不同林龄对亚热带尾叶桉人工林土壤养分影响研究

颜权 彭志中 黄佳余 赵隽宇 陆星任 林海能

摘要：以广西南宁高峰林场一年生、两年生、三年生尾叶桉人工林为研究对象，测定分析了14项土壤物理、化学性质，通过主成分分析筛选出最小数据集，并运用隶属度函数进行了土壤质量评价。结果表明：不同林龄大部分土壤物理、化学性质差异显著，随着林龄增长，土壤容重显著升高，土壤pH值、孔隙度显著下降。二年生尾叶桉在有机质、全钾含量上优于一年生、三年生尾叶桉林地。土壤质量评价结果显示，二年生（0.578）>三年生（0.535）>一年生（0.461），土壤质量随着林龄增长先升高，后下降。建议在3年以上的尾叶桉林地及时进行追肥，以达到尾叶桉林地的速丰、增产目的。

关键词：不同林龄;尾叶桉;亚热带;土壤养分

中图分类号：$758 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0013-04

1引言

尾叶桉（Eucalyptus urophylla）是一种速丰的桉属树种，在我国南方种植较为普遍，属于主要经济树种。广西地处亚热带，气候条件温和，降雨量充沛，适宜种植桉树人工林，其在广西快速发展，显著提升了种植区域农民的生活水平，具有巨大的经济、社会效益。但是在大面积的种植桉树过程中，部分生态、环境问题逐步暴露。首当其冲就是土壤退化问题。桉树人工林林下植被较少，枯枝落叶种类少层面薄，在雨量充沛的季节容易造成水土流失，土壤养分显著下降。土壤质量评价是包含了土壤物理、化学、生物学性质的综合评价，能反映耕作方式、施肥管理等林地经营水平的问题。对不同林龄尾叶桉林地进行土壤质量评价，便于实际生产经营中及时补充缺少的养分元素，为桉树人工林增产、土壤改良、可持续经营提供理论依据。土壤质量评价方法较多，由于不同的评价目的以及评价对象不同，所选择的方法也不同。同时，土壤评价指标的测定也有一定的局限性，由于技术、成本的限制，难以获取所有能反映土壤质量的指标。目前国内外学者研究土壤质量的方法是运用最小数据集（Minimum Data Set，MDS）与模糊数学法（Fuzzy Mathematics）。格瓦茨等人基于MDS评价墨西哥高原地区小麦和玉米农田土壤质量。拉哈斯特、沃尔奇科等在评估伊朗农业用地以及土壤退化区的生态恢复土壤质量评价中都运用了最小数据集的方法。张福平等基于MDS评价陕西省猕猴桃种植原地土壤，得到随着种植年限的增加，土壤质量呈先增长后稳定再增长的趋势的结论。王嘉琛在研究桂北尾叶桉林地土壤肥力质量时，运用了MDS与隶属度函数进行综合评价。本研究综合国内外学者的研究经验与实践理论，通过主成分分析建立最小数据集MDS。对广西南宁国有高峰林场尾叶桉林地进行为期3年的土壤指标监测，对不同林龄尾叶桉林地进行综合土壤质量评价，为尾叶桉林地的增产增收、土壤性质改良提供理论依据。

2材料与方法

2.1研究区概况与样品采集

广西国有高峰林场为广西国有林场之一。研究区域位于银岭分场（北纬22°5028.42”东经108°179.00"）。银岭分场以大明山山脉为中心，分别向西南、东南延伸，地貌类型为山丘、丘陵地貌，丘陵占林场总面积的55.5%，山丘面积占39.7%。林场位于北回归线南侧，属湿润的亚热带季风气候，阳光、降水充足，霜少无雪，夏长冬短，年平均气温在21.6℃，年均降雨量达1304.2mm，平均相对湿度为79%，土壤由第四纪红土母质风化发育而来。土壤质地以壤土、粘壤土为主，pH值大约在4.3～4.9，土层厚度适中，腐殖层一般小于5cm，土壤肥力适中。

根据尾叶桉人工林地树种实际生长状况，结合地形地貌实际考察结果，在2016、2017、2018年3个年份对林场内立地条件较为一致的9个样地进行监测，样地树种为2015年冬季11月份新栽种的尾叶桉人工幼林，前作林为杉木人工林地，根据采样年份分为一年生、二年生、三年生，采样时间为每年12月份。样地地貌为丘陵，海拔140m，土壤类型为赤红壤。采样深度为O～40am土层，采样点分布均匀。土壤物理性质样品的采集用环刀在土层表层取土。土壤化学性质样品采用四分法，样品最终重量为1kg。

2.2理化性质的测定

土壤理化性质的测定：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度均采用环刀法测定。pH值采用电位法测定，有机质采用重铬酸钾外加热法测定。全氮、速效氮采用半微量凯氏定氮法，全磷、有效磷采用双酸浸提一钼锑抗比色法，间断化学分析仪测定，全钾、速效钾用醋酸铵浸提一火焰光度计法。土壤硝态氮、铵态氮依据森林土壤硝态氮、铵态氮测定标准测定。

2.3土壤质量评价

最小数据集是土壤质量评价中运用较为广泛的一种方法，可满足大多数林地、农地的土壤质量评价的需要。隶属度函数（Membership Function）是模糊数学法中的一种基础方法，它可以将土壤中测定的各种指标转化为0～1无量纲值。土壤质量指数（Soil QualityIndex），采用指标隶属度与指标权重共同进行计算，依据公式（1），为土壤质量评价指数，为第个指标的权重，为第个指标的隶属度。

2.4统计分析方法

运用SPSSl9.0软件进行单因素方差分析、主成分分析，差异显著定义为p<0.05，基本数据处理以及图表制作用Excel 2016制作。

3结果与分析

3.1不同林龄尾叶桉人工林土壤非养分元素

如表1所示。一年生、二年生、三年生尾叶桉林地土壤非养分元素指标差异性显著。la尾叶桉林土壤酸碱度为4.37，显著高于2a、3a尾叶桉林（p<0.05），土壤酸碱度随着林龄增长呈现先减小后增大的趋势。土壤有机质最大为2a尾叶桉林地，显著高于1a尾叶桉林（pd0.05），与3a尾叶桉林土壤有机质含量差异不显著（p>0.05）。土壤容重方面，1a的尾叶桉林土壤容重为1.29g/em3显著低于2a、3a，土壤容重随着林龄的增加逐渐升高，3a土壤容重最高为1.75g/cm³。1a尾叶桉林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度与总孔隙度显著高于2a、3a（p<0.05），毛管孔隙度、非毛管孔隙度與总孔隙度随着林龄增长不断降低。

3.2不同林龄尾叶桉人工林土壤养分元素

如表2所示。一年生、二年生、三年生尾叶桉林地土壤养分元素各指标差异性显著。土壤全氮含量最高的为3a的尾叶桉林地，为0.75g/kg，与全氮含量最低的2a尾叶桉林0.51g/kg相比，显著提高了47.05%（pd0.05）。土壤全磷含量1a、2a尾叶桉林地均为0.18g/kg，差异性不显著（p>0.05）。不同林龄尾叶桉林土壤全钾含量排序大小为3a（8.54g/kg）>2a（5.27g/kg）～la（3.75g/kg），土壤全钾含量随着林龄增长不断升高。1a尾叶桉林土壤速效氮含量显著高于2a、3a尾叶桉林地（p<0.05），变化趋势呈现林龄越大速效氮含量越小的趋势。3a尾叶桉林土壤速效磷含量显著高于其他两种林龄（p<0.05），2a尾叶桉林地速效磷含量低于3个林龄速效磷含量平均值8.29mg/kg。土壤速效钾含量三种林龄排序大小为3a（63.44mg/kg）>la（54.21mg/kg）～2a（45.28mg/kg），并未表现出显著差异性（p>0.05）。土壤硝态氮含量3a尾叶按林地显著高于1a、2a尾叶桉林（p<0.05），1a、2a尾叶桉林地硝态氮含量基本相同，没有显著差异性（p>0.05）。

3.4土壤质量评价

最小数据集的确定的方法如下：参与评价的土壤理化指标：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、有效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮。对参与评价的理化指标进行主成分分析，依据确定最小数据集的方法选择解释信息累计率≥85%的主成分，并根据主成分分析中计算的各指标载荷值确定用于土壤质量评价的指标最小数据集。筛选最小数据集方法：在第一、第二、第三主成分中，选取载荷值≥0.800的指标，第四、第五主成分中，选取载荷值≥0.400的指标，作为候选评价指标。主成分载荷值、权重如表3所示土壤有机质、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、铵态氮主要反应了土壤养分含量，养分元素指标权重占总权重的76.4%，说明土壤养分在属于土壤质量评价中的重要指标。通过各指标权重以及各指标隶属度，计算出不同林龄尾叶桉林地的土壤质量指数，如表4所示。不同林龄尾叶桉林地土壤质量指数差异性显著（p<0.05），土壤质量指数随着林龄增加呈现先增加后减小的趋势，大小依次为2a（0.578）>3a（0.535）>la（0.461）。2a尾叶桉林地土壤质量较好，相比1a显著提高了25.37%。

4讨论与结论

运用最小数据集与模糊数学法即隶属度函数进行人工林地土壤质量评价的方法在大部分研究中较为普遍。大部分研究在确定最小数据集时运用了主成分分析以及分析结果中的Norm值，这种方法较为普遍，实用性较高。不过，土壤质量是一个较为复杂的系统，影响土壤质量的高低不仅仅只有土壤理化性质，还包括了林地气候、水文、地质地貌特征等因素。本研究依据测定的14项理化性质指标进行土壤质量评价，有一定的局限性，在今后进一步的研究中，应测定更为全面的数据如土壤生物学性质，研究区域的温度、降雨量，以及人工林地中的林下植被多样性，通过测定更为全面的数据从而得到更为准确的土壤质量评价结果。不同林龄尾叶桉林地土壤指标变化较为复杂。从物理性质来看，随着林龄增长，土壤质地逐步变差，土壤容重显著升高，毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤总孔隙度显著下降，该结论与郝中明等对于不同林龄马尾松土壤研究结论，容重随着林龄的增加逐渐增加，土壤孔隙度随林龄的增加逐渐减小相符合。从化学性质来看，土壤pH值随着林龄增长显著下降，据赵辉等的研究表明林龄增长导致土壤养分下降间接造成土壤微生物活跃度下降，微生物代谢减小导致土壤pH显著升高。1a尾叶桉林地的土壤全钾含量显著低于其他2种林分，而大部分有效元素含量随着林龄增长，都有不同程度的下降。这可能是由于实际生产中施肥不合理，以及没有及时追肥造成的，在幼林栽种到叶片完成郁闭之间，应保证充足的钾肥供应。

通过对不同林龄尾叶桉林地进行土壤质量评价，发现不同林龄尾叶桉林地除土壤大部分土壤性质差异显著，随着林龄增长，土壤容重显著上升，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度显著下降。不同林龄尾叶桉林地全氮、全磷、全钾以及部分养分元素在la尾叶桉林地供应不足，大部分养分元素在2a、3a尾叶桉林地较为充足。土壤质量评价结果表明，2a的尾叶桉林地土壤质量较高，显著高于1a、3a。建议在植苗的同时，及时补充钾肥与适量磷肥，保证幼林快速生长时的養分供应，从而达到尾叶桉速丰、速生、高产、可持续经营的目的。