桂北地區(qū)3種人工林土壤質(zhì)量評價(jià)

梁惠子,潘會彪,蔣 燚,鄧玉華,曹順平,張澤堯*

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,廣西南寧 530002;2.廣西壯族自治區(qū)國有黃冕林場,廣西鹿寨 545600)

森林土壤承載著生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等生態(tài)活動(dòng),影響植物的生存[1]。森林土壤肥力是土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的綜合反映[2],反映供給植物生長所需養(yǎng)分的能力。土壤肥力與林業(yè)可持續(xù)發(fā)展密不可分,因此,客觀評價(jià)土壤肥力質(zhì)量,是充分保護(hù)和高效培育森林資源的前提條件,對科學(xué)推進(jìn)森林經(jīng)營具有重要意義[3]。眾多學(xué)者對人工純林地、混交林地、不同植被恢復(fù)區(qū)和不同森林生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量開展了研究。如人工闊葉林土壤質(zhì)量綜合得分高于針葉林[4];常綠闊葉林地土壤肥力質(zhì)量大于針闊混交林和針葉林[5];不同林分類型下,闊葉混交林地土壤肥力由闊葉混交林、杉木林、馬尾松林、相思林和桉樹林依次減小[6],上述研究為深入研究不同林分類型的土壤質(zhì)量狀況提供了科學(xué)依據(jù),但不同闊葉混交林之間的土壤質(zhì)量差異情況卻鮮見報(bào)道。然而,土壤質(zhì)量評價(jià)尚缺乏統(tǒng)一的評價(jià)方法體系,常用的評價(jià)分析方法為主成分分析法[6]、模糊綜合評價(jià)法[7]、模型評價(jià)法[8]和最小數(shù)據(jù)集法[9]等。此外,目前對于人工林地和混交林地的土壤質(zhì)量評價(jià)研究主要集中于采用單種評價(jià)方法[4-5],同時(shí)采用多種評價(jià)方法的研究較為鮮見。不同評價(jià)方法采用的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)不同,評價(jià)結(jié)果反映的意義也存在差異。因此,有必要研究不同評價(jià)方法對土壤質(zhì)量綜合評價(jià)的影響,利于從不同角度分析土壤質(zhì)量狀況。

廣西國有黃冕林場屬于亞熱帶常綠闊葉針葉林區(qū),人工植被主要樹種有桉樹(Eucalyptusrobusta)、木荷(Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurel)等,針葉林主要代表植物有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等[10]。為評估黃冕林場的林地土壤質(zhì)量,助力森林資源高質(zhì)量發(fā)展,筆者以木荷+馬尾松混交林、木荷+桉樹+火力楠混交林、木荷+桉樹+米老排(Mytilarialaosensis)+大葉櫟(Quercusgriffithii)3種混交林為研究對象,采用模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法對各林分類型的土壤質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià),分析土壤養(yǎng)分含量和肥力質(zhì)量變化狀況,以期為林地資源的可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究地位于廣西國有黃冕林場的波寨分場(109°43′46″～109°58′18″E,24°37′25″～24°52′11″N),處于廣西柳州鹿寨縣與桂林永?？h交界處。地處北回歸線以北,屬于中亞熱帶氣候,受到季風(fēng)氣候影響,溫暖多雨,水熱同期,年平均氣溫19 ℃,年降水量1 750～2 000 mm。土壤主要為砂巖、砂頁巖和夾泥巖發(fā)育而成的山地黃紅壤、紅壤。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置和取樣。選取經(jīng)營管理措施一致的22年生木荷+馬尾松混交林(Ⅰ)、6年生木荷+桉樹+火力楠混交林(Ⅱ)與8年生木荷+桉樹+米老排+大葉櫟混交林(Ⅲ)為研究對象(表1),在每種林分類型中各選擇3個(gè)面積為400 m2的固定樣地,沿著每個(gè)樣地的對角線按上坡、中坡和下坡選取3個(gè)土壤剖面,每個(gè)土壤剖面分為0～20、20～40 cm。去除根系和石塊等雜物后,分別采集土樣約1 kg裝入自封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室,9個(gè)樣地共采集54份樣品。同個(gè)林分類型同一土層土樣混合均勻后,采用四分法取適量樣品進(jìn)行試驗(yàn)測定。在固定樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺,測定并記錄喬木胸徑、樹高、冠幅等因子。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of the plot

1.2.2土壤化學(xué)性質(zhì)測定。pH采用酸度計(jì)電位法測定,有機(jī)質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀法測定,總氮(TN)含量采用凱式定氮法測定,速效氮(AN)含量采用堿解擴(kuò)散法測定,總磷(TP)含量采用NaOH濕法消化測定,速效磷(AP)含量采用鉬藍(lán)比色法測定,全鉀(TK)含量采用火焰光度計(jì)法測定[11]。

1.2.3土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)法。選取土壤SOM、TN、AN、TP、AP和TK建立指標(biāo)評價(jià)體系,采用綜合指數(shù)法[7]定量評價(jià)不同林分類型土壤養(yǎng)分庫。選取《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》中等級別的下限值作為土壤養(yǎng)分含量的臨界值[12]。

土壤養(yǎng)分單項(xiàng)指數(shù)(y)計(jì)算公式為:

式中,X、M分別為各指標(biāo)的實(shí)測值和土壤養(yǎng)分含量臨界值。

土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)(I)計(jì)算公式如下:

式中:yij為第i種類型第j個(gè)指標(biāo)值;i為類型;n為土壤養(yǎng)分指標(biāo)。

1.2.4內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法綜合評價(jià)不同林分類型的土壤肥力質(zhì)量[13-14],參照《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》(表2)對SOM、TN、AN、TP、AP、TK共6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除各參數(shù)間的量綱差別。方法如下:

式中:Fi為土壤各分肥力系數(shù);ci為該測定數(shù)值;xa、xp、xc為設(shè)置的分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)。修正的內(nèi)梅羅計(jì)算公式如下:

表2 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Nutrient grading standards for the second national soil census

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法中土壤各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading criteria for soil properties in the Nemero assessment method

表4 土壤綜合肥力等級Table 4 Soil comprehensive fertility grade

1.2.5主成分分析法。參考袁星明等[4,16]的方法,將7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。當(dāng)土壤指標(biāo)與土壤質(zhì)量呈正相關(guān)時(shí),SOM、TN、AN、TP、AP、TK呈“S型”,反之則為拋物線形,計(jì)算公式分別為

式中:Xij為各指標(biāo)的隸屬度值;X為原始數(shù)值;Xmax和Xmin為各指標(biāo)的最大值和最小值。主成分分析選擇特征值>1的主成分,構(gòu)建各主成分的數(shù)學(xué)模型。以各主成分的方差貢獻(xiàn)率與累計(jì)方差貢獻(xiàn)率占比為權(quán)重,通過如下公式計(jì)算土壤質(zhì)量評價(jià)指數(shù)F(SQI)。

式中:F(SQI)為土壤質(zhì)量綜合指數(shù);n為主成分?jǐn)?shù)量;ai為主成分各因子得分系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理采用Excel(2016)統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)均值、標(biāo)準(zhǔn)誤,采用SPSS 26.0單因素方差分析(one-way ANOVA)的LSD法比較同一土層不同林分類型各土壤指標(biāo)的差異顯著性,獨(dú)立樣本T-檢驗(yàn)比較同一林分類型不同土層同一土壤指標(biāo)的差異顯著性,利用KMO、Bartlett球形檢驗(yàn)及主成分分析法進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià)。以土壤pH、SOM、TN、AN、TP、AP、TK土壤指標(biāo)為自變量,土壤質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù)為因變量進(jìn)行逐步回歸分析。以上統(tǒng)計(jì)分析顯著性水平均設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH及養(yǎng)分指標(biāo)

2.1.1土壤pH及SOM含量。由圖1可知,3種類型土壤pH為6.45～7.85,其中類型 Ⅰ、Ⅱ土壤pH偏酸性,類型Ⅲ土壤偏堿性,不同類型土壤pH在同一土層的變化無顯著差異,隨著土壤深度增加未發(fā)生顯著性改變。

土壤SOM隨著土層下降其含量顯著降低(P<0.05),表明表層土壤SOM含量高。不同土層中,類型 Ⅰ、Ⅱ土壤SOM含量均顯著高于類型Ⅲ(P<0.05)。對照全國第二次土壤普查SOM含量分級標(biāo)準(zhǔn)(表2),0～20 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM含量均值含量達(dá)2級,類型Ⅲ土壤達(dá)3級;20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM均值含量達(dá)3級,類型Ⅲ土壤達(dá)4級。

2.1.2土壤氮素。由圖1可知,同一土層不同類型之間土壤TN含量無顯著差異(P>0.05),但隨著土層深度增加,TN含量顯著降低(P<0.05)。對照表2,0～20 cm土層類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量達(dá)2級,20～40 cm土層類型 Ⅰ土壤TN含量均值含量達(dá)3級,類型Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量達(dá)2級。

0～20 cm土層不同類型土壤AN含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ土壤AN含量顯著高于類型Ⅲ(P<0.05)。0～20 cm土層類型Ⅱ土壤AN含量顯著高于類型 Ⅰ、Ⅲ(P<0.05),類型Ⅲ土壤AN含量顯著低于類型 Ⅰ、Ⅱ(P<0.05)。對照表2,在0～20 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤AN含量均值達(dá)2級及以上,20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的AN含量均值達(dá)3級,類型Ⅲ達(dá)4級,表明土壤AN含量隨土壤加深而減小。

2.1.3土壤磷素。由圖1可知,在0～20 cm土層不同類型的TP含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),對照表2,0～20 cm土層3種類型的土壤TP含量均值均達(dá)1級(很高水平),20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅲ達(dá)2級,類型 Ⅱ 達(dá)3級。

在0～20 cm土層不同類型土壤AP含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),且0～20 cm土層類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型Ⅰ(P<0.05)。對照表2,0～20 cm土層3種類型、20～40 cm土層Ⅲ類型土壤AP含量均值均達(dá)1級(很高水平)。這表明闊葉樹種增多顯著增加0～20 cm土層范圍TP、AP含量,對土壤P含量產(chǎn)生顯著影響。

2.1.4土壤鉀素。由圖1可知,0～20 cm土層不同類型土壤TK含量顯著高于20～40 cm(P<0.05)。0～40 cm土層類型 Ⅰ顯著小于類型 Ⅱ、Ⅲ(P<0.05),表明不同類型對土壤TK含量有明顯影響。對照表2,0～20 cm土層不同類型土壤TK含量均值達(dá)2級,20～40 cm土層不同類型土壤TK含量均值達(dá)3級。

2.2 土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)越高,表明土壤養(yǎng)分含量越大。不同類型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK單項(xiàng)指數(shù)均大于1,表明各指標(biāo)含量高,20～40 cm土層TK單項(xiàng)指數(shù)均小于1,表明TK含量缺乏。0～20 cm土層土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)以類型 Ⅱ 和 Ⅲ 顯著高于類型 Ⅰ(P<0.05),表明類型 Ⅱ、Ⅲ土壤養(yǎng)分含量最高。20～40 cm土層土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)顯著小于0～20 cm土層(表5、6)。

表5 土壤養(yǎng)分含量均值及臨界值

表6 土壤養(yǎng)分指標(biāo)單項(xiàng)指數(shù)與綜合指數(shù)Table 6 Individual indices and composite indices of soil nutrient indicators of different plantations

2.3 土壤肥力評價(jià)土壤肥力水平影響著土壤質(zhì)量與植物長勢,對各類型0～20和20～40 cm土層土壤肥力進(jìn)行定量化綜合評價(jià),結(jié)果見表7。由表7可知,0～20 cm土層3種類型土壤綜合肥力系數(shù)為1.99～2.26,屬于土壤綜合肥力等級的2等,土壤肥沃;20～40 cm土層各類型土壤綜合肥力等級為3級,土壤肥力一般。

表7 土壤分肥力系數(shù)與綜合肥力Table 7 Soil fertility coefficient and comprehensive fertility of different plantations

2.4 土壤質(zhì)量綜合評價(jià)對土壤指標(biāo)進(jìn)行KMO檢驗(yàn),結(jié)果為0.668,Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果P<0.01,符合主成分分析條件。主成分分析結(jié)果顯示(表8),前2個(gè)主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為92.431%,可較為完整地解釋不同林分類型土壤原始數(shù)據(jù)的全部信息量。第1主成分的特征值為5.131,主要綜合了SOM、TN、AN、TP、AP、TK,第2主成分特征值為1.339,主要為pH。根據(jù)2個(gè)主成分得分系數(shù),建立各主成分(F1、F2)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式,帶入隸屬度值后求得各主成分得分。以各主成分的方差百分比占累計(jì)方差的比例作為權(quán)重值,通過加權(quán)計(jì)算出土壤質(zhì)量綜合評價(jià)函數(shù)F(SQI)(表9),計(jì)算公式如下:

F1= (-0.540×pH) + (0.159×SOM) + (0.188×TN) + (0.161×AN) + (0.187×TP) + (0.197×AP) + (0.186×TK)

F2=(0.737×pH) + (0.274×SOM) + (-0.070×TN) + (0.260×AN) + (-0.119×TP) + (-0.172×AP) + (-0.930×TK)

F(SQI)= 0.793×F1+ 0.207×F2

表8 土壤質(zhì)量指標(biāo)主成分分析Table 8 Principal component analysis of soil quality indicators of different plantations

0～20 cm土層3種類型的土壤質(zhì)量綜合評價(jià)排名為:類型 Ⅱ(0.880)>類型 Ⅰ(0.765)>類型 Ⅲ(0.738);3種林分土壤質(zhì)量綜合評價(jià)得分隨土層加深而減小,表現(xiàn)為類型 Ⅱ(0.318)>類型 Ⅰ(0.245)>類型 Ⅲ(0.191)(表9)。

表9 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)Table 9 Composite soil quality index

逐步回歸分析結(jié)果表明,指標(biāo)AN能單獨(dú)解釋土壤質(zhì)量指數(shù)變異的93.1%,具有較高解釋度;指標(biāo)AN、AP、SOM、TN及pH能共同解釋土壤質(zhì)量指數(shù)變異的99.9%,表明AN、AP、SOM、TN及pH對土壤質(zhì)量均有較強(qiáng)的影響(表10)。

表10 土壤指標(biāo)與土壤質(zhì)量指數(shù)的逐步回歸分析Table 10 Stepwise regression analysis of soil indicators and soil quality index

3 討論與結(jié)論

3.1 討論該研究發(fā)現(xiàn),在0～40 cm土層范圍內(nèi),3種林分類型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK含量均隨土層加深而顯著減小(P<0.05),這與前人[17-18]研究結(jié)果一致。這是由于累積于地表的凋落物和動(dòng)物的排泄物、分泌物和殘?bào)w為土壤表層提供了大量有機(jī)質(zhì)來源[4,8],隨著土層加深,有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量逐漸下降,因此0～20 cm土層范圍的土壤養(yǎng)分含量高于20～40 cm。

在自然條件下,由于不同植被類型的凋落物不同,凋落物的分解速率和土壤微生物作用存在差異,其土壤養(yǎng)分含量也不同[6,19]。在0～20 cm土層范圍內(nèi),類型 Ⅰ 土壤各養(yǎng)分含量參照全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到中上水平,且各養(yǎng)分因子單項(xiàng)指數(shù)(y)均大于1,表明類型 Ⅰ 土壤養(yǎng)分含量較高,但土壤TK含量顯著小于其他類型,且TK土壤養(yǎng)分單項(xiàng)指數(shù)(y)較小,可能是類型 Ⅰ 人工林對鉀元素具有較高的需求量[4]。后期在經(jīng)營管理措施中應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,及時(shí)補(bǔ)充鉀元素。此外,類型Ⅱ、Ⅲ的土壤TK含量顯著高于類型 Ⅰ(P<0.05),表明闊葉混交林模式相比針闊混交林,更有利于增加土壤養(yǎng)分。該研究結(jié)果顯示,類型Ⅲ土壤SOM和AN含量顯著低于其他類型(P<0.05),落葉闊葉樹種增多,有機(jī)質(zhì)卻隨之減少,出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能與微生物的種類和數(shù)量、酶的活性和數(shù)量有關(guān)[19]。落葉闊葉樹種增多,易分解軟質(zhì)的枯落物也增多,利于凋落物養(yǎng)分歸還不利于有機(jī)質(zhì)積累[20]。也有可能與土壤pH有關(guān),pH升高提高了微生物活性,使得機(jī)質(zhì)加快分解速率,導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量降低[21]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤N重要的營養(yǎng)庫,是有效N的主要來源[22],SOM含量降低可能導(dǎo)致AN含量減少。

該研究采用的3種土壤質(zhì)量評價(jià)方法結(jié)論不盡一致。土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果表明,落葉闊葉樹種增多,土壤表面易積累較多的凋落物,使得凋落物有較早歸還養(yǎng)分和增加土壤肥力的能力[23],因此土壤養(yǎng)分含量由類型Ⅲ、類型Ⅱ和類型Ⅰ依次減小。采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果表明,3種林分類型的土壤肥力狀況均肥沃,結(jié)合土壤肥力綜合系數(shù)來看,2種闊葉混交林相比針闊混交林更有利于提升土壤肥力,由于內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法采用標(biāo)準(zhǔn)化處理后數(shù)值之間較為接近,因此造成各林分類型綜合肥力系數(shù)差異不大[6]。主成分分析法側(cè)重統(tǒng)計(jì)權(quán)重,能從眾多指標(biāo)中提取對土壤質(zhì)量具有重要影響的因素,結(jié)合逐步回歸分析表明AN是影響土壤質(zhì)量最主要的因子之一,類型Ⅲ土壤AN含量顯著低于其他類型,由此造成了不同類型土壤質(zhì)量差異。這表明需及時(shí)監(jiān)測類型Ⅲ的土壤有效氮素含量情況,以防止土壤養(yǎng)分缺失。

3.2 結(jié)論該研究采用3種土壤質(zhì)量評價(jià)方法,由于評價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)不同,評價(jià)結(jié)果不盡一致。土壤養(yǎng)分庫綜合指數(shù)法表明,土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)為類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型 Ⅰ;土壤肥力綜合評價(jià)法表明0～20 cm土層范圍內(nèi)所有類型土壤肥力等級均為肥沃。主成分分析法的評價(jià)結(jié)果表明,土壤質(zhì)量表現(xiàn)為類型Ⅱ>類型 Ⅰ>類型Ⅲ,這主要由于土壤AN含量是影響土壤質(zhì)量最主要的限制因子之一,由此造成了不同林分土壤質(zhì)量的差異。因此,在進(jìn)行不同林分土壤質(zhì)量科學(xué)評價(jià)的過程中,應(yīng)根據(jù)評價(jià)體系中的指標(biāo)數(shù)量和類型確定合適的評價(jià)方法。