毛竹生產(chǎn)力與土壤營(yíng)養(yǎng)元素的關(guān)系

蘇小飛,鄭 笑,馬 力,丁雨龍,劉國(guó)華

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所，江蘇 南京 210037；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

毛竹(Phyllostachysedulis)林是中國(guó)南方一種重要的森林類型.據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查，我國(guó)現(xiàn)有毛竹林面積443萬hm2，占全國(guó)竹林面積的74%，是我國(guó)重要的森林資源[1-2].土壤是地球表面的疏松物質(zhì)部分，受氣候、巖性、地貌和地表生物等多重作用，其質(zhì)量直接影響毛竹林質(zhì)量和生產(chǎn)力[3]；土壤元素是土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)，其構(gòu)成及含量決定了土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量[4].毛竹是一種耗肥量大的大徑型竹種，隨著毛竹產(chǎn)量的提高，從土壤中帶走的養(yǎng)分也增多，及時(shí)補(bǔ)充生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分是毛竹林豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的必要措施.土壤養(yǎng)分指植物生長(zhǎng)所必需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，包括大量元素氮(N)、磷(P)、鉀(K)，中量元素鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)，微量元素硼(B)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、錳(Mn)、鐵(Fe)、銅(Cu)和氯(Cl)等.研究表明，土壤大量元素N、P和K與毛竹生長(zhǎng)發(fā)育、竹林更新繁衍、竹林生產(chǎn)力等都有極顯著關(guān)系[5-7]；不同地區(qū)毛竹林微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量變化較大[8].近幾年，有關(guān)同一地區(qū)竹林生產(chǎn)力與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系已經(jīng)有較多研究[9-11]，但不同地區(qū)毛竹生產(chǎn)力差異及其與土壤元素之間關(guān)系的研究較少.因此，本試驗(yàn)對(duì)全國(guó)14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹生產(chǎn)力與土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的關(guān)系進(jìn)行研究，以期為毛竹林的科學(xué)施肥管理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)用毛竹分別采自我國(guó)浙江、福建、湖北、安徽、湖南、廣東、江西、廣西、江蘇和貴州10個(gè)省份(自治區(qū))的14個(gè)地區(qū).各采樣地點(diǎn)的地理位置信息及氣候狀況如表1所示.

表1 采樣地基本信息Table 1 Sampling site information

1.2 樣品的采集與分析

在我國(guó)14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)試驗(yàn)區(qū)選擇立地條件和經(jīng)營(yíng)措施基本一致(挖筍+砍8年以上的老竹+劈草，且近10年未進(jìn)行施肥處理)的毛竹純林，分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣地，樣地內(nèi)毛竹林的平均立竹度800～1 000株·hm-2.對(duì)8年生的毛竹生長(zhǎng)狀況進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)樣方隨機(jī)調(diào)查10株毛竹，每個(gè)竹產(chǎn)區(qū)共調(diào)查30株.研究表明，竹子的胸徑、竹高與生產(chǎn)力間存在明顯的線性關(guān)系[12]；常規(guī)研究過程中，一般用胸徑大小代替毛竹林生產(chǎn)力大小[13].為確保研究的準(zhǔn)確性，作者采伐(齊地面將竹子砍倒)了每個(gè)樣方內(nèi)選取的樣竹，測(cè)量每株毛竹的胸徑與竹高，并計(jì)算相對(duì)竹高(相對(duì)竹高=竹稈全高/胸徑).

土壤樣品采集于各竹產(chǎn)區(qū)樣方，在各樣方內(nèi)以S型采集5個(gè)0～20 cm剖面樣品，將其組成混合樣品，最后用四分法選出1 kg混合土壤用無菌袋裝好，帶回實(shí)驗(yàn)室.自然風(fēng)干后磨細(xì)過100目篩，用于土壤指標(biāo)測(cè)定：(1)N元素全量采用元素分析儀(EA1112,Euro Vector,Italy)測(cè)定；(2)P、K、Ca、Mg、S、B、Zn、Mo、Mn、Fe、Cu和Cl元素的全量采用波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀(Axios Advanced,PANalytical B.V.,Holland)測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，單因素方差分析采用SPSS 18.0軟件，多重比較用Duncan′s法，制圖和逐步回歸采用R×64 3.4.2.R軟件提供了較為方便的“逐步回歸”計(jì)算函數(shù)，其以AIC信息統(tǒng)計(jì)量為準(zhǔn)則，通過選擇最小的AIC信息統(tǒng)計(jì)量，達(dá)到刪除或增加變量的目的[14].根據(jù)逐步回歸分析理論，建立最優(yōu)回歸模型：y=b1x1+b2x2+…+bpxp-1.其中，y為因變量，表示各個(gè)地區(qū)的毛竹平均胸徑(diameter at breast height,DBH)或平均竹高(height,H)，x1、x2…xp為自變量，表示各個(gè)地區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量，b1、b2…bp為各自變量的系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹的生長(zhǎng)狀況

從圖1中可以看出，14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹胸徑范圍多數(shù)比較分散，少數(shù)較集中；絕大部分毛竹胸徑大于9 cm，大部分地區(qū)毛竹胸徑中位數(shù)在10～11 cm，最高中位數(shù)達(dá)到12 cm；貴州赤水(X14)、福建武夷山(X6)和安徽金寨(X12)毛竹胸徑數(shù)據(jù)的上下四分位及中位數(shù)均高于其他地區(qū)，而浙江安吉(X1)與廣西興安(X11)毛竹胸徑明顯低于其他地區(qū).14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹平均胸徑9.45～11.97 cm，根據(jù)毛竹林生長(zhǎng)級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]，平均胸徑大于9.0 cm，生長(zhǎng)級(jí)為Ⅱ級(jí)及以上，說明所調(diào)查地區(qū)的毛竹林具有較高的生產(chǎn)潛力.

14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹平均竹高9.67～16.86 m.圖2中各個(gè)竹產(chǎn)區(qū)的毛竹相對(duì)竹高范圍大部分比較集中，中位數(shù)大部分在1.4左右，浙江安吉(X1)相對(duì)竹高數(shù)據(jù)的上下四分位及中位數(shù)均顯著低于其他地區(qū).

2.2 14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹林土壤元素含量

由表2可知，N含量?jī)H江西崇義(X10)低于全國(guó)土壤元素背景值(0.64 g·kg-1)[16]，而福建武夷山(X6)、江西宜豐(X7)N含量均顯著高于其他地區(qū)；浙江安吉(X1)、安徽黃山(X4)、廣東仁化(X8)、江西崇義(X10)和江蘇宜興(X13)P含量均低于全國(guó)土壤背景值(0.52 g·kg-1)[16]，而江西宜豐(X7)P含量顯著高于其他地區(qū)；浙江安吉(X1)、湖北咸寧(X3)、安徽黃山(X4)、浙江龍游(X9)、江蘇宜興(X13)和貴州赤水(X14)K含量均低于全國(guó)土壤元素背景值(18.6 g·kg-1)[16]，而廣東仁化(X8)K含量顯著高于其他地區(qū)；Ca含量?jī)H安徽金寨(X12)高于全國(guó)土壤元素背景值(15.4 g·kg-1)[16]，且顯著高于其他地區(qū)；浙江安吉(X1)、湖北咸寧(X3)、湖南東安(X5)、江西宜豐(X7)、廣東仁化(X8)、浙江龍游(X9)和江蘇宜興(X13)Mg含量均低于全國(guó)土壤元素背景值(7.8 g·kg-1)[16]，而安徽金寨(X12)Mg含量顯著高于其他地區(qū)；Fe含量?jī)H湖南東安(X5)低于全國(guó)土壤元素背景值(29.4 g·kg-1)[16]，而浙江龍游(X9)Fe含量顯著高于其他地區(qū).

表2 14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹林下土壤元素含量1)Table 2 Soil element contents in 14 bamboo producing areas

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.同列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).

綜合分析，福建武夷山(X6)N、S和Cl含量均顯著高于其他地區(qū)；江西宜豐(X7)N、P和Mn含量均顯著高于其他地區(qū)；安徽金寨(X12)Ca和Mg含量均顯著高于其他地區(qū).各地區(qū)N、P、Mg、Ca、Fe、Cu和Mo含量總體差異較小，如元素Ca除安徽金寨(X12)外各地區(qū)均無顯著差異，元素Cu含量除廣東仁化(X8)和浙江龍游(X9)外各地區(qū)均無顯著差異；但各地區(qū)K、S、B、Mn、Zn和Cl元素含量差異較大，如14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)Zn含量為 46.03～255.47 mg·kg-1，以浙江龍游(X9)最高，且顯著高于其他地區(qū)，Cl含量為57.19～148.37 mg·kg-1，以福建武夷山(X6)最高，且顯著高于其他地區(qū).這說明不同地區(qū)毛竹林下土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量存在一定的差異.

2.3 14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹胸徑、竹高與土壤營(yíng)養(yǎng)元素的逐步回歸分析

將14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹平均胸徑、平均竹高作為因變量，分別與毛竹林土壤元素進(jìn)行逐步回歸分析.結(jié)果(表3)發(fā)現(xiàn)，因變量為平均胸徑模型的擬合優(yōu)度R2=0.990 4，調(diào)整后R2=0.986 5，F(xiàn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為256.9；而因變量為平均竹高模擬R2=0.977 3，調(diào)整后R2=0.971 1，F(xiàn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為157.7；且兩者P值均小于0.01，達(dá)到了極顯著水平，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.與毛竹平均胸徑呈顯著相關(guān)的土壤元素為N、Mg、B和Zn，與平均竹高呈顯著相關(guān)的土壤元素為N、Mg和B(表3).

通過殘差分析圖進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，得出標(biāo)準(zhǔn)化殘差呈明顯的正態(tài)分布，從而證明樣本確實(shí)是來自正態(tài)總體；標(biāo)準(zhǔn)化的殘差開方?jīng)]有大于1.5，說明樣本點(diǎn)都在95%的范圍之內(nèi)，模型對(duì)于數(shù)據(jù)具有較好的擬合效果(圖3-4).據(jù)此建立平均胸徑與土壤元素的線性回歸方程：ln(DBH)=0.460N+0.086Mg+0.008B+0.005Zn-1；平均竹高與土壤元素的線性回歸方程：lnH=0.851N+0.101Mg+0.009B-1.

表3 胸徑/竹高與土壤元素間的線性回歸關(guān)系1)Table 3 Linear regression relationship between DBH/H and soil elements

1)**表示 0.01顯著水平，***表示0.001顯著水平.

3 討論與結(jié)論

毛竹林平均胸徑在一定程度上反映了竹林立地條件和經(jīng)營(yíng)管理水平，是評(píng)價(jià)毛竹林生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一[17].竹高是反映毛竹生物量的一個(gè)重要指標(biāo).對(duì)于木材來說，胸徑、樹高、形數(shù)3個(gè)因子決定木材的材積.由于竹材的形數(shù)變異不大，所以胸徑和竹高決定竹材的生物量大小.通常認(rèn)為，生物量是衡量生產(chǎn)力的一種標(biāo)準(zhǔn)[13].毛竹林的生物量與毛竹林的生產(chǎn)力呈線性相關(guān)，生物量越大生產(chǎn)力越高[18].然而，任何一個(gè)地塊的毛竹都存在個(gè)體差異[19]，因此，本文以平均胸徑和平均竹高作為評(píng)價(jià)竹林生產(chǎn)力的代表.本研究表明，我國(guó)14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹胸徑范圍較為分散，而相對(duì)竹高范圍較為集中，其平均胸徑9.45～11.97 cm，平均竹高9.67～16.86 m.以平均胸徑為參考指標(biāo)，14個(gè)毛竹產(chǎn)區(qū)生長(zhǎng)級(jí)均屬Ⅱ級(jí)(9.0 cm)及以上，說明這些地區(qū)毛竹林具有一定的生產(chǎn)潛力.但其中貴州赤水毛竹生產(chǎn)力(平均胸徑11.97 cm、平均竹高16.86 m)較高，而浙江安吉毛竹生產(chǎn)力(平均胸徑9.45 cm、平均竹高9.67 m)較差，說明14個(gè)竹產(chǎn)區(qū)毛竹林生產(chǎn)力存在一定的差異.

不同地域土壤元素的組成和含量受地質(zhì)、水和土壤環(huán)境因素的影響而存在一定差異[20].如福建武夷山N、S和Cl含量均顯著高于其他地區(qū)，江西宜豐N、P和Mn含量均顯著高于其他地區(qū)，安徽金寨Ca和Mg含量均顯著高于其他地區(qū).通過逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，不同竹產(chǎn)區(qū)毛竹平均胸徑與其林下土壤中N、Mg、B和Zn呈極顯著相關(guān)關(guān)系，平均竹高與N、Mg和B呈極顯著相關(guān)關(guān)系.在4種土壤元素變量中，N元素參數(shù)的估計(jì)值較大，說明其對(duì)毛竹生產(chǎn)力的影響較大.N元素是竹子生長(zhǎng)必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，與竹林生長(zhǎng)密切相關(guān).例如：蔣燚等[21]在對(duì)粉單竹(Bambusachungii)的研究中發(fā)現(xiàn)，林地土壤中全N含量直接影響稈重和胸徑；孫剛等[11]通過對(duì)皖南肖坑地區(qū)的毛竹林進(jìn)行調(diào)查得出毛竹生長(zhǎng)主要受土壤中N、P限制.本研究中，福建武夷山和江西宜豐竹產(chǎn)區(qū)土壤N元素顯著高于其他地區(qū)，且有較高的生產(chǎn)力(平均胸徑分別為11.58和11.06 cm，平均竹高分別為16.08和14.60 m).可見，在毛竹林經(jīng)營(yíng)中，培肥土壤特別是提高土壤N含量是促進(jìn)竹林豐產(chǎn)的主要措施.Mg是植物光合作用所必需的中量營(yíng)養(yǎng)元素，植物體中Mg主要來源于土壤.本研究中，安徽金寨和貴州赤水Mg含量顯著高于其他地區(qū)，且這兩個(gè)竹產(chǎn)區(qū)都有較高的生產(chǎn)力(平均胸徑分別為11.21和11.97 cm，平均竹高分別為15.16和16.86 m)，說明Mg元素也與毛竹生產(chǎn)力緊密相關(guān).涂淑萍等[22]研究黃竹(Bambusarigida)林時(shí)提出應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)肥的施用，在施足N、P、K 肥的同時(shí)，應(yīng)配合施用一定數(shù)量Mg肥.因此，在竹林培育時(shí)不僅需要提高土壤大量營(yíng)養(yǎng)元素的含量，還應(yīng)注意中微量營(yíng)養(yǎng)元素的含量.

本研究雖利用逐步回歸分析法篩選出與毛竹生產(chǎn)力顯著相關(guān)的土壤營(yíng)養(yǎng)元素，但所研究地區(qū)較少，并未能考慮各土壤營(yíng)養(yǎng)元素之間的交互作用對(duì)毛竹生產(chǎn)力的影響.因此，今后應(yīng)對(duì)全國(guó)不同地區(qū)影響竹林生產(chǎn)力的土壤元素進(jìn)行綜合分析.