桂西北不同林齡禿杉人工林土壤理化性質(zhì)1)

何斌

(廣西大學，南寧，530004)

韋秀媚

(廣西國有維都林場)

馮建強

(廣西林業(yè)勘測設計院)

楊家強

(廣西國有維都林場)

黃承標

(廣西大學)

張日施

(廣西八桂林木花卉種苗股份有限公司)

人工林是當今世界森林資源的重要組成部分。發(fā)展人工林是增加我國森林資源、解決木材供需矛盾、實施天然林保護和生態(tài)環(huán)境建設的有效措施和必然選擇[1-2]。但由于人工林林分結構單一、物種多樣性貧乏,加上受到樹種生物學特性以及經(jīng)營措施等多方面影響,因而容易導致地力衰退和生態(tài)功能下降,已成為當前林業(yè)科學最為關注和急需解決的世界性問題之一[3-4]。森林土壤,作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是林木生長發(fā)育的物質(zhì)基礎[5-6],同時與森林的形成、發(fā)展或演替存在著相互影響和相互作用的密切關系;土壤理化性質(zhì),在很大程度上反映了土壤肥力狀況,是衡量土壤質(zhì)量高低的重要指標,對林地生產(chǎn)力以及森林生態(tài)功能作用的發(fā)揮都起著極為重要的作用[7-8]。大量研究表明,不同類型人工林,因其林分結構、林木組成、林分密度、林齡或者生長階段等不同,其對土壤理化性質(zhì)的影響存在不同程度的差異[9-14]。因此,研究人工林不同林齡或生長階段土壤理化性質(zhì)及其變化規(guī)律,對了解森林土壤的形成、結構和作用,揭示林木生長與土壤理化性質(zhì)的關系及其作用機理,實現(xiàn)森林人工調(diào)控和可持續(xù)經(jīng)營具有重要實際意義[11-12]。

禿杉(Taiwaniaflousiana)為杉科臺灣杉屬珍稀樹種,具有適應性廣、速生和速生期長、生物生產(chǎn)力及出材量高等優(yōu)點[15-16],已成為我國南方部分中、低山區(qū)杉木采伐跡地更新的優(yōu)良替代樹種和退耕還林的重要栽培樹種,同時也是培育大徑級珍貴用材和建設國家木材戰(zhàn)略儲備林的優(yōu)良樹種[17]。由于禿杉人工林多數(shù)是在原杉木采伐跡地采用純林經(jīng)營,隨著禿杉人工林的迅速發(fā)展,其生長過程對林地地力的影響逐漸引起關注。有關禿杉人工林對土壤理化性質(zhì)影響的研究,已有報道,但均集中在林齡20年生以下的禿杉中、幼林[18-21]。由于禿杉人工林經(jīng)營中,即使以培育中、小徑材為經(jīng)營目標,其輪伐期也需要20多年;如果進行大徑材培育,其經(jīng)營時間更長。因此,已有的研究結果在反映禿杉人工林生長過程對土壤理化性質(zhì)影響方面存在明顯的不足。為此,本研究于2018年3月份,在廣西南丹縣山口林場9、17、25、37年生禿杉人工林中,分別選擇鄰近分布、立地條件基本一致地段,各設置3塊20 m×20 m的樣地,按照土層深度(h)0

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場。南丹縣(107°1′～107°55′E、24°42′～25°37′N)地處云貴高原邊緣,地貌以中低山為主,海拔多數(shù)在500～1 000 m之間,具有高原山區(qū)的氣候特點和變化規(guī)律。年平均氣溫16.9 ℃,年平均降水量1 498 mm[16]。試驗地海拔950～1 020 m,土壤母質(zhì)(母巖)為砂頁巖,風化程度較深,土壤類型為山地黃壤,平均土層厚度80 cm以上,腐殖質(zhì)層厚度18～25 cm,水肥條件良好,比較適宜杉木(Cunninghamialanceolata)、禿杉、馬尾松(Pinusmassoniana)及各種鄉(xiāng)土闊葉喬木樹種的生長。

不同林齡禿杉林,前茬林分均為杉木純林,分別于各自造林前一年冬天采伐,經(jīng)煉山和清理雜物后挖穴整地,種植穴規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.3 m。第二年3—4月份用林場培育的1年生實生苗(貴州雷公山種源)定植,造林密度約2 500株·hm-2(株行距2 m×2 m)。禿杉造林后,前3 a的春季和秋季各進行1次鏟草撫育;造林后9～10、14～15、19～20 a分別進行間伐,間伐強度約為25%、20%、30%;經(jīng)營過程中各林齡林分均沒有進行人工施肥[17]。2018年3月份,調(diào)查不同林齡禿杉人工林樣地概況(見表1)。

表1 不同林齡禿杉人工林樣地概況

2 研究方法

樣地設置與土壤樣品采集:根據(jù)南丹縣山口林場禿杉人工林栽植情況,在野外詳細調(diào)查的基礎上,于2018年3月份,分別在9、17、25、37年生禿杉人工林中,選擇鄰近分布、立地條件基本一致地段,各設置3塊20 m×20 m的樣地;在每塊標準地內(nèi)按S形隨機設置5個代表性采樣點,按照土層深度(h)0

土壤樣品的理化性質(zhì)測定:土壤含水量,采用烘干法測定;土壤密度、孔隙度、持水量,采用環(huán)刀法測定[22]。土壤pH,采用電位法測定;土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),采用重鉻酸鉀-硫酸容量法測定[15];土壤全氮質(zhì)量分數(shù),采用凱氏定氮法測定;土壤全磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù),先用氫氧化鈉熔融后,全磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)依次采用鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定;土壤水解氮質(zhì)量分數(shù),采用堿解擴散法測定;土壤有效磷質(zhì)量分數(shù),采用雙酸(H2SO4-HCl)浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù),采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定[22]。

數(shù)據(jù)處理:采用Excel2013軟件對相關數(shù)據(jù)進行處理;應用SPSS 22.0軟件采用單因素方差分析法,分析不同林齡禿杉人工林各土層土壤理化學性質(zhì)的差異及林齡對禿杉人工林土壤理化性質(zhì)的影響。

3 結果與分析

3.1 不同林齡禿杉人工林土壤物理性質(zhì)的差異

土壤密度與孔隙狀況(見表2):①不同林齡禿杉人工林土壤密度均隨土層加深而下降。在0

表2 不同林齡禿杉人工林土壤密度和孔隙狀況

土壤水分狀況(見表3):不同林齡禿杉人工林,土壤非毛管持水量在5.50%～18.43%之間、土壤毛管持水量在46.97%～50.20%之間、土壤田間持水量在43.94～54.06%之間,在垂直分布上均隨土層加深而減小。同一土層,土壤非毛管持水量、毛管持水量、田間持水量,均呈現(xiàn)隨林齡增加而增大的變化趨勢;其中,37年生禿杉人工林土壤非毛管持水量,與9、17年生禿杉人工林土壤非毛管持水量差異顯著(P<0.05);37年生禿杉人工林土壤最大持水量與9年生禿杉人工林土壤最大持水量差異顯著(P<0.05)。

表3 不同林齡禿杉人工林土壤水分狀況

森林形成和生長過程中,其不同林齡或生長階段對土壤性質(zhì)的影響,存在不同程度的差異[23-24];一方面,林齡增加可以通過改變植被狀況,如樹種結構和林下植被組成、數(shù)量,從而對土壤養(yǎng)分供應與植被尤其是林木生長需求之間的平衡關系產(chǎn)生影響,并通過向林地土壤輸入植物殘體(凋落物和大量死根)及根系分泌物,從而影響土壤理化性質(zhì);另一方面,森林內(nèi)的水分、熱量和光照條件隨森林生長過程而發(fā)生變化,其對植物殘體的形成與分解、微生物群落結構和功能特征都會產(chǎn)生重要影響,導致土壤理化性質(zhì)也隨之發(fā)生改變[25]。土壤密度和孔隙度分別是土壤緊實程度和土體構造的重要指標,影響著土壤結構、組成和通氣、透水性能以及林木根系的生長發(fā)育[20]。本研究中,不同林齡禿杉人工林土壤密度均隨土層加深而增加;土壤總孔隙度和最大持水量均隨土層加深而下降,其原因主要是林地表層積累大量凋落物,通過腐解作用致使有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、微生物數(shù)量和活動高于或者強于下層,加上其根系的分布和伸展作用也隨土層加深而減弱,從而導致林地土壤密度隨土層加深而增大、孔隙度和最大持水量均隨土層加深而減小,通透性則隨之變差。而各林齡不同土層孔隙度和最大持水量,均明顯高于多數(shù)我國杉木、馬尾松、落葉松人工林主要栽培區(qū)相同土層的研究結果[26-30],表明該禿杉林土壤較疏松、通氣透水性能較強。目前,國內(nèi)有關林齡對杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量影響的研究中,衣曉丹[26]對江西省分宜縣大崗山研究結果認為,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為7年生、22年生、30年生、38年生;王丹等[27]在福建省將樂縣的研究表明,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為49年生、7年生、29年生、16年生、23年生;李惠通等[28]在福建省三明市的研究結果認為,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為5年生、24年生、15年生;可見上述研究中即使林齡達到30年生(成熟林),杉木林土壤孔隙性狀和持水性能還未能恢復到幼齡林階段。本研究中,禿杉人工林不同土層,總孔隙度和最大持水量均呈現(xiàn)隨林齡增加逐漸增大趨勢,土壤非毛管孔隙和持水量也有相同的變化趨勢;其原因是隨著林齡增加,林地凋落物逐漸積累,其通過腐解作用促進了土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加,加上林木根系伸展作用逐漸增強,從而促進土壤透水性能的增強。

3.2 不同林齡禿杉人工林土壤化學性質(zhì)的差異

土壤pH和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(見表4):①不同林齡禿杉人工林土壤pH分布在4.25～4.75之間,均屬于強酸性土壤,且同齡間均表現(xiàn)為隨土層加深而增加。不同土層各林齡土壤pH差異均不顯著,但總體上均呈現(xiàn)隨林齡增加而下降的變化趨勢。②不同林齡土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為33.27～78.94 g·kg-1,在垂直分布上均表現(xiàn)為隨土層加深而下降。隨林齡增加,同一土層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),均呈現(xiàn)隨林齡增加逐漸增加的變化趨勢;其中,0

土壤全量養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)(見表4):①不同林齡禿杉人工林,0

土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù):禿杉人工林土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),因林齡不同和速效養(yǎng)分指標不同,而存在差異(見表4)。①不同林齡,0

表4 不同林齡禿杉人工林土壤化學性質(zhì)

林齡/a全磷質(zhì)量分數(shù)/g·kg-10

土壤酸堿度對土壤有機質(zhì)的分解及其養(yǎng)分元素釋放與轉化等都具有重要影響[31]。本研究中,不同林齡各土層pH均隨林齡增加而下降,這是因為禿杉作為針葉樹種,其生長過程中凋落物隨林齡增加而逐漸積累,凋落物分解過程產(chǎn)生有機酸也隨之增加,并向礦質(zhì)土層淋洗,致使林地酸性也隨之增強。

土壤有機質(zhì)作為表征林地土壤肥力的重要指標,也是衡量林地生產(chǎn)力的重要因子;而土壤氮磷鉀質(zhì)量分數(shù)的高低,直接影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。本研究中,各林齡禿杉人工林0

土壤速效養(yǎng)分與植物生長發(fā)育密切相關,更能夠反映土壤養(yǎng)分的供應水平。本研究中,各林齡禿杉人工林土壤水解氮質(zhì)量分數(shù)均達到我國土壤養(yǎng)分分級標準中極豐富或者豐富的一、二級水平;各林齡禿杉人工林土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)多數(shù)處于極缺乏六級水平(低于其臨界值的3 mg·kg-1),其原因既與其土壤母質(zhì)(砂頁巖)磷素質(zhì)量分數(shù)低有關,同時也表明禿杉林木生長會受到土壤磷素營養(yǎng)的限制;各林齡禿杉人工林土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)多數(shù)處于中等至缺乏的三至五級水平。從不同林齡各土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)看,總體上均表現(xiàn)出與其土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)相同的變化趨勢,說明禿杉人工林生長過程中,既促進土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)生物積累,同時也促進了土壤中速效養(yǎng)分的釋放與提高。

3.3 禿杉人工林土壤理化性質(zhì)間的相關性

回歸分析表明(見表5),禿杉人工林各土壤理化性質(zhì)指標間均存在不同程度的相關關系,其中:土壤密度,與土壤總孔隙度、土壤最大持水量、土壤養(yǎng)分指標(除全鉀質(zhì)量分數(shù)外)呈極顯著正相關,與土壤pH呈極顯著負相關;土壤總孔隙度和最大持水量,分別與土壤養(yǎng)分指標(除全鉀質(zhì)量分數(shù)外)呈極顯著相關和顯著正相關,與土壤pH呈極顯著正相關;土壤pH,與土壤養(yǎng)分指標(除全鉀質(zhì)量分數(shù)外)呈現(xiàn)極顯著相關或顯著相關。而在各養(yǎng)分指標間的相關關系中,除全鉀外,各養(yǎng)分指標多數(shù)存在極顯著相關或顯著相關。

表5 禿杉人工林主要土壤理化性質(zhì)間的相關性

4 討論與結論

本研究表明,隨著禿杉人工林林齡的增加,同一土層土壤密度逐漸降低,土壤總孔隙度、最大持水量則逐漸增大,土壤有機質(zhì)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)逐漸提高;表明禿杉人工林的生長過程有利于改善土壤結構和孔隙性能,增強持水性能,同時促進土壤有機質(zhì)和土壤主要養(yǎng)分的積累,有利于土壤肥力的恢復、維持和提高。這與有關杉木人工林對土壤理化性質(zhì)影響的研究結果[26-27,35]存在較大差異,其原因是禿杉人工林凋落物形成較早,且凋落物宿存現(xiàn)象不明顯,其生長過程中林地凋落物比較豐富[16],大量以樹葉為主且較易分解的凋落物經(jīng)過分解和腐殖化作用后,逐漸提高了土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù);而且禿杉根系發(fā)達,其龐大根系的穿插、伸展過程會產(chǎn)生各種孔隙,加上大量活根的分泌作用,以及死根系的腐解也會增加土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),同時產(chǎn)生各種孔隙,致使土壤密度則逐漸下降,土壤孔隙度和持水性能也逐漸提高,同時也促進了土壤有機質(zhì)和主要養(yǎng)分的生物積累,因而有利于土壤肥力的恢復、維持和提高。

本研究中,受土壤母質(zhì)(母巖)的影響,研究區(qū)不同林齡禿杉人工林土壤磷素質(zhì)量分數(shù)均不高,尤其是速效磷質(zhì)量分數(shù)均低于其臨界值(<3 mg·kg-1);因此,在土壤中有機質(zhì)和氮素營養(yǎng)比較充足狀況下,土壤中磷素、鉀素(有效磷和有效鉀)尤其是磷素營養(yǎng)不足,是影響禿杉人工林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素生物循環(huán)和林木生長量提高的重要因素;建議在禿杉人工林的經(jīng)營過程中,尤其是生物量積累速率最快的9～17年生階段[16],通過適當補充磷肥、鉀肥,以滿足林木生長需求,促進林分快速生長,加快土壤與林木的營養(yǎng)元素生物循環(huán),提高禿杉人工林的林地生產(chǎn)力。