五指山次生林群落土壤養(yǎng)分特征及肥力質(zhì)量評價

杜尚嘉 吳海霞 陳國德 符溶 陳彧

摘要以五指山次生林群落為研究對象，探究次生林群落土壤養(yǎng)分特征在不同演替階段（幼齡林、中齡林、成熟林、過熟林）的變化規(guī)律及其土壤肥力質(zhì)量。結(jié)果表明：隨著次生林正向演替的進(jìn)程，土壤 pH呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而土壤有機(jī)質(zhì)、全磷含量均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，土壤全鉀含量呈逐漸上升趨勢;土壤有機(jī)質(zhì)含量與 pH為極顯著負(fù)相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全磷均為極顯著正相關(guān);次生林群落不同演替階段土壤養(yǎng)分綜合得分排序：幼齡林>成熟林>過熟林>中齡林。

關(guān)鍵詞五指山市;次生林群落;土壤養(yǎng)分;分布特征;肥力質(zhì)量

中圖分類號 S714.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2021.12.004

Soil Nutrient Characteristics and Fertility Quality Evaluation of Secondary Forest Communities in Wuzhishan

DU? Shangjia1） WU? Haixia1） CHEN? Guode1） FU? Rong1） CHEN? Yu1 ，2）

[1 Hainan Academy of Forestry， Haikou， Hainan 571100， China;

2 Hainan Academician Workstation （Forestry）， Haikou， Hainan 571100， China]

Abstract? The soil samples in the secondary forest communities of Wuzhishan Mountains at different forest succession stages （young， middle-aged， mature and over-mature） were collected by using quadrat approach to analyze their changes in soil nutrient characteristics and their soil fertility quality. The results showed that with? the? process? of positive? succession? of the? secondary? forests? the? soil? pH? increased? first? and? then decreased， while the contents of soil organic matter and total phosphorus decreased first and then increased， and? that? the? content? of soil? total? potassium? increased? gradually. The? content? of soil? organic? matter? is significantly negatively correlated with pH， and the content of soil organic matter is positively correlated with the contents of total nitrogen and total phosphorus. The comprehensive scores of soil nutrients in the secondary forest communities at different forest succession stages are in the order of young forest > mature forest > over-mature forest > middle-aged forest.

Keywords? Wuzhishan city ; secondary forest community ; soil nutrients ; distribution characteristics ; fertility quality

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最基本的資源，同時也是生態(tài)系統(tǒng)中不可再生的資源。土壤作為森林存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅為植物生長供應(yīng)和協(xié)調(diào)養(yǎng)分、水分、空氣和熱量，還是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量交換的重要參與者和載體[1-3]。土壤養(yǎng)分是由土壤提供的植物生長所必須的營養(yǎng)元素，是林木生長發(fā)育所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)及易于被調(diào)節(jié)的因子。研究土壤養(yǎng)分動態(tài)變化規(guī)律，有助于進(jìn)一步掌握土壤肥力的調(diào)控原理與技術(shù)，土壤肥力質(zhì)量評價是依據(jù)土壤資源調(diào)查及對土壤的要求，針對土壤的利用價值和存在潛力進(jìn)行評估[4]，此二者都對防止森林土壤退化、維持土地的可持續(xù)利用具有重大意義，并且為尋找合適的森林經(jīng)營方式提供科學(xué)參考和理論依據(jù)。此前已有大量相關(guān)研究，如陳立新等[5]對大興安嶺林區(qū)落葉松林地不同發(fā)育階段土壤肥力變化進(jìn)行探究，練金生等[6]對廣東不同林齡桉樹人工林土壤肥力進(jìn)行比較研究，鄧厚銀等[7]對粵北地區(qū)杉木林與闊葉純林土壤肥力特征進(jìn)行比較研究。大多集中在人工林或人工林與天然林的土壤肥力時空變化的研究上，較少將次生林土壤養(yǎng)分時空分布特征與土壤肥力質(zhì)量評價相結(jié)合。

海南島作為我國唯一全域處于熱帶的島嶼省份，其森林土壤養(yǎng)分特征帶有獨(dú)特的地域性[8]，為了我國熱帶林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，有必要對熱帶次生林土壤養(yǎng)分的時空變化進(jìn)行探究。本研究以五指山次生林群落土壤為研究對象，揭示熱帶地區(qū)天然次生林保護(hù)與恢復(fù)對土壤肥力及其演變過程的變化規(guī)律，為該地區(qū)退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與管理提供科學(xué)依據(jù)，對該地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)更新、恢復(fù)和重建具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1材料與方法

1.1材料

研究區(qū)域位于海南省五指山市暢好鄉(xiāng)[9]，海拔341～471m，屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，兼有山區(qū)氣候特點(diǎn)，年平均氣溫21℃，年平均降雨量1770 mm，年相對濕度為84%～86%;海拔750 m 以上為山地黃壤，海拔400～750 m為砂質(zhì)紅壤，海拔150～400 m 為磚紅壤，加之歷年植被的枯枝落葉腐爛，土地較為肥沃，蘊(yùn)藏著海南最主要的天然林和野生動植物資源。

1.2方法

1.2.1樣地設(shè)置

根據(jù)次生林自然演替過程選取土地條件相似的4個齡段（分別代表幼齡林、中齡林、成熟林、過熟林4個演替階段，幼齡林為林木樹冠郁閉前的林分，中齡林為從林木郁閉到林木達(dá)到生物學(xué)成熟或工藝成熟的林分，成熟林為林木成熟達(dá)到了生物學(xué)成熟或工藝成熟，過熟林為林木生長基本停止，并開始出現(xiàn)心腐爛、干梢現(xiàn)象的林分）的低地雨林（表1）開展調(diào)查研究。對所選樣地中的植物進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)可知，該次生林樣地中共出現(xiàn)植物160種，隸屬45科83屬（其中種類較多的大戟科7屬8種，茜草科5屬5種，樟科6屬8種，殼斗科3屬4種，夾竹桃科3屬4種），分別占植被種、屬的31.7%與18%。其中在發(fā)育初期夾竹桃科占據(jù)優(yōu)勢喬木樹種，在中齡樹種中大戟科占據(jù)優(yōu)勢喬木樹種，在過熟林中樟科占據(jù)優(yōu)勢。次生林恢復(fù)并逐漸向過熟林階段發(fā)展，但物種差異較大。

1.2.2樣本采集

在次生林群落4個演替階段各設(shè)置3個20 m×20 m樣地，根據(jù)“S”形選點(diǎn)規(guī)律在每個樣地中隨機(jī)設(shè)5個1 m×1 m 的采樣點(diǎn)，分別在5個1 m×1 m 的小樣方內(nèi)，分層（0～20、20～40、40～60 cm）采集樣本，每個演替階段各土層取樣15份，再裝入封口袋，貼上標(biāo)簽，注明樣品編號、采集時間、采集地點(diǎn)等信息。

1.2.3項(xiàng)目測定

將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，攤開置于通風(fēng)處自然晾7～10 d，按土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法的要求研磨過100目篩，將待測土壤裝入密封袋，于干燥陰涼處保存。

各指標(biāo)測定方法如下[10]： pH，電位法; SOM，重鉻酸鉀外加熱法;TN，半微量凱氏定氮法;TP， NaOH熔融鉬銻抗比色法;TK，火焰光度計(jì)法。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

利用 Excel 2016對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，再用 SPASS 19.0對土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析 （one-way ANOVA），并用最小顯著差數(shù)法（ LSD 多重比較法）進(jìn)行差異顯著性分析，采用 Pearson檢驗(yàn)法進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1次生林群落土壤 pH

由表2可知，本研究的4種演替階段次生林群落土壤都呈酸性，在同一土層中 pH差異顯著，0～20和40～60 cm 土層的中齡林與成熟林無顯著性差異。其中，各土壤層都是中齡林土壤 pH 最高，過熟林 pH 最低，不同土層4個演替階段均呈現(xiàn)先上升再下降的變化趨勢。

2.2次生林群落土壤養(yǎng)分特征

2.2.1次生林群落土壤有機(jī)質(zhì)

由表3可知，不同演替階段次生林土壤（0～60 cm 土層深度）中有機(jī)質(zhì)含量的變化為10.70～31.46 g/kg。0～20 cm 土層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，成熟林與中齡林存在顯著性差異，與幼林齡和過熟林無差異。20～40 cm土層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，次生林群落隨演替的進(jìn)行變化不大，各演替階段間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著。40～60 cm 土層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，幼齡林演替階段顯著高于其他3個演替階段。

2.2.2次生林群落土壤全氮

由表4可知，不同演替階段次生林群落土壤（0～60 cm 土層深度）中全氮含量的變化為0.77～2.51 g/kg，4個階段土壤全氮含量都呈先降低后升高的變化趨勢;相同土層深度不同演替階段之間土壤中全氮含量的差異均不顯著，說明隨著次生林的演替進(jìn)程，土壤總氮含量的變化相對穩(wěn)定。

2.2.3次生林群落土壤全磷

由表5可知，不同演替階段次生林群落土壤（0～60 cm 土層深度）中全磷含量的變化在0.11～0.41 g/kg。隨著次生林群落演替，0～20 cm 土層土壤中全磷的含量變化不大，各演替階段土壤中全磷的含量差異均不顯著;20～40 cm 土層土壤中全磷的含量，幼齡林、成熟林演替階段與過熟林演替階段差異顯著;40～60 cm 土層土壤中全磷的含量波動幅度較大，成熟林演替階段與其他各演替階段差異顯著，同時，過熟林演替階段土壤中全磷含量與幼齡林演替階段土壤中全磷的含量差異也顯著。隨著次生林的演替，0～20、20～40 cm 土層的土壤全磷含量總體呈現(xiàn)先下降再上升最后再下降的趨勢，而40～60 cm 土層的土壤全磷含量是先下降再上升。

2.2.4次生林群落土壤全鉀

由表6可知，不同演替階段次生林群落土壤（0～60 cm 土層深度）中全鉀含量的變化在25.67～48.88 g/kg，且同一土層土壤中全鉀含量最低的均為幼齡林演替階段;次生林群落幼齡林演替階段0～20、20～40 cm 土層土壤中全鉀的含量與其他3個演替階段土壤中全鉀的含量均差異顯著;次生林群落40～60 cm 土層土壤中全鉀的含量，幼齡林與中齡林演替階段差異顯著。

2.3次生林群落土壤養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性分析

對五指山市不同演替階段次生林群落0～60 cm 土層土壤的 pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量進(jìn)行相關(guān)性分析，詳見表7。由表7可知，研究區(qū)土壤 pH 與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.431、-0.495， p<0.01）;土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷呈極顯著正相關(guān) （r=0.792、0.598，p<0.01）;土壤全氮與土壤全磷呈極顯著正相關(guān)（r=0.563，p<0.01），而土壤全鉀僅與土壤全氮呈顯著正相關(guān)（r=0.338，p<0.05）。

2.4土壤養(yǎng)分分級評價

土壤養(yǎng)分的評價主要參照全國第二次土壤普查的海南省土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，詳見表8。本研究中的次生林土壤 pH 分布于一級至三級，整體都為弱酸性，且隨著演替進(jìn)程土壤有酸化趨勢。次生林群落土壤的有機(jī)質(zhì)含量集中分布在三級和四級，僅有成熟林階段最上層土壤（0～20 cm）的平均有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到二級水平。0～20 cm土壤層全氮含量除了中齡林階段，其他3個演替階段均達(dá)到一級。土壤全鉀含量整體大于25 g/kg，達(dá)到一級水平。

2.5基于主成分分析法土壤肥力質(zhì)量綜合評價

影響次生林群落土壤肥力質(zhì)量的因素有很多，本研究采用主成分分析的方法，因?yàn)橹鞒煞址治龇椒ㄊ菍⒍鄠€因子“降維”為少數(shù)幾個因子的多元統(tǒng)計(jì)方法，并且其信息能盡可能地保留完整[13]。選取影響次生林群落土壤肥力質(zhì)量的5個指標(biāo)（pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀）進(jìn)行分析。在進(jìn)行次生林群落土壤養(yǎng)分主成分分析前，默認(rèn)土壤養(yǎng)分各個指標(biāo)對土壤肥力綜合評價同等重要，采用 Fi （i=1，2，3，4，5）代表第i個養(yǎng)分綜合指標(biāo)，用 Xi （i=1，2，3，4，5）代表 pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀。由表9可知，第一、第二主成分的特征值均大于1，其方差貢獻(xiàn)率分別為52.945%、21.563%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為74.508%。由此可知，利用主成分分析法探究次生林群落不同演替階段0～60 cm土壤肥力差異較為可靠。

由表10可知，土壤養(yǎng)分指標(biāo)綜合表達(dá)式分別為：

由公式（1）（2）可以看出，第一主成分主要由土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷的數(shù)據(jù)組成;第二主成分主要由 pH、全磷、全鉀的數(shù)據(jù)組成。

將次生林群落不同演替階段0～20、20～40、40～60 cm 的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別帶入土壤肥力質(zhì)量評價最終表達(dá)式：

由公式（1）～（3）得出土壤肥力質(zhì)量綜合評價得分情況，詳見表11。由表11可知，次生林群落不同演替階段土壤養(yǎng)分綜合得分排名依次為：幼齡林>成熟林>過熟林>中齡林。

3討論與結(jié)論

3.1討論

本研究區(qū)域位于海南中部地區(qū)五指山市，土壤均呈酸性。本研究中發(fā)現(xiàn)，五指山次生林群落土壤 pH 在演替進(jìn)程初期有上升趨勢，中期之后逐漸下降，有酸化趨勢。在垂直分布方面，隨土層深度增加 pH呈上升趨勢，這與劉立武等[14-15]對海南次生林土壤的研究結(jié)果相同。而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均隨土壤深度的增加而遞減，主要是因?yàn)橹参锏母患饔靡稹?/p>

隨著次生林群落正向演替，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均表現(xiàn)為幼齡林階段較高，中齡林階段降低，演替后期再上升，呈“V”字形變化，與曹小玉等[16-17]研究的結(jié)果大致相同，這主要是因?yàn)殡S著次生林進(jìn)入中齡林階段后，林分郁閉度增大，林內(nèi)的凋落量大于分解量，與此同時林木生長所需的養(yǎng)分越來越多，導(dǎo)致養(yǎng)分的需求量大于歸還量，使得森林土壤養(yǎng)分降低;而成熟林的林木生長趨于緩慢，所需養(yǎng)分變少，凋落物的總量增大，通過分解作用，土壤養(yǎng)分又逐漸開始恢復(fù)。而土壤養(yǎng)分在空間分布方面，同一演替階段的次生林土壤各養(yǎng)分含量隨土層的深度增加而下降，這與肖靈香等[18]研究結(jié)果一致，其主要原因是地表枯落物、植物根系及分泌物所形成的有機(jī)質(zhì)及其經(jīng)分解后釋放的養(yǎng)分元素首先進(jìn)入地面最上層土壤，隨土壤深度增加進(jìn)入的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分逐漸下降，因而表層土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量高于深層土壤。

經(jīng)分析，研究區(qū)土壤 pH 與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.431、-0.495， p<0.01），這與何斌等[19] 的研究結(jié)果一致，因?yàn)殡S著次生林的演替進(jìn)程，雖促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的生物積累，但是伴隨而來的是分解過程中有機(jī)酸的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致土壤 pH 隨演替進(jìn)行而下降。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷呈極顯著正相關(guān) （r=0.792、0.598，p<0.01），這與楊秋香等[20] 的研究結(jié)果相一致。土壤全氮與土壤全磷呈極顯著正相關(guān)（r=0.563，p<0.01），而土壤全鉀僅與土壤全氮呈顯著正相關(guān)（r=0.338，p<0.05），與前兩位學(xué)者的研究結(jié)果有所不同，這可能是森林土壤的背景環(huán)境和林內(nèi)物種多樣性組成的差異性導(dǎo)致的。

本研究中的次生林土壤 pH整體都小于7，為弱酸性，且隨著演替進(jìn)程土壤有酸化趨勢。次生林群落土壤的有機(jī)質(zhì)含量集中分布在三級和四級，僅有成熟林階段表層土壤（0～20 cm）的平均有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到二級水平，說明次生林土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平。土壤全氮含量除了中齡林階段，其他3個演替階段均達(dá)到一級，說明次生林土壤全氮含量豐富，次生林土壤有較強(qiáng)的養(yǎng)分循環(huán)和富集功能[21]。土壤全磷含量基本處于五級和六級水平，表明土壤中缺乏磷元素，這主要是由熱帶紅壤的成土母質(zhì)和地理環(huán)境導(dǎo)致的[22]。土壤全鉀含量整體大于25 g/kg，表明土壤鉀元素極為豐富，這主要是由背景環(huán)境導(dǎo)致。綜上所述，本研究中的次生林群落土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量的等級隨著自然演替先降后升，變化趨勢一致，這與相關(guān)性分析中的有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全磷為極顯著正相關(guān)的結(jié)果相吻合。

主成分分析法的結(jié)果表明，次生林土壤肥力最好的演替階段是幼齡林階段，在演替過程中土壤肥力先降低后升高，這與盧其明等[23]研究結(jié)果不同，筆者認(rèn)為是林內(nèi)群落的組成及結(jié)構(gòu)的差異性和土壤發(fā)育環(huán)境的異質(zhì)性導(dǎo)致的。

3.2結(jié)論

（1）隨著次生林群落的正向演替，0～60 cm土壤層 pH 到中齡林階段有所提高，但總體呈下降趨勢，土壤酸化跡象明顯。

（2）通過相關(guān)性分析可知，不同演替階段的次生林群落0～60 cm 土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量與 pH、全氮含量、全磷含量存在極顯著相關(guān)，與全鉀含量不存在顯著相關(guān)，這體現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)含量對其它養(yǎng)分指標(biāo)有很大影響，一般情況下有機(jī)質(zhì)含量的多少基本上能反映出土壤肥力水平。

（3）選取土壤肥力質(zhì)量的5個指標(biāo)（pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀），運(yùn)用主成分分析法，得出次生林群落土壤肥力質(zhì)量排序?yàn)椋河g林>成熟林>過熟林>中齡林，表明隨著林齡增長，土壤肥力有一定的下降趨勢，但經(jīng)過林木生長最耗養(yǎng)分的中齡林階段后，土壤肥力又有所提高。

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（編輯排版：林海妹）