土壤理化性质对红锥人工林生长及心材形成的影响

2021-03-19刘光金贾宏炎徐建民牛长海朱茂锋李武志

林业科学研究 2021年1期

刘光金，贾宏炎，徐建民，牛长海，曾冀，蓝敢，朱茂锋，李武志

(1. 中国林业科学研究院热带林业实验中心，广西凭祥 532600；2. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州 510520)

土壤理化性质与林木生长、林分生产力密切相关[1]，是评价立地生产力的关键指标[2]，国内外学者已对土壤理化性质与人工林生长相关性开展了大量研究。曹子林等[3]研究发现，土壤含水量是影响中国沙棘（Hippophae rhamnoidessubsp. Sinensis Rousi）人工林生长的主导因子；林文树等[4]分析了吉林天然混交林不同演替阶段优势木生长和土壤理化性质的相关性，发现优势木的平均树高与土壤容重、非毛管孔隙度呈显著负相关，而平均胸径与土壤容重呈显著正相关；杜健等[5]和Watanabe 等[6]分别研究了土壤理化性质对13 和18 年生柚木（Tectona grandisLinn. f.）人工林生长的影响，均发现其生长与土壤全氮、交换性钙离子和镁离子含量密切相关。不同深度土壤的理化性质差异显著，表现出明显的垂直分布特性[7]，且林木对不同土层土壤理化性质的响应亦不同。赤桉（Eucalyptus camaldulensisDehnh.）人工林生长与表层土壤交换性钾离子含量呈显著正相关，而与20～150 cm 土壤全氮和交换性钠离子含量呈显著负相关；加勒比松（Pinus caribaeaMorelet）人工林生长与表层土有效磷含量呈显著正相关，与20～150 cm 土壤含水量呈显著正相关[8]。

心材形成亦受土壤理化性质的显著影响，逐渐为国内外学者关注。崔之益等[9]研究结果表明，土壤含水量影响边材非结构性碳水化合物等次生代谢，从而影响降香黄檀（Dalbergia odoriferaT.Chen）心材形成；Kint[10]等发现，欧洲栎（Quercus roburLieblein）心材比率受立地质量的影响，其中，土壤肥力的贡献率最大，其次是土壤含水量；Bektas 等[11]分析了土壤性质对土耳其卡拉布里亚松（Pinus brutiaTen.）心材比率的影响，发现土壤碳酸钙和有机质含量显著影响心材比率。这说明土壤理化性质是影响心材形成不容忽视的重要因素，因此，其研究具有重要的理论和实践意义。

红锥（Castanopsis hystrixA. DC）是我国热带、南亚热带地区的一个乡土珍优树种[12]，其心材色泽佳、纹理美观，材质好，是华南地区广泛使用的家具材、装饰材和工业用材。近年来，国内开展了红锥人工林生长和心材特征及其影响因素研究[13-14]；唐继新等[15]对红锥人工林生长过程进行了研究，总结出胸径、树高生长的速生期；卢立华等[16]开展了立地与栽培模式对红锥人工林生长影响的研究，优化了红锥人工林生长的立地和种植模式；蒋燚等[17]通过树干解析探究了红锥心边材变化规律；但红锥人工林生长及心材形成与土壤理化性质的相关性尚未见报道。因此，本研究以红锥中龄林和近熟林为对象，研究其生长和心材特征，分析其与土壤理化性质的相关性，旨在为华南地区红锥人工林立地选择与定向培育提供支撑。

1 研究区域概况

研究区域位于中国林业科学研究院热带林业实验中心哨平和伏波实验场(22°01′ N～22°06′ N，106°52′ E～106°54′ E)，海拔190～500 m，低山丘陵地貌。该地属南亚热带季风气候，年均气温19.9～21.5℃，年降水1 200～1 550 mm。土壤类型主要为山地红壤和紫色土，其成土母岩为花岗岩和紫色砂岩等。

研究区域内红锥人工林经营管理措施基本一致，采用常规经营，造林不施基肥、不追肥，初植密度为1 667 株·hm−2。造林前3 年，每年砍草抚育1～2 次，经多次间伐后，中龄林林分密度为650 株·hm−2，近熟林林分密度为300 株·hm−2。造林地前茬为马尾松或杉木人工林。

2 研究方法

2.1 样地调查

于2013 年10 月选取林龄17、18、32、34 年生红锥人工纯林，共布设9 块20 m × 30 m 样地。对于红锥林样地内的所有林木，使用胸径尺测定胸径，超声波测高器(Haglöf IV，Sweden)测定树高和枝下高，皮尺测定4 个方向的冠幅。根据广西用材林林组划分标准[18]，将这些红锥人工林划分为中龄林（17～18 年生）和近熟林（32～34 年生）。各样地信息见表1。

表1 红锥人工林样地概况表Table 1 Information of sampling plots in Castanopsis hystrix plantations

2.2 解析木分析

根据调查结果，每块样地内各选取2 株优势木，共计18 株进行树干解析。解析木标记北方向后，定向伐倒。按常规方法进行树干解析，分别于根茎处以上0.3、1.3、2 m 高度处截取圆盘，此后按2 m 区分段截取圆盘，圆盘厚度约5 cm，每个圆盘标明高度位置及北方向。

圆盘于室内自然干燥，逐个打磨、抛光后，标出东、西、南、北4 向，采用图像扫描对比法[19]判读心材和边材，测量每个圆盘东、西、南、北方向去皮半径和心材半径。以1.3 m 处圆盘东西和南北方向上的去皮直径和心材直径的平均值作为优势木直径和心材直径，记为D和d；以解析木梢头高度作为优势木树高，记为H，以心材最后出现的圆盘高度定为心材高度，记为h。利用分段材积[20]计算出优势木及心材的材积，结合上述测量值分别计算心材直径比、高度比和材积比，其计算公式如下：

式中：V、D和H分别为单株材积、胸径和树高；v、d和h分别为心材材积、胸高处直径和高度；L为树段长度；SS1、SS2为树段上、下圆盘断面积；sr1和sr2分别为树段上、下圆盘断面的平均半径；SH1、SH2为树段上、下圆盘心材断面积；hr1和hr2分别为树段上、下圆盘断面心材平均半径；rd、rh和rv分别为心材直径、高度和材积比。

2.3 土样采集及理化性质测定

沿样地对角线设置3 个5 m × 5 m 的样方，每个样方挖取深1 m 的土壤剖面，用环刀分别取0～20、20～40、40～60、60～100 cm 土层深度的土样，带回实验室用于土壤物理性质测定[21]；每个土层另取1 kg 土样带回实验室用于化学性质测定，采用电位法测定土壤pH 值，凯氏法测定全氮含量，碱解扩散法测定水解性氮含量，碱溶法测定全磷含量，双酸法测定有效磷含量，碱熔法测定全钾含量，乙酸铵浸提法测定速效钾含量，重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量[21]。

2.4 数据统计分析

数据采用Microsoft Excel 2010 进行统计整理，用SPSS19.0 单因素方差分析对红锥人工林不同土层土壤理化性质进行统计分析。

运用灰色系统理论关联分析法分析土壤理化性质对红锥人工林生长和心材形成的影响。依据人工林生长、心材特征以及土壤理化性质构建数列为：Xi= {性状，pH，全氮，水解氮，全磷，有效磷，全钾，速效钾，有机碳，含水量，土壤容重，最大持水量，毛管持水量，最小持水量，非毛管孔隙度，毛管孔隙度，总孔隙度} = {Xi(k)|i= 0，1，2；k= 1，2，3······16}。采用均值法数列进行无量纲化处理，以X0为参考数列，X1，X2···X16为比较数列，计算出参考数列和比较数列的关联系数(£i(k))和关联度(γi)，其计算公式分别为[22]：

式中：minmin|x0(k)-xi(k)|为参考数列x0与比较数列xi的二级最小绝对差，maxmax|x0(k)-xi(k)|为参考数列x0与比较数列xi的二级最大绝对差；x0为参考数列，xi为比较数列；i为生长及心材特征，k为土壤理化性质；ρ为分辨系数，其值为0.5；￡i(k)为参考数列x0与比较数列xi间的关联系数，γi为参考数列x0与比较数列xi间的关联度，n为土壤理化性质总数，其值为16。

3 结果与分析

3.1 红锥人工林生长及心材特征

由表2 可知：近熟林优势木的平均胸径、树高和材积分别比中龄林高47.63%、62.5%和93.33%，而心材直径、高度和材积分别为中龄林的2.97、1.91、9.26 倍，其相应比率则分别为中龄林的2.03、1.02、2.17 倍。

3.2 红锥人工林土壤物化性质

3.2.1 红锥人工林土壤物理性质由表3 可知：随土层深度的增加，中龄林土壤容重及近熟林土壤含水量总体表现为增加趋势，中龄林土壤的最大持水量、非毛管空隙度及近熟林土壤的非毛管孔隙度均呈递减趋势；最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度在4 个土层间相近，说明这些因子在空间上变化较小。

方差分析结果（表3）表明：中龄林0～20 cm 土层的土壤容重、最大持水量、毛管持水量及近熟林0～20 cm 土层的非毛管孔隙度与其它3 个土层间差异显著(P< 0.05)；近熟林0～20 cm 土层的土壤含水量与60～100 cm 土层的差异显著；最小持水量、毛管孔隙度和总孔隙度在中龄林和近熟林4 个土层间均差异不显著(P> 0.05)。

表2 红锥优势木生长、心材特征及心材比Table 2 Analysis on growth and heartwood properties of Castanopsis hystrix

表3 红锥中龄林和近熟林土层间土壤物理性质比较Table 3 Comparison on soil physical properties between different soil layers for mid-aged and near-mature plantations of Castanopsis hystrix

3.2.2 红锥人工林土壤化学性质表4 表明：中龄林和近熟林土壤pH 值、全钾含量随土层深度增加而增加，而全氮、水解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量则呈递减趋势。中龄林和近熟林0～20 cm 土层的土壤全氮、水解氮以及中龄林0～20 cm土层的速效钾、有机碳含量与其他3 个土层之间差异显著(P< 0.05)；中龄林和近熟林0～20 cm 土层的土壤pH 值均与60～100 cm 土层的差异显著(P< 0.05)；全磷和全钾在中龄林和近熟林4 个土层间均差异不显著(P> 0.05)。

3.3 土壤理化性质与红锥人工林生长及心材特性的灰色关联分析

3.3.1 土壤理化性质与红锥人工林生长特性的灰色关联度由表5 可知：中龄林内0～20 cm 土层，土壤全磷含量是胸径、树高和材积的最主要影响因子；20～40 cm 土层，非毛管孔隙度是胸径、树高和材积的最主要影响因子；40～60 cm 土层，全磷含量是胸径的最主要影响因子，而非毛管空隙度是树高和材积的最主要影响因子；60～100 cm 土层，全磷含量是胸径、材积的最主要影响因子，有机碳含量是树高的最主要影响因子。

表4 红锥中龄林和近熟林土层间土壤化学性质比较Table 4 Comparison on ssoil chemical properties between different soil layers for mid-aged and near-mature plantations of Castanopsis hystrix

近熟林0～20 cm 土层，土壤pH 值、有效磷含量和总空隙度分别是优势木胸径、树高和材积的最主要影响因子；20～40 cm 土层，土壤的pH 值是胸径的最主要影响因子，而总孔隙度是树高和材积的最主要影响因子；40～60 cm 土层，土壤的pH 值是胸径的最主要影响因子，毛管孔隙度是树高和材积的最主要影响因子；60～100 cm 土层，土壤毛管孔隙度、总空隙度和含水量分别是胸径、树高和材积的最主要影响因子。

3.3.2 土壤理化性质与心材特性的灰色关联度由表6 可知：中龄林0～20 cm 土层，土壤速效钾含量是影响心材直径和高度的最主要因子，而全磷含量是影响心材材积的最主要因子；20～40 cm 土层，土壤有效磷含量是影响心材直径和高度的最主要因子，而非毛管孔隙度是影响心材材积的最主要因子；40～60 cm 土层，土壤非毛管孔隙度是影响心材直径和材积的最主要因子，而有效磷含量是影响心材高度的最主要因子；60～100 cm 土层，土壤速效钾含量是影响心材直径、高度的最主要因子，而全磷含量是影响心材材积的最主要因子。

近熟林0～20 cm 土层，土壤全磷含量是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；20～40 cm 土层，土壤含水量是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；40～60 cm 土层，土壤毛管孔隙度是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；60～100 cm 土层，土壤总孔隙度、全钾含量和有机碳含量分别是影响心材直径、高度和材积的最主要因子。

4 讨论

在本研究中，红锥近熟林(32、34 年生)优势木平均胸径、树高和材积分别为24.89 cm、20.8 m和0.29 m3，而心材相应的直径、高度、材积分别为12.19 cm、10.53 m和0.063 m3，其心材比分别为49.33%、45.99%、14.94%，远低于广西凭祥31年生柚木[23]和福建建瓯37 年生红豆树（Ormosia hosieiHemsl. et Wils.）[24]。此外，近熟林心材平均高度约10 m，远不及相近年龄的柚木[23]。由此可见，10 m 以下树干是红锥心材培育的目标区段，是高价值红锥人工林定向培育的核心。

表5 土壤理化性质与红锥人工林生长特性的灰色关联度Table 5 Gray correlation between soil physicochemical and growth of Castanopsis hystrix plantations

表6 土壤理化性质与红锥人工林心材特性的关联度Table 6 Gray correlation between soil physicochemical and heartwood properties of Castanopsis hystrix plantations

本研究发现，影响红锥人工林生长的最主要的土壤物理因子是毛管孔隙度、非毛管空隙度、总孔隙度和含水量，而中国沙棘、柚木和美洲黑杨（Populus deltoidesW.Bartram ex Marshall）生长的限制性因子却是土壤质地和土壤含水量[3、6、25]。许多研究表明，毛管孔隙度、非毛管空隙度和总孔隙度与土壤质地和土壤含水量高度相关，Seddighi 等[25]研究结果表明，土壤质地影响土壤含水量、土壤容重和孔隙度等理化性质，进而影响林木生长。本研究中，全磷和有效磷含量是影响广西凭祥红锥人工林胸径和树高生长的最主要的土壤化学因子；而对于该地西南桦（Betula alnoidesBuch. -ham. ex D.Don）人工林而言，有机质、有效氮和全钾含量是影响其生长的限制性因子[26]。Wright 等[27]研究结果表明，磷元素是热带地区林分胸径生长和木材产量的限制性因子。红锥和西南桦人工林间的这种差异，可能与西南桦对有效磷含量低的土壤具有较强的适应性有关[26]。

土壤理化性质与红锥心材形成灰色关联分析结果表明，20～40 cm 土层的土壤含水量是影响红锥近熟林心材直径的主要因子。土壤含水量可改变树体组织水分含量[9]，尤其是边材、心材及其过度区水分含量，其分布特征是驱使心材形成的原因[28]。水分胁迫还影响边材薄壁细胞生理活性及次生代谢反应，引起抽提物及次生代谢产物的积累[29]，从而调控心材形成。灰色关联分析结果还表明，土壤化学性质中的全钾和速效钾含量与红锥心材形成关联系数高，这说明全钾和速效钾含量是影响红锥心材形成的主要因子，其主要原因与钾离子参与了林木多种代谢过程、调节渗透势促进离子吸收、激活酶活性、增加木质部导管体积等有关[30]。Jeffrey 等[31]研究表明，白杉（Chamaecyparis thyoides(L.) Mills.）心材形成时，钾离子从濒死边材转移至边材，且钾离子转移数量反应了土壤养分状况，此亦侧面反映出土壤钾离子含量与心材形成之间存在着必然联系，是心材形成必不可缺少的养分。虽然如此，目前对于土壤钾离子含量对珍贵树种心材形成影响机理尚需进一步深入研究。