杉木人工林表土有机质含量及其对土壤养分的影响*

于文睿南,潘 畅,郭佳欢,冯会丽,陈 杰,俞元春**

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学生物与环境学院 南京 210037;2.福建省建阳范桥国有林场 南平 354200)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国重要的速生用材树种,具生长快、材质好、用途广等特点,目前栽植面积占全国人工林面积的30%以上,在我国林业生产和森林生态系统中发挥着重要作用[1-3]。然而,随着栽植面积的不断扩大,长期不合理的营林措施导致杉木人工林不同程度地出现了土壤肥力下降[4]、生产力降低[5]、土壤微生物群落结构和分解活动退化[6]等严峻问题,森林土壤质量退化严重威胁着我国杉木人工林的发展。

土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称,是土壤的重要组成物质,与包括氮(N)、磷(P)、钾(K)等营养元素在内,都是评价土壤肥力和质量的重要指标[7-9]。森林土壤有机质不仅是土壤有机养分库,也是土壤无机养分库,它不但以有机物形式储存矿质元素,而且还以离子吸附方式保持一部分速效养分[10]。依据森林土壤功能与其组成、结构性质一致性原理[11],森林土壤质量下降,表明森林土壤的组成、结构发生了变化,土壤性质发生了恶化,这种变化在表层土壤中表现的尤为明显[12]。土壤有机质是土壤肥力的核心,有机质含量的高低,在某种程度上代表着土壤肥力水平[13]。因此,研究杉木人工林表层土壤有机质的分布特征及其对林地土壤养分含量的影响,对于防治杉木人工林土壤质量下降,提高森林土壤生产力,进而提高林木产量显得十分必要。

目前,已有不少学者对森林土壤有机质进行了研究,主要集中在有机质与酶活性的关系[14]、有机质数量与光谱学特征[15]、有机质与团聚体稳定性关系[16]等方面的研究,但是关于杉木人工林土壤有机质的分布特征及其对土壤养分含量变化影响的系统研究较少。王清奎等[17]对杉木人工林土壤可溶性有机质中的可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)与土壤养分的关系进行了研究,DOC 和DON 与土壤全氮、全钾和速效钾的相关性均达极显著水平,但土壤全氮、全钾和速效钾与DOC 的相关性高于与DON 的相关性,而铵态氮与DOC 的相关程度低于与DON 的相关程度。刘飞鹏等[18]研究了华南3 种人工林土壤有机质和养分含量并对其进行了评价,其中杉木林表层(0～20 cm)土壤有机质含量处于中上或富水平,且土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、有效锌等呈现明显的表聚现象。以往研究表明,土壤有机质和养分有明显的表聚现象,即表层土壤含量高于下层[19],鉴于此,本研究以我国杉木主产区的杉木人工林为研究对象,对其表层土壤有机质的分布特征及其对土壤养分含量的影响展开调查,探讨环境因子对杉木人工林土壤有机质含量变化的影响,为揭示土壤有机质对维持杉木人工林土壤肥力的作用机制及制定提高杉木人工林土壤肥力的管理措施提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据来源及选择标准

通过在中国知网(CNKI)和Web of Science 数据库检索主题为“杉木人工林+土壤有机质+土壤养分”的文献后进行筛选,文献筛选标准如下:1)研究对象为杉木人工林;2)试验为实地研究;3)对于长期试验不同年份结果的数据,原则上优选最后年份的数据;4)土壤样本包含采样深度为0～20 cm 的表层土样;5)所有数据摘自文本、表格、图表和附录的出版物,当数据以图形方式呈现时,采用Engauge 4.1 软件获取数字数据。经过筛选,最终获得符合标准的有效文献45 篇,研究年份为2001−2020年,提取了13 种变量,包含海拔(altitude)、林分密度(density)、坡度(slope)、年平均温度(MAT)、平均降水量(MAP)、pH、土壤有机质(SOM,土壤有机质的测定方法采用重铬酸钾滴定法)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、有效氮(AN,指硝态氮和铵态氮)、有效磷(AP)、有效钾(AK)共计1092 个观测值,分布于我国6 个省(区、市)的22 个实验林场(站点),涵盖8 种土类。杉木人工林试验地基本情况如表1。

表1 杉木人工林试验地概况Table 1 General situation of experimental fields of Chinese fir plantations

1.2 数据分析与作图

相关性分析方法采用Person 相关性分析,描述性统计和相关性分析采用SPSS 18.0,多因子及互作项逐步回归方程拟合采用DPS 7.05,数据处理及作图采用Excel 2007 和Origin Pro 7.5,SEM 模型运行采用Amos 7.0。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质与土壤养分含量描述性统计

由土壤环境质量标准[20]可知,杉木人工林表层土壤氮N、P、K 元素均没有超过国家规定的标准。数据统计显示,土壤有机质与N、P、K 养分含量标准差的值均较高,这说明不同试验地杉木人工林土壤有机质与N、P、K 养分含量具有较高的差异性,波动范围较大(表2)。按照反映离散程度的变异系数大小粗略估计的分级,杉木人工林表层土壤有效磷属于高度变异(>100%),其余养分含量均属于中等变异程度(10%～100%),这说明杉木人工林表层土壤中有效磷变化更强烈,它对杉木生长发育变化更加敏感。根据森林土壤养分分级标准[21]定级,杉木人工林表层土壤有机质含量为(31.02±13.44)g∙kg−1,养分等级为中(30～40 g∙kg−1);全氮平均含量1.48 g∙kg−1,养分等级为中下(1.0～1.5 g∙kg−1);全磷平均含量0.49 g∙kg−1,养分等级为极贫(<0.5 g∙kg−1);全钾平均含量14.17 g∙kg−1,养分等级为贫(10～20 g∙kg−1);有效氮平均含量120.29 mg∙kg−1,养分等级为富(120～150 mg∙kg−1);有效磷平均含量5.41 mg∙kg−1,养分等级为富(5～10 mg∙kg−1);有效钾平均含量52.13 mg∙kg−1,养分等级为中下(50～100 mg∙kg−1)。

表2 杉木人工林表层土壤有机质与养分含量的描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil organic matter and nutrients contents in the topsoil of Chinese fir plantations

2.2 土壤pH 与土壤有机质分布特征

根据土壤酸碱度等级划分标准[22],杉木人工林表层土壤pH 为4.60±0.45,整体表现为强酸性(pH 4.5～5.5)(表2)。其中,pH<4.5 的极强酸性的土壤样本数占总样本数量的36.90%,pH 为4.5～5.5 的强酸性土壤样本数占总样本数量的60.72%,pH 为5.5～6.5 的弱酸性土壤样本占总样本数量的2.38%,总样本变异系数为9.78%,这说明我国不同地区杉木人工林表层土壤酸碱度波动范围较小(图1a)。

根据森林土壤养分分级标准,我国杉木人工林表层土壤有机质含量平均水平为中级(30～40 g∙kg−1)。其中,有机质含量<6 g∙kg−1的极贫级土壤样本数占总样本数量的0%,有机质含量为6～20 g∙kg−1的贫级土壤样本数占总样本数量的16.67%,有机质含量为20～30 g∙kg−1的中下级土壤样本占总样本数量的36.90%,有机质含量为30～40 g∙kg−1的中级土壤样本占总样本数量的23.81%,有机质含量为40～50 g∙kg−1的富级土壤样本占总样本数量的13.10%,土壤有机质含量>50 g∙kg−1的极富级土壤样本占总样本数量的9.52%。从样本量占比区间来看,我国不同地区杉木人工林表层土壤有机质分布等级较集中,主要分级表现呈“多中下,少富级,无极贫”的分布特征(图1b)。

以地区为分类标准,不同地区杉木人工林表层土壤pH 高低顺序为:浙江>广西>江西>福建>湖南>广东。其中广东省杉木人工林表层土壤pH 最低,平均为4.12,比综合平均值低10.43%;浙江省杉木人工林表层土壤pH 最高,平均为4.98,比综合平均值高8.26%(图2a)。以土壤类型为分类标准[23],不同土壤类型杉木人工林表层土壤pH 高低顺序为:红黄壤>黄红壤>红壤>山地黄壤>山地红壤>紫壤>赤红壤>暗红壤。其中暗红壤的pH 最低,平均为4.16,比综合平均值低9.57%;红黄壤pH 最高,平均为5.04,比综合平均值高9.57%(图2b)。

以地区为分类标准,不同地区杉木人工林表层土壤有机质含量高低顺序为:湖南>广东>浙江>江西>广西>福建。其中,福建省杉木人工林表层土壤有机质含量最低,平均为28.72 g∙kg−1,比综合平均值低7.41%;湖南省杉木人工林表层土壤有机质含量最高,平均为45.18 g∙kg−1,比综合平均值高45.65%(图2c)。以土壤类型为分类标准,不同土壤类型杉木人工林表层土壤有机质含量高低顺序为:山地黄壤>山地红壤>红壤>红黄壤>黄红壤>赤红壤>紫壤>暗红壤。其中暗红壤的有机质含量最低,平均为15.81 g∙kg−1,比综合平均值低51.06%;山地黄壤的有机质含量最高,平均为46.63 g∙kg−1,比综合平均值高50.32%(图2d)。

2.3 SOM 含量与土壤养分含量的关系

根据相关性统计显示(表3),杉木人工林表层土壤有机质与土壤有效氮呈极显著(P<0.01)正相关;土壤全氮与全磷、有效氮、有效钾呈极显著(P<0.01)正相关;土壤全磷与全钾呈极显著(P<0.01)负相关,与有效氮呈显著(P<0.05)正相关,与有效磷呈极显著(P<0.01)正相关;土壤全钾与有效磷呈极显著(P<0.01)负相关;有效氮与有效钾呈显著(P<0.05)正相关;其余指标间虽具有一定的相关性,但相关性不显著。

表3 杉木人工林表层土壤有机质与养分指标间的相关性Table 3 Correlation between soil organic matter and soil nutrients in the topsoil of Chinese fir plantations

采用多因子及互作项逐步回归方程拟合杉木人工林表层土壤有机质含量(Y)与全氮(X1)、全磷(X2)、全钾(X3)、有效氮(X4)、有效磷(X5)、有效钾(X6)等养分因子之间的关系,以调查土壤养分与有机质之间的关系。从表4 方程中可以看出,不同地区的土壤养分因子对杉木人工林表层土壤有机质的影响不同。统计数据显示,不同方程对土壤有机质含量变化的决定系数分别为99.91%、92.09%、100.00%、99.62%、87.17%、83.78%和100.00%。从解释率上来讲,方程能够很好地描述土壤养分对有机质的影响。逐步回归分析显示,广东省杉木人工林土壤有机质含量与全氮(X1)正相关,与有效氮(X4)负相关;福建省的杉木人工林有机质含量与全氮×有效钾(X1X6)正相关,与有效磷×有效钾(X5X6)负相关;广西的杉木人工林土壤有机质与全钾(X3)、全磷×有效钾(X2X6)、有效磷×有效钾(X5X6)均为负相关,与全氮×有效磷(X1X5)正相关;湖南省的杉木人工林有机质与有效磷(X5)、全磷×全钾(X2X3)负相关,与全磷×有效钾(X2X6)、有效磷×有效钾(X5X6)正相关;江西省的杉木人工林土壤有机质与全氮(X1)、全磷×有效磷(X2X5)正相关,与有效钾(X6)负相关;浙江省的杉木人工林土壤有机质与全氮(X1)、全钾×有效氮(X3X4)正相关。综合分析显示,我国杉木人工林表层土壤有机质主要影响因子为全氮(X1)、有效磷(X5)、全磷×全钾(X2X3)、全钾×有效磷(X3X5)(表4)。

表4 不同省份杉木人工林表层土壤有机质含量(Y)与土壤养分含量(X)的多因子及互作项逐步回归结果Table 4 Stepwise regression results of multiple factors and interactions of soil organic matter content(Y)and soil nutrients contents(X)in the topsoil of Chinese fir plantations in different provinces

2.4 土壤有机质对土壤养分的贡献

从结构方程模型的路径系数可见(图3),杉木人工林中表层土壤有机质含量分布受海拔、林分密度、坡度、年平均温度、平均降水量和土壤pH 等环境因子的共同影响,其影响路径系数分别为0.28、−0.35、0.11、−0.08、0.03 和0.11。与此同时,海拔对林地年平均温度和平均降水量也会产生影响,其影响路径系数分别为−0.25 和−0.22,林地土壤pH 则受林分密度、坡度和年平均温度的共同作用,影响路径系数分别为0.05、−0.08 和−0.12。土壤有机质对全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾和有效钾的影响路径系数分别为0.17、0.47、−0.09、−0.03、0.16 和0.21。根据结构方程模型路径系数分析的原则,路径系数绝对值大的数列代表外生显变量对内生显变量的影响程度较大,反之则小[24]。可见,海拔、林分密度、坡度和土壤pH 对杉木人工林表层土壤有机质含量变化有较显著的影响,其中海拔、坡度和土壤pH 对土壤有机质含量变化的影响表现出明显的正效应,林分密度则为负效应,土壤有机质对土壤中全氮、有效氮、全钾、有效钾含量有较明显的正贡献,对全磷、有效磷具有微弱的负贡献。

3 讨论

土壤有机质是来源于植物、动物、微生物的有机化合物在不同分解阶段的非均相混合物,是森林生态系统的重要组成部分[25]。土壤有机质在提供植物生长所需要养分的同时,还能有效改良土壤结构,使土壤疏松,促进土壤形成水稳定性团聚体,增加土壤持水和保肥能力,有利于根系的生长、土壤微生物和土壤动物活动[26]。本研究发现,我国杉木主产区人工林表层土壤有机质养分等级为中级(30～40 g·kg−1),表层土壤有机质含量普遍较低,这可能是由于营造单一纯林使得林下植被多样性下降、生物量降低[27],加上杉木本身凋落物有限[28],林农放火炼山[29−30]从而导致表层土壤有机质含量下降。统计分析显示,不同省域和不同土壤类型的杉木人工林表层土壤有机质含量差异明显,这种差异主要是由于各地区杉木生长的环境条件、成土母质及管理水平的差异所导致[31]。

通常情况下,土壤有机质的分解主要受土壤微生物、土壤酶活性、土壤动物以及环境因素所影响,其中环境因子占主要作用[32]。本研究发现,海拔、林分密度、坡度和土壤pH 对杉木人工林表层土壤有机质含量变化有较显著的影响,其中海拔、坡度和土壤pH 对土壤有机质含量变化的影响表现出明显的正效应,林分密度则为负效应。由此可见,林分密度过大、土壤pH 降低是直接导致杉木人工林表层土壤有机质含量下降的主要影响因素[33]。植物正常生长发育需要适宜的土壤pH 环境,土壤pH 过低会导致土壤中交换性酸、铝增加,抑制植物根系对N和K 的吸收、同化和转移,植物容易发生酸化伤害[34]。本研究发现,我国杉木人工林表层土壤pH 平均为4.60,为强酸性。其中,pH<4.5 的极强酸性和pH 为4.5～5.5 的强酸性土壤样本数占总样本数量的97.62%。一般情况下,自然界中土壤pH 降低是一个非常缓慢的过程,出现这种情况很可能是由于化学肥料的使用,杉木人工林多代连栽、酸沉降等,使得土壤酸度增加,土壤性质进一步恶化。此外,由于杉木凋落物有机质分解产生的有机酸和酚类物质及酸雨污染的日益严重,可能进一步加剧了杉木人工林土壤的酸化程度[35]。

N、P、K 作为植物生长发育所必需的养分三要素,植物对其需求量大,是土壤中极为重要的养分元素,也是衡量土壤肥力的重要指标[36]。本研究中,不同试验地的杉木人工林表层土壤N、P、K 养分含量差异性较大,波动范围广。杉木人工林表层土壤中全氮和有效氮的含量较高,养分等级分别为中下和富;全磷含量极低,平均含量仅为0.49 g·kg−1,处于极贫水平;全钾平均含量为14.17 g·kg−1,养分等级为贫,有效钾养分等级为中下。杉木人工林表层土壤养分整体表现出“缺磷少钾”的分布特征。与此同时,有效磷的样本最大值为45.62 mg·kg−1,最低值仅为0.03 mg·kg−1,变异程度高达148.06%。这说明在杉木人工林中,有效磷在表层土壤变化最强烈,它对杉木生长发育变化更加敏感。

大量研究表明,林地土壤有机质含量与土壤质量和林木生长量密切相关[37-39]。本研究发现,杉木人工林表层土壤有机质与土壤有效氮之间具有正相关关系,相关性极显著,这说明表层土壤有机质是土壤中有效氮的重要来源,土壤有机质含量降低可能会导致有效氮的缺乏,林木产量下降。同时还发现,土壤有机质对全氮、全磷、全钾和有效氮、有效磷、有效钾的影响路径系数分别为0.17、−0.09、0.16、0.47、−0.03、0.21。这说明杉木人工林表层土壤有机质分解可促进N 和K 等养分元素的释放,有利于土壤肥力的增加。有机质含量降低则会导致土壤中全氮、有效氮、全钾、有效钾等养分含量的降低,最终导致土壤肥力下降。

4 结论

杉木人工林表层土壤有机质含量平均为(31.02±13.44)g·kg−1,养分等级为中,变异系数为43.33%,属中等变异水平,主要分级表现为“多中下,少富级,无极贫”的分布特征。不同土壤类型有机质含量差异较大,山地黄壤的含量最高,为(46.63±16.88)g·kg−1,暗红壤最低,为(15.81±4.38)g·kg−1。林分密度、海拔、坡度和土壤pH 是杉木人工林表土有机质含量变化的主要影响因素,其对土壤有机质的贡献量分别为−0.35、0.28、0.11 和0.11。土壤有机质对全氮、有效氮、全钾、有效钾的贡献程度较高,贡献量分别为0.17、0.47、0.16 和0.21。土壤有机质对土壤全磷的贡献程度较低,贡献量为−0.09 和−0.03。因此,土壤中磷的缺乏可能是限制杉木生长的主要因素。