區(qū)域尺度楨楠人工林土壤養(yǎng)分特征

唐婕, 林自芳, 王曉琴, 程一倫, 彭建, 王芳, 楊漢波, 辜云杰*

1.內(nèi)江市造林站，四川 內(nèi)江 641005；

2.沐川縣林業(yè)局，四川 沐川 614500；

3.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610083；

4.長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)

土壤養(yǎng)分影響樹木的健康生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此土壤性質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。植物結(jié)構(gòu)元素：碳與限制元素：氮、磷相互作用調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)[2]。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(zhǎng)發(fā)育所必需的[3]。了解土壤養(yǎng)分特性不僅能避免土壤養(yǎng)分失衡，還有助于保持土壤肥力水平從而提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量[4]。因此，對(duì)人工林土壤養(yǎng)分的研究，有利于理解人工林土壤養(yǎng)分和組成對(duì)人工林生長(zhǎng)的促進(jìn)和限制作用，以及人工林地力維持機(jī)制，為森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

楨楠（Phoebe zhennan）是我國(guó)特有的珍貴用材樹種，其材質(zhì)堅(jiān)硬致密、香味清雅，素有“木中金子”之稱，位居四大名木之首，是建筑、高檔家具和雕刻藝術(shù)品的絕佳用料[5, 6]。由于歷代砍伐利用，致使楨楠天然林資源近于枯竭，目前市場(chǎng)上的楨楠木材主要源于“四旁”和枯死的楨楠林木[7, 8]。近年來，隨著市場(chǎng)對(duì)珍貴木材需求的不斷增加，楨楠人工林規(guī)模逐年增加。但是，在楨楠人工林快速發(fā)展的過程中，由于立地選擇不當(dāng)、經(jīng)營(yíng)管理粗放等諸多問題，導(dǎo)致大量的楨楠人工林生產(chǎn)力不高。盡管影響人工林生產(chǎn)力的因素復(fù)雜多樣，但林地土壤養(yǎng)分狀況無疑是一個(gè)至關(guān)重要的因素[9]。四川省是楨楠最適生區(qū)域和栽培面積最大的地區(qū)之一，本研究以楨楠人工林為研究對(duì)象，通過設(shè)置典型樣地開展土壤養(yǎng)分測(cè)定，分析不同地區(qū)、齡組對(duì)楨楠人工林土壤養(yǎng)分的影響，探討區(qū)域尺度上楨楠人工林的土壤養(yǎng)分特征，為楨楠人工林立地質(zhì)量精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國(guó)西南地區(qū)的四川省，處于26°03′N—34°19′ N，97°21′ E—108°12′ E 之間，分屬三大氣候，分別為四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)氣候，川西南山地亞熱帶半濕潤(rùn)氣候，川西北高山高原高寒氣候，年均溫16～18 ℃。四川省降水量的區(qū)域分布多寡差異顯著，年降水量最多的區(qū)域達(dá)1 700 mm以上，最少雨區(qū)卻不足400 mm。四川地貌復(fù)雜，以山地為主要特色，具有山地、丘陵、平原和高原4種地貌類型，土壤類型豐富，東西部明顯分異，有25個(gè)土類，主要有赤紅壤、紅壤、黃壤、黃棕壤、黃褐土等。

1.2 樣地設(shè)置

考慮到不同林齡、坡向、坡位等因素，在四川楨楠人工林保存較好的11個(gè)縣（區(qū)）內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20×20 m的典型樣地，并進(jìn)行海拔、林齡、坡向等立地因子調(diào)查。林分年齡為4～400 a，共有幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林4個(gè)齡組。各樣地的分布、地形因子和林分年齡見表1和圖1。

圖1 楨楠人工林典型樣地分布Fig.1 Distribution of typical plots of P.zhennan plantation

表1 楨楠人工林樣地概況Tab.1 General information of sample plots in P.zhennan plantation

1.3 土壤取樣與測(cè)定

采用S形取樣法分別采集每個(gè)20×20 m樣地內(nèi)5點(diǎn)的0~20 cm、20~40 cm土層土壤，同一土層土壤均勻混合，裝入土壤袋，風(fēng)干過100目篩后進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)分析（表2）。土壤化學(xué)性質(zhì)按國(guó)家林業(yè)局土壤養(yǎng)分分析標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、鈣（Ca）和鎂（Mg）的含量[10]。

表2 土壤指標(biāo)單位及測(cè)定方法Tab.2 Soil index and determination method

1.4 數(shù)據(jù)處理

以測(cè)定的SOC、TN和TP等6個(gè)指標(biāo)為因變量，采用一般線性模型，分析不同齡組、林地、土層間土壤性質(zhì)差異，若存在顯著性差異，則進(jìn)行SN-K多重比較分析。以測(cè)定的6項(xiàng)土壤指標(biāo)為對(duì)象，采用Pearson系數(shù)進(jìn)行土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性分析。

對(duì)不同地區(qū)的土壤性質(zhì)進(jìn)行主成分分析，計(jì)算得到特征值和貢獻(xiàn)率，然后計(jì)算某一地區(qū)的綜合得分，結(jié)合全國(guó)第二次普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤養(yǎng)分分級(jí)和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。主成分綜合評(píng)價(jià)模型為：式中，F(xiàn)為綜合評(píng)價(jià)得分，Wi為各土壤因子的權(quán)重，反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性。

前期數(shù)據(jù)處理在Excel中進(jìn)行，后期主要采用一般線性模型分析、多因素方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析法在SPSS和Origin軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)楨楠人工林土壤養(yǎng)分差異

由一般線性模型分析可知（見表3）：四川不同地區(qū)楨楠人工林土壤在全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、鈣（Ca）和鎂（Mg）5項(xiàng)指標(biāo)上差異顯著（P<0.05），有機(jī)碳（SOC）差異不顯著。由數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知（見圖2），滎經(jīng)縣楨楠人工林土壤TN和TK含量顯著高于其他地區(qū)，邛崍市楨楠人工林土壤Ca、Mg含量顯著高于其他地區(qū)。按照《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，所有樣地SOC含量均較高，為第1級(jí)（>4%）。TN含量處于1級(jí)（YJyfs）~5級(jí)（QLbhs）之間，TP含量為3級(jí)（ QLbhs、 EMzfs和 YJyfs） ~5 級(jí) （ CZgsgs、DJYlys和DYgts）之間。所有樣地土壤TK含量均低于0.30 g/kg，屬極低水平。

圖2 不同地區(qū)土壤養(yǎng)分特征比較Fig.2 Comparison of soil nitrogen nutrient characteristics in different regions

表3 不同地區(qū)楨楠人工林土壤養(yǎng)分差異一般線性模型分析Tab.3 General linear model analysis result of soil nutrients difference of P.zhennan plantation in different regions

2.2 不同齡組土壤養(yǎng)分差異

SOC和TN含量由幼齡林至過熟林階段呈逐漸增加的趨勢(shì)，分別為20.42%~32.31%和1.18~1.67 g/kg；Ca含量呈先增加后減少的趨勢(shì)，為2.99~5.88 g/kg；其余養(yǎng)分指標(biāo)在各齡組間無明顯變化趨勢(shì)。由多因素的一般線性模型分析可知，楨楠人工林所有6個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)在幼齡林、中齡林、成熟林和過熟之間均無顯著性差異（見表4）。

表4 楨楠人工林不同齡組土壤養(yǎng)分差異一般線性模型分析Tab.4 General linear model analysis result of soil nutrients difference of Pheobe zhennan plantation with different age groups

2.3 不同土層養(yǎng)分特征

隨著土層深度的增加，楨楠人工林土壤各養(yǎng)分含量整體上呈遞減趨勢(shì)，具有表聚性（見圖3）。除DJYpzs、DYgts外，其余地區(qū)楨楠人工林土壤表層（0~20 cm）土壤SOC含量均顯著高于風(fēng)化層（20~40 cm）土層（P<0.05）。EMzfs土壤表層 TP 含量顯著高于風(fēng)化層，而EMfhs土壤表層TP含量顯著低于風(fēng)化層，其余地區(qū)土層間差異不顯著。土壤全K、Mg含量隨土層增加逐漸增加，表現(xiàn)出較為明顯的表聚性。

圖3 不同土層土壤養(yǎng)分差異比較Fig.3 Comparison of soil nutrients in different soil layers

2.4 楨楠人工林土壤性質(zhì)相關(guān)性分析

對(duì)11處楨楠不同林齡人工林土壤養(yǎng)分含量間進(jìn)行相關(guān)性分析，不同指標(biāo)相關(guān)性見表5。僅SOC和TN間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其余各性質(zhì)指標(biāo)間均不存在顯著相關(guān)性。

2.5 土壤養(yǎng)分性質(zhì)主成分分析

對(duì)楨楠人工林6項(xiàng)土壤因子進(jìn)行主成分分析，找出影響土壤質(zhì)量的主要土壤因子，并對(duì)不同地區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行排序及評(píng)價(jià)。楨楠人工林不同地區(qū)主成分前3項(xiàng)的貢獻(xiàn)率分別為35.30%、25.98%和12.67%，主成分前3項(xiàng)的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)73.96%，已包含了大部分信息，因此提取前3個(gè)主成分（見圖4和表6）。由表5可以看出，不同土壤養(yǎng)分因子對(duì)主成分的貢獻(xiàn)與反饋特征不同，SOC、TN和TK對(duì)第1主成分的影響較大，第1主成分可以看作是這些指標(biāo)的綜合性因子，Ca和Mg對(duì)第2主成分的影響較大，第2主成分可以看作是Ca和Mg的綜合性因子，而TP對(duì)第1和第2主成分的影響均較大。

表6 楨楠人工林土壤養(yǎng)分的主成分特征向量和累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.6 Principal component characteristic vector and cumulative contribution rate of soil nutrients of P.zhennan plantation

圖4 楨楠人工林主成分分析圖Fig.4 Principal component analysis diagram of P.zhennan plantation

表5 楨楠人工林土壤性質(zhì)間的相關(guān)性Tab.5 Correlation between soil properties of P.zhennan plantation

主成分分析可以反映土壤質(zhì)量狀況，得分越高代表土壤質(zhì)量越好。由綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到各區(qū)域楨楠人工林的綜合得分前三位分別為YJyfs、EMzfs和YCjfs（見圖5），這3個(gè)地區(qū)的土壤養(yǎng)分充足，最為適宜楨楠生長(zhǎng)發(fā)育，推測(cè)雅安和樂山是發(fā)展楨楠人工林的較適宜區(qū)域。

圖5 各地區(qū)楨楠人工林土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)得分Fig.5 Comprehensive evaluation score of soil nutrients of P.zhennan plantation in different regions

3 討論

土壤養(yǎng)分影響林木生長(zhǎng)與林分生產(chǎn)力[11, 12]。本研究以四川省11個(gè)地區(qū)4個(gè)齡組楨楠人工林為研究對(duì)象，分析土壤與其之間的關(guān)系，為楨楠人工林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)以及提高楨楠人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)水平奠定了基礎(chǔ)。土壤碳、氮、磷是植物生長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育[13, 14]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)楨楠人工林在全部6個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)間差異顯著。各地區(qū)楨楠人工林土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）含量均較高，與牟凌等[15]對(duì)四川盆地西緣楨楠人工林土壤SOC含量研究結(jié)果相一致。一方面由于楨楠屬于闊葉樹種，凋落物分解相對(duì)較快，產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)混入礦質(zhì)土，使得土壤SOC含量較高；另一方面研究區(qū)域雨水中等，林下土壤受淋溶作用影響不大。同時(shí)也表明，研究區(qū)域內(nèi)土壤C、N養(yǎng)分含量均較高，能夠滿足楨楠人工林生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，是發(fā)展楨楠人工林的適宜區(qū)域。楨楠人工林土壤TP含量均處于較低水平，在為3~5級(jí)之間。其原因可能與雨季楨楠人工林土壤對(duì)磷的截留量較低，表現(xiàn)為凈流失有關(guān)[16]。

在土壤垂直剖面上，植物凋落物與土壤微生物主要集中在表層，凋落物的礦化以及腐殖質(zhì)都在表層，這有利于SOC、N等養(yǎng)分的積累[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，楨楠人工林土壤所有養(yǎng)分指標(biāo)含量均下降，即表明土壤養(yǎng)分具有表聚現(xiàn)象。這與已有的許多研究結(jié)果相符[15, 18, 19]。就不同齡組而言，楨楠人工林土壤的6項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)之間并無顯著性差異，但土壤SOC、TN有所增加。一方面，隨著林齡的增加，林下植被種類與數(shù)量、林層結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化，凋落物的數(shù)量與厚度也會(huì)隨之增加，養(yǎng)分歸還量進(jìn)而有所提升；另一方面，林地經(jīng)營(yíng)年限的增長(zhǎng)，立地環(huán)境基本穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)積累速率逐漸大于分解速率，再加上有機(jī)肥的施用等經(jīng)營(yíng)措施，使土壤SOC含量逐漸增長(zhǎng)[20, 21]。劉曉彤等[1]對(duì)杉木和馬尾松不同齡級(jí)人工林土壤養(yǎng)分特征研究結(jié)果顯示，隨著林齡的增加，林地土壤養(yǎng)分含量也隨之增加，馬尾松以近熟林、杉木以成熟林土壤質(zhì)量最好。陳山紅心杉隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳的積累也逐漸增加，而土壤全N含量表現(xiàn)為隨林齡的增加先上升后減小的趨勢(shì)[13]。與本研究楨楠人工林土壤TN含量變化趨勢(shì)有所不同。表明楨楠人工林在消耗N元素的同時(shí)，也能通過凋落物分解等渠道及時(shí)有效地補(bǔ)充N元素。Ca含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，Mg含量隨著林齡的變化不明顯，這與其他樹種，如杉木人工林所得出的土壤Ca、Mg結(jié)論不一致，其具體的原因還需要進(jìn)一步結(jié)合楨楠樹種特性及其根系吸收土壤元素情況而定[13]。

土壤肥力評(píng)價(jià)有助于各地區(qū)農(nóng)林業(yè)管理者、相關(guān)研究人員和決策者更加深入的了解區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的土壤質(zhì)量情況[20]。本研究選取土壤SOC、TN等6個(gè)指標(biāo)，通過主成分分析研究發(fā)現(xiàn)，楨楠人工林不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分綜合得分總體表現(xiàn)出較高的肥力水平，雅安和樂山最佳，其余區(qū)域差異不明顯。土壤肥力水平不僅取決于土壤養(yǎng)分和植物吸收能力，還受各因子協(xié)調(diào)程度的影響。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，部分地區(qū)林農(nóng)大量施用復(fù)合肥以達(dá)到提高生長(zhǎng)量的目的，雖然使楨楠林地的土壤養(yǎng)分得到明顯提升，但一味地追求高的生長(zhǎng)量，而不注重肥效造成了肥料浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題。因此，在楨楠人工林培育過程中，應(yīng)根據(jù)楨楠人工林地土壤養(yǎng)分的實(shí)際情況，合理利用化肥，采用測(cè)土配方施肥，既滿足楨楠植株生長(zhǎng)所需，又不會(huì)造成環(huán)境污染，最終實(shí)現(xiàn)楨楠人工林的精準(zhǔn)提升和可持續(xù)發(fā)展。