粵北地區(qū)杉木林與闊葉純林土壤肥力特征1)

鄧厚銀胡德活晏姝鄭會(huì)全王潤(rùn)輝韋如萍曾宏 梁機(jī) 曾祥橐

(廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣東省林業(yè)科學(xué)研究院)，廣州，510520) (廣西大學(xué)) (韶關(guān)市國(guó)有曲江林場(chǎng))

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是物質(zhì)循環(huán)、能量循環(huán)和水分循環(huán)的載體[1]。土壤肥力是森林生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)，為植物長(zhǎng)期提供水分和養(yǎng)分[2-3]，直接影響著森林的健康生長(zhǎng)和分布狀況[4]。森林土壤肥力狀況，與樹(shù)種組成[5]、林分密度[6]、氣候條件[7]、人為干擾[8]等因子緊密相關(guān)，相反，亦可通過(guò)林分生長(zhǎng)狀況反映土壤肥力高低；另外，不同林分類型的植被凋落物性質(zhì)及其組成不同，會(huì)對(duì)林下土壤肥力的積累產(chǎn)生一定的影響[9]。近年來(lái)，隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)主題的深入，生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護(hù)成為各行各業(yè)發(fā)展必不可少的重要環(huán)節(jié)，為了更好地實(shí)現(xiàn)森林健康、可持續(xù)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視土壤與植被之間關(guān)系的研究。本研究以粵北不同林分類型林下土壤為研究對(duì)象，采用主成分分析法對(duì)不同林型土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探討不同林型與土壤肥力間的關(guān)系以及不同林型土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，旨在為該區(qū)域樹(shù)種選擇、林分配置提供參考依據(jù)，不斷提高森林生態(tài)效益，對(duì)該區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省韶關(guān)市(23°53′～25°31′N、112°53′～114°45′E)國(guó)有韶關(guān)林場(chǎng)、曲江區(qū)國(guó)營(yíng)小坑林場(chǎng)和國(guó)營(yíng)曲江林場(chǎng)，全市土地面積18218.06 km2，海拔100～200 m，屬中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，紅色巖系構(gòu)成的丘陵、臺(tái)地分布較廣，特征顯著；土層深厚；年平均氣溫21 ℃，年平均雨量1 700 mm，無(wú)霜期310 d，年平均日照時(shí)間1 800 h，年平均積溫為7 800 ℃，光、熱、水資源豐富。該區(qū)是廣東省用材林、水源林和重點(diǎn)毛竹基地，被譽(yù)為華南生物基因庫(kù)和珠江三角洲的生態(tài)屏障[10]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2017年10月，在韶關(guān)林場(chǎng)、小坑林場(chǎng)、曲江林場(chǎng)選擇杉木(Cunninghamialanceolata)、木荷(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)、樂(lè)昌含笑(Micheliachapensis)、火力楠(Micheliamacclurei)、香樟(Cinnamomumcamphora)、米老排(Mytilarialaosensis)7種純林，其所在地段海拔高度相近，土壤母質(zhì)和土地利用歷史相同，林齡均為15 a。每種林分設(shè)3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定樹(shù)高、胸徑、郁閉度，同時(shí)調(diào)查和記錄標(biāo)準(zhǔn)地的海拔、坡度、坡位等環(huán)境因子(表1)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地按對(duì)角線法設(shè)置3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)按0～20 cm土層采集1個(gè)環(huán)刀用于土壤物理性質(zhì)測(cè)定，同時(shí)均勻采集3個(gè)采樣點(diǎn)混合土樣1份，帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。

表1 粵北地區(qū)不同林分類型林地概況

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標(biāo)的測(cè)定參考LY/T 1215—1999《森林土壤水-物理性質(zhì)的測(cè)定》。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用硫酸重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，土壤pH用電位法測(cè)定，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用半微量凱氏法測(cè)定，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測(cè)定，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用擴(kuò)散洗手法測(cè)定，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[11]。

2.3 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

選用0～20 cm土層土壤理化指標(biāo)，利用主成分分析法對(duì)不同純林土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

主成分分析(PCA)的綜合評(píng)價(jià)模型[12]為：

式中：F為綜合評(píng)價(jià)值；λi為第i個(gè)主成分特征值；fi為第i個(gè)主成分得分值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

分析軟件為SPSS 19.0、Excel 2010，采用方差分析、Duncan’s多重比較(α=0.05)比較不同林分類型的土壤理化性質(zhì)差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

不同林分類型的土壤物理性質(zhì)見(jiàn)表2。不同林分類型的土壤密度為1.16～1.37 g·cm-3，無(wú)顯著差異?？偪紫抖?、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別為38.55%～49.29%、34.69%～44.36%和3.85%～4.93%，各林分間土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均是火力楠林最大，木荷林最小，值得注意的是，杉木林的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度較大，均排名第3。土壤自然含水量為210.32～289.01 g·kg-1，樂(lè)昌含笑林最大，杉木林最小，最大值比最小值高37.41%，兩者達(dá)顯著差異(P<0.05)。最大持水量、毛管持水量和田間持水量的變化范圍分別為385.50～492.94、346.57～443.64、289.12～369.70 t·hm-2，各林分間最大持水量、毛管持水量、田間持水量均是火力楠林最大，木荷林最小，且最大持水量、毛管持水量、田間持水量在火力楠林和木荷林間達(dá)顯著差異(P<0.05)。

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

由表3可知，全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7種林分類型之間無(wú)顯著差異。土壤pH為4.28～4.78，呈強(qiáng)酸性。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.07～32.91 g·kg-1，杉木林最大，香樟林最小，二者相差2.7倍。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.73～1.34 g·kg-1，紅錐林全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于香樟林。堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍較大，為49.84～118.67 mg·kg-1，紅錐林最高，香樟林最低，最高值比最低值高138%，兩者達(dá)顯著差異(P<0.05)。有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍較小，為0.17～0.95 mg·kg-1。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.78～42.14 mg·kg-1，杉木林最大，香樟林最低。

表2 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤物理性質(zhì)

表3 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤化學(xué)性質(zhì)

3.3 不同林分類型的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

對(duì)杉木林和6種闊葉樹(shù)純林的16個(gè)土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并根據(jù)特征值大于1的原則，提取了3個(gè)主成分(表4)。

表4 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤肥力主成分分析結(jié)果

前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)93.509%，表明其能夠較好地反映不同林分類型的變異信息。第1主成分在總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、pH上有較大的載荷；第2主成分在有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀上有較大的載荷；第3主成分在全磷上有較大的載荷。

根據(jù)主成分分析法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，火力楠林綜合評(píng)價(jià)得分最高，排名2、3的依次為樂(lè)昌含笑林、杉木林，排名最后的是木荷林。

表5 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

4 討論

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)，既能表征土壤為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分、水分、熱量和空氣的能力，又是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合體[13]。本研究結(jié)果表明，不同林分類型對(duì)土壤肥力存在顯著影響。7種人工林林下土壤肥力由大到小排序?yàn)椋夯鹆﹂?、?lè)昌含笑林、杉木林、紅錐林、香樟林、米老排林、木荷林。杉木土壤肥力大小僅次于火力楠林、樂(lè)昌含笑林，土壤肥力條件較好；紅錐林土壤肥力較香樟林、米老排林和木荷林理想；木荷林土壤肥力表現(xiàn)較差。

土壤孔隙狀況直接影響土壤水氣協(xié)調(diào)、根系穿插的難易以及土壤水肥的有效性[14]。土壤孔隙度越大，通氣性也就越好，相應(yīng)的土壤入滲能力、持水能力也更強(qiáng)[15]。不同林分類型由于凋落物儲(chǔ)量、構(gòu)成及分解速率的大小、林下根系狀況以及土壤動(dòng)物、微生物的種類和活動(dòng)強(qiáng)弱等因素均存在一定差異，進(jìn)而造成不同林分土壤物理性質(zhì)的不同[16-17]。陳文靜等[18]研究表明不同人工林間土壤養(yǎng)分的差異性與不同樹(shù)種的凋落物、細(xì)根、土壤密度及涵水能力差異化有關(guān)。李曉萍[19]研究發(fā)現(xiàn)樂(lè)昌含笑的根系分泌物、土壤動(dòng)物和微生物所分泌的酶，促進(jìn)主要植物和其他植被根系的生長(zhǎng)，改善土壤物理性質(zhì)，使得土壤團(tuán)聚體較多，孔隙度增大，提高了土壤持水能力。謝騰芳等[20]對(duì)火力楠和紅包木(Rhodoleiachampionii)幼林的土壤肥力研究也有類似結(jié)果。在本研究中，火力楠林和樂(lè)昌含笑林土壤孔隙度較大，杉木林僅次于前兩者，木荷林最小，土壤孔隙度在火力楠林和木荷林間達(dá)差異顯著(P<0.05)，表明在研究區(qū)中，前3種林分對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良效果更好。但與黃香蘭等[21]對(duì)華南地區(qū)木荷、濕地松(Pinuselliottii)和尾葉桉(Eucalyptusurophylla)林的土壤特性研究不同的是火力楠土壤保水性和通氣性卻是最高的，原因可能是與試驗(yàn)地所處的位置有關(guān)。孫浩等[22]的研究結(jié)果表明，杉木林林下土壤水源涵養(yǎng)能力低于闊葉林，但本研究顯示杉木林土壤層持水能力相對(duì)較高，原因可能是研究區(qū)中的杉木林下植被密集的根系及土壤動(dòng)物、微生物活動(dòng)等影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響土壤層蓄水狀況，已有其他研究表明，植物可通過(guò)改變根系物理環(huán)境、凋落物的輸入以及水分和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的調(diào)節(jié)方式影響著土壤結(jié)構(gòu)[23]。

土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小表征土壤肥沃程度，是土壤中各營(yíng)養(yǎng)元素特別是N、P的重要來(lái)源。有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于植物凋落物的分解[24]。本研究得出杉木林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，香樟林最低，紅錐林僅次于杉木林，與馮嘉儀等[25]的研究結(jié)果基本一致，其研究結(jié)果表明，杉木林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅次于闊葉混交林，比相思(Acaciaspp.)林、桉樹(shù)(Eucalyptusurophylla)林以及馬尾松(Pinusmassoniana)林的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都高。崔莉娜等[26]對(duì)不同林齡杉木人工林菌根侵染特征的研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌與杉木的相互作用能有效調(diào)控根際土的養(yǎng)分動(dòng)力學(xué)特征，減緩?fù)寥浪峄斐傻酿B(yǎng)分流失。而黃志宏等[27]對(duì)廣東南嶺不同林分類型土壤養(yǎng)分狀況比較分析中發(fā)現(xiàn)，杉木林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于常綠闊葉林，但本研究中杉木林為中等偏上水平，原因可能是杉木林下豐富的灌草叢促進(jìn)植被和土壤間聯(lián)系，進(jìn)而影響土壤肥力，此外，林下植被的更新演替促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，因此，杉木林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。但馮嘉儀等[25]的研究結(jié)果在一定程度上支持了本研究結(jié)果，可能與研究地所處的具體位置以及闊葉樹(shù)種類型有關(guān)。土壤pH是土壤肥力關(guān)鍵指標(biāo)之一，研究發(fā)現(xiàn)pH值的大小會(huì)影響土壤養(yǎng)分的有效性，從而直接影響著植物生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動(dòng)[28]。本研究結(jié)果表明，7種純林的土壤均為強(qiáng)酸性，這與薛立等[29]的研究結(jié)果一致。

土壤中的氮磷鉀等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量及其有效性不但影響著土壤的理化性質(zhì)，同時(shí)與植物生長(zhǎng)緊密相關(guān)[30]。研究發(fā)現(xiàn)土壤氮元素是林木生長(zhǎng)發(fā)育的限制因子之一[31]，其主要來(lái)源于有機(jī)態(tài)氮礦化作用釋放無(wú)機(jī)氮、干沉淀及降雨。植物吸收氮元素除了來(lái)自土壤氮外，生物固氮作用也是一種重要的途徑。Xiao et al.[32]探討了亞熱帶不同森林類型對(duì)土壤表層和深層溶解有機(jī)碳和氮的影響，結(jié)果表明天然林和毛竹林(Phyllostachyspubescens)下溶解性有機(jī)碳和溶解性有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于吊皮錐(Castanopsiskawakamii)和杉木，更有利于提高土壤肥力。一般認(rèn)為土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(N)<0.75 g·kg-1為低水平，0.75≤N<1.50 g·kg-1為中等水平，N≥1.50 g·kg-1為高水平[33]。但本研究發(fā)現(xiàn)7種人工林中，除香樟林土壤全氮處于低水平外，其余林分土壤全氮均處于中等水平。值得注意的是，杉木林土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在所有林分中最高(111.33 mg·kg-1)，但本研究中所有林分的土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于同一氣候帶的土壤[34]，這可能與區(qū)域性有關(guān)。植物所獲取的磷都是通過(guò)根系從土壤中吸收的，因此土壤中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及主要存在形式對(duì)植物的影響甚大[35]。已有其他研究表明，磷是限制植物生長(zhǎng)的重要因素之一[36]。本研究中有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于3 mg·kg-1，整體均處于很低水平，因此有效磷是土壤肥力的限制性因子之一，這與前人研究結(jié)果[27]一致。

對(duì)粵北地區(qū)杉木林與闊葉純林土壤肥力比較分析，不同林型間土壤肥力的差異顯著，結(jié)果顯示火力楠林和樂(lè)昌含笑林土壤肥力較高，杉木林僅次于前兩者，因此可在該區(qū)制定合理的生態(tài)管理措施，如針對(duì)不同林分類型施不同配比有機(jī)肥，進(jìn)一步提高林分的生產(chǎn)力。同時(shí)，杉木作為該區(qū)重要的林木經(jīng)濟(jì)來(lái)源，且其土壤理化性質(zhì)良好，因此在林業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，可加強(qiáng)對(duì)杉木林科學(xué)管理，達(dá)到生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步提高。