不同樹種和比例對桉樹人工混交林土壤肥力質(zhì)量的影響

蔣林，覃恒，鄧建英，朱原立，趙雋宇，王會利，唐健*

不同樹種和比例對桉樹人工混交林土壤肥力質(zhì)量的影響

蔣林1，覃恒1，鄧建英1，朱原立1，趙雋宇2，王會利2，唐健2*

(1. 廣西國有七坡林場，廣西 南寧 530225；2. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西林用新型肥料研發(fā)中心，廣西 南寧 530002)

為了研究不同混交樹種、混交比例的桉樹人工混交林對土壤養(yǎng)分積累及肥力質(zhì)量的影響，以廣西國有七坡林場桉樹× 米老排、桉樹× 灰木蓮混交林為研究對象，基于常規(guī)的15項土壤肥力指標(biāo)，采用最小數(shù)據(jù)集及隸屬度函數(shù)法對不同結(jié)構(gòu)的混交林進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評價。結(jié)果表明：與純林相比，不同處理的混交林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等大量養(yǎng)分顯著提升，以微量元素中銅、鋅含量提升最為顯著。與純林相比，不同結(jié)構(gòu)混交林土壤肥力質(zhì)量明顯提升，土壤肥力質(zhì)量最高的處理為25%桉樹-灰木蓮混交林。在制定生產(chǎn)經(jīng)營策略時，可參考該混交林營建措施，保障林地土壤肥力的可持續(xù)性，促進(jìn)廣西桉樹人工林及下游產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

最小數(shù)據(jù)集；隸屬度函數(shù)；混交林；可持續(xù)經(jīng)營；生態(tài)友好

桉樹()適應(yīng)性強、用途廣泛，桉樹人工林已經(jīng)成為廣西森林資源的主要組成部分[1]。迄今為止，廣西桉樹人工林面積已達(dá)256萬hm2，占全國桉樹人工林面積46.9%，在保障國家木材供給、改善生態(tài)環(huán)境和應(yīng)對氣候變化等方面發(fā)揮重要作用。然而，長期以來大面積桉樹純林造林、多代連栽的經(jīng)營措施為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富做出了重大貢獻(xiàn)的同時[2-3]，這種經(jīng)營方式也造成了土壤肥力衰退、生物多樣性下降及病蟲害日益嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題[4]。研究表明，營建人工混交林可以有效利用林地空間資源、增加生物多樣性、改善林地環(huán)境[5-6]，是目前公認(rèn)的兼顧高效生產(chǎn)、生態(tài)友好的一種經(jīng)營措施[7]。探索適宜的樹種與混交比例，營建高質(zhì)量的混交林，對促進(jìn)廣西林業(yè)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。

伴生樹種的選擇是營建混交林的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同伴生樹種的生理特性決定了混交林的營林目的與效果。紅錐()、米老排()、火力楠()和山白蘭()[8-10]等不同生物學(xué)特性的鄉(xiāng)土珍貴闊葉樹種，與桉樹營建混交林后，林分蓄積量、土壤理化性質(zhì)等比桉樹純林均有不同程度的提升。然而，當(dāng)前混交林營林目的主要以提高生產(chǎn)力和提供更多產(chǎn)品(如多種用途木材、非木材森林產(chǎn)品)為主，相關(guān)研究重點多集中在地上部分[11-12]，有關(guān)伴生樹種對土壤肥力質(zhì)量影響的研究相對缺乏，正確評價混交林土壤肥力質(zhì)量對于指導(dǎo)實際生產(chǎn)過程中的樹種選擇、經(jīng)營方式具有重要意義。

土壤肥力質(zhì)量評價是一種有效結(jié)合多種土壤信息進(jìn)行定量分析和指導(dǎo)土地可持續(xù)經(jīng)營的決策工具，目前暫未有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評價的標(biāo)準(zhǔn)方法[13]。土壤是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在進(jìn)行土壤質(zhì)量評價時，如何從大量評價指標(biāo)中篩選出影響肥力的關(guān)鍵因素是驗證評價體系是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵[14-16]。本研究擬利用多元降維分析思路的主成分分析法建立最小數(shù)據(jù)集，同時引入隸屬度函數(shù)模型對土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行評價。旨在對比營建不同伴生樹種、混交比例的桉樹混交林土壤肥力是否具有顯著差異性，為桉樹混交林的伴生樹種、經(jīng)營方式的選擇提供理論依據(jù)，指導(dǎo)實際生產(chǎn)，助力廣西桉樹人工林及其下游產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)布設(shè)于廣西國有七坡林場七坡分場(21°35′ ～ 22°41′ N，107°72′ ～ 109°56′ E)設(shè)置試驗地，為典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，分場全年平均氣溫在21 ～ 22 ℃，近年來觀測的極端高溫38.4 ℃，極端低溫?2.6 ℃。全年降雨量1 200 ～ 1 300 mm，年蒸發(fā)量1 600 ～ 1 800 mm，相對濕度為79%左右。根據(jù)中國土壤發(fā)生學(xué)分類方式，土壤類型為第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育而來的紅壤，壤土。林下植被主要有水茄()、姬蕨()、五節(jié)芒()、鬼針草()、飛機(jī)草()等。

2020年9月桉樹采伐后，保留伐樁待桉樹萌芽更新，在林地內(nèi)分別以15%、25%伴生比例營建桉樹-米老排、桉樹-灰木蓮混交林，混交林經(jīng)營管理措施與傳統(tǒng)純林經(jīng)營一致，年施肥量每株500 g，施用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合肥(有機(jī)質(zhì)含量≥15%)，肥料N:P:K比例為15:6:9。另在桉樹純林內(nèi)設(shè)置對照組(CK)，共計5個處理。于2022年1月進(jìn)行樣品采集與林分調(diào)查，調(diào)查時林齡均為18個月，以每木檢尺法測定林木生長量數(shù)據(jù)。在不同處理內(nèi)分別設(shè)置立地條件一致的3個20 m × 20 m標(biāo)準(zhǔn)地，共計15個標(biāo)準(zhǔn)地。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)以“S”型挖掘5個土壤剖面，采集0 ～ 20 cm表層土壤樣品，做好標(biāo)記后帶回實驗室進(jìn)行土壤風(fēng)干、研磨、過篩等前處理工作。

表1 樣地概況

1.2 肥力指標(biāo)測定

土壤pH值采用電位法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定。全氮、堿解氮采用半微量凱氏定氮法，全磷含量硝化后用全自動間斷分析儀測定，有效磷含量采用M3溶液浸提后用全自動間斷化學(xué)分析儀測定，全鉀含量用堿溶－火焰光度法測定，速效鉀用醋酸銨浸提－火焰光度計法[17-18]。

1.3 主成分分析

主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)是通過線性代數(shù)矩陣方程計算相關(guān)矩陣的特征值、特征向量和主成分的累計貢獻(xiàn)率，可將多個指標(biāo)簡化成相互獨立的少數(shù)指標(biāo)。分析法從全量數(shù)據(jù)指標(biāo)中篩選最能反映土壤質(zhì)量特征且對評價結(jié)果具有顯著影響的土壤指標(biāo)作為最小數(shù)據(jù)集。

1.4 土壤肥力質(zhì)量評價方法

土壤質(zhì)量指數(shù)(Soil Fertility Quality Index)是通過計算各土壤質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重和評分，將指標(biāo)得分整合成的方程，是對土壤功能的綜合反映，其值越大，則表明土壤質(zhì)量越好。

模糊數(shù)學(xué)法(Fuzzy Mathematics Method)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中隸屬度理論建立肥力評價參數(shù)的隸屬度函數(shù)，計算隸屬度值來表明各項參數(shù)在土壤肥力質(zhì)量中的狀態(tài)，通過各評價參數(shù)的權(quán)重計算綜合評價值來表征土壤肥力質(zhì)量的整體狀況。根據(jù)評價指標(biāo)與土壤質(zhì)量變異的正負(fù)相關(guān)性以確定函數(shù)類型(1)計算隸屬度值，采用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)公式(2)計算土壤肥力綜合得分，得到土壤肥力指數(shù)(Integrated Fertility Index，IFI)。

戒上型函數(shù)：

式中為函數(shù)的最小值，為函數(shù)的最大值，為指標(biāo)測定值。

式中W和C分別表示第種肥力指標(biāo)的隸屬度值和相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征方差分析

不同伴生樹種、種植比例營建的桉樹混交林土壤pH值、有機(jī)質(zhì)與大量養(yǎng)分元素存在顯著差異(表2)。15%的桉樹-灰木蓮混交林土壤pH值顯著高于其他處理(<0.05)，但并未表現(xiàn)出一致規(guī)律性。25%桉樹-米老排、桉樹-灰木蓮?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)含量分別為43.35、44.25 g·kg-1，顯著高于15%處理與對照組(<0.05)，說明該混交比例有助于林分有機(jī)質(zhì)的積累。全量養(yǎng)分元素中，25%桉樹-米老排、桉樹-灰木蓮?fù)寥廊?、全磷含量顯著高于其他處理(<0.05)，全鉀含量15%桉樹-灰木蓮顯著升高(<0.05)。速效養(yǎng)分中，不同比例、不同伴生樹種的堿解氮與有效磷含量均顯著高于對照組(<0.05)，25%桉樹-灰木蓮堿解氮含量為173.2 mg·kg-1，相比對照組顯著增加了74.51%。不同處理間速效鉀含量并未表現(xiàn)出顯著差異性(0.05)，可能是由于較高的空間變異性導(dǎo)致。

表2 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)與大量養(yǎng)分元素方差分析

注：同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)，下同。

不同伴生樹種、種植比例營建的桉樹混交林土壤微量養(yǎng)分元素中除硼、鐵元素外，其余微量養(yǎng)分元素均存在顯著差異(表3)。對照組(CK)除土壤錳元素含量顯著高于其他處理外，其余養(yǎng)分元素均顯著低于各混交林處理，說明混交林有利于微量養(yǎng)分元素有效性的提高。15%、25%桉樹-米老排混交林土壤鈣含量分別為202.19、257.25 mg·kg-1，顯著高于其余處理。土壤速效鎂含量較高的處理為15%桉樹-米老排、灰木蓮，分別為13.53、15.51 mg·kg-1，顯著高于其余處理。

表3 土壤微量養(yǎng)分元素方差分析

2.2 最小數(shù)據(jù)集

最小數(shù)據(jù)集的確定方法如下：對參與評價的理化指標(biāo)進(jìn)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。參與評價的土壤養(yǎng)分指標(biāo)：pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鈣、鎂、銅、鋅、硼、鐵、錳。主成分分析結(jié)果表明，15個指標(biāo)4個主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.36%，符合最小數(shù)據(jù)集建立標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)權(quán)重根據(jù)公因子方差計算而得(表4)。在第一、二、三、四主成分中，選取載荷值≥0.700的指標(biāo)，分別為有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷、有效鈣共5個評價指標(biāo)，其中除有效磷在第二主成分中呈負(fù)向外，其余特征變量均為正向權(quán)。

2.3 隸屬度函數(shù)

土壤肥力質(zhì)量評價隸屬度值計算依據(jù)隸屬度公式，經(jīng)過隸屬度函數(shù)公式計算不同混交林處理的土壤養(yǎng)分指標(biāo)隸屬度值如雷達(dá)圖1所示。雷達(dá)圖可以清晰地反映出各肥力指標(biāo)的貢獻(xiàn)度以及整體肥力情況，坐標(biāo)軸上的點離雷達(dá)圖原點越近說明隸屬度值越小，反之則隸屬度值越大，各點圍成的多邊形面積大小則能充分反應(yīng)評價對象的整體狀況。與CK相比，混交林處理指標(biāo)隸屬度多邊形面積均有不同程度的提升，面積最大的處理為25%桉樹-灰木蓮處理。

表4 主成分載荷矩陣

注：載荷因子≥0.700與公因子方差加粗顯示。

圖1 土壤評價指標(biāo)隸屬度雷達(dá)圖

2.4 土壤肥力質(zhì)量評價

經(jīng)土壤肥力指數(shù)公式計算得到不同混交樹種及混交比例的土壤肥力指數(shù)如表5所示。各處理間土壤肥力指數(shù)大小排序為25%桉-灰>25%桉-米>15%桉-灰>15%桉-米>CK，不同混交林處理土壤肥力指數(shù)相比CK均有顯著提升，同時表現(xiàn)為混交比例越大土壤肥力質(zhì)量越高的趨勢。

表5 土壤肥力指數(shù)

3 討論與結(jié)論

本研究基于土壤肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)，對不同混交樹種、混交比例的桉樹人工混交林進(jìn)行了土壤肥力質(zhì)量評價。從pH值與土壤有機(jī)質(zhì)等環(huán)境因子來看，不同處理土壤平均pH值為4.15，普遍偏低，呈酸性，這是由于長期使用桉樹純林造林導(dǎo)致土壤逐漸酸化[20]，但有機(jī)質(zhì)含量普遍處于較高水平，可能是由于桉樹生物量較大同時該區(qū)域采取保留采伐剩余物的經(jīng)營方式[21]。土壤大量養(yǎng)分元素中，25%桉樹-米老排、桉樹-灰木蓮?fù)寥廊?、全磷含量顯著高于其他處理，說明混交林能夠顯著提升土壤養(yǎng)分積累及養(yǎng)分循環(huán)效率，保障林木生長過程中有充足的養(yǎng)分供應(yīng)[6]。土壤微量元素中，25%桉樹-灰木蓮混交林土壤銅、鋅含量相比其余處理顯著升高，說明該種處理有利于這兩個養(yǎng)分元素的積累，而其余微量元素暫未表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。土壤質(zhì)量評價結(jié)果表明，與營建桉樹人工純林相比，選擇不同樹種、伴生比例營建混交林對土壤肥力質(zhì)量具有明顯的提升作用，25%的伴生樹種比例對于純林的土壤肥力質(zhì)量提升更為顯著，主要原因在于混交復(fù)層林結(jié)構(gòu)對于減少雨水沖刷、地表徑流具有積極的作用，豐富的林分凋落物加快了人工林土壤養(yǎng)分循環(huán)，改善了土壤結(jié)構(gòu)。同時，混交林較高的植被多樣性也為保持該生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了積極作用[22]。

隨著桉樹人工林在廣西種植面積的不斷擴(kuò)大，其在廣西經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所占據(jù)的地位也日益重要，如何保持桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營和林地生產(chǎn)力持續(xù)提升是目前林業(yè)經(jīng)營者們要解決的主要問題[19]。本研究表明，在桉樹人工林經(jīng)營過程中，采取復(fù)層、高混交比例的經(jīng)營方式營建桉樹-灰木蓮、桉樹-米老排等混交林，對維持并提升林地土壤肥力質(zhì)量，促進(jìn)林分養(yǎng)分循環(huán)與累積具有較為明顯的正向作用。在今后的林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整經(jīng)營方式，多采用混交林模式，保障廣西桉樹人工林的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

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Effects of Different Tree Species in Mixed Plantations withon Soil Fertility

JIANG Lin1, QIN Heng1, DENG Jianying1, ZHU Yuanli1, ZHAO Junyu2, WANG Huili2, TANG Jian2

(1.2.)

In order to study the effects on soil nutrient accumulation and fertility of artificial mixed forests ofwith different tree species, and in different proportions,×and×mixed plantation forests in Guangxi state-owned Qipo Forest Farm were evaluated. In these forest stands, 15 conventional soil fertility indices along with the minimum data set and membership function method were used to evaluate the soil fertility. The results showed that compared with pure species forest stands, soil organic matter, total nitrogen, total potassium, alkali -hydrolysable nitrogen, available phosphorus, available potassium and other nutrients were significantly higher in mixed species plantation stands with different treatments, and the contents of the trace elements copper and zinc were most significantly higher. Overall, compared with pure species forest stands, the soil fertility of mixed species plantation stands with different structures was significantly improved. The treatment with the highest soil fertility was a 25%×mixed plantation stand. When formulating production and management strategies, we can refer to the mixed species forest construction measures to ensure the sustainability of forest soil fertility and promote the healthy and sustainable development ofplantations and downstream industries in Guangxi.

minimum data set; membership function; mixed forest; sustainable management;Eco-friendly

10.13987/j.cnki.askj.2022.02.002

S718.5

A

廣西林業(yè)科技推廣示范項目“生態(tài)緩沖區(qū)桉樹人工林土壤生態(tài)功能提升技術(shù)研究與示范”(桂林科研〔2021〕23號)；“高代次桉樹人工林生產(chǎn)力和地力對林下植被撫育的響應(yīng)”(桂林科研〔2021〕6號)

蔣林(1970— )，男，碩士，高級工程師，主要從事森林資源培育方面的工作，E-mail:568230028@qq.com

唐健(1980— )，男，博士，教授級高級工程師，主要從事土壤環(huán)境質(zhì)量研究，E-mail:piscestony@qq.com