毛竹生产力与土壤营养元素的关系

苏小飞,郑 笑,马 力,丁雨龙,刘国华

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学竹类研究所，江苏 南京 210037；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

毛竹(Phyllostachysedulis)林是中国南方一种重要的森林类型.据第八次全国森林资源清查，我国现有毛竹林面积443万hm2，占全国竹林面积的74%，是我国重要的森林资源[1-2].土壤是地球表面的疏松物质部分，受气候、岩性、地貌和地表生物等多重作用，其质量直接影响毛竹林质量和生产力[3]；土壤元素是土壤的物质基础，其构成及含量决定了土壤肥力和环境质量[4].毛竹是一种耗肥量大的大径型竹种，随着毛竹产量的提高，从土壤中带走的养分也增多，及时补充生长所需的各种养分是毛竹林丰产、稳产的必要措施.土壤养分指植物生长所必需的各种营养元素，包括大量元素氮(N)、磷(P)、钾(K)，中量元素钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)，微量元素硼(B)、锌(Zn)、钼(Mo)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)和氯(Cl)等.研究表明，土壤大量元素N、P和K与毛竹生长发育、竹林更新繁衍、竹林生产力等都有极显著关系[5-7]；不同地区毛竹林微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量变化较大[8].近几年，有关同一地区竹林生产力与土壤养分之间的关系已经有较多研究[9-11]，但不同地区毛竹生产力差异及其与土壤元素之间关系的研究较少.因此，本试验对全国14个竹产区毛竹生产力与土壤营养元素含量的关系进行研究，以期为毛竹林的科学施肥管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验用毛竹分别采自我国浙江、福建、湖北、安徽、湖南、广东、江西、广西、江苏和贵州10个省份(自治区)的14个地区.各采样地点的地理位置信息及气候状况如表1所示.

表1 采样地基本信息Table 1 Sampling site information

1.2 样品的采集与分析

在我国14个竹产区试验区选择立地条件和经营措施基本一致(挖笋+砍8年以上的老竹+劈草，且近10年未进行施肥处理)的毛竹纯林，分别设置3个20 m×20 m的样地，样地内毛竹林的平均立竹度800～1 000株·hm-2.对8年生的毛竹生长状况进行调查，每个样方随机调查10株毛竹，每个竹产区共调查30株.研究表明，竹子的胸径、竹高与生产力间存在明显的线性关系[12]；常规研究过程中，一般用胸径大小代替毛竹林生产力大小[13].为确保研究的准确性，作者采伐(齐地面将竹子砍倒)了每个样方内选取的样竹，测量每株毛竹的胸径与竹高，并计算相对竹高(相对竹高=竹秆全高/胸径).

土壤样品采集于各竹产区样方，在各样方内以S型采集5个0～20 cm剖面样品，将其组成混合样品，最后用四分法选出1 kg混合土壤用无菌袋装好，带回实验室.自然风干后磨细过100目筛，用于土壤指标测定：(1)N元素全量采用元素分析仪(EA1112,Euro Vector,Italy)测定；(2)P、K、Ca、Mg、S、B、Zn、Mo、Mn、Fe、Cu和Cl元素的全量采用波长色散型X射线荧光光谱仪(Axios Advanced,PANalytical B.V.,Holland)测定.

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013对试验数据进行基本处理，单因素方差分析采用SPSS 18.0软件，多重比较用Duncan′s法，制图和逐步回归采用R×64 3.4.2.R软件提供了较为方便的“逐步回归”计算函数，其以AIC信息统计量为准则，通过选择最小的AIC信息统计量，达到删除或增加变量的目的[14].根据逐步回归分析理论，建立最优回归模型：y=b1x1+b2x2+…+bpxp-1.其中，y为因变量，表示各个地区的毛竹平均胸径(diameter at breast height,DBH)或平均竹高(height,H)，x1、x2…xp为自变量，表示各个地区土壤营养元素含量，b1、b2…bp为各自变量的系数.

2 结果与分析

2.1 14个竹产区毛竹的生长状况

从图1中可以看出，14个竹产区毛竹胸径范围多数比较分散，少数较集中；绝大部分毛竹胸径大于9 cm，大部分地区毛竹胸径中位数在10～11 cm，最高中位数达到12 cm；贵州赤水(X14)、福建武夷山(X6)和安徽金寨(X12)毛竹胸径数据的上下四分位及中位数均高于其他地区，而浙江安吉(X1)与广西兴安(X11)毛竹胸径明显低于其他地区.14个竹产区毛竹平均胸径9.45～11.97 cm，根据毛竹林生长级的划分标准[15]，平均胸径大于9.0 cm，生长级为Ⅱ级及以上，说明所调查地区的毛竹林具有较高的生产潜力.

14个竹产区毛竹平均竹高9.67～16.86 m.图2中各个竹产区的毛竹相对竹高范围大部分比较集中，中位数大部分在1.4左右，浙江安吉(X1)相对竹高数据的上下四分位及中位数均显著低于其他地区.

2.2 14个竹产区毛竹林土壤元素含量

由表2可知，N含量仅江西崇义(X10)低于全国土壤元素背景值(0.64 g·kg-1)[16]，而福建武夷山(X6)、江西宜丰(X7)N含量均显著高于其他地区；浙江安吉(X1)、安徽黄山(X4)、广东仁化(X8)、江西崇义(X10)和江苏宜兴(X13)P含量均低于全国土壤背景值(0.52 g·kg-1)[16]，而江西宜丰(X7)P含量显著高于其他地区；浙江安吉(X1)、湖北咸宁(X3)、安徽黄山(X4)、浙江龙游(X9)、江苏宜兴(X13)和贵州赤水(X14)K含量均低于全国土壤元素背景值(18.6 g·kg-1)[16]，而广东仁化(X8)K含量显著高于其他地区；Ca含量仅安徽金寨(X12)高于全国土壤元素背景值(15.4 g·kg-1)[16]，且显著高于其他地区；浙江安吉(X1)、湖北咸宁(X3)、湖南东安(X5)、江西宜丰(X7)、广东仁化(X8)、浙江龙游(X9)和江苏宜兴(X13)Mg含量均低于全国土壤元素背景值(7.8 g·kg-1)[16]，而安徽金寨(X12)Mg含量显著高于其他地区；Fe含量仅湖南东安(X5)低于全国土壤元素背景值(29.4 g·kg-1)[16]，而浙江龙游(X9)Fe含量显著高于其他地区.

表2 14个竹产区毛竹林下土壤元素含量1)Table 2 Soil element contents in 14 bamboo producing areas

1)数据为平均值±标准差.同列数据后附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，附相同小写字母者表示差异不显著(P>0.05).

综合分析，福建武夷山(X6)N、S和Cl含量均显著高于其他地区；江西宜丰(X7)N、P和Mn含量均显著高于其他地区；安徽金寨(X12)Ca和Mg含量均显著高于其他地区.各地区N、P、Mg、Ca、Fe、Cu和Mo含量总体差异较小，如元素Ca除安徽金寨(X12)外各地区均无显著差异，元素Cu含量除广东仁化(X8)和浙江龙游(X9)外各地区均无显著差异；但各地区K、S、B、Mn、Zn和Cl元素含量差异较大，如14个竹产区Zn含量为 46.03～255.47 mg·kg-1，以浙江龙游(X9)最高，且显著高于其他地区，Cl含量为57.19～148.37 mg·kg-1，以福建武夷山(X6)最高，且显著高于其他地区.这说明不同地区毛竹林下土壤营养元素的含量存在一定的差异.

2.3 14个竹产区毛竹胸径、竹高与土壤营养元素的逐步回归分析

将14个竹产区毛竹平均胸径、平均竹高作为因变量，分别与毛竹林土壤元素进行逐步回归分析.结果(表3)发现，因变量为平均胸径模型的拟合优度R2=0.990 4，调整后R2=0.986 5，F检验统计量为256.9；而因变量为平均竹高模拟R2=0.977 3，调整后R2=0.971 1，F检验统计量为157.7；且两者P值均小于0.01，达到了极显著水平，有统计学意义.与毛竹平均胸径呈显著相关的土壤元素为N、Mg、B和Zn，与平均竹高呈显著相关的土壤元素为N、Mg和B(表3).

通过残差分析图进一步对模型进行检验，得出标准化残差呈明显的正态分布，从而证明样本确实是来自正态总体；标准化的残差开方没有大于1.5，说明样本点都在95%的范围之内，模型对于数据具有较好的拟合效果(图3-4).据此建立平均胸径与土壤元素的线性回归方程：ln(DBH)=0.460N+0.086Mg+0.008B+0.005Zn-1；平均竹高与土壤元素的线性回归方程：lnH=0.851N+0.101Mg+0.009B-1.

表3 胸径/竹高与土壤元素间的线性回归关系1)Table 3 Linear regression relationship between DBH/H and soil elements

1)**表示 0.01显著水平，***表示0.001显著水平.

3 讨论与结论

毛竹林平均胸径在一定程度上反映了竹林立地条件和经营管理水平，是评价毛竹林生产力的重要指标之一[17].竹高是反映毛竹生物量的一个重要指标.对于木材来说，胸径、树高、形数3个因子决定木材的材积.由于竹材的形数变异不大，所以胸径和竹高决定竹材的生物量大小.通常认为，生物量是衡量生产力的一种标准[13].毛竹林的生物量与毛竹林的生产力呈线性相关，生物量越大生产力越高[18].然而，任何一个地块的毛竹都存在个体差异[19]，因此，本文以平均胸径和平均竹高作为评价竹林生产力的代表.本研究表明，我国14个竹产区毛竹胸径范围较为分散，而相对竹高范围较为集中，其平均胸径9.45～11.97 cm，平均竹高9.67～16.86 m.以平均胸径为参考指标，14个毛竹产区生长级均属Ⅱ级(9.0 cm)及以上，说明这些地区毛竹林具有一定的生产潜力.但其中贵州赤水毛竹生产力(平均胸径11.97 cm、平均竹高16.86 m)较高，而浙江安吉毛竹生产力(平均胸径9.45 cm、平均竹高9.67 m)较差，说明14个竹产区毛竹林生产力存在一定的差异.

不同地域土壤元素的组成和含量受地质、水和土壤环境因素的影响而存在一定差异[20].如福建武夷山N、S和Cl含量均显著高于其他地区，江西宜丰N、P和Mn含量均显著高于其他地区，安徽金寨Ca和Mg含量均显著高于其他地区.通过逐步回归分析发现，不同竹产区毛竹平均胸径与其林下土壤中N、Mg、B和Zn呈极显著相关关系，平均竹高与N、Mg和B呈极显著相关关系.在4种土壤元素变量中，N元素参数的估计值较大，说明其对毛竹生产力的影响较大.N元素是竹子生长必需的大量营养元素之一，与竹林生长密切相关.例如：蒋燚等[21]在对粉单竹(Bambusachungii)的研究中发现，林地土壤中全N含量直接影响秆重和胸径；孙刚等[11]通过对皖南肖坑地区的毛竹林进行调查得出毛竹生长主要受土壤中N、P限制.本研究中，福建武夷山和江西宜丰竹产区土壤N元素显著高于其他地区，且有较高的生产力(平均胸径分别为11.58和11.06 cm，平均竹高分别为16.08和14.60 m).可见，在毛竹林经营中，培肥土壤特别是提高土壤N含量是促进竹林丰产的主要措施.Mg是植物光合作用所必需的中量营养元素，植物体中Mg主要来源于土壤.本研究中，安徽金寨和贵州赤水Mg含量显著高于其他地区，且这两个竹产区都有较高的生产力(平均胸径分别为11.21和11.97 cm，平均竹高分别为15.16和16.86 m)，说明Mg元素也与毛竹生产力紧密相关.涂淑萍等[22]研究黄竹(Bambusarigida)林时提出应加强有机肥的施用，在施足N、P、K 肥的同时，应配合施用一定数量Mg肥.因此，在竹林培育时不仅需要提高土壤大量营养元素的含量，还应注意中微量营养元素的含量.

本研究虽利用逐步回归分析法筛选出与毛竹生产力显著相关的土壤营养元素，但所研究地区较少，并未能考虑各土壤营养元素之间的交互作用对毛竹生产力的影响.因此，今后应对全国不同地区影响竹林生产力的土壤元素进行综合分析.