杉木林土壤化学性质对林分改造及不同坡位的响应

余 明，王卓敏，薛 立

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

土壤提供植物所需的必要营养成分，其化学性质受母质、地形、气候条件[1]及所覆盖植被类型等自然因素以及人类利用方式的影响[2-3]，具有高度时空变异性[4]。其中，土壤有机质和土壤氮、磷、钾作为植被生长过程中的重要因素，体现了它们影响森林发育的潜在能力，从而被广泛用作评价土壤营养状况的 重要指标[5]。土壤和环境间的物质能量交换受地形因素的显著影响，其中坡位是影响土壤肥力的重要因素，并对林分的生长发育和生态效益产生影响[6-7]。尽管已有坡位对森林土壤养分影响的研究[8-10]，但是几乎未见林分改造后不同坡位间土壤养分变化的报道。

杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook是一种在亚热带地区常用的用材和造林树种，广泛种植于我国南方地区。由于长期采取纯林、连栽、短轮伐期和皆伐等经营方式，存在树种单一、生态功能等级较低、地力衰退等问题[11]，阻碍了杉木人工林的可持续经营与发展。长期以来国内学者对杉木人工林土壤的理化性质进行了大量的研究，如张鼎华等[12]的研究证明了杉木、马尾松纯林及其混交林根际土壤的有效磷含量均大于非根际土壤，陈凤霞等[13]探索了冰雪灾害后杉木林地土壤养分的动态，周德明等[14]研究了林龄对杉木林地土壤微生物数量、化学性质和酶活性的影响。但关于杉木林分改造对不同坡位土壤化学性质时空变化的影响却鲜有报道。了解不同坡位和林分改造前后的土壤养分含量变化，对提高林地生态效益、有效利用土壤养分和维护林地生产力具有重要意义。

韶关市曲江区小坑林场曾营造了大量的杉木林，但人工杉木纯林群落结构单一、林分密度不合理，导致了土壤养分含量降低与生态系统稳定性脆弱等问题[15]。因此，小坑林场用乡土阔叶树种火力楠Michelia macclurei、灰木莲Manglietia glauca、乐昌含笑Michelia chapensis、木 荷Schima superba、山 杜 英 Elaeocarpus sylvestris、枫香Liquidambar formosana 对杉木进行林分改造。有研究表明：树种可以有效影响土壤C 和N 含量，进而影响土壤化学性质[16-18]。在低效针叶人工林中合理混交乡土阔叶树种，有利于提高生态效益和维持地力，对改善土壤的理化性质有良好效果[19]。作者对林分改造后不同坡位的土壤化学性质进行研究，通过探讨林分改造过程中土壤pH 和养分含量的年际变化，旨在为提高该区域低效人工林土壤养分状况以及林地生产力提供基础数据和科学依据，同时为华南地区的杉阔混交林的营造提供理想伴生树种，可以为其科学经营提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

研究地点位于韶关市曲江区小坑林场（113°35.5′E，24°40.5′N）。试验地土壤类型为砂页岩发育成的红壤，土层较深厚，海拔为200～300 m，坡度为30°～45°，是典型的亚热带季风气候，每年平均气温为20.1 ℃，炎热的夏季极端最高气温为39.5℃，寒冷的冬季极端最低气温降至-5.3 ℃，年活动积温7 300 ℃。年平均降雨量1 640 mm，集中于夏季。试验地改造前为杉木残次林，种植密度2 500 株·hm-2，总面积67 hm2，2016年4月对杉木林择伐后，以带宽1.5 m 的标准对六种乡土阔叶树种进行带状混交，栽种密度为900 株·hm-2（2 m×3 m）。2016年在试验地沿坡面在上、中、下坡位分别选取样地，每个坡位选取立地条件相对一致、具有代表性的样地各三块，样方设置面积为20 m×20 m。于2016年和2017年的4月及2018年的3月份分别在栽植不同树种的林带用五点混合取样法采集0～40 cm 土壤层的土样，去掉土壤中可见植物根系和残体，并充分混合土样，带回实验室测定土壤的化学性质。各样地改造幼苗规格见表1。

表1 6种阔叶树种幼苗的基本情况Table 1 General status of broadleaf seedlings of six species

1.2 研究方法

土壤pH 值用电位法测定，用重铬酸钾氧化—外加热法测定土壤有机质，全N 含量用半微量凯氏法进行测定，土壤样品用氢氧化钠碱熔法溶融后提取待测液，全K、全P 分别用火焰光度计和钼蓝比色法测定，土壤水解性N、速效P 和速效K 分别用碱解—扩散法，0.5 mol·L-1碳酸氢钠法和1 mol·L-1乙酸铵浸提—火焰光度法测定[20]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 对各类指标进行作图，土壤养分指标用SAS 及SPSS 软件进行多重比较，图中不同字母者表示差异显著（Duncan's 法，P ＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 土壤化学性质对不同坡位影响的比较

由图1A 可知，2016年上、中、下三个坡位的pH 值范围在4.22～4.36，2017年为3.6～3.7，2018 为4.1～4.3，且各年份三个坡位间的差异均显著（P ＜0.05），但无明显规律。土壤有机质在2016年、2017年和2018年均随坡位下降而上升。2016年的土壤有机质含量（g·kg-1）为上坡（22.27）＜中坡（22.71）＜下坡（31.38）；2017年为上坡（11.71）＜中坡（16.90）＜下坡（20.28）；2018年为上坡（34.38）＜中坡（35.28）＜下坡（39.48）（图1B）。除了2016年上坡和中坡外，其余年份的各坡位有机质含量均有显著性差异（P ＜0.05）。

图1 不同坡位土壤pH 值和有机质Fig.1 Soil pH value and organic matter at different slopes

2016年、2017年和2018年，土壤的全氮、全磷和全钾在上、中、下三个坡位表现的规律一致，均为下坡＞中坡＞上坡，且差异显著（图2A-C）（P ＜0.05）。上、中、下三个坡位在2016年的土壤全氮含量（g·kg-1）分别为0.98、1.06、1.13，土壤全磷含量（g·kg-1）为0.32、0.37、0.41，土壤全钾（g·kg-1）含量分别为15.3、18.5、19.8；在2017年土壤全氮含量分别为0.59、0.85、0.86，土壤全磷含量分别为0.30、0.33、0.40，土壤全钾含量分别为15.6、17.3、19.6；在2018年土壤全氮含量为1.34、1.45、1.82，土壤全磷含量分别为0.32、0.34、0.39，土壤全钾含量分别为13.5、16.3、18.2。

3年间，碱解氮含量（mg·kg-1）在2016年和2018年的不同坡位均为上坡＜中坡＜下坡，且差异显著（P ＜0.05），其上、中、下各个坡位的碱解氮含量分别为69.36、88.05、91.5 和89.11、101.41、130.10（图3A）。2017年表现为上坡显著低于中坡和下坡，其上、中、下各个坡位的碱解氮含量分别为44.91、65.60、66.84。

各坡位的有效磷含量（mg·kg-1）在2016年分别为0.11、0.12、0.12；2017年则为下坡最高，上坡、中坡、下坡分别为0.10、0.12、0.14；2018年有效磷含量为上坡（1.03）＜中坡（1.20）＜下坡（2.20），且差异显著（图3B）。

图2 不同坡位土壤全氮、全磷和全钾含量Fig.2 Soil total N,total P and total K at different slopes

图3 不同坡位土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量Fig.3 Soil hydrolysable N,available P and available K at different slopes

不同坡位速效钾含量（mg·kg-1）在各年份均随坡位降低而增加，2016年各坡位间差异显著（P ＜0.05），分别为24.70、25.31、27.97；2017年上坡显著低于中坡和下坡，分别为15.34、20.14、20.43。2018年上坡和中坡的速效钾含量显著低于下坡，速效钾含量分别为32.22 、37.73、44.57（图3C）。

2.2 不同年份土壤化学性质的比较

土壤pH 在上、中、下3 个坡位随着林分改造时间的变化呈现“V”字型，表现为先降后增，且各年份间差异显著（图4A）（P ＜0.05）。上坡2016—2018年的土壤pH 值范围为3.65～4.36，中坡为3.61～4.59，下坡为3.71～4.35。土壤有机质含量（g·kg-1）在3 个坡位均随时间的增加而先降后增且差异显著（图4B）（P ＜0.05）。3年间土壤有机质含量范围分别为上坡11.71～34.38，中 坡16.91～35.29，下 坡20.28～39.49。

图4 不同年份土壤pH 值和有机质Fig.4 Soil pH and organic matter in different years

各坡位间的土壤全氮含量在随低效林改造的进行而先降后升（P ＜0.05），上坡全N 含量（g·kg-1）范围为0.59～1.34，中坡为0.86～1.45，下坡为0.85～1.82（图5A）。土壤全磷含量（g·kg-1）在上坡规律为先降后升，范围在0.30～0.32；在中坡和下坡土壤全磷含量均在改造后显著降低，中坡土壤全磷含量范围在0.33～0.37，下坡范围在0.39～0.41（图5B）。上坡的土壤全钾含量（g·kg-1）在林分改造期间先升后降，差异显著（P ＜0.05），范围为13.48～15.61，中坡和下坡均在林分改造后显著下降（P ＜0.05），范围在16.29～18.50。2016年和2017年的下坡全钾含量显著高于2018年，范围在18.22～19.75（图5C）。

随着林分改造的进行，碱解氮和速效钾含量在各坡位均表现为先降后升，年份间差异显著（图6A、C）（P ＜0.05）。上坡碱解氮含量（mg·kg-1）的范围为44.91～69.36，中坡为65.60～101.41，下坡为66.84～ 130.10；速效钾含量（mg·kg-1）的范围在2016、2017、2018年分别为上坡15.34～25.31，中坡20.14～37.73，下坡20.43～44.57。各坡位土壤有效磷含量均在林分改造第三年显著升高（图6B）（P ＜0.05）。三年间有效磷含量（mg·kg-1）的范围分别为上坡0.10～1.03，中 坡0.12～1.20，下 坡 为0.12～2.20。

图5 不同年份土壤全氮、全磷和全钾含量Fig.5 Soil total N,total P and total K in different years

图6 不同年份土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量Fig.6 Soil hydrolysable N,available P and available K in different years

3 结论与讨论

3.1 土壤化学性质对不同坡位的响应

pH 能够显著影响土壤养分的有效性[21]。各坡位的土壤pH 值范围为3.6～4.36，为酸性土壤。韶关降水量丰富，风化淋溶引起强烈的脱硅、盐基淋失和富铁铝化过程，风化释放的钾、钠、钙、镁等元素随水向下层土壤移动，导致土壤呈酸性[22]。也有研究表明，当土壤表层根系分布较多的时,其呼吸作用产生的CO2、根系分泌物产生的有机酸和H+及凋落物分解过程产生的酸性物质都会造成土壤pH 降低[23]。

本研究结果显示，除土壤有效磷外，其它养分含量均为上坡＜中坡＜下坡，该结果与Chen[24]报道的下坡表层出现土壤养分沉积现象一致。这是因为坡位不同会使土壤中的水热资源及生态系统中的物质循环产生差异[25]，上坡太阳辐射更强，使得土壤对水分的固持能力更弱[26-27]，不利于树木生长[28]，土壤侵蚀堆积也使上坡位的有机碳向下坡位转移，导致下坡位土层更厚，林分生产力更高，凋落物输入量也更大[29]。土壤微生物和土壤动物的活动和代谢由于植被根系分布及枯枝落叶输入的增多而更加活跃，这将为林地有机质的转化积累及运输提供动力[30]。此外，研究区域多雨所致长期的冲刷作用使土壤养分会随径流泥沙携带和径流水携带从坡顶流到坡脚，因此，土壤养分在坡底汇集。样地海拔不高，各样地位置相对差距高度不大[31-32]，也可能导致2016年和2017年有效磷在不同坡位差异不显著。

3.2 土壤化学性质对林分改造的响应

随着林分改造的进行，2016—2018年间的土壤pH 先降后升，原因可能是杉木林的改造造成大量杉木的疏伐，引起林地光照增强，提高了地表温度，增加了微生物数量增加，促进了酶活性，枯枝叶和疏伐残留物分解加快，产生大量酸性物质，胶体上盐基离子被氢离子代换而被雨水淋洗，从而导致了2017年土壤pH 降低，酸性增强[33]。之后，幼树和林下植被经过两年的蓬勃生长吸收了大量阳离子，持续积累碱性物质和缓冲物质，因而pH 上升[34]。

本研究中在林分改造期间，除全钾和有效磷外，其余指标的年际变化均表现为先降后升。枯枝落叶的分解、土壤风化作用和其他的代谢产物是土壤营养物质的重要来源，在研究初期的整地过程中，土壤翻耕和林分疏伐引起了林地光照增强和土壤温度升高[22,35]，从而增强土壤微生物活跃度和土壤风化速度[13]，同时采伐剩余物的分解和有机质的矿化作用增强，这可能使土壤养分增加。随着幼树的生长，特别是杂草生长茂盛，吸收的养分急剧增加，而幼林的凋落物少，归还的养分量小于植物吸收量，且杉木林改造过程中疏开了林冠，而阔叶幼树的树冠较小，这可能加剧了雨水对土壤的冲刷作用，使土壤中的营养成分流失，从而引起2017年的土壤有机质和养分降低。此后随着用于林分改造的乡土阔叶树种和林下植物的蓬勃生长，其枯枝落叶逐渐积累于地表并通过微生物的分解形成较厚的腐殖质层，且相比于纤维素与半纤维素含量较高的杉木凋落物，乡土阔叶树种的凋落物中矿物质和其他元素含量更高，也更易分解[36]。此外，根系的生长发育使其在土壤中的穿插作用增强，有利于增加土壤孔隙度和通透性从而改善土壤条件，根系分泌物的增加有利于土壤肥力的改善[37]。同时改造后林下植被增加，减少了南方的丰富降水导致的水土和速效养分流失，以上原因都可能引起2018年的土壤有机质和养分含量提高。

本研究中土壤全钾时间变化趋势与有机质不同，2018年的全钾含量最低。土壤全钾含量主要受成土母质的影响[38]，而受林分改造的影响不大。钾素在土壤中的移动性较强，易受雨水淋溶的影响。位于华南地区的研究地点雨量充沛，表层土壤的钾素会逐渐随雨水淋失到深层土壤[37]。且雨水对NO3-的淋溶作用使土壤表层的K+作为NO3-的电荷平衡离子从土壤中流失。另外，林分疏伐后，微生物活性和土壤矿化作用加强，植物生长旺季，从土壤中吸收大量的养分[34]，这都可能导致2018年土壤中钾含量的降低。

研究表明南方土壤普遍较为缺磷[39]，本研究中全磷的含量均低于0.5 g·kg-1，有效磷含量均低于3 mg·kg-1。有效磷含量在2016 和2017年差异不显著可能是因为在2016年林分改造前，凋落物的种类单一且较难分解，归还到土壤中的有效磷较少。2017年虽然凋落物的质量和数量得到提高，但土壤pH 下降，在强酸性的土壤中，大量的磷酸根受到游离氧化铁的影响而转化为闭蓄态磷，或与土壤中的Al3+、Fe3+等金属阳离子形成螯合物而沉淀，大大降低了磷的有效性[40]，形成大量难溶的矿质形态的磷。在2018年土壤有效磷的含量显著增加，这可能是由于土壤pH 增加，减少了被Al3+、Fe3+固定的磷，提高了有效磷含量。且林分改造通过增加根系分泌物和增强凋落物分解能力，促进了土壤中有机酸的释放，从而释放了土壤中的难溶性磷[22]。此外，由于微生物的活动，分泌磷酸酶催化土壤有机质或动植物残体中的磷水解成有效磷[41]。 2018年土壤有效磷含量的大幅度增加还可能与人为活动干扰等因素有关。有研究表明，浅层土壤的稳定性较弱，受人类经营活动的影响后容易引起水土流失[42]，而土壤有效养分对人为干扰最为敏感，并受植物草地分布、地形地貌、降水强度、耕作方式等多重因素的影响[43]。