川西南丘陵区人工桉树林土壤养分与水分变迁规律1)

王学春 王红妮 陶诗顺

(西南科技大学，绵阳，621010)

桉树(Eucalyptus grandis)又名尤加利树，是桃金娘科(Myrtaceae)桉属(Eucalypteae)植物的统称，适应性强，耐旱耐贫瘠。在澳大利亚，即使在低碳、高铁的贫瘠土壤上仍可看到100 m左右的巨桉[1－2]。由于桉树木材和林副产品利用价值较高，投资回报率高，有利于发展山区经济，各国都积极引进，并进行人工栽培。从19世纪开始，桉树种子就在地中海沿岸发芽，并迅速向非洲、亚洲和美洲发展[3]。19世纪90年代和20世纪20年代，安哥拉、津巴布韦、东非、印度的喀拉拉邦、巴西、阿根廷和乌拉圭等国已栽培大面积的巨桉人工林[4－5]。目前桉树种植面积，约占全球人工林总面积的33.5%[6]。

我国引种巨桉始于最近几十年，浙江、福建、广东、广西、海南、云南等省区均有零星栽培[7]，在广西东门林场先后引进桉树174种，200多个种源，通过品种改良和高产综合试验，建立了我国第一个桉树基因库[8]。四川省于1968年开始将巨桉引种到丰都、国顺国营林场，引种的巨桉表现了良好的适应性和经济性状[9]。1992年开始在盆地推广，现已营建巨桉示范推广林2900 hm2，成为四川桉树的主要栽培种[10]。四川的桉树栽培主要分布在川中、川南、川东南、川西南边缘地带的低山丘陵地段及部分沟槽地带。

近年来，随着桉树种植面积的扩大，生态安全问题越来越受到重视[11－13]。相关研究表明，桉树大面积栽种会导致地下水位下降、土壤持水力变差、土壤表面板结、土地沙化等生态问题[14－17]。桉树对土壤养分消耗较多，长期种植容易导致土地肥力下降乃至枯竭，不利于其它植被的生长和水土保持，在坡度较大的山地，常导致土壤侵蚀模数逐年升高，山体滑坡和洪涝等自然灾害[18－21]。因此，深入研究桉林土壤养分、水分变迁规律，对丘陵山地桉林的可持续生产及生态安全具有重要的现实意义。

目前，对人工桉林的研究主要集中在桉林土壤地力衰竭、桉林土壤水分过耗、桉林生态多样性等问题，但对桉林土壤养分和水分变迁规律的研究相对较少。本研究采用空间分布代替时间序列的方法，通过对四川盆地西南丘陵区不同立地条件、不同树龄的人工桉林土壤养分和水分进行取样调查，研究其变迁规律，为当地桉林的可持续发展和生态安全维护提供必要的理论依据。

1 试验区概况

以四川省乐山市沙湾城区北部的嘉农镇为试验区，试验区面积4200 hm2。该地气候温和，雨量充沛，常年最高气温38.5℃，最低气温－2℃，年降水量1440 mm，日照时间约1086 h，全年无霜期330 d。嘉农镇东部地貌以平坝为主，海拔低于400 m;西部以丘陵山地为主，海拔400～1315 m。森林资源主要分布于该镇西部的燎原、白岩等6个村，树种以马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、桉树(Eucalyptus robusta Smith)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)等为主，经济林以水果、蚕桑为主。目前，嘉农镇有桉林930 hm2，蓄积量4750 m3，年生长量1343 m3，受土壤肥力下降及土壤持水量下降等因素的影响，嘉农镇人工桉林面积有逐年下降的趋势。

2 研究方法

本研究采用空间变异代替时间序列的方法进行取样调查。在沟槽地(丘陵山脉交汇处)和坡地(丘陵阳面)分别选择1、3、5、6年生桉树人工林和自然混交林(共10处)作为样点，进行土壤取样(每处取样三次)，比较不同立地条件、不同树龄土壤养分和水分的变化，研究桉林土壤养分和水分变迁规律。

土壤样品采用挖剖面坑的方法，即在采样点挖长120 cm、宽100 cm、深100 cm的土坑，将向阳面垂直削平作为观察面进行取样，0～20 cm，每10 cm取样一次;20～100 cm，每20 cm取样一次。土壤有机质质量分数采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤全氮质量分数采用氨气敏电极法测定，土壤全磷质量分数采用氢氧化钠碱熔钥锑抗比色法测定，土壤全钾质量分数采用火焰光度法测定，土壤水分采用烘干法测定。土壤有效含水量采用以下公式进行计算:

式中:ASW为0～100 m土层土壤有效含水量(mm)，ASWi为第i土层土壤有效含水量(mm)，n为所测定的最大土层数，SWi为第i土层土壤湿度(%)，WPi为第i土层土壤萎蔫湿度(%)，Pi为第i土层土壤密度(g/cm3)，Hi为第i土层的土层厚度(cm)。所有数据采用SAS8.0进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤有机质

由图1可知。丘陵坡地与沟槽平地桉林土壤有机质质量分数总体变化趋势基本一致，均表现为0～40 cm土层土壤有机质质量分数显著高于≥40～100 cm土层。但是，丘陵坡地桉林0～100 cm土层土壤有机质质量分数显著低于沟槽平地桉林，≥40～60 cm土层土壤有机质质量分数几乎不随树龄的增加而改变。

图1 桉林与自然混交林0～100 cm土层土壤有机质质量分数比较

在沟槽平地，随着树龄的增加，桉林0～40 cm土层土壤有机质质量分数显著增加，其中:≥20～40 cm土层土壤有机质质量分数增加显著低于0～20 cm土层;≥40～60 cm土层土壤有机质质量分数略有增加，但不显著;≥60～100 cm土层土壤有机质质量分数没有显著变化。与1年生桉林土壤有机质质量分数相比，3、5、6年生桉林0～20 cm土层土壤有机质质量分数分别增加 10.7%、20.1%、33.9%;≥20～40 cm土层土壤有机质质量分数分别增加5.8%、13.6%、17.5%;≥40～60 cm 土层土壤有机质质量分数分别增加 0.1%、6.5%、5.3%。

在丘陵坡地，与1年生桉林土壤有机质质量分数相比，3、5、6年生桉林0～20 cm土层土壤有机质质量分数分别增加 9.2%、20.3%、30.1%;≥20～40 cm土层土壤有机质质量分数分别增加4.3%、12.1%、25.3%;≥40～60 cm土层土壤有机质质量分数分别增加 0.2%、0.1%、0.2%。

与自然混交林相比，1～5年生桉林土壤有机质质量分数偏低(1、2、3、5年生桉林0～40 cm 土层土壤有机质质量分数在沟槽平地分别降低19.8%、18.4%、10.0%、0.4%，在丘陵坡地土壤有机质质量分数分别降低 17.3%、16.3%、7.5%、0.1%。)，6 年生桉林土壤有机质质量分数差异不显著。表明桉林和自然混交林均有利于表层土壤有机质质量分数的增加。

3.2 土壤全氮

由图2可知。沟槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土层土壤全氮质量分数变化趋势一致，均随树龄的增加而显著降低。其中:0～40 cm土层土壤全氮质量分数变化幅度显著大于≥60～100 cm土层，沟槽平地土壤全氮质量分数降低幅度显著高于丘陵坡地。

图2 桉林与自然混交林0～100 cm土层土壤全氮质量分数比较

在沟槽平地，与1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土层土壤全氮质量分数分别减少15.2%、21.2%、24.2%，≥60～100 cm 土层土壤全氮质量分数分别减少 8.9%、14.5%、16.1%。

在丘陵坡地，与1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土层土壤全氮质量分数分别减少12.4%、19.1%、22.5%;≥60～100 cm 土层土壤全氮质量分数分别减少 9.2%、15%、12.1%。

与自然混交林地相比，5年生和6年生桉林土壤全氮质量分数显著降低，3年生桉林土壤全氮质量分数略有降低，其降低程度随土层深度的增加而减少。

在沟槽平地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全氮质量分数在0～40 cm土层分别减少－9.4%、7.2%、13.8%、20.7%，≥60 ～100 cm 土层分别减少－5.1%、4.2%、10.2%、17.8%。

在丘陵坡地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全氮质量分数在0～40 cm土层分别减少－9.9%、3.7%、11.1%、16.7%，≥60 ～100 cm 土层分别减少－12.1%、－1.9%、4.7%、9.8%。

表明桉林对土壤氮素的消耗较自然混交林多，且消耗是由上层土壤逐渐向下层土壤扩展的。因此，在桉树生长过程中，适当补充氮肥可减轻桉树对深层土壤氮素的消耗，从而在一定程度上缓解桉林地力下降的问题。

3.3 土壤全磷

由图3可知。沟槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土层土壤全磷质量分数变化趋势一致，均随树龄的增加而显著降低，其中0～40 cm土层土壤全磷质量分数变化幅度显著大于≥60～100 cm土层，沟槽平地土壤全磷质量分数降低幅度显著高于丘陵坡地。

图3 桉林与自然混交林0～100 cm土层土壤全磷质量分数比较

在沟槽平地，与1年生桉林相比，3、5、6年生桉林0～40 cm土层土壤全磷质量分数分别减少11.2%、19.6%、23.4%，≥60～100 cm 土层土壤全磷质量分数分别减少 1.9%、3.1%和5%。

在丘陵坡地，与1年生桉林相比，3年生、5年生和6年生桉林0～40 cm土层土壤全磷质量分数分别减少 15.2%、23.8%和 30.5%;≥60～100 cm 土层土壤全磷质量分数分别减少 1.9%、3.2%、3.2%。

与自然混交林地相比，5年生和6年生桉林土壤全磷质量分数显著降低，3年生桉林土壤全磷质量分数略有降低，但差异不显著。

在沟槽平地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全磷质量分数在0～40 cm土层分别减少－9.2%、3.1%、12.2%、16.8%，≥60～100 cm 土层土壤全磷质量分数分别减少 0.1%、1.9%、3.1%、6.6%。

在丘陵坡地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全磷质量分数在0～40 cm土层分别减少－14.1%、1.3%、13.5%和 22.8%，≥60～100 cm 土层土壤全磷质量分数分别减少 0.1%、1.4%、3.2%、3.9%。表明桉树对土壤磷素的消耗较自然混交林多，且消耗是由上层土壤逐渐向下层土壤扩展的。

3.4 土壤全钾

图4表明，沟槽平地和丘陵坡地人工桉林0～100 cm土层土壤全钾质量分数变化趋势一致，均随树龄的增加而显著降低，其中0～40 cm土层土壤全钾质量分数变化幅度显著大于≥60～100 cm土层，沟槽平地土壤全钾降低幅度显著高于丘陵坡地。

图4 桉林与自然混交林0～100 cm土层土壤全钾质量分数比较

在沟槽平地，3、5、6年生桉林，0～40 cm 土层土壤全钾质量分数分别较1年生桉林分别减少5.8%、10.7%、16.8%，≥60～100 cm 土层土壤全钾质量分数分别减少 1.0%、1.4%、2.1%。

在丘陵坡地，3、5、6年生桉林0～40 cm 土层土壤全钾质量分数分别较1年生桉林减少3.6%、8.8%、15.1%;≥60～100 cm土层土壤全钾质量分数分别减少 0.7%、1.5%、1.9%。

与自然混交林相比，5年生和6年生桉林土壤全钾质量分数显著降低，3年生桉林土壤全钾质量分数略有降低，其降低程度均随土层深度的增加而减少。

在沟槽平地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全钾质量分数在0～40 cm土层分别减少－4.0%、2.0%、7.2%和 16.7%，≥60～100 cm 土层土壤全钾质量分数分别减少－0.7%、0.3%、0.8%和2.1%。

在丘陵坡地，与自然混交林相比，1、3、5、6年生桉林土壤全钾质量分数在0～40 cm土层分别减少－0.6%、3.1%、8.2%和 18.3%，≥60～100 cm 土层土壤全钾质量分数分别减少－0.2%、0.4%、0.6%和 1.8%。表明桉树对土壤钾素的消耗较自然混交林多，且消耗是由上层土壤逐渐向下层土壤扩展。

3.5 土壤水分

沟槽平地和丘陵坡地人工桉林土壤含水量变化趋势相似，均随树龄增加而显著降低。在沟槽平地，1、3、5、6年生桉林 0～100 cm 土层土壤有效含水量分别为 215、203、190 和 181 mm;在丘陵坡地，1、3、5、6年生桉林0～100 cm土层土壤有效含水量分别为189、181、173和167 mm;沟槽平地土壤有效含水量显著高于丘陵坡地。

沟槽平地和丘陵坡地桉林对土壤水分消耗规律略有不同(图5)。在沟槽平地，1～6年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主;在丘陵坡地，1～3年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主，≥3～6年生桉林对土壤水分的消耗以≥60～100 cm土层土壤水分为主。

图5 桉林与自然混交林0～100 cm土层土壤含水率比较

与自然混交林相比，桉林0～100 cm土层土壤含水量显著降低。当树龄达到6年时，在沟槽平地其土壤有效含水量较自然林减少18.7%，在丘陵坡地其有效含水量减少14.3%。表明桉林对土壤水分的消耗较自然林地多。

4 结论与讨论

相关研究表明，3年以上树龄的桉树可吸收8 m以下的土壤水分，在地表不补给水分的情况下，桉树吸收地下水供其生长发育常导致桉树林地深层土壤水分亏缺[11，21]。本研究表明，在沟槽平地 1～6 年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主;在丘陵坡地，1～3年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主，≥3～6年生桉林对土壤水分的消耗以≥60～100 cm土层土壤水分为主。

杨曾奖等[22－23]认为9年生桉林与自然混交林相比，其土壤有机质质量分数增长0.19 g/kg。本研究表明，随着树龄的增加，桉林0～40 cm土层土壤有机质质量分数显著增加，其中:≥20～40 cm土层土壤有机质质量分数增加幅度显著低于0～20 cm土层;≥40～60 cm土层土壤有机质质量分数略有增加，但不显著;≥60～100 cm土层土壤有机质质量分数没有显著变化。与自然混交林相比，1～5年生桉林土壤有机质质量分数偏低，6年生桉林差异不显著。

与自然混交林相比，5～6年生人工桉林土壤全氮、全磷、全钾质量分数均显著降低。这与覃延南[24]、陈少雄等[25]的研究结果相似。本研究表明，随着树龄增加桉林0～40 cm土层土壤全氮、全磷和全钾质量分数降低幅度显著大于≥60～100 cm土层，沟槽平地土壤全氮降低幅度显著高于丘陵坡地。因此，在人工桉林的管理过程中适当加大氮、磷、钾等肥料的投入力度，可缓解桉树对深层土壤养分的消耗。

随着树龄的增加，桉林表层土壤(0～40 cm)有机质质量分数略有增加，深层土壤(≥60～100 cm)有机质质量分数增加不显著;土壤全氮、全磷和全钾质量分数显著降低，其中0～40 cm土层土壤全氮质量分数变化幅度显著大于≥60～100 cm土层。在沟槽平地1～6年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主;在丘陵坡地，1～3年生桉林对土壤水分的消耗以≥40～80 cm土层土壤水分为主，3～6年生桉林对土壤水分的消耗以≥60～100 cm土层土壤水分为主。

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