海南省枫木实验林场树木园土壤养分评价

陈人豪，韦建杏，田乐宇，陈修仁

海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院），海南 海口 571100

森林土壤是森林生态系统的重要组成部分，既是森林环境与生物相互作用的产物，也是森林生态系统中能量和物质交换的重要场所，为森林植被提供了生长发育的载体和赖以生存的物质基础[1-2]。土壤养分是土壤环境中易于变动和调节，并对维持森林植被的生长发育起决定作用的环境因子[3]，主要包括全氮、全磷和全钾等全量养分；碱解氮、速效钾和有效磷等速效养分以及有机质。同时，土壤pH会对土壤理化性质产生重要影响。

贺志龙等[4]对华北落叶松天然林的研究、杨晓娟[5]等对长白山地区不同森林类型土壤肥力研究，以及于法展[6]对庐山8种森林类型土壤养分的研究等，均表明不同森林类型的土壤养分含量在垂直方向上基本都随着土壤深度的增加而逐渐降低，降低的程度和显著度则因土壤养分类型的不同而有所差异。吴志祥等[7]对不同林龄橡胶园的土壤养分进行研究，结果表明，土壤全氮和有机质含量均随土层加深而降低，两者之间呈极显著正相关。

前人对于森林土壤的研究多集中于天然林、次生林和人工纯林等，对于近自然经营的用于保存林木种质资源的树木园研究较少。文章以海南省枫木实验林场近自然经营的树木园为研究对象，对其土壤养分特征进行分析及评价，为树木园的合理经营和林木种质资源保存提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究地及样地概况

研究区位于海南省枫木实验林场（19°11′38″N～19°15′52″N；109°56′17″E～109°58′15″E），地处热带海洋季风气候地区，属低山、丘陵地貌，海拔250m～450m，土壤类型主要为砖红壤和赤红壤。年平均气温24.5℃，年均降雨量1500m～2500mm，降雨多集中在雨季（5～10月份），11月至翌年4月为旱季，降雨较少[8]。

表1 样地概况Tab.1 Plot General Situation

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集与土壤化学性质测定

在树木园内随机设立3个土壤调查样地（20m×20m），采用土钻取土法，在每个样地内按照“Z”字形选9个点进行取土，每个点之间相距3.0m。从上至下，按照深度（d）将土壤分为0cm＜d≤10cm、10cm＜d≤20 cm、20cm＜d≤30cm、30cm＜d≤50cm、50cm＜d≤100cm五个土层，分别记为S1、S2、S3、S4，S5依次分层取土。

将取回的土壤样品置于阴凉通风处风干，粉碎土块，挑出根系、石块后进行研磨，研磨后使用100目土筛过筛备用。使用电位法测定pH；使用重铬酸钾—氧还滴定法测定有机质；使用半微量开氏法测定全氮；使用酸溶—钼锑抗比色法测定全磷；使用碱溶—火焰光度法测定全钾；使用碳酸氢钠提取—钼锑抗吸光光度法测定有效磷；使用乙酸铵浸提—火焰光度法测定速效钾；使用KCl浸提—流动分析仪法测定硝态氮和铵态氮。

1.2.2 土壤养分评价

由于土壤pH、氮磷钾含量等属性具有不可加和性，所以在对各林分的土壤养分进行评价前需将各指标的测定值进行标准化处理，以消除各指标间的量纲差别。常见的标准化方法有直线型、折线型和曲线型无量纲化法[9]，参考全国土壤养分含量分级标准（表2），设定土壤属性分级标准（表3），研究采用六折线型无量纲化方法进行标准化处理，具体如下：

（1）当测定指标值属于“六级”时，即Si≤K1时，

沥青混凝土心墙具黏弹塑性质，而混凝土基座为刚性结构，根据SL501—2010《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》，本工程采用在沥青心墙底部设扩大段、在混凝土基座面采用弧形底连接型式。设计沥青混凝土心墙扩大段高度2.0m，扩大后底部宽度2.0m；混凝土基座表面弧形接触面顶宽2.0m、深0.2m；为增加沥青心墙与混凝土基座的黏结力和防渗效果，施工时接触面混凝土首先进行凿毛处理，再喷涂0.2kg/m2的阳离子乳化沥青，待充分干燥后，最后涂刷一层厚2cm的沥青玛脂，并在凹槽内一道紫铜止水连接。

（2）当测定指标值属于“五级”时，即K1＜Si≤K2时，

（3）当测定指标值属于“四级”时，即K2＜Si≤K3时，

（4）当测定指标值属于“三级”时，即K3＜Si≤K4时，

（5）当测定指标值属于“二级”时，即K4＜Si≤K5时，

（6）当测定指标值属于“一级”时，即K5＜Si时，

式中：Pi为第i个指标的肥力系数，简称肥力系数；Si第i个指标的测定值；K1、K2、K3、K3、K4、K5分别为各肥力指标“六级”至“一级”的分级标准（表3）。

评价模型：

采用修正的内梅罗综合指数法对林分土壤肥力质量进行综合评价[10]。计算公式为：

式中：Pj为土壤综合肥力系数（土壤养分系数之和）；Pi平均为土壤各肥力系数的平均值；Pi最小为土壤肥力系数的最小值；n为参与评价的土壤肥力指标个数。

表2 全国土壤养分含量分级标准Tab.2 National Soil Nutrient Content Grading Standards

表3 土壤肥力分级标准Tab.3 Classification Standard of Soil Fertility

根据土壤肥力分级标准（表3），利用式（1）～（7）进行标准化计算，设立土壤肥力系数分级标准（表4），计算土壤肥力系数，进行土壤养分评价。

表4 土壤肥力系数分级标准Tab.4 Classification Standard of Soil Fertility Coefficient

1.2.3 数据整理与分析

使用Excel 2019和SPSS 20.0进行数据整理、图表制作及数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分特征

由表5可知，随着土层的加深，树木园土壤：pH呈缓慢升高趋势，但各土层间无显著差异；S5土层pH最大，为5.36±0.36。有机质含量呈显著降低趋势；S1土层、S2土层、S3和S4土层、S5土层间差异显著；S1土层有机质含量最高，为25.53±6.56g·kg-1。全氮含量呈明显降低趋势；S1、S3、S5土层间差异显著；S1土层全氮含量最高，为1.89±0.32g·kg-1。全磷含量呈先升高再降低的趋势，但各土层间差异不显著；S5土层全磷含量最高，为1.50±0.32g·kg-1。全钾含呈先升高再降低趋势；S1、S2、S3土层与S5土层差异显著；S3土层全钾含量最高，为32.64±2.89g·kg-1。有效磷含量呈先降低再升高的特点；S1土层、S3和S4土层、S5土层间差异显著；S5土层有效磷含量最高，为17.08±4.54mg·kg-1。速效钾含量呈明显降低趋势；S1、S3、S5土层间差异显著；S1土层速效钾含量最高，为79.78±25.21mg·kg-1。硝态氮含量呈显著降低趋势；S1、S2土层与S4、S5土层差异显著；S1土层硝态氮含量最高，为26.50±8.85mg·kg-1。铵态氮含量呈降低趋势，但各土层无显著差异；S1土层铵态氮含量最高，为13.32±1.01mg·kg-1。

S1土层与S2、S3、S4、S5的比值：有机质为7.82、5.76、3.56、2.15；全氮为3.55、2.72、2.02、1.47；全磷为0.78、0.72、0.64、0.62；全钾为1.30、1.33、1.38、1.24；有效磷为0.56、0.32、0.16、0.14；速效钾为6.46、3.45、1.99、1.40；硝态氮为10.09、4.38、1.91、1.10；铵态氮为1.78、1.52、1.69、1.18。

表5 树木园土壤理化性质Tab.5 Physico Chemical Properties of Tree Garden Soil

2.2 土壤养分垂直分布与土层深度的拟合方程

用二次曲线、指数曲线、对数曲线和复合曲线等曲线函数模型对树木园土壤有机质、全氮等8种营养成分的含量（N）与土层深度（d）进行拟合，以F值和R2评定模型的拟合程度，选出树木园土壤各营养成分垂直分布的最适回归模型。

结果表明（表6），树木园土壤有机质和铵态氮含量，指数曲线（lnN=a+b×d）拟合效果最好；土壤全氮和全钾含量，二次曲线（y=ax2+bx+c）拟合效果最好，土壤速效钾和硝态氮含量三次曲线（y=ax3+bx2+cx+e，e为常数）拟合效果最好；土壤全磷和有效磷含量未找到最适函数拟合方程。

表6 树木园土壤养分拟合方程Tab.6 Soil Nutrient Fitting Equation of Tree Garden

2.3 土壤养分评价

根据全国土壤养分分级标准（表2），树木园中土壤养分含量为四级（中）及以上的（见表7）：S1土层为有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾；S2土层为有机质、全氮、全磷、全钾和有效磷；S3土层为有机质、全氮、全磷和全钾；S4土层为全氮、全磷和全钾；S5土层为全磷、全钾和有效磷。除有效磷外，各土壤养分均随土层加深而含量降低；全磷和全钾含量在各土层均含量很高（二级），碱解氮含量在各土层都为五级（低）及以下。

总的来看，树木园土壤表层（S1土层）除碱解氮含量为低级外，其他均为中、高或极高（表7），综合肥力系数最高（2.36），但根据土壤肥力系数分级标准（表4），表层土壤肥力也仅为一般，其它土层均为贫瘠；且随土层加深，土壤综合肥力系数逐步降低（表8）。

表7 树木园土壤养分含量分级Tab.7 Classification of Soil Nutrient Content in Arboretum

表8 树木园土壤养分肥力系数Tab.8 Soil Nutrient Fertility Coefficient of Arboretum

3 结论与讨论

3.1 结论

海南省枫木实验林场树木园土壤肥力总体较为贫瘠，综合肥力随土层加深而明显下降，土壤养分的表聚现象明显，有效磷、速效钾和碱解氮是影响树木园土壤综合肥力系数的主要指标。因此，改善树木园的土壤肥力状况，提高土壤有效磷、速效钾和碱解氮含量是关键。

3.2 讨论

森林土壤是森林植被生长的物质基础，土壤的水分和养分含量直接决定着林木生长和林分质量，其组成结构和空间分布格局对土壤生产力有重要影响[11-12]。虽然森林土壤的成土母质、气候、地形和地表植被各异，但森林土壤养分含量基本都表现出表聚性，养分含量随土层的加深而明显下降[13-14]。

该研究显示，树木园的土壤肥沃程度，仅S1土层肥沃程度一般，其它各土层均为贫瘠。各土壤养分含量在总体上均呈随土层加深而降低的趋势；土壤养分主要分布于S1和S2土层中，在S1土层土层分布最为丰富，综合肥力系数最高，各土层的土壤综合肥力系数随土层的加深而下降，说明树木园土壤养分的表聚现象明显，这与众多研究一致[15-16]。

从土壤养分分级来看，树木园土壤中有机质、全氮、全磷和全钾含量较为丰富；能被林木根系直接吸收的有效磷、速效钾和碱解氮的含量则较少，这也是导致土壤肥力系数较低的主要因素。这与唐群峰[15]等对海南土壤肥力的研究结果一致。土壤表层综合肥力系数较大，可能是因为林木根系分布集中于土壤表层，根系周转和凋落物等共同作用下，使土壤表层有机质和氮磷钾含量较高[17]。

树木园土壤各土层的有效磷、速效钾和碱解氮含量均为中等（四级）及以下，是因为热带地区气候炎热多雨，加速了土壤速效养分的淋溶，致使土壤速效养分含量很低[18-19]，碱解氮含量更是只有五级（低）及以下。全磷和全钾含量各土层均为一级和二级，一般而言砖红壤中全钾含量较低，但该研究结果显示全钾含量很高，这可能是丘陵区成土母质和岩石等裸露较多，受淋溶效应明显，易溶的速效钾流失而大量难溶的钾滞留于土壤中，致使全钾含量偏高。