验结果[3，16，23]。

施肥水平。施肥情景试验设计如下：1)3个水平N肥添加试验40、80、120 kg·hm-2；2)2个水平P肥添加试验10、20、50 kg·hm-2；3)N和P混合施肥N80 kg·hm-2+P50 kg·hm-2(表1)。每个轮伐期为25 a，在轮伐期的第10年进行施肥。这些林分施肥情景据根据已开展的杉木林分试验数据设置[1，3，7-10]。

表1 杉木人工林施肥模拟情景设置*

3 结果与分析

3.1 施用N肥对杉木林分生长和生态系统过程影响

根据模拟结果，与对照林分相比，在3类立地条件下，N肥的3种施肥强度(40、80和120 kg·hm-2)对杉木生物量、优势木高及有机质质量分数都没有产生明显的影响；另外，随着轮伐期进行，仅使用N肥的结果与对照林分一样，林分林木生物量、优势木高、土壤腐殖质含量和林分叶年凋落量都在降低(图1)。

图1 在好立地条件下不同轮伐期杉木林分生长和生态系统过程对不同N施肥量的响应

在好立地条件下，与第1轮伐期相比，第4轮伐期末林分林木生物量约降低22%，优势木高约降低8%，平均胸径约降低11%，土壤腐殖质质量分数约降低19%(图1)。同样，在中等和差立地条件，这些指标也都有相似幅度的降低。这些结果表明，在这些林分中，施用N肥不但没有促进林分生长，反而会产生一些抑制作用。

3.2 施用P肥对杉木林分生长和生态系统过程影响

根据模拟结果，在3类立地条件下，与对照林分(没有施肥)相比，两种P肥的施肥水平(10和50 kg·hm-2)对杉木生物量、优势木高及有机质质量分数都产生了明显的影响，体现在4个方面。

第一，随着轮伐期进行，在2种P肥使用量(10、50 kg·hm-2)条件下，林分生长指标均在持续提高。例如，在好立地条件下，与未施肥林分相比，50 kg·hm-2施肥量第1轮伐期林木生物量提高13%，第2轮伐期提高34%，第3轮伐期提高47%，第4轮伐期提高60%(图2)。在中等和差立地条件下，各个轮伐期林木生物量也呈现增加趋势，而且增加幅度要高于好立地林分。

图2 好立地条件下不同轮伐期杉木林分生长和生态系统过程对不同P施肥量的响应

第二，P肥对差立地林分作用要大于好立地林分。例如，与对照林分相比，使用P肥(10和50 kg·hm-2)时，好立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质分别提高27%、50%和5%(图2)，差立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质质量分数可分别提高50%、66%和16%，中等立地各项指标的增加量处于二者之间。

第三，随着P肥施肥量增加，各项林分生长指标都有明显增加。例如，在中等立地条件林分，施肥量P10林分的第1、2、3、4轮伐期林木生物量为96、120、117、118 t·hm-2，施肥量P50林分的第1、2、3、4轮伐期林木生物量为101、133、143、147 t·hm-2水平。在P10和P50施肥条件下，好立地和差立地林分也呈现类似的趋势。

第四，施P肥显示出明显的累积效应，即后面轮伐期生长指标要高于第1个轮伐期。例如，在好立地进行P10施肥时，第1、2、3、4轮伐期林分林木生物量分别是159、189、184、186 t·hm-2,与第1轮伐期相比，分别增加19%、16%和17%(图2)；在差立地进行P10施肥时，第1、2、3、4轮伐期林分林木生物量分别是45、61、68、71 t·hm-2，与第1轮伐期相比，分别增加36%、51%和58%。在好立地进行P50施肥时，第1、2、3、4轮伐期林分林木生物量分别是162、209、230、240 t·hm-2,与第1轮伐期相比，分别增加29%、42%和48%(图2)；在差立地进行P50施肥时，第1、2、3、4轮伐期林分林木生物量分别是50、76、84、90 t·hm-2，与第1轮伐期相比，分别增加49%、68%和80%。这些数据不仅显示了P肥对林地肥力具有长期改善累积效果，而且表明在差立地P肥的累积效果要高于好立地林分。

3.3 施用N和P混合肥对杉木林分生长和生态系统过程影响

当N和P肥混合(N80 kg·hm-2+P50 kg·hm-2)施用时，以每个轮伐期各项指标平均而言，好立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质分别提高30%、41%和5%(图3)，差立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质质量分数可分别提高48%、76%和15%。这些数据表明，在差立地林分混合N和P肥使用的相对效果要高于好立地林分。

图3 在好立地条件下不同轮伐期杉木林分生长和生态系统过程对不同施肥量的响应

另外，N和P肥混合施用也显示出明显的长期累积效应，即对于每一种施肥处理而言，后一个轮伐期生长指标要高于前一个轮伐期。例如，在1、2、3、4轮伐期，好立地施肥林分林木生物量分别是199、259、283、294 t·hm-2(图3),差立地施肥林分林木生物量分别是61、107、129、139 t·hm-2。这些结果显示，混合N和P施肥对林地肥力具有长期改善累积效果。

4 结论与讨论

4.1 杉木林分对P肥的敏感性及其机制

本次模拟表明，单施N肥(40、80和120 kg·hm-2)没有明显影响杉木林分的生长和生态系统过程，而林分施P(10和50 kg·hm-2)后效果显著。例如，与对照林分相比，使用P肥(10和50 kg·hm-2)时，好立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质分别提高27%、50%和5%，差立地杉木生物量、优势木高和土壤有机质含量可分别提高50%、66%和16%。这些结果反映了该地区杉木林分对P元素变化的敏感性。该结果与一些湖南会同杉木林分施肥试验相一致，例如，陈楚莹等[3]的试验表明，施N肥反而降低了杉木幼林生长。唐明荣等[6]在硅质黄红壤研究发现，杉木幼林单施氮肥和钾肥对杉木幼林生长无显著效应，施磷肥效应显著，如造林当年及第3年各施钙镁磷肥50 g/株，与对照比较，杉木幼林地径、胸径、树高、蓄积分别增加15%、18%和53%。对幼林(8年生)的试验表明，杉木对P肥最为敏感，而N和K肥的效果较差；在N、P、K肥混合使用时，蓄积量可提高45%[1]。在江西分宜(板岩区域)施肥试验也表明，杉木幼林和中龄林均对P肥具有更大的敏感性[4]。在福建对不同家系杉木林分试验也表明，施用P肥对林分生长具有更显著的影响[8]。

P肥试验和模拟结果与亚热带基于富P矿区土壤情形观察是一致的。在亚热带富P矿区，土壤P质量分数是非P矿地区土壤的10倍，同时富P立地土壤有机质、其它主要营养元素含量也会提高几倍，植物叶元素含量也有显著增高[24]。根据Wen et al.[24]观察，P矿区土壤有机质和营养元素增高机制：1)与亚热带非P矿区不同，富P矿区岩石的风化可持续提供P元素，从而提高植物群落生产力和干物质积累；2)高生产力群落，具有高植物凋落量，形成更多腐殖质；3)由于腐殖质有机胶体对金属离子的表面吸附和离子交换吸附作用、腐殖酸对元素的整合作用与络合作用，土壤腐殖质能够固持多种元素，减少了营养元素的淋溶损失。同时，腐殖质还具有多空隙特性，保持土壤疏松，涵养水分功能。由此可见，在亚热带地区P元素功能特殊性。

图4 在好立地25 a生杉木人工林生态系统各组分N和P储量

在人工林生态系统，N元素来源有植物固N、大气N沉降等，在一定程度上，可以弥补人工经营活动(例如，炼山、采伐等)造成的N匮缺，使得林分生长对N肥不敏感。例如，在江西省分宜县林场的杉木林和马尾松林分，每年降雨N输入分别为60.6和57.0 kg·hm-2[19]。陈楚莹等[3]调查表明，在湖南会同地区，20年生杉木林分年N吸收量约为40 kg·hm-2；若25年生林分进行收获，木材采伐带走约N110 kg·hm-2。由这些数据可知，每年大气N沉降基本上可以弥补林分N年吸收量，由此可知，杉木林分不是对N肥不敏感，而是大气N沉降使得林分土壤供应已经充分了，而施入的N已是多余的部分。

亚热带地区土壤富铁(Fe)特点，P易于与Fe结合，降低了土壤P的可利用性，是驱动土壤相对性P缺乏重要因子[25-26]。与杉木纯林相比，异龄复层的杉阔混交林往往具有更好的土壤P储存和供应能力[27]。此外，杉木人工林纯林连栽、炼山、采伐剩余物去除等经营活动都会降低土壤P质量分数；同时，除了岩石风化外，没有其它任何P输入，结果导致强烈的土壤P匮乏[18]。例如，在湖南会同的调查表明，好立地20年生杉木林分表层(10～45 cm)土壤全P质量分数为0.37～0.60 g/kg，有效P质量分数为10～25 mg/kg，土壤有效P储量仅为15 kg·hm-2；林分林木(树皮、干材、树枝、树叶、根系等)P储量为120 kg·hm-2，其中干材和树皮P储量为54 kg·hm-2；植物(林木、林下植物等)年吸收量为16 kg·hm-2[3]。每次木材采伐、采伐剩余物去除带去大量P137 kg·hm-2，一次炼山后6 a内会增加径流P流失10 kg·hm-2，而林木年吸收量16 kg·hm-2，凋落物归还仅8 kg·hm-2，都会导致林分土壤P匮乏(表2)。在本次模拟中，两个P肥水平(10、50 kg·hm-2)无法弥补林分一个轮伐期经营过程中流失(约140 kg·hm-2)；在此P肥匮缺条件下，P肥使用对杉木生长极为重要，因而杉木林分对施P肥表现出了较高的敏感性。

植物林分生长对P肥的敏感性，从一个相反的角度说明，现行的整地(炼山)、纯林连栽、采伐剩余物去除等措施对林地土壤P元素影响的严重性。在这些造林措施中，大量营养元素被移除林分生态系统，土壤腐殖质受到严重损坏，大量矿质元素随径流淋溶，而许多矿质元素是永久性损失，而连续纯林连栽使得这种损失累积[4,28]。因此，通过杉木人工经营措施对降低土壤P元素严重性、施P肥对杉木林分敏感性，可以看出，土壤P损失是杉木人工林地力衰退、低效林形成核心问题；而其机理可以表述为，杉木林分经营措施导于有机质损失，导致P和其它元素流失；同时土壤有机质损失也会导致土壤结构破坏，降低水分涵养潜力。总之，对与杉木人工林而言，基于地质和人工经营活动而导致土壤P匮乏是导致杉木低效林形成的核心问题。

4.2 施肥对杉木林分生长效果的累加性及其机制

模拟结果表明，在每个轮伐期施用肥量相同，但是，与前一个轮伐期相比，后一个轮伐期林分生长和生态系统功能指标都在持续增加，意味着林分施肥效果具有一定的累加性效应。例如，在中等立地杉木林分P50施肥试验中，从第1到第4轮伐期，林分优势木高依次为12、15、16和16 m，林木生物量依次为101、133、143和147 t·hm-2，土壤腐殖质质量分数依次为78、78、79、80 t·hm-2，叶凋落量依次为1.3、1.7、2.0和2.1 t·hm-2；在好立地和差立地林分，也都有类似的变化格局。

一个相对长期试验观察研究发现，杉木林分(施肥量为N225、P75和K75 kg·hm-2)施肥17年后，比对照林分树高增加20%，胸径增加14%，土壤有机质增加17%～24%，全氮增加12%～15%，速效氮增加13%～66%，速效磷增加14%～24%，速效钾增加7%～36%[29]。研究者认为，林地施肥后，促进林木生长，强化了林分内营养物质生物循环，即有利于地上枯枝落叶在地面的积累及腐殖化和矿质化的进行，同时土壤微生物群也由此更为活跃,因而增加其土壤有机质、全氮的质量分数以及提高土壤速效氮、速效磷和速效钾的水平。

在杉木林分中，随着轮伐期延长，不同土壤形态P质量分数和所占比例会发生明显变化，也表明在短轮伐期经营下杉木林分土壤P元素的不确定性和对P肥敏感性原因。根据湖南会同杉木森林定位观测结果[18]，凋落物的输入和累积促使有机层土壤可溶性磷、活性无机磷和矿物质磷质量分数随林龄增加而显著增加；随林龄增加而增加的P年吸收量消耗土壤中的P，使得矿质土中的活性无机磷和矿物质磷质量分数下降；随林龄增加而下降的根际土壤pH和柠檬酸质量分数，促使根际正磷酸根离子与Fe和Al氢氧化物结合而沉淀，从而增加根际活性无机磷和矿物质磷质量分数；在所有林龄阶段，活性有机磷持续的被酸性磷酸酶矿化而转化为无机P形态，供植物吸收利用。另外，随林龄增加，P逐渐参与生物学循环，这意味着人工林轮伐期的延长，可能是增加P供应的有效措施之一[17]。而在现实中，大多数杉木林分多实行短轮伐期和连栽，形成了与上述P积累过程相反的一个逆过程，会使林分土壤形成更为强烈的P匮乏。

在杉木林分施肥中，如此后续增强效应主要机理可能是，施肥提高了生产力，也增加枯落物凋落量和营养元素含量，进而促进了更多腐殖质形成和积累，提高了土壤肥力，也为下一轮伐期林分生长奠定了更好的基础。根据陈金林等[8]调查，施肥不仅提高生长，也能显著增加林分叶生物量。有关研究表明，施肥不仅提高了杉木生长，而且也明显增加了林分土壤有机质质量分数[7]；不仅能显著增加杉木叶营养元素质量分数和林分生长，也提高了元素归还量[30]。这些试验数据也表明，施肥不仅增加当年或当轮伐期生长，也通过生态系统过程增加了土壤肥力，影响了下一个轮伐期土壤肥力和生态系统功能。

4.3 N和P复合肥对杉木林分影响

本次模拟结果表明，与N80施肥相比，N80P50复合施肥对杉木林分优势木高和其它指标均有明显的促进作用；但是与P50施肥林分相比，N80P50复合施肥对林分各项指标没有明显作用。这些对比数据表明，杉木林分对土壤P施肥具有更强的敏感性。

在中亚热带黄红壤上中等立地条件、间伐后2 700株·hm-2的10 a杉木林施肥结果表明，单施N200 kg·hm-2，可增加蓄积量40.9 m3·hm-2；单施P2O5400 kg·hm-2，可增加蓄积量31.0 m3·hm-2;而单施钾肥肥效不明显；每公顷施200 kg N、200 kg P2O5、200 kg K2O,可增加蓄积49.1 m3·hm-2显示了复合施肥效益[5]；李贻铨等[2]对亚热带丘陵黄红壤区杉木中龄林间伐后4 a施肥试验表明，施肥当年效应不明显，第2、3年N肥效应极显著。在蓄积和胸径增长上，P肥有效、K肥效应低；P、K肥单施效应低于N、P及N、P、K混合施肥[2]。

由于我国的中东部是大气N沉降的严重区域，林分土壤N饱和会造成一系列生态问题，在这些区域进行林分进行N施肥需要慎重考虑[19-31]。综合模型模拟和林地施肥试验结果可知，杉木林分土壤缺P是一个普遍问题，施用P肥显示了较好效果。但是，在杉木林分施用N肥时需要慎重考虑，最好进行实地林分土壤营养元素分析，根据具体数据进行添加，避免造成浪费和环境污染。

4.4 较差立地林分对施肥响应的敏感性

在本次研究中，一个重要的特点是，将杉木林分分为好、中、差3种立地，开展施肥效果模拟研究，并展示3种立地林分生长和生态系统过程的响应的差异性。结果表明，相对于好立地林分，差立地林分林木生长和生态系统过程对施肥具有更高的敏感性。这与杉木林地施肥试验结果一致。吴成忠[32]认为，在较为贫瘠立地，受土壤肥力不足的影响，杉木幼树高生长受明显抑制，施肥后能有效促进树高生长。

该结果对低效林改造实践具有两方面的指导意义：一是在较差立地施肥，具有较大提升林木生长的效应空间；二是施肥不仅可以促进低效林林木生长，而且还可以促进林地土壤有机质质量分数明显增加，意味着林地肥力提高，而且这种提升具有可持续性。然而，总体而言，在不同立地林分进行施肥效应的实证比较研究还较少，应该加强研究。特别是，立地条件差是形成低效林的重要因素，要加强研究施肥对改造低效林潜力和经济投入效益。

致谢：这项工作得到了国家研发计划项目(2017YFC0505501)的资助，感谢课题组王彬博士、张雷博士、姜姜教授、虞木奎研究员等对本项论文工作建议和帮助。在论文工作中，刘春江和郑吉负责整体设计，郑吉负责模型模拟，尤佳、郑吉、康宏樟、刘春江负责论文写作。