海南省楓木實驗林場樹木園土壤養(yǎng)分評價

陳人豪，韋建杏，田樂宇，陳修仁

海南省林業(yè)科學(xué)研究院（海南省紅樹林研究院），海南 海口 571100

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既是森林環(huán)境與生物相互作用的產(chǎn)物，也是森林生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質(zhì)交換的重要場所，為森林植被提供了生長發(fā)育的載體和賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。土壤養(yǎng)分是土壤環(huán)境中易于變動和調(diào)節(jié)，并對維持森林植被的生長發(fā)育起決定作用的環(huán)境因子[3]，主要包括全氮、全磷和全鉀等全量養(yǎng)分；堿解氮、速效鉀和有效磷等速效養(yǎng)分以及有機質(zhì)。同時，土壤pH會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

賀志龍等[4]對華北落葉松天然林的研究、楊曉娟[5]等對長白山地區(qū)不同森林類型土壤肥力研究，以及于法展[6]對廬山8種森林類型土壤養(yǎng)分的研究等，均表明不同森林類型的土壤養(yǎng)分含量在垂直方向上基本都隨著土壤深度的增加而逐漸降低，降低的程度和顯著度則因土壤養(yǎng)分類型的不同而有所差異。吳志祥等[7]對不同林齡橡膠園的土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究，結(jié)果表明，土壤全氮和有機質(zhì)含量均隨土層加深而降低，兩者之間呈極顯著正相關(guān)。

前人對于森林土壤的研究多集中于天然林、次生林和人工純林等，對于近自然經(jīng)營的用于保存林木種質(zhì)資源的樹木園研究較少。文章以海南省楓木實驗林場近自然經(jīng)營的樹木園為研究對象，對其土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行分析及評價，為樹木園的合理經(jīng)營和林木種質(zhì)資源保存提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地及樣地概況

研究區(qū)位于海南省楓木實驗林場（19°11′38″N～19°15′52″N；109°56′17″E～109°58′15″E），地處熱帶海洋季風(fēng)氣候地區(qū)，屬低山、丘陵地貌，海拔250m～450m，土壤類型主要為磚紅壤和赤紅壤。年平均氣溫24.5℃，年均降雨量1500m～2500mm，降雨多集中在雨季（5～10月份），11月至翌年4月為旱季，降雨較少[8]。

表1 樣地概況Tab.1 Plot General Situation

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集與土壤化學(xué)性質(zhì)測定

在樹木園內(nèi)隨機設(shè)立3個土壤調(diào)查樣地（20m×20m），采用土鉆取土法，在每個樣地內(nèi)按照“Z”字形選9個點進(jìn)行取土，每個點之間相距3.0m。從上至下，按照深度（d）將土壤分為0cm＜d≤10cm、10cm＜d≤20 cm、20cm＜d≤30cm、30cm＜d≤50cm、50cm＜d≤100cm五個土層，分別記為S1、S2、S3、S4，S5依次分層取土。

將取回的土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，粉碎土塊，挑出根系、石塊后進(jìn)行研磨，研磨后使用100目土篩過篩備用。使用電位法測定pH；使用重鉻酸鉀—氧還滴定法測定有機質(zhì)；使用半微量開氏法測定全氮；使用酸溶—鉬銻抗比色法測定全磷；使用堿溶—火焰光度法測定全鉀；使用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗吸光光度法測定有效磷；使用乙酸銨浸提—火焰光度法測定速效鉀；使用KCl浸提—流動分析儀法測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。

1.2.2 土壤養(yǎng)分評價

由于土壤pH、氮磷鉀含量等屬性具有不可加和性，所以在對各林分的土壤養(yǎng)分進(jìn)行評價前需將各指標(biāo)的測定值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除各指標(biāo)間的量綱差別。常見的標(biāo)準(zhǔn)化方法有直線型、折線型和曲線型無量綱化法[9]，參考全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)（表2），設(shè)定土壤屬性分級標(biāo)準(zhǔn)（表3），研究采用六折線型無量綱化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體如下：

（1）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“六級”時，即Si≤K1時，

瀝青混凝土心墻具黏彈塑性質(zhì)，而混凝土基座為剛性結(jié)構(gòu)，根據(jù)SL501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》，本工程采用在瀝青心墻底部設(shè)擴大段、在混凝土基座面采用弧形底連接型式。設(shè)計瀝青混凝土心墻擴大段高度2.0m，擴大后底部寬度2.0m；混凝土基座表面弧形接觸面頂寬2.0m、深0.2m；為增加瀝青心墻與混凝土基座的黏結(jié)力和防滲效果，施工時接觸面混凝土首先進(jìn)行鑿毛處理，再噴涂0.2kg/m2的陽離子乳化瀝青，待充分干燥后，最后涂刷一層厚2cm的瀝青瑪脂，并在凹槽內(nèi)一道紫銅止水連接。

（2）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“五級”時，即K1＜Si≤K2時，

（3）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“四級”時，即K2＜Si≤K3時，

（4）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“三級”時，即K3＜Si≤K4時，

（5）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“二級”時，即K4＜Si≤K5時，

（6）當(dāng)測定指標(biāo)值屬于“一級”時，即K5＜Si時，

式中：Pi為第i個指標(biāo)的肥力系數(shù)，簡稱肥力系數(shù)；Si第i個指標(biāo)的測定值；K1、K2、K3、K3、K4、K5分別為各肥力指標(biāo)“六級”至“一級”的分級標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

評價模型：

采用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對林分土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價[10]。計算公式為：

式中：Pj為土壤綜合肥力系數(shù)（土壤養(yǎng)分系數(shù)之和）；Pi平均為土壤各肥力系數(shù)的平均值；Pi最小為土壤肥力系數(shù)的最小值；n為參與評價的土壤肥力指標(biāo)個數(shù)。

表2 全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 National Soil Nutrient Content Grading Standards

表3 土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Classification Standard of Soil Fertility

根據(jù)土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)（表3），利用式（1）～（7）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算，設(shè)立土壤肥力系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)（表4），計算土壤肥力系數(shù)，進(jìn)行土壤養(yǎng)分評價。

表4 土壤肥力系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Classification Standard of Soil Fertility Coefficient

1.2.3 數(shù)據(jù)整理與分析

使用Excel 2019和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、圖表制作及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

由表5可知，隨著土層的加深，樹木園土壤：pH呈緩慢升高趨勢，但各土層間無顯著差異；S5土層pH最大，為5.36±0.36。有機質(zhì)含量呈顯著降低趨勢；S1土層、S2土層、S3和S4土層、S5土層間差異顯著；S1土層有機質(zhì)含量最高，為25.53±6.56g·kg-1。全氮含量呈明顯降低趨勢；S1、S3、S5土層間差異顯著；S1土層全氮含量最高，為1.89±0.32g·kg-1。全磷含量呈先升高再降低的趨勢，但各土層間差異不顯著；S5土層全磷含量最高，為1.50±0.32g·kg-1。全鉀含呈先升高再降低趨勢；S1、S2、S3土層與S5土層差異顯著；S3土層全鉀含量最高，為32.64±2.89g·kg-1。有效磷含量呈先降低再升高的特點；S1土層、S3和S4土層、S5土層間差異顯著；S5土層有效磷含量最高，為17.08±4.54mg·kg-1。速效鉀含量呈明顯降低趨勢；S1、S3、S5土層間差異顯著；S1土層速效鉀含量最高，為79.78±25.21mg·kg-1。硝態(tài)氮含量呈顯著降低趨勢；S1、S2土層與S4、S5土層差異顯著；S1土層硝態(tài)氮含量最高，為26.50±8.85mg·kg-1。銨態(tài)氮含量呈降低趨勢，但各土層無顯著差異；S1土層銨態(tài)氮含量最高，為13.32±1.01mg·kg-1。

S1土層與S2、S3、S4、S5的比值：有機質(zhì)為7.82、5.76、3.56、2.15；全氮為3.55、2.72、2.02、1.47；全磷為0.78、0.72、0.64、0.62；全鉀為1.30、1.33、1.38、1.24；有效磷為0.56、0.32、0.16、0.14；速效鉀為6.46、3.45、1.99、1.40；硝態(tài)氮為10.09、4.38、1.91、1.10；銨態(tài)氮為1.78、1.52、1.69、1.18。

表5 樹木園土壤理化性質(zhì)Tab.5 Physico Chemical Properties of Tree Garden Soil

2.2 土壤養(yǎng)分垂直分布與土層深度的擬合方程

用二次曲線、指數(shù)曲線、對數(shù)曲線和復(fù)合曲線等曲線函數(shù)模型對樹木園土壤有機質(zhì)、全氮等8種營養(yǎng)成分的含量（N）與土層深度（d）進(jìn)行擬合，以F值和R2評定模型的擬合程度，選出樹木園土壤各營養(yǎng)成分垂直分布的最適回歸模型。

結(jié)果表明（表6），樹木園土壤有機質(zhì)和銨態(tài)氮含量，指數(shù)曲線（lnN=a+b×d）擬合效果最好；土壤全氮和全鉀含量，二次曲線（y=ax2+bx+c）擬合效果最好，土壤速效鉀和硝態(tài)氮含量三次曲線（y=ax3+bx2+cx+e，e為常數(shù)）擬合效果最好；土壤全磷和有效磷含量未找到最適函數(shù)擬合方程。

表6 樹木園土壤養(yǎng)分?jǐn)M合方程Tab.6 Soil Nutrient Fitting Equation of Tree Garden

2.3 土壤養(yǎng)分評價

根據(jù)全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（表2），樹木園中土壤養(yǎng)分含量為四級（中）及以上的（見表7）：S1土層為有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和速效鉀；S2土層為有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和有效磷；S3土層為有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀；S4土層為全氮、全磷和全鉀；S5土層為全磷、全鉀和有效磷。除有效磷外，各土壤養(yǎng)分均隨土層加深而含量降低；全磷和全鉀含量在各土層均含量很高（二級），堿解氮含量在各土層都為五級（低）及以下。

總的來看，樹木園土壤表層（S1土層）除堿解氮含量為低級外，其他均為中、高或極高（表7），綜合肥力系數(shù)最高（2.36），但根據(jù)土壤肥力系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)（表4），表層土壤肥力也僅為一般，其它土層均為貧瘠；且隨土層加深，土壤綜合肥力系數(shù)逐步降低（表8）。

表7 樹木園土壤養(yǎng)分含量分級Tab.7 Classification of Soil Nutrient Content in Arboretum

表8 樹木園土壤養(yǎng)分肥力系數(shù)Tab.8 Soil Nutrient Fertility Coefficient of Arboretum

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

海南省楓木實驗林場樹木園土壤肥力總體較為貧瘠，綜合肥力隨土層加深而明顯下降，土壤養(yǎng)分的表聚現(xiàn)象明顯，有效磷、速效鉀和堿解氮是影響樹木園土壤綜合肥力系數(shù)的主要指標(biāo)。因此，改善樹木園的土壤肥力狀況，提高土壤有效磷、速效鉀和堿解氮含量是關(guān)鍵。

3.2 討論

森林土壤是森林植被生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤的水分和養(yǎng)分含量直接決定著林木生長和林分質(zhì)量，其組成結(jié)構(gòu)和空間分布格局對土壤生產(chǎn)力有重要影響[11-12]。雖然森林土壤的成土母質(zhì)、氣候、地形和地表植被各異，但森林土壤養(yǎng)分含量基本都表現(xiàn)出表聚性，養(yǎng)分含量隨土層的加深而明顯下降[13-14]。

該研究顯示，樹木園的土壤肥沃程度，僅S1土層肥沃程度一般，其它各土層均為貧瘠。各土壤養(yǎng)分含量在總體上均呈隨土層加深而降低的趨勢；土壤養(yǎng)分主要分布于S1和S2土層中，在S1土層土層分布最為豐富，綜合肥力系數(shù)最高，各土層的土壤綜合肥力系數(shù)隨土層的加深而下降，說明樹木園土壤養(yǎng)分的表聚現(xiàn)象明顯，這與眾多研究一致[15-16]。

從土壤養(yǎng)分分級來看，樹木園土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量較為豐富；能被林木根系直接吸收的有效磷、速效鉀和堿解氮的含量則較少，這也是導(dǎo)致土壤肥力系數(shù)較低的主要因素。這與唐群峰[15]等對海南土壤肥力的研究結(jié)果一致。土壤表層綜合肥力系數(shù)較大，可能是因為林木根系分布集中于土壤表層，根系周轉(zhuǎn)和凋落物等共同作用下，使土壤表層有機質(zhì)和氮磷鉀含量較高[17]。

樹木園土壤各土層的有效磷、速效鉀和堿解氮含量均為中等（四級）及以下，是因為熱帶地區(qū)氣候炎熱多雨，加速了土壤速效養(yǎng)分的淋溶，致使土壤速效養(yǎng)分含量很低[18-19]，堿解氮含量更是只有五級（低）及以下。全磷和全鉀含量各土層均為一級和二級，一般而言磚紅壤中全鉀含量較低，但該研究結(jié)果顯示全鉀含量很高，這可能是丘陵區(qū)成土母質(zhì)和巖石等裸露較多，受淋溶效應(yīng)明顯，易溶的速效鉀流失而大量難溶的鉀滯留于土壤中，致使全鉀含量偏高。