川西南丘陵區(qū)人工桉樹林土壤養(yǎng)分與水分變遷規(guī)律1)

王學春 王紅妮 陶詩順

(西南科技大學，綿陽，621010)

桉樹(Eucalyptus grandis)又名尤加利樹，是桃金娘科(Myrtaceae)桉屬(Eucalypteae)植物的統(tǒng)稱，適應性強，耐旱耐貧瘠。在澳大利亞，即使在低碳、高鐵的貧瘠土壤上仍可看到100 m左右的巨桉[1－2]。由于桉樹木材和林副產品利用價值較高，投資回報率高，有利于發(fā)展山區(qū)經濟，各國都積極引進，并進行人工栽培。從19世紀開始，桉樹種子就在地中海沿岸發(fā)芽，并迅速向非洲、亞洲和美洲發(fā)展[3]。19世紀90年代和20世紀20年代，安哥拉、津巴布韋、東非、印度的喀拉拉邦、巴西、阿根廷和烏拉圭等國已栽培大面積的巨桉人工林[4－5]。目前桉樹種植面積，約占全球人工林總面積的33.5%[6]。

我國引種巨桉始于最近幾十年，浙江、福建、廣東、廣西、海南、云南等省區(qū)均有零星栽培[7]，在廣西東門林場先后引進桉樹174種，200多個種源，通過品種改良和高產綜合試驗，建立了我國第一個桉樹基因庫[8]。四川省于1968年開始將巨桉引種到豐都、國順國營林場，引種的巨桉表現(xiàn)了良好的適應性和經濟性狀[9]。1992年開始在盆地推廣，現(xiàn)已營建巨桉示范推廣林2900 hm2，成為四川桉樹的主要栽培種[10]。四川的桉樹栽培主要分布在川中、川南、川東南、川西南邊緣地帶的低山丘陵地段及部分溝槽地帶。

近年來，隨著桉樹種植面積的擴大，生態(tài)安全問題越來越受到重視[11－13]。相關研究表明，桉樹大面積栽種會導致地下水位下降、土壤持水力變差、土壤表面板結、土地沙化等生態(tài)問題[14－17]。桉樹對土壤養(yǎng)分消耗較多，長期種植容易導致土地肥力下降乃至枯竭，不利于其它植被的生長和水土保持，在坡度較大的山地，常導致土壤侵蝕模數(shù)逐年升高，山體滑坡和洪澇等自然災害[18－21]。因此，深入研究桉林土壤養(yǎng)分、水分變遷規(guī)律，對丘陵山地桉林的可持續(xù)生產及生態(tài)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對人工桉林的研究主要集中在桉林土壤地力衰竭、桉林土壤水分過耗、桉林生態(tài)多樣性等問題，但對桉林土壤養(yǎng)分和水分變遷規(guī)律的研究相對較少。本研究采用空間分布代替時間序列的方法，通過對四川盆地西南丘陵區(qū)不同立地條件、不同樹齡的人工桉林土壤養(yǎng)分和水分進行取樣調查，研究其變遷規(guī)律，為當?shù)罔窳值目沙掷m(xù)發(fā)展和生態(tài)安全維護提供必要的理論依據。

1 試驗區(qū)概況

以四川省樂山市沙灣城區(qū)北部的嘉農鎮(zhèn)為試驗區(qū)，試驗區(qū)面積4200 hm2。該地氣候溫和，雨量充沛，常年最高氣溫38.5℃，最低氣溫－2℃，年降水量1440 mm，日照時間約1086 h，全年無霜期330 d。嘉農鎮(zhèn)東部地貌以平壩為主，海拔低于400 m;西部以丘陵山地為主，海拔400～1315 m。森林資源主要分布于該鎮(zhèn)西部的燎原、白巖等6個村，樹種以馬尾松(Pinus massoniana Lamb.)、桉樹(Eucalyptus robusta Smith)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)等為主，經濟林以水果、蠶桑為主。目前，嘉農鎮(zhèn)有桉林930 hm2，蓄積量4750 m3，年生長量1343 m3，受土壤肥力下降及土壤持水量下降等因素的影響，嘉農鎮(zhèn)人工桉林面積有逐年下降的趨勢。

2 研究方法

本研究采用空間變異代替時間序列的方法進行取樣調查。在溝槽地(丘陵山脈交匯處)和坡地(丘陵陽面)分別選擇1、3、5、6年生桉樹人工林和自然混交林(共10處)作為樣點，進行土壤取樣(每處取樣三次)，比較不同立地條件、不同樹齡土壤養(yǎng)分和水分的變化，研究桉林土壤養(yǎng)分和水分變遷規(guī)律。

土壤樣品采用挖剖面坑的方法，即在采樣點挖長120 cm、寬100 cm、深100 cm的土坑，將向陽面垂直削平作為觀察面進行取樣，0～20 cm，每10 cm取樣一次;20～100 cm，每20 cm取樣一次。土壤有機質質量分數(shù)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，土壤全氮質量分數(shù)采用氨氣敏電極法測定，土壤全磷質量分數(shù)采用氫氧化鈉堿熔鑰銻抗比色法測定，土壤全鉀質量分數(shù)采用火焰光度法測定，土壤水分采用烘干法測定。土壤有效含水量采用以下公式進行計算:

式中:ASW為0～100 m土層土壤有效含水量(mm)，ASWi為第i土層土壤有效含水量(mm)，n為所測定的最大土層數(shù)，SWi為第i土層土壤濕度(%)，WPi為第i土層土壤萎蔫濕度(%)，Pi為第i土層土壤密度(g/cm3)，Hi為第i土層的土層厚度(cm)。所有數(shù)據采用SAS8.0進行統(tǒng)計分析。

3 結果與分析

3.1 土壤有機質

由圖1可知。丘陵坡地與溝槽平地桉林土壤有機質質量分數(shù)總體變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為0～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)顯著高于≥40～100 cm土層。但是，丘陵坡地桉林0～100 cm土層土壤有機質質量分數(shù)顯著低于溝槽平地桉林，≥40～60 cm土層土壤有機質質量分數(shù)幾乎不隨樹齡的增加而改變。

圖1 桉林與自然混交林0～100 cm土層土壤有機質質量分數(shù)比較

在溝槽平地，隨著樹齡的增加，桉林0～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)顯著增加，其中:≥20～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)增加顯著低于0～20 cm土層;≥40～60 cm土層土壤有機質質量分數(shù)略有增加，但不顯著;≥60～100 cm土層土壤有機質質量分數(shù)沒有顯著變化。與1年生桉林土壤有機質質量分數(shù)相比，3、5、6年生桉林0～20 cm土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加 10.7%、20.1%、33.9%;≥20～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加5.8%、13.6%、17.5%;≥40～60 cm 土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加 0.1%、6.5%、5.3%。

在丘陵坡地，與1年生桉林土壤有機質質量分數(shù)相比，3、5、6年生桉林0～20 cm土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加 9.2%、20.3%、30.1%;≥20～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加4.3%、12.1%、25.3%;≥40～60 cm土層土壤有機質質量分數(shù)分別增加 0.2%、0.1%、0.2%。

與自然混交林相比，1～5年生桉林土壤有機質質量分數(shù)偏低(1、2、3、5年生桉林0～40 cm 土層土壤有機質質量分數(shù)在溝槽平地分別降低19.8%、18.4%、10.0%、0.4%，在丘陵坡地土壤有機質質量分數(shù)分別降低 17.3%、16.3%、7.5%、0.1%。)，6 年生桉林土壤有機質質量分數(shù)差異不顯著。表明桉林和自然混交林均有利于表層土壤有機質質量分數(shù)的增加。

3.2 土壤全氮

由圖2可知。溝槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土層土壤全氮質量分數(shù)變化趨勢一致，均隨樹齡的增加而顯著降低。其中:0～40 cm土層土壤全氮質量分數(shù)變化幅度顯著大于≥60～100 cm土層，溝槽平地土壤全氮質量分數(shù)降低幅度顯著高于丘陵坡地。

圖2 桉林與自然混交林0～100 cm土層土壤全氮質量分數(shù)比較

在溝槽平地，與1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土層土壤全氮質量分數(shù)分別減少15.2%、21.2%、24.2%，≥60～100 cm 土層土壤全氮質量分數(shù)分別減少 8.9%、14.5%、16.1%。

在丘陵坡地，與1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土層土壤全氮質量分數(shù)分別減少12.4%、19.1%、22.5%;≥60～100 cm 土層土壤全氮質量分數(shù)分別減少 9.2%、15%、12.1%。

與自然混交林地相比，5年生和6年生桉林土壤全氮質量分數(shù)顯著降低，3年生桉林土壤全氮質量分數(shù)略有降低，其降低程度隨土層深度的增加而減少。

在溝槽平地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全氮質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－9.4%、7.2%、13.8%、20.7%，≥60 ～100 cm 土層分別減少－5.1%、4.2%、10.2%、17.8%。

在丘陵坡地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全氮質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－9.9%、3.7%、11.1%、16.7%，≥60 ～100 cm 土層分別減少－12.1%、－1.9%、4.7%、9.8%。

表明桉林對土壤氮素的消耗較自然混交林多，且消耗是由上層土壤逐漸向下層土壤擴展的。因此，在桉樹生長過程中，適當補充氮肥可減輕桉樹對深層土壤氮素的消耗，從而在一定程度上緩解桉林地力下降的問題。

3.3 土壤全磷

由圖3可知。溝槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土層土壤全磷質量分數(shù)變化趨勢一致，均隨樹齡的增加而顯著降低，其中0～40 cm土層土壤全磷質量分數(shù)變化幅度顯著大于≥60～100 cm土層，溝槽平地土壤全磷質量分數(shù)降低幅度顯著高于丘陵坡地。

圖3 桉林與自然混交林0～100 cm土層土壤全磷質量分數(shù)比較

在溝槽平地，與1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少11.2%、19.6%、23.4%，≥60～100 cm 土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少 1.9%、3.1%和5%。

在丘陵坡地，與1年生桉林相比，3年生、5年生和6年生桉林0～40 cm土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少 15.2%、23.8%和 30.5%;≥60～100 cm 土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少 1.9%、3.2%、3.2%。

與自然混交林地相比，5年生和6年生桉林土壤全磷質量分數(shù)顯著降低，3年生桉林土壤全磷質量分數(shù)略有降低，但差異不顯著。

在溝槽平地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全磷質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－9.2%、3.1%、12.2%、16.8%，≥60～100 cm 土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少 0.1%、1.9%、3.1%、6.6%。

在丘陵坡地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全磷質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－14.1%、1.3%、13.5%和 22.8%，≥60～100 cm 土層土壤全磷質量分數(shù)分別減少 0.1%、1.4%、3.2%、3.9%。表明桉樹對土壤磷素的消耗較自然混交林多，且消耗是由上層土壤逐漸向下層土壤擴展的。

3.4 土壤全鉀

圖4表明，溝槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土層土壤全鉀質量分數(shù)變化趨勢一致，均隨樹齡的增加而顯著降低，其中0～40 cm土層土壤全鉀質量分數(shù)變化幅度顯著大于≥60～100 cm土層，溝槽平地土壤全鉀降低幅度顯著高于丘陵坡地。

圖4 桉林與自然混交林0～100 cm土層土壤全鉀質量分數(shù)比較

在溝槽平地，3、5、6年生桉林，0～40 cm 土層土壤全鉀質量分數(shù)分別較1年生桉林分別減少5.8%、10.7%、16.8%，≥60～100 cm 土層土壤全鉀質量分數(shù)分別減少 1.0%、1.4%、2.1%。

在丘陵坡地，3、5、6年生桉林0～40 cm 土層土壤全鉀質量分數(shù)分別較1年生桉林減少3.6%、8.8%、15.1%;≥60～100 cm土層土壤全鉀質量分數(shù)分別減少 0.7%、1.5%、1.9%。

與自然混交林相比，5年生和6年生桉林土壤全鉀質量分數(shù)顯著降低，3年生桉林土壤全鉀質量分數(shù)略有降低，其降低程度均隨土層深度的增加而減少。

在溝槽平地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全鉀質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－4.0%、2.0%、7.2%和 16.7%，≥60～100 cm 土層土壤全鉀質量分數(shù)分別減少－0.7%、0.3%、0.8%和2.1%。

在丘陵坡地，與自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全鉀質量分數(shù)在0～40 cm土層分別減少－0.6%、3.1%、8.2%和 18.3%，≥60～100 cm 土層土壤全鉀質量分數(shù)分別減少－0.2%、0.4%、0.6%和 1.8%。表明桉樹對土壤鉀素的消耗較自然混交林多，且消耗是由上層土壤逐漸向下層土壤擴展。

3.5 土壤水分

溝槽平地和丘陵坡地人工桉林土壤含水量變化趨勢相似，均隨樹齡增加而顯著降低。在溝槽平地，1、3、5、6年生桉林 0～100 cm 土層土壤有效含水量分別為 215、203、190 和 181 mm;在丘陵坡地，1、3、5、6年生桉林0～100 cm土層土壤有效含水量分別為189、181、173和167 mm;溝槽平地土壤有效含水量顯著高于丘陵坡地。

溝槽平地和丘陵坡地桉林對土壤水分消耗規(guī)律略有不同(圖5)。在溝槽平地，1～6年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主;在丘陵坡地，1～3年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主，≥3～6年生桉林對土壤水分的消耗以≥60～100 cm土層土壤水分為主。

圖5 桉林與自然混交林0～100 cm土層土壤含水率比較

與自然混交林相比，桉林0～100 cm土層土壤含水量顯著降低。當樹齡達到6年時，在溝槽平地其土壤有效含水量較自然林減少18.7%，在丘陵坡地其有效含水量減少14.3%。表明桉林對土壤水分的消耗較自然林地多。

4 結論與討論

相關研究表明，3年以上樹齡的桉樹可吸收8 m以下的土壤水分，在地表不補給水分的情況下，桉樹吸收地下水供其生長發(fā)育常導致桉樹林地深層土壤水分虧缺[11，21]。本研究表明，在溝槽平地 1～6 年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主;在丘陵坡地，1～3年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主，≥3～6年生桉林對土壤水分的消耗以≥60～100 cm土層土壤水分為主。

楊曾獎等[22－23]認為9年生桉林與自然混交林相比，其土壤有機質質量分數(shù)增長0.19 g/kg。本研究表明，隨著樹齡的增加，桉林0～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)顯著增加，其中:≥20～40 cm土層土壤有機質質量分數(shù)增加幅度顯著低于0～20 cm土層;≥40～60 cm土層土壤有機質質量分數(shù)略有增加，但不顯著;≥60～100 cm土層土壤有機質質量分數(shù)沒有顯著變化。與自然混交林相比，1～5年生桉林土壤有機質質量分數(shù)偏低，6年生桉林差異不顯著。

與自然混交林相比，5～6年生人工桉林土壤全氮、全磷、全鉀質量分數(shù)均顯著降低。這與覃延南[24]、陳少雄等[25]的研究結果相似。本研究表明，隨著樹齡增加桉林0～40 cm土層土壤全氮、全磷和全鉀質量分數(shù)降低幅度顯著大于≥60～100 cm土層，溝槽平地土壤全氮降低幅度顯著高于丘陵坡地。因此，在人工桉林的管理過程中適當加大氮、磷、鉀等肥料的投入力度，可緩解桉樹對深層土壤養(yǎng)分的消耗。

隨著樹齡的增加，桉林表層土壤(0～40 cm)有機質質量分數(shù)略有增加，深層土壤(≥60～100 cm)有機質質量分數(shù)增加不顯著;土壤全氮、全磷和全鉀質量分數(shù)顯著降低，其中0～40 cm土層土壤全氮質量分數(shù)變化幅度顯著大于≥60～100 cm土層。在溝槽平地1～6年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主;在丘陵坡地，1～3年生桉林對土壤水分的消耗以≥40～80 cm土層土壤水分為主，3～6年生桉林對土壤水分的消耗以≥60～100 cm土層土壤水分為主。

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