海南黎母山片區(qū)外來樹種對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

方發(fā)之,黎肇家,桂慧穎,吳鐘親

(海南林業(yè)科學(xué)研究院(海南紅樹林研究院),海口 571100)

原森林生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性為各種生物棲息繁衍提供了龐大的食物網(wǎng)和多元化的信息傳遞方式。然而外來植物的引進(jìn)或入侵打破了原森林生態(tài)系統(tǒng)的保真性和完整性,促使植被群落條件和土壤養(yǎng)分條件發(fā)生改變[1]。外來植物擴(kuò)散到新的棲息后,能夠在適宜環(huán)境條件快速生長(zhǎng),占據(jù)有利生態(tài)位[1],極易形成單優(yōu)勢(shì)種群[2]。外來樹種作為外來植物的一大類,不少外來樹種在荒山造林和水土保持方面發(fā)揮了重要作用[3]。但同時(shí)引種外來樹種到適宜環(huán)境營林,不僅對(duì)原植被條件產(chǎn)生干擾[4],還存在發(fā)展為入侵樹種的風(fēng)險(xiǎn)[3]。已有研究表明,與原森林植被相比,外來樹種具有良好的環(huán)境適應(yīng)性[5],生長(zhǎng)速率往往比較快[6]。快速生長(zhǎng)能力也明顯地使土壤養(yǎng)分和水分快速集中于植物體,打破土壤養(yǎng)分輸入與輸出的平衡,致使土壤各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生變化[7-8]。植物凋落物回歸分解是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)和理化性質(zhì)穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)[9-10]。外來樹種人工林群落往往比較單一,生物多樣性包含土壤微生物多樣性比較簡(jiǎn)單,導(dǎo)致植物凋落物分解速率下降[4,11-12]。因此,外來樹種營造影響著土壤氮、磷、鉀、碳等養(yǎng)分的有效循環(huán)。外來樹種引進(jìn)使原森林生態(tài)系統(tǒng)“植物-土壤”相互反饋?zhàn)饔梅绞桨l(fā)生改變,影響“植物-土壤”通過土壤與根系界面進(jìn)行養(yǎng)分的輸入輸出(如，死亡根系、根際分泌物),影響維持土壤生物的生長(zhǎng)發(fā)育和植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用效益[13-14]。

本文以海南熱帶雨林國家公園黎母山片區(qū)引進(jìn)種植橡膠樹(Heveabrasiliensis(Willd.ex A.Juss.)Muell.Arg)、馬占相思(AcaciamangiumWilld.)、加勒比松(PinuscaribaeaMorelet)、桉樹(Eucalyptus)人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響為研究?jī)?nèi)容。通過測(cè)定不同外來樹種人工林群落與次生林群落土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮鉀磷、游離態(tài)氮鉀磷,分析外來樹種人工林群落與次生林群落土壤理化性質(zhì)差異。探討外來樹種人工林營造對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,以期為海南熱帶雨林國家公園外來樹種人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

以海南熱帶雨林國家公園黎母山片區(qū)為研究區(qū)域。黎母山片區(qū)總面積約554.87km2,地處瓊中和白沙兩地,地理坐標(biāo)19°07′22″～19°14′03″N,109°39′05″～109°48′31″E。黎母山擁有豐富的人工林資源,其中加勒比松、相思類、橡膠樹和桉樹是重要的人工林資源,同時(shí)也屬具有高效經(jīng)濟(jì)效益外來樹種。黎母山位于海南島中部,氣候?yàn)闊釒ШＱ蠹撅L(fēng)性氣候,終年高溫多雨。林區(qū)內(nèi)植被生長(zhǎng)條件適宜,水分充足,光照適宜,溫度適合,具有優(yōu)良自然條件為植物的生長(zhǎng)提供了保障。黎母山主峰海拔1 412m,土壤偏酸性[15-16],黃壤和磚紅壤為林區(qū)內(nèi)主要土壤類型。多年以來,為了促進(jìn)農(nóng)林業(yè)發(fā)展,滿足人們對(duì)農(nóng)林業(yè)產(chǎn)品的需求和森林生態(tài)安全的必要,黎母山引入外來樹種,以豐富區(qū)域生物多樣性和提高農(nóng)林業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。加勒比松、馬占相思、橡膠樹和桉樹是黎母山引進(jìn)的主要外來樹種,既有高效經(jīng)濟(jì)效益,又是速生植物,可快速復(fù)綠裸露山體,具有良好的生態(tài)價(jià)值。

2 研究方法

2.1 土壤采集

1)樣地選擇。所選樣地均在海南熱帶雨林國家公園黎母山片區(qū)范圍內(nèi),土壤為磚紅壤或黃壤。外來樹種分別為加勒比松、馬占相思、橡膠樹和桉樹；次生林森林群落土壤理化性質(zhì)作為外來樹種對(duì)原林地土壤理化性質(zhì)影響的參照。

2)樣品采集及處理。采用典型抽樣方法在每個(gè)林分樣地設(shè)計(jì)3個(gè)20m×20m樣方；采用五點(diǎn)取樣法對(duì)每個(gè)樣方內(nèi)樣點(diǎn)進(jìn)行取樣,取樣點(diǎn)時(shí)拋去表面凋落物并挖去土剖面,用環(huán)刀截取0～20cm土層,將同樣方5個(gè)取樣點(diǎn)土樣混勻裝入無菌自封袋,標(biāo)記采樣時(shí)間。所采集土壤樣品低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室處理；去除樣品雜質(zhì)、石塊,2mm微孔過篩,保留過篩土壤樣品,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。樣地信息如表1所示。

表1 樣地基本信息表

2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,并采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)中最小顯著差異法LSD(L),對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤pH值的影響

圖1顯示,不同森林群落群落土壤pH值狀況。馬占相思人工林群落土壤pH值為3.95,其酸性較強(qiáng),加勒比松人工林群落土壤pH為4.51,為酸性土壤。兩者土壤pH值均顯著低于次生林。次生林和橡膠人工林群落土壤pH值分別為4.79和4.89,為酸性土壤,pH值不具有顯著差異。桉樹pH值為6.17,為偏酸性土壤,顯著高于次生林。

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

根據(jù)圖2顯示,次生林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量為31.01g/kg,顯著高于4個(gè)外來樹種人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量。外來樹種人工純林中加勒比松有機(jī)質(zhì)含量為24.96g/kg,是4個(gè)外來樹種人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量最高的外來樹種人工林群落,顯著高于橡膠樹、馬占相思、桉樹群落土壤有機(jī)質(zhì)含量。馬占相思人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著最低,僅16.34g/kg。橡膠樹和桉樹人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為18.95g/kg和17.38g/kg,兩者沒有顯著性差異。

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 對(duì)土壤全氮鉀磷含量的影響

次生林群落土壤全氮、磷、鉀含量分別為1.08,2.27,1.83g/kg,顯著高于外來樹種人工林群落土壤全氮、磷、鉀含量(圖3)。桉樹、橡膠樹和加勒比松人工林全氮含量分別為0.81,0.89,0.87g/kg,三者之間全氮含量沒有顯著性差異。馬占相思人工林群落土壤全氮含量最低,為0.71g/kg。桉樹人工林群落土壤全鉀含量最低,為0.1g/kg。馬占相思和加勒比松人工林群落土壤全鉀含量沒有差異,橡膠和馬占相思人工林群落土壤全鉀含量也沒有差異,但橡膠人工林群落土壤全鉀含量低于加勒比松。全磷含量方面,桉樹人工林群落土壤全磷含量為0.37g/kg,顯著高于其余3個(gè)外來樹種人工林群落土壤全磷含量。橡膠樹、馬占相思、加勒比松人工林群落土壤全磷含量分別為0.13,0.16和0.11g/kg,三者之間沒有顯著性差異。

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.4 對(duì)土壤游離態(tài)氮鉀磷含量的影響

1)由表2可知,次生林群落土壤速效鉀含量為18.19mg/kg,顯著低于外來樹種人工林群落土壤速效鉀含量。其中桉樹人工林群落土壤速效鉀含量達(dá)111.97mg/kg,為土壤效鉀含量最高的森林群落。

2)次生林群落土壤速效磷含量為2.48mg/kg,顯著低于馬占相思和桉樹人工林群落土壤速效磷含量,顯著高于加勒比松人工林群落土壤速效磷含量,與橡膠人工林群落土壤速效磷含量沒有顯著性差異。其中,桉樹人工林群落土壤速效磷含量最高,為6.34mg/kg,而加勒比松人工林群落土壤速效磷含量最低,為1.71mg/kg。

3)次生林群落土壤硝態(tài)氮含量為8.61mg/kg,顯著低于馬占相思、加勒比松和桉樹人工林群落土壤硝態(tài)氮含量,與橡膠人工林群落土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著性差異。馬占相思人工林群落土壤硝態(tài)氮含量高達(dá)36.02mg/kg,為土壤速效磷含量最高的森林群落。

4)次生林群落土壤銨態(tài)氮含量為22.21g/kg,極顯著地高于人工林銨態(tài)氮含量;桉樹土壤銨態(tài)氮含量為3.05g/kg,高于另外3個(gè)外來樹種。

表2 不同森林群落土壤游離態(tài)氮鉀磷含量狀況

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

土壤理化性質(zhì)由于受植被、地形、母巖和人為干預(yù)等因素影響,導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)復(fù)雜多變[18],其中人為干預(yù)和植被條件變化對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響是顯著的[19-20]。植物與土壤之間是一套相互反饋的循環(huán)系統(tǒng),植被條件的變化影響著土壤理化性質(zhì)、微生物、生物活性反應(yīng)[14]。本文發(fā)現(xiàn)黎母山不同外來樹種在不同程度上影響原森林系統(tǒng)土壤ph值,桉樹使土壤酸性減弱,與桉樹適合pH值范圍4.5～5.0相吻合[20-22]。馬占相思和加勒比松群落土壤pH值下降,該結(jié)論與廣西南寧市國有高峰林場(chǎng)界牌分場(chǎng)馬占相思人工林群落土壤變化規(guī)律相似[23]。外來樹種對(duì)土壤pH值影響因樹種不同而異,外來植物可導(dǎo)致土壤酸性加強(qiáng)也可以減弱土壤酸性[1]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo),為植物生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分[21]。本文發(fā)現(xiàn)外來樹種人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量均不及次生林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量,顯著導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降。該結(jié)論與多位學(xué)者對(duì)外來樹種營造對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)或有機(jī)碳含量變化一致,如,桉樹人工林營造[4,21],日本落葉松人工林營造[19]。引種外來樹種后,其土壤全氮、鉀、磷含量較次生林群落土壤全氮、鉀、磷顯著下降。其原因可能與林分凋落物組成與分解速率有關(guān)[19],凋落物分解速率影響到有機(jī)質(zhì)積累和氮、磷、鉀養(yǎng)分的循環(huán)[19],也表明土壤有機(jī)質(zhì)和氮、鉀、磷含量與生物多樣性呈正相關(guān)[24]。本文發(fā)現(xiàn)次生林全氮、鉀、磷含量顯著高于外來樹種群落,和前人對(duì)物種多樣性與土壤有機(jī)質(zhì)、氮、鉀、磷的相關(guān)性研究結(jié)論一致[25-26]。外來樹種人工林和次生林群落土壤速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量研究發(fā)現(xiàn),次生林群落土壤速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮均顯著低于外來樹種人工林,而銨態(tài)氮含量顯著高于外來樹種人工林群落。對(duì)外來植物定植后土壤速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量變化的相關(guān)研究表明,外來植物可以使土壤速效磷、硝態(tài)氮含量先上升再下降[27],也能導(dǎo)致土壤速效磷和速效鉀的含量顯著升高[2,28],但也有外來植物定植后出現(xiàn)土壤速效鉀含量下降[27],磷和鉀元素含量減少[29]。

4.2 結(jié)論

1)引入外來樹種人工林營造對(duì)土壤理化性質(zhì)影響為土壤養(yǎng)分總含量降低,游離態(tài)養(yǎng)分含量提升；桉樹減弱土壤酸性,加勒比松、馬占相思加強(qiáng)土壤酸性,橡膠對(duì)土壤酸性影響不明顯。

2)不同外來樹種對(duì)土壤pH影響程度不同,桉樹使土壤酸性減弱,馬占相思和加勒比松使土壤酸性加強(qiáng),橡膠對(duì)土壤酸性的變化影響不明顯。

3)不同外來樹種對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響有差異,但外來樹種人工林群落土壤有機(jī)質(zhì)含量均明顯下降,其中馬占相思群落導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降程度最明顯。

4)不同外來樹種對(duì)土壤全氮、鉀、磷的影響與有機(jī)質(zhì)方式相似,4個(gè)外來樹種人工林群落土壤全氮、鉀、磷含量均明顯低于次生林群落土壤全氮、鉀、磷含量。其中,外來樹種人工林群落土壤全磷含量下降最明顯,其次為全鉀,最后是全氮含量下降程度。

5)通過營造外來樹種人工林明顯地提高土壤速效鉀、速效磷和硝態(tài)氮含量,但土壤銨態(tài)氮含量下降。