廣西國有派陽山林場桉樹人工林土壤肥力質(zhì)量評價(jià)

張 智，安 冰，付 軍，黃彩枝，陳 虎，魏國余

(1.廣西國有派陽山林場，廣西 寧明 532502；2.廣西林業(yè)科學(xué)研究院國家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心/廣西馬尾松工程技術(shù)研究中心,南寧 530002)

【研究意義】土壤是林業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]，在大面積速生人工林培育過程中由于掠奪式經(jīng)營和不合理使用農(nóng)藥和化肥，已導(dǎo)致林地土壤酸化、沙化、退化和污染，且其地力逐年下降，致使林地生產(chǎn)力難以維持[2]。廣西國有派陽山林場(以下簡稱派陽山林場)地處廣西十萬大山余脈，屬于桂南南亞熱帶赤紅壤地帶，現(xiàn)有林地經(jīng)營面積3.5×104hm2，森林蓄積量289.0×104m3，森林覆蓋率88.1%；2013—2019年，速生桉更新造林累計(jì)10479.20 hm2，現(xiàn)有桉樹人工林14527.62 hm2，蓄積量約146.3×104m3，分別占用材林總量的47.3%和46.2%。大面積桉樹人工林培育是否引起土壤退化和土壤肥力下降已受到高度關(guān)注，因此全面調(diào)查分析派陽山林場森林的土壤肥力水平和養(yǎng)分豐缺狀況，對廣西各林區(qū)合理利用林地資源及充分發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】建立森林土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫，監(jiān)測和分析森林土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)[3]，探究人工林培育過程中的肥力需求狀況，研發(fā)及推廣專用配方肥[4]，進(jìn)一步改善人工林地力，充分發(fā)揮林地生產(chǎn)力并為林地的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[5]，是當(dāng)前林業(yè)發(fā)展迫在眉睫的研究課題。精準(zhǔn)施肥是桉樹精細(xì)化種植的核心內(nèi)容之一，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和資源等綜合效益最大化[6-7]。目前，應(yīng)用較廣泛的土壤肥力評價(jià)方法包括灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分分析(PCA)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法等[8]。其中，主成分分析法是一種合理、實(shí)用、科學(xué)的土壤肥力評價(jià)方法，其優(yōu)勢是能客觀確定變量權(quán)數(shù)，避免主觀隨意性[9]，在環(huán)境脆弱性評價(jià)、水土保持功能評價(jià)和土壤肥力質(zhì)量評價(jià)等方面應(yīng)用廣泛且評價(jià)結(jié)果合理[10]。唐健等[11]研究表明，桉樹長期連栽使得廣西桉樹人工林土壤呈酸化趨勢，土壤pH下降4.14%，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷和速效鉀含量均顯著下降。黃海娟[12]研究結(jié)果顯示，桉樹人工林土壤肥力質(zhì)量整體不高，管理與施肥過程中應(yīng)注意磷、鉀、銅和硼元素的補(bǔ)充。石媛媛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，廣西南亞熱帶地區(qū)土壤黏重板結(jié)，土壤養(yǎng)分含量低，林木粗放經(jīng)營會加劇水土流失和土地生產(chǎn)力下降。趙雋宇等[14]研究表明，人工林長期連栽易導(dǎo)致土壤中部分養(yǎng)分元素嚴(yán)重缺失，而探究人工林土壤肥力演變和測土配方施肥技術(shù)，對解決廣西人工林地力衰退、林分生產(chǎn)力下降、病蟲害增多等實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營問題具有重要意義。孫樹晴等[15]研究認(rèn)為，橡膠林施入足夠的肥料輔與科學(xué)的田間管理措施，才能促進(jìn)微生物活動將土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為橡膠樹生長發(fā)育所需營養(yǎng)。明雪等[16]研究指出，廣西南亞熱帶地區(qū)雨熱同季，淋溶作用強(qiáng)，導(dǎo)致土壤pH持續(xù)升高，且土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，針對廣西南亞熱帶赤紅壤地帶桉樹人工林土壤肥力評價(jià)和演變的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用2019—2021年派陽山林場土壤數(shù)據(jù)庫的土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，分析其8個(gè)分場桉樹人工林的土壤容重、pH及有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和微量元素有效銅、有效鋅、有效錳、有效鐵、有效硼含量等豐缺狀況，并利用主成分分析法綜合評價(jià)不同區(qū)域桉樹人工林的土壤肥力等級，為桉樹人工林的精準(zhǔn)施肥提供數(shù)據(jù)支撐，為廣西全區(qū)尤其是大型國有林場合理利用林地資源及充分發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

派陽山林場地處桂南南亞熱帶赤紅壤地帶，境內(nèi)多低丘和高丘，一般海拔在200～600 m，林地土壤主要成土母巖為砂巖、砂頁巖、泥巖和紫色頁(砂)巖，地帶性代表土壤為磚紅壤性紅壤(赤紅壤)，在垂直帶上分布有山地紅壤(包括黃紅壤)和山地黃壤。林地土壤質(zhì)地多為壤土和粘壤土，土層厚度以厚層土(>80 cm)為主，占92.0%；受氣候和環(huán)境條件影響，林地多數(shù)土壤也表現(xiàn)出富鋁化土壤成土過程的特征。

全場8個(gè)分場林地經(jīng)營面積2.8萬hm2的地域內(nèi)的土壤分為赤紅壤(磚紅壤性紅壤)、山地紅壤(含黃紅壤)、山地黃壤和紫色土4種土壤類型。其中，赤紅壤是林場的主要土壤類型，各分場均有分布，面積占比較大，其表土層(腐殖質(zhì)層)呈紫棕和灰棕色，心土層(淀積層)呈黃棕和棕紅色，土壤結(jié)構(gòu)為粒狀和小塊狀，層次過度明顯，土體較緊實(shí)，質(zhì)地為中壤至重壤土，土壤養(yǎng)分中等；山地紅壤(含黃紅壤)主要分布在鴻鴣、公武和岑勒等分場，土層深厚，表土層(腐殖質(zhì)層)呈棕色、灰棕色，心土層呈棕紅色；山地黃壤僅見于南部公武分場的公母山和東部墨格嶺海拔800 m以上區(qū)域，約占全場林地總面積的1.24%，其表土層較淺薄，顏色呈暗棕色或黑棕色，心土層呈黃色或淡棕黃色，土壤結(jié)構(gòu)為粒狀和塊狀，質(zhì)地為中壤至輕粘土，林木生長困難；紫色土主要分布于那賴、念克、公武分場，海拔均在500 m以下，占全場林地總面積的0.95%，以紫色為基本色調(diào)，土壤剖面上下呈色較均一，土層較淺薄，厚度為薄至中土，多為團(tuán)狀或塊狀結(jié)構(gòu)、質(zhì)地松至稍緊，為中壤至重壤，土壤肥力總體較低。

1.2 數(shù)據(jù)來源

從廣西林業(yè)科學(xué)研究院新型肥料研發(fā)中心開發(fā)的“廣西國有派陽山林場林地土壤數(shù)據(jù)庫”中提取2019—2021年派陽山林場桉樹人工林土壤數(shù)據(jù)，共350個(gè)樣點(diǎn)，4000個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)。該數(shù)據(jù)庫建設(shè)于2014年，采用網(wǎng)格化布點(diǎn)方法在派陽山林場共布設(shè)土壤樣點(diǎn)450個(gè)，采集樣品6368個(gè)。其土樣為以S形取樣法采集的0～20和20～40 cm土壤，釆集時(shí)剔除侵入物，土樣混合后經(jīng)四分法收集1.0 kg土壤自然風(fēng)干，做好標(biāo)記后裝入密封袋備檢[12]。氣象數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載，利用反向距離加權(quán)平均法，內(nèi)插出全區(qū)空間分辨率為500 m×500 m的空間分布數(shù)據(jù)集，采用其年均降水量(mm)、氣溫(℃)和>10 ℃積溫(℃)數(shù)據(jù)。

1.3 分析項(xiàng)目及方法

主要肥力評價(jià)指標(biāo)包括土壤容重、土壤總孔隙度和土壤毛管持水量3項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)和土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和交換性鈣、鎂、硼、銅、鋅含量等13項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，均參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[13]的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制表，以SPSS 17.0 進(jìn)行方差分析和主成分分析，使用ArcGIS 10.2制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

土壤檢測結(jié)果(表1)表明，派陽山林場桉樹人工林的土壤容重平均為1.37 g/cm3，土壤總孔隙度平均為46.72%，土壤毛管持水量平均為17.64%～54.95%。土壤pH為3.80～5.98，平均為4.77，呈酸性；有機(jī)質(zhì)含量平均為20.07 g/kg，屬三級水平；全氮含量平均為0.82 g/kg，堿解氮含量平均為69.09 mg/kg，均屬于四級水平；全磷含量平均為0.21 g/kg，有效磷含量平均為3.98 mg/kg，分別屬于四級和五級水平；全鉀含量平均為8.29 g/kg，速效鉀含量平均為61.88 mg/kg，均屬于四級水平。全氮、全鉀、全磷、堿解氮和速效鉀含量均低于三級中等水平，屬于較缺乏等級，有效磷含量屬于缺乏等級。

表1 派陽山林場桉樹人工林的土壤養(yǎng)分情況

2.2 派陽山林場桉樹人工林土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量評價(jià)

中國科學(xué)院資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心氣象數(shù)據(jù)提取結(jié)果顯示，派陽山林場年均氣溫21.92 ℃、>10 ℃積溫7892.36 ℃，年均降水量1656.45 mm，氣候類型結(jié)合土壤類型表現(xiàn)出高溫、高濕、高酸及中肥特性。從表1可看出，林場桉樹人工林土壤總體偏緊實(shí)，透水性、透氣性、導(dǎo)熱性和緊實(shí)度中等，多數(shù)林地土壤具有較強(qiáng)的持水性能；除有機(jī)質(zhì)和有效銅含量處于三級水平、有效磷和有效硼含量處于五級缺乏水平外，其他養(yǎng)分含量均處于四級較缺乏水平。

2.3 派陽山林場轄屬分場桉樹人工林的土壤養(yǎng)分等級劃分

相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量間的相關(guān)系數(shù)均大于0.750，相互間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，下同)；速效磷含量與其他指標(biāo)間均呈負(fù)相關(guān)，其中與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明通過調(diào)整有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量可有效調(diào)控速效磷含量。

表2 派陽山林場桉樹人工林主要土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)矩陣

根據(jù)派陽山林場的分場區(qū)劃，分別提取各分場2019—2021年桉樹中小徑材工業(yè)原料林主要土壤養(yǎng)分含量均值(表3)進(jìn)行主成分分析。經(jīng)巴特利特(Bartlett)檢驗(yàn)，KMO檢驗(yàn)(Kaiser-Meyer-Olkin)值為0.783，說明該數(shù)據(jù)較適合用于主成分分析。

表3 派陽山林場各分場桉樹人工林主要土壤養(yǎng)分含量的平均值對比

根據(jù)主成分分析結(jié)果(表4)，按照特征值>1.000為提取主成分最有利原則提取的2個(gè)主成分特征根λ1=3.954、λ2=1.245，其方差貢獻(xiàn)率分別為65.903%和20.745%，累積貢獻(xiàn)率為86.647%，說明提取的2個(gè)主成分包括了原始數(shù)據(jù)86.647%的信息，可代表原始數(shù)據(jù)信息。各主成分的線性函數(shù)表達(dá)式為：

F1=0.245X1+0.239X2+0.225X3-0.045X4-0.223X5+0.182X6

F2=-0.090X1+0.180X2+0.024X3+0.758X4-0.293X5-0.318X6

將標(biāo)準(zhǔn)化處理的土壤養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算各區(qū)域得分(F1和F2)，再根據(jù)公式獲得函數(shù)表達(dá)式(F綜)，求得各分場土壤肥力的綜合得分F綜(表5)。

公式F=ΣzjFj=z1F1+z2F2+z3F3+…+zkFk(z為貢獻(xiàn)率，k表示F1、F2、......，直到第n個(gè)F)

表達(dá)式F綜=0.65903F1+0.20745F2

從表5可以看出，派陽山林場各分場桉樹中小徑材工業(yè)原料林的土壤肥力綜合得分排序?yàn)槠殖欠謭?公武分場>岑勒分場>北山分場>念克分場>鴻鴣分場>大王山分場>那賴分場；與表1中全場桉樹人工林土壤養(yǎng)分指標(biāo)平均值對比，浦城分場的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量較高，公武分場的全氮和全磷含量較高，岑勒分場的各項(xiàng)指標(biāo)與全場桉樹人工林相應(yīng)指標(biāo)的平均值持平，其他分場的各項(xiàng)指標(biāo)均低于全場桉樹人工林相應(yīng)指標(biāo)的平均值。

表4 解釋的總方差及各主成分得分

表5 派陽山林場不同分場土壤養(yǎng)分的主成分得分及綜合得分

在2021年派陽山林場的各分場中，公武分場、那賴分場和鴻鴣分場的桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育面積和蓄積量排名前三位(表6)，其中，該3個(gè)分場的桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育面積分別占全場總培育面積的30.55%、16.59%和14.32%，蓄積量分別占全場總蓄積量的28.00%、18.67%和16.08%，土壤等級分別為第2、第8和第6，而大王山分場的桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育面積和蓄積量均最低，僅分別占全場培育面積和蓄積量總量的2.51%和2.99%，土壤等級為第7。說明桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育未科學(xué)考量土壤養(yǎng)分情況，沒有依從適地適樹的培育原則。

表6 派陽山林場不同分場桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育面積和蓄積量比較

此外，除土壤肥力排名前三位的浦城、公武和岑勒分場(表5)外，其他5個(gè)分場桉樹中小徑材工業(yè)原料林培育面積和蓄積量分別占全場50.06%和53.07%(表6)，其主要土壤肥力指標(biāo)均低于表1中的全場桉樹人工林相應(yīng)指標(biāo)的平均值，說明以培育小徑材為主的紙漿材林和人造板原料林的土壤主要養(yǎng)分含量均較低，其中全磷含量低于或等于0.20 g/kg(表3)，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)處于六級最低等次，為極度缺磷水平。說明桉樹速生階段對土壤肥力要求高，中小徑材培育模式更易引起土壤肥力衰退。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，派陽山林場主要土壤質(zhì)地為黏壤土和壤土，林地土體較緊實(shí)，透水性、透氣性、導(dǎo)熱性中等，呈酸性至強(qiáng)酸性，有機(jī)質(zhì)和有效銅含量屬三級(中等)水平，全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、交換性鎂和交換性鈣含量均屬于四級(中等)水平，有效磷和有效硼含量屬于五級(較低)水平，土壤類型結(jié)合氣候類型表現(xiàn)出高溫、高濕、高酸及中肥特性。

根據(jù)唐健等[11]的研究結(jié)果，土壤pH低于6.0時(shí)，磷酸和鈣或鐵、鋁形成遲效態(tài)，有效性降低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分中的鈣、鎂和鉀易代換和易淋失；土壤微生物適宜的pH為6.5～7.5，酸性會抑制土壤微生物活動，從而影響氮素及其他養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)。明雪等[16]、曹丹等[17]研究表明，土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，有效調(diào)整土壤pH對防治土壤逐年酸化具有重要意義。除了受母質(zhì)類型影響外，在強(qiáng)酸性的林地土壤中，較多的鐵、鋁離子經(jīng)過與磷結(jié)合后容易形成難溶的磷酸鐵、磷酸鋁，從而導(dǎo)致磷素失去有效性。本研究中，派陽山林場所在地雨熱同季、高溫多雨的氣候特征使得其土壤淋溶作用強(qiáng)烈，鹽基離子易被氫離子取代形成鹽基不飽和土壤，導(dǎo)致土壤呈酸性甚至強(qiáng)酸性。針對本研究中桉樹人工林的氣候特征和土壤特性，加大有機(jī)肥投入，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，可減少其交換性鋁離子含量，緩解土壤酸化，有效減少養(yǎng)分流失，提升林地土壤肥力[18-20]。劉永賢等[21]研究表明，全氮含量取決于有機(jī)質(zhì)的生物積累和水解作用，堿解氮含量取決于有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量，有機(jī)質(zhì)含量越豐富，熟化程度越高，全氮和堿解氮含量就越高，反之則越低。唐健等[11]研究表明，長期高強(qiáng)度的桉樹人工林粗放經(jīng)營方式對廣西桉樹主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變具有明顯的負(fù)效應(yīng)，土壤酸化趨勢明顯，有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀等養(yǎng)分含量顯著下降，磷含量出現(xiàn)極度缺乏的現(xiàn)象。因此，在桉樹人工林經(jīng)營中重視利用測土配方施肥技術(shù)培育桉樹大徑材林，是實(shí)現(xiàn)桉樹可持續(xù)經(jīng)營的有效途徑。

本研究中，派陽山林場中小徑材工業(yè)原料林面積占桉樹人工林總面積的大部分，中小徑材工業(yè)原料林土壤主要養(yǎng)分含量總體上較桉樹人工林土壤明顯下降，磷元素含量出現(xiàn)極度缺乏現(xiàn)象，與劉永賢等[20]對廣西其他工業(yè)林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變特征的研究結(jié)果一致。趙雋宇等[14]研究認(rèn)為，在亞熱帶紅壤地帶缺磷富鋁的酸性土壤中，磷以Al-P、Fe-P和Ca-P 等無機(jī)形態(tài)為主，桉樹可吸收利用的有效態(tài)偏少，中小徑材林培育模式下磷含量不足進(jìn)一步加劇。劉永賢等[21]、許宇星等[22]研究結(jié)果表明，桂南地區(qū)雨季時(shí)間長，暴雨較多，土壤有機(jī)質(zhì)積累緩慢，土壤養(yǎng)分流失速度快，本研究也得到相似的結(jié)果。譚宏偉等[23]研究認(rèn)為，桉樹速生階段對土壤肥力要求高，中小徑材培育模式更容易引起土壤肥力衰退，本研究結(jié)果與其相似。

本研究僅依據(jù)測定的16項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行桉樹人工林土壤質(zhì)量評價(jià)，缺乏對生物學(xué)和生態(tài)學(xué)指標(biāo)的評價(jià)內(nèi)容，也未將微生物群落多樣性、酶活性、人工林地中的林下植被多樣性等納入評價(jià)體系，因此存在一定的局限性[24-26]。在今后的研究中，應(yīng)進(jìn)一步探究派陽山林場各區(qū)域其他主要造林樹種、鄉(xiāng)土樹種及不同栽培模式對土壤肥力的影響，從而得到更準(zhǔn)確的土壤肥力演變特征和質(zhì)量評價(jià)結(jié)果。

4 結(jié) 論

桉樹中小徑材培育模式下廣西國有派陽山林場土壤肥力更易衰退，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)測土配方施肥技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)施肥，增大混交林、大徑材工業(yè)原料林培育面積、減少使用酸性肥料、增施有機(jī)肥和緩釋肥，以保障桉樹人工林的速生豐產(chǎn)和可持續(xù)經(jīng)營。