杉木采伐迹地轮作马尾松后的土壤肥力变化

杨起帆 孙敏 郑莹莹 杨蕾 黄猛 黄玉梅 丁国昌

(1.福建农林大学 a.林学院；b.艺术与园林学院，福建 福州 350002； 2.国家林业局森林公园工程技术研究中心，福建 福州 350002)

杉木采伐迹地轮作马尾松后的土壤肥力变化

杨起帆1a孙敏1a郑莹莹1a杨蕾1a黄猛1a黄玉梅1a丁国昌1b,2*

(1.福建农林大学 a.林学院；b.艺术与园林学院，福建 福州 350002； 2.国家林业局森林公园工程技术研究中心，福建 福州 350002)

以福建省长汀县楼子坝国有林场杉木连栽 (AA)、杉木—马尾松—杉木(ABA)轮作及杉木—马尾松轮作(AB)等3种利用方式林地为研究对象，研究了三种林地更新方式的土壤物理性质、有机质及全氮含量的变化规律，结果表明：不同土地利用方式的土壤物理性质、有机质和全氮差异均达显著性水平。物理性质方面，上坡的不同土层表现出杉木—马尾松—杉木轮作下的土壤水分条件比杉—杉连栽地的土壤中相对较好，而在中坡和下坡各个土层则没有明显规律；上坡和下坡的杉木—马尾松—杉木轮作下的土壤有机质和全氮规律较为明显，均表现出随着土层深度的增加而减小的趋势，但中坡不同林分类型及不同土层变化规律各不相同。

杉木连栽；杉木—马尾松—杉木轮作；有机质；全氮

杉木是我国特有的速生商品材树种，具有良好的经济价值、观赏价值和生态价值，在我国人工林中占据着重要的地位。然而近年来，杉木的栽培中存在着林地肥力逐代衰竭的现象，影响了杉木人工林的持续高产及持续经营。

有研究发现，在福建地区，杉木的多代连栽降低了其林分生产力。除此之外，徐有明[1]等同样研究发现，杉木连栽导致林地肥力减退，并且土攘肥力衰退程度大小与前茬杉木的生长周期有关。头茬杉木周期短则连栽的杉木长势较好。冯宗炜[2]等比较分析了对杉木造林前后的土壤肥力，研究发现，造林后19年林地0—60cm土层中的N、P、K含量分别为造林前的43.6%、24.3%和43.2%，连栽导致其土壤肥力降低，这样对杉木的持续生长产生了不利影响。盛炜彤等[3]系统研究和分析了不同代以及不同发育阶段杉木林的土壤理化性质和生物特性的变化过程，表明随着连栽代数增加，杉木林土壤中的物理性质变劣，养分含量减少，pH值降低，导致土壤肥力明显下降。俞新妥等[4]在研究中得出杉木连栽代数的不断增加，土壤中多酚氧化酶的活性也会随着逐步增强，这可能是造成杉木连栽后林分生产力下降的原因之一。这一系列研究表明，连栽杉木，造成了林地土地肥力的严重退化，影响了杉木人工林的持续经营。

针对杉木连栽所造成的土地退化问题，许多学者通过营造杉木混交林来恢复和提高林地的土壤肥力。南方混交林科研协作组通过多年试验表明，杉松、杉檫的合理混交，能够提高林分生产力和土壤肥力[5—7]。在南方人工林的经营中，杉木和马尾松作为我国南方重要的人工林树种且生物学特性较为接近，经常营造杉木、马尾松混交林。有学者对杉木轮作马尾松以及马尾松轮作杉木这种方式下土壤肥力和林分生长量进行了相关研究。邓利[8]等发现杉木与马尾松连栽地会导致某些土壤养分含量降低。林洪义[9]认为杉木与马尾松混交林的林木生长量比纯林的林木生长量大，且能够提高土壤含水量，疏松土壤地表层，改善林地土壤结构，提高土壤肥力养分。

本文以杉木轮作马尾松后的土壤肥力作为参照，通过对比杉木连栽与杉木—马尾松—杉木轮作这两种土地利用方式对土壤肥力的影响，分别从土壤的物理性质、有机质和全氮三个方面来探讨杉木轮作对杉木人工林地土壤肥力的作用。本研究对前人提出的对杉木短期轮作方式进行更加广泛的丰富和补充，为该区杉木人工林经营措施和耕作制度提供一定的借鉴，而且为预防和改善林区地力的衰退情况，促进区域林区的高效持续经营以及经济环境的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究地区为福建省长汀县四都楼子坝国有林场，地处福建西部，地理位置为北纬25°18′40″—26°02′05″，东经116°00′45″—116°39′20″之间，海拔270—771m，无霜期247—338d，年平均温度18℃，年平均降雨量1 304—1 974mm，属亚热带湿润性季风气候。该林场以低山、丘陵为主，山地土壤主要为花岗岩在长期湿热气候条件下风化发育而成的红黄壤，抗蚀性较差，林地属Ⅱ类地，适宜杉木、马尾松生长。该地林木总蓄积量为52万m3，森林覆盖率91.28%，森林茂密，植被类型多样。林下植被有蕨类、铁芒萁、五节芒、野牡丹、糥竹、毛莓、覆盆子、狗脊、山莓、野生猕猴桃等。

1.2 土壤样品的采集

实验地为长汀县楼子坝国有林场红楼工区1大班，三种不同土地利用方式下的人工林固定样地分别为：(1)杉木-3a杉木样地为1小班，面积3.5hm2，前茬26a生杉木砍伐后2010年营造3a生杉木林；(2)杉木-10a马尾松-3a杉木样地为5、6、7小班，面积7.7hm2，坡度为25°，前茬26a生杉木砍伐后1999年营造马尾松林，后于2008年受冻害，2010年复营杉木林；(3)杉木-13a马尾松样地为杉木-10a马尾松-3a杉木样地中受冻害后保留的部分受灾较轻的马尾松林。在调查样地杉木人工林生长的基础上，每个样地各取上、中、下坡三个点，每个坡位取一个点并按不同土层A(0—20cm)、B(20—40cm)、C(40—60cm)从下而上的顺序分别取土样，每个土样2.0kg左右，带回实验室室内风干后备用。风干后的不同土地利用方式下的人工林土壤研磨过筛(2mm、0.25mm、0.149mm)供土壤分析测定。土壤容重用环刀(0—20cm、20—40cm)采集。采样日期为2012年3月30号，采样避开下雨前后。三种样地土壤分别用AA、AB、ABA三种符号表示。样地基本概况见表1。

表1 研究样地概况

1.3 土样测定

土壤物理性质、有机质含量及全氮含量根据《国家林业标准森林土壤分析方法》进行测定[10]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel和SPSS13.0软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤物理性质的影响

土壤容重是土壤的一项基本的物理性质指标，容重的大小反映出土壤的质地、土壤结构以及有机质含量的大小等物理状况，包括土壤的透水性和通气性等阻力状况[11]。

表2 各人工林下不同坡位和不同土壤层土壤的物理性质

注：不同小写字母表示同一土层不同树种间的差异显著(P<0.05)

从表2可看出，三个林分的土壤剖面中土壤容重含量在不同土层深度中的变化趋势基本一致。从上坡和中坡各个土层的土壤容重含量对比来看，AA、AB、ABA三块样地均表现出随着土层深度的增加而先增加后减小的趋势；而在下坡各个土层的土壤容重含量对比中，只有AB随着土层深度的增加而先增加后减小，AA、ABA则呈现随着土层深度的增加而逐步增加。不同坡位以及不同林分下土壤容重差异均达到显著性差异水平。

三个林分的土壤剖面中土壤最大持水量在不同土层深度中的变化趋势是一致的。在上坡AA、AB、ABA三样地均呈现出随着土层深度的增加而先减小后增加的趋势，在中坡变化趋势也是一样的；而在下坡AA、AB和ABA则是呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势。不同坡位以及不同林分下土壤最大持水量均达到显著性水平。

三个林分的土壤剖面中土壤最小持水量含量在不同土层深度中的变化趋势是一致的。在上坡和中坡各个土层的土壤最小持水量对比来看，AA、AB、ABA三样地均呈现出随着土层深度的增加而先减小后增加的趋势；而在下坡各个土层的土壤最小持水量含量对比中，AA、AB、ABA三块样地则是呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势。不同坡位以及不同林分下土壤最小持水量均达到显著性水平。

三个林分的土壤剖面中土壤毛管持水量在不同土层深度中的变化趋势是一致的。在上坡和中坡，AA、AB、ABA三块样地均呈现出随着土层深度的增加而先减小后增加的趋势；而在下坡，AA、AB和ABA则是呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势。不同坡位以及不同林分下土壤毛管持水量均达到显著性水平。

根据对同一坡位中不同林分下土壤水分常数(土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量)以及土层剖面土壤水分常数的比较分析，各个土层中所呈现出的毛管持水量、最大持水量以及最小持水量变化趋势基本相同。在上坡的0—20cm、20—40cm土层中，均表现出杉木连栽地(AA)比杉木—马尾松—杉木轮作地(ABA)的水分常数低的规律，而在40—60cm土层中却正好相反。在下坡各个土层中却表现出杉木连栽地(AA)的水分常数比杉木—马尾松—杉木轮作地(ABA)相对较高，在中坡则是表现出相对不稳定性。

2.2 不同土地利用方式对土壤有机质的影响

表3 各人工林下不同坡位和不同土壤层土壤的有机质含量

注：不同小写字母表示同一土层不同树种间的差异显著(P<0.05)

土壤有机质在维持土壤的结构、对作物养分的供应等方面起着极其重要的作用[12]，是衡量土壤肥力水平的一项重要指标。

经过方差分析之后，从表3发现同一坡度中不同林分下的土壤有机质差异达到显著性水平(P<0.05)。从上坡和下坡土壤的有机质含量比较来看，与对照组AB相比，AA土壤有机质高于ABA，在上坡两者的各个土层对比表现不明显，而在下坡两者的各个土层对比中土壤有机质差异达到显著性水平。从中坡土壤的有机质比较来看，与对照组AB相比，在各个土层中，AA和ABA均低于AB，在0—20cm、40—60cm土层中，AA大于ABA，而在20—40cm土层中，AA小于ABA，呈现出一定复杂性。

结果表明，三个林分的土壤剖面中土壤有机质含量在不同土层深度中的变化趋势是基本一致的。在上坡和下坡各个土层的土壤有机质含量对比来看，AA、AB、ABA三样地均呈现出随着土层深度的增加而减小的趋势；而在中坡中，AB和ABA是呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势，AA则是呈现随着土层深度的增加而减小后增加的趋势，这与其他土壤有机质含量的随土层深度增加而逐渐降低的趋势刚好相反，可能是杉木连栽地中，受样地土层的其他生物或采伐剩余物的影响。不同坡位以及不同林分下土壤有机质差异均达到显著性水平。

2.3 不同土地利用方式对土壤全氮的影响

表4 各人工林下不同坡位和不同土壤层土壤的全氮含量

注：不同小写字母表示同一土层不同树种间的差异显著(P<0.05)

土壤的全氮含量是反映土壤肥力的关键性指标之一。

从表4以及经过方差分析之后，发现同一坡度中不同林分下的土壤全氮差异达到显著性水平(P<0.05)。从上坡土壤的全氮含量比较来看，与对照组AB相比，AA和ABA的土壤全氮含量均较低，同一土层的对比中AA和ABA没有显著性差异。而在下坡中，与对照组AB相比，AA大于AB，ABA小于AB，而且同一土层的对比中AA和ABA两者的各个土层对比中全氮差异达到显著性水平。从中坡土壤的全氮比较来看，与对照组AB相比，在各个土层中，AA和ABA均小于ABA。在0—20cm、40—60cm土层中，AA大于ABA；而在20—40cm土层中，AA小于ABA，呈现出不稳定性。

结果表明，三个林分的土壤剖面中土壤全氮含量在不同土层深度中的变化趋势是基本一致的。从上坡和下坡各个土层的土壤全氮含量对比来看，AA、AB、ABA三块样地均呈现出随着土层深度的增加而减小的趋势；而在中坡，AB和ABA是呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势，AA则是呈现随着土层深度的增加而减小后增加的趋势，这与其他土壤全氮含量趋势刚好相反。不同坡位以及不同林分下土壤全氮差异均达到显著性水平。在上坡各个土层土壤中，AA比ABA土壤全氮含量相对低一点；而在中坡以及下坡土层中，却表现出AA比ABA土壤全氮含量相对较高，可能是受样地中采伐剩余物的影响。

3 讨论与结论

(1)不同土地利用方式的土壤物理性质差异达显著性水平。上坡的不同土层表现出杉木—马尾松—杉木轮作下的土壤比杉—杉连栽地的土壤的水分条件相对较好，如在上坡0—20cm、20—40cm土层中土壤的最大持水量，与对照相比，杉—杉连栽地土壤最大持水量有所降低，而杉木—马尾松—杉木轮作地土壤最大持水量却有所增高；毛管持水量和最小持水量均有此规律。而在中坡和下坡各个土层则没有明显规律。

不同土地利用方式的土壤有机质和全氮均达到显著差异水平。上坡位的杉木—马尾松—杉木轮作下的土壤化学性质规律较为明显，但中坡和下坡不同林分类型及不同土层变化规律各不相同。以土壤全氮为例，从上坡土壤的全氮含量比较来看，与对照相比，两者的土壤全氮含量均较低，均呈现出随着土层深度的增加而减小的趋势。而在中坡和下坡中，土壤全氮含量在各个土层对比中表现出不稳定性。并且中坡杉木—马尾松—杉木轮作地呈现随着土层深度的增加而逐步减小的趋势，杉—杉连栽地土壤全氮则是呈现随着土层深度的增加而减小后增加的趋势。

(2)本文通过对比杉—杉连栽与杉木—马尾松—杉木轮作两种土地利用方式下的土壤肥力状况，分析得出通过马尾松的短期轮作(10年)，在地形相对比较一致的情况下可以对杉木林土壤肥力进行相对有效的改善。在40—60cm土层中，杉—杉连栽地(AA)上坡土层中的土地肥力比杉木—马尾松—杉木(ABA)轮作方式下的土壤产生相对较好的结果，这可能有多方面的原因。例如，可能是杉木与马尾松的轮作年限太短(仅10年)。在有些研究中，通过轮栽柳杉或者闽楠林都是长达28年，比杉木连栽林土壤养分相对较好，但还需进一步跟踪研究。也可能与2008年雪灾有关，丁晓纲等[13]在研究粤北地区杉木人工林在受到2008年初特大雪灾之后的土壤理化性质时表明，受到雪灾影响的杉木林的土壤肥力有所下降。还有可能就是雪灾过后的大规模炼山所导致的，炼山能够引起土壤肥力下降、水土流失等，特别是随着林龄增大，炼山对林分的这种影响就越明显[14]。除此之外，这可能与马尾松树种的生长特性有关，马尾松和杉木一样是南方主要的用材林树种，有相同的特性，但是马尾松本身还有其他的特性，如一代马尾松林相对没有二代马尾松林生长好[15]，可能是由于马尾松生长较缓慢，对土壤环境的影响较缓慢等原因。本研究所选取的样地在同一坡位中，两种土地利用方式下的样地地形相对有所差异，也就是说该样地地形对土壤肥力的影响相对较大。所以，对于样地地形的选择也是至关重要的。本文通过对0—20cm、20—40cm、40—60cm土层下的杉—杉连栽与杉木—马尾松—杉木轮作下土壤各性质进行分析表明，利用水分因子(最大持水量、毛管持水量、最小持水量)、有机质、全氮等因子作为杉木林地利用方式的土壤肥力的评价指标，对杉木—马尾松—杉木轮作及杉木连栽两种利用方式进行了综合评价，在0—20cm、20—40cm土层中，杉木—马尾松—杉木轮作(ABA)的土壤比杉—杉连栽地(AA)土壤肥力高。因此，采取杉木与马尾松轮作是一种可靠的土地利用方式。

(3)本文只选取了一个试验地方的两种土地利用方式进行研究，且仅分析研究了某些物理性质指标和养分指标，可能存在一定的局限性。在之后的研究中，会多方面地选取指标且多重对比分析研究，以求得杉木连栽地的土壤退化问题更好地解决，从而有效地改善杉木人工林地的土壤肥力。从本研究来看，杉木或杉木与马尾松轮栽林地作为土地肥力评价，评价的有效年龄有待进一步研究。

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责任编辑：富春凯

The Change of Soil Fertility of Chinese fir pine Slash after Rotation

YANG Qi-fan1a, SUN Min1a, ZHENG Ying-ying1a, YANG Lei1a, HUANG Meng1a，HUANG Yu-mei1a, DING Guo-chang1b,2*

(a.Forestry College; b.College of Arts College of Landscape Architecture, 1.Fujian Agriculture And Forestry University，Fuzhou 350002, China; 2.Engineering & Technology Research Center of Forest Park of State Forestry Bareau，Fuzhou 350002, China)

Based on the Chinese fir state owned forest farm in Changting County of Fujian province building sub dam continuous planting (AA), Chinese fir-Masson pine-fir(ABA)rotation and rotation of Chinese fir-Masson pine (AB) 3 by way of land as the research object, studied the soil physical properties of three kinds of forest regeneration patterns, variation of organic matter. The results showed that the total nitrogen content and soil physical properties of different land use patterns, organic matter and total nitrogen were significantly different. The physical properties of different soil layers, uphill shows that Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation under soil moisture conditions is better than Chinese fir even planted in the soil, and in the downhill slope and each layer, there is no obvious regularity; uphill and downhill from Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation of soil organic matter and total nitrogen showed obvious regularity, and decreases with the increase of soil depth. However, different types of forest stand and different soil layers were different in different soil layers.

Chinese fir replanting; Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation; organic matter; total nitrogen

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.01.004

2016-12-07

福建省产学研重大专项(2012N5003)

杨起帆(1992—)，女，硕士研究生。研究方向：森林培育理论与技术。*通讯作者：丁国昌(1970—)，副教授。

S791.27

1674-6341(2017)01-0010-04