杉木大径材成材与地形、土壤养分的关系

黄 磊, 王 港, 杨 冰, 朱亚艳, 赵光忠, 杨士凯

(1.贵州省林业科学研究院，贵州 贵阳 550005； 2.黎平县国有石井山林场，贵州 黎平 557300；3.贵州大学林学院/森林资源与环境研究中心，贵州 贵阳 550025)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook]生长受环境因素的影响，根据气候、地貌、植被等差异，我国的杉木分布可划分为3个带5个区，其中，黔东南、武夷山以东的福建中北部、南岭山区、湘赣南部及两广北部都属于著名的杉木产区“中带东南区”[1-4].目前，有不少关于杉木生长及影响因子研究的成果[5-11]，但研究对象林龄较小，且多生长在低海拔(海拔<800 m)地区，偶见有高海拔地区的报道[12]，但未考虑土壤养分的影响.由于影响杉木生长的生态因子众多，一一进行监测分析既无必要也增加了工作量，考虑到地形可以同时影响热量、湿度、水分等条件，对林木生长影响较大，土壤养分，特别是土壤有效养分的供应则直接影响林木生长[13-14]，二者在杉木长期的生长过程中起着重要作用，也易于长期观测和量化分析.因此，本研究分析地形、土壤养分与杉木大径材形成的关系，旨在为杉木大径材培育提供技术指导.

为此，本课题组以我国杉木核心产区黔东南州(黎平县)杉木近成熟林为研究对象，在黎平县国有石井山林场，根据不同的地形条件设置样地，同时检测样地土壤的养分状况，开展杉木大径材的形成与地形、土壤养分关系的研究工作.

1 试验区概况

试验区位于黔东南州的黎平县国有石井山林场(东经109°7′14″，北纬26°11′17″).该区属亚热带季风湿润气候，年平均气温16 ℃左右，年平均降水量1 325.9 mm，坡度19°～32°，海拔620～930 m，基岩主要为变质岩，土壤主要为黄壤或红黄壤，厚度≥60 cm，腐殖层厚度≥10 cm.杉木为1989年造纯林，林龄30 a，初植密度相同，林相完整，树冠长势旺盛，林木生长健康.林下植被零星分布有红豆杉[Taxuschinensis(Pilger) Rehd.]、细齿叶柃(EuryanitidaKorthals)、菝葜(SmilaxchinaL.)、含笑[Micheliafigo(Lour.) Spreng.]、飞蛾槭(AceroblongumWall. ex DC.)、刺楸[Kalopanaxseptemlobus(Thunb.) Koidz.]等树种.

2 研究方法

2.1 样地设置

用罗盘或GPS定位，皮尺测距，样地规格20 m×30 m，共设置固定观测样地62个(图1).由于地形复杂，沟岭纵横交错，为确保样地内各项因子尽可能地保持一致，样地均避开梁和沟，设置在坡面上.因坡度造成的误差，分析时做校正.

图1 杉木大径材样地Fig.1 Sampling site for large-diameter Chinese fir

2.2 样地调查

用Vertex Ⅳ红外线测距仪测量样地内杉木树高，用胸径尺测量杉木胸径(图1)，记录每个样地的海拔、坡度、坡向.

2.3 土样采集与分析

土样采集参考文献[15]的方法.每个样地横向间隔10 m设置3个采样点，挖0～60 cm剖面，沿剖面自上而下取混合土样约500 g.用200 cm3环刀分别对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 3种土层进行土壤取样，取样后将各土层土壤进行混合并分析.

分析土样容重，采用pH计测定pH，有机碳含量=有机质含量/1.724.有机质含量的测定采用油浴加热重铬酸钾氧化法[16]并做优化，水解氮含量的测定采用碱解扩散法+半微量开氏法[17]并做优化，速效钾含量的测定采用乙酸铵浸提+火焰光度法[18]并做优化，有效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提+钼锑抗比色法[19]并做优化.

2.4 数据处理

采用Excel 2019、SPSS 25.0软件对数据进行统计分析.利用单因素方差分析(one-way ANOVA)多重比较和相关性分析，比较地形、土壤养分与大径材形成的关系.

3 结果与分析

调查样地内共有5 267株杉木，当前最小密度759株·hm-2，最大密度2 178株·hm-2，平均树高17.90 m，平均胸径18.56 cm.人为将杉木分成小径材(胸径<15 cm)、中径材(15 cm≤胸径<26 cm)、大径材(胸径≥26 cm)3个径级，其中，小径材1 444株，中径材3 388株，大径材435株，占8.26%.

土壤容重平均值为1.103 g·cm-3，pH为4.46～5.28，偏酸性.有机碳含量平均值为19.09 g·kg-1，有机质含量平均值为32.77 g·kg-1，水解氮平均值为80.39 mg·kg-1，有效磷含量平均值为1.306 mg·kg-1，速效钾含量平均值为45.70 mg·kg-1.样地土壤中有机碳、有机质、水解氮、速效钾的含量较少，有效磷含量极少.

3.1 地形与杉木大径材形成的关系

3.1.1 海拔与杉木大径材数量、比例的关系 调查样地以104 m为梯度将海拔分成3组，分析海拔对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示：海拔为619～723 m时，大径材的数量、比例分别为(119.25±50.10)株·hm-2、(10.29±4.46)%，均达到最大值；大径材的数量、比例随着海拔的升高逐步减少，海拔>827 m后，大径材数量、比例的下降幅度增大，与海拔723～827 m之间的差异达到显著水平.

表1 地形与杉木大径材形成的关系1)Table 1 Relationship between topography and proportion of large-diameter Chinese fir timber

3.1.2 坡度与杉木大径材数量、比例的关系 调查样地以8°为梯度将坡度分成3组，分析坡度对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示:坡度为19°～27°时,大径材的数量、比例分别为(142.50±67.50)株·hm-2、(10.72±4.79)%，均达到最大值；大径材数量随着坡度的增加逐步减少，当坡度>35°时，大径材数量减少幅度增大，与19°～27°之间的差异达到显著水平；3组坡度对大径材比例分布的影响差异不显著.

3.1.3 坡向与杉木大径材数量、比例的关系 按林业调查中坡向划分的规则，将调查样地分为阴坡(0°±22.5°)、半阴坡(22.5°±67.5°、292.5°±337.5°、67.5°±112.5°)、阳坡(157.5°±202.5°)、半阳坡(247.5°±292.5°、112.5°±157.5°、232.5°±277.5°)4组，分析坡向对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表1)显示，大径材数量在阳坡达到最大值，为(152±38.85)株·hm-2，大径材数量的大小表现为：阳坡>半阳坡>阴坡>半阴坡；大径材比例在半阳坡达到最大值，为(12.69±4.09)%，大径材比例的大小表现为：半阳坡>阳坡>半阴坡>阴坡；阴坡、半阴坡的大径材数量、比例与半阳坡、阳坡之间的差异显著.

3.2 土壤养分与杉木大径材形成的关系

根据土壤中各养分含量的范围，将调查样地分成3组，分析土壤养分对杉木大径材数量、比例分布的影响.结果(表2)显示：大径材的数量、比例分别在机碳含量为33.16～46.26 g·kg-1时达到最大值[分别为(123.75±26.65)株·hm-2、(9.28±1.91)%]，在有机质含量为57.17～79.75 g·kg-1时达到最大值[分别为(120.00±30.00)株·hm-2、(9.54±2.25)%]，在水解氮含量为181.55～257.60 mg·kg-1时达到最大值[分别为(123.75±43.05)株·hm-2、(11.60±5.32)%]，在速效钾含量为101.60～146.04 mg·kg-1时达到最大值[分别为(150.00±42.45)株·hm-2、(11.54±3.89)%]；大径材数量在有效磷含量为2.388～3.451 mg·kg-1时达到最大值[(115.05±34.65)株·hm-2]，大径材比例在有效磷含量为1.318～2.388 mg·kg-1时达到最大值[(8.948±5.486)%]；大径材的数量、比例均会随着各土壤养分含量的增加而逐渐增高，尤其是有效磷的含量对其影响较明显，但3组间各土壤养分含量总体来说对杉木大径材数量、比例的影响差异不显著.

表2 土壤养分与杉木大径材形成的关系1)Table 2 Relationship between soil nutrients and proportion of large-diameter Chinese fir timber

对有效磷含量与杉木大径材数量、比例的关系进行相关性分析，结果(图2)显示，土壤有效磷含量与杉木大径材的数量、比例有较明显的相关关系.

图2 土壤有效磷含量与杉木大径材形成的关系Fig.2 Relationship between soil available phosphorus and proportion of large-diameter Chinese fir timber

4 讨论与结论

本研究结果表明：土壤养分对杉木大径材形成的影响较小，虽然有效磷含量与其有一定的关系，但土壤养分含量总体来说对杉木大径材数量、比例的影响差异不显著；地形对杉木大径材形成的影响较大，海拔、坡度、坡向对杉木大径材的数量、比例分布都有影响；在海拔不超过827 m，坡度不大于35°的阳坡或半阳坡，土壤有效磷含量较多的条件下培育杉木可以获得较高的大径材数量、比例.

有报道认为，影响林木生长最重要的地形是坡形，其次是坡位，坡向、海拔、坡度(45°以内)对杉木林生长的影响不显著[12].但本研究结果显示，坡向、海拔、坡度对杉木大径材数量、比例分布的影响较大，且坡向对大径材形成的影响程度为：阳坡、半阳坡优于阴坡、半阴坡.

本调查样地土壤蓬松，容重平均值为1.103 g·cm-3，总体来看在最适杉木生长的范围[14]，少数几个样地的土壤容重大于平均值，但不影响杉木生长.已有报道认为，杉木是较喜肥树种，土壤养分与杉木各生长指标均存在相关性，生长受有机质、全氮、速效钾、全磷含量的影响，特别是速效氮、有效磷的含量对其影响较大[20-22].杉木林有效氮含量的适宜值为145 mg·kg-1，临界值为80 mg·kg-1，缺乏值为35 mg·kg-1；而有效磷含量的最适值为13 mg·kg-1，临界值为6 mg·kg-1，缺乏值为1 mg·kg-1[23].本次调查样地土壤的pH呈酸性，水解氮含量(80.39 mg·kg-1)处于临界值水平，有效磷含量(1.306 mg·kg-1)处于缺乏值水平，二者含量均较低.关于样地pH、水解氮和有效磷含量较低的原因，一种观点认为针叶林可能存在引起土壤酸化的问题[24-25]，因此当杉木人工林引起土壤酸化后，造成pH下降，从而引起土壤养分含量减少，尤其是速效磷和水解氮含量的下降[14]；另一种观点认为南方土壤本身普遍缺磷[26].本研究由于未采集根际土壤进行试验，因此倾向于认同后一种观点，在以后的经营中应适当施用磷肥.

从本调查结果推测，杉木大径材的形成除受地形的影响外，很可能受光照、温度、空气湿度等因子的影响要大于受土壤养分的影响.