杉木大徑材成材與地形、土壤養(yǎng)分的關(guān)系

黃 磊, 王 港, 楊 冰, 朱亞艷, 趙光忠, 楊士凱

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005； 2.黎平縣國有石井山林場，貴州 黎平 557300；3.貴州大學(xué)林學(xué)院/森林資源與環(huán)境研究中心，貴州 貴陽 550025)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook]生長受環(huán)境因素的影響，根據(jù)氣候、地貌、植被等差異，我國的杉木分布可劃分為3個帶5個區(qū)，其中，黔東南、武夷山以東的福建中北部、南嶺山區(qū)、湘贛南部及兩廣北部都屬于著名的杉木產(chǎn)區(qū)“中帶東南區(qū)”[1-4].目前，有不少關(guān)于杉木生長及影響因子研究的成果[5-11]，但研究對象林齡較小，且多生長在低海拔(海拔<800 m)地區(qū)，偶見有高海拔地區(qū)的報道[12]，但未考慮土壤養(yǎng)分的影響.由于影響杉木生長的生態(tài)因子眾多，一一進行監(jiān)測分析既無必要也增加了工作量，考慮到地形可以同時影響熱量、濕度、水分等條件，對林木生長影響較大，土壤養(yǎng)分，特別是土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)則直接影響林木生長[13-14]，二者在杉木長期的生長過程中起著重要作用，也易于長期觀測和量化分析.因此，本研究分析地形、土壤養(yǎng)分與杉木大徑材形成的關(guān)系，旨在為杉木大徑材培育提供技術(shù)指導(dǎo).

為此，本課題組以我國杉木核心產(chǎn)區(qū)黔東南州(黎平縣)杉木近成熟林為研究對象，在黎平縣國有石井山林場，根據(jù)不同的地形條件設(shè)置樣地，同時檢測樣地土壤的養(yǎng)分狀況，開展杉木大徑材的形成與地形、土壤養(yǎng)分關(guān)系的研究工作.

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黔東南州的黎平縣國有石井山林場(東經(jīng)109°7′14″，北緯26°11′17″).該區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫16 ℃左右，年平均降水量1 325.9 mm，坡度19°～32°，海拔620～930 m，基巖主要為變質(zhì)巖，土壤主要為黃壤或紅黃壤，厚度≥60 cm，腐殖層厚度≥10 cm.杉木為1989年造純林，林齡30 a，初植密度相同，林相完整，樹冠長勢旺盛，林木生長健康.林下植被零星分布有紅豆杉[Taxuschinensis(Pilger) Rehd.]、細齒葉柃(EuryanitidaKorthals)、菝葜(SmilaxchinaL.)、含笑[Micheliafigo(Lour.) Spreng.]、飛蛾槭(AceroblongumWall. ex DC.)、刺楸[Kalopanaxseptemlobus(Thunb.) Koidz.]等樹種.

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

用羅盤或GPS定位，皮尺測距，樣地規(guī)格20 m×30 m，共設(shè)置固定觀測樣地62個(圖1).由于地形復(fù)雜，溝嶺縱橫交錯，為確保樣地內(nèi)各項因子盡可能地保持一致，樣地均避開梁和溝，設(shè)置在坡面上.因坡度造成的誤差，分析時做校正.

圖1 杉木大徑材樣地Fig.1 Sampling site for large-diameter Chinese fir

2.2 樣地調(diào)查

用Vertex Ⅳ紅外線測距儀測量樣地內(nèi)杉木樹高，用胸徑尺測量杉木胸徑(圖1)，記錄每個樣地的海拔、坡度、坡向.

2.3 土樣采集與分析

土樣采集參考文獻[15]的方法.每個樣地橫向間隔10 m設(shè)置3個采樣點，挖0～60 cm剖面，沿剖面自上而下取混合土樣約500 g.用200 cm3環(huán)刀分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3種土層進行土壤取樣，取樣后將各土層土壤進行混合并分析.

分析土樣容重，采用pH計測定pH，有機碳含量=有機質(zhì)含量/1.724.有機質(zhì)含量的測定采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化法[16]并做優(yōu)化，水解氮含量的測定采用堿解擴散法+半微量開氏法[17]并做優(yōu)化，速效鉀含量的測定采用乙酸銨浸提+火焰光度法[18]并做優(yōu)化，有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提+鉬銻抗比色法[19]并做優(yōu)化.

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.利用單因素方差分析(one-way ANOVA)多重比較和相關(guān)性分析，比較地形、土壤養(yǎng)分與大徑材形成的關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

調(diào)查樣地內(nèi)共有5 267株杉木，當前最小密度759株·hm-2，最大密度2 178株·hm-2，平均樹高17.90 m，平均胸徑18.56 cm.人為將杉木分成小徑材(胸徑<15 cm)、中徑材(15 cm≤胸徑<26 cm)、大徑材(胸徑≥26 cm)3個徑級，其中，小徑材1 444株，中徑材3 388株，大徑材435株，占8.26%.

土壤容重平均值為1.103 g·cm-3，pH為4.46～5.28，偏酸性.有機碳含量平均值為19.09 g·kg-1，有機質(zhì)含量平均值為32.77 g·kg-1，水解氮平均值為80.39 mg·kg-1，有效磷含量平均值為1.306 mg·kg-1，速效鉀含量平均值為45.70 mg·kg-1.樣地土壤中有機碳、有機質(zhì)、水解氮、速效鉀的含量較少，有效磷含量極少.

3.1 地形與杉木大徑材形成的關(guān)系

3.1.1 海拔與杉木大徑材數(shù)量、比例的關(guān)系 調(diào)查樣地以104 m為梯度將海拔分成3組，分析海拔對杉木大徑材數(shù)量、比例分布的影響.結(jié)果(表1)顯示：海拔為619～723 m時，大徑材的數(shù)量、比例分別為(119.25±50.10)株·hm-2、(10.29±4.46)%，均達到最大值；大徑材的數(shù)量、比例隨著海拔的升高逐步減少，海拔>827 m后，大徑材數(shù)量、比例的下降幅度增大，與海拔723～827 m之間的差異達到顯著水平.

表1 地形與杉木大徑材形成的關(guān)系1)Table 1 Relationship between topography and proportion of large-diameter Chinese fir timber

3.1.2 坡度與杉木大徑材數(shù)量、比例的關(guān)系 調(diào)查樣地以8°為梯度將坡度分成3組，分析坡度對杉木大徑材數(shù)量、比例分布的影響.結(jié)果(表1)顯示:坡度為19°～27°時,大徑材的數(shù)量、比例分別為(142.50±67.50)株·hm-2、(10.72±4.79)%，均達到最大值；大徑材數(shù)量隨著坡度的增加逐步減少，當坡度>35°時，大徑材數(shù)量減少幅度增大，與19°～27°之間的差異達到顯著水平；3組坡度對大徑材比例分布的影響差異不顯著.

3.1.3 坡向與杉木大徑材數(shù)量、比例的關(guān)系 按林業(yè)調(diào)查中坡向劃分的規(guī)則，將調(diào)查樣地分為陰坡(0°±22.5°)、半陰坡(22.5°±67.5°、292.5°±337.5°、67.5°±112.5°)、陽坡(157.5°±202.5°)、半陽坡(247.5°±292.5°、112.5°±157.5°、232.5°±277.5°)4組，分析坡向?qū)ι寄敬髲讲臄?shù)量、比例分布的影響.結(jié)果(表1)顯示，大徑材數(shù)量在陽坡達到最大值，為(152±38.85)株·hm-2，大徑材數(shù)量的大小表現(xiàn)為：陽坡>半陽坡>陰坡>半陰坡；大徑材比例在半陽坡達到最大值，為(12.69±4.09)%，大徑材比例的大小表現(xiàn)為：半陽坡>陽坡>半陰坡>陰坡；陰坡、半陰坡的大徑材數(shù)量、比例與半陽坡、陽坡之間的差異顯著.

3.2 土壤養(yǎng)分與杉木大徑材形成的關(guān)系

根據(jù)土壤中各養(yǎng)分含量的范圍，將調(diào)查樣地分成3組，分析土壤養(yǎng)分對杉木大徑材數(shù)量、比例分布的影響.結(jié)果(表2)顯示：大徑材的數(shù)量、比例分別在機碳含量為33.16～46.26 g·kg-1時達到最大值[分別為(123.75±26.65)株·hm-2、(9.28±1.91)%]，在有機質(zhì)含量為57.17～79.75 g·kg-1時達到最大值[分別為(120.00±30.00)株·hm-2、(9.54±2.25)%]，在水解氮含量為181.55～257.60 mg·kg-1時達到最大值[分別為(123.75±43.05)株·hm-2、(11.60±5.32)%]，在速效鉀含量為101.60～146.04 mg·kg-1時達到最大值[分別為(150.00±42.45)株·hm-2、(11.54±3.89)%]；大徑材數(shù)量在有效磷含量為2.388～3.451 mg·kg-1時達到最大值[(115.05±34.65)株·hm-2]，大徑材比例在有效磷含量為1.318～2.388 mg·kg-1時達到最大值[(8.948±5.486)%]；大徑材的數(shù)量、比例均會隨著各土壤養(yǎng)分含量的增加而逐漸增高，尤其是有效磷的含量對其影響較明顯，但3組間各土壤養(yǎng)分含量總體來說對杉木大徑材數(shù)量、比例的影響差異不顯著.

表2 土壤養(yǎng)分與杉木大徑材形成的關(guān)系1)Table 2 Relationship between soil nutrients and proportion of large-diameter Chinese fir timber

對有效磷含量與杉木大徑材數(shù)量、比例的關(guān)系進行相關(guān)性分析，結(jié)果(圖2)顯示，土壤有效磷含量與杉木大徑材的數(shù)量、比例有較明顯的相關(guān)關(guān)系.

圖2 土壤有效磷含量與杉木大徑材形成的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil available phosphorus and proportion of large-diameter Chinese fir timber

4 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明：土壤養(yǎng)分對杉木大徑材形成的影響較小，雖然有效磷含量與其有一定的關(guān)系，但土壤養(yǎng)分含量總體來說對杉木大徑材數(shù)量、比例的影響差異不顯著；地形對杉木大徑材形成的影響較大，海拔、坡度、坡向?qū)ι寄敬髲讲牡臄?shù)量、比例分布都有影響；在海拔不超過827 m，坡度不大于35°的陽坡或半陽坡，土壤有效磷含量較多的條件下培育杉木可以獲得較高的大徑材數(shù)量、比例.

有報道認為，影響林木生長最重要的地形是坡形，其次是坡位，坡向、海拔、坡度(45°以內(nèi))對杉木林生長的影響不顯著[12].但本研究結(jié)果顯示，坡向、海拔、坡度對杉木大徑材數(shù)量、比例分布的影響較大，且坡向?qū)Υ髲讲男纬傻挠绊懗潭葹椋宏柶隆腙柶聝?yōu)于陰坡、半陰坡.

本調(diào)查樣地土壤蓬松，容重平均值為1.103 g·cm-3，總體來看在最適杉木生長的范圍[14]，少數(shù)幾個樣地的土壤容重大于平均值，但不影響杉木生長.已有報道認為，杉木是較喜肥樹種，土壤養(yǎng)分與杉木各生長指標均存在相關(guān)性，生長受有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷含量的影響，特別是速效氮、有效磷的含量對其影響較大[20-22].杉木林有效氮含量的適宜值為145 mg·kg-1，臨界值為80 mg·kg-1，缺乏值為35 mg·kg-1；而有效磷含量的最適值為13 mg·kg-1，臨界值為6 mg·kg-1，缺乏值為1 mg·kg-1[23].本次調(diào)查樣地土壤的pH呈酸性，水解氮含量(80.39 mg·kg-1)處于臨界值水平，有效磷含量(1.306 mg·kg-1)處于缺乏值水平，二者含量均較低.關(guān)于樣地pH、水解氮和有效磷含量較低的原因，一種觀點認為針葉林可能存在引起土壤酸化的問題[24-25]，因此當杉木人工林引起土壤酸化后，造成pH下降，從而引起土壤養(yǎng)分含量減少，尤其是速效磷和水解氮含量的下降[14]；另一種觀點認為南方土壤本身普遍缺磷[26].本研究由于未采集根際土壤進行試驗，因此傾向于認同后一種觀點，在以后的經(jīng)營中應(yīng)適當施用磷肥.

從本調(diào)查結(jié)果推測，杉木大徑材的形成除受地形的影響外，很可能受光照、溫度、空氣濕度等因子的影響要大于受土壤養(yǎng)分的影響.