桂西北不同林龄秃杉人工林土壤理化性质1)

何斌

(广西大学，南宁，530004)

韦秀媚

(广西国有维都林场)

冯建强

(广西林业勘测设计院)

杨家强

(广西国有维都林场)

黄承标

(广西大学)

张日施

(广西八桂林木花卉种苗股份有限公司)

人工林是当今世界森林资源的重要组成部分。发展人工林是增加我国森林资源、解决木材供需矛盾、实施天然林保护和生态环境建设的有效措施和必然选择[1-2]。但由于人工林林分结构单一、物种多样性贫乏,加上受到树种生物学特性以及经营措施等多方面影响,因而容易导致地力衰退和生态功能下降,已成为当前林业科学最为关注和急需解决的世界性问题之一[3-4]。森林土壤,作为森林生态系统的重要组成部分,是林木生长发育的物质基础[5-6],同时与森林的形成、发展或演替存在着相互影响和相互作用的密切关系;土壤理化性质,在很大程度上反映了土壤肥力状况,是衡量土壤质量高低的重要指标,对林地生产力以及森林生态功能作用的发挥都起着极为重要的作用[7-8]。大量研究表明,不同类型人工林,因其林分结构、林木组成、林分密度、林龄或者生长阶段等不同,其对土壤理化性质的影响存在不同程度的差异[9-14]。因此,研究人工林不同林龄或生长阶段土壤理化性质及其变化规律,对了解森林土壤的形成、结构和作用,揭示林木生长与土壤理化性质的关系及其作用机理,实现森林人工调控和可持续经营具有重要实际意义[11-12]。

秃杉(Taiwaniaflousiana)为杉科台湾杉属珍稀树种,具有适应性广、速生和速生期长、生物生产力及出材量高等优点[15-16],已成为我国南方部分中、低山区杉木采伐迹地更新的优良替代树种和退耕还林的重要栽培树种,同时也是培育大径级珍贵用材和建设国家木材战略储备林的优良树种[17]。由于秃杉人工林多数是在原杉木采伐迹地采用纯林经营,随着秃杉人工林的迅速发展,其生长过程对林地地力的影响逐渐引起关注。有关秃杉人工林对土壤理化性质影响的研究,已有报道,但均集中在林龄20年生以下的秃杉中、幼林[18-21]。由于秃杉人工林经营中,即使以培育中、小径材为经营目标,其轮伐期也需要20多年;如果进行大径材培育,其经营时间更长。因此,已有的研究结果在反映秃杉人工林生长过程对土壤理化性质影响方面存在明显的不足。为此,本研究于2018年3月份,在广西南丹县山口林场9、17、25、37年生秃杉人工林中,分别选择邻近分布、立地条件基本一致地段,各设置3块20 m×20 m的样地,按照土层深度(h)0

1 研究区概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场。南丹县(107°1′～107°55′E、24°42′～25°37′N)地处云贵高原边缘,地貌以中低山为主,海拔多数在500～1 000 m之间,具有高原山区的气候特点和变化规律。年平均气温16.9 ℃,年平均降水量1 498 mm[16]。试验地海拔950～1 020 m,土壤母质(母岩)为砂页岩,风化程度较深,土壤类型为山地黄壤,平均土层厚度80 cm以上,腐殖质层厚度18～25 cm,水肥条件良好,比较适宜杉木(Cunninghamialanceolata)、秃杉、马尾松(Pinusmassoniana)及各种乡土阔叶乔木树种的生长。

不同林龄秃杉林,前茬林分均为杉木纯林,分别于各自造林前一年冬天采伐,经炼山和清理杂物后挖穴整地,种植穴规格为0.4 m×0.4 m×0.3 m。第二年3—4月份用林场培育的1年生实生苗(贵州雷公山种源)定植,造林密度约2 500株·hm-2(株行距2 m×2 m)。秃杉造林后,前3 a的春季和秋季各进行1次铲草抚育;造林后9～10、14～15、19～20 a分别进行间伐,间伐强度约为25%、20%、30%;经营过程中各林龄林分均没有进行人工施肥[17]。2018年3月份,调查不同林龄秃杉人工林样地概况(见表1)。

表1 不同林龄秃杉人工林样地概况

2 研究方法

样地设置与土壤样品采集:根据南丹县山口林场秃杉人工林栽植情况,在野外详细调查的基础上,于2018年3月份,分别在9、17、25、37年生秃杉人工林中,选择邻近分布、立地条件基本一致地段,各设置3块20 m×20 m的样地;在每块标准地内按S形随机设置5个代表性采样点,按照土层深度(h)0

土壤样品的理化性质测定:土壤含水量,采用烘干法测定;土壤密度、孔隙度、持水量,采用环刀法测定[22]。土壤pH,采用电位法测定;土壤有机质质量分数,采用重铬酸钾-硫酸容量法测定[15];土壤全氮质量分数,采用凯氏定氮法测定;土壤全磷质量分数、全钾质量分数,先用氢氧化钠熔融后,全磷质量分数、全钾质量分数依次采用钼锑抗比色法和火焰光度计法测定;土壤水解氮质量分数,采用碱解扩散法测定;土壤有效磷质量分数,采用双酸(H2SO4-HCl)浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾质量分数,采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定[22]。

数据处理:采用Excel2013软件对相关数据进行处理;应用SPSS 22.0软件采用单因素方差分析法,分析不同林龄秃杉人工林各土层土壤理化学性质的差异及林龄对秃杉人工林土壤理化性质的影响。

3 结果与分析

3.1 不同林龄秃杉人工林土壤物理性质的差异

土壤密度与孔隙状况(见表2):①不同林龄秃杉人工林土壤密度均随土层加深而下降。在0

表2 不同林龄秃杉人工林土壤密度和孔隙状况

土壤水分状况(见表3):不同林龄秃杉人工林,土壤非毛管持水量在5.50%～18.43%之间、土壤毛管持水量在46.97%～50.20%之间、土壤田间持水量在43.94～54.06%之间,在垂直分布上均随土层加深而减小。同一土层,土壤非毛管持水量、毛管持水量、田间持水量,均呈现随林龄增加而增大的变化趋势;其中,37年生秃杉人工林土壤非毛管持水量,与9、17年生秃杉人工林土壤非毛管持水量差异显著(P<0.05);37年生秃杉人工林土壤最大持水量与9年生秃杉人工林土壤最大持水量差异显著(P<0.05)。

表3 不同林龄秃杉人工林土壤水分状况

森林形成和生长过程中,其不同林龄或生长阶段对土壤性质的影响,存在不同程度的差异[23-24];一方面,林龄增加可以通过改变植被状况,如树种结构和林下植被组成、数量,从而对土壤养分供应与植被尤其是林木生长需求之间的平衡关系产生影响,并通过向林地土壤输入植物残体(凋落物和大量死根)及根系分泌物,从而影响土壤理化性质;另一方面,森林内的水分、热量和光照条件随森林生长过程而发生变化,其对植物残体的形成与分解、微生物群落结构和功能特征都会产生重要影响,导致土壤理化性质也随之发生改变[25]。土壤密度和孔隙度分别是土壤紧实程度和土体构造的重要指标,影响着土壤结构、组成和通气、透水性能以及林木根系的生长发育[20]。本研究中,不同林龄秃杉人工林土壤密度均随土层加深而增加;土壤总孔隙度和最大持水量均随土层加深而下降,其原因主要是林地表层积累大量凋落物,通过腐解作用致使有机质质量分数、微生物数量和活动高于或者强于下层,加上其根系的分布和伸展作用也随土层加深而减弱,从而导致林地土壤密度随土层加深而增大、孔隙度和最大持水量均随土层加深而减小,通透性则随之变差。而各林龄不同土层孔隙度和最大持水量,均明显高于多数我国杉木、马尾松、落叶松人工林主要栽培区相同土层的研究结果[26-30],表明该秃杉林土壤较疏松、通气透水性能较强。目前,国内有关林龄对杉木人工林土壤总孔隙度和最大持水量影响的研究中,衣晓丹[26]对江西省分宜县大岗山研究结果认为,不同林龄杉木人工林土壤总孔隙度和最大持水量,由大到小依次为7年生、22年生、30年生、38年生;王丹等[27]在福建省将乐县的研究表明,不同林龄杉木人工林土壤总孔隙度和最大持水量,由大到小依次为49年生、7年生、29年生、16年生、23年生;李惠通等[28]在福建省三明市的研究结果认为,不同林龄杉木人工林土壤总孔隙度和最大持水量,由大到小依次为5年生、24年生、15年生;可见上述研究中即使林龄达到30年生(成熟林),杉木林土壤孔隙性状和持水性能还未能恢复到幼龄林阶段。本研究中,秃杉人工林不同土层,总孔隙度和最大持水量均呈现随林龄增加逐渐增大趋势,土壤非毛管孔隙和持水量也有相同的变化趋势;其原因是随着林龄增加,林地凋落物逐渐积累,其通过腐解作用促进了土壤有机质质量分数增加,加上林木根系伸展作用逐渐增强,从而促进土壤透水性能的增强。

3.2 不同林龄秃杉人工林土壤化学性质的差异

土壤pH和土壤有机质质量分数(见表4):①不同林龄秃杉人工林土壤pH分布在4.25～4.75之间,均属于强酸性土壤,且同龄间均表现为随土层加深而增加。不同土层各林龄土壤pH差异均不显著,但总体上均呈现随林龄增加而下降的变化趋势。②不同林龄土壤有机质质量分数为33.27～78.94 g·kg-1,在垂直分布上均表现为随土层加深而下降。随林龄增加,同一土层土壤有机质质量分数,均呈现随林龄增加逐渐增加的变化趋势;其中,0

土壤全量养分质量分数(见表4):①不同林龄秃杉人工林,0

土壤速效养分质量分数:秃杉人工林土壤速效养分质量分数,因林龄不同和速效养分指标不同,而存在差异(见表4)。①不同林龄,0

表4 不同林龄秃杉人工林土壤化学性质

林龄/a全磷质量分数/g·kg-10

土壤酸碱度对土壤有机质的分解及其养分元素释放与转化等都具有重要影响[31]。本研究中,不同林龄各土层pH均随林龄增加而下降,这是因为秃杉作为针叶树种,其生长过程中凋落物随林龄增加而逐渐积累,凋落物分解过程产生有机酸也随之增加,并向矿质土层淋洗,致使林地酸性也随之增强。

土壤有机质作为表征林地土壤肥力的重要指标,也是衡量林地生产力的重要因子;而土壤氮磷钾质量分数的高低,直接影响到森林生态系统的养分平衡。本研究中,各林龄秃杉人工林0

土壤速效养分与植物生长发育密切相关,更能够反映土壤养分的供应水平。本研究中,各林龄秃杉人工林土壤水解氮质量分数均达到我国土壤养分分级标准中极丰富或者丰富的一、二级水平;各林龄秃杉人工林土壤速效磷质量分数多数处于极缺乏六级水平(低于其临界值的3 mg·kg-1),其原因既与其土壤母质(砂页岩)磷素质量分数低有关,同时也表明秃杉林木生长会受到土壤磷素营养的限制;各林龄秃杉人工林土壤速效钾质量分数多数处于中等至缺乏的三至五级水平。从不同林龄各土壤速效养分质量分数看,总体上均表现出与其土壤有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数相同的变化趋势,说明秃杉人工林生长过程中,既促进土壤有机质质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数生物积累,同时也促进了土壤中速效养分的释放与提高。

3.3 秃杉人工林土壤理化性质间的相关性

回归分析表明(见表5),秃杉人工林各土壤理化性质指标间均存在不同程度的相关关系,其中:土壤密度,与土壤总孔隙度、土壤最大持水量、土壤养分指标(除全钾质量分数外)呈极显著正相关,与土壤pH呈极显著负相关;土壤总孔隙度和最大持水量,分别与土壤养分指标(除全钾质量分数外)呈极显著相关和显著正相关,与土壤pH呈极显著正相关;土壤pH,与土壤养分指标(除全钾质量分数外)呈现极显著相关或显著相关。而在各养分指标间的相关关系中,除全钾外,各养分指标多数存在极显著相关或显著相关。

表5 秃杉人工林主要土壤理化性质间的相关性

4 讨论与结论

本研究表明,随着秃杉人工林林龄的增加,同一土层土壤密度逐渐降低,土壤总孔隙度、最大持水量则逐渐增大,土壤有机质和主要养分质量分数逐渐提高;表明秃杉人工林的生长过程有利于改善土壤结构和孔隙性能,增强持水性能,同时促进土壤有机质和土壤主要养分的积累,有利于土壤肥力的恢复、维持和提高。这与有关杉木人工林对土壤理化性质影响的研究结果[26-27,35]存在较大差异,其原因是秃杉人工林凋落物形成较早,且凋落物宿存现象不明显,其生长过程中林地凋落物比较丰富[16],大量以树叶为主且较易分解的凋落物经过分解和腐殖化作用后,逐渐提高了土壤中有机质质量分数和主要养分质量分数;而且秃杉根系发达,其庞大根系的穿插、伸展过程会产生各种孔隙,加上大量活根的分泌作用,以及死根系的腐解也会增加土壤有机质质量分数和主要养分质量分数,同时产生各种孔隙,致使土壤密度则逐渐下降,土壤孔隙度和持水性能也逐渐提高,同时也促进了土壤有机质和主要养分的生物积累,因而有利于土壤肥力的恢复、维持和提高。

本研究中,受土壤母质(母岩)的影响,研究区不同林龄秃杉人工林土壤磷素质量分数均不高,尤其是速效磷质量分数均低于其临界值(<3 mg·kg-1);因此,在土壤中有机质和氮素营养比较充足状况下,土壤中磷素、钾素(有效磷和有效钾)尤其是磷素营养不足,是影响秃杉人工林生态系统营养元素生物循环和林木生长量提高的重要因素;建议在秃杉人工林的经营过程中,尤其是生物量积累速率最快的9～17年生阶段[16],通过适当补充磷肥、钾肥,以满足林木生长需求,促进林分快速生长,加快土壤与林木的营养元素生物循环,提高秃杉人工林的林地生产力。