不同林齡對亞熱帶尾葉桉人工林土壤養(yǎng)分影響研究

顏權(quán) 彭志中 黃佳余 趙雋宇 陸星任 林海能

摘要：以廣西南寧高峰林場一年生、兩年生、三年生尾葉桉人工林為研究對象，測定分析了14項土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，通過主成分分析篩選出最小數(shù)據(jù)集，并運用隸屬度函數(shù)進行了土壤質(zhì)量評價。結(jié)果表明：不同林齡大部分土壤物理、化學(xué)性質(zhì)差異顯著，隨著林齡增長，土壤容重顯著升高，土壤pH值、孔隙度顯著下降。二年生尾葉桉在有機質(zhì)、全鉀含量上優(yōu)于一年生、三年生尾葉桉林地。土壤質(zhì)量評價結(jié)果顯示，二年生（0.578）>三年生（0.535）>一年生（0.461），土壤質(zhì)量隨著林齡增長先升高，后下降。建議在3年以上的尾葉桉林地及時進行追肥，以達到尾葉桉林地的速豐、增產(chǎn)目的。

關(guān)鍵詞：不同林齡;尾葉桉;亞熱帶;土壤養(yǎng)分

中圖分類號：$758 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0013-04

1引言

尾葉桉（Eucalyptus urophylla）是一種速豐的桉屬樹種，在我國南方種植較為普遍，屬于主要經(jīng)濟樹種。廣西地處亞熱帶，氣候條件溫和，降雨量充沛，適宜種植桉樹人工林，其在廣西快速發(fā)展，顯著提升了種植區(qū)域農(nóng)民的生活水平，具有巨大的經(jīng)濟、社會效益。但是在大面積的種植桉樹過程中，部分生態(tài)、環(huán)境問題逐步暴露。首當(dāng)其沖就是土壤退化問題。桉樹人工林林下植被較少，枯枝落葉種類少層面薄，在雨量充沛的季節(jié)容易造成水土流失，土壤養(yǎng)分顯著下降。土壤質(zhì)量評價是包含了土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的綜合評價，能反映耕作方式、施肥管理等林地經(jīng)營水平的問題。對不同林齡尾葉桉林地進行土壤質(zhì)量評價，便于實際生產(chǎn)經(jīng)營中及時補充缺少的養(yǎng)分元素，為桉樹人工林增產(chǎn)、土壤改良、可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。土壤質(zhì)量評價方法較多，由于不同的評價目的以及評價對象不同，所選擇的方法也不同。同時，土壤評價指標(biāo)的測定也有一定的局限性，由于技術(shù)、成本的限制，難以獲取所有能反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)。目前國內(nèi)外學(xué)者研究土壤質(zhì)量的方法是運用最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）與模糊數(shù)學(xué)法（Fuzzy Mathematics）。格瓦茨等人基于MDS評價墨西哥高原地區(qū)小麥和玉米農(nóng)田土壤質(zhì)量。拉哈斯特、沃爾奇科等在評估伊朗農(nóng)業(yè)用地以及土壤退化區(qū)的生態(tài)恢復(fù)土壤質(zhì)量評價中都運用了最小數(shù)據(jù)集的方法。張福平等基于MDS評價陜西省獼猴桃種植原地土壤，得到隨著種植年限的增加，土壤質(zhì)量呈先增長后穩(wěn)定再增長的趨勢的結(jié)論。王嘉琛在研究桂北尾葉桉林地土壤肥力質(zhì)量時，運用了MDS與隸屬度函數(shù)進行綜合評價。本研究綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究經(jīng)驗與實踐理論，通過主成分分析建立最小數(shù)據(jù)集MDS。對廣西南寧國有高峰林場尾葉桉林地進行為期3年的土壤指標(biāo)監(jiān)測，對不同林齡尾葉桉林地進行綜合土壤質(zhì)量評價，為尾葉桉林地的增產(chǎn)增收、土壤性質(zhì)改良提供理論依據(jù)。

2材料與方法

2.1研究區(qū)概況與樣品采集

廣西國有高峰林場為廣西國有林場之一。研究區(qū)域位于銀嶺分場（北緯22°5028.42”東經(jīng)108°179.00"）。銀嶺分場以大明山山脈為中心，分別向西南、東南延伸，地貌類型為山丘、丘陵地貌，丘陵占林場總面積的55.5%，山丘面積占39.7%。林場位于北回歸線南側(cè)，屬濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光、降水充足，霜少無雪，夏長冬短，年平均氣溫在21.6℃，年均降雨量達1304.2mm，平均相對濕度為79%，土壤由第四紀(jì)紅土母質(zhì)風(fēng)化發(fā)育而來。土壤質(zhì)地以壤土、粘壤土為主，pH值大約在4.3～4.9，土層厚度適中，腐殖層一般小于5cm，土壤肥力適中。

根據(jù)尾葉桉人工林地樹種實際生長狀況，結(jié)合地形地貌實際考察結(jié)果，在2016、2017、2018年3個年份對林場內(nèi)立地條件較為一致的9個樣地進行監(jiān)測，樣地樹種為2015年冬季11月份新栽種的尾葉桉人工幼林，前作林為杉木人工林地，根據(jù)采樣年份分為一年生、二年生、三年生，采樣時間為每年12月份。樣地地貌為丘陵，海拔140m，土壤類型為赤紅壤。采樣深度為O～40am土層，采樣點分布均勻。土壤物理性質(zhì)樣品的采集用環(huán)刀在土層表層取土。土壤化學(xué)性質(zhì)樣品采用四分法，樣品最終重量為1kg。

2.2理化性質(zhì)的測定

土壤理化性質(zhì)的測定：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均采用環(huán)刀法測定。pH值采用電位法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定。全氮、速效氮采用半微量凱氏定氮法，全磷、有效磷采用雙酸浸提一鉬銻抗比色法，間斷化學(xué)分析儀測定，全鉀、速效鉀用醋酸銨浸提一火焰光度計法。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮依據(jù)森林土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定標(biāo)準(zhǔn)測定。

2.3土壤質(zhì)量評價

最小數(shù)據(jù)集是土壤質(zhì)量評價中運用較為廣泛的一種方法，可滿足大多數(shù)林地、農(nóng)地的土壤質(zhì)量評價的需要。隸屬度函數(shù)（Membership Function）是模糊數(shù)學(xué)法中的一種基礎(chǔ)方法，它可以將土壤中測定的各種指標(biāo)轉(zhuǎn)化為0～1無量綱值。土壤質(zhì)量指數(shù)（Soil QualityIndex），采用指標(biāo)隸屬度與指標(biāo)權(quán)重共同進行計算，依據(jù)公式（1），為土壤質(zhì)量評價指數(shù)，為第個指標(biāo)的權(quán)重，為第個指標(biāo)的隸屬度。

2.4統(tǒng)計分析方法

運用SPSSl9.0軟件進行單因素方差分析、主成分分析，差異顯著定義為p<0.05，基本數(shù)據(jù)處理以及圖表制作用Excel 2016制作。

3結(jié)果與分析

3.1不同林齡尾葉桉人工林土壤非養(yǎng)分元素

如表1所示。一年生、二年生、三年生尾葉桉林地土壤非養(yǎng)分元素指標(biāo)差異性顯著。la尾葉桉林土壤酸堿度為4.37，顯著高于2a、3a尾葉桉林（p<0.05），土壤酸堿度隨著林齡增長呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。土壤有機質(zhì)最大為2a尾葉桉林地，顯著高于1a尾葉桉林（pd0.05），與3a尾葉桉林土壤有機質(zhì)含量差異不顯著（p>0.05）。土壤容重方面，1a的尾葉桉林土壤容重為1.29g/em3顯著低于2a、3a，土壤容重隨著林齡的增加逐漸升高，3a土壤容重最高為1.75g/cm³。1a尾葉桉林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度顯著高于2a、3a（p<0.05），毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度隨著林齡增長不斷降低。

3.2不同林齡尾葉桉人工林土壤養(yǎng)分元素

如表2所示。一年生、二年生、三年生尾葉桉林地土壤養(yǎng)分元素各指標(biāo)差異性顯著。土壤全氮含量最高的為3a的尾葉桉林地，為0.75g/kg，與全氮含量最低的2a尾葉桉林0.51g/kg相比，顯著提高了47.05%（pd0.05）。土壤全磷含量1a、2a尾葉桉林地均為0.18g/kg，差異性不顯著（p>0.05）。不同林齡尾葉桉林土壤全鉀含量排序大小為3a（8.54g/kg）>2a（5.27g/kg）～la（3.75g/kg），土壤全鉀含量隨著林齡增長不斷升高。1a尾葉桉林土壤速效氮含量顯著高于2a、3a尾葉桉林地（p<0.05），變化趨勢呈現(xiàn)林齡越大速效氮含量越小的趨勢。3a尾葉桉林土壤速效磷含量顯著高于其他兩種林齡（p<0.05），2a尾葉桉林地速效磷含量低于3個林齡速效磷含量平均值8.29mg/kg。土壤速效鉀含量三種林齡排序大小為3a（63.44mg/kg）>la（54.21mg/kg）～2a（45.28mg/kg），并未表現(xiàn)出顯著差異性（p>0.05）。土壤硝態(tài)氮含量3a尾葉按林地顯著高于1a、2a尾葉桉林（p<0.05），1a、2a尾葉桉林地硝態(tài)氮含量基本相同，沒有顯著差異性（p>0.05）。

3.4土壤質(zhì)量評價

最小數(shù)據(jù)集的確定的方法如下：參與評價的土壤理化指標(biāo)：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮。對參與評價的理化指標(biāo)進行主成分分析，依據(jù)確定最小數(shù)據(jù)集的方法選擇解釋信息累計率≥85%的主成分，并根據(jù)主成分分析中計算的各指標(biāo)載荷值確定用于土壤質(zhì)量評價的指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集。篩選最小數(shù)據(jù)集方法：在第一、第二、第三主成分中，選取載荷值≥0.800的指標(biāo)，第四、第五主成分中，選取載荷值≥0.400的指標(biāo)，作為候選評價指標(biāo)。主成分載荷值、權(quán)重如表3所示土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮主要反應(yīng)了土壤養(yǎng)分含量，養(yǎng)分元素指標(biāo)權(quán)重占總權(quán)重的76.4%，說明土壤養(yǎng)分在屬于土壤質(zhì)量評價中的重要指標(biāo)。通過各指標(biāo)權(quán)重以及各指標(biāo)隸屬度，計算出不同林齡尾葉桉林地的土壤質(zhì)量指數(shù)，如表4所示。不同林齡尾葉桉林地土壤質(zhì)量指數(shù)差異性顯著（p<0.05），土壤質(zhì)量指數(shù)隨著林齡增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，大小依次為2a（0.578）>3a（0.535）>la（0.461）。2a尾葉桉林地土壤質(zhì)量較好，相比1a顯著提高了25.37%。

4討論與結(jié)論

運用最小數(shù)據(jù)集與模糊數(shù)學(xué)法即隸屬度函數(shù)進行人工林地土壤質(zhì)量評價的方法在大部分研究中較為普遍。大部分研究在確定最小數(shù)據(jù)集時運用了主成分分析以及分析結(jié)果中的Norm值，這種方法較為普遍，實用性較高。不過，土壤質(zhì)量是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，影響土壤質(zhì)量的高低不僅僅只有土壤理化性質(zhì)，還包括了林地氣候、水文、地質(zhì)地貌特征等因素。本研究依據(jù)測定的14項理化性質(zhì)指標(biāo)進行土壤質(zhì)量評價，有一定的局限性，在今后進一步的研究中，應(yīng)測定更為全面的數(shù)據(jù)如土壤生物學(xué)性質(zhì)，研究區(qū)域的溫度、降雨量，以及人工林地中的林下植被多樣性，通過測定更為全面的數(shù)據(jù)從而得到更為準(zhǔn)確的土壤質(zhì)量評價結(jié)果。不同林齡尾葉桉林地土壤指標(biāo)變化較為復(fù)雜。從物理性質(zhì)來看，隨著林齡增長，土壤質(zhì)地逐步變差，土壤容重顯著升高，毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤總孔隙度顯著下降，該結(jié)論與郝中明等對于不同林齡馬尾松土壤研究結(jié)論，容重隨著林齡的增加逐漸增加，土壤孔隙度隨林齡的增加逐漸減小相符合。從化學(xué)性質(zhì)來看，土壤pH值隨著林齡增長顯著下降，據(jù)趙輝等的研究表明林齡增長導(dǎo)致土壤養(yǎng)分下降間接造成土壤微生物活躍度下降，微生物代謝減小導(dǎo)致土壤pH顯著升高。1a尾葉桉林地的土壤全鉀含量顯著低于其他2種林分，而大部分有效元素含量隨著林齡增長，都有不同程度的下降。這可能是由于實際生產(chǎn)中施肥不合理，以及沒有及時追肥造成的，在幼林栽種到葉片完成郁閉之間，應(yīng)保證充足的鉀肥供應(yīng)。

通過對不同林齡尾葉桉林地進行土壤質(zhì)量評價，發(fā)現(xiàn)不同林齡尾葉桉林地除土壤大部分土壤性質(zhì)差異顯著，隨著林齡增長，土壤容重顯著上升，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度顯著下降。不同林齡尾葉桉林地全氮、全磷、全鉀以及部分養(yǎng)分元素在la尾葉桉林地供應(yīng)不足，大部分養(yǎng)分元素在2a、3a尾葉桉林地較為充足。土壤質(zhì)量評價結(jié)果表明，2a的尾葉桉林地土壤質(zhì)量較高，顯著高于1a、3a。建議在植苗的同時，及時補充鉀肥與適量磷肥，保證幼林快速生長時的養(yǎng)分供應(yīng)，從而達到尾葉桉速豐、速生、高產(chǎn)、可持續(xù)經(jīng)營的目的。