不同发育阶段杉木人工林土壤肥力分析

李惠通,张 芸,魏志超,贾代东,刘雨晖,刘爱琴*

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002; 2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002; 3.福建农林大学莘口教学林场，福建 三明 365002)

不同发育阶段杉木人工林土壤肥力分析

李惠通1，2,张 芸1，2,魏志超1，2,贾代东1，2,刘雨晖3,刘爱琴1，2*

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002; 2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002; 3.福建农林大学莘口教学林场，福建 三明 365002)

[目的]研究不同发育阶段(幼龄林、中龄林、成熟林)对杉木人工林土壤肥力的影响，为揭示杉木地力衰退的原因提供依据。[方法]通过对南方杉木中心产区不同发育阶段杉木人工林土壤理化性质的测定，利用数学模糊评价和主成分分析2种方法， 综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力。[结果]不同发育阶段对人工林土壤物理、化学性质均有显著影响。在同一发育阶段中，杉木人工林表层土与底层土之间存在差异(p<0.001)；土壤质量含水量对土壤物理性质具有显著指示作用，有机质、pH值与土壤养分指标呈显著相关；主成分分析和模糊评价方法均得出不同发育阶段杉木林土壤肥力呈现幼龄林>成熟林>中龄林的规律。[结论]随着杉木栽植时间的增长，需要采取施肥、间伐等人工干预恢复地力，进而满足杉木速生需求。

杉木；发育阶段；土壤肥力；主成分分析；数学模糊评价方法

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook)是我国南方特有的速生用材树种，具生长快、材质好、用途广等特点，目前栽植面积占全国人工林面积的30%以上[1-2]，大量研究表明，杉木人工林生产力下降和地力衰退现象明显，连栽[3-4]、不合理经营措施[5-7]、短轮伐期[8-9]、杉木自身生物学特性[10]等均可能是引起地力衰退的原因。但由于研究地区和研究对象空间异质性以及林业研究的长期性，目前国内外对导致杉木地力衰退的原因还没有完全弄清，因此进一步开展杉木人工林土壤肥力的规律研究，为揭示杉木地力衰退的原因提供科学依据显得极为必要。

人工林的不同发育阶段贯穿林木生长的整个生命周期，了解林木不同发育阶段土壤肥力及林木的需肥特性对人工林经营具重要生态学意义[11]。王宏星[12]、崔宁洁[13]和衣晓丹[14]等对日本落叶松(LarixkaempferiCarr.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)和杉木等人工林不同发育阶段的土壤理化性质进行过探讨，表明在林木整个生长发育过程中，由于生长环境不断变化，不可避免的对土壤肥力状况产生影响，导致不同发育阶段土壤肥力间存在差异。

土壤肥力评价能够揭示土壤利用和功能有关的土壤内在属性之间的异同，科学的确定森林土壤肥力指标并进行评价，对立地生产力和多目标森林经营的研究也具有重要价值[15]。虽然目前已有不少杉木人工林土壤肥力评价方面的研究[16-17]，但运用多种合理的数学分析方法在相同条件下不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合比较研究相对较少[18]。有鉴于此，本研究选择位于全国杉木中心产区的福建农林大学莘口教学林场不同发育阶段的杉木人工林(幼龄林、中龄林、成熟林)为研究对象，研究测定不同发育阶段杉木人工林土壤肥力指标，在分析不同发育阶段和不同土层土壤肥力指标基础上，采用数学模糊评价[19]和主成分分析[20]2种方法，综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力，揭示土壤肥力随林分生长和土层深度的变化规律，为进一步揭示杉木人工林地力衰退提供科学依据。

1 试验地概况

表1 不同发育阶段杉木人工林样地概况

注: 表中幼龄林林龄为5年，中龄林林龄为15年，成熟林林龄为24年，均按采样时间计算。

Note: In the table, the Juvenile age is 5, the Medium age is 15, the Mature age is 24, and the calculation according to the sampling time.

2 研究方法

2.1 样地设置

2015年1月，在福建三明莘口教学林场内，选择海拔、母岩、立地等条件相近的杉木幼龄林(2010年造林)、中龄林(2000年造林)和成熟林(1991年造林)为试验林分，在每个发育阶段的杉木林中设20 m×20 m标准地9个，共设27个标准地。

2.2 土样采集

2.3 测定方法

采用环刀法测定土壤密度、质量含水量、孔隙度、持水量等水分物理性质指标。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质。土壤总氮用碳氮元素分析仪(德国Elementar)测定，铵态氮和硝态氮用AA3型双通道流动分析仪(德国Seal)测定，全磷、有效磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定，pH值采用电位法(土：水=1：2.5)测定[21]。

2.4 土壤肥力评价方法

2.4.1 主成分分析法 主成分分析(PCA)[22]的综合评价模型为：

其中，F为综合评价值，λ为特征值，f为主成分值。

2.4.2 模糊评价方法 模糊数学综合评判法是在确定各因子隶属函数前提下，确定各层次的模糊矩阵，最后自下而上逐层进行模糊综合评价的方法。

土壤肥力综合评价值(SFI)是把各肥力指标的权重和隶属度，利用加乘法则进行合成，进而评价土壤肥力优良的一种方法。计算公式为：

其中，Wi和Pi分别是第i项肥力指标的权重和隶属度；n表示总肥力指标数。

3 结果与分析

3.1 不同发育阶段杉木人工林土壤物理性质的比较

表2 不同发育阶段杉木人工林土壤水分物理性质

注: 表中数据为平均值 ± 标准差，**表示在0.01水平差异显著，*表示在0.05水平差异显著。小写字母表示同一发育阶段不同土层间的差异显著水平，大写字母表示同一土层不同发育阶段土壤各指标的差异显著水平(P<0. 05)，F值反映了林龄因素对土壤各指标的显著水平,n=9。

Note: Data in the table as mean ± standard deviation, **Shows significantly differences atP=0.01, *Shows significantly differences atP=0.05, Small letters represent the same stage of development differences among the significant level of soil, Big letters indicate differences in the same layer of soil at different developmental stages of each index significant (P<0.05).Fvalues reflect the significant level forest age factor of soil each index,n= 9.

3.2 不同发育阶段杉木人工林土壤化学性质的比较

表3 不同发育阶段杉木人工林土壤化学性质

注: 同上。

Note: The same as table 2

3.3 不同发育阶段杉木人工林土壤肥力因子相关分析

表4可见，不同发育阶段杉木人工林各个土壤肥力因子之间关系较为密切。其中，土壤水分物理性质各指标间的相关性较为显著。质量含水量除与土壤密度呈显著负相关外，与其他土壤物理指标均呈显著正相关，说明质量含水量对土壤水分物理性质具有明显指示作用。土壤有机质除与有效磷和pH值无关，与其他化学性质指标均表现出显著正相关，而且pH值与全氮、硝态氮、有效磷和全钾也表现出显著负相关，说明有机质与pH值对土壤化学性质具有明显的指示作用。

3.4 不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合评价

3.4.1 主成分分析 选择表层土壤最大持水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度、质量含水量、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、有效磷、全钾和pH值组成该区域的土壤肥力评价指标体系，进行主成分分析。设置特征值大于1的抽取方法，得出表5中前5个主成分，第一主成分的方差贡献率最大，为38.86%，第二、三、四主成分的方差贡献率分别为20.93%、10.24%和8.36%，第五主成分的方差贡献率相对最小，为7.206%，并且抽取出的主成分累积方差贡献率为85.59%(>85%)，证明可以基本反映土壤肥力系统的变异程度[23]。

表4 土壤肥力因子的相关系数

注：*表示在 0.05 水平上显著相关,**表示在0.01水平上显著相关。n=8

Note:*Shows significantly differences atP=0.05, **Shows significantly differences atP=0.01,n=8.

表5 各变量的特征根及相应的贡献率

表6为5个主成分的特征向量值，可看出不同土壤肥力因子对该主成分的贡献与反馈特征。

运用主成分分析综合评价模型，得到不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分。从表7看出，不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分分别为1.90、0.92、-1.26，其中以杉木幼龄林土壤肥力较高，随后中龄林土壤肥力下降，到成熟林阶段土壤肥力又有所恢复。

表6 5个主成分的特征向量

表7 不同发育阶段土壤肥力综合得分

3.4.2 模糊评价方法 根据前人研究[24-28],利用各评价指标与植物生长效应确定隶属度函数。由于不同肥力指标对土壤的贡献不同，应赋予不同权重。为避免主观因素影响，采用相关系数法来计算。即首先根据之前各土壤因子的相关性分析分别求出各单项指标与其余指标的相关系数平均值，再以该单项指标占所有指标相关系数平均值总和的百分比，作为该单项肥力指标的权重。

表8 土壤肥力指标的隶属度、相关系数均值、权重及最后得分Table 8 Membership, the average correlation coefficient, the weight and the final score of soil fertility

由表8得出，不同发育阶段杉木人工林的土壤肥力综合评价指数(SFI)分别是0.73、0.66和0.24，以幼龄林最高，成熟林其次，中龄林最低。

4 讨论

不同发育阶段对杉木人工林土壤物理和化学性质有显著影响。随发育阶段的增加，土壤密度先增大后减少，而土壤总孔隙度先减少后增加。说明随着杉木的生长，在幼龄林至中龄林阶段，林分郁闭度增加，林下光线愈发不足，使土壤水分条件下降，土壤密度和土壤总孔隙度朝恶化方向发展。但在中龄林至老龄林阶段，土壤物理性质又得到了好转。这与王宏星[12]对日本落叶松人工林不同发育阶段土壤理化性质变化研究所得结果一致。土壤有机质、总氮和全磷含量均以成熟林为最大，铵态氮和pH以幼龄林最大，硝态氮、有效磷和全钾以中龄林最大。说明在不同林龄下土壤化学性质都会因为林下植被、微生物数量和人为活动等因素影响。因此，在林业经营过程中，可以根据土壤具体条件来适当添加肥料，保持杉木持续速生。

利用主成分分析法和模糊评价法对不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合评价表明，不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的优劣排序为：幼龄林>成熟林>中龄林。这可能与不同发育阶段杉木的经营措施有关。杉木幼龄林虽有进行幼林抚育，但林分郁闭前林下植被较多，土壤肥力较好；中龄林后随杉木生长和林分郁闭，林下光照不足，林下植被少，杉木生长消耗了土壤大量养分，导致其土壤肥力下降；当杉木进入成熟后，通过间伐和自然整枝等，林下光照条件改善，林下植被发育较快，其土壤肥力得到一定改善。这与张昌顺[31]、马祥庆[32]等研究结论一致。此外为逐步恢复杉木人工林地土壤条件，可根据不同发育阶段的土壤肥力状况采取测土配方施肥技术，对人工林进行集约化管理，充分发挥闽北地区森林资源优势，彰显杉木人工林的生态—经济效益。

5 结论

(1)不同发育阶段、同一发育阶段不同土层之间人工林土壤物理、化学性质均存在差异。

(2)土壤质量含水量对土壤水分物理性质具有显著指示作用，而有机质、pH值对土壤养分指标有显著指示作用。

(3)通过主成分分析和模糊数学评价两种方法，均得出幼龄林土壤肥力最好，其次是成熟林，中龄林土壤肥力较差。建议在杉木生长达中龄时适当进行施肥、间伐等人工干预，增加杉木人工林的经济—生态效益。

[1] Wang S, Zhang W F. Relating net primary productivity to soil organic matter decomposition rates in pure and mixed Chinese fir plantations.[J] Plant and Soil, 2010, 334(1-2): 501-510.

[2] Anonymous. National Forest Inventory Report of China[M]. Beijing: Chinese Forestry Publishing House,2010:11-20.

[3] 马祥庆,范少辉,刘爱琴,等.不同栽植代数杉木人工林土壤肥力的比较研究[J].林业科学研究, 2000, 13(6): 557-582.

[4] 马祥庆,刘爱琴,马 壮,等.不同代数杉木林养分积累和分布的比较研究[J]. 应用生态学报, 2000,11(4): 501-506.

[5] 陈 雄.杉木林采伐迹地不炼山造杉木试验研究[J].农村经济与科技,2011, 22(8): 32-33.

[6] 苏英吾.论炼山对森林土壤生态系统的影响[J].中南林业调查规划,1998, 17(1):9-12.

[7] 马祥庆,刘爱琴,何智英,等.整地方式对杉木人工林生态系统的影响[J].山地学报,2000, 18(3):37-243.

[8] 张正雄,周新年,高 山,等.皆伐作业对林地土壤因子的影响[J].安全与环境学报,2004, 4(4):35-37.

[9] 周新年,游明兴,邱仁辉,等.我国南方集体林区伐区釆集作业模式选优[J].林业科学,2001,37(4): 99-106.

[10] 周丽丽.不同发育阶段杉木人工林养分内循环与周转利用效率的研究[D].福州：福建农林大学,2014.

[11] 程 谊,贾云生,汪 玉,等.太湖竺山湾小流域果园养分投入特征及其土壤肥力状况分析[J].农业环境科学学报,2014,10:1940-1947.

[12] 王宏星,孙晓梅,陈东升,等.甘肃小陇山日本落叶松人工林不同发育阶段土壤理化性质的变化[J].林业科学研究,2012,25(3):294-301.

[13] 崔宁洁,张丹桔,刘 洋,等.不同林龄马尾松人工林林下植物多样性与土壤理化性质[J].生态学杂志,2014,10:2610-2617.

[14] 衣晓丹.不同发育阶段杉木人工林土壤理化性质及凋落物养分储存量研究[D].北京：北京林业大学,2013.

[15] 李静鹏,徐明锋,苏志尧,等.不同植被恢复类型的土壤肥力质量评价[J].生态学报,2014,34(9):2297-2307.

[16] 王 刚.杉木人工林土壤肥力指标及其评价[D].南京:南京林业大学,2008.

[17] 吴永铃,王 兵,赵 超,等.杉木人工林不同发育阶段土壤肥力综合评价研究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2011,1(1):69-75.

[18] 覃祚玉,唐 健,曹继钊,等.基于主成分和聚类分析相结合的连栽杉木土壤肥力评价[J].林业资源管理,2015,10(5):81-87.

[19] Kaufmann M. Tobias S. Schulin R. Quality evaluation of restored soils with a fuzzy logic expert system [J].Geoderma, 2009, 151(34):290-302.

[20] 李 旭,王海燕,杨晓娟,等.东北近天然落叶松云冷杉林不同间伐强度土壤肥力研究[J].西北林学院学报,2015,02:1-7.

[21] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科技出版社,1978.

[22] 杨晓娟.东北长白山系低山丘陵区不同林分土壤肥力质量研究[D].北京:北京林业大学,2013.

[23] 何晓群.多元统计分析[M].北京:中国人民大学出版社,2008.

[24] 郑粉莉,张 锋,王 彬.近100年植被破坏侵蚀环境下土壤质量退化过程的定量评价[J].生态学报,2010,22:6044-6051.

[25] 张俊华.渭北黄土高原植被恢复过程土壤肥力质量研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2004.

[26] 于寒青,徐明岗,吕家珑,等.长期施肥下红壤地区土壤熟化肥力评价[J].应用生态学报,2010,07:1772-1778.

[27] 包耀贤,黄庆海,徐明岗,等.长期不同施肥下红壤性水稻土综合肥力评价及其效应[J].植物营养与肥料学报,2013,01:74-81.

[28] 王丽琴.滨海盐碱地不同造林模式对土壤理化性质及水盐运动的影响[D].泰安:山东农业大学,2014.

[29] 周德明,马玉莹,梅 杰.不同林龄杉木林地土壤特性分析[J].土壤通报,2012,2(4):353-356.

[30] 李沛霖.杉木林土壤理化性质与水源涵养功能及相关性研究[D].长沙:中南林业科技大学,2014.

[31] 张昌顺,李 昆.人工林地力的衰退与维护研究综述[J].世界林业研究,2005,01:17-21.

[32] 马祥庆,黄宝龙.人工林地力衰退研究综述[J].南京林业大学学报,1997,02:79-84.

(责任编辑：彭南轩)

Evaluation on Soil Fertility of Chinese Fir Plantations in Different Development Stages

LIHui-tong1,2，ZHANGYun1,2，WEIZhi-chao1,2，JIADai-dong1,2，LIUYu-hui3，LIUAi-qin1,2

(1.College of Forestry，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China； 2.Chinese Fir Engineering Research Centre of State Forestry Administration，Fuzhou 350002，Fujian，China； 3.Xinkou Experimental Forest Farm of Fujian Agriculture and Forestry University, Sanming 365002, Fujian, China)

[Objective]To investigate the dynamics of soil fertility at different development stages (young forest, middle aged forest and mature forest) of Chinese fir (Cunninghamialanceolata) plantations. [Method] The soil fertility level at different development stages in Chinese fir plantation located at central and south China was investigated using fuzzy mathematical evaluation and principal component analysis. [Result]The results showed that the age of plantation had a significant impact on forest soil and its physical and chemical properties. Moreover, at each age there were significant differences (p<0.001) in soil properties between topsoil and subsoil. The correlation analysis revealed significant relation between water quality and soil physical properties. The organic matter, pH value also showed a significant relationship with soil chemical properties. The results of principal component analysis and fuzzy evaluation method indicated that the fertility level of Chinese fir plantations at northern Fujian hilly area followed the order of mature forest > young forest> middle aged forest. [Conclusion]With the growth of trees, it is needed to restore fertility by fertilizing, thinning and other manual intervention in order to satisfying the demand of Chinese fir for fast-growing.Keywords:Cunninghamialanceolata; forest development stage; soil fertility；PCA；Fuzzy mathematics evaluation

2016-07-28 基金项目： 国家重点研发计划(2016YFD0600301)，国家科技支撑计划项目(2015BAD09B010102)和福建农林大学科技创新专项基金项目(KF2015034)资助。 作者简介： 李惠通(1992—)，男，重庆涪陵，硕士研究生，研究方向：自然资源管理。E-mail：huitongli1314@163.com * 通讯作者：刘爱琴(1966—)，女，研究员，硕士生导师，研究方向：森林土壤及林木生理生化，森林与环境。E-mail：fjlaq@126.com

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.019

S791.27

A

1001-1498(2017)02-0322-07