四种类型筇竹林分的土壤肥力诊断与综合评价*

夏莉，董文渊，钟欢，浦婵，陈新，袁翎凌，黄小东，李希春

(1.西南林业大学 生态与环境学院,云南 昆明 650224；2.西南林业大学 筇竹研究院,云南 昆明 650224；3.云南省大关县林业和草原局,云南 大关 657000；4.西南林业大学 林学院,云南 昆明 650224)

竹林土壤肥力是竹林发展与规划的重要依据[1]，不科学的经营管理方式会导致林地土壤养分失衡，土壤严重退化[2]。研究发现片面强调高额产出、过度采伐和依赖肥料会导致毛竹林生态系统养分平衡被打破，生产力下降[3-4]。土壤养分失衡会影响作物产量、产品品质和生产效益并造成土壤环境污染[5-8]。因此，研究竹林土壤养分现状能为土壤科学管理提供理论依据[9]，对提高竹林生产力具有重要意义。

筇竹(Qiongzhueatumidinoda)是中小型混生竹种，为我国西南地区所特有，仅分布于金沙江下游云南省昭通市北部的9个县(市、区)和四川省雷波、叙永、马边等县[10]。筇竹笋味鲜美，富含氨基酸、蛋白质等营养物质，食用价值高[11]；筇竹竹节鼓突、状貌奇特，可用于工艺和家具制作[12]，观赏价值高。随着筇竹产业快速发展，对竹笋、竹材需求急剧增加，掠夺式采笋及乱砍滥伐导致筇竹资源退化[13]、林地土壤养分失衡。因此，了解筇竹林土壤现状，优化筇竹林土壤管理技术，进而提高林地生产力，是解决以上问题的关键。目前有关筇竹林土壤的研究多集中于土壤水分、土层厚度对筇竹生长影响等方面[14-16]，对筇竹林土壤综合肥力的研究较少。“中国筇竹之乡”——大关县是筇竹的现代分布中心，其面积占世界筇竹面积的59%[12]。本文以大关县内4种类型筇竹林分土壤为研究对象，通过对其土壤肥力的诊断与评价，探明筇竹林土壤养分状况，为筇竹林地力维护与可持续经营提供理论与实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省大关县木杆镇(103°52′～104°01′E、28°02′～28°14′N，海拔980～2 263 m)，属北亚热带季风气候，年均温14.6 ℃，年平均降水量1 335 mm，气候阴凉湿润，热量不足[17]。成土母岩为玄武岩和紫色页岩，土层湿润深厚，土壤主要以山地黄壤及紫色土为主[18]。研究区内现有天然筇竹纯林、人工筇竹纯林、天然筇竹-黄皮树(Phellodendronchinense)混交林、人工筇竹-黄皮树混交林等4种典型筇竹林[17]，混交林为竹阔混交类型，其中人工混交林中黄皮树的株行距为3 m×3 m。林下植被中灌木主要有西南绣球(Hydrangeadavidii)、寒莓(Rubusbuergeri)、菝葜(Smilaxchina)等，草本主要有凤仙花(Impatiensbalsamina)、楼梯草(Elatostemainvolucratum)、粗齿冷水花(Pileasinofasciata)等。

1.2 样地设置与样品采集

在天然筇竹纯林、人工筇竹纯林、天然筇竹-黄皮树混交林、人工筇竹-黄皮树混交林中进行典型抽样，各设置3块20 m×20 m的样地。每个样地中按照“S”型选取5个土壤采样点，分别取0～20、20～40 cm土层的土壤，将同层土样混合，去除杂质后用四分法保留约1 kg土样带回实验室风干，磨细后过1 mm和0.25 mm的土筛，保存备用。样地立地条件见表1。

表1 样地立地条件Tab.1 Basic situation of the sample plot

1.3 评价指标的选取与测定

参照绿色食品产地环境标准(NY/T391-2013)[19]，选取pH值、有机质、CEC、全磷、有效磷、全钾、速效钾、全氮、碱解氮为评价指标，按国家标准检测：土壤pH值采用电位法(NY/T1377-2007)；有机质采用重铬酸钾法(LY/T1237-1999)；全氮采用凯氏定氮法(LY/T1228-2015)；全磷、全钾采用氢氧化钠熔融法(NY/T1232-1999、NY/T1234-1999)；有效磷用钼锑抗比色法(LY/T1233-1999)；速效钾用火焰光度计法(NY/T1236-1999)；碱解氮用碱解扩散法(LY/T1229-1999)；土壤CEC采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度计法(HJ889-2017)[20]。

1.4 土壤肥力评价

1.4.1 主成分分析法

用Pearson相关分析筛选出具有相关性的指标后对各指标进行因子降维，按照特征值>1的标准选取主成分并计算各主成分得分(F1～Fm)，最后将各得分带入下式计算肥力综合得分(IFI)。

IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm

式中：IFI为综合得分，F表示单个主成分得分；λ表示对应主成分的贡献率。

1.4.2 模糊综合评价法

用因子权重法计算各指标权重；通过隶属度函数计算隶属度值(0.1～1.0)，pH值选取抛物线型，其余指标均选取S型函数[21]，计算隶属度值时根据文献[22]确定转折值(表2)；最后将各指标权重和隶属度值代入下式计算综合肥力得分。

表2 各肥力指标的隶属度函数转折点Tab.2 Turning point of membership function of each fertility index

式中：fi、Wi分别是第i个指标的权重和隶属度值，n为参评指标个数。

单项指标分级以第2次全国土壤普查土壤养分分级[23]为标准进行分级评价；综合肥力按照Ⅰ级土壤(肥力高，土壤质量好，IFI>0.8)、Ⅱ级土壤(肥力较高，土壤质量良好，0.6

1.5 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 22.0进行实验数据分析，应用Graphpad Prism 8.4.2软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同类型筇竹林土壤肥力指标诊断

2.1.1 土壤pH值、有机质、CEC

从图1可以看出：4种筇竹林分土壤pH值在3.61～4.04之间，平均值为3.87，土壤为强酸性(<4.5)，变异系数为2.5%，差异不明显，但随土壤深度的增加pH值呈逐渐增加趋势；4种筇竹林分有机质和CEC含量在不同土层间、不同竹林间均存在显著差异，且随深度的增加而含量降低，呈明显的“表聚”现象，变幅分别在56.00～111.82 g/kg和4.78～9.92 cmol/kg之间；4种筇竹林分有机质含量表现为天然筇竹纯林(111.82 g/kg)>人工筇竹-黄皮树混交林(85.14 g/kg)>天然筇竹-黄皮树混交林(75.36 g/kg)>人工筇竹纯林(55.99 g/kg)，均大于40，为Ⅰ级；CEC含量表现为人工筇竹-黄皮树混交林(9.92 cmol/kg)最高，人工筇竹纯林(4.78 cmol/kg)最低，均低于15，为Ⅲ级。CEC含量作为评价土壤保肥能力的重要依据，说明4种筇竹林分的土壤保肥能力较弱。

图1 不同筇竹林0～40 cm深度土壤pH、有机质和CEC注：不同大写字母表示不同林分在同一土层差异显著；不同小写字母表示在同一林分在不同土层差异显著(P<0.05),下同。Fig.1 0～40 cm depth soil pH,organic matter and CEC of different Q.tumidinoda forest

2.1.2 土壤养分全量分析

4种筇竹林分土壤养分全量含量统计如图2所示。全氮含量在同一竹林不同土层间差异显著并随土层深度的增加含量降低，不同竹林间除2种混交林无差异外，其余林分差异显著，均值在2.04～4.77 g/kg之间，天然筇竹纯林(4.77 g/kg)>人工筇竹-黄皮树混交林(3.54 g/kg)>天然筇竹-黄皮树混交林(3.23 g/kg)>人工筇竹纯林(2.04 g/kg)；全磷和全钾均值范围分别为0.43～0.64 g/kg和21.99～27.33 g/kg，不同竹林、不同土层间总体差异不显著。4种筇竹林土壤全氮含量均为Ⅰ级；全磷均为Ⅳ级；天然筇竹-黄皮树混交林、人工筇竹纯林的全钾含量为Ⅰ级，天然筇竹纯林、人工筇竹-黄皮树混交林的全钾含量为Ⅱ级。总体上4种筇竹林分的养分全量表现为全氮>全磷>全钾。

图2 不同筇竹林0～40 cm深度土壤养分全量含量分析Fig.2 Analysis on the total nutrients of 0～40 cm depth soil nutrients in different Q.tumidinoda forest

2.1.3 土壤养分有效态含量分析

4种筇竹林分土壤有效态含量统计如图3所示。碱解氮在不同土层间除天然筇竹纯林外，其余林分均有显著差异，不同竹林间差异显著，天然筇竹纯林(583.83 mg/kg)最大，人工筇竹纯林(140.18 mg/kg)最小；而有效磷含量在2.19～16.86 mg/kg之间，变异系数为53.85%，属中等变异，不同竹林间差异大，人工筇竹纯林(16.86 mg/kg)>天然筇竹纯林(3.87 mg/kg)>天然筇竹-黄皮树混交林(2.95 mg/kg)>人工筇竹-黄皮树混交林(2.19 mg/kg)，随土层深度的增加人工筇竹纯林有效磷含量呈增加趋势，其余林分无显著差异；速效钾含量在40.57～89.94 mg/kg之间，随土层深度的增加，除天然筇竹纯林无明显变化外，其余林分含量均随土层深度的增加而降低。碱解氮含量人工筇竹纯林为Ⅱ级，其余林分均为Ⅰ级；有效磷含量天然筇竹纯林为Ⅴ级，人工筇竹纯林为Ⅲ级，人工筇竹-黄皮树混交林和天然筇竹-黄皮树混交林为Ⅳ级；速效钾含量人工筇竹纯林为Ⅴ级，其余林分均为Ⅳ级。总体上4种筇竹林分的有效态含量表现为水解氮>有效磷>速效钾。

图3 不同筇竹林0-40cm深度土壤养分有效态含量分析Fig.3 Analysis of available nutrient contents in 0-40 cm depth soil of different Q.tumidinoda forest

2.2 不同类型筇竹林土壤肥力单项指标评价

雷达图可反映单项肥力指标在土壤中的状态，权重可定量表征关键指标对土壤肥力的贡献程度[25]。因此，采用雷达图并结合因子权重，对单项土壤肥力指标进行评价(图4、表3)。pH值隶属度函数值最小，有效磷次之，表明pH值和有效磷含量较低，是影响该研究区土壤肥力的限制性因子。贡献率为有机质、有效磷0.119，全磷、全氮、CEC 0.118，pH值0.117，速效钾0.114，碱解氮0.112，全钾0.064，说明有机质是反映4种筇竹林分土壤肥力的关键指标。

图4 各项土壤指标隶属度函数值的雷达图Fig.4 Radar chart of membership function values of various soil indicators

表3 各项土壤肥力因子权重Tab.3 Weights of various soil fertility factors

2.3 不同类型筇竹林土壤肥力综合评价

2.3.1 主成分分析法

土壤养分各指标相关性分析结果如表4。pH值与有机质呈显著负相关(P<0.05)；有机质与速效钾、全氮、碱解氮呈显著正相关(P<0.05)；CEC与有效磷呈极显著负相关(P<0.01)；速效钾与全氮、碱解氮呈极显著正相关(P<0.01)；全氮与碱解氮呈显著正相关。不同指标之间存在显著的相关关系，说明各指标适合主成分分析。

表4 土壤养分各指标相关性分析Tab.4 Correlation analysis of various indexes of soil nutrients

根据主成分分析得出特征值、方差贡献率(表5)。按照特征值>1的原则抽取主成分，并根据成分矩阵计算特征向量值，得到反映0～20 cm、20～40 cm土层土壤质量状况的主成分得分函数：

表5 土壤主成分的累积贡献率和特征值Tab.5 Cumulative contribution rate and characteristic value of soil principal components

0～20 cm

F1=-0.353X1+0.344X2+0.356X3+0.208X4-0.362X5-0.335X6+0.371X7+0.327X8+0.316X9

F2=0.011X1+0.325X2-0.252X3-0.632X4+0.219X5+0.238X6+0.035X7+0.379X8+0.428X9

20～40 cm

F1=-0.366X1+0.384X2+0.338X3-0.095X4-0.282X5-0.267X6+0.387X7+0.396X8+0.373X9

F2=0.287X1-0.188X2+0.371X3+0.654X4-0.496X5+0.197X6-0.119X7+0.088X8+0.101X9

函数中X1～X9代表9个评价指标，将9个指标数据分别代入函数计算各主成分的得分，再根据每个主成分的方差贡献率进行加权求和，计算出4种筇竹林分土壤肥力综合得分(表6)，依次为天然筇竹纯林(1.983)>人工筇竹-黄皮树混交林(0.789)>天然筇竹-黄皮树混交林(-0.043)>人工筇竹纯林得分(-2.730)，土壤肥力随土层深度的增加而下降。

表6 不同林分土壤质量得分Tab.6 Soil quality scores of different forest stands

2.3.2 模糊综合法

为进一步有效分析不同类型筇竹林分土壤肥力状况，运用IFI综合指标评价法计算得分，得分在0.412～0.607之间(表7)，排序为天然筇竹纯林(0.607)>人工筇竹-黄皮树混交林(0.578)>天然筇竹-黄皮树混交林(0.558)>人工筇竹纯林(0.412)，与主成分分析法评价结果一致。根据土壤肥力分级标准，土壤肥力处于Ⅱ级的筇竹林占总林分的25%，处于Ⅲ级的筇竹林占总林分的75%，土壤肥力属中等水平。

表7 不同筇竹林土壤各属性肥力隶属度值与综合肥力得分Tab.7 Soil fertility coefficient and comprehensive fertility coefficient of different bamboo forests

3 讨论与结论

土壤pH值是重要的化学性质指标，影响土壤养分的有效性和植被营养状态[26]，适宜的酸碱度才有利于植物生长。4种筇竹林分土壤pH值变幅为3.61～4.04，为酸性土壤，变异系数低于有机质及其他养分指标。说明pH值受气候条件、成土母质影响较大，林分对土壤酸度的影响弱[27]，这与张连金等[28]研究结果相似。筇竹虽适应酸性土壤，但土壤过酸，会活化重金属，引起土壤污染。因此，建议在进行筇竹林分土壤管理时可选碳酸氢铵或钙镁磷肥等碱性肥料进行土壤酸化改良，适当提高土壤pH值。

本研究发现不同林分土壤养分丰缺程度不同。4种筇竹林分有机质均为Ⅰ级，天然筇竹纯林有机质显著高于人工筇竹纯林和混交林，可能是天然林凋落物蓄积时间长，而人工筇竹纯林和混交林成林时间较短，凋落物积累较少导致的。4种筇竹林分CEC含量均为Ⅲ级，是因为土壤pH值低使得土壤胶体团表面含大量H+，导致土壤可自由交换的阳离子减少，从而减弱K+、Ca2+、Na+、Mg2+等离子的保持能力[29]。在全量养分分析中，土壤全氮含量高，变化趋势与有机质基本一致，与徐波等[30]研究结果相一致，是由于林地土壤全氮含量变化主要取决其土壤有机质含量的变化；全磷和全钾在4种筇竹林分间差异不明显，根据分级标准，土壤全磷和全钾含量分别属于很低(0.43～0.64 g/kg)和低水平(21.99～27.33 g/kg)，这是因为4种筇竹林分土壤均为酸性，使土壤中的磷元素容易与铁和铝的氢氧化合物反应，生成一种不溶性的磷化合物沉淀，导致土壤全磷含量低，这与王晓荣等[31]研究结果一致。土壤有效养分含量受土壤母质、所处气候及植被等多种因素共同影响，研究发现有效磷、速效钾含量在4种筇竹林分中普遍偏低，人工筇竹纯林的碱解氮含量偏低，这可能与施肥过程中肥料种类、数量及施肥方法不当有关。此外，在不同土层间，除pH值、全磷、有效磷外，其余指标均存在显著差异，且有机质、CEC、全氮、碱解氮、全磷、速效钾有表聚现象，与Wen等[32]、张炜等[33]、朱万才等[34]研究结果相一致。因此，建议在进行筇竹林土壤管理时，应根据各林分土壤养分状况进行配方施肥，并在施肥过程中注意施肥深度，以确保下层土壤肥力也能满足竹林生长需求。

土壤肥力受林分结构、成土母质、人为干扰等因素的综合影响。本文通过主成分分析法和模糊综合法对4种筇竹林分化学肥力指标进行综合评价，明确了4种筇竹林分的土壤肥力水平。2种方法的评价结果具有一致性，均表明天然筇竹纯林肥力最高、人工筇竹纯林肥力最低，整体肥力属中等水平，这可能是因为天然林群落生物多样性水平高，林分林龄大，次生演替较长，所以土壤养分积蓄效果高于人工林；而人工林因成林时间短、生物多样性水平低以及人为影响导致其枯落物数量和质量较差，这与王伟平等[35]、朱琪文等[36]的研究有相似之处。因此，在进行筇竹林分土壤管理时，建议适当保留乔灌木树种，增强竹林生物自肥能力，通过配方施肥，均衡土壤养分，促进竹林生长，使凋落物储量增加，分解速度加快，以达到提高筇竹林土壤肥力的目的。

综上所述，不同筇竹林、不同土层之间土壤养分差异显著(P<0.05)，建议对筇竹林土壤管理时应进行测土施肥，深施覆土，精准管理；4种筇竹林分土壤呈酸性，保肥能力较弱，富氮素、有机质，缺磷钾；4种筇竹林土壤肥力为中等水平，且在单项肥力指标评价中，pH值和有效磷为土壤肥力的限制性因子。因此，在筇竹林培育过程中，可通过增施碱性肥料及磷肥，改善土壤pH值，提高土壤肥力，实现筇竹林地力维护和可持续经营的目的。