粤北地区杉木林与阔叶纯林土壤肥力特征1)

邓厚银胡德活晏姝郑会全王润辉韦如萍曾宏 梁机 曾祥橐

(广东省森林培育与保护利用重点实验室(广东省林业科学研究院)，广州，510520) (广西大学) (韶关市国有曲江林场)

土壤是森林生态系统的重要组成部分，同时也是物质循环、能量循环和水分循环的载体[1]。土壤肥力是森林生产力的一个重要指标，为植物长期提供水分和养分[2-3]，直接影响着森林的健康生长和分布状况[4]。森林土壤肥力状况，与树种组成[5]、林分密度[6]、气候条件[7]、人为干扰[8]等因子紧密相关，相反，亦可通过林分生长状况反映土壤肥力高低；另外，不同林分类型的植被凋落物性质及其组成不同，会对林下土壤肥力的积累产生一定的影响[9]。近年来，随着生态环境保护主题的深入，生态环境的建设与保护成为各行各业发展必不可少的重要环节，为了更好地实现森林健康、可持续发展，人们越来越重视土壤与植被之间关系的研究。本研究以粤北不同林分类型林下土壤为研究对象，采用主成分分析法对不同林型土壤肥力进行综合评价，探讨不同林型与土壤肥力间的关系以及不同林型土壤养分的变化规律，旨在为该区域树种选择、林分配置提供参考依据，不断提高森林生态效益，对该区域生态的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于广东省韶关市(23°53′～25°31′N、112°53′～114°45′E)国有韶关林场、曲江区国营小坑林场和国营曲江林场，全市土地面积18218.06 km2，海拔100～200 m，属中亚热带湿润性季风气候，红色岩系构成的丘陵、台地分布较广，特征显著；土层深厚；年平均气温21 ℃，年平均雨量1 700 mm，无霜期310 d，年平均日照时间1 800 h，年平均积温为7 800 ℃，光、热、水资源丰富。该区是广东省用材林、水源林和重点毛竹基地，被誉为华南生物基因库和珠江三角洲的生态屏障[10]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

2017年10月，在韶关林场、小坑林场、曲江林场选择杉木(Cunninghamialanceolata)、木荷(Schimasuperba)、红锥(Castanopsishystrix)、乐昌含笑(Micheliachapensis)、火力楠(Micheliamacclurei)、香樟(Cinnamomumcamphora)、米老排(Mytilarialaosensis)7种纯林，其所在地段海拔高度相近，土壤母质和土地利用历史相同，林龄均为15 a。每种林分设3块20 m×20 m的标准地，在标准地内进行每木检尺，测定树高、胸径、郁闭度，同时调查和记录标准地的海拔、坡度、坡位等环境因子(表1)。每个标准地按对角线法设置3个土壤采样点，每个采样点按0～20 cm土层采集1个环刀用于土壤物理性质测定，同时均匀采集3个采样点混合土样1份，带回实验室用于测定土壤化学性质。

表1 粤北地区不同林分类型林地概况

2.2 土壤理化性质测定

土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量等指标的测定参考LY/T 1215—1999《森林土壤水-物理性质的测定》。土壤有机质质量分数采用硫酸重铬酸钾氧化法测定，土壤pH用电位法测定，全氮质量分数用半微量凯氏法测定，全磷质量分数用酸溶-钼锑抗比色法测定，全钾质量分数用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定，碱解氮质量分数用扩散洗手法测定，有效磷质量分数采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾质量分数采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[11]。

2.3 土壤肥力综合评价

选用0～20 cm土层土壤理化指标，利用主成分分析法对不同纯林土壤肥力进行综合评价。

主成分分析(PCA)的综合评价模型[12]为：

式中：F为综合评价值；λi为第i个主成分特征值；fi为第i个主成分得分值。

2.4 数据分析

分析软件为SPSS 19.0、Excel 2010，采用方差分析、Duncan’s多重比较(α=0.05)比较不同林分类型的土壤理化性质差异。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质

不同林分类型的土壤物理性质见表2。不同林分类型的土壤密度为1.16～1.37 g·cm-3，无显著差异。总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分别为38.55%～49.29%、34.69%～44.36%和3.85%～4.93%，各林分间土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均是火力楠林最大，木荷林最小，值得注意的是，杉木林的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度较大，均排名第3。土壤自然含水量为210.32～289.01 g·kg-1，乐昌含笑林最大，杉木林最小，最大值比最小值高37.41%，两者达显著差异(P<0.05)。最大持水量、毛管持水量和田间持水量的变化范围分别为385.50～492.94、346.57～443.64、289.12～369.70 t·hm-2，各林分间最大持水量、毛管持水量、田间持水量均是火力楠林最大，木荷林最小，且最大持水量、毛管持水量、田间持水量在火力楠林和木荷林间达显著差异(P<0.05)。

3.2 土壤化学性质

由表3可知，全磷和全钾质量分数在7种林分类型之间无显著差异。土壤pH为4.28～4.78，呈强酸性。土壤有机质质量分数为12.07～32.91 g·kg-1，杉木林最大，香樟林最小，二者相差2.7倍。全氮质量分数为0.73～1.34 g·kg-1，红锥林全氮质量分数显著大于香樟林。碱解氮质量分数变化范围较大，为49.84～118.67 mg·kg-1，红锥林最高，香樟林最低，最高值比最低值高138%，两者达显著差异(P<0.05)。有效磷质量分数变化范围较小，为0.17～0.95 mg·kg-1。速效钾质量分数为14.78～42.14 mg·kg-1，杉木林最大，香樟林最低。

表2 粤北地区不同林分类型的土壤物理性质

表3 粤北地区不同林分类型的土壤化学性质

3.3 不同林分类型的土壤肥力综合评价

对杉木林和6种阔叶树纯林的16个土壤理化性质评价指标进行主成分分析，并根据特征值大于1的原则，提取了3个主成分(表4)。

表4 粤北地区不同林分类型的土壤肥力主成分分析结果

前3个主成分的累计贡献率达93.509%，表明其能够较好地反映不同林分类型的变异信息。第1主成分在总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、pH上有较大的载荷；第2主成分在有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾上有较大的载荷；第3主成分在全磷上有较大的载荷。

根据主成分分析法计算综合评价得分，结果见表5。由表5可知，火力楠林综合评价得分最高，排名2、3的依次为乐昌含笑林、杉木林，排名最后的是木荷林。

表5 粤北地区不同林分类型的土壤肥力综合评价

4 讨论

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一个重要指标，既能表征土壤为植物生长提供养分、水分、热量和空气的能力，又是土壤物理、化学和生物学性质的综合体[13]。本研究结果表明，不同林分类型对土壤肥力存在显著影响。7种人工林林下土壤肥力由大到小排序为：火力楠林、乐昌含笑林、杉木林、红锥林、香樟林、米老排林、木荷林。杉木土壤肥力大小仅次于火力楠林、乐昌含笑林，土壤肥力条件较好；红锥林土壤肥力较香樟林、米老排林和木荷林理想；木荷林土壤肥力表现较差。

土壤孔隙状况直接影响土壤水气协调、根系穿插的难易以及土壤水肥的有效性[14]。土壤孔隙度越大，通气性也就越好，相应的土壤入渗能力、持水能力也更强[15]。不同林分类型由于凋落物储量、构成及分解速率的大小、林下根系状况以及土壤动物、微生物的种类和活动强弱等因素均存在一定差异，进而造成不同林分土壤物理性质的不同[16-17]。陈文静等[18]研究表明不同人工林间土壤养分的差异性与不同树种的凋落物、细根、土壤密度及涵水能力差异化有关。李晓萍[19]研究发现乐昌含笑的根系分泌物、土壤动物和微生物所分泌的酶，促进主要植物和其他植被根系的生长，改善土壤物理性质，使得土壤团聚体较多，孔隙度增大，提高了土壤持水能力。谢腾芳等[20]对火力楠和红包木(Rhodoleiachampionii)幼林的土壤肥力研究也有类似结果。在本研究中，火力楠林和乐昌含笑林土壤孔隙度较大，杉木林仅次于前两者，木荷林最小，土壤孔隙度在火力楠林和木荷林间达差异显著(P<0.05)，表明在研究区中，前3种林分对土壤结构改良效果更好。但与黄香兰等[21]对华南地区木荷、湿地松(Pinuselliottii)和尾叶桉(Eucalyptusurophylla)林的土壤特性研究不同的是火力楠土壤保水性和通气性却是最高的，原因可能是与试验地所处的位置有关。孙浩等[22]的研究结果表明，杉木林林下土壤水源涵养能力低于阔叶林，但本研究显示杉木林土壤层持水能力相对较高，原因可能是研究区中的杉木林下植被密集的根系及土壤动物、微生物活动等影响土壤孔隙结构，从而影响土壤层蓄水状况，已有其他研究表明，植物可通过改变根系物理环境、凋落物的输入以及水分和营养循环的调节方式影响着土壤结构[23]。

土壤有机质质量分数大小表征土壤肥沃程度，是土壤中各营养元素特别是N、P的重要来源。有研究发现土壤有机质主要来源于植物凋落物的分解[24]。本研究得出杉木林土壤有机质质量分数最高，香樟林最低，红锥林仅次于杉木林，与冯嘉仪等[25]的研究结果基本一致，其研究结果表明，杉木林土壤有机质质量分数仅次于阔叶混交林，比相思(Acaciaspp.)林、桉树(Eucalyptusurophylla)林以及马尾松(Pinusmassoniana)林的土壤有机质质量分数都高。崔莉娜等[26]对不同林龄杉木人工林菌根侵染特征的研究发现，丛枝菌根真菌与杉木的相互作用能有效调控根际土的养分动力学特征，减缓土壤酸化造成的养分流失。而黄志宏等[27]对广东南岭不同林分类型土壤养分状况比较分析中发现，杉木林土壤有机质质量分数低于常绿阔叶林，但本研究中杉木林为中等偏上水平，原因可能是杉木林下丰富的灌草丛促进植被和土壤间联系，进而影响土壤肥力，此外，林下植被的更新演替促进土壤养分循环，因此，杉木林土壤有机质质量分数较高。但冯嘉仪等[25]的研究结果在一定程度上支持了本研究结果，可能与研究地所处的具体位置以及阔叶树种类型有关。土壤pH是土壤肥力关键指标之一，研究发现pH值的大小会影响土壤养分的有效性，从而直接影响着植物生长、土壤养分循环和微生物活动[28]。本研究结果表明，7种纯林的土壤均为强酸性，这与薛立等[29]的研究结果一致。

土壤中的氮磷钾等矿质营养元素含量及其有效性不但影响着土壤的理化性质，同时与植物生长紧密相关[30]。研究发现土壤氮元素是林木生长发育的限制因子之一[31]，其主要来源于有机态氮矿化作用释放无机氮、干沉淀及降雨。植物吸收氮元素除了来自土壤氮外，生物固氮作用也是一种重要的途径。Xiao et al.[32]探讨了亚热带不同森林类型对土壤表层和深层溶解有机碳和氮的影响，结果表明天然林和毛竹林(Phyllostachyspubescens)下溶解性有机碳和溶解性有机氮的质量分数高于吊皮锥(Castanopsiskawakamii)和杉木，更有利于提高土壤肥力。一般认为土壤全氮质量分数(N)<0.75 g·kg-1为低水平，0.75≤N<1.50 g·kg-1为中等水平，N≥1.50 g·kg-1为高水平[33]。但本研究发现7种人工林中，除香樟林土壤全氮处于低水平外，其余林分土壤全氮均处于中等水平。值得注意的是，杉木林土壤碱解氮质量分数在所有林分中最高(111.33 mg·kg-1)，但本研究中所有林分的土壤碱解氮质量分数均低于同一气候带的土壤[34]，这可能与区域性有关。植物所获取的磷都是通过根系从土壤中吸收的，因此土壤中磷的质量分数及主要存在形式对植物的影响甚大[35]。已有其他研究表明，磷是限制植物生长的重要因素之一[36]。本研究中有效磷质量分数均小于3 mg·kg-1，整体均处于很低水平，因此有效磷是土壤肥力的限制性因子之一，这与前人研究结果[27]一致。

对粤北地区杉木林与阔叶纯林土壤肥力比较分析，不同林型间土壤肥力的差异显著，结果显示火力楠林和乐昌含笑林土壤肥力较高，杉木林仅次于前两者，因此可在该区制定合理的生态管理措施，如针对不同林分类型施不同配比有机肥，进一步提高林分的生产力。同时，杉木作为该区重要的林木经济来源，且其土壤理化性质良好，因此在林业生产活动中，可加强对杉木林科学管理，达到生态效益和经济效益稳步提高。