沿海沙地米筛竹林林分密度对林地土壤的影响

2021-07-14黄丽婷陈晓云邓智文荣俊冬郑郁善苏小青

福建农林大学学报（自然科学版） 2021年4期

黄丽婷, 陈晓云, 邓智文, 陈乾, 林宇, 荣俊冬, 郑郁善, 苏小青

(1.福建农林大学林学院,福建福州 350002；2.福建省长乐大鹤国有防护林场，福建福州 350200)

土壤为植被的生长发育提供养分，植被凋落物的分解和根际效应等过程促进土壤养分循环，形成植物-土壤动态响应关系[1-2].林分密度调控是对森林进行抚育管理的重要措施，通过调控林分密度，改变森林群落中光照、热量、水分等生态因子的分配[3-4]，调节林内微气候环境，影响植被生长、凋落物形成、根系呼吸速率和微生物活性等[5-6]，对土壤质量产生一定影响.林分密度过小，易造成土地资源的浪费；林分密度过大，树木竞争效益增强，且林内郁闭度高，光热水等条件变差，凋落物分解速率低，影响植被和土壤养分循环，导致地力下降.而合理的林分密度可以在一定程度上改善林下土壤质量.已有研究分析了不同林分密度下土壤质量的差异，如毛竹、落叶松和马尾松等[5,7-9]，但这些研究主要集中在山地和丘陵地区.然而，不同立地条件和植被类型下，林分密度效应存在一定的差异.沿海沙地自然条件较恶劣，土壤保水保肥能力差、干旱和盐碱度高[10].为克服沿海沙质土地退化和生产力低下的问题，许多竹类植物被引种到沿海地区，竹类植物纤维组织丰富，可以抵御沿海附近的强风，在沿海地区表现出较强适应性，生长繁殖能力强的特点[2].Tu et al[11]研究表明沿海沙地植被覆盖地土壤质量高于裸地，且竹林土壤酶活性和养分显著改善了土壤质量.为了更好地利用环境资源，本文进一步探讨不同竹林密度与土壤质量之间的关系.

米筛竹(BambusapachinensisHayata)为竹亚科簕竹属竹种，节间长且材质柔韧，在福建长乐和东山等沿海地区引种，并在沿海防护上发挥重要作用.本文以福建省长乐区大鹤国有防护林场内的米筛竹林为研究对象，通过分析米筛竹林密度对沿海沙地土壤养分和酶活性的影响，探讨有利于保持沿海沙地土壤质量的最优米筛竹林密度，以期为沿海沙地竹林的种植密度和土壤质量管理提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大鹤国有林场位于福建省福州市长乐区，东经119°40′～119°43′，北纬25°57′～25°59′.属亚热带海洋性季风气候，降水丰沛，年平均降雨日160 d左右，主要集中在夏季，年平均降雨量1 200 mm；夏季高温，冬季温和，年均温19.2 ℃；早霜多出现在12月份，晚霜在2月份，霜冻害较少，全年无积雪现象；盛行东北风，可达280～300 d，年平均风速4.2 m·s-1；年平均日照时数1 837.6 h，占可照时数41.5%.海拔20～40 m，地形为沙丘，坡度6～8°，临海具十公里多长的沙质海滩.试验样地造林前为一片连续的空白沙地，区域内成土母质和土壤发育状况基本相同，基础土壤肥力性状基本一致.米筛竹林于2011年种植，株行距为3 m×3 m挖坑种植，期间进行人工补植，通过人工干扰的方法进行密度调控.

1.2 试验设计

1.2.1 样地设置在大鹤国有防护林场选择生长条件和经营方式相似，经营密度不同的米筛竹林设置标准样地.同一密度竹林设置3个样地(即3次重复)，每个样地面积为10 m×10 m.对各样地内竹子进行每竹调查，记录其树高和胸径等数据，以此计算平均树高和平均胸径(表1).

表1 样地概况Table 1 Basic information of the sample plots

1.2.2 土壤采样采样时间为2018年8月，利用三点混合取样法在每个标准样地中进行土壤样品的采集.3个取样点等距离设置在标准地对角线上，分别在每个取样点挖1个土壤剖面，自下而上逐层地采集0～20 cm和20～40 cm土层的土壤样品.将同一标准地3个土壤剖面同一土层土样混合，去除土壤中的土壤动物、石块和植物根系等杂物，然后将混合土样分为两部分，并分别用自封袋封装并贴上标签.其中，一部分鲜土样品置4 ℃下保存用于测定土壤酶活性；另一部分土壤样品带回实验室进行自然风干后，研磨过2 mm(10目)筛，用于测定土壤速效养分，研磨过0.149 mm(100目)筛，用于测定土壤全效养分，最后用自封袋将研磨过筛后的土样封装备用.

1.2.3 样品测定土壤养分含量的测定方法，全氮含量采用硫酸—混合加速剂消煮—扩散法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，全钾含量采用氢氧化钠熔融—火焰光度计法测定，碱解氮含量采用碱解—扩散法测定，有效磷含量采用浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定[12].

土壤酶活性的测定方法，土壤脲酶活性采用靛蓝比色法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[13].

1.2.4 数据处理运用Microsoft Excel 2013对实验数据进行整理，并用SPSS 25.0软件进行统计分析.不同密度米筛竹林同一土层土壤养分及酶活性指标，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行显著性检验，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较；土壤养分和土壤酶活性整体相关性采用Pearson相关分析法；采用主成分分析法对土壤指标进行综合分析，各密度米筛竹林土壤质量综合指数运用模糊数学和多元统计分析方法计算.

2 结果与分析

2.1 不同密度米筛竹林土壤养分

研究结果表明，不同密度米筛竹林土壤养分含量存在差异.在0～20 cm土层，全氮和有效磷含量随林分密度增大呈先增加后减少的变化趋势，均在30 000株·hm-2密度林分含量最高；碱解氮含量在40 000株·hm-2密度林分最低，其他密度林分含量差异不显著(P>0.05)；全磷含量随林分密度增大而逐渐减少，25 000株·hm-2密度林分含量显著高于40 000株·hm-2密度林分(P<0.05)；全钾含量在25 000株·hm-2密度林分最低，40 000株·hm-2密度林分含量最高；速效钾含量在40 000株·hm-2密度林分最低，其他密度林分含量差异不显著(P>0.05).在20～40 cm土层，全氮和全磷含量随着竹林密度增大而减少，均在25 000株·hm-2密度林分最高；碱解氮和全钾含量在4个密度林分下差异不显著(P>0.05)；有效磷和速效钾含量随着米筛竹林密度的增大先增加后减少，均在30 000株·hm-2密度林分含量最高(表2).除了全钾含量，土壤养分含量在40 000株·hm-2密度林分整体较低，可能的原因是高密度竹林不利于土壤养分积累，林内立竹数多，竹子个体间资源竞争激烈，从土壤中吸收更多的养分供竹林生长，当土壤中被消耗的养分没有得到及时归还时，土壤养分积累减少；同一密度米筛竹林，土壤养分含量随着土层深度加深而减少，由于竹子属于浅根系植被，表层土壤根系分布较密集，根系残体和根系分泌物产生和积累较多营养元素，加上地表植被凋落物分解产生的营养元素大部分在表层土壤聚集，表层土壤养分含量较高.

表2 各密度米筛竹林土壤养分含量1)Table 2 Nutrient contents of the soil under different densities of B.pachinensis stands

2.2 不同密度米筛竹林土壤酶活性

不同密度林分土壤酶活性存在差异.在0～20 cm土层，脲酶活性在25 000株·hm-2密度林分最高；蔗糖酶和蛋白酶活性在4个密度林分下差异不显著(P>0.05)；过氧化氢酶活性在25 000株·hm-2密度林分最高，并且显著高于其他密度林分(P<0.05)；酸性磷酸酶活性在35 000株·hm-2密度林分最高，并且显著高于其他密度林分(P<0.05).在20～40 cm土层，脲酶活性随林分密度增大而逐渐增大；蔗糖酶和过氧化氢酶活性均在25 000株·hm-2密度林分最高，其他密度林分活性差异不显著(P>0.05)；蛋白酶活性在25 000株·hm-2密度林分酶活性较低，其他密度林分间活性差异不显著(P>0.05)；酸性磷酸酶活性在35 000株· hm-2密度林分酶活性最高，并且显著高于其他密度林分活性(P<0.05)(表3).不同类型土壤酶对林分密度变化的响应机制不同.总体上，不同密度林分下脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性差异较显著，表明脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶对密度变化较敏感；同一密度林分，随着土层深度加深，土壤酶活性降低，原因可能是因为深层土壤通气状况较差，土壤微生物活性较低，导致土壤酶活性降低.

表3 各密度米筛竹林土壤酶活性1)Table 3 Enzyme activity of the soil under different densities of B.pachinensis

2.3 米筛竹林土壤养分与酶活性的相关性分析

米筛竹林土壤养分与土壤酶活性总体相关性研究显示，除全钾、速效钾和蛋白酶活性与其他土壤指标相关性较差外，其他土壤指标间普遍存在显著或极显著相关关系.脲酶可催化有机氮类化合物向无机氮或植物有效氮类化合物转化[14-15]，脲酶活性与全氮和碱解氮含量为极显著正相关关系，米筛竹林下土壤脲酶活性与土壤中氮元素密切相关；蛋白酶活性与碱解氮、速效钾和有效磷含量为显著相关关系，与全氮、全钾和全磷含量不具有显著相关性，表现米筛竹林土壤蛋白酶活性土壤速效养分关系更为密切；酸性磷酸酶可促进有机磷化合物的分解，其活性与土壤磷元素相关，其中与有效磷含量显著正相关，与全磷含量相关性不显著，表明土壤中有效磷更易分解被竹林生长所利用.

表4 米筛竹林土壤养分含量与酶活性的相关性分析1)Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and nutrient content in B.pachinensis forest

2.4 不同密度米筛竹林土壤质量综合评价

由于土壤质量指标众多、指标属性和量纲不一致，因此需要先对土壤质量指标测定值进行数据标准化处理，然后才能对各密度米筛竹林土壤质量进行综合评价.本文先对11个土壤指标进行数据标准化处理，并计算各土壤指标的隶属度值，以反映各土壤指标的优劣[7]，然后进行主成分分析.由表5可知，第一主成分的特征值为7.09，反映了总变异量的64.47%，第二主成分的特征值为2.50，反映了总变异量的22.73%，提取的2个主成分因子累计贡献率为87.20%，包含了原始数据的绝大部分信息量.根据统计学原理，当各主成分分析累计贡献率大于85%时，即可用来反映系统的变异信息[16].

由于各土壤指标对土壤质量的影响程度有差异，需予以不同权重.本文将各土壤指标公因子方差占总公因子方差的比例作为各指标权重，所得各指标权重见表5.确定了各土壤指标隶属度和权重，最后运用加权综合法和模糊数学中的加乘法则[7]，分别计算不同密度米筛竹林土壤养分和土壤酶活性综合指数及土壤质量综合指数(表6).

表5 2个主成分的载荷矩阵、各因子公因子方差及权重Table 5 Matrix, communality and weight of each indicator for 2 principal components

由表6可知，土壤养分综合指数在30 000株·hm-2密度林分最高，40 000株·hm-2密度林分最低.土壤酶活性综合指数在40 000株·hm-2密度林分最高，30 000株·hm-2林分密度次之.土壤质量综合指数在30 000株·hm-2密度林分(0.605 7)最高，40 000株·hm-2密度林分(0.574 5)次之，25 000株·hm-2和35 000 株·hm-2密度林分较低，可见4个密度林分土壤质量存在一定的差异，30 000株·hm-2密度林分土壤质量状况相对较好.

表6 不同密度林分土壤综合指数Table 6 Comprehensive soil quality index of B.pachinensis stands under different densities

3 讨论

研究结果表明，30 000株·hm-2密度竹林下土壤养分含量最高.可能是由于30 000株·hm-2密度林分郁闭度适中，通过冠层间隙，竹林可获得生长所需的光热水等进行生长发育，竹子长势较好，林内凋落物增多，并在良好的光热水等条件下，凋落物得以充分的分解，养分及时归还土壤，使得竹林生长所消耗的土壤养分得到及时补充，土壤养分得以积累.40 000株·hm-2密度林分土壤养分含量最低，其原因可能是由于竹林内立竹数较多，竹子个体间的竞争愈加激烈，高密度竹林的生长需要吸收更多的土壤养分[17]，导致土壤中被消耗的养分没有得到及时归还，养分积累减少.另外，由于砂质海岸主要为无机矿物，碳含量极少[18-19]，因此，在本研究中没有测定碳素含量，这与其他研究结果有一定的差异.

土壤养分与酶活性密切相关.在良好的养分状况下，有利于加强土壤酶活性对土壤养分元素的矿化作用，促进系统内营养物质循环[20].土壤酶活性的高低反映土壤养分的转化代谢强度[21]，脲酶和蛋白酶参与有机氮化合物转化[22]，蔗糖酶与土壤碳素循环有关，而酸性磷酸酶与土壤有机磷化合物转化有关[21]，过氧化氢酶参与土壤氧化过程[23].总体上，40 000株·hm-2密度林分下土壤酶活性水平较高，30 000株·hm-2林分次之.40 000株·hm-2密度竹林土壤养分含量较少，会刺激土壤微生物和植物释放更多的胞外酶来获得生长所需的养分[24]，提高土壤酶的分泌量和活性.此外，Kang et al[25]研究表明，土壤养分不均衡和林内凋落物增加可能是导致林地土壤有较高酶活性的原因，40 000株·hm-2密度竹林鞭根生物量和凋落物量较多，为土壤提供较多的分解底物，从而刺激土壤微生物对土壤胞外酶的分泌[26]，提高土壤酶活性.

综合评价结果显示，30 000株·hm-2密度林分土壤质量综合指数最高， 30 000株·hm-2密度林分下光照充足，温度和水分等条件适宜，有利于林内凋落物的分解和土壤养分循环，使土壤养分含量和酶活性都处于较优水平.竹子年年发笋长竹，密度始终处于动态变化中[7].通过将林分调控到合理的密度范围，可能更有利于米筛竹林土壤养分的积累和维持较高的土壤酶活性，改善竹林土壤质量.

沿海沙地土壤环境恶劣，土壤养分较贫乏[27]，不利于植被生长繁殖，需要采取合理的经营管理措施，改善沙地土壤质量，保证植被健康生长.本试验地米筛竹林造林前为一片连续的空白沙地，其成土母质和土壤发育状况基本相同，基础土壤肥力一致，土壤空间异质性极小，经过多年的米筛竹林密度调控，4个密度林分下土壤养分含量和酶活性表现出异质性.综合评价结果表明：30 000株·hm-2密度林分土壤质量最优.可见，合理的密度经营有助于改善沿海沙地米筛竹林土壤质量.此外，合理的林分密度也有利于保持竹林生态系统稳定并最大限度地发挥其水源涵养功能[28].今后在沿海沙地引种竹子造林过程中，不仅要注重沿海沙地适生竹种的选择，也要注重对造林密度的科学和合理选择，改善沿海沙地土壤质量.同时，也要加强对现有竹林的经营管理，通过适当疏伐或人工补植等方式，调整现有的过密或过疏竹林密度，改善现有竹林的经营状况.