鼎湖山不同植被类型下土壤肥力质量变化

2021-01-18金志农张海燕肖昌龙张北红

中国土壤与肥料 2020年6期

张杰，金志农，张海燕，赵姣，肖昌龙，张北红，刘佳

（1.南昌工程学院，江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心，江西南昌 330099； 2.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西南昌 330200）

鼎湖山位于广东省肇庆市东北近郊，纬度在北回归线南侧，属南亚热带典型季风气候。由于受副热带高压的强烈影响，北回归线附近陆地多为沙漠、半沙漠或干旱草原，而鼎湖山却拥有从针叶林先锋群落到季风常绿阔叶林顶极群落的完整演替植被类型，其中季风常绿阔叶林的林龄长达400余年，因而鼎湖山被誉为“北回归线上的绿色明珠”，成为我国首个国家级自然保护区，并首批加入联合国教科文组织“人与生物圈计划”［1-3］。由于在自然地理、生态环境等方面的特殊性及代表性，鼎湖山已成为广大学者研究南亚热带典型季风气候区植物和土壤特征的良好平台［4-7］。

土壤肥力质量是土壤保持生产力、维持生态环境稳定的能力，是土壤最基本的内在属性和本质特征。土壤肥力质量主要由物理肥力、化学肥力和生物肥力组成［7］，研究土壤肥力质量变化有助于保护土地资源，防治土壤退化。植被类型是决定土壤肥力质量的关键因素，前人在宁夏贺兰山［8］、贵州雷公山［9］、甘肃兴隆山［10］等我国多处自然保护区的研究均发现，不同植被类型的土壤肥力质量存在显著差异，但各具区域特征，主要与各保护区独特的气候条件和成土母质有关，因而对于不同的研究区域及植被类型有必要针对性的探明。然而，目前未见关于鼎湖山自然保护区不同植被类型下土壤肥力质量的研究报道。此外，近些年来随着社会经济的快速发展，以鼎湖山为代表的城市近郊风景区在进行环境保护的同时，也大力发展旅游业及生态农业，其土壤肥力的影响因素及变化途径更加复杂，并且这种多元变化将是全国范围内的长期趋势，但以往研究几乎未将此形式下的土壤肥力质量变化纳入考虑。因此，本研究选择鼎湖山多种具有代表性的植被类型，综合考察其土壤肥力质量变化状况，以期为鼎湖山及我国南亚热带相似自然保护区的科学经营管理、土地合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区和样地概况

鼎湖山自然保护区（简称鼎湖山，112°30′39″～ 112°33′41″E，23°09′21″～23°11′30″N）总面积约1 155 hm2，属典型的南亚热带季风湿润型气候，年均气温20.9 ℃，最热月（7月）和最冷月（1月）的平均气温分别为28.0和12.0 ℃，年均降水量和蒸发量分别为1 956和 1 115 mm，每年4～9月为雨季，降雨量占全年的80.38%［3］。

鼎湖山植被覆盖率高达85%以上，植物群落结构复杂、物种丰富，长期以来是进行森林生态系统定位观测的良好平台。本研究在鼎湖山自然保护区的核心区及其周边扩展区进行，基于相同土壤母质背景研究不同植被类型的土壤肥力质量变化，具体包括：①季风常绿阔叶林（简称阔叶林，MPF），为南亚热带最具代表性的天然植被类型，属当地植被演替顶级阶段，典型植物为荷木（Schima superba）、锥栗（Castanopsis chinensis）、厚壳桂（Cryptocarya chinensis）等； ②马尾松针叶林（简称马尾松林，PF），为20世纪30年代部分原始阔叶林遭破坏后人工种植的植被类型，属植被演替初级阶段，典型植物为马尾松（Pinus massoniana）、黄牛木（Cratoxylon ligustrinum）、三叉苦（Evodia lepta）等；③针阔叶混交林（简称混交林，CBF），为人工种植的马尾松林受到阔叶树种入侵而形成的过渡林型，属植被演替中级阶段，其典型植物为马尾松、荷木、锥栗、厚壳桂、红皮紫棱（Craibiodendron kwangtungense）和滇粤山胡椒（Lindera metcalfiana）等［11-12］；④竹林（BF），为20世纪80年代人工种植，其典型种类为刚竹（Phyllostachys viridis）等；⑤老茶园（OT）和⑥新茶园（NT）分别为20世纪90年代中后期和2007年前后种植。在不考虑干、湿沉降的情况下，①～④植被类型的年养分投入量为0，同时也无生产物质外移；⑤和⑥为了维持生产水平、改善产品质量、获得更高的经济效益，种植过程中常年施用有机肥（以花生麸、畜禽粪便为主），无化肥、农药输入，年养分投入量约为N 300～450 kg/hm2、P2O570～100 kg/hm2、K2O 120～180 kg/hm2。上述各种植被的土壤类型均为由砂页岩发育而来的赤红壤，原始植被均为阔叶林［12-13］，只是自20世纪30年代起由于自然或人为因素使植被类型发生了相应改变。

1.2 样品采集与处理

于2015年4月在鼎湖山对上述6种植被类型进行土壤样品采集。采样时每种植被选择3块样地作为重复，每块样地间隔>30 m，面积>100 m2（10 m×10 m），在每块样地内用50 cm3环刀取土3份用于测定土壤容重，而后按“S”形随机布设10个取样点采集0～20 cm表层土壤，多点混合后制得该样地土样。将采集的土样装入保鲜箱中，带回实验室尽快拣除植物残体、石块等杂物，过2 mm筛充分混匀后分为两份，一份风干后用于测定土壤理化性质，另一份保存于4 ℃冰箱中用于测定土壤可溶性有机碳、土壤微生物生物量。

1.3 测试指标与方法

土壤常规性质的测定参照鲁如坤［14］的方法进行。土壤容重（BD）采用环刀法测定，含水量（WC）采用铝盒法测定，pH采用电位法测定（水∶土=2.5∶1），有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮（TN）采用凯氏定氮法测定，全磷（TP）采用碳酸钠熔融法测定，全钾（TK）采用氢氧化钠熔融法测定，碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定，有效磷（AP）采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵法测定。土壤可溶性有机碳（DOC）用超纯水（水∶土=5∶1）提取后过0.45 μm水系滤膜，滤液用multi N/C 3100分析仪（Germany）测定。土壤微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）采用氯仿熏蒸法提取［15］、multi N/C 3100分析仪测定。

1.4 数据统计

试验数据经Excel 2003整理后，用SPSS 16.0进行单因素方差分析（one-way ANOVA）、Duncan多重比较、Pearson相关性分析、主成分分析及聚类分析。Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型的土壤物理肥力

土壤容重可以综合反映土壤颗粒及孔隙状况，通常土壤容重越小，土体结构越疏松、孔隙越多，越利于土壤养分的活化及植物根系的生长。不同植被类型的土壤容重有显著差异（图1A），相对于原始植被阔叶林，竹林和老茶园的容重与之差异不明显，这可能是因为前者地下根茎茂密、成片匍匐生长，而后者常年施用有机肥，但施用有机肥时间较短的新茶园，以及马尾松林和混交林的容重却显著高于阔叶林，其容重相对于阔叶林分别提高了13.52%、44.57%和22.28%。土壤含水量除了为动物、植物、微生物供应必要的水分外，还与矿质养分的有效性密切相关［16］。本研究中施用有机肥的茶园土壤含水量最高（图1B），这可能与有机肥具有良好的保水能力有关；其他植被类型土壤含水量的大小顺序为阔叶林、竹林>混交林>马尾松林，这主要与不同植被类型的林龄、盖度、凋落物的数量及持水性等有关［17］。

图1 不同植被类型的土壤容重和含水量

2.2 不同植被类型的土壤化学肥力

土壤pH通过影响土壤微生物的数量和活性、有机物质的分解与转化以及矿质养分的有效态等影响土壤肥力水平［18-19］（表1）。本研究中几种植被类型的土壤pH都较低，均为强酸性土壤，其中竹林、混交林和阔叶林的pH在3.93～3.98之间，施用有机肥的茶园土壤pH有所提升，而马尾松林的pH却显著低于其他各种植被类型。从土壤全量养分看，土壤有机碳、全氮、全磷的排序大致为阔叶林>竹林、混交林>茶园>马尾松林，可见鼎湖山原始阔叶林被破坏后，其他植被类型都会造成土壤全量养分明显降低。从土壤速效养分看，土壤可溶性有机碳和有效磷均为茶园>阔叶林>混交林、竹林>马尾松林，土壤速效钾也以老茶园和阔叶林最高，可见长期施用有机肥有助于茶园土壤速效养分的积累；但茶园土壤的碱解氮（110.25～135.98 mg/kg）显著低于阔叶林（162.93 mg/kg）；马尾松林土壤的碱解氮仅为46.55 mg/kg，大幅低于其他各种植被类型。土壤CEC可以反映土壤的保肥供肥能力，各植被类型土壤CEC的大小顺序为阔叶林、茶园>竹林>混交林>马尾松林。

表1 不同植被类型的土壤化学肥力特征

2.3 不同植被类型的土壤生物肥力

图2 不同植被类型的土壤MBC和MBN含量

土壤微生物生物量是土壤养分转化的源和库，其含量高低可以反映土壤微生物的活动强弱及养分转化的速率快慢，因此是表征土壤生物肥力的重要指标。各植被类型中以阔叶林的土壤MBC最高（图2A），达到725.8 mg/kg；茶园、竹林和混交林的土壤MBC在341.5～419.6 mg/kg之间，相当于阔叶林的47.1%～57.8%；马尾松林的土壤MBC仅为216.8 mg/kg，显著低于其他植被类型。土壤MBN也以阔叶林最高（图2B），达到68.7 mg/kg，混交林、竹林和马尾松林的土壤MBN与阔叶林相比均显著降低，降幅分别为22.1%、39.1%和70.4%，茶园土壤MBN相当于阔叶林的74.1%～85.9%。

2.4 土壤肥力指标间的相关关系

对土壤各项物理、化学和生物肥力指标进行相关分析发现（表2），土壤容重与大多数的肥力指标呈显著负相关关系，表明土壤容重越大，肥力状况越差。土壤含水量和pH主要与可溶性有机碳、碱解氮、CEC和MBN指标呈显著正相关关系。土壤全量养分中，有机碳、全氮、全磷相互间具有显著正相关关系，表明它们在不同土壤上具有相似的变化规律，且它们对土壤碱解氮含量具有非常强的正向促进作用，相关系数均>0.75。土壤速效养分中，可溶性有机碳与碱解氮、有效磷、速效钾均具有显著相关性，相关系数为0.54～0.65，但碱解氮、有效磷、速效钾三者之间仅有效磷和速效钾具有显著相关性。土壤CEC与除全磷、全钾外的所有全量养分和速效养分均具有显著正相关关系。土壤MBC、MBN主要与土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效钾、CEC指标有显著正相关关系。总体来看，本研究所选的14个肥力指标间具有复杂的相关性，不同指标间存在信息重叠现象，采用单一或部分指标不能反映土壤肥力特征全貌，因此需要通过主成分分析、聚类分析等对鼎湖山不同植被类型的土壤肥力状况进行综合评价。

2.5 不同植被类型土壤肥力质量的主成分分析

通过主成分分析可以看出（表3），前2个主成分的方差贡献率分别为43.02%和32.73%（其余均<10%），累积达75.75%，能解释数据的大部分变异，因而本研究运用主成分分析进行土壤肥力质量的综合评价是可信的。所获得的2个主成分的表达式为：

式中X1、X2、……、X14分别为土壤容重、含水量、pH、有机碳、全氮、全磷、全钾、可溶性有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC、MBC和MBN指标标准化后的数值。根据上述表达式可以计算出不同植被样点在2个主成分上的得分值，结合各肥力指标的载荷值，可以绘制出土壤肥力质量主成分分析示意图（图3）。可以看出，不同植被类型的样点分布存在明显差异，阔叶林、竹林和混交林分布在PC1轴的正端，阔叶林和新、老茶园分布在PC2轴的正端，而马尾松林独自居于PC1轴和PC2轴的负端。从各肥力指标来看，土壤容重、有机碳、全氮、全磷、碱解氮及MBC、MBN在PC1轴上的载荷值较高（绝对值均>0.70），表明这些指标与PC1 相关性较高，并且除容重外均对土壤肥力质量有正效应；而全钾、可溶性有机碳、有效磷、速效钾及CEC在PC2轴上的载荷值均>0.70，表明这些指标与PC2的相关性较高，也均对土壤肥力质量有正面影响。

表2 土壤肥力指标相关系数矩阵

表3 主成分分析法的特征根值与方差贡献率

根据不同植被样点在PC1和PC2上的得分值，结合各主成分的方差贡献率（即各主成分所占权重），可进一步计算出不同植被样点在每个主成分上的加权得分及综合得分（表4）。可以看出，在PC1上的得分顺序为：阔叶林>竹林、混交林>新茶园>老茶园>马尾松林，表明与原始阔叶林相比，其他植被类型的土壤全量养分（除全钾）、碱解氮和微生物生物量都有所降低；在PC2上的得分顺序为：老茶园>新茶园、阔叶林>混交林、竹林、马尾松林，表明阔叶林植被改变后，施用有机肥的茶园可以明显提高土壤的速效养分（除碱解氮）和CEC，尤其以长期施肥的老茶园最为明显，但不施肥的其他植被类型的上述养分明显降低。经加和得到的综合得分能更直观地反映土壤肥力的总体状况，其排序为阔叶林>老茶园>新茶园>竹林、混交林>马尾松林，可见鼎湖山原始阔叶林被破坏后，无论何种新的植被类型都会使土壤整体肥力质量显著降低。

图3 土壤肥力质量主成分分析示意图

2.6 不同植被类型下土壤肥力质量的聚类分析

以欧式距离作为衡量指标、采用最短距离法对土壤各项肥力指标进行系统聚类，可将不同植被类型的土壤肥力质量分为4类（图4）：第Ⅰ类为阔叶林，其主要特征是土壤的各项物理、化学和生物肥力均较优，土壤肥力整体质量最高；第Ⅱ类为新、老茶园，其受人类活动影响大，施用有机肥使得土壤容重、含水量等物理肥力较优，土壤pH、速效养分和CEC等化学肥力也得到改善，但由于原始植被破坏、耕作栽培措施及产品收获等原因，使土壤全量养分、碱解氮及MBC有所退化；第Ⅲ类为竹林和混交林，其受人类活动影响较小，各项肥力指标大多居中，介于阔叶林和马尾松林之间；第Ⅳ类为马尾松林，其物理、化学和生物肥力在所有植被类型中均最低，土壤肥力质量最差。

表4 不同植被类型下土壤肥力质量得分

图4 不同植被类型下土壤肥力质量的聚类分析

3 讨论

用以评价土壤肥力质量的指标众多，在实际研究中往往选择具有代表性、重现性好、能够反映土壤关键肥力的指标进行考察。本研究参照“土壤肥力评价最小数据集”［20］所提供的指标并适当扩充，最终选择了14个常用的物理、化学及生物肥力指标进行分析，以实现既简明扼要又相对全面反映鼎湖山不同植被类型土壤肥力质量的目的。主成分分析、聚类分析是进行土壤肥力质量综合评价时广泛使用的分析方法［7-8，21］，前者的优点在于可将具有错综复杂相互关系的多个原始变量降维为少数独立新变量，进而使土壤肥力质量评价结果得以量化并排序；后者的优点在于将具有相似肥力特征的处理归为一类，并根据需要进行土壤肥力等级划分。合理使用这两种方法可客观、可靠地评价土壤肥力质量的变化方向及幅度，并为其管理和调控提供参考。

导致土壤肥力质量变化的根本原因在于系统内物质输入量与输出量的相对大小，即物质的输入量大于输出量，土壤肥力质量提升，反之降低［22］。本研究中，受人类活动影响较小、无外源养分输入的阔叶林、混交林、马尾松林和竹林，其土壤肥力主要受植被类型的影响，尤其与凋落物的数量和性质有关［23］。凋落物分解是森林生态系统物质循环和能量流动的重要环节，其分解过程是土壤及植物获得养分的主要途径，也是维持生态系统生产力的关键因素。闫俊华等［24］研究发现，鼎湖山阔叶林、马尾松林的年凋落物量分别为8.84和2.53 t/hm2，阔叶林高达马尾松林的3.49倍，且阔叶林凋落物的氮、磷含量高，分别相当于马尾松林的1.94～2.66倍和1.69～2.88倍［25］；另一方面，阔叶林凋落物的C/N在20～40之间，木质素含量低，易于腐解，其周转期仅为1.4 年，而马尾松林凋落物的C/N很高，含有大量不易分解的单宁、树脂和蜡质，其周转期长达4.9 年［24-25］。凋落物数量和性质的巨大差异使得阔叶林每年向土壤归还的碳、氮、磷养分要远大于马尾松林，因而土壤肥力指标中的全量及速效碳、氮、磷养分均为阔叶林显著高于马尾松林。此外，阔叶林大量易分解的凋落物进入土壤，也改善了土壤的物理及生物学性状，使得土壤疏松，容重降低，保水能力增强，微生物生物量维持在较高水平；而马尾松林凋落物的特殊性质使得该植被类型下土壤的物理、化学和生物肥力均显著退化。凋落物归还还通过促进植物生长来增加覆盖保护，减少水土流失等方式影响土壤肥力质量［19］。由于竹林和混交林凋落物的数量和性质介于阔叶林和马尾松林之间［23-25］，因此其大多数的肥力指标也介于二者之间，钾素较为特殊，其原因有待进一步探明。从生态系统进化的角度看，土壤肥力质量既受植被群落的影响，也通过影响植物生长反作用于群落的产生、发展和演替，这种相互促进作用会随着时间的延长趋于稳定，直至进化成适应区域气候环境、符合生态平衡的顶级群落［26］。对于处于南亚热带典型季风气候区的鼎湖山而言，马尾松林、混交林和阔叶林分别代表了其森林演替的初级、中级和顶级阶段，这也与三者土壤肥力质量逐步提升的顺序相一致。

人们为了追求更高的经济利益常改变土地利用方式，近些年来这种现象在以鼎湖山为代表的城市近郊风景区非常普遍。然而森林改变为农田后常会使土壤肥力质量显著降低，尽管有机肥养分全面、肥效缓慢，长期施用可全面改善土壤肥力质量，但从本研究结果可以看出，不论是施用有机肥20年的老茶园还是仅7年的新茶园，其土壤肥力质量相对于阔叶林仍明显退化，这主要是因为植被的破坏、土壤的垦殖以及产品的收获强烈改变了养分物质循环过程，使净输出量大于净输入量。具体来看，施用有机肥在改善土壤物理性状、速效化学养分及pH、CEC等方面的效果显著，但无法避免土壤全量养分及生物肥力的大幅降低，这与以往农田试验［7］所得结论差异较大，可见施肥补偿并不能完全遏制林地利用方式转变所导致的土壤退化趋势。

根据本研究结果可为鼎湖山及我国南亚热带相似自然保护区的经营管理、土地利用提供以下建议：1）对于已达到生态平衡的顶级植被群落应加强保护，减少人为扰动和破坏，维持植物、土壤及微生物之间的良好平衡关系；2）对于已形成的植被破坏地，可适当人为介入使其植被类型直接恢复到当地顶级群落类型，从长期来看可能更有利于土壤肥力质量的保持、生态环境的稳定；3）对于已形成的演替初级、中级阶段植被类型（如鼎湖山的马尾松林），在条件允许的情况下可加强抚育管理，适当增施有机肥，改善土壤肥力状况，以促进植物的生长发育及演替进程；4）谨慎改变林地利用方式，对于已长期耕作的林改地，在土壤退化严重、经济效益降低时应“退耕还林”，恢复其原有植被类型。