不同年齡階段陳山紅心杉人工林土壤理化性質(zhì)

馬天舒，丁偉林，肖復(fù)明，黃雅奇，朱新傳，劉志云，鄧湘雯，4，5

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.安?？h陳山林場，江西 吉安 343200；3.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032;4.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410004;5.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南 會同 438107）

土壤機械組成是反映土壤性質(zhì)的關(guān)鍵因素[1-2]，影響土壤侵蝕、水熱交換過程，是水文、生態(tài)環(huán)境評價模型中的重要參數(shù)[3-4]。

植物生長發(fā)育所需的養(yǎng)分元素主要來自于土壤。土壤養(yǎng)分不僅受土壤類型、土地利用方式、氣候等因素的影響，而且還受人為（如耕作、施肥）和其他自然因素的影響[5]。植物結(jié)構(gòu)元素C 與限制元素N、P 相互作用調(diào)節(jié)植物生長[6]。微量元素是自然界中廣泛存在的低含量的化學(xué)元素，也是植物生長發(fā)育所必需的[7]，直接影響植物的光合作用、碳水化合物運輸和積累[8-9]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國亞熱帶地區(qū)特有的速生用材樹種，已有上千年的栽培歷史[10-11]，具有生長快、產(chǎn)量高、木材好、干形通直圓滿等特點，在木材及多種林副產(chǎn)品生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護等方面發(fā)揮著重要的作用[12-13]。在長期栽培歷史中，杉木產(chǎn)生了大量的變異品種，陳山紅心杉就是其中之一。陳山紅心杉主產(chǎn)于江西省安?？h陳山林區(qū)，因其近髓心木質(zhì)部有很大比例的栗褐色而得名[14-15]。與其他杉木品種相比，陳山紅心杉具有紅心比例大、氣味芳香、木紋美觀、材性好、生長快、抗蟲、耐腐蝕等特點[16-17]，推廣至其他產(chǎn)地也不變異[18]。隨著社會的發(fā)展，木材消費市場對優(yōu)質(zhì)紅心杉的需求量不斷增加，紅心杉木材市場前景廣闊，其引種、栽培、推廣和管理也受到廣泛重視。目前對于紅心杉的研究大多集中在化學(xué)組成成分[15]、無性嫁接[19]、土壤大量元素[20]、土壤微生物[21]等方面。紅心木材形成機理現(xiàn)階段也在逐步深入研究中，宋坤霖[22]對杉木心邊材轉(zhuǎn)換進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)心邊材細胞壁結(jié)構(gòu)及其力學(xué)化學(xué)性質(zhì)均存在一定的差異；張勰等[23]發(fā)現(xiàn)紅心杉纖維素含量高于普通杉木。目前，鮮有對于土壤元素含量與紅心木材形成機理之間關(guān)系的研究，而對于紅心杉土壤的研究大多集中在大量元素上，但對于土壤機械組成和微量元素的研究較少。

本研究選擇江西陳山不同年齡階段的紅心杉人工林為研究對象，對其土壤機械組成、大量元素和微量元素及相關(guān)性進行分析，提出以下科學(xué)問題：1）不同年齡階段陳山紅心杉人工林不同土層深度土壤機械組成和化學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；2）不同年齡階段陳山紅心杉人工林不同深度土壤化學(xué)元素含量與pH 值和機械組成之間相關(guān)關(guān)系。討論紅心杉與普通杉木土壤元素含量差異，為科學(xué)經(jīng)營和管理陳山紅心杉人工林提供理論依據(jù)，為正確理解和掌握杉木長期演替過程中紅心材形成的土壤環(huán)境提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地概況

研究地選擇江西省安?？h陳山林場（114°00′—114°47′E，27°04′—27°36′N），林場以盛產(chǎn)陳山紅心杉而聞名，位于江西省中部偏西，吉安市西北部。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫17.7℃，7月平均氣溫28.9℃，1月平均氣溫5.9℃，年均降水量1 663 mm，平均降雨天數(shù)約166 d，平均日照時數(shù)1 649 h，年均無霜期279 d[24]。土壤類型以紅壤和黃壤為主。陳山紅心杉林下植物種及其伴生樹種主要有烏柏Sapium sebiferum、油桐Vernicia fordii、毛竹Phyllostachys edulis、南酸棗Choerospondias axillaris等，林場的森林經(jīng)營總面積達5 800 hm2，有林地面積5 266.7 hm2，森林蓄積量4.25×105m3，用材林蓄積量3.48×105m3[24]。本研究選擇的試驗林為立地條件基本相同、連片分布的4 個年齡階段的紅心杉人工林。

2 研究方法

2.1 土壤樣本采集

2017—2018年，在對陳山林場紅心杉人工林資源進行全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇4個不同林齡（9、15、26 和34 a）的紅心杉人工林進行研究。在每個林分中，設(shè)置3 個面積為25 m×25 m 的樣地，在樣地內(nèi)隨機選擇3 棵杉木，每棵樹旁挖一個50 cm 深的土壤剖面，分別按照0～15、15～30、30～45 cm 的深度進行分層取樣，去除肉眼可見的植物殘體和土壤動物，帶回實驗室備用。風(fēng)干過0.25 mm 篩。土壤樣品采集時間為2018年12月。

2.2 土壤pH 值及機械組成測定

土壤pH 值的測定采用pH 計法（電位法），土壤機械組成采用激光粒徑分析儀測定[25]。

2.3 土壤養(yǎng)分測定

土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀水合加熱法；全氮測定采用凱氏定氮法；全磷含量的測定采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法（GB 7852 ─87）；全鉀、全鈣和全鎂含量的測定采用ICP；微量元素含量均使用ICP，微量元素選擇As、Ba、Bi、Cu、Li、Mn、Sn、Sr、Ti 以及Zn。有效Fe 含量采用AlNY/T 890 ─2004 土壤有效態(tài)Fe 的測定二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提法；交換性Al 采用LY/T 1240 ─1999 森林土壤交換性酸度的測定法進行測定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均以“平均值±標準差”的形式表示。并分別以林齡和土壤深度作為因子，進行單因素方差分析，并利用Tukey HSD 法進行顯著性檢驗。此外，還分析了土壤機械組成、養(yǎng)分含量和不同元素比例的相關(guān)性，所有數(shù)據(jù)分析均采用R 3.6.2軟件進行[26]。Tukey HSD 顯著水平為P＜0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤機械組成

不同林齡紅心杉土壤機械組成差異較小，粉粒（0.002～0.05 mm）所占比例最高，超過50%，其次是砂粒（0.05～2 mm），黏粒（＜0.002 mm）所占比例最低（表1）。不同林齡紅心杉人工林土壤機械組成黏粒占比在不同土層深度表現(xiàn)出多樣性。9 a 和15 a 紅心杉人工林表現(xiàn)為0～15 cm＜15～30 cm＜30～45 cm，而26 a 紅心杉人工林為0～15 cm＜30～45 cm＜15～30 cm，34 a紅心杉人工林表現(xiàn)為30～45 cm＜0～15 cm＜15～30 cm。其時間分布整體表現(xiàn)為隨林齡的增加呈現(xiàn)下降趨勢，各個土層之間稍有差異。隨著林齡的增加，黏粒所占比例呈現(xiàn)先降低再升高再降低的起伏變化，可能存在一定的本底值差異。

不同林齡紅心杉人工林土壤細粉粒（0.002～0.018 mm）和中粉粒（0.018～0.034 mm）所占比例在不同土層深度規(guī)律大致為隨著土層的加深而增加。粗粉粒（0.0134～0.05 mm）所占比例在9 a和15 a 的土層中表現(xiàn)出隨著土層的加深而逐漸降低，在26 a 為先下降再稍稍上升，而在34 a 則表現(xiàn)為逐漸上升。不同林齡紅心杉人工林土壤，細粉粒和中粉粒所占比例除了30～45 cm 土層，余下土層均呈現(xiàn)9 a＞26 a＞15 a＞34 a；30～45 cm土層其細粉粒和中粉粒所占比例為9 a＞15 a＞26 a＞34 a。粗粉粒所占比例在0～15 cm 土層，隨著年齡增加先增后降后增；在15～45 cm 土層則表現(xiàn)為隨著年齡增加粗粉粒所占比例增加。整體表現(xiàn)為隨著林齡的增加，細粉粒和中粉粒所占比例先降低后升高再降低，粗粉粒所占比例呈現(xiàn)出先升高再降低趨勢。

表1 不同林齡土壤機械組成?Table 1 Mechanical composition of soil layer at different ages

不同林齡紅心杉人工林土壤機械組成砂粒所占比例除26 a 外，均隨著土層的增加而減少。26 a 表現(xiàn)為隨土層的加深先降低后增加的趨勢。而在時間動態(tài)變化上，0～15 cm 和15～30 cm土層均隨林齡的增加呈現(xiàn)出先增加后降低再增加的趨勢，30～45 cm 土層表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢。

3.2 不同林齡土壤化學(xué)性質(zhì)差異

3.2.1 土壤pH 值

不同林齡土壤pH 值如表2所示。由表2可知，陳山林場不同林齡紅心杉人工林土壤pH 值在4.0～4.8 之間，平均值為4.37，土壤呈強酸性。不同深度的土壤pH 值，除15 a 外，均表現(xiàn)為0～15 cm＞15～30 cm＞30～45 cm，即隨著土壤層的加深，各個年齡階段pH 值均降低。15 a 表現(xiàn)為15～30 cm＞0～15 cm＞30～45 cm，土壤pH 值表層土也高于深層土。不同年齡階段紅心杉人工林土壤pH 值的時間動態(tài)規(guī)律，表現(xiàn)為隨著林分年齡的增加，土壤pH 值呈現(xiàn)降低的趨勢，即紅心杉人工林隨林齡增加其土壤逐漸酸化。

表2 不同林齡土壤pH 值Table 2 pH of soil layer at different ages

3.2.2 土壤大量元素含量差異

土壤中大量元素的含量表現(xiàn)為全C＞全K＞全Mg＞全N＞全Ca＞全P（表3）。不同林齡紅心杉人工林土壤全C 含量均表現(xiàn)為0～15 cm＞15～30 cm＞30～45 cm，即隨著土層的加深，土壤中有機碳含量減少。紅心杉人工林土壤全C含量的時間動態(tài)變化整體呈現(xiàn)上升趨勢，但不同土層稍有差異。在0～15 cm 以及15～30 cm 土層中，全C 含量整體呈現(xiàn)隨著林齡的先增后降又增的趨勢。而在30～45 cm 土層，全C 含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)出先降低后逐漸增加的趨勢。

不同林齡紅心杉人工林土壤全N 含量隨土層變化規(guī)律表現(xiàn)為，除了9 a 外，整體呈現(xiàn)隨土壤土層的加深而降低。9 a 中的全N 含量在15～30 cm土層略大于0～15 cm，0～30 cm 土層大于30～45 cm 土層。隨著紅心杉林齡的增加，土壤全N 含量的時間動態(tài)變化為全N 含量先增加，到中林齡后含量略微降低，到成熟林后上升。0～15 cm 土層中，9 a 的全N 含量顯著小于其余3 個年分（P＜0.05）。

表3 不同林齡土壤層大量元素含量Table 3 Major-elements contents of soil layer at different ages

不同林齡紅心杉人工林的全P 含量在土層分布中表現(xiàn)一定的垂直分布規(guī)律，與土壤C 含量土層深度變化趨勢一致，均表現(xiàn)為0～15 cm＞15～30 cm＞30～45 cm，即隨著土層的加深，全P 含量減少。不同林齡的紅心杉土壤全P 含量的時間變化表現(xiàn)為在9～26 a中，隨著年齡的增加，紅心杉人工林土壤全P 含量均降低，但到34 a 全P 含量上升。

9 a、15 a 和26 a 的紅心杉人工林土壤全K含量在不同土層上均表現(xiàn)為0～15 cm＜15～30 cm＜30～45 cm，即隨著土層的加深，土壤的全K 含量增加。但34 a 紅心杉人工林土壤全K含 量 表 現(xiàn) 為30～45 cm＜0～15 cm＜15～30 cm。對比不同年齡紅心杉人工林土壤全K 含量，其趨勢隨著時間變化先增加后減少再增加。

不同林齡紅心杉人工林的全Ca 含量在9 a 和15 a 隨土層加深逐漸降低，在26 a 隨土層加深先降低后增加，34 a 則表現(xiàn)為先增加后降低。土層分布上變化不顯著，整體呈現(xiàn)為隨著土層的增加含量降低的趨勢，但在26 a 紅心杉人工林中，30～45 cm 土層全Ca 含量略高于15～30 cm，34 a中，15～30 cm 的全Ca 含量略高于0～15 cm。土壤全Ca 含量在時間動態(tài)上的變化呈現(xiàn)先上升后平緩變化的趨勢。不同土層稍有差異，在0～15 cm 土層，土壤全Ca 含量先增后降；15～30 cm土層，土壤全Ca 含量上升；30～45 cm 土層，土壤全Ca 含量呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。

不同林齡紅心杉人工林的全Mg 含量，在不同林齡均表現(xiàn)為隨土層的增加變化趨勢總體上呈現(xiàn)多樣性。9 a 紅心杉人工林全Mg 含量表現(xiàn)為0～15 cm＜15～30 cm＜30～45 cm。15、26 和34 a 紅心杉人工林全Mg 含量表現(xiàn)為0～15 cm＜30～45 cm＜15～30 cm。不同林齡的紅心杉人工林土壤全Mg 含量隨著時間變化總體上呈現(xiàn)為上升的趨勢。在15 a 和26 a，全Mg 含量變化較小。

3.2.3 土壤微量元素含量差異

表4為陳山紅心杉不同林齡土壤層微量元素含量，由于本次檢驗中，僅有一個樣品土壤監(jiān)測出B 含量，因此本文并未討論B 元素含量。陳山紅心杉人工林土壤微量元素平均含量表現(xiàn)為交換性Al＞全Mn＞有效Fe＞全Ba＞全Zn＞全Li＞全Cu＞全Sr＞全Bi＞全Sn＞全As＞全Ti。在9 a 和15 a 的林齡中，交換性Al 隨著土壤的加深，含量逐漸減少；但在26 a 和34 a 林齡中，隨著土層的加深其含量增加。不同林齡中交換性Al 含量表現(xiàn)為15 a＞9 a＞26 a＞34 a。全As 含量隨著土層的加深，含量逐漸降低，不同林齡的土壤全As 含量為34 a＞9 a＞26 a＞15 a。不同林齡陳山紅心杉人工林土壤中全Ba 含量的土層分布規(guī)律不明顯，在不同的林分中規(guī)律不一致，但在時間尺度上隨著林分的增加，其含量逐漸增加。土壤中全Bi 含量在不同土層深度并無顯著差異，在各個林分中，僅15 a 略大于余下林分。全Cu 含量在不同林齡不同土層深度呈現(xiàn)多樣性，但總體差異不顯著。隨著林齡的增加，其含量逐漸下降。有效Fe 含量在各林分各土層中差異較大，在9 a 和15 a 林分中，中層土高于表層土和深層土，而在26 a 和34 a 林分中，隨著土層的加深含量降低。在時間分布上，整體表現(xiàn)為隨林齡的增加有效Fe 含量先增加再減少的趨勢，在15 a 土壤中含量最高。

全Li 含量隨著林齡的增加先增后降，隨著土層的加深在9 a 和15 a 林齡中增加，但在26 a 和34 a 林齡中含量先增后降。全Mn 含量隨著林齡的增加先降后增，在9 a 和15 a 呈現(xiàn)隨土層的加深而增加的趨勢，但在26 a 和34 a，前者先減少后增加后者先增加后減少。全Sn 含量在不同林齡中含量差異不明顯，且在各林分中，表層土含量高于余下土層。土壤中全Sr 含量在不同林齡紅心杉人工林中表現(xiàn)為9 a＞26 a＞34 a＞15 a，不同深度土層分布在9、15 和26 a 出現(xiàn)差異。全Ti 含量隨林齡的增加而增加，隨土層變化無明顯規(guī)律。Zn 含量隨著林齡的增加而增加，但土層分布上規(guī)律呈現(xiàn)多樣性。

3.3 不同林齡土壤大量元素、pH 值以及機械組成相關(guān)性

陳山紅心杉人工林土壤中，全C 與全N、全Ca 含量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Mg、全P 含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與全K 含量相關(guān)性不顯著。全N 含量與全Ca 含量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Mg、全P 和全K 含量相關(guān)關(guān)系不顯著。全P 含量與全Mg 含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全K 和全Ca 無相關(guān)關(guān)系。全K 與全Ca、全Mg 關(guān)系不顯著。全Ca 與全Mg 呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表4 不同林齡土壤層微量元素含量Table 4 Minor-elements contents of soil layer at different ages

表5 土壤大量元素、pH 值、機械組成相關(guān)性分析?Table 5 Correlation coefficient in major-elements,soil pH value and mechanical composition

陳山紅心杉人工林土壤pH 值和大量元素之間的相關(guān)性表明，pH 值與全Mg 呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Ca 呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與全K 呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全C、全N 負相關(guān)性不顯著，與全P 正相關(guān)性不顯著。pH 值以及各個機械成分組成均具有顯著的相關(guān)性。其中，pH 值與黏粒、細粉粒、中粉粒具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與粗粉粒具有極顯著的負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與砂粒具有顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。黏粒與細粉粒、中粉粒均具有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；與粗粉粒、砂粒具有極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。細粉粒與中粉粒呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與粗粉粒、砂粒具有極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。中粉粒則與粗粉粒和砂粒具有極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。粗粉粒和砂粒之間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

土壤機械組成和大量元素之間相關(guān)性結(jié)果表明，黏粒和全C、全N、全P、全Ca 和全Mg 之間呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全K負相關(guān)性關(guān)系不顯著；細粉粒和中粉粒均與全C、全N、全P、全Ca 和全Mg 之間呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全K 負相關(guān)性關(guān)系不顯著；粗粉粒則與全C、全N、全Ca 和全Mg 之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全P 和全K 之間正相關(guān)性關(guān)系不顯著；砂粒與全C、全N、全P、全Ca 和全Mg 之間呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全K 負相關(guān)性關(guān)系不顯著。

3.4 不同林齡土壤微量元素之間相關(guān)性

不同林齡陳山紅心杉土壤微量元素之間的相關(guān)性表明，土壤中交換性Al、全Bi 含量和有效Fe含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與全As、全Mn、全Sn、全Ti 和全Zn 有顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與其他元素相關(guān)性不明顯。土壤中全As 含量與全Ba、全Mn 和全Sr 含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Bi 和全Li 含量呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Sn 和全Ti 含量為顯著正相關(guān)（P＜0.05），與有效Fe 含量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Ba 則與全Bi、全Cu 和全Sr 呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)，而與全Mn、全Ti 和全Zn 呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與全Sn 含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Bi與有效Fe 存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全Mn 和全Sr存在極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Sn 和全Zn 有顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Cu 和全Mn、全Ti 和全Zn 之間有極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與Sr 有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Sn 有顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。有效Fe與全Mn 和全Zn 有顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Li 與全Mn 和全Sr 存在顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Mn 和全Ti、全Zn 之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全Sn為顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與全Sr 為顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Sn 與全Ti 存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。全Sr 與全Ti 和全Zn 有極顯著負相關(guān)關(guān)系，全Ti與全Zn 有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表7 土壤微量元素之間相關(guān)性Table 7 Correlation coefficient in soil minor-elements

4 討 論

4.1 不同林齡及不同土層深度土壤機械組成差異

土壤顆粒的大小，是影響有機物吸附和遷移的主要因素[28]。一般土壤中大徑級顆粒含量越高表明土壤穩(wěn)定性越強。

陳山紅心杉土壤機械組成粉粒＞砂粒＞黏粒，粉粒含量粗粉粒＞細粉粒＞中粉粒。土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土，此土壤為較為理想的農(nóng)林業(yè)用土。不同林齡紅心杉土壤機械組成的垂直分布表現(xiàn)為林分生長前期隨著土層的增加黏粒增加砂粒減少，此土壤質(zhì)地對于土壤的水、肥、氣、熱等具有較強的調(diào)節(jié)能力，利于植物的生長。而在紅心杉生長后期，中層土表現(xiàn)為小顆粒而表層土和深層土顆粒較大。隨著林齡的增加，土壤中小徑級黏粒所占比例逐漸降低而砂粒所占比例逐漸升高，可能由于空氣中的粉塵和顆粒物逐漸沉積在土壤表面，同時大量的凋落物沉積在土壤表面，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生改變[29]，也有可能由于樣地土壤之間本底值存在一定差異，因此建議結(jié)合生態(tài)定位研究進行完善。

4.2 不同林齡及不同土層深度pH 值和土壤大量元素含量差異

盡管土壤pH 值不能直接反映土壤養(yǎng)分含量，但其數(shù)值大小可以影響土壤微生物區(qū)系的變化，從而控制大多數(shù)養(yǎng)分元素的形態(tài)、轉(zhuǎn)化方向、有效性以及植物生長環(huán)境[30-31]。土壤pH 值在垂直分布上規(guī)律并不明顯，但在時間尺度上有一定的規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)，江西陳山紅心杉人工林土壤呈現(xiàn)強酸性，且隨著林齡的增加，土壤酸性增強。但到26 a 杉木林，趨于平緩。這與湖南會同和福建下沙對于杉木人工林土壤pH 值隨林齡變化結(jié)果一致[5,32]。一些研究表明，純針葉樹種造林會引起土壤酸化[33]。但26 a 左右土壤pH 值出現(xiàn)平緩，這一現(xiàn)象還需要進一步研究。

土壤碳、氮、磷是植物生長發(fā)育和物質(zhì)循環(huán)的重要化學(xué)元素。它們的含量和分布影響植物的生長發(fā)育[34]。我們的研究結(jié)果表明，土壤中全C、全N、全P 含量表層土高，且隨著土層的加深其含量減少，但全P 變化量不大，這與王海倫等人在湖南會同研究杉木土壤中C、N、P 含量結(jié)果相似[5]。土壤中的C、N 含量主要可能來源于表層凋落物、大氣氮沉降以及根系和微生物的活動等。表層土由于空氣通氣較好，微生物分解凋落物和根系后元素積累在土壤表層；隨著土層加深，微生物活動減弱，因此土壤C、N 呈現(xiàn)下降趨勢[35-36]。土壤中的全P 來源于母巖風(fēng)化釋放，一般在森林中較少甚至不施磷肥，亞熱帶森林長期處于缺磷的環(huán)境中[37-38]。對比全國土壤全P 含量為0.56 g·kg-1[39-40]，陳山紅心杉土壤中含全P 含量為0.28 g·kg-1，明顯低于全國水平。對比全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，陳山紅心杉土壤全P 含量屬于第五級，即土壤中缺P。陳山紅心杉人工林土壤中全K、全Ca 以及全Mg 含量并未表現(xiàn)出顯著的土層分布差異，由于土壤中K 元素含量來源于大氣沉降以及礦物風(fēng)化；Ca 和Mg 元素主要來源于原生礦物質(zhì)（如橄欖石、角閃石等）的風(fēng)化以及植物殘體的分解等[5]。由于母巖分化是穩(wěn)定漫長的，因此土壤中全K、全Ca 以和全Mg 含量隨土層深度變化不顯著[32]。

在時間尺度上，大量元素的變化規(guī)律存在一定的差異。隨著林齡的增加其積累量增加，土壤有機碳的積累逐漸增加，這與之前的研究結(jié)果一致[41]。土壤中吸收的有機碳含量主要來源于凋落物以及植物分泌物。由于隨著林分年齡的增加，其林下植被豐富度提升，土壤有機碳的含量上升[42]。土壤全N含量表現(xiàn)為隨林齡的增加先上升后減小，表明紅心杉幼林齡（9 a）和中林齡（15 a）由于生長迅速，對于N 含量需求大，但并無積累效應(yīng)[33]。全P 含量表現(xiàn)為，在26 a 前呈現(xiàn)整體降低的趨勢；但到34 a 有所上升。這與胡麗亞[42]在江西大崗山林區(qū)對于杉木土壤養(yǎng)分研究結(jié)果一致，表明紅心杉在消耗P 的同時，林分不能大幅度補充P 元素和提高P 元素含量，生長期干材消耗略大于補充。生長后期各地區(qū)變化趨勢不同，基本達到消耗與補充動態(tài)平衡。陳山紅心杉土壤全K 隨林齡的增加先增后降再增，在不同生長階段呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，表明紅心杉杉人工林在消耗K 元素的同時，也能及時有效地補充該元素[42]。全Ca、全Mg 隨林齡的增加整體呈現(xiàn)上升的趨勢，這與杉木人工林所得出的土壤中全Ca、全Mg 結(jié)論相反，具體的原因還需要結(jié)合紅心杉吸收元素情況進行進一步研究。

4.3 不同林齡土壤微量元素含量差異

植物主要吸收土壤中的Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl 和Ni 作為其生長必須的微量元素[43]。鐵是葉綠素合成的必需元素，錳是多種酶的活化劑[23]。土壤中Hg、Cd、Pb、Cr、As 和Ni 則是土壤中的重金屬污染元素[5]。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB15618-1995，陳山紅心杉人工林土壤重金屬含量均未超標。與福壽林場杉木人工林微量土壤元素相比，陳山紅心杉人工林Mn 元素、Cu 元素、Zn 含量較低[44]。各微量元素在相同林分中不同深度的垂直分布差異大多不顯著，且變化并無一定規(guī)律。隨著林齡的增加，含量變化規(guī)律不一致。表明不同年齡階段對于不同微量元素的吸收和利用效率存在一定的差異。

土壤中的Fe 可分為Fe+2和Fe+3，F(xiàn)e+2為有效態(tài)[42]。土壤中有效Fe 含量在不同林齡和不同土層之間變化較大，但總體含量在微量元素中較高（308.16 mg·kg-1）。在隨著林齡的增加，土壤中有效Fe 含量先增后降，表明在紅心杉生長前期對于Fe 元素的吸收較多[23]。陳山紅心杉土壤全Fe含量平均為12.93 g·kg-1，高于全國土壤中Fe 的平均含量（710 mg·kg-1），但比江西大崗山杉木人工林總Fe 含量低[42]。盡管不同地域、不同坡度存在土壤空間異質(zhì)性，但未來對于揭示紅心木材形成的機理，土壤Fe 元素含量值得進行深入研究。

4.4 局限與展望

本研究僅采取了一個地區(qū)內(nèi)的紅心杉人工林土壤進行實驗，因此本研究的土壤元素分布規(guī)律能否代表全國各地紅心杉土壤規(guī)律還有待進一步的研究，未來需要結(jié)合不同地區(qū)紅心杉土壤指標數(shù)據(jù)探究不同林齡紅心杉土壤養(yǎng)分以及機械組成規(guī)律。本研究對于紅心材機理研究只考慮了土壤的理化性質(zhì)，未來可以結(jié)合植物本身生物學(xué)特性指標以及土壤理化性質(zhì)進一步探討紅心材形成機理，為我國紅心杉人工林經(jīng)營種植與紅心木材的培育提供生理學(xué)理論支持。

5 結(jié) 論

不同林齡陳山紅心杉土壤均為酸性，質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。陳山紅心杉土壤隨著林齡的增加其土壤逐漸酸化，土壤中有機碳含量逐漸上升，全N 則隨著林齡的增加先上升后降低，全Ca 和全Mg 含量逐漸增加，全P 含量逐漸降低，微量元素含量隨林齡增加變化趨勢呈現(xiàn)多樣性。中國南方亞熱帶土壤常表現(xiàn)出一定的土壤P 限制，因此在未來的紅心杉人工林可持續(xù)經(jīng)營模式中，需要添加一定的P 元素，來緩解紅心杉生長的土壤P 限制因素。與普通杉木相比，需要更加關(guān)注紅心杉人工林土壤Fe 元素含量，未來可以對比紅心杉與普通杉木不同器官對于養(yǎng)分積累與土壤之間元素相關(guān)性的差異，探討紅心杉紅心材的形成機理。