山東省赤松人工林土壤理化特性與綜合肥力

程鴻雁，張?zhí)m英，王 鳳，杜振宇

（1山東省地質(zhì)調(diào)查院，濟(jì)南 250012；2濟(jì)南市國有北郊林場(chǎng)，濟(jì)南 250119；3淄博市張店區(qū)園林綠化服務(wù)中心，山東 淄博 255090；4山東省林業(yè)科學(xué)研究院（山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站），濟(jì)南 250014）

0 引言

森林土壤綜合肥力是土壤中水、肥、氣、熱相互聯(lián)系的結(jié)果，是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的綜合反映，其中物理、化學(xué)特性由于相對(duì)較穩(wěn)定，是土壤肥力研究最重要的構(gòu)成部分，也是研究重點(diǎn)。國內(nèi)關(guān)于人工林土壤理化性質(zhì)的研究較多，涉及到側(cè)柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、毛竹(Phyllostachys heterocycla)、紅豆杉(Taxus chinensis)、麻櫟(Quercus acutissima)等多個(gè)樹種[1-5]，但關(guān)于赤松(Pinus densiflora)林地土壤的研究較少。

赤松是山東省的鄉(xiāng)土樹種，山東半島是其原生地[6]，主要分布在魯東丘陵區(qū)和魯中山地，赤松人工林栽培面積現(xiàn)已超過13萬hm2，固碳量高達(dá)1.84 Tg[7]。2000年以來針對(duì)赤松林生長、樹木生理生態(tài)、病蟲害防治等已有較多報(bào)道[8-10]，但針對(duì)林地土壤的研究相對(duì)較少，主要是關(guān)于赤松林地土壤對(duì)大氣CO2升高的響應(yīng)以及土壤根際微生物方面。唐麗娜[11]對(duì)赤松根際土壤微生物多樣性進(jìn)行了研究；賈夏等[12]研究了大氣CO2濃度升高對(duì)長白赤松幼苗土壤酶活性的影響；Ultra等[13]研究了CO2和溫度升高對(duì)赤松根際土壤和微生物功能結(jié)構(gòu)的影響；Kim等[14]研究了火災(zāi)對(duì)赤松林地土壤特性的短期影響作用。然而，卻很少有研究涉及到赤松林地土壤理化特性和綜合肥力。本研究以山東省主要立地條件下典型赤松人工林為對(duì)象，開展林地土壤理化特性研究和土壤肥力綜合評(píng)價(jià)，以期為山東省赤松人工林可持續(xù)經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于山東省魯東丘陵區(qū)和魯中山地，這兩處是山東省赤松主要分布區(qū)。魯東丘陵地區(qū)位于山東省東部，區(qū)劃上涉及煙臺(tái)、青島、日照、威海等市，屬暖溫帶濕潤半濕潤季風(fēng)性氣候，年均氣溫約11.3℃，無霜期約207天，年均降水量約740 mm，年平均日照數(shù)2690 h[15]。由于土壤主要發(fā)育于酸性母巖，類型主要為棕壤，植被類型以常綠針葉林和落葉闊葉林為主，樹種主要有黑松、赤松、油松、麻櫟(Quercus acutissima)、楸樹(Catalpa bungei)等。魯中山區(qū)位于山東省中部，整體地勢(shì)較高，區(qū)劃上涉及濟(jì)南、泰安、淄博等市，屬暖溫帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫13.0℃，日照時(shí)數(shù)2650 h，無霜期215 d，年均降水量800 mm。土壤類型以棕壤和褐土為主，代表樹種主要有側(cè)柏、赤松、刺槐(Robinia pseudoacacia)、麻櫟、榆樹(Ulmus pumila)等[16]。

1.2 樣地設(shè)置和土樣采集

研究樣點(diǎn)設(shè)在魯東丘陵區(qū)的煙臺(tái)市、日照市以及地處魯中山地的淄博市和泰安市，共有樣地35塊，面積均為10 m×10 m。林地土壤類型為棕壤，樣地具體情況見表1。土樣采集時(shí)間為2018年9—10月。在每塊樣地隨機(jī)選點(diǎn)4個(gè)，取樣層次為0～20 cm，去除石礫等雜物，混合均勻后用四分法取樣帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后備測(cè)。

表1 供試赤松人工林樣地概況

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

土壤養(yǎng)分狀況和土壤物理和化學(xué)環(huán)境共同決定了土壤綜合肥力[17]。本研究選擇了13個(gè)土壤理化指標(biāo)，其中：土壤養(yǎng)分指標(biāo)5個(gè)，分別為土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷和有效鉀；土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)8個(gè)，分別為pH、電導(dǎo)率(EC)、陽離子交換量(CEC)、容重、孔隙度、土層厚度、粘粒(＜0.002 mm)和粉粘比（粉砂粒與粘粒的比值）。

土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮采用開式法；有效氮、磷和鉀分別采用堿解擴(kuò)散法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定。土壤pH采用酸度計(jì)，EC用電導(dǎo)率儀測(cè)定；CEC采用醋酸銨交換法測(cè)定[18]；容重采用環(huán)刀(100 cm3)測(cè)定，孔隙度則采用環(huán)刀浸水法測(cè)定[1]。土層厚度采用鋼釬測(cè)定，粉砂粒和粘粒含量采用吸管法測(cè)定[19]。

1.4 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)

1.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值計(jì)算 參照孫波等[17]的方法，采用綜合肥力指數(shù)法對(duì)赤松人工林土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，計(jì)算其隸屬度值。土壤pH、EC、容重、孔隙度、粘粒和粉粘比的隸屬度函數(shù)屬于拋物線型，公式如式(1)所示。

土壤有機(jī)質(zhì)、土層厚度、CEC、全氮、有效氮、有效磷和有效鉀的隸屬度函數(shù)則屬于S型，公式如式(2)所示。

隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值根據(jù)已有研究資料確定[5,20]，見表2。然后，根據(jù)以上公式和轉(zhuǎn)折點(diǎn)計(jì)算得出各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度值。

表2 各指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

1.4.2 土壤綜合肥力指數(shù)的計(jì)算 首先參照姚榮江等[21]的方法，根據(jù)公式(3)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

式中：r′為某一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其它指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值，∑r′為所有同類評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和。

然后參照孫波等[17]的方法，根據(jù)公式(4)～(6)計(jì)算出每塊樣地的綜合肥力指數(shù)FI。

式中：N表示養(yǎng)分狀況指標(biāo)隸屬度集合，E表示土壤環(huán)境指標(biāo)隸屬度集合，W表示權(quán)重，n和e表示兩類指標(biāo)的隸屬度值，i和j表示兩類指標(biāo)的序數(shù)，分別為1～5和1～8。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016和Statistica 12.5軟件進(jìn)行指標(biāo)隸屬度計(jì)算、圖表制作和相關(guān)分析；采用變異系數(shù)來分析土壤肥力指標(biāo)的變異程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤松林地土壤的養(yǎng)分特性

由表3可以看出，供試赤松林地土壤有機(jī)質(zhì)平均值為26.34 g/kg，變幅為12.10～71.20 g/kg，除8.57%樣地為“高”等級(jí)之外，其余樣地的有機(jī)質(zhì)含量均為中等水平，處于10～50 g/kg之間。由測(cè)定結(jié)果可知，供試土壤全氮含量處于0.04%～0.29%，其中62.85%和34.29%林地土壤分別屬于中、高等級(jí)，僅有2.86%處于低水平。有效氮含量的變幅較大，最高值為最低值的17.5倍，等級(jí)分布規(guī)律與全氮相似，絕大多數(shù)處于中、高等級(jí)。土壤有效磷含量變幅也很大，處于0.6～26 mg/kg之間；除31.43%屬于“中”或“高”水平，其他土壤有效磷含量均處于“低”等級(jí)。土壤有效鉀整體含量不高，平均值為48.54 mg/kg，變幅為20～111 mg/kg，88.57%屬于中等水平。結(jié)果表明，山東省赤松人工林土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮和有效鉀含量整體上均處于中等水平。相比之下，土壤有效磷含量較低，平均值僅為4.10 mg/kg。

變異系數(shù)反映了指標(biāo)的敏感性，變異系數(shù)越大表明該指標(biāo)對(duì)差異性也越敏感，超過100%為強(qiáng)變異，低于10%為弱變異，處于10%～100%則為中等變異[22]。由表3可以看出，在5個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)中，有效磷的變異系數(shù)最大，為強(qiáng)變異；其余4個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)比較接近，均為中等程度變異，這說明供試赤松林地有效磷在不同采樣點(diǎn)間的變異較大，其余養(yǎng)分指標(biāo)總體上較為穩(wěn)定。

表3 供試赤松人工林土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2 赤松林地土壤的物理和化學(xué)環(huán)境特性

由表4可以看出，在8個(gè)土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)中，土壤pH和粘粒含量的變異系數(shù)低于10%，呈弱變異，說明山東省赤松人工林土壤pH和粘粒含量相對(duì)較為穩(wěn)定。其余指標(biāo)均為中等變異，變異系數(shù)相對(duì)較高的為CEC和EC。

由分析結(jié)果可知，供試赤松林地土壤pH變化范圍為pH 4.66～6.05，平均值為pH 5.30，均表現(xiàn)為酸性(pH 4.5～6.5)。供試土壤EC的變幅為19.6～115.6 μS/cm，均處于“很低”等級(jí)。從表4可以看出，赤松人工林地土壤CEC平均值為8.85 cmol/kg，整體均值處于“低”等級(jí)，只有31.43%處于適中水平。測(cè)試結(jié)果表明，魯中、魯東山地赤松人工林土壤容重變幅為0.94～1.66 g/cm3，其中74.54%樣地的土壤容重處于“適中”等級(jí)，處于“較高”和“較高”等級(jí)的均為11.43%，另有2.86%處于“很低”水平。在本研究中，供試土壤孔隙度處于“適中”等級(jí)的占65.71%，其余20%和14.29%分別處于“較低”和“較高”水平，說明供試林地土壤的孔隙度整體上比較適宜，通透性較強(qiáng)。94.29%供試赤松樣地的土層厚度處于適中水平，變幅為18.2～75.0 cm。土壤粘粒含量的平均值僅為9.35%，除2.86%為“較低”水平處，其余均為“很低”水平。由于土壤粘粒含量較低，導(dǎo)致粉粘比相應(yīng)增加，處于“較高”和“很高”等級(jí)的分別為17.14%和42.85%，只有34.29%土樣的粉粘比為“適中”等級(jí)。

表4 赤松人工林土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.3 赤松林地土壤的綜合肥力指數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明（表5），不同樣地間的土壤綜合肥力存在較大差異，35塊供試赤松人工林樣地的土壤綜合肥力指數(shù)變幅為0.075～0.464，最高值為位于煙臺(tái)市昆崳區(qū)的15號(hào)樣地，而最低值為位于日照市東港區(qū)的19號(hào)樣地。將不同縣區(qū)的樣地進(jìn)行比較（圖1），可以看出昆崳區(qū)的赤松林土壤肥力指數(shù)平均值最大，其次為沂源縣，二者相差不大，均顯著高于其它縣區(qū)樣地；平均值最低的為煙臺(tái)市牟平區(qū)，其次為東港區(qū)，萊山區(qū)和岱岳區(qū)赤松林土壤肥力相關(guān)不大，四者之間的差異沒有達(dá)到顯著水平。從整體上看，位于淄博、泰安市的魯中山地赤松林土壤肥力指數(shù)平均值要明顯高于魯東丘陵區(qū)（包括煙臺(tái)、日照）。

圖1 不同地點(diǎn)赤松人工林的土壤綜合肥力

表5 供試赤松人工林土壤綜合肥力指數(shù)

2.4 林分密度對(duì)赤松人工林土壤綜合肥力的影響

將赤松林分密度與林地土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，二者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.484，達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。從圖2可以看出，隨林分密度的增加，赤松人工林土壤綜合肥力指數(shù)出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，表明赤松人工林密度過大會(huì)在一定程度上降低林地土壤肥力。

圖2 林分密度對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)的影響

3 結(jié)論

（1）山東省赤松人工林有效磷在不同樣地間的差異較大，變異系數(shù)最大，屬強(qiáng)變異；而土壤pH和粘粒含量相對(duì)較為穩(wěn)定，為弱變異，其余指標(biāo)均為中等變異。在土壤養(yǎng)分指標(biāo)中，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮和有效鉀含量整體處于適中水平，而有效磷含量相對(duì)較低，平均含量?jī)H為4.10 mg/kg。

（2）在土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)中，供試赤松林地土壤表現(xiàn)為酸性，平均值pH 5.30；土壤EC和CEC均整體較低；供試樣地的土壤容重和孔隙度處于“適中”等級(jí)的分別為74.54%和65.71%；所有樣地的土層厚度均處于適中水平；土壤粘粒含量的平均值僅為9.35%，均處于“較低”或“很低”等級(jí)，導(dǎo)致粉粘比相對(duì)較高。

（3）不同樣地間的土壤綜合肥力存在較大差異，以煙臺(tái)市昆崳區(qū)和淄博市沂源縣赤松林土壤綜合肥力最高，顯著高于其他縣區(qū)；魯中山地赤松林的土壤綜合肥力指數(shù)要高于魯東丘陵區(qū)。相關(guān)分析表明，赤松林分密度與土壤綜合肥力指數(shù)之間存在顯著負(fù)相關(guān)性。

4 討論

土壤綜合肥力不能直接測(cè)定，可通過土壤肥力指標(biāo)來間接推測(cè)。在進(jìn)行林地土壤肥力評(píng)價(jià)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法起到關(guān)鍵作用。孫波等[17]認(rèn)為，土壤肥力應(yīng)包括兩個(gè)有機(jī)結(jié)合的部分，即土壤的養(yǎng)分狀況以及土壤在供應(yīng)植物生理所需物質(zhì)時(shí)所處的環(huán)境條件。本研究主要從代表性、可比性、易測(cè)性等多方面考慮，選取了5個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)和8個(gè)土壤物理和化學(xué)環(huán)境指標(biāo)，均是在土壤肥力評(píng)價(jià)中使用較多的主要指標(biāo)?？紤]到土壤酶活性、微生物數(shù)量等生物學(xué)指標(biāo)受人為和環(huán)境因素影響較大，在不同地點(diǎn)的空間變異性大，缺乏可比性，因此本研究沒有選用這類指標(biāo)。

在土壤肥力評(píng)價(jià)中，一般都是利用多項(xiàng)土壤指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判。目前國內(nèi)外常用的評(píng)價(jià)方法主要有模糊數(shù)學(xué)法、肥力指數(shù)法、層次分析法、質(zhì)量模型法、因子分析法等[1,23-24]。本研究選用了國外均使用較多的肥力指數(shù)法，對(duì)山東省赤松人工林土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)林地土壤肥力狀況。

本研究結(jié)果表明，隨林分密度增加，赤松林地土壤綜合肥力有降低趨勢(shì)。赤松人工林在林分密度較低時(shí)，林下植被豐富，根系對(duì)土壤的切割作用較強(qiáng)，會(huì)提高土壤透氣保水能力[25]。在林分密度較低時(shí)，赤松林木地上部生物量增加，枯落物也相應(yīng)較多，分解的有機(jī)酸有利于活化土壤養(yǎng)分，同時(shí)提高了土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量。而林分密度過大則會(huì)加速林木根系吸收土壤養(yǎng)分，降低林內(nèi)凋落物在土壤中的分解速率，減少了返回給土壤的養(yǎng)分，從而導(dǎo)致林地土壤肥力有所下降[26-27]。