海南黎母山片区外来树种对土壤理化性质的影响

2022-08-09方发之黎肇家桂慧颖吴钟亲

林业资源管理 2022年3期

方发之,黎肇家,桂慧颖,吴钟亲

(海南林业科学研究院(海南红树林研究院),海口 571100)

原森林生态系统的完整性和生物多样性为各种生物栖息繁衍提供了庞大的食物网和多元化的信息传递方式。然而外来植物的引进或入侵打破了原森林生态系统的保真性和完整性,促使植被群落条件和土壤养分条件发生改变[1]。外来植物扩散到新的栖息后,能够在适宜环境条件快速生长,占据有利生态位[1],极易形成单优势种群[2]。外来树种作为外来植物的一大类,不少外来树种在荒山造林和水土保持方面发挥了重要作用[3]。但同时引种外来树种到适宜环境营林,不仅对原植被条件产生干扰[4],还存在发展为入侵树种的风险[3]。已有研究表明,与原森林植被相比,外来树种具有良好的环境适应性[5],生长速率往往比较快[6]。快速生长能力也明显地使土壤养分和水分快速集中于植物体,打破土壤养分输入与输出的平衡,致使土壤各项指标发生变化[7-8]。植物凋落物回归分解是森林生态系统土壤养分循环和理化性质稳定的重要环节[9-10]。外来树种人工林群落往往比较单一,生物多样性包含土壤微生物多样性比较简单,导致植物凋落物分解速率下降[4,11-12]。因此,外来树种营造影响着土壤氮、磷、钾、碳等养分的有效循环。外来树种引进使原森林生态系统“植物-土壤”相互反馈作用方式发生改变,影响“植物-土壤”通过土壤与根系界面进行养分的输入输出(如，死亡根系、根际分泌物),影响维持土壤生物的生长发育和植物对养分的吸收利用效益[13-14]。

本文以海南热带雨林国家公园黎母山片区引进种植橡胶树(Heveabrasiliensis(Willd.ex A.Juss.)Muell.Arg)、马占相思(AcaciamangiumWilld.)、加勒比松(PinuscaribaeaMorelet)、桉树(Eucalyptus)人工林对土壤理化性质的影响为研究内容。通过测定不同外来树种人工林群落与次生林群落土壤pH值、有机质、全氮钾磷、游离态氮钾磷,分析外来树种人工林群落与次生林群落土壤理化性质差异。探讨外来树种人工林营造对土壤理化性质的影响,以期为海南热带雨林国家公园外来树种人工林的可持续经营提供参考。

1 研究区概况

以海南热带雨林国家公园黎母山片区为研究区域。黎母山片区总面积约554.87km2,地处琼中和白沙两地,地理坐标19°07′22″～19°14′03″N,109°39′05″～109°48′31″E。黎母山拥有丰富的人工林资源,其中加勒比松、相思类、橡胶树和桉树是重要的人工林资源,同时也属具有高效经济效益外来树种。黎母山位于海南岛中部,气候为热带海洋季风性气候,终年高温多雨。林区内植被生长条件适宜,水分充足,光照适宜,温度适合,具有优良自然条件为植物的生长提供了保障。黎母山主峰海拔1 412m,土壤偏酸性[15-16],黄壤和砖红壤为林区内主要土壤类型。多年以来,为了促进农林业发展,满足人们对农林业产品的需求和森林生态安全的必要,黎母山引入外来树种,以丰富区域生物多样性和提高农林业经济效益。加勒比松、马占相思、橡胶树和桉树是黎母山引进的主要外来树种,既有高效经济效益,又是速生植物,可快速复绿裸露山体,具有良好的生态价值。

2 研究方法

2.1 土壤采集

1)样地选择。所选样地均在海南热带雨林国家公园黎母山片区范围内,土壤为砖红壤或黄壤。外来树种分别为加勒比松、马占相思、橡胶树和桉树；次生林森林群落土壤理化性质作为外来树种对原林地土壤理化性质影响的参照。

2)样品采集及处理。采用典型抽样方法在每个林分样地设计3个20m×20m样方；采用五点取样法对每个样方内样点进行取样,取样点时抛去表面凋落物并挖去土剖面,用环刀截取0～20cm土层,将同样方5个取样点土样混匀装入无菌自封袋,标记采样时间。所采集土壤样品低温保存带回实验室处理；去除样品杂质、石块,2mm微孔过筛,保留过筛土壤样品,用于测定土壤理化性质。样地信息如表1所示。

表1 样地基本信息表

2.2 土壤理化性质测定

2.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0对试验数据进行分析、处理,并采用单因素方差分析法(One-Way ANOVA)中最小显著差异法LSD(L),对各组数据进行差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 对土壤pH值的影响

图1显示,不同森林群落群落土壤pH值状况。马占相思人工林群落土壤pH值为3.95,其酸性较强,加勒比松人工林群落土壤pH为4.51,为酸性土壤。两者土壤pH值均显著低于次生林。次生林和橡胶人工林群落土壤pH值分别为4.79和4.89,为酸性土壤,pH值不具有显著差异。桉树pH值为6.17,为偏酸性土壤,显著高于次生林。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 对土壤有机质含量的影响

根据图2显示,次生林群落土壤有机质含量为31.01g/kg,显著高于4个外来树种人工林群落土壤有机质含量。外来树种人工纯林中加勒比松有机质含量为24.96g/kg,是4个外来树种人工林群落土壤有机质含量最高的外来树种人工林群落,显著高于橡胶树、马占相思、桉树群落土壤有机质含量。马占相思人工林群落土壤有机质含量显著最低,仅16.34g/kg。橡胶树和桉树人工林群落土壤有机质含量分别为18.95g/kg和17.38g/kg,两者没有显著性差异。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.3 对土壤全氮钾磷含量的影响

次生林群落土壤全氮、磷、钾含量分别为1.08,2.27,1.83g/kg,显著高于外来树种人工林群落土壤全氮、磷、钾含量(图3)。桉树、橡胶树和加勒比松人工林全氮含量分别为0.81,0.89,0.87g/kg,三者之间全氮含量没有显著性差异。马占相思人工林群落土壤全氮含量最低,为0.71g/kg。桉树人工林群落土壤全钾含量最低,为0.1g/kg。马占相思和加勒比松人工林群落土壤全钾含量没有差异,橡胶和马占相思人工林群落土壤全钾含量也没有差异,但橡胶人工林群落土壤全钾含量低于加勒比松。全磷含量方面,桉树人工林群落土壤全磷含量为0.37g/kg,显著高于其余3个外来树种人工林群落土壤全磷含量。橡胶树、马占相思、加勒比松人工林群落土壤全磷含量分别为0.13,0.16和0.11g/kg,三者之间没有显著性差异。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.4 对土壤游离态氮钾磷含量的影响

1)由表2可知,次生林群落土壤速效钾含量为18.19mg/kg,显著低于外来树种人工林群落土壤速效钾含量。其中桉树人工林群落土壤速效钾含量达111.97mg/kg,为土壤效钾含量最高的森林群落。

2)次生林群落土壤速效磷含量为2.48mg/kg,显著低于马占相思和桉树人工林群落土壤速效磷含量,显著高于加勒比松人工林群落土壤速效磷含量,与橡胶人工林群落土壤速效磷含量没有显著性差异。其中,桉树人工林群落土壤速效磷含量最高,为6.34mg/kg,而加勒比松人工林群落土壤速效磷含量最低,为1.71mg/kg。

3)次生林群落土壤硝态氮含量为8.61mg/kg,显著低于马占相思、加勒比松和桉树人工林群落土壤硝态氮含量,与橡胶人工林群落土壤硝态氮含量没有显著性差异。马占相思人工林群落土壤硝态氮含量高达36.02mg/kg,为土壤速效磷含量最高的森林群落。

4)次生林群落土壤铵态氮含量为22.21g/kg,极显著地高于人工林铵态氮含量;桉树土壤铵态氮含量为3.05g/kg,高于另外3个外来树种。

表2 不同森林群落土壤游离态氮钾磷含量状况

4 讨论与结论

4.1 讨论

土壤理化性质由于受植被、地形、母岩和人为干预等因素影响,导致土壤理化性质复杂多变[18],其中人为干预和植被条件变化对土壤理化性质的影响是显著的[19-20]。植物与土壤之间是一套相互反馈的循环系统,植被条件的变化影响着土壤理化性质、微生物、生物活性反应[14]。本文发现黎母山不同外来树种在不同程度上影响原森林系统土壤ph值,桉树使土壤酸性减弱,与桉树适合pH值范围4.5～5.0相吻合[20-22]。马占相思和加勒比松群落土壤pH值下降,该结论与广西南宁市国有高峰林场界牌分场马占相思人工林群落土壤变化规律相似[23]。外来树种对土壤pH值影响因树种不同而异,外来植物可导致土壤酸性加强也可以减弱土壤酸性[1]。土壤有机质是土壤肥力的重要指标,为植物生长发育所需养分[21]。本文发现外来树种人工林群落土壤有机质含量均不及次生林群落土壤有机质含量,显著导致土壤有机质含量下降。该结论与多位学者对外来树种营造对土壤有机质或有机碳含量变化一致,如,桉树人工林营造[4,21],日本落叶松人工林营造[19]。引种外来树种后,其土壤全氮、钾、磷含量较次生林群落土壤全氮、钾、磷显著下降。其原因可能与林分凋落物组成与分解速率有关[19],凋落物分解速率影响到有机质积累和氮、磷、钾养分的循环[19],也表明土壤有机质和氮、钾、磷含量与生物多样性呈正相关[24]。本文发现次生林全氮、钾、磷含量显著高于外来树种群落,和前人对物种多样性与土壤有机质、氮、钾、磷的相关性研究结论一致[25-26]。外来树种人工林和次生林群落土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮含量研究发现,次生林群落土壤速效钾、速效磷、硝态氮均显著低于外来树种人工林,而铵态氮含量显著高于外来树种人工林群落。对外来植物定植后土壤速效钾、速效磷、硝态氮和铵态氮含量变化的相关研究表明,外来植物可以使土壤速效磷、硝态氮含量先上升再下降[27],也能导致土壤速效磷和速效钾的含量显著升高[2,28],但也有外来植物定植后出现土壤速效钾含量下降[27],磷和钾元素含量减少[29]。