贛南飛播馬尾松林林下植被蓋度對土壤質(zhì)量的影響

丁 松，應(yīng)學(xué)亮，呂 丹，歐陽勛志

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，南昌330045；2.江西省興國縣林業(yè)局，江西 興國342400）

植物群落的變化總是與土壤的演化相關(guān)聯(lián)，土壤為植被的存在和發(fā)展提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤的分異導(dǎo)致植被的變化，反過來植被的變化也必將影響土壤發(fā)育［1－2］。林下植被作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和持續(xù)的立地生產(chǎn)力等方面起著重要的作用［3］，在截留降雨固土保水等方面也起著重要的作用。關(guān)于林下植被的研究最早可追溯到19世紀(jì)末，20世紀(jì)80年代由于人工林出現(xiàn)了地力衰退等各種生態(tài)問題，人們逐漸重視林下植被對森林生態(tài)系統(tǒng)的作用。目前林下植被的研究主要集中在林下植被的演替、與上層木的關(guān)系、在生態(tài)系統(tǒng)中的作用等方面［4－8］，研究較為深入的是林下植被在維持地力、改良土壤、水土保持、養(yǎng)分循環(huán)等方面的作用［9－13］，由于最早關(guān)注的是林下植被在杉木林中維持地力的作用，因此對其研究較為系統(tǒng)，隨著研究的深入，涉及的對象也在豐富［5，7，11，13］，但有關(guān)飛播馬尾松（Pinus massoniana）林的林下植被與土壤的關(guān)系研究鮮有報(bào)道，對其進(jìn)行研究有利于指導(dǎo)其林下植被的恢復(fù)，對困難立地的水土保持和生態(tài)建設(shè)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

贛南地區(qū)曾是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，從1965年開始就陸續(xù)開展了馬尾松飛播造林，同時(shí)也開展了一系列的水土流失治理工程，經(jīng)過30多年的不懈努力，水土保持工作取得了顯著成效，但由于飛播區(qū)林下植被恢復(fù)較為困難，“林下流”問題仍較為突出，“遠(yuǎn)看綠油油，近看水土流”的現(xiàn)象較為普遍。探討贛南飛播馬尾松林不同林下植被蓋度下土壤理化特性和土壤質(zhì)量，旨在為合理經(jīng)營管理飛播馬尾松林和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省贛南的興國縣（26°03′—26°42′N，115°01′—115°51′E），地處武夷山支脈雩山地段，東西北三面環(huán)山，中南部丘陵亙綿，地貌以低山、丘陵為主，海拔130～1 200m；屬亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，四季分明，平均氣溫18.9℃，年降水量1 539mm；森林資源豐富，主要林分類型有常綠闊葉林、馬尾松林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林等，森林覆蓋率為72.2%。據(jù)興國縣林業(yè)局相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，1973—2001年，興國縣馬尾松飛播造林實(shí)播面積達(dá)77 633.3 hm2，其中保存面積64 000hm2，占現(xiàn)有全縣有林地面積的29.5%，其林下植被主要有鐵芒萁（Dicranopteris linearis）、檵木（Loropetalum chinense）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等。

2 研究方法

2.1 樣品采集及指標(biāo)測定

2012年7月對飛播馬尾松林分布區(qū)域踏查的基礎(chǔ)上，選擇母巖、土壤類型、坡位等立地條件以及林木密度與大小、林下植被類型等相似的飛播馬尾松林，分別3種林下植被蓋度設(shè)置典型樣地，樣地大小均為20m×20m，即A為林下植被蓋度大于70%，B為林下植被蓋度30%～70%，C為林下植被蓋度小于30%，每種類型設(shè)置3個(gè)重復(fù)，樣地基本概況見表1。在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣點(diǎn)采集0—10cm土壤樣品，將3個(gè)樣點(diǎn)土樣混合均勻用四分法取1kg左右樣品用于化學(xué)性質(zhì)測定。土壤含水量用酒精燃燒法測定；土壤容重＝環(huán)刀內(nèi)干土重／環(huán)刀體積；飽和持水量＝（浸潤12h后環(huán)刀內(nèi)濕土重－環(huán)刀內(nèi)干土重）／環(huán)刀內(nèi)干土重；毛管持水量＝（干沙上擱置2h后環(huán)刀內(nèi)濕土重－環(huán)刀內(nèi)干土重）／環(huán)刀內(nèi)干土重；田間持水量＝（擱置干沙上2晝夜的環(huán)刀內(nèi)濕土重－環(huán)刀內(nèi)干土重）／環(huán)刀內(nèi)干土重；非毛管孔隙度＝（飽和持水量－毛管持水量）×容重；毛管孔隙度＝毛管持水量×容重；總孔隙度＝非毛管孔隙度＋毛管孔隙度。全氮（TN）用硫酸消化—?jiǎng)P氏定氮法；全磷（TP）用酸溶—鉬銻抗比色法；全鉀（TK）用氫氧化鈉熔融—火焰光度法；速效氮（AN）用堿解擴(kuò)散法；速效磷（AP）用氟化銨鹽酸比色法；速效鉀（AK）用醋酸銨提取—火焰光度法；土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）用重鉻酸鉀硫酸氧化—硫酸亞鐵滴定法；pH值用電位法。

表1 樣地基本概況

2.2 土壤質(zhì)量指標(biāo)選取

任何一個(gè)土壤屬性都有可能成為評價(jià)土壤質(zhì)量的參數(shù)，但土壤數(shù)據(jù)獲取成本高及各屬性之間共線性等因素，只能從候選的土壤參數(shù)數(shù)據(jù)中選出一個(gè)能最大限度地代表所有候選參數(shù)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）［14］。MDS確定的方法有主成分分析法、專家打分法、聚類分析法等，其中應(yīng)用最廣泛的是主成分分析法。通常利用主成分篩選MDS評價(jià)指標(biāo)時(shí)往往只依據(jù)某變量在一個(gè)主成分上的因子載荷大小進(jìn)行選取，這可能引起變量在其他主成分上的信息丟失，本文通過計(jì)算Norm值來避免這種情況，Norm值的幾何意義是該變量在由主成分組成的多維空間中的

式中：Nik——第i個(gè)變量在特征值＞1的前k個(gè)主成分上的綜合荷載；uik——第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的荷載；λk——第k個(gè)主成分的特征值。

將每個(gè)特征值≥1的PC中因子荷載≥0.5土壤參數(shù)分為一組，若某土壤參數(shù)同時(shí)在兩個(gè)PC中的荷載高于0.5，則該參數(shù)應(yīng)歸并到與其它參數(shù)相關(guān)性較低的那一組；計(jì)算每個(gè)參數(shù)的綜合得分；在每組內(nèi)選出綜合得分在最高分值10% 范圍內(nèi)的所有參數(shù)；對每組內(nèi)選出的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，如果高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)≥0.5），則選取綜合得分最高的參數(shù)進(jìn)入最終的MDS，對于不相關(guān)的參數(shù)，則全部進(jìn)入MDS［16］。

2.3 土壤質(zhì)量評價(jià)

由于土壤各指標(biāo)的單位和數(shù)量不同，需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，且各指標(biāo)的變化具有連續(xù)性，因而采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量化，并根據(jù)主成分因子負(fù)荷量的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降性，這與各指標(biāo)對植被的效應(yīng)相符合［17］。

升型分布函數(shù)：

式中：F（xi）——各土壤指標(biāo)的隸屬度值；xi——各土壤指標(biāo)值；ximax，ximin——第i項(xiàng)土壤指標(biāo)中的最大值和最小值。

由于土壤質(zhì)量的各個(gè)指標(biāo)的重要性不同，一般用權(quán)重系數(shù)表示各指標(biāo)的重要性程度，利用主成分分析法（principal component analysis PCA）計(jì)算各土壤指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［18］。本文考慮研究區(qū)的土壤特點(diǎn)，僅從對植被生長影響較大也是最基本的土壤理化性質(zhì)方面對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，采用加權(quán)求和模型［17－18］計(jì)算土壤理化綜合指數(shù)（comprehensive index，CI）。矢量常模（Norm）的長度，長度越長，則表明該變量對所有主成分的綜合荷載越大，其解釋綜合信息的能力就越強(qiáng)［15］。Norm值計(jì)算公式：

式中：Ni，Wi——第i項(xiàng)土壤指標(biāo)所對應(yīng)的的隸屬度值和權(quán)重系數(shù)；n——參評的土壤指標(biāo)數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)處理采用 Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

表2表明，土壤中各種類型的水分含量變化規(guī)律比較明顯，均表現(xiàn)為A＞B＞C，田間持水量變化最大，A 類 型比 B、C 類 型 分 別 提 高 了201.0%，328.6%，飽和持水量變化最小，A類型比B、C類型分別提高了65.1%，81.0%，隨著林下植被蓋度的增加，尤其在林下植被蓋度達(dá)到70%以后土壤的供水能力有了顯著的提高，Pearson相關(guān)分析表明，飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與土壤容重存在極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.970，0.942，0.826。A類型土壤容重分別比B、C類型的土壤容重下降了18.4%，21.1%，變化較明顯，一方面可能由于林下植被根系與土壤相互作用增加了土壤的孔隙引起的，另一方面可能由于蓋度的增加減少了砂礫和黏粒的流失。土壤容重值在1.1～1.4g／cm3表示土壤松緊程度比較適宜，小于1.1g／cm3則較松，大于1.4g／cm3則較緊［19］，只有A類型土壤容重的松緊處在適宜的范圍內(nèi)。相關(guān)研究表明［20］，土壤中總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1／5～2／5時(shí)，土壤的通氣性、透水性和持水能力比較協(xié)調(diào)。A類型中土壤孔隙屬于比較理想的水平，B、C類型中孔隙均未達(dá)到理想狀態(tài)?？偪紫抖群兔芸紫抖染憩F(xiàn)為在A類型中達(dá)到最大，在C類型中為最小，A類型分別比C類型提高了40.7%，60.6%，而非毛管孔隙度比較接近。Pearson相關(guān)分析表明，總孔隙度、毛管孔隙度均與土壤容重存在極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.944，0.845。

表2 不同林下植被蓋度土壤物理性質(zhì)

不同類型之間土壤物理性質(zhì)經(jīng)方差分析表明，只有非毛管孔隙度沒有顯著差異，其他物理性質(zhì)均達(dá)到顯著差異，用LSD法進(jìn)一步分析（見表2）。土壤含水量表現(xiàn)為A類型與C類型間差異顯著，其他類型間差異不顯著，其他性質(zhì)表現(xiàn)為A類型分別與B、C類型之間差異達(dá)到顯著水平，B與C類型之間差異不顯著。隨著林下植被蓋度的提高土壤結(jié)構(gòu)和水分性狀都得到了改善和提高，尤其是當(dāng)林下植被蓋度達(dá)到70%以上時(shí)效果更加明顯，物理性狀的改善對林下植被的生長及土壤的生物活性均有積極的促進(jìn)作用。

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

從表3可知，隨林下植被蓋度的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量有所提高，A類型分別比B、C類型提高了56.0%，98.2%，有機(jī)質(zhì)與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與其他物理指標(biāo)呈正相關(guān)。全氮、全磷含量表現(xiàn)為隨著蓋度的增加而增加，A類型分別比C類型高57.4%，171.4%，全鉀含量變化不明顯。土壤中的氮95%以上以有機(jī)態(tài)形式存在［21］，因此土壤氮含量與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性很高（r＝0.697＊），且二者的變化趨勢一致；森林土壤中有機(jī)磷占全磷的50%～80%［21］，可見全磷與土壤有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性（r＝0.632）明顯小于全氮與土壤有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性；礦物鉀占土壤全鉀的90%～95%，其釋放緩慢，很難與其他形態(tài)的鉀形成平衡關(guān)系，難以被植物吸收利用［22］，其與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性（r＝0.076）非常低。速效氮、速效磷、速效鉀呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，表現(xiàn)為A＞C＞B，速效氮與全氮的相關(guān)性（r＝0.327）、速效磷與全磷的相關(guān)性（r＝0.214）、速效鉀與全鉀的相關(guān)性（r＝0.198）都很低，未達(dá)顯著水平。pH變化不大，根據(jù)我國土壤酸堿度分級標(biāo)準(zhǔn)［23］，3種類型土壤均呈強(qiáng)酸性（pH＜4.5），方差分析表明，pH值A(chǔ)類型顯著低于B、C類型（P＜0.05），其他的化學(xué)性質(zhì)不存在顯著差異（P＞0.05）。

表3 不同林下植被蓋度土壤化學(xué)性質(zhì)

參照第二次全國土壤普查中所采用的土壤等級分為6級的劃分依據(jù)［21］，對各類型土壤中的養(yǎng)分含量進(jìn)行評價(jià)，3種類型土壤有機(jī)質(zhì)含量屬于3，4級，為中等偏低的水平；全氮、全磷含量均為第6級，屬于極低的水平；全鉀含量為第3級，屬于中等水平；速效氮含量處在5，6級，屬于很低到極低的水平；速效磷含量處在4，6級，屬于中等偏極低水平；速效鉀含量處在4，5級，屬于低到很低的水平?？傮w來看，土壤中的養(yǎng)分含量處在3—6級之間，屬于中等到極低的水平，雖然化學(xué)性質(zhì)在各類型之間差異不顯著，但部分性質(zhì)得到明顯的改善。

3.3 土壤質(zhì)量評價(jià)

3.3.1 土壤質(zhì)量指標(biāo)選取 土壤質(zhì)量指標(biāo)因子載荷、分組及Norm值計(jì)算結(jié)果見表4。pH值在兩個(gè)主成分上的載荷均高于0.5，但其與第2組中指標(biāo)的相關(guān)性小于與第1組中的各指標(biāo)相關(guān)性，因此將其歸為第2組，同理將非毛管孔隙度和速效磷歸到第3組。選取指標(biāo)時(shí)以Norm值為依據(jù)，同時(shí)考慮土壤指標(biāo)選取的主導(dǎo)性和適用性原則，組1中土壤含水量的Norm值在范圍之外，其他指標(biāo)Norm值均在范圍之內(nèi)且比較接近，考慮到組1中指標(biāo)反映的是土壤水分和孔隙特征，而土壤水分和容重等土壤物理因子，是重要的土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量指標(biāo)，影響著土壤的持水和植物根系的生長，是立地質(zhì)量的重要指標(biāo)［24］。從表4可知，田間持水量比其它持水量Norm小，但它是植物所能利用的最高水分含量，考慮到飛播馬尾松目前水土流失還比較普遍，土壤有效水可能對植被生長影響較大，所以選取田間持水量和土壤容重；組2中全氮、速效氮的Norm值在范圍之外，pH的Norm值最大進(jìn)入MDS，在Norm值范圍內(nèi)的指標(biāo)與pH值都高度相關(guān)，考慮到SOM對土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)影響大，所以也選取其作為土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)；組3中只有速效磷符合Norm值要求，因此將其選入。綜上所述，最終進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià)的指標(biāo)為田間持水量、土壤容重、SOM、AP、pH。

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)主成分因子載荷矩陣及Norm值

3.3.2 土壤理化綜合指數(shù)計(jì)算 根據(jù)主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降型，田間持水量、SOM、AP、pH采用式（2）計(jì)算，土壤容重采用式（3）計(jì)算，根據(jù)式（4）計(jì)算了不同林下植被蓋度下每個(gè)樣地的土壤理化綜合指數(shù)，各樣地中土壤質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重、隸屬度值和土壤理化綜合指數(shù)見表5。3種類型土壤理化綜合指數(shù)表現(xiàn)為 A（0.620）＞B（0.354）＞C（0.295），方差分析表明不同類型間的土壤理化綜合指數(shù)間差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），LSD分析表明，A類型與B、C類型之間均達(dá)到極顯著差異（P＜0.01），B與C類型之間差異不顯著（P＞0.05）。

4 結(jié)論與討論

土壤的形成是一個(gè)漫長的過程，在目前的酸沉降和亞熱帶氣候條件下，在花崗巖母質(zhì)上如果沒有地表物理侵蝕，經(jīng)過2.0萬～2.1萬年才能形成1m厚的土壤［25］，袁正科等［26］指出當(dāng)林下植被蓋度在24.2%～58.4%時(shí)，徑流系數(shù)平均減少9.04%，輸沙量平均減少40.02%，且蓋度每增加10%，輸沙率減少0.19%～0.27%，可見由于林下植被蓋度小引起的水土流失是導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化和養(yǎng)分流失的重要原因。Hassan等［27］研究表明地表徑流帶走土壤中大量的黏粒和粉粒，這必然導(dǎo)致土壤組成土粒含量發(fā)生變化，引起土壤粗?；寥廊葜卦黾?，孔隙度減小。A類型的土壤容重和孔隙特性均得到了改善，土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度均處在理想的水平，且分別與B、C類型存在顯著差異，表明當(dāng)林下植被蓋度達(dá)到70%以上時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生水土流失或輕度水土流失，相關(guān)研究表明當(dāng)蓋度達(dá)到60%以上時(shí)，土壤侵蝕量減少效果顯著且趨于穩(wěn)定，50%～60%的蓋度稱為“水土保持有效蓋度”［28］，這與本文研究結(jié)果類似；而非毛管孔隙度在3種類型間差異不顯著，可能是由于林下植被以鐵芒萁為主，其根系較細(xì)，對土壤非毛管孔隙的作用不是很明顯。土壤含水量、土壤飽和持水量和土壤毛管持水量作為森林土壤水分物理性指標(biāo)，能較好地反映林地土壤的保水、供水能力［29］，而本研究中的土壤含水量及各種持水量在林下植被蓋度達(dá)到70%以上時(shí)，均分別與B、C類型存在顯著差異，說明土壤的保水、供水能力得到顯著的提高。土壤的化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律雖沒有物理性質(zhì)明顯，但也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)均隨蓋度的增加而增加，速效氮、速效磷、速效鉀均表現(xiàn)為A＞C＞B，而全鉀則表現(xiàn)為C＞A＞B，各指標(biāo)均不存在顯著差異?；瘜W(xué)性質(zhì)變化規(guī)律不明顯的原因可能有以下兩個(gè)方面：一是林分都是馬尾松純林，從而導(dǎo)致凋落物少；二是自然土壤的形成及其養(yǎng)分的提高需要一個(gè)時(shí)間過程［30］，因此對于磷素、鉀素這類主要來源于礦物的元素來說就不會(huì)呈現(xiàn)明顯的與植被蓋度之間的關(guān)系。林開敏等［31］對杉木林下植被的研究指出杉木凋落物與芒萁等凋落物混合在一起不易分解，鐵芒萁與芒萁同為芒萁屬，生物學(xué)特性相似，其可能會(huì)影響凋落物分解，從而導(dǎo)致養(yǎng)分歸還量少，另有研究表明林下植被對地力的影響不僅與其類型有關(guān)，與其生物量也聯(lián)系緊密，當(dāng)生物量達(dá)到5t／hm2時(shí)，對地力的作用才明顯［9］，研究區(qū)的林下植被以草本為主，生物量基本達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這可能是化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律不明顯的原因。綜合結(jié)果表明，土壤質(zhì)量隨著林下植被蓋度的增加有了顯著的提高。

表5 各土壤質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重、隸屬度值和土壤理化綜合指數(shù)

土壤質(zhì)量評價(jià)方法很多，不同的學(xué)者選擇用于評價(jià)土壤的指標(biāo)也不盡相同，本研究基于主成分分析法和Pearson相關(guān)系數(shù)確定了進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià)的MDS，選取指標(biāo)有土壤容重、田間持水量、SOM、AP、pH，運(yùn)用土壤理化綜合指數(shù)對土壤質(zhì)量進(jìn)行定量的分析。目前針對不同的土地利用方式和森林類型對土壤質(zhì)量的影響研究比較多，而且很少對測定的指標(biāo)進(jìn)行篩選，因此在評價(jià)不同林下植被蓋度下土壤質(zhì)量時(shí)對16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了篩選，對今后類似的研究具有指導(dǎo)意義。本文僅就土壤理化性質(zhì)方面對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，然而對土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還有很多，如土壤團(tuán)聚體、電導(dǎo)率、酶活性、CEC、MBC、MBN等，陶寶先等［32］對3種酶活性的研究表明其均與土壤理化性質(zhì)存在顯著、極顯著相關(guān)性，尤其是有機(jī)質(zhì)，郭培俊等［33］指出大多數(shù)微生物的生長繁殖依賴土壤中的有機(jī)營養(yǎng)，土壤水分和土壤氣體等形成的土壤溶液是微生物各種活動(dòng)的載體，也是酶促反應(yīng)的場所，因此有機(jī)質(zhì)含量、含水量與三大微生物數(shù)量之間存在極顯著相關(guān)性，容重也與細(xì)菌和真菌存在極顯著相關(guān)性。因此文中雖沒有涉及到生物學(xué)指標(biāo)，然而由于其與土壤理化性質(zhì)之間存在相關(guān)性，MDS方法能最大限度覆蓋所有候選土壤參數(shù)所表達(dá)的土壤質(zhì)量信息，同時(shí)又盡可能降低數(shù)據(jù)冗余度，所以在一定程度上也能體現(xiàn)生物學(xué)性質(zhì)的影響。為了對植被恢復(fù)和生態(tài)重建措施的選擇更具有針對性，在今后的研究中需要對這些方面進(jìn)行深入的探討。

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