粵北地區(qū)杉木林與闊葉純林土壤肥力特征1)

鄧厚銀胡德活晏姝鄭會全王潤輝韋如萍曾宏 梁機 曾祥橐

(廣東省森林培育與保護利用重點實驗室(廣東省林業(yè)科學研究院)，廣州，510520) (廣西大學) (韶關市國有曲江林場)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是物質(zhì)循環(huán)、能量循環(huán)和水分循環(huán)的載體[1]。土壤肥力是森林生產(chǎn)力的一個重要指標，為植物長期提供水分和養(yǎng)分[2-3]，直接影響著森林的健康生長和分布狀況[4]。森林土壤肥力狀況，與樹種組成[5]、林分密度[6]、氣候條件[7]、人為干擾[8]等因子緊密相關，相反，亦可通過林分生長狀況反映土壤肥力高低；另外，不同林分類型的植被凋落物性質(zhì)及其組成不同，會對林下土壤肥力的積累產(chǎn)生一定的影響[9]。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境保護主題的深入，生態(tài)環(huán)境的建設與保護成為各行各業(yè)發(fā)展必不可少的重要環(huán)節(jié)，為了更好地實現(xiàn)森林健康、可持續(xù)發(fā)展，人們越來越重視土壤與植被之間關系的研究。本研究以粵北不同林分類型林下土壤為研究對象，采用主成分分析法對不同林型土壤肥力進行綜合評價，探討不同林型與土壤肥力間的關系以及不同林型土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，旨在為該區(qū)域樹種選擇、林分配置提供參考依據(jù)，不斷提高森林生態(tài)效益，對該區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省韶關市(23°53′～25°31′N、112°53′～114°45′E)國有韶關林場、曲江區(qū)國營小坑林場和國營曲江林場，全市土地面積18218.06 km2，海拔100～200 m，屬中亞熱帶濕潤性季風氣候，紅色巖系構成的丘陵、臺地分布較廣，特征顯著；土層深厚；年平均氣溫21 ℃，年平均雨量1 700 mm，無霜期310 d，年平均日照時間1 800 h，年平均積溫為7 800 ℃，光、熱、水資源豐富。該區(qū)是廣東省用材林、水源林和重點毛竹基地，被譽為華南生物基因庫和珠江三角洲的生態(tài)屏障[10]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2017年10月，在韶關林場、小坑林場、曲江林場選擇杉木(Cunninghamialanceolata)、木荷(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)、樂昌含笑(Micheliachapensis)、火力楠(Micheliamacclurei)、香樟(Cinnamomumcamphora)、米老排(Mytilarialaosensis)7種純林，其所在地段海拔高度相近，土壤母質(zhì)和土地利用歷史相同，林齡均為15 a。每種林分設3塊20 m×20 m的標準地，在標準地內(nèi)進行每木檢尺，測定樹高、胸徑、郁閉度，同時調(diào)查和記錄標準地的海拔、坡度、坡位等環(huán)境因子(表1)。每個標準地按對角線法設置3個土壤采樣點，每個采樣點按0～20 cm土層采集1個環(huán)刀用于土壤物理性質(zhì)測定，同時均勻采集3個采樣點混合土樣1份，帶回實驗室用于測定土壤化學性質(zhì)。

表1 粵北地區(qū)不同林分類型林地概況

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標的測定參考LY/T 1215—1999《森林土壤水-物理性質(zhì)的測定》。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)采用硫酸重鉻酸鉀氧化法測定，土壤pH用電位法測定，全氮質(zhì)量分數(shù)用半微量凱氏法測定，全磷質(zhì)量分數(shù)用酸溶-鉬銻抗比色法測定，全鉀質(zhì)量分數(shù)用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定，堿解氮質(zhì)量分數(shù)用擴散洗手法測定，有效磷質(zhì)量分數(shù)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀質(zhì)量分數(shù)采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[11]。

2.3 土壤肥力綜合評價

選用0～20 cm土層土壤理化指標，利用主成分分析法對不同純林土壤肥力進行綜合評價。

主成分分析(PCA)的綜合評價模型[12]為：

式中：F為綜合評價值；λi為第i個主成分特征值；fi為第i個主成分得分值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

分析軟件為SPSS 19.0、Excel 2010，采用方差分析、Duncan’s多重比較(α=0.05)比較不同林分類型的土壤理化性質(zhì)差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

不同林分類型的土壤物理性質(zhì)見表2。不同林分類型的土壤密度為1.16～1.37 g·cm-3，無顯著差異?？偪紫抖?、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別為38.55%～49.29%、34.69%～44.36%和3.85%～4.93%，各林分間土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均是火力楠林最大，木荷林最小，值得注意的是，杉木林的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度較大，均排名第3。土壤自然含水量為210.32～289.01 g·kg-1，樂昌含笑林最大，杉木林最小，最大值比最小值高37.41%，兩者達顯著差異(P<0.05)。最大持水量、毛管持水量和田間持水量的變化范圍分別為385.50～492.94、346.57～443.64、289.12～369.70 t·hm-2，各林分間最大持水量、毛管持水量、田間持水量均是火力楠林最大，木荷林最小，且最大持水量、毛管持水量、田間持水量在火力楠林和木荷林間達顯著差異(P<0.05)。

3.2 土壤化學性質(zhì)

由表3可知，全磷和全鉀質(zhì)量分數(shù)在7種林分類型之間無顯著差異。土壤pH為4.28～4.78，呈強酸性。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為12.07～32.91 g·kg-1，杉木林最大，香樟林最小，二者相差2.7倍。全氮質(zhì)量分數(shù)為0.73～1.34 g·kg-1，紅錐林全氮質(zhì)量分數(shù)顯著大于香樟林。堿解氮質(zhì)量分數(shù)變化范圍較大，為49.84～118.67 mg·kg-1，紅錐林最高，香樟林最低，最高值比最低值高138%，兩者達顯著差異(P<0.05)。有效磷質(zhì)量分數(shù)變化范圍較小，為0.17～0.95 mg·kg-1。速效鉀質(zhì)量分數(shù)為14.78～42.14 mg·kg-1，杉木林最大，香樟林最低。

表2 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤物理性質(zhì)

表3 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤化學性質(zhì)

3.3 不同林分類型的土壤肥力綜合評價

對杉木林和6種闊葉樹純林的16個土壤理化性質(zhì)評價指標進行主成分分析，并根據(jù)特征值大于1的原則，提取了3個主成分(表4)。

表4 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤肥力主成分分析結(jié)果

前3個主成分的累計貢獻率達93.509%，表明其能夠較好地反映不同林分類型的變異信息。第1主成分在總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、pH上有較大的載荷；第2主成分在有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀上有較大的載荷；第3主成分在全磷上有較大的載荷。

根據(jù)主成分分析法計算綜合評價得分，結(jié)果見表5。由表5可知，火力楠林綜合評價得分最高，排名2、3的依次為樂昌含笑林、杉木林，排名最后的是木荷林。

表5 粵北地區(qū)不同林分類型的土壤肥力綜合評價

4 討論

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個重要指標，既能表征土壤為植物生長提供養(yǎng)分、水分、熱量和空氣的能力，又是土壤物理、化學和生物學性質(zhì)的綜合體[13]。本研究結(jié)果表明，不同林分類型對土壤肥力存在顯著影響。7種人工林林下土壤肥力由大到小排序為：火力楠林、樂昌含笑林、杉木林、紅錐林、香樟林、米老排林、木荷林。杉木土壤肥力大小僅次于火力楠林、樂昌含笑林，土壤肥力條件較好；紅錐林土壤肥力較香樟林、米老排林和木荷林理想；木荷林土壤肥力表現(xiàn)較差。

土壤孔隙狀況直接影響土壤水氣協(xié)調(diào)、根系穿插的難易以及土壤水肥的有效性[14]。土壤孔隙度越大，通氣性也就越好，相應的土壤入滲能力、持水能力也更強[15]。不同林分類型由于凋落物儲量、構成及分解速率的大小、林下根系狀況以及土壤動物、微生物的種類和活動強弱等因素均存在一定差異，進而造成不同林分土壤物理性質(zhì)的不同[16-17]。陳文靜等[18]研究表明不同人工林間土壤養(yǎng)分的差異性與不同樹種的凋落物、細根、土壤密度及涵水能力差異化有關。李曉萍[19]研究發(fā)現(xiàn)樂昌含笑的根系分泌物、土壤動物和微生物所分泌的酶，促進主要植物和其他植被根系的生長，改善土壤物理性質(zhì)，使得土壤團聚體較多，孔隙度增大，提高了土壤持水能力。謝騰芳等[20]對火力楠和紅包木(Rhodoleiachampionii)幼林的土壤肥力研究也有類似結(jié)果。在本研究中，火力楠林和樂昌含笑林土壤孔隙度較大，杉木林僅次于前兩者，木荷林最小，土壤孔隙度在火力楠林和木荷林間達差異顯著(P<0.05)，表明在研究區(qū)中，前3種林分對土壤結(jié)構改良效果更好。但與黃香蘭等[21]對華南地區(qū)木荷、濕地松(Pinuselliottii)和尾葉桉(Eucalyptusurophylla)林的土壤特性研究不同的是火力楠土壤保水性和通氣性卻是最高的，原因可能是與試驗地所處的位置有關。孫浩等[22]的研究結(jié)果表明，杉木林林下土壤水源涵養(yǎng)能力低于闊葉林，但本研究顯示杉木林土壤層持水能力相對較高，原因可能是研究區(qū)中的杉木林下植被密集的根系及土壤動物、微生物活動等影響土壤孔隙結(jié)構，從而影響土壤層蓄水狀況，已有其他研究表明，植物可通過改變根系物理環(huán)境、凋落物的輸入以及水分和營養(yǎng)循環(huán)的調(diào)節(jié)方式影響著土壤結(jié)構[23]。

土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)大小表征土壤肥沃程度，是土壤中各營養(yǎng)元素特別是N、P的重要來源。有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)主要來源于植物凋落物的分解[24]。本研究得出杉木林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最高，香樟林最低，紅錐林僅次于杉木林，與馮嘉儀等[25]的研究結(jié)果基本一致，其研究結(jié)果表明，杉木林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)僅次于闊葉混交林，比相思(Acaciaspp.)林、桉樹(Eucalyptusurophylla)林以及馬尾松(Pinusmassoniana)林的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)都高。崔莉娜等[26]對不同林齡杉木人工林菌根侵染特征的研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌與杉木的相互作用能有效調(diào)控根際土的養(yǎng)分動力學特征，減緩土壤酸化造成的養(yǎng)分流失。而黃志宏等[27]對廣東南嶺不同林分類型土壤養(yǎng)分狀況比較分析中發(fā)現(xiàn)，杉木林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于常綠闊葉林，但本研究中杉木林為中等偏上水平，原因可能是杉木林下豐富的灌草叢促進植被和土壤間聯(lián)系，進而影響土壤肥力，此外，林下植被的更新演替促進土壤養(yǎng)分循環(huán)，因此，杉木林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高。但馮嘉儀等[25]的研究結(jié)果在一定程度上支持了本研究結(jié)果，可能與研究地所處的具體位置以及闊葉樹種類型有關。土壤pH是土壤肥力關鍵指標之一，研究發(fā)現(xiàn)pH值的大小會影響土壤養(yǎng)分的有效性，從而直接影響著植物生長、土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動[28]。本研究結(jié)果表明，7種純林的土壤均為強酸性，這與薛立等[29]的研究結(jié)果一致。

土壤中的氮磷鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量及其有效性不但影響著土壤的理化性質(zhì)，同時與植物生長緊密相關[30]。研究發(fā)現(xiàn)土壤氮元素是林木生長發(fā)育的限制因子之一[31]，其主要來源于有機態(tài)氮礦化作用釋放無機氮、干沉淀及降雨。植物吸收氮元素除了來自土壤氮外，生物固氮作用也是一種重要的途徑。Xiao et al.[32]探討了亞熱帶不同森林類型對土壤表層和深層溶解有機碳和氮的影響，結(jié)果表明天然林和毛竹林(Phyllostachyspubescens)下溶解性有機碳和溶解性有機氮的質(zhì)量分數(shù)高于吊皮錐(Castanopsiskawakamii)和杉木，更有利于提高土壤肥力。一般認為土壤全氮質(zhì)量分數(shù)(N)<0.75 g·kg-1為低水平，0.75≤N<1.50 g·kg-1為中等水平，N≥1.50 g·kg-1為高水平[33]。但本研究發(fā)現(xiàn)7種人工林中，除香樟林土壤全氮處于低水平外，其余林分土壤全氮均處于中等水平。值得注意的是，杉木林土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)在所有林分中最高(111.33 mg·kg-1)，但本研究中所有林分的土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)均低于同一氣候帶的土壤[34]，這可能與區(qū)域性有關。植物所獲取的磷都是通過根系從土壤中吸收的，因此土壤中磷的質(zhì)量分數(shù)及主要存在形式對植物的影響甚大[35]。已有其他研究表明，磷是限制植物生長的重要因素之一[36]。本研究中有效磷質(zhì)量分數(shù)均小于3 mg·kg-1，整體均處于很低水平，因此有效磷是土壤肥力的限制性因子之一，這與前人研究結(jié)果[27]一致。

對粵北地區(qū)杉木林與闊葉純林土壤肥力比較分析，不同林型間土壤肥力的差異顯著，結(jié)果顯示火力楠林和樂昌含笑林土壤肥力較高，杉木林僅次于前兩者，因此可在該區(qū)制定合理的生態(tài)管理措施，如針對不同林分類型施不同配比有機肥，進一步提高林分的生產(chǎn)力。同時，杉木作為該區(qū)重要的林木經(jīng)濟來源，且其土壤理化性質(zhì)良好，因此在林業(yè)生產(chǎn)活動中，可加強對杉木林科學管理，達到生態(tài)效益和經(jīng)濟效益穩(wěn)步提高。