鄉(xiāng)土樹種在三亞退化山地的早期土壤肥力研究

何書奮，麥志通，蔡開朗，曾德華，洪文君

（三亞市林業(yè)科學(xué)研究院，海南 三亞 572000）

土壤是植物正常生長的基礎(chǔ)，為植物生長提供所需的必要水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素，其土壤理化性質(zhì)是反映植物土壤肥力的重要指標(biāo)［1］。土壤微生物生物量是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，土壤微生物生物量碳和微生物氮數(shù)量均是反映土壤為地上植被的生長發(fā)育提供良好環(huán)境能力的指示因子之一，在有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)和植物營養(yǎng)等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［2-4］。而退化山地長期土壤貧瘠且板結(jié)，僅能生長著雜草，導(dǎo)致其生態(tài)功能低［5］。退化山地的生態(tài)系統(tǒng)在人為積極干擾下的自然再生能力與生態(tài)修復(fù)能力更多重視造林樹種的保存率和生長量，但針對應(yīng)用鄉(xiāng)土樹種恢復(fù)退化山地過程中土壤變化的關(guān)系少見報(bào)道。因此，了解土壤理化性質(zhì)和微生物生物量是退化山地植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子，對評價植被修復(fù)和土壤養(yǎng)分的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

應(yīng)用鄉(xiāng)土樹種進(jìn)行造林不僅促進(jìn)鄉(xiāng)土樹種的生態(tài)保護(hù)，而且提高退化山地的生物多樣性［6］。人工造林是促進(jìn)退化山地森林恢復(fù)的有效手段［7］。研究表明，鄉(xiāng)土樹種造林有利于土壤肥力的改良，促進(jìn)土壤微生物生物量，從而提高森林質(zhì)量［3，8-9］。因此，研究鄉(xiāng)土樹種改良土壤肥力的變化具有重要的意義。目前，研究者對海南鄉(xiāng)土樹種的應(yīng)用研究做了大量工作［10-14］，但尚未見報(bào)道鄉(xiāng)土樹種改造退化山地的土壤肥力特性。本文比較7種鄉(xiāng)土樹種在三亞退化山地的土壤理化性質(zhì)和土壤微生物生物量的差異性，探討它們在三亞退化山地植被恢復(fù)中改良土壤的潛力，為當(dāng)?shù)啬酥寥A南地區(qū)退化山地、低效林和生態(tài)公益林改造與建設(shè)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究地概況

試驗(yàn)地位于三亞市天涯區(qū)三亞市林業(yè)科學(xué)研究院（18°21'N，108°56'E）。三亞為熱帶海洋季風(fēng)氣候，全年暖熱，雨量充沛，年日照時數(shù)為1 750～2 650 h，年平均氣溫26.5℃。試驗(yàn)地原有植物已被破壞，被開墾為退化山地，造林前無喬木、灌木樹種，僅零星分布雜草，土壤為輕壤土至磚紅壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量5.25 g·kg-1，全氮含量0.10 g·kg-1，全磷含量0.20 g·kg-1，全鉀含量1.58 g·kg-1，堿解氮含量20.65 mg·kg-1。

試驗(yàn)林于2019年4月造林，面積約1 hm2。試驗(yàn)地造林前為退化山地，僅分布著雜草。造林前進(jìn)行全面整地，種植油楠（Sindora glabra）、紅花天料木（Homalium ceylanicum）、海南菜豆樹（Radermachera hainanensis）、鐵刀木（Senna siamea）、假蘋婆（Sterculia lanceolata）、五月茶（Antidesma bunius）和嶺南山竹子（Garcinia oblongifolia）7個鄉(xiāng)土樹種。當(dāng)年下半年、第2年、第3年分別撫育管理1次，每株施用挪威復(fù)合肥（N：P：K=15：15：15，生產(chǎn)商：雅苒國際有限公司）0.15 kg。

2 研究方法

2.1 土壤采集

以周邊退化山地表層土壤作為對照，造林3 a后分別采集每個種和荒坡地根區(qū)表土，均取0～20 cm表層土壤。每個樹種采集5 株根區(qū)土，充分混合土樣，其中部分鮮土帶回實(shí)驗(yàn)室后置于4 ℃保存，供土壤微生物與土壤酶活性的測定；其余土樣經(jīng)過除去石塊、根系等雜物后，磨碎過篩，裝袋待測定土壤理化性質(zhì)和土壤微生物含量等。

2.2 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤自然含水率采用鋁盒烘干法測定；土壤pH值采用玻璃電極法測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；土壤全氮采用開氏-蒸餾滴定法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰原子吸收分光光度法測定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液測定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定；采用1 mol·L-1中性NH4OA 溶液浸提土壤速效鉀，土壤速效鉀火焰光度法測定；具體測定方法參見魯如坤［15］，所有樣品做3個平行，取平均值作為樣品的最終測定結(jié)果。

2.3 土壤微生物的測定

土壤微生物生物量碳（Cmic）和微生物生物量氮（Nmic）采用氯仿熏蒸浸提法測定。Cmic和Nmic計(jì)算方法如下：Cmic=2.22 EC，Nmic=2.22 EN，式中，EC、EN分別為熏蒸和未熏蒸土樣浸提液的有機(jī)碳、全氮的差值；2.22 為校正系數(shù)［15］，所有樣品做3 個平行，取平均值作為樣品的最終測定結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010 進(jìn)行初步處理，通過SPSS 21.0 軟件的單因素方差分析（one-way ANOVA）比較檢驗(yàn)和相關(guān)性分析；以各土壤特征指標(biāo)通過CANOCO4.5 軟件完成主成分分析（Principal component analysis，PCA）。

采用模糊隸屬函數(shù)法對不同樹種的土壤改良作用能力進(jìn)行綜合評定。X（u）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；式中：X（u）為某一樹種在某一土壤因子的隸屬函數(shù)值；X 為該植物在某一土壤因子的平均測定值；Xmax和Xmin分別為所有土壤因子在該樹種平均測定值中的最大值和最小值。

3 結(jié)果與分析

3.1 造林樹種的土壤物理性質(zhì)比較

由表1可見，造林樹種區(qū)域和非造林地土壤pH為弱酸性（6.19～6.21），兩塊區(qū)域的土壤含水率、土壤容重、土壤電導(dǎo)率均存在一定差異。造林樹種區(qū)域土壤含水率（14.27%）、土壤容重（1.25 g·cm-3）、土壤電導(dǎo)率（65.38 μS·cm-1）均顯著高于對照。

表1 造林樹種的土壤物理性質(zhì)Tab.1 The soil physical properties of afforestation tree species

3.2 造林樹種土壤化學(xué)性質(zhì)的比較

由表2可知，海南菜豆樹等7 個樹種根區(qū)土的土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均高于對照。7 個樹種的土壤有機(jī)質(zhì)含量在12.85～20.89 g·kg-1之間，以五月茶、油楠和海南菜豆樹較高；全氮含量在0.10～0.15 g·kg-1之間，各樹種間差異不明顯，但海南菜豆樹、五月茶和嶺南山竹子的土壤堿解氮含量顯著高于其它樹種，反映這些樹種的土壤肥力較高。

表2 造林樹種的土壤化學(xué)性質(zhì)的比較Tab.2 Comparison of soil chemical properties of afforestation tree species

造林樹種根區(qū)土的土壤全磷含量在0.08～0.77g·kg-1之間，變化差異較大，而土壤有效磷含量以海南菜豆樹和五月茶較高。與全國水平土壤全鉀含量4.15～20.75 g·kg-1［16］比較，7個造林樹種的全鉀含量均屬于很低水平；以許聯(lián)芳等［17］土壤速效鉀含量為劃分標(biāo)準(zhǔn)，7 個造林樹種的速效鉀含量在23.19～57.27 mg·kg-1之間，為嚴(yán)重缺鉀量型（速效鉀含量＜80 mg·kg-1）土壤。

3.3 造林樹種土壤微生物生物量的比較

土壤微生物生物量檢測結(jié)果顯示（表3），7個造林樹種土壤微生物碳和土壤微生物氮含量均高于對照。海南菜豆樹的微生物生物量碳含量最高，為429.36 mg·kg-1，鐵力木次之，嶺南山竹子最低；土壤微生物生物量氮含量也以海南菜豆樹最高，為38.47 mg·kg-1，五月茶次之，紅花天料木最低。從微生物生物量C/N 比值來看，除五月茶，其它樹種C/N比值高于對照，紅花天料木和海南菜豆樹C/N 比值較高。方差分析結(jié)果表明，海南菜豆樹微生物生物量碳含量顯著高于其它樹種和對照，海南菜豆樹、五月茶和鐵刀木微生物生物量氮含量顯著高于其它樹種和對照。

表3 造林樹種土壤微生物生物量的比較Tab.3 Comparison of soil microbial biomass of afforestation tree species

3.4 造林樹種土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物生物量PCA分析

PCA 分析結(jié)果顯示，第一和第二主成分的累積貢獻(xiàn)率為84.1%。PCA1 主要反映的是土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和土壤微生物生物量氮因子，PCA2主要反映的是速效鉀、土壤微生物生物量C/N 比值、土壤微生物生物量碳、pH、全氮、全磷因子。第一排序與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀和全磷呈正相關(guān)，與其它因子呈負(fù)相關(guān)。

由圖1還可知，假蘋婆、鐵刀木和油楠能較好聚為一類，主要影響因子有速效鉀、pH、全氮和全磷；海南菜豆樹和嶺南山竹子能較好聚為一類，主要影響因子為堿解氮、全鉀和微生物氮；五月茶和紅花天料木各為一類。

圖1 造林樹種土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物生物量PCA分析Fig.1 PCA biplot of soil physical and chemical characteristics，soil microbial biomassof afforestation tree species

3.5 造林樹種土壤肥力的綜合評價

應(yīng)用土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物10 個因子進(jìn)行的模糊隸函數(shù)值綜合分析，比較造林樹種的土壤改良作用。結(jié)果顯示，7 個造林樹種在早期生長過程中均能較好地改善土壤肥力。其平均隸屬函數(shù)值在0.45～0.51 之間，以海南菜豆樹最大，紅花天料木次之，嶺南山竹子最?。ū?）。

表4 基于模糊隸屬函數(shù)值對造林樹種模式的綜合評價Tab.4 Comprehensive assessments of afforestation tree species based on subordinate function values

4 討論與結(jié)論

路嘉麗等［18］研究表明不同樹種均能顯著影響土壤各理化指標(biāo)，土壤養(yǎng)分含量高的樹種具有較好的土壤肥力維持能力。本研究結(jié)果顯示，造林3a后，早期造林樹種區(qū)域的土壤物理性質(zhì)含水率、電導(dǎo)率高于非造林區(qū)；土壤化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和堿解氮含量也高于非造林區(qū)，但不同樹種間的土壤肥力元素含量存在差異。與洪文君等［7］、陳文靜［19］、Zhang 等［20］、方怡然等［21］研究結(jié)果一致，表明了這些鄉(xiāng)土樹種可改善土壤環(huán)境和提高土壤肥力。土壤堿解氮是土壤有效氮的主要形式，能反映土壤可供植物生長利用的有效氮素［22］。本研究結(jié)果顯示，海南菜豆樹、五月茶和嶺南山竹子在早期造林中土壤堿解氮含量顯著高于其它樹種，反映了它們根區(qū)土的具有較高的土壤肥力，從而促進(jìn)其生長。研究表明，速生性樹種對磷和鉀的需求量大［23-24］，但較高的土壤pH 值會影響植物吸收磷素含量減少［25］。本研究中，所應(yīng)用的7 個造林樹種土壤全磷含量較高，但有效磷和速效鉀含量低，可能與造林地土壤pH 有關(guān)。因此，在早期造林過程中，應(yīng)及時施用傳統(tǒng)肥料以滿足樹種生長需求及改善土壤理化性質(zhì)。

土壤有機(jī)質(zhì)在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著關(guān)鍵性作用，主要表現(xiàn)為對土壤微生物生物量含量的影響［26］。本研究結(jié)果顯示，不同樹種根區(qū)土的土壤微生物含量差異較大，所應(yīng)用的鄉(xiāng)土樹種土壤微生物生物量低于華南地區(qū)相思人工林［27］，但高于海南省文昌市橡膠林［28］，其原因與人工經(jīng)營林分措施（間伐或施肥）有關(guān)。人工經(jīng)營措施有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，對植物根區(qū)土的土壤微生物量碳產(chǎn)生較大的影響。研究結(jié)果表明，7 個造林樹種的土壤微生物生物量碳和氮含量均高于非造林，反映這些樹種所在區(qū)域能較好地將植物殘?bào)w數(shù)量歸還給土壤，其可能原因與該地區(qū)的土壤溫濕度有關(guān)［29-31］。陳宏峻等人［32］研究結(jié)果也揭示土壤微生物生物量反映土壤的肥力狀況和能量代謝旺盛的程度。本研究結(jié)果，海南菜豆樹和五月茶的土壤微生物生物量較高，促進(jìn)土壤土壤微生物活躍度，從而提高土壤肥力。

PCA 分析結(jié)果表明，海南菜豆樹等7 個鄉(xiāng)土樹種的土壤理化性質(zhì)與土壤微生物生物量存在顯著相關(guān)性，與張浩等［33］研究表明香港人工林的結(jié)果一致。本研究中造林樹種的土壤肥力主要影響因子為有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和土壤微生物生物量氮，但每個樹種的主要影響因子不同，表明了不同樹種改善土壤肥力能力存在一定差異。Galloway［34］研究揭示了土壤肥力的組成成分決定著植物對棲息地的偏好。假蘋婆、鐵刀木和油楠土壤肥力的影響因子為有速效鉀、pH、全氮、全磷、微生物碳、微生物C/N 比值，海南菜豆樹和嶺南山竹子主要影響因子為堿解氮、全鉀和微生物氮，五月茶為速效磷和有機(jī)質(zhì)因子，紅花天料木為微生物碳、微生物C/N 比值因子。通過隸屬函數(shù)值分析結(jié)果表明，造林樹種改善土壤肥力能力以海南菜豆樹，紅花天料木次之，嶺南山竹子最小。該研究結(jié)果將為海南退化山地植被恢復(fù)、華南地區(qū)低效林和生態(tài)公益林改造與建設(shè)提供重要的參考依據(jù)。