杉木和柳杉人工林的土壤理化性質(zhì)對(duì)比

王偉平，李紹才，孫海龍，繆 寧，馬 瑞，陶文靜，楊 皓

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生物資源和生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)和柳杉(CryptomeriafortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr)同屬于杉科，是我國南方優(yōu)良速生豐產(chǎn)用材樹種，也是四川省用于造林的速生豐產(chǎn)樹種。目前，四川省杉木人工林種植面積有減小的趨勢，經(jīng)營者以柳杉代替杉木種植的現(xiàn)象較為普遍。這種經(jīng)營模式的出現(xiàn)，主要原因是杉木的生長狀況不及柳杉人工林，但導(dǎo)致這種生長差異的具體原因還不清楚。因此，進(jìn)一步開展杉木和柳杉人工林的對(duì)比研究，為揭示不同林木生長狀況及林木適地經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)顯得尤為重要。

過去對(duì)杉木林和柳杉林的研究都較為深入，其中杉木林主要集中在不同產(chǎn)區(qū)單個(gè)物種土壤肥力質(zhì)量[1]、不同發(fā)育階段土壤肥力[2]、土壤微生物和酶[3]、土壤有機(jī)碳[4]、及混栽對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響等方面。如唐建等[5]、李惠通等[6]在研究杉木人工林土壤肥力時(shí)表明不同發(fā)育階段杉木對(duì)土壤理化性質(zhì)有顯著影響，中林齡階段的杉木土壤肥力狀況明顯惡化，土壤綜合質(zhì)量指數(shù)會(huì)降低。對(duì)柳杉林的研究主要集中在土壤氮、碳動(dòng)態(tài)、及枯落物對(duì)土壤微生物和酶的影響等方面[7-9]。然而關(guān)于同齡的杉木和柳杉人工林的土壤理化性質(zhì)的對(duì)比研究還未見報(bào)道。本研究以龍門山地區(qū)杉木和柳杉人工林為研究對(duì)象，對(duì)比分析不同林地土壤理化性質(zhì)的總體特征，采用主成分分析法對(duì)土壤肥力狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從林地土壤質(zhì)量方面來分析杉木和柳杉人工林的生長差異，以期為該地區(qū)杉木和柳杉人工林的合理經(jīng)營及撫育提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省彭州市通濟(jì)鎮(zhèn)人工林場(東經(jīng)103°40′～104°10′、北緯30°54′～31°26′)，該地區(qū)氣候溫暖濕潤，雨量充沛，屬于中亞熱帶溫潤氣候區(qū)；年平均氣溫15.8 ℃，年均降水量 1 126 mm，年蒸發(fā)量為965 mm，全年無霜期平均為278 d，其中7月份降雨量最多，平均為237.3 mm，12月份最少，平均為5.5 mm；土壤由砂巖發(fā)育而成的山地黃壤，質(zhì)地粘重，土層較厚，土體呈暗黃色或淡黃色[10]。

2 材料與方法

2.1 樣地調(diào)查與選取

彭州市龍門山區(qū)域的杉木林主要分布在海拔800 m～1 250 m的地區(qū)，柳杉林主要分布在 1 100 m～1 900 m的地區(qū)。2017年7月份，在彭州林場杉木和柳杉人工林的適宜生境內(nèi)，各選取了兩個(gè)具有代表性、面積為60 m×60 m的人工林樣地。樣地坡向均為南坡，光照充足，調(diào)查了林分密度、林分年齡、林分郁閉度，胸徑、樹高、灌木蓋度、草本蓋度、坡度和海拔。樣地情況見表1。

表1 樣地概況 Tab.1 Situation of study plots

2.2 土壤樣品的采集

土壤樣品于2017年7月采集，在土壤采樣前，將杉木樣地平均分成5 m×5 m的小樣方，柳杉樣地平均分成10 m×10 m的小樣方(柳杉初值密度較小，選取樣方較大)，并分別將每個(gè)樣方按照S形分布依次編號(hào)，杉木編號(hào)為S1、S2……S144，柳杉編號(hào)為L1、L2……L36。采樣時(shí)，杉木以隔行“S”形路線進(jìn)行采樣，共37個(gè)采樣點(diǎn)，柳杉以“S”形路線選取18個(gè)采樣點(diǎn)，全部用環(huán)刀法取樣，取樣時(shí)將表層的枯落物清除掉，選取0～10 cm的表層土壤，最后將各點(diǎn)采集的土樣裝入塑料帶中，并貼上標(biāo)簽。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測定

環(huán)刀取樣測定土壤物理性質(zhì)，包括土壤容重、孔隙度、土壤密度和自然含水量。采集的土樣經(jīng)過自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，磨細(xì)過孔徑為0.154 mm的土壤篩，用于土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、氮、磷、鉀化學(xué)性質(zhì)的測定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤pH值采用酸度計(jì)法(水土比為2.5∶1)；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用堿解-擴(kuò)散吸收法；全磷采用硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法測定；有效磷采用鹽酸-硫酸浸提，鉬銻抗比色法；全鉀、速效鉀均采用原子吸收分光光度法[11]。

2.4 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

本研究采取主成分分析法，為盡量減少變量之間存在的多重共線性而引起的極大誤差，從土壤容重、孔隙度、土壤密度、含水量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值和有機(jī)質(zhì)12個(gè)指標(biāo)中提取可以反映土壤肥力質(zhì)量的綜合性指標(biāo)，并用其進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

2.5 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)土壤肥力質(zhì)量選擇原則，結(jié)合四川省彭州市龍門山區(qū)土壤的實(shí)際情況，將全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為研究土壤肥力狀況的基本指標(biāo)[12]。

2.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel2003進(jìn)行，用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)土壤指標(biāo)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)。不同林分類型土壤理化性質(zhì)比較采用t檢驗(yàn)，采用主成分分析法對(duì)土壤肥力綜合指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

本研究中，作為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、總孔隙度、土壤密度、含水量、有機(jī)質(zhì)和pH值在數(shù)值上差異較大，評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，在研究時(shí)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其處理方法為[13]：

經(jīng)主成分分析后，得到主成分公因子方差、載荷矩陣和貢獻(xiàn)率；主成分特征向量等于對(duì)應(yīng)的載荷矩陣值除以該成分特征值的平方根[14]。將主成分特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)相乘得到各樣地主成分因子得分。采用加權(quán)法計(jì)算土壤肥力綜合得分，其表達(dá)式為[15]：

IFI=∑Wi×Fi

式中：Wi為各主成分貢獻(xiàn)率；Fi為各林分主成分因子得分。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型土壤物理性質(zhì)的比較

不同樣地的土壤物理性質(zhì)情況如表2。結(jié)果可知，不同林分0～10 cm土層的土壤物理性質(zhì)差異明顯，其中柳杉林土壤含水量遠(yuǎn)高于杉木林，差異極顯著(p<0.01)；土壤密度、容重和總孔隙度均達(dá)到一般顯著水平(p<0.05)，人工柳杉林的土壤密度和容重明顯小于人工杉木林，土壤總孔隙度大于杉木林，表明杉木林土壤相對(duì)板結(jié)和緊實(shí)，人工柳杉林土壤更疏松、通氣性更好，更有利于土壤養(yǎng)分循環(huán)。

表2 不同林分類型的土壤物理性質(zhì)Tab.2 Soil physical properties in the different plantations

3.2 不同林分類型土壤化學(xué)性質(zhì)的比較

土壤pH值的變異特點(diǎn) 土壤酸堿性作為土壤的基本性質(zhì)，是土壤肥力的重要影響因素，直接影響土壤化學(xué)性質(zhì)的變化以及養(yǎng)分的遷移和釋放。通過對(duì)土壤pH值的測定，不同人工杉木林和柳杉林土壤均為弱酸性土壤，杉木樣地的土壤pH值顯著高于柳杉樣地(p<0.01) (見表3)。

土壤有機(jī)質(zhì)的變異特點(diǎn) 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成部分，是植物有機(jī)養(yǎng)分和礦質(zhì)營養(yǎng)的重要來源，是影響土壤肥力的重要指標(biāo)[16]。不同林分土壤有機(jī)質(zhì)含量差異達(dá)到極顯著水平，柳杉樣地有機(jī)質(zhì)含量是杉木樣地的2.3倍，處于極富水平(>40 g·kg-1)，而杉木樣地的有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平(20 g·kg-1～30 g·kg-1)。

土壤大量元素的變異特點(diǎn) 柳杉樣地在全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀各個(gè)水平上的含量均高于杉木樣地，其中全氮、全磷、全鉀和堿解氮含量差異均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，速效鉀含量差異達(dá)到一般顯著水平(p<0.05)，速效磷含量差異不明顯(p>0.05)(見表3)。柳杉樣地堿解氮平均含量為杉木樣地的2.4倍，均達(dá)到極富水平(>150 mg·kg-1)。杉木樣地和柳杉樣地速效磷平均含量均小于3 mg·kg-1，表明各樣地的速效磷含量比較缺乏。杉木樣地速效鉀的平均含量明顯小于柳杉樣地(p<0.05)。相比之下，柳杉樣地土壤速效鉀達(dá)到中等水平(100～150 mg·kg-1)，而杉木樣地土壤速效鉀含量處于較低水平(50 mg·kg-1～100 mg·kg-1)。

表3 不同林分類型的土壤化學(xué)性質(zhì)Tab.3 Soil chemical properties in the different plantations

3.3 不同人工林土壤肥力的主成分分析

本研究中，選擇表層土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值、質(zhì)量含水量、總孔隙度和土壤密度組成土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行主成分分析。根據(jù)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%為宜的原則[17]，選取前3個(gè)特征值，即前3個(gè)主成分(見表4)。第1主成分方差貢獻(xiàn)率為61.995%，第2主成分方差貢獻(xiàn)率為15.268%，第3主成分方差貢獻(xiàn)率為7.566%，前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為84.892%，因此，前3個(gè)主成分的綜合指標(biāo)基本能反映土壤肥力評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)的變異信息。即前3個(gè)主成分基本包含了全部11個(gè)評(píng)價(jià)因子的所有信息，可以綜合反映土壤肥力質(zhì)量狀況。

表4 總方差解釋表Tab.4 Interpretation of total variance

由表5成分矩陣可知：第1主成分中，土壤全氮、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和總孔隙度具有較大的負(fù)荷量，第2主成分中土壤全磷、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較大的負(fù)荷量，第3主成分中土壤容重和土壤密度具有較大的負(fù)荷量。根據(jù)土壤肥力指標(biāo)的得分系數(shù)矩陣建立土壤肥力綜合得分(IFI)的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)計(jì)算，土壤肥力狀況的第一主成分(F1)、第2主成分(F2)、第3主成分(F3)得分表達(dá)式分別為：

F1=0.135X1+0.073X2+0.107X3+…+0.127X11

F1=0.029X1+0.312X2+0.107X3+…-0.226X11

F1=0.203X1+0.251X2+0.047X3+…-0.387X11

式中：X1-X11是標(biāo)準(zhǔn)化變量。最后，將土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算各主成分的得分，再以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計(jì)算出各樣地的肥力質(zhì)量綜合得分(見表6)，土壤肥力質(zhì)量綜合得分表達(dá)式：

式中：λi為初始特征根。計(jì)算結(jié)果表明：杉木和柳杉人工林土壤肥力質(zhì)量綜合得分分別為-0.434，0.866。土壤綜合肥力表現(xiàn)為：柳杉人工林>杉木人工林。

表5 成分矩陣及特征向量矩陣Tab.5 Coefficient matrix and eigenvector matrix

表6 不同林分土壤肥力質(zhì)量綜合得分Tab.6 Comprehensive scores of soil fertility quality in different stands

4 討論

研究結(jié)果表明，不同樣地的土壤容重和總孔隙度均達(dá)到顯著差異，杉木樣地土壤容重大于柳杉樣地，總孔隙度小于柳杉樣地。土壤容重和總孔隙度是重要的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，容重大小可以反映土壤通氣性、透水性和根系伸展的阻力狀況，而土壤孔隙是土壤水分、養(yǎng)分等遷移的通道和儲(chǔ)存的庫，也是根系生長的場所[18,19]，研究結(jié)果表明柳杉樣地土壤更疏松、土壤含水量更高、透氣性更好，表明柳杉人工林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于杉木人工林，更利于林木的生長。

土壤氮、磷、鉀是植物生長必不可少的大量營養(yǎng)元素，全氮、全磷、全鉀是影響土壤肥力的重要因子，其中有效態(tài)的氮、磷、鉀含量為土壤供應(yīng)肥力的確切指標(biāo)，決定土壤肥力水平[5]。本研究結(jié)果表明，柳杉樣地和杉木樣地土壤全氮、堿解氮含量差異極顯著(p<0.01)。柳杉人工林全氮、堿解氮含量較高，分別是杉木人工林的2.3倍、2.4倍，均達(dá)到極富水平(全氮>2 g·kg-1、堿解氮>150 mg·kg-1)。由于土壤氮素養(yǎng)分的含量與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，雖然研究樣地海拔有所差異，土壤溫度會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的礦化率，但是土壤條件基本一致，其影響結(jié)果是有限的。研究結(jié)果表明，柳杉人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量是杉木的2.3倍，差異極顯著，其主要原因在于不同林分類型的地表枯落物含量、林下植被根系以及部分動(dòng)物和微生物的殘?bào)w存在差異，導(dǎo)致不同林分土壤有機(jī)質(zhì)含量不同[20]。因此導(dǎo)致不同林分類型土壤氮素含量的差異。柳杉樣地土壤全磷、速效磷、全鉀、速效鉀含量均大于杉木樣地，且不同樣地間全磷含量達(dá)到顯著水平(p<0.05)，但均處于缺乏狀態(tài)；不同樣地的全鉀和速效鉀含量差異顯著，杉木樣地含量處于偏低水平，柳杉樣地含量處于中等水平；而樣地間速效磷含量差異不顯著，柳杉樣地含量稍高，但均處于缺乏水平。周秀英等[21]在研究閩北山地杉木純林時(shí)也表明土壤全磷含量偏低，而速效磷含量極其缺乏?？赡茉蚴窃摰貐^(qū)雨量充沛，土壤腐殖質(zhì)和凋落物的分解物及有機(jī)物不斷遷移、淋溶而損失的影響[22]。因此，在林木經(jīng)營過程中，可以根據(jù)土壤具體情況來適當(dāng)?shù)氖┘逾浄屎土追始坝袡C(jī)肥等措施，或者通過合理配置樹種、可以與鄉(xiāng)土樹種進(jìn)行株間行間式混交或塊狀鑲嵌式混交，如厚樸、楓楊、刺楸等；從撫育管理方面講，杉木人工林林分密度較大，與同齡柳杉林相比，平均胸徑和樹高均小于柳杉人工林，應(yīng)及時(shí)對(duì)杉木林進(jìn)行撫育和間伐，以提高林木的生產(chǎn)力。

利用主成分分析法對(duì)兩種林分類型土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)表明，不同的林分類型對(duì)土壤肥力狀況的影響不同，柳杉人工林的土壤肥力狀況優(yōu)于杉木人工林的土壤肥力。這可能與不同林型的林分結(jié)構(gòu)有關(guān)。調(diào)查顯示，柳杉人工林林分密度和林分郁閉低于杉木人工林，林下光照比較充分，可能導(dǎo)致柳杉人工林林下微環(huán)境優(yōu)于杉木人工林，更易于林下凋落物和腐殖質(zhì)的分解及養(yǎng)分的釋放[23,24]。同時(shí)段文霞等[25]在研究柳杉人工林土壤性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化時(shí)，也表明隨著柳杉林齡的增長，柳杉土壤碳蓄積量、關(guān)鍵作用，導(dǎo)致不同林分類型的人工林生長狀況有明顯差異。