南亚热带杉木林改造不同树种配置模式的土壤质量评价

黄钰辉, 张卫强†, 甘先华, 唐洪辉, 盘李军, 冼伟光

(1.广东省森林培育与保护利用重点实验室 广东省林业科学研究院, 510520, 广州;2.广东省佛山市云勇生态林养护中心, 528518, 广东佛山)

南亚热带杉木林改造不同树种配置模式的土壤质量评价

黄钰辉1, 张卫强1†, 甘先华1, 唐洪辉1, 盘李军2, 冼伟光2

(1.广东省森林培育与保护利用重点实验室 广东省林业科学研究院, 510520, 广州;2.广东省佛山市云勇生态林养护中心, 528518, 广东佛山)

为探明不同树种配置对杉木纯林改造中土壤质量的影响，以南亚热带地区不同树种配置、林龄11～12 a的杉阔混交林为研究对象，以林龄13 a杉木纯林的土壤化学性质为对照，比较不同林分0～25 cm土层的土壤理化性质以及微生物生物量碳和氮，并基于主成分分析，综合评价不同杉阔混交林的土壤质量。结果表明：混交林土壤pH值为4.15～4.71，速效氮和速效磷质量分数分别为81.4～152.8和0.93～2.39 mg/kg，杉木林pH值为4.06，速效氮和速效磷质量分数分别为30.8和0.76 mg/kg，前者比后者有不同程度的升高；全磷质量分数除林分C(0.45g/kg)较高外，其余混交林(0.14～0.32 g/kg)均小于杉木林(0.34 g/kg)；其他指标在不同林分间无一致变化规律。杉阔混交林的土壤质量指数介于0.25～0.64之间；其中，米老排+枫香+香樟+盆架子+杉木、米老排+香樟+阴香+火力楠+杉木、米老排+枫香+香樟+尖叶杜英+杉木3种树种配置的土壤质量指数均大于0.6，表现出较强的土壤改良能力；米老排和香樟树种的土壤改良能力较强，而海南蒲桃和大叶紫薇较差。3种土壤质量指数较大的树种配置，可在我国南亚热带地区的杉木纯林改造中推广应用。

土壤质量； 综合评价； 林分改造； 杉阔混交林； 树种配置； 南亚热带

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国亚热带地区主要的速生用材树种之一，目前，其人工林面积达 1 096万hm2，在我国林业生产中占有重要地位。为了追求较高的经济效益，长期以来，杉木采取纯林、连栽、短轮伐期和皆伐等经营方式，导致林分生产力和土壤质量不断降低[1-2]，严重影响森林的可持续经营。研究表明，将杉木纯林改造为针阔混交林，可以改良土壤，提高土壤有机质、氮和磷等养分质量分数，进而提高林分生产力[3]。目前，研究一般是基于少数树种混交得出的结论[3]，实际的森林经营则采用多树种混交，而不同树种的凋落物分解和根系周转也存在很大差异[4]；因此，林分改造对土壤的影响存在一定的不确定性。

土壤质量是维持生物生产力、维持环境质量以及促进生命健康的能力[5]，被认为是土壤物理、化学和生物学特征的联合，对外界环境的变化做出整体响应的体现[6]；因此，较高的土壤质量是确保林分改造成功的重要条件。20世纪90年代以来，土壤质量评价广泛用于比较不同植被类型对土壤的影响[7-9]，然而，不同树种组成的同一植被类型的土壤质量评价，尚缺乏深入研究，这既不能加深对森林—土壤相互作用的认识，也不能为低效林分改造提供指导。筛选适宜的树种配置，尤其是针阔叶树种的组合，以加快土壤质量的提高，从而确保林分改造的成功率和效率，是当前我国林业生产的迫切要求。笔者选取南亚热带不同树种配置的杉阔混交林作为研究对象，以杉木纯林的土壤化学性质为对照，分析比较不同林分的土壤物理、化学和微生物特征，并基于主成分分析，对土壤质量进行综合评价，筛选土壤改良效果较好的树种配置，以期为本地区的森林土壤改良和可持续经营，提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于广东省佛山市高明区(E 112°38′26″～112°42′25″，N 22°41′54″～22°46′50″)。属南亚热带湿润季风气候，年平均气温22.0 ℃，年降水量平均达2 000 mm，有明显的干湿季之分，4—9月的降水量占全年的80%。土壤为花岗岩发育的酸性赤红壤，土层深厚。2002年起，对杉木纯林进行皆伐，保留单株杉木萌芽条，引入阔叶树种，进行随机块状混交造林。造林前整地，当年开展铲草、松土、扩穴和培土等抚育2次，次年和第3年各抚育1次。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

2014年12月—2015年1月，选择不同树种组成的11～12年杉阔混交林作为研究对象，建立样地，另选取13年杉木纯林(仅测定其土壤化学性质)作为对照，样地地形和朝向等因素基本一致，坡度为20～30°，坡向朝南，林分概况见表1。选择林分内代表性部位，在上、中和下坡位，分别挖取3个土壤剖面，用100 cm3环刀和土钻分别对0～25 cm土壤取样，每个坡位3个重复，取约200 g土样装入密封袋，带回实验室分析。

表1 试验林概况Tab.1 Characteristics of different stands

注：RC：红花荷Rhodoleiachampionii；SC：火焰木Spathodeacampanulata；MG：灰木莲Mangletiaglauca；EG：楝叶吴茱萸Evodiaglabrifolia；CB：阴香Cinnamomumburmanni；ML：米老排Mytilarialaosensis；CH：红锥Castanopsishystrix；ES：山杜英Elaeocarpussylvestris；GH：海南石梓Gmelinahainanensis；SW：红荷Schimawallichii；EF：格木Erythrophleumfordii；SS：木荷Schimasuperba；LS：大叶紫薇Lagerstroemiaspeciosa；SH：海南蒲桃Syzygiumhainanense；EV：刺桐Erythrinavariegata；BB：红花羊蹄甲Bauhiniablakeana；WC：盆架子Winchiacalophylla；MM：火力楠Micheliamacclurei；LF：枫香Liquidambarformosana；CC：香樟Cinnamomumcamphora；CL：杉木Cunninghamialanceolata。

2.2 土壤指标测定

2.2.1 土壤物理性质 采用环刀法测定杉阔混交林的土壤密度、自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管空隙度，土壤粒径组成用筛分法与比重计法测定[10]。

2.2.2 土壤化学性质 将杉阔混交林和杉木纯林的土壤样品风干、碾磨和过筛后，用玻璃电极法测定pH值，用K2Cr2O7氧化-外加热法测定土壤有机质，用半微量凯氏法测定全氮，用NaOH碱熔-钼锑抗比色法测定全磷，用碱解-扩散法测定速效氮，用1 mol/L KCl浸提-连续流动分析仪法测定硝态氮和铵态氮质量分数，用盐酸-氟化铵提取-钼锑抗比色法测定速效磷[10]。

2.2.3 土壤微生物生物量碳和氮 分别采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法和氯仿熏蒸-K2SO4提取-氮自动分析仪法，测定杉阔混交林的土壤微生物生物量碳和氮[11]。

2.3 土壤质量评价

第1步，采用土壤质量指数，对不同树种组成的林分土壤质量进行评价。以土壤pH值、土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、铵态氮、硝态氮、速效磷、微生物生物量碳、微生物生物量氮、密度、土壤含水量、总孔隙度、砂粒、粉粒和黏粒质量分数作为土壤质量评价的指标。因各指标的重要性不同，量纲也存在很大差异，且各指标的变化具有连续性；故综合评价时，先采用连续性质的隶属度函数进行标准化[12]，以消除量纲的影响，并确定其权重。其中，土壤密度和黏粒质量分数用降型函数(式1)，其他指标用升型函数(式2)表示。

F(Xi)=(Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)；

(1)

F(Xi)=(Xij-Ximax)/(Ximax-Ximin)。

(2)

式中：F(Xi)为各指标的隶属度值，Xij为各指标观测值，Ximax和Ximin分别为第i项因子中的最大值和最小值。

第2步，对隶属度值进行主成分分析，得到各指标的公因子方差，再计算各指标的权重

(3)

式中：wi为第i项因子的权重，Ci为第i项因子的公因子方差。

第3步，应用模糊数学中的模糊集加权综合方法，计算土壤质量指数SQI

(4)

2.4 数据分析

利用SPSS 16.0进行单因素方差分析和主成分分析，不同林分之间各指标的差异，采用Duncan法进行多重比较，显著水平α=0.05。结果中各指标的数值为平均值±标准误。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质

由表2可知，不同林分土壤物理性质的差异较大。其中，林分B、D、I、J、K和L的土壤密度相对较小，土壤含水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度较大；林分A、C、E、F、G和H的密度相对较大，土壤含水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度相对较小。土壤颗粒组成在林分间的差异相对较小，以砂粒最高，粉粒其次，黏粒最低。除非毛管孔隙度和砂粒百分比外，其余指标在不同林分间的差异显著(P<0.05)。

表2 不同林分的土壤物理性质Tab.2 Soil physical characteristics of different stands

注：表中同一列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Note: The different letters at the same column of data in the table indicate significant differences (P<0.05). The same below.

3.2 土壤化学性质

由表3可知：杉木林的土壤pH值(4.06)低于混交林(4.15～4.71)，除林分D外，差异均达到显著水平(P<0.05)；杉木林的速效氮质量分数(30.8 mg/kg)显著小于所有混交林(81.4～152.8 mg/kg)(P<0.05)，速效磷质量分数(0.8 mg/kg)也小于所有混交林(0.9～2.4 mg/kg)；杉木林土壤全磷质量分数(0.34 g/kg)高于除林分C(0.45 g/kg)外的其他混交林(0.14～0.32 g/kg)。混交林土壤有机质、全氮、铵态氮和硝态氮的变化，其相对于杉木林没有一致的规律。

3.3 土壤微生物性质

由图1可知，土壤微生物生物量碳和氮质量分数，在不同林分间存在显著差异(P<0.05)，分别介于346.8～821.7与32.5～65.4 mg/kg之间，二者在不同林分间的大小顺序不一致。

3.4 土壤质量综合评价

按照特征值>1的原则，提取出4个主成分(表4)，累积方差贡献率为85.1%，说明这4个相互独立的主成分，可以反映土壤各指标分量总变异的80%以上。第1主成分方差贡献率为35.3%，主要综合了土壤有机质、全氮、密度、土壤含水量和总孔隙度的信息，因子载荷都大于0.8；第2主成分方差贡献率为24.2%，主要综合了铵态氮和速效磷的信息，因子载荷分别为0.839和0.764；第3、第4主成分因子中，粉粒、黏粒和砂粒质量分数的因子载荷相对较大。

表3 不同林分的土壤化学性质Tab.3 Soil chemical properties in different stands

表4 土壤质量指标的主成分因子荷载、公因子方差及权重Tab.4 Principal factor loading of soil quality indicators, and communalities and weights

不同小写字母表示不同林分间差异显著P<0.05。Values with different letters refer to significant differences at 0.05 level among different stands.图1 不同林分土壤微生物生物量碳和氮质量分数Fig.1 Soil microbial biomass carbon (a) and nitrogen (b) content of different stands

不同杉阔混交林中，土壤质量综合指数的变化范围是0.25～0.64(图2)。其中，林分J、K和L的土壤质量指数均大于0.6，林分A、B和I介于0.4～0.6之间，其余林分均小于0.4。

图2 不同林分的土壤质量指数Fig.2 Soil quality indices of different stands

4 讨论

4.1 土壤特征

笔者研究发现，土壤理化性质在不同林分间存在显著差异。由于这些林分在改造前都长期连续种植杉木，土地利用历史一致，而林龄和气候等其他条件也一致，因此，不同林分间的土壤理化性质差异，主要来源于树种的影响。不同树种的凋落物和细根周转动态差异较大[4]，如生长较快的米老排可以向土壤输入更多的有机质[13]。较高质量分数的土壤有机质，意味着为土壤动物和微生物提供更多的食物；同时，植物根系更为活跃，周转更快。土壤动物、微生物和根系的物理活动的提高，都有利于土壤变得疏松透气，形成更多的毛管，以储存更多的水[14]。因此，林分I、J、K和L的土壤有机质质量分数更高，全氮、速效氮质量分数也相应更高，土壤密度更小，含水量和孔隙度更大；而土壤颗粒组成，主要取决于漫长的母岩风化过程[15]，相比之下，生物在短时间内的作用影响显得微乎其微。因此，笔者研究中，土壤颗粒组成差异不明显。

研究中多数混交林的土壤全磷质量分数低于杉木林，而pH值、有效氮和有效磷质量分数均高于杉木林，表明林分改造缓解了土壤酸化的情况；同时，促进氮和磷等养分元素的释放，与前人的研究结果一致[3, 16]。不同树种的凋落物混合分解时，可能存在促进或抑制效应[17-18]，如桤木(Alnuscremastogyne)、火力楠可以促进杉木分解，而红锥、樟树和木荷等则无效[4]，这可能是不同混交林土壤化学性质差异的主要原因。此外，杉木凋落物较难分解，导致土壤中有机酸积累[19]，而磷在强酸性的土壤中，易与土壤中的Al3+、Fe3+等金属离子形成螯合物，沉淀下来[15]，最终表现为土壤pH值和有效磷质量分数等降低。

土壤微生物生物量碳和氮在不同混交林间差异显著，但规律性不明显。大量研究表明，植物物种对土壤微生物的数量和组成有影响[20-21]，但其机制尚不清楚。G.Berg等[20]认为，主要是每种植物特定的根系分泌物，决定了植物物种与微生物之间特定的互利关系。D. R. Zak等[21]发现，微生物生物量取决于植物生产力和多样性的共同作用，而非单纯的植物多样性。

4.2 土壤质量及其评价

笔者研究不同杉阔混交林的土壤质量指数介于0.25～0.64之间，变化范围相对较大。在选取土壤质量评价指标时，土壤含水量、密度和有机质质量分数等理化性质是关键指标[7-9]，笔者研究也证实了这一点。此外，一些研究认为，土壤生物学特征是影响土壤质量的主要指标之一[7-8]，笔者研究未有类似发现，这可能是受采样时间的影响。如罗达等[22]发现，最大微生物生物量在旱季的马尾松林中出现，而雨季则在格木林中出现。

笔者研究表明，将杉木纯林改造为混交林时，土壤质量将因树种组成而异，这与广州南沙地区的研究结论一致[23]。可见树种的选择，对于土壤改良效果至关重要。米老排和香樟是林分J、K和L的共有造林树种，现有研究也表明，这2个树种生物量和凋落物量较大，土壤改良效果较好[13]，林分J、K和L的树种配置模式，适宜在南亚热带的林分改造中推广应用；而在土壤质量较低的林分E、F、G和H中，海南蒲桃和大叶紫薇是共有造林树种，前者属于小乔木，后者是园林中常用的落叶树种，在自然生境中，生长相对较慢，生物量和凋落物量较低，可能是林分土壤质量较差的主要原因。因此，在林分改造中，这些树种可能只适合作为伴生树种，不宜作为建群种。

5 结论

南亚热带杉木纯林改造为杉阔混交林后，土壤pH值、速效氮和速效磷质量分数均升高，全磷质量分数降低，不同杉阔混交林的土壤质量指数介于0.25～0.64之间。其中，米老排+枫香+香樟+盆架子+杉木、米老排+香樟+阴香+火力楠+杉木、米老排+枫香+香樟+尖叶杜英+杉木这3种树种配置方式的土壤改良作用明显。在进行多树种混交的林分改造时，树种组成的不同，导致土壤质量产生较大差异。笔者筛选的树种配置方式，只能作为整体应用，还不能量化每一树种的具体作用，无疑将限制其实际应用范围；因此，优良树种的种间关系、混交比例和造林密度等对土壤质量的影响，是下一步研究中应当关注的重点。

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Soil quality assessment on different tree species composition patternsinCunninghamialanceolatastand conversion in south subtropics

HUANG Yuhui1, ZHANG Weiqiang1, GAN Xianhua1, TANG Honghui1, PAN Lijun2, XIAN Weiguang2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture, Protection and Utilization, Guangdong Academy of Forestry, 510520, Guangzhou, China;2.Maintenance Center for Yunyong Ecological Forest of Foshan, 528518, Foshan, Guangdong, China)

soil quality; comprehensive assessment; stand conversion;Cunninghamialanceolataand broadleaf mixed plantation; tree species composition; south subtropics

2016-09-26

2017-03-17

黄钰辉(1981—)，男，博士，助理研究员。主要研究方向：森林生态学。E-mail：huangyh@sinogaf.cn

†通信作者简介： 张卫强(1976—)，男，博士，研究员。主要研究方向：森林水文与植物生理生态。E-mail：happyzwq@sina.com

S718.5

A

2096-2673(2017)03-0123-08

10.16843/j.sswc.2017.03.016

项目名称： 广东省林业科技创新专项项目“广东省典型区域碳汇林结构优化关键技术研究与示范”(2015KJCX027)；广东省林业科技创新专项项目“新丰江饮用水源地水源林构建关键技术研究与示范” (2015KJCX029)