中國(guó)馬尾松林土壤肥力特征

簡(jiǎn)尊吉, 倪妍妍, 徐 瑾, 雷 蕾,2, 曾立雄,2, 肖文發(fā),2,*

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

土壤肥力是土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的綜合作用和反映,是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征,是衡量土壤質(zhì)量的有效手段,也是林地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[1- 2]。土壤肥力高低顯著影響植被生長(zhǎng)和分布、群落組成和結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力水平,反過來植被的生長(zhǎng)及分布等會(huì)影響土壤養(yǎng)分的分布及循環(huán)[3- 5]。土壤肥力主要體現(xiàn)在土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等指標(biāo),以及影響這些養(yǎng)分指標(biāo)的土壤變量(如pH)[1]。目前,客觀評(píng)價(jià)土壤綜合肥力狀況主要采用相關(guān)分析法[6]、灰色關(guān)聯(lián)度法[7]、主成分法[8-9]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[10-12]等。不同評(píng)價(jià)方法采用的數(shù)學(xué)方法、評(píng)價(jià)側(cè)重點(diǎn)和指標(biāo)選取不同,其表征的平均結(jié)果反映的意義也有所不同[6]。其中,內(nèi)梅羅指數(shù)法主要考慮的是指標(biāo)最小值對(duì)土壤肥力的限制性,反映了植物生長(zhǎng)最小因子定律,能更好地指導(dǎo)土壤的改良和利用[1]。另外,參照全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以將土壤養(yǎng)分含量分為不同等級(jí),從而直觀地分析土壤養(yǎng)分概況[10-13]。因此,兩者結(jié)合對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià),能夠更好地反映土壤肥力狀況,有利于森林土壤養(yǎng)分的科學(xué)經(jīng)營(yíng)和管理[2,6]。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國(guó)重要用材樹種和亞熱帶地區(qū)荒坡造林的主要先鋒樹種之一,其面積約為0.08億hm2,占我國(guó)森林總面積(2.2億hm2)的3.6%[14],同時(shí)在保持水土、涵養(yǎng)水源、維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面發(fā)揮巨大作用。然而,我國(guó)馬尾松林的凈初級(jí)生產(chǎn)力僅為5.65 t hm-2a-1[15],如何維持或提高生產(chǎn)力是馬尾松林管理面臨的主要挑戰(zhàn)。土壤肥力顯著影響馬尾松林生物量和生產(chǎn)力[15],但目前關(guān)于馬尾松林(尤其是人工林)土壤肥力特征及其與經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的關(guān)系等現(xiàn)有的研究結(jié)論各有不同[6- 7,16- 19]。研究結(jié)論的不同,主要源于林分尺度的研究,以及林分起源、林分組成和結(jié)構(gòu)特征的差異,特別是林分組成、林下植被種類、凋落物、根分泌物、林木選擇性吸收和元素歸還速率等的差異會(huì)導(dǎo)致林分土壤養(yǎng)分貯量及有效性不同[16,20]。但是,在馬尾松樹種的分布區(qū)尺度,即便是過去傳統(tǒng)的南帶、中等、北帶[21]這一“帶”的尺度上,關(guān)于馬尾松林下土壤肥力總體特征的系統(tǒng)調(diào)查研究報(bào)道很少；在馬尾松樹種分布區(qū)尺度看馬尾松人工林與天然林及純林與混交林間肥力差異的研究也鮮見報(bào)道。這就難以科學(xué)綜合評(píng)估我國(guó)馬尾松林的生產(chǎn)力及其限制因素和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。因?在樹種分布區(qū)尺度對(duì)我國(guó)馬尾松林的總體土壤肥力特征及其與林分特征的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究通過對(duì)我國(guó)馬尾松分布區(qū)不同土層土壤pH和養(yǎng)分含量的調(diào)查和測(cè)定,以全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),在樹種分布尺度,分析馬尾松林單個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的豐瘠水平；根據(jù)內(nèi)梅羅肥力指數(shù),評(píng)估土壤綜合肥力狀況；同時(shí)分析人工林與天然林、純林與混交林間土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)的差異,旨在揭示馬尾松林的總體土壤肥力狀況,為探索我國(guó)馬尾松林生產(chǎn)力的形成、維持與提高的路徑提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

馬尾松分布區(qū)域主要位于秦嶺—淮河以南、四川盆地以東、雷州半島以北[21],地理范圍為21.85°N—33.50°N,102.00°E—122.00°E,海拔1500 m以下,包括我國(guó)南方地區(qū)的14個(gè)省市自治區(qū),即廣西、江西、湖北、湖南、貴州、福建、重慶、浙江、廣東、四川、安徽、陜西、河南、江蘇。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),受來自太平洋東南季風(fēng)和印度洋西南季風(fēng)的影響,1980—2012年間的年平均氣溫8.9—27.5℃,年平均降水量755—2500 mm,雨熱同期,但降水季節(jié)分配不均,夏季降水多。該區(qū)域地帶性植被在20世紀(jì)中葉大都遭到人為破壞,現(xiàn)存植被以次生常綠闊葉—落葉混交林或人工純林及混交林為主,其中,馬尾松天然林面積552.38萬hm2,主要為次生萌發(fā)或飛籽成林的混交林；馬尾松人工林面積251.38萬hm2,多為人工栽植或飛播而形成的純林[14]。根據(jù)中國(guó)土壤分類系統(tǒng),該區(qū)域馬尾松林下常見土壤類型是紅壤和黃壤[21]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),1990年前涉及馬尾松林下土壤養(yǎng)分指標(biāo)的文獻(xiàn)較少,相關(guān)數(shù)據(jù)(如地理位置、林分、土壤等信息)不完整。因此,本研究?jī)H利用1990—2019年已出版的馬尾松林下0—40 cm土壤數(shù)據(jù)建立文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫,土壤指標(biāo)包括：有機(jī)碳或有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值。測(cè)定方法是：有機(jī)碳或有機(jī)質(zhì)由重鉻酸鉀法測(cè)定,全氮和堿解氮分別由凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定,全磷和有效磷分別由堿溶和雙酸浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀和速效鉀分別由堿溶和乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定,pH值1∶2.5(V∶V)的水浸—電位法測(cè)定。通過中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(http://www.cnki.net/)和ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫(http://apps.webofknowledge.com)分別對(duì)1990—2019年的中文和英文文獻(xiàn)進(jìn)行檢索,檢索關(guān)鍵詞為“馬尾松(Pinusmassoniana)”和“土壤碳/氮/磷/鉀(soil carbon/nitrogen/phosphorus/potassium)”。采用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行文獻(xiàn)篩選：(1)馬尾松年齡(主要是人工林)在5年以上；(2)林下土壤未受施肥、火燒和其他污染的影響,如果有類似試驗(yàn),僅對(duì)照樣地的數(shù)據(jù)被引用；(3)文獻(xiàn)至少包括2個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)；(4)有具體的樣地位置或地理坐標(biāo)。對(duì)于每一篇文獻(xiàn),收集樣地的地理位置(緯度、經(jīng)度和海拔)、林分特征(起源、結(jié)構(gòu)和年齡)、土壤類型、土壤pH和養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)。當(dāng)僅有土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)以土壤有機(jī)碳×1.724進(jìn)行估算。所有的數(shù)據(jù)主要從表格或文本中收集,當(dāng)所需的數(shù)據(jù)在圖中時(shí),利用GetData軟件(http://getdata-graph-difitizer.com)進(jìn)行提取。因此,文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫包括210篇文章中498個(gè)調(diào)查樣地。

1.2.2調(diào)查數(shù)據(jù)

(1)歷史調(diào)查數(shù)據(jù) 利用全國(guó)森林土壤調(diào)查數(shù)據(jù)中與馬尾松有關(guān)的0—40 cm土壤數(shù)據(jù)建立歷史數(shù)據(jù)庫,土壤指標(biāo)包括：有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和pH值。測(cè)定方法是：有機(jī)質(zhì)含量由重鉻酸鉀法測(cè)定,全氮由凱氏定氮法測(cè)定,全磷和全鉀由硝酸+高氯酸+氫氟酸混合溶液消解—等離子發(fā)射光譜儀(IRIS Intrepid Ⅱ XSP, Thermo Fisher Scientific, USA)測(cè)定,pH值由1∶2.5(體積分?jǐn)?shù))的水浸—電位法(HI2221, Hanna, Italy)測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)以土壤有機(jī)碳×1.724進(jìn)行估算。歷史數(shù)據(jù)庫包括134個(gè)調(diào)查樣地,樣地大小為100 m2或400 m2。調(diào)查時(shí)間為2012年1月—2018年4月。

(2)當(dāng)前調(diào)查數(shù)據(jù) 利用區(qū)域馬尾松林調(diào)查數(shù)據(jù)中0—40 cm土壤數(shù)據(jù)建立當(dāng)前數(shù)據(jù)庫,土壤指標(biāo)包括：有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH值。測(cè)定方法是：有機(jī)碳和全氮含量采用干燒法—元素分析儀(Euro EA, Hekatech Gabh, Germany)測(cè)定,全磷和全鉀含量采用硝酸+高氯酸+氫氟酸混合溶液消解—等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定,速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,有效磷含量采用雙酸浸提—連續(xù)流動(dòng)分析儀(Analytical AA3 Auto Analyzer, SEAL, Germany)測(cè)定,速效鉀含量采用乙酸銨浸提—等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定,pH值由1∶2.5(V∶V)的水浸—電位法測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)以土壤有機(jī)碳×1.724進(jìn)行估算。當(dāng)前數(shù)據(jù)庫包括131個(gè)調(diào)查樣地,樣地大小為600 m2。調(diào)查時(shí)間為2018年8月—2019年5月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1土壤養(yǎng)分含量豐瘠水平

結(jié)合全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1,10-13]對(duì)馬尾松林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值進(jìn)行單一指標(biāo)豐瘠水平評(píng)價(jià)。該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤養(yǎng)分含量分為6個(gè)水平：豐富、較豐富、中等、較缺、缺和極缺,其已在土壤養(yǎng)分含量豐瘠水平評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用[10- 12]。

1.3.2內(nèi)梅羅肥力指數(shù)

采用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法[1]對(duì)馬尾松林土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),此方法已在土壤肥力評(píng)價(jià)的研究中被廣泛應(yīng)用[1,6,10- 12]。土壤肥力綜合評(píng)價(jià)應(yīng)盡量多地考慮與肥力有關(guān)的土壤指標(biāo)[1],參考其他研究結(jié)果[10- 12],本研究選擇指標(biāo)包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀。為了便于比較分析,僅包含這8個(gè)土壤指標(biāo)的研究樣地被應(yīng)用于內(nèi)梅羅肥力指數(shù)計(jì)算。為了消除土壤指標(biāo)量綱和單位的影響,本研究根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1,10- 13]劃定了內(nèi)梅羅評(píng)定方法中土壤指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1),對(duì)不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(或分肥力指數(shù)計(jì)算)。土壤養(yǎng)分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和內(nèi)梅羅綜合肥力指數(shù)計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[1,10- 12]。當(dāng)肥力指數(shù)≥2.7,說明土壤很肥沃；當(dāng)2.7>肥力指數(shù)≥1.8,說明土壤肥沃；當(dāng)1.8>肥力指數(shù)≥0.9,說明土壤肥力中等；當(dāng)肥力指數(shù)<0.9,說明土壤貧瘠[1]。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)法中土壤指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算。采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于數(shù)據(jù)庫中土壤指標(biāo)(如有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀)測(cè)定方法不同(兩類測(cè)定方法),且兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布(Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn),P<0.05),利用Mann-Whitney U檢驗(yàn)的結(jié)果表明,同一指標(biāo)兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)間差異不顯著(P>0.05),因此,數(shù)據(jù)庫中的所有土壤數(shù)據(jù)可以合并一起來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Mann-Whitney U檢驗(yàn)進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)和肥力指數(shù)在0—20 cm土層與20—40 cm土層、人工林與天然林、純林與混交林間的差異性分析。應(yīng)用Origin 9.0進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH和養(yǎng)分含量及其豐瘠水平

由表2可知,馬尾松林下0—20 cm土層土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值分別為4.79、33.78 g/kg、1.82 g/kg、0.46 g/kg、14.49 g/kg、88.00 mg/kg、4.94 mg/kg和71.72 mg/kg,變異系數(shù)依次為16.33%、72.20%、122.22%、143.26%、85.64%、65.87%、190.61%和116.18%；20—40 cm土層土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值分別為4.91、19.92 g/kg、1.32 g/kg、0.40 g/kg、15.71 g/kg、59.41 mg/kg、2.38 mg/kg和52.99 mg/kg,變異系數(shù)依次為15.37%、82.73%、133.79%、142.10%、70.85%、83.13%、234.52%、88.69%。除土壤pH值和全鉀含量外,其他各土壤養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為0—20 cm土層>20—40 cm土層,其中0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量是20—40 cm土層的1.7倍和2.1倍。除全磷含量外,土壤pH值和養(yǎng)分指標(biāo)在土層間差異顯著(P<0.05)(表2)。土壤pH值的變異系數(shù)最小,有效磷含量的變異系數(shù)最高。

從表2也可以看出,馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別處于“較豐富”和“較缺”水平,全氮含量分別處于“較豐富”和“中等”水平,全磷和速效鉀含量均處于“較缺”水平,全鉀含量分別處于“較缺”和“中等”水平,堿解氮含量分別處于“較缺”和“缺”水平,有效磷含量分別處于“缺”和“極缺”水平。

表2 馬尾松林不同土層土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2 土壤肥力指數(shù)

由表3可知,馬尾松林下0—20 cm土層土壤肥力指數(shù)(0.97)高于20—40 cm土層(0.77),0—20 cm土層土壤肥力狀況屬于“中等”,20—40 cm土層屬于“貧瘠”。0—20 cm土層和20—40 cm土層各土壤指標(biāo)肥力大小順序分別為：有機(jī)質(zhì)>全氮>堿解氮>全鉀>pH>速效鉀>全磷>有效磷,有機(jī)質(zhì)>全鉀>全氮>pH>堿解氮>速效鉀>全磷>有效磷。除土壤pH值和全鉀外,其他各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的分肥力指數(shù)均表現(xiàn)為0—20 cm土層>20—40 cm土層,其中0—20 cm土層土壤有效磷分肥力指數(shù)(0.60)是20—40 cm土層(0.33)的1.8倍,在兩土層中均最小。

表3 馬尾松林不同土層土壤肥力指數(shù)評(píng)價(jià)

2.3 土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)在人工林與天然林和純林與混交林間的差異

由圖1可知,馬尾松天然林0—20 cm土層有機(jī)質(zhì)(P<0.001)和全氮(P<0.05)含量,0—20 cm土層和20—40 cm土層全鉀含量(P<0.001)均顯著高于馬尾松人工林,0—20 cm土層和20—40 cm土層全磷含量(P<0.001)均顯著低于馬尾松人工林。其他土層各指標(biāo)在人工林與天然林間無顯著差異,除20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)及0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量外,總體上表現(xiàn)為人工林>天然林。

圖1 土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)在人工林與天然林間的差異Fig.1 Differences of soil nutrient contents and fertility index between planted forests and natural forestsns: 不顯著, no significant，*、**和***分別表示在0.05、0.01和0.001水平下顯著

由圖2可知,馬尾松混交林0—20 cm土層有機(jī)質(zhì)(P<0.001)、全氮(P<0.01)、全鉀(P<0.05)含量和肥力指數(shù)(P<0.05),0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量(P<0.001)均顯著高于馬尾松純林,20—40 cm土層速效鉀含量(P<0.05)和pH值(P<0.001)均顯著低于馬尾松純林。其他土層各指標(biāo)在純林與混交林間無顯著差異,除20—40 cm土層堿解氮含量外,總體上表現(xiàn)為混交林>純林。

圖2 土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)在純林與混交林間的差異Fig.2 Differences of soil nutrient contents and fertility index between pure forests and mixed forestsns: 不顯著, no significant，*、**和***分別表示在0.05、0.01和0.001水平下顯著

3 討論

3.1 馬尾松林土壤肥力特征分析

土壤的形成與發(fā)育是母質(zhì)、生物、氣候、地形、時(shí)間等多種因素共同作用的結(jié)果[22]。馬尾松分布區(qū)地理跨度大、南北氣候差異明顯,土壤和母質(zhì)類型多樣化[21]；馬尾松林下植被物種多樣性[23]以及馬尾松林年凋落量[24]和凋落物分解率[25]的空間變異性較大。這些因素驅(qū)動(dòng)著土壤養(yǎng)分的空間變化。本研究中,土壤養(yǎng)分指標(biāo)均具有較高的空間變異性(變異系數(shù)65%—235%),其中有效磷含量最高(表2)。其他研究也有類似結(jié)果[11- 12,26]。這可能是因?yàn)樵谒嵝酝寥乐?有效磷易與活性鋁、鐵、磷酸鈣形成磷酸鋁鐵而沉淀；也因在強(qiáng)酸性土壤中大量的三氧化二鐵存在,易形成膠膜包被在磷肥的表面而形成閉蓄態(tài)磷[26]。馬尾松林下0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤pH值與有效磷含量顯著正相關(guān)(r=0.248和0.173,P<0.01)間接證實(shí)了上述機(jī)制。

土壤既是植物生長(zhǎng)發(fā)育的載體,也為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)來源。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀等含量體現(xiàn)了土壤養(yǎng)分供給的潛力,堿解氮、有效磷和速效鉀等含量體現(xiàn)了土壤供給的能力[22]。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn),馬尾松林土壤養(yǎng)分指標(biāo)的豐瘠水平因土層而異,其中土壤有效養(yǎng)分指標(biāo)的豐瘠水平均在“較缺”水平及其以下(表2),說明馬尾松林土壤速效養(yǎng)分(尤其是磷和鉀)供給能力較弱。研究區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)的不同,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分單一指標(biāo)的豐瘠水平不盡相同,但均發(fā)現(xiàn)土壤全磷含量處于“較缺”水平及其以下[10- 12]。馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤全磷含量也處于“較缺”水平(表2)。土壤磷主要源于成土母質(zhì)的風(fēng)化和動(dòng)植物殘?bào)w的歸還,其含量高低取決于母質(zhì)類型、風(fēng)化和淋失程度[22]。亞熱帶地區(qū)溫暖的氣候條件加快了土壤母質(zhì)的風(fēng)化及磷元素的解吸,而強(qiáng)降水量卻加速了土壤磷的淋溶[27- 30],且亞熱帶地區(qū)磷流失量高于全國(guó)平均值[31],因此土壤磷流失嚴(yán)重。另外,我國(guó)南方土壤中磷元素與粘土礦物之間的化學(xué)作用使得磷元素更易與土壤中的金屬元素緊密結(jié)合,形成難以被植物利用的難溶性磷[26,32],導(dǎo)致馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量?jī)H分別為4.49 mg/kg和2.38 mg/kg,分別處于“缺”和“極缺”水平(表2)。因此,馬尾松林嚴(yán)重缺磷。

土壤肥力是反映養(yǎng)分效應(yīng)及森林系統(tǒng)生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)[12],通過內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算的土壤肥力指數(shù),既反映了限制植物生長(zhǎng)最小因子定律,又綜合考慮了各指標(biāo)[1,10- 12]。馬尾松林下0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤肥力指數(shù)分別為0.97和0.77(表3),總體來看,土壤綜合肥力狀況偏“貧瘠”。土壤有效磷含量的肥力指數(shù)也最小(表3),表明土壤有效磷含量高低是馬尾松林土壤肥力高低的主要影響因子。然而,本研究?jī)H通過數(shù)個(gè)土壤化學(xué)指標(biāo)來計(jì)算土壤肥力指數(shù),缺乏土壤物理和生物指標(biāo)；同時(shí),滿足土壤肥力指數(shù)計(jì)算所需指標(biāo)的樣地較少且空間分布不均勻,這些導(dǎo)致本研究中的土壤肥力指數(shù)僅在一定程度上代表馬尾松林土壤肥力狀況。

3.2 土壤深度對(duì)馬尾松林土壤肥力特征的影響

本研究中,除土壤pH和全鉀含量外,其他各土壤養(yǎng)分指標(biāo)和肥力指數(shù)均表現(xiàn)為0—20 cm土層>20—40 cm土層(表2和表3),且大多數(shù)指標(biāo)在土層間差異顯著(P<0.05),表明土壤深度顯著影響土壤肥力狀況。土壤養(yǎng)分往往具有“表聚性”[8,12,33-34]。表層土是土壤動(dòng)物和微生物最活躍的土壤層次,是進(jìn)行植物—凋落物—土壤養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的主要場(chǎng)所[22]。土壤養(yǎng)分元素被植物體(主要是根和葉)所吸收,通過凋落物分解和根系周轉(zhuǎn)等過程歸還土壤,造成表層土壤養(yǎng)分(尤其是速效養(yǎng)分)含量往往更高[35- 36],這在本研究中也被證實(shí)(表2)。有研究表明,馬尾松細(xì)根(<2 mm)主要分布在表層土(0—30 cm)[37],其周轉(zhuǎn)可以改善土壤理化性質(zhì)[36]。然而,不管是林分尺度還是區(qū)域尺度,馬尾松林深層(40 cm以下)土壤肥力特征還知之甚少。另外,馬尾松分布區(qū)尺度0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的平均含量(表2),低于我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)0—10 cm土層[27]和我國(guó)東部森林生態(tài)系統(tǒng)0—20 cm土層[28]相應(yīng)指標(biāo)平均含量。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量低,可能與我國(guó)馬尾松主要在貧瘠的荒坡(或裸地)上造林,土壤養(yǎng)分本底值較低有關(guān)。本研究中馬尾松人工林所占比例高達(dá)85%,有研究表明馬尾松人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量和碳庫顯著低于次生林[38]。土壤全磷含量較低,可能是因?yàn)轳R尾松凋落物分解速率低于相似區(qū)域其他物種凋落物分解率[25,39],凋落物中磷元素歸還到土壤中的較少。

3.3 林分特征對(duì)馬尾松林土壤肥力特征的影響

森林土壤肥力特征與構(gòu)成林分樹種及樹種組成、林分結(jié)構(gòu)、林分起源等林分因子密切相關(guān)[6,20,34,40]?？傮w來看,馬尾松林林分起源(人工林與天然林)和林分結(jié)構(gòu)(純林與混交林)顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀等,表現(xiàn)為天然林>人工林(除全磷外)(圖1)和混交林>純林(圖2)。在馬尾松分布區(qū)尺度,馬尾松天然林以混交林為主,人工林則以純林為主,因此林分起源與林分結(jié)構(gòu)間土壤養(yǎng)分含量的高低相似。其他研究也表明,不管是天然林還是人工林,馬尾松混交林林下土壤養(yǎng)分含量高于純林[16,20,34,38,40-41]。這些結(jié)果表明營(yíng)造馬尾松與其他樹種的混交林有利于改善林下土壤理化性質(zhì)。在氣候環(huán)境基本一致的情況下,凋落物分解過程是土壤養(yǎng)分的重要控制因子[22]。馬尾松混交林(天然林)中物種較豐富,尤其是闊葉喬木和灌木的存在,加快了凋落物分解和養(yǎng)分釋放[25,39,42],使歸還到土壤中的養(yǎng)分含量也隨之增大；而馬尾松純林(人工林)凋落物以針葉為主,針葉凋落物含有大量單寧、蠟質(zhì)、樹脂等難分解的物質(zhì)和較高的木質(zhì)素等,限制了凋落物養(yǎng)分歸還速率[43]。這些原因也導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)表現(xiàn)為混交林>純林(圖2)。但馬尾松人工林全磷、堿解氮和速效鉀含量以及肥力指數(shù)高于天然林(圖1),目前尚不清楚其形成機(jī)制。由于馬尾松不同林分起源和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分布不均勻(天然林和混交林?jǐn)?shù)據(jù)少),其對(duì)天然林與人工林和純林與混交林間土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù)的差異性檢驗(yàn)存在一定的影響,因此,林分特征如何影響馬尾松林土壤肥力(尤其是區(qū)域尺度)還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)我國(guó)馬尾松樹種分布區(qū)林下土壤養(yǎng)分含量均具有較高的空間變異性(變異系數(shù)65%—235%),土壤有效磷的變異系數(shù)最高。

(2)馬尾松林土壤養(yǎng)分單一指標(biāo)的豐瘠水平因土層而異,土壤全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均在“較缺”水平及其以下,土壤磷和鉀養(yǎng)分的供給潛力和能力較弱。

(3)馬尾松林土壤綜合肥力狀況偏“貧瘠”,土壤有效磷含量的肥力指數(shù)最小。

(4)土壤深度和林分特征顯著影響馬尾松林土壤養(yǎng)分含量和肥力指數(shù),總體上表現(xiàn)為0—20 cm土層>20—40 cm土層和混交林>純林。因此,營(yíng)造馬尾松與其他樹種的混交林有利于馬尾松林土壤理化性質(zhì)的改善。