乡土树种在三亚退化山地的早期土壤肥力研究

何书奋，麦志通，蔡开朗，曾德华，洪文君

（三亚市林业科学研究院，海南 三亚 572000）

土壤是植物正常生长的基础，为植物生长提供所需的必要水分和矿质营养元素，其土壤理化性质是反映植物土壤肥力的重要指标［1］。土壤微生物生物量是土壤生态系统的重要组成成分，土壤微生物生物量碳和微生物氮数量均是反映土壤为地上植被的生长发育提供良好环境能力的指示因子之一，在有机质分解、养分循环和植物营养等过程中发挥着关键作用［2-4］。而退化山地长期土壤贫瘠且板结，仅能生长着杂草，导致其生态功能低［5］。退化山地的生态系统在人为积极干扰下的自然再生能力与生态修复能力更多重视造林树种的保存率和生长量，但针对应用乡土树种恢复退化山地过程中土壤变化的关系少见报道。因此，了解土壤理化性质和微生物生物量是退化山地植被恢复的关键因子，对评价植被修复和土壤养分的可持续发展具有重要意义。

应用乡土树种进行造林不仅促进乡土树种的生态保护，而且提高退化山地的生物多样性［6］。人工造林是促进退化山地森林恢复的有效手段［7］。研究表明，乡土树种造林有利于土壤肥力的改良，促进土壤微生物生物量，从而提高森林质量［3，8-9］。因此，研究乡土树种改良土壤肥力的变化具有重要的意义。目前，研究者对海南乡土树种的应用研究做了大量工作［10-14］，但尚未见报道乡土树种改造退化山地的土壤肥力特性。本文比较7种乡土树种在三亚退化山地的土壤理化性质和土壤微生物生物量的差异性，探讨它们在三亚退化山地植被恢复中改良土壤的潜力，为当地乃至华南地区退化山地、低效林和生态公益林改造与建设提供科学参考依据。

1 研究地概况

试验地位于三亚市天涯区三亚市林业科学研究院（18°21'N，108°56'E）。三亚为热带海洋季风气候，全年暖热，雨量充沛，年日照时数为1 750～2 650 h，年平均气温26.5℃。试验地原有植物已被破坏，被开垦为退化山地，造林前无乔木、灌木树种，仅零星分布杂草，土壤为轻壤土至砖红壤土，土壤有机质含量5.25 g·kg-1，全氮含量0.10 g·kg-1，全磷含量0.20 g·kg-1，全钾含量1.58 g·kg-1，碱解氮含量20.65 mg·kg-1。

试验林于2019年4月造林，面积约1 hm2。试验地造林前为退化山地，仅分布着杂草。造林前进行全面整地，种植油楠（Sindora glabra）、红花天料木（Homalium ceylanicum）、海南菜豆树（Radermachera hainanensis）、铁刀木（Senna siamea）、假苹婆（Sterculia lanceolata）、五月茶（Antidesma bunius）和岭南山竹子（Garcinia oblongifolia）7个乡土树种。当年下半年、第2年、第3年分别抚育管理1次，每株施用挪威复合肥（N：P：K=15：15：15，生产商：雅苒国际有限公司）0.15 kg。

2 研究方法

2.1 土壤采集

以周边退化山地表层土壤作为对照，造林3 a后分别采集每个种和荒坡地根区表土，均取0～20 cm表层土壤。每个树种采集5 株根区土，充分混合土样，其中部分鲜土带回实验室后置于4 ℃保存，供土壤微生物与土壤酶活性的测定；其余土样经过除去石块、根系等杂物后，磨碎过筛，装袋待测定土壤理化性质和土壤微生物含量等。

2.2 土壤理化性质的测定

土壤自然含水率采用铝盒烘干法测定；土壤pH值采用玻璃电极法测定；土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；土壤全氮采用开氏-蒸馏滴定法测定；土壤全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融-火焰原子吸收分光光度法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液测定；土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定；采用1 mol·L-1中性NH4OA 溶液浸提土壤速效钾，土壤速效钾火焰光度法测定；具体测定方法参见鲁如坤［15］，所有样品做3个平行，取平均值作为样品的最终测定结果。

2.3 土壤微生物的测定

土壤微生物生物量碳（Cmic）和微生物生物量氮（Nmic）采用氯仿熏蒸浸提法测定。Cmic和Nmic计算方法如下：Cmic=2.22 EC，Nmic=2.22 EN，式中，EC、EN分别为熏蒸和未熏蒸土样浸提液的有机碳、全氮的差值；2.22 为校正系数［15］，所有样品做3 个平行，取平均值作为样品的最终测定结果。

2.4 数据处理与分析

试验数据用Excel 2010 进行初步处理，通过SPSS 21.0 软件的单因素方差分析（one-way ANOVA）比较检验和相关性分析；以各土壤特征指标通过CANOCO4.5 软件完成主成分分析（Principal component analysis，PCA）。

采用模糊隶属函数法对不同树种的土壤改良作用能力进行综合评定。X（u）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；式中：X（u）为某一树种在某一土壤因子的隶属函数值；X 为该植物在某一土壤因子的平均测定值；Xmax和Xmin分别为所有土壤因子在该树种平均测定值中的最大值和最小值。

3 结果与分析

3.1 造林树种的土壤物理性质比较

由表1可见，造林树种区域和非造林地土壤pH为弱酸性（6.19～6.21），两块区域的土壤含水率、土壤容重、土壤电导率均存在一定差异。造林树种区域土壤含水率（14.27%）、土壤容重（1.25 g·cm-3）、土壤电导率（65.38 μS·cm-1）均显著高于对照。

表1 造林树种的土壤物理性质Tab.1 The soil physical properties of afforestation tree species

3.2 造林树种土壤化学性质的比较

由表2可知，海南菜豆树等7 个树种根区土的土壤有机质含量和全氮含量均高于对照。7 个树种的土壤有机质含量在12.85～20.89 g·kg-1之间，以五月茶、油楠和海南菜豆树较高；全氮含量在0.10～0.15 g·kg-1之间，各树种间差异不明显，但海南菜豆树、五月茶和岭南山竹子的土壤碱解氮含量显著高于其它树种，反映这些树种的土壤肥力较高。

表2 造林树种的土壤化学性质的比较Tab.2 Comparison of soil chemical properties of afforestation tree species

造林树种根区土的土壤全磷含量在0.08～0.77g·kg-1之间，变化差异较大，而土壤有效磷含量以海南菜豆树和五月茶较高。与全国水平土壤全钾含量4.15～20.75 g·kg-1［16］比较，7个造林树种的全钾含量均属于很低水平；以许联芳等［17］土壤速效钾含量为划分标准，7 个造林树种的速效钾含量在23.19～57.27 mg·kg-1之间，为严重缺钾量型（速效钾含量＜80 mg·kg-1）土壤。

3.3 造林树种土壤微生物生物量的比较

土壤微生物生物量检测结果显示（表3），7个造林树种土壤微生物碳和土壤微生物氮含量均高于对照。海南菜豆树的微生物生物量碳含量最高，为429.36 mg·kg-1，铁力木次之，岭南山竹子最低；土壤微生物生物量氮含量也以海南菜豆树最高，为38.47 mg·kg-1，五月茶次之，红花天料木最低。从微生物生物量C/N 比值来看，除五月茶，其它树种C/N比值高于对照，红花天料木和海南菜豆树C/N 比值较高。方差分析结果表明，海南菜豆树微生物生物量碳含量显著高于其它树种和对照，海南菜豆树、五月茶和铁刀木微生物生物量氮含量显著高于其它树种和对照。

表3 造林树种土壤微生物生物量的比较Tab.3 Comparison of soil microbial biomass of afforestation tree species

3.4 造林树种土壤化学性质与微生物生物量PCA分析

PCA 分析结果显示，第一和第二主成分的累积贡献率为84.1%。PCA1 主要反映的是土壤有机质、碱解氮、速效磷和土壤微生物生物量氮因子，PCA2主要反映的是速效钾、土壤微生物生物量C/N 比值、土壤微生物生物量碳、pH、全氮、全磷因子。第一排序与有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和全磷呈正相关，与其它因子呈负相关。

由图1还可知，假苹婆、铁刀木和油楠能较好聚为一类，主要影响因子有速效钾、pH、全氮和全磷；海南菜豆树和岭南山竹子能较好聚为一类，主要影响因子为碱解氮、全钾和微生物氮；五月茶和红花天料木各为一类。

图1 造林树种土壤化学性质与微生物生物量PCA分析Fig.1 PCA biplot of soil physical and chemical characteristics，soil microbial biomassof afforestation tree species

3.5 造林树种土壤肥力的综合评价

应用土壤化学性质和土壤微生物10 个因子进行的模糊隶函数值综合分析，比较造林树种的土壤改良作用。结果显示，7 个造林树种在早期生长过程中均能较好地改善土壤肥力。其平均隶属函数值在0.45～0.51 之间，以海南菜豆树最大，红花天料木次之，岭南山竹子最小（表4）。

表4 基于模糊隶属函数值对造林树种模式的综合评价Tab.4 Comprehensive assessments of afforestation tree species based on subordinate function values

4 讨论与结论

路嘉丽等［18］研究表明不同树种均能显著影响土壤各理化指标，土壤养分含量高的树种具有较好的土壤肥力维持能力。本研究结果显示，造林3a后，早期造林树种区域的土壤物理性质含水率、电导率高于非造林区；土壤化学性质的有机质、全氮、全磷和碱解氮含量也高于非造林区，但不同树种间的土壤肥力元素含量存在差异。与洪文君等［7］、陈文静［19］、Zhang 等［20］、方怡然等［21］研究结果一致，表明了这些乡土树种可改善土壤环境和提高土壤肥力。土壤碱解氮是土壤有效氮的主要形式，能反映土壤可供植物生长利用的有效氮素［22］。本研究结果显示，海南菜豆树、五月茶和岭南山竹子在早期造林中土壤碱解氮含量显著高于其它树种，反映了它们根区土的具有较高的土壤肥力，从而促进其生长。研究表明，速生性树种对磷和钾的需求量大［23-24］，但较高的土壤pH 值会影响植物吸收磷素含量减少［25］。本研究中，所应用的7 个造林树种土壤全磷含量较高，但有效磷和速效钾含量低，可能与造林地土壤pH 有关。因此，在早期造林过程中，应及时施用传统肥料以满足树种生长需求及改善土壤理化性质。

土壤有机质在养分循环过程中起着关键性作用，主要表现为对土壤微生物生物量含量的影响［26］。本研究结果显示，不同树种根区土的土壤微生物含量差异较大，所应用的乡土树种土壤微生物生物量低于华南地区相思人工林［27］，但高于海南省文昌市橡胶林［28］，其原因与人工经营林分措施（间伐或施肥）有关。人工经营措施有利于改善土壤结构，对植物根区土的土壤微生物量碳产生较大的影响。研究结果表明，7 个造林树种的土壤微生物生物量碳和氮含量均高于非造林，反映这些树种所在区域能较好地将植物残体数量归还给土壤，其可能原因与该地区的土壤温湿度有关［29-31］。陈宏峻等人［32］研究结果也揭示土壤微生物生物量反映土壤的肥力状况和能量代谢旺盛的程度。本研究结果，海南菜豆树和五月茶的土壤微生物生物量较高，促进土壤土壤微生物活跃度，从而提高土壤肥力。

PCA 分析结果表明，海南菜豆树等7 个乡土树种的土壤理化性质与土壤微生物生物量存在显著相关性，与张浩等［33］研究表明香港人工林的结果一致。本研究中造林树种的土壤肥力主要影响因子为有机质、碱解氮、速效磷和土壤微生物生物量氮，但每个树种的主要影响因子不同，表明了不同树种改善土壤肥力能力存在一定差异。Galloway［34］研究揭示了土壤肥力的组成成分决定着植物对栖息地的偏好。假苹婆、铁刀木和油楠土壤肥力的影响因子为有速效钾、pH、全氮、全磷、微生物碳、微生物C/N 比值，海南菜豆树和岭南山竹子主要影响因子为碱解氮、全钾和微生物氮，五月茶为速效磷和有机质因子，红花天料木为微生物碳、微生物C/N 比值因子。通过隶属函数值分析结果表明，造林树种改善土壤肥力能力以海南菜豆树，红花天料木次之，岭南山竹子最小。该研究结果将为海南退化山地植被恢复、华南地区低效林和生态公益林改造与建设提供重要的参考依据。