杉木林土壤化學性質對林分改造及不同坡位的響應

余 明，王卓敏，薛 立

（華南農業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642）

土壤提供植物所需的必要營養(yǎng)成分，其化學性質受母質、地形、氣候條件[1]及所覆蓋植被類型等自然因素以及人類利用方式的影響[2-3]，具有高度時空變異性[4]。其中，土壤有機質和土壤氮、磷、鉀作為植被生長過程中的重要因素，體現(xiàn)了它們影響森林發(fā)育的潛在能力，從而被廣泛用作評價土壤營養(yǎng)狀況的 重要指標[5]。土壤和環(huán)境間的物質能量交換受地形因素的顯著影響，其中坡位是影響土壤肥力的重要因素，并對林分的生長發(fā)育和生態(tài)效益產(chǎn)生影響[6-7]。盡管已有坡位對森林土壤養(yǎng)分影響的研究[8-10]，但是幾乎未見林分改造后不同坡位間土壤養(yǎng)分變化的報道。

杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook是一種在亞熱帶地區(qū)常用的用材和造林樹種，廣泛種植于我國南方地區(qū)。由于長期采取純林、連栽、短輪伐期和皆伐等經(jīng)營方式，存在樹種單一、生態(tài)功能等級較低、地力衰退等問題[11]，阻礙了杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展。長期以來國內學者對杉木人工林土壤的理化性質進行了大量的研究，如張鼎華等[12]的研究證明了杉木、馬尾松純林及其混交林根際土壤的有效磷含量均大于非根際土壤，陳鳳霞等[13]探索了冰雪災害后杉木林地土壤養(yǎng)分的動態(tài)，周德明等[14]研究了林齡對杉木林地土壤微生物數(shù)量、化學性質和酶活性的影響。但關于杉木林分改造對不同坡位土壤化學性質時空變化的影響卻鮮有報道。了解不同坡位和林分改造前后的土壤養(yǎng)分含量變化，對提高林地生態(tài)效益、有效利用土壤養(yǎng)分和維護林地生產(chǎn)力具有重要意義。

韶關市曲江區(qū)小坑林場曾營造了大量的杉木林，但人工杉木純林群落結構單一、林分密度不合理，導致了土壤養(yǎng)分含量降低與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性脆弱等問題[15]。因此，小坑林場用鄉(xiāng)土闊葉樹種火力楠Michelia macclurei、灰木蓮Manglietia glauca、樂昌含笑Michelia chapensis、木 荷Schima superba、山 杜 英 Elaeocarpus sylvestris、楓香Liquidambar formosana 對杉木進行林分改造。有研究表明：樹種可以有效影響土壤C 和N 含量，進而影響土壤化學性質[16-18]。在低效針葉人工林中合理混交鄉(xiāng)土闊葉樹種，有利于提高生態(tài)效益和維持地力，對改善土壤的理化性質有良好效果[19]。作者對林分改造后不同坡位的土壤化學性質進行研究，通過探討林分改造過程中土壤pH 和養(yǎng)分含量的年際變化，旨在為提高該區(qū)域低效人工林土壤養(yǎng)分狀況以及林地生產(chǎn)力提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)，同時為華南地區(qū)的杉闊混交林的營造提供理想伴生樹種，可以為其科學經(jīng)營提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

研究地點位于韶關市曲江區(qū)小坑林場（113°35.5′E，24°40.5′N）。試驗地土壤類型為砂頁巖發(fā)育成的紅壤，土層較深厚，海拔為200～300 m，坡度為30°～45°，是典型的亞熱帶季風氣候，每年平均氣溫為20.1 ℃，炎熱的夏季極端最高氣溫為39.5℃，寒冷的冬季極端最低氣溫降至-5.3 ℃，年活動積溫7 300 ℃。年平均降雨量1 640 mm，集中于夏季。試驗地改造前為杉木殘次林，種植密度2 500 株·hm-2，總面積67 hm2，2016年4月對杉木林擇伐后，以帶寬1.5 m 的標準對六種鄉(xiāng)土闊葉樹種進行帶狀混交，栽種密度為900 株·hm-2（2 m×3 m）。2016年在試驗地沿坡面在上、中、下坡位分別選取樣地，每個坡位選取立地條件相對一致、具有代表性的樣地各三塊，樣方設置面積為20 m×20 m。于2016年和2017年的4月及2018年的3月份分別在栽植不同樹種的林帶用五點混合取樣法采集0～40 cm 土壤層的土樣，去掉土壤中可見植物根系和殘體，并充分混合土樣，帶回實驗室測定土壤的化學性質。各樣地改造幼苗規(guī)格見表1。

表1 6種闊葉樹種幼苗的基本情況Table 1 General status of broadleaf seedlings of six species

1.2 研究方法

土壤pH 值用電位法測定，用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機質，全N 含量用半微量凱氏法進行測定，土壤樣品用氫氧化鈉堿熔法溶融后提取待測液，全K、全P 分別用火焰光度計和鉬藍比色法測定，土壤水解性N、速效P 和速效K 分別用堿解—擴散法，0.5 mol·L-1碳酸氫鈉法和1 mol·L-1乙酸銨浸提—火焰光度法測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 對各類指標進行作圖，土壤養(yǎng)分指標用SAS 及SPSS 軟件進行多重比較，圖中不同字母者表示差異顯著（Duncan's 法，P ＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 土壤化學性質對不同坡位影響的比較

由圖1A 可知，2016年上、中、下三個坡位的pH 值范圍在4.22～4.36，2017年為3.6～3.7，2018 為4.1～4.3，且各年份三個坡位間的差異均顯著（P ＜0.05），但無明顯規(guī)律。土壤有機質在2016年、2017年和2018年均隨坡位下降而上升。2016年的土壤有機質含量（g·kg-1）為上坡（22.27）＜中坡（22.71）＜下坡（31.38）；2017年為上坡（11.71）＜中坡（16.90）＜下坡（20.28）；2018年為上坡（34.38）＜中坡（35.28）＜下坡（39.48）（圖1B）。除了2016年上坡和中坡外，其余年份的各坡位有機質含量均有顯著性差異（P ＜0.05）。

圖1 不同坡位土壤pH 值和有機質Fig.1 Soil pH value and organic matter at different slopes

2016年、2017年和2018年，土壤的全氮、全磷和全鉀在上、中、下三個坡位表現(xiàn)的規(guī)律一致，均為下坡＞中坡＞上坡，且差異顯著（圖2A-C）（P ＜0.05）。上、中、下三個坡位在2016年的土壤全氮含量（g·kg-1）分別為0.98、1.06、1.13，土壤全磷含量（g·kg-1）為0.32、0.37、0.41，土壤全鉀（g·kg-1）含量分別為15.3、18.5、19.8；在2017年土壤全氮含量分別為0.59、0.85、0.86，土壤全磷含量分別為0.30、0.33、0.40，土壤全鉀含量分別為15.6、17.3、19.6；在2018年土壤全氮含量為1.34、1.45、1.82，土壤全磷含量分別為0.32、0.34、0.39，土壤全鉀含量分別為13.5、16.3、18.2。

3年間，堿解氮含量（mg·kg-1）在2016年和2018年的不同坡位均為上坡＜中坡＜下坡，且差異顯著（P ＜0.05），其上、中、下各個坡位的堿解氮含量分別為69.36、88.05、91.5 和89.11、101.41、130.10（圖3A）。2017年表現(xiàn)為上坡顯著低于中坡和下坡，其上、中、下各個坡位的堿解氮含量分別為44.91、65.60、66.84。

各坡位的有效磷含量（mg·kg-1）在2016年分別為0.11、0.12、0.12；2017年則為下坡最高，上坡、中坡、下坡分別為0.10、0.12、0.14；2018年有效磷含量為上坡（1.03）＜中坡（1.20）＜下坡（2.20），且差異顯著（圖3B）。

圖2 不同坡位土壤全氮、全磷和全鉀含量Fig.2 Soil total N,total P and total K at different slopes

圖3 不同坡位土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量Fig.3 Soil hydrolysable N,available P and available K at different slopes

不同坡位速效鉀含量（mg·kg-1）在各年份均隨坡位降低而增加，2016年各坡位間差異顯著（P ＜0.05），分別為24.70、25.31、27.97；2017年上坡顯著低于中坡和下坡，分別為15.34、20.14、20.43。2018年上坡和中坡的速效鉀含量顯著低于下坡，速效鉀含量分別為32.22 、37.73、44.57（圖3C）。

2.2 不同年份土壤化學性質的比較

土壤pH 在上、中、下3 個坡位隨著林分改造時間的變化呈現(xiàn)“V”字型，表現(xiàn)為先降后增，且各年份間差異顯著（圖4A）（P ＜0.05）。上坡2016—2018年的土壤pH 值范圍為3.65～4.36，中坡為3.61～4.59，下坡為3.71～4.35。土壤有機質含量（g·kg-1）在3 個坡位均隨時間的增加而先降后增且差異顯著（圖4B）（P ＜0.05）。3年間土壤有機質含量范圍分別為上坡11.71～34.38，中 坡16.91～35.29，下 坡20.28～39.49。

圖4 不同年份土壤pH 值和有機質Fig.4 Soil pH and organic matter in different years

各坡位間的土壤全氮含量在隨低效林改造的進行而先降后升（P ＜0.05），上坡全N 含量（g·kg-1）范圍為0.59～1.34，中坡為0.86～1.45，下坡為0.85～1.82（圖5A）。土壤全磷含量（g·kg-1）在上坡規(guī)律為先降后升，范圍在0.30～0.32；在中坡和下坡土壤全磷含量均在改造后顯著降低，中坡土壤全磷含量范圍在0.33～0.37，下坡范圍在0.39～0.41（圖5B）。上坡的土壤全鉀含量（g·kg-1）在林分改造期間先升后降，差異顯著（P ＜0.05），范圍為13.48～15.61，中坡和下坡均在林分改造后顯著下降（P ＜0.05），范圍在16.29～18.50。2016年和2017年的下坡全鉀含量顯著高于2018年，范圍在18.22～19.75（圖5C）。

隨著林分改造的進行，堿解氮和速效鉀含量在各坡位均表現(xiàn)為先降后升，年份間差異顯著（圖6A、C）（P ＜0.05）。上坡堿解氮含量（mg·kg-1）的范圍為44.91～69.36，中坡為65.60～101.41，下坡為66.84～ 130.10；速效鉀含量（mg·kg-1）的范圍在2016、2017、2018年分別為上坡15.34～25.31，中坡20.14～37.73，下坡20.43～44.57。各坡位土壤有效磷含量均在林分改造第三年顯著升高（圖6B）（P ＜0.05）。三年間有效磷含量（mg·kg-1）的范圍分別為上坡0.10～1.03，中 坡0.12～1.20，下 坡 為0.12～2.20。

圖5 不同年份土壤全氮、全磷和全鉀含量Fig.5 Soil total N,total P and total K in different years

圖6 不同年份土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量Fig.6 Soil hydrolysable N,available P and available K in different years

3 結論與討論

3.1 土壤化學性質對不同坡位的響應

pH 能夠顯著影響土壤養(yǎng)分的有效性[21]。各坡位的土壤pH 值范圍為3.6～4.36，為酸性土壤。韶關降水量豐富，風化淋溶引起強烈的脫硅、鹽基淋失和富鐵鋁化過程，風化釋放的鉀、鈉、鈣、鎂等元素隨水向下層土壤移動，導致土壤呈酸性[22]。也有研究表明，當土壤表層根系分布較多的時,其呼吸作用產(chǎn)生的CO2、根系分泌物產(chǎn)生的有機酸和H+及凋落物分解過程產(chǎn)生的酸性物質都會造成土壤pH 降低[23]。

本研究結果顯示，除土壤有效磷外，其它養(yǎng)分含量均為上坡＜中坡＜下坡，該結果與Chen[24]報道的下坡表層出現(xiàn)土壤養(yǎng)分沉積現(xiàn)象一致。這是因為坡位不同會使土壤中的水熱資源及生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)產(chǎn)生差異[25]，上坡太陽輻射更強，使得土壤對水分的固持能力更弱[26-27]，不利于樹木生長[28]，土壤侵蝕堆積也使上坡位的有機碳向下坡位轉移，導致下坡位土層更厚，林分生產(chǎn)力更高，凋落物輸入量也更大[29]。土壤微生物和土壤動物的活動和代謝由于植被根系分布及枯枝落葉輸入的增多而更加活躍，這將為林地有機質的轉化積累及運輸提供動力[30]。此外，研究區(qū)域多雨所致長期的沖刷作用使土壤養(yǎng)分會隨徑流泥沙攜帶和徑流水攜帶從坡頂流到坡腳，因此，土壤養(yǎng)分在坡底匯集。樣地海拔不高，各樣地位置相對差距高度不大[31-32]，也可能導致2016年和2017年有效磷在不同坡位差異不顯著。

3.2 土壤化學性質對林分改造的響應

隨著林分改造的進行，2016—2018年間的土壤pH 先降后升，原因可能是杉木林的改造造成大量杉木的疏伐，引起林地光照增強，提高了地表溫度，增加了微生物數(shù)量增加，促進了酶活性，枯枝葉和疏伐殘留物分解加快，產(chǎn)生大量酸性物質，膠體上鹽基離子被氫離子代換而被雨水淋洗，從而導致了2017年土壤pH 降低，酸性增強[33]。之后，幼樹和林下植被經(jīng)過兩年的蓬勃生長吸收了大量陽離子，持續(xù)積累堿性物質和緩沖物質，因而pH 上升[34]。

本研究中在林分改造期間，除全鉀和有效磷外，其余指標的年際變化均表現(xiàn)為先降后升。枯枝落葉的分解、土壤風化作用和其他的代謝產(chǎn)物是土壤營養(yǎng)物質的重要來源，在研究初期的整地過程中，土壤翻耕和林分疏伐引起了林地光照增強和土壤溫度升高[22,35]，從而增強土壤微生物活躍度和土壤風化速度[13]，同時采伐剩余物的分解和有機質的礦化作用增強，這可能使土壤養(yǎng)分增加。隨著幼樹的生長，特別是雜草生長茂盛，吸收的養(yǎng)分急劇增加，而幼林的凋落物少，歸還的養(yǎng)分量小于植物吸收量，且杉木林改造過程中疏開了林冠，而闊葉幼樹的樹冠較小，這可能加劇了雨水對土壤的沖刷作用，使土壤中的營養(yǎng)成分流失，從而引起2017年的土壤有機質和養(yǎng)分降低。此后隨著用于林分改造的鄉(xiāng)土闊葉樹種和林下植物的蓬勃生長，其枯枝落葉逐漸積累于地表并通過微生物的分解形成較厚的腐殖質層，且相比于纖維素與半纖維素含量較高的杉木凋落物，鄉(xiāng)土闊葉樹種的凋落物中礦物質和其他元素含量更高，也更易分解[36]。此外，根系的生長發(fā)育使其在土壤中的穿插作用增強，有利于增加土壤孔隙度和通透性從而改善土壤條件，根系分泌物的增加有利于土壤肥力的改善[37]。同時改造后林下植被增加，減少了南方的豐富降水導致的水土和速效養(yǎng)分流失，以上原因都可能引起2018年的土壤有機質和養(yǎng)分含量提高。

本研究中土壤全鉀時間變化趨勢與有機質不同，2018年的全鉀含量最低。土壤全鉀含量主要受成土母質的影響[38]，而受林分改造的影響不大。鉀素在土壤中的移動性較強，易受雨水淋溶的影響。位于華南地區(qū)的研究地點雨量充沛，表層土壤的鉀素會逐漸隨雨水淋失到深層土壤[37]。且雨水對NO3-的淋溶作用使土壤表層的K+作為NO3-的電荷平衡離子從土壤中流失。另外，林分疏伐后，微生物活性和土壤礦化作用加強，植物生長旺季，從土壤中吸收大量的養(yǎng)分[34]，這都可能導致2018年土壤中鉀含量的降低。

研究表明南方土壤普遍較為缺磷[39]，本研究中全磷的含量均低于0.5 g·kg-1，有效磷含量均低于3 mg·kg-1。有效磷含量在2016 和2017年差異不顯著可能是因為在2016年林分改造前，凋落物的種類單一且較難分解，歸還到土壤中的有效磷較少。2017年雖然凋落物的質量和數(shù)量得到提高，但土壤pH 下降，在強酸性的土壤中，大量的磷酸根受到游離氧化鐵的影響而轉化為閉蓄態(tài)磷，或與土壤中的Al3+、Fe3+等金屬陽離子形成螯合物而沉淀，大大降低了磷的有效性[40]，形成大量難溶的礦質形態(tài)的磷。在2018年土壤有效磷的含量顯著增加，這可能是由于土壤pH 增加，減少了被Al3+、Fe3+固定的磷，提高了有效磷含量。且林分改造通過增加根系分泌物和增強凋落物分解能力，促進了土壤中有機酸的釋放，從而釋放了土壤中的難溶性磷[22]。此外，由于微生物的活動，分泌磷酸酶催化土壤有機質或動植物殘體中的磷水解成有效磷[41]。 2018年土壤有效磷含量的大幅度增加還可能與人為活動干擾等因素有關。有研究表明，淺層土壤的穩(wěn)定性較弱，受人類經(jīng)營活動的影響后容易引起水土流失[42]，而土壤有效養(yǎng)分對人為干擾最為敏感，并受植物草地分布、地形地貌、降水強度、耕作方式等多重因素的影響[43]。