長期連作下廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變特征與評價

趙雋宇，張澤堯，覃祚玉，王會利，覃其云，唐 健

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；2.國有黃冕林場，廣西 鹿寨 545699）

杉木Cunninghamia lanceolata，我國特有的原生速生樹種，其已有1 000多年的栽培歷史，在我國南方熱帶、亞熱帶區(qū)域廣泛分布[1]。杉木具有材質(zhì)優(yōu)良、易加工、耐腐朽、有香氣、白蟻不駐的特點，為我國南方的重要商品木材，對社會、經(jīng)濟發(fā)展有重要意義[2]。廣西是杉木人工林主要種植區(qū)域，種植面積約為150.3×104hm2，占全國杉木人工林面積的17.56%。改革開放以來，廣西大范圍推廣桉樹Eucalyptus、杉木等速生樹種的種植，迄今為止已有40余年的歷史[3]。隨著廣西杉木人工林連栽代數(shù)和種植面積的不斷增長，片面追求速生豐產(chǎn)所導致的杉木人工林生產(chǎn)力下降、土壤肥力退化等問題日益被人們所重視。

土壤肥力受母質(zhì)、地形等內(nèi)在因素以及耕作、施肥等外在因素的綜合影響，具有時空變化特征[4-5]，長期、高強度、大范圍地種植杉木人工林是否會造成地力嚴重衰退這一問題在國內(nèi)外學者中尚未有定論。Chen等[6]認為，長期經(jīng)營下的杉木人工林地土壤磷酸酶活性會顯著降低，進而影響有效磷含量，這種影響隨著土層深度的增加而逐漸降低。王清奎等[7]、Niu等[8]在對杉木、柳杉、含笑3種人工林長期對比研究后發(fā)現(xiàn)，杉木葉片碳含量較高，杉木人工林土壤固碳能力顯著高于其他2個樹種。唐健等[9]采用主成分分析法評價了桂東、桂西、桂北杉木人工林土壤肥力狀況，杉木土壤肥力綜合評價指數(shù)F值在-2.048～2.676之間，二代林土壤肥力質(zhì)量顯著高于一代林。吳蔚東等[10]研究不同林齡杉木人工林土壤肥力演變后發(fā)現(xiàn)，從造林階段到5～8 a的幼林期，包括林地凋落物層、土層厚度、有機質(zhì)、全N、CEC、pH值和速效N、P、K在內(nèi)的林地主要土壤質(zhì)量性狀大幅度退化。隨著樹齡增大至12 a近熟林，林地土壤質(zhì)量開始緩慢恢復，林地質(zhì)量隨樹齡的增長呈現(xiàn)U型演變規(guī)律。張蕓等[11]探討了24年生杉木人工林不同養(yǎng)分元素與C∶N∶P化學計量比關系發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)含量隨著林齡變化較為穩(wěn)定，N∶P與杉木生物量呈正相關，除有效磷較為缺乏外，其余養(yǎng)分元素有效性及含量均處于較高水平。長期經(jīng)營下杉木人工林土壤肥力狀況變化尚不明確[12]，并且眾多的研究采取“以空間代時間”的研究方法，缺乏長期、定點、定量觀測數(shù)據(jù)[13-14]。

鑒于此，本研究以廣西林科院25年來對杉木主產(chǎn)區(qū)土壤肥力指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，選取數(shù)據(jù)較為充分的5個年份對廣西杉木主產(chǎn)區(qū)土壤肥力進行評價，探究土壤肥力演變特征。一方面，充分研究廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變特征，為進一步探究造成土壤肥力變化的根本原因提供基礎數(shù)據(jù)；另一方面，對深入研究杉木人工林養(yǎng)分循環(huán)方式具有參考價值，也為退化土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復和人工林持續(xù)經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域為廣西壯族自治區(qū)內(nèi)杉木人工林主產(chǎn)區(qū)，范圍覆蓋整個廣西。研究區(qū)地理坐標為104°28′～112°04′E，20°54′～26°24′N，屬 于 典型亞熱帶季風氣候，廣西地處中國地勢第二臺階中的云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，南臨北部灣海面。自治區(qū)內(nèi)年平均氣溫在17.5～23.5 ℃之間，氣候較為溫暖，雨水充沛，日照充足，年平均降水量1 694.8 mm，年均積溫介于5 000～8 300 ℃之間。廣西境內(nèi)喀斯特地貌廣布，整體屬于山地丘陵性盆地地貌，成土母巖以第四紀紅土母質(zhì)、石灰?guī)r、板頁巖為主，土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃紅壤和石灰土。

1.2 數(shù)據(jù)來源及采樣分析

本研究以廣西林科院檢測中心自1992年對廣西各國有、區(qū)直林場杉木人工林土壤普查數(shù)據(jù)為主要來源，輔以《廣西紅壤》、中國知網(wǎng)查找近些年公開發(fā)表文獻中相關的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)。選取廣西13個市、16個縣/區(qū)林場等共計291個樣點的數(shù)據(jù)，采樣時間為每年11月份。土壤樣品采集方法：根據(jù)不同林場杉木人工林實際種植情況，選取立地條件相似、經(jīng)營措施相同、生長狀況良好的有代表性的高強度連栽的杉木人工林，設置面積為20 m×20 m的標準地進行采樣。標準地內(nèi)用土鉆“S”形取樣法，采集5～8個樣點的0～20 cm土壤，挑除植物根系后將土壤均勻混合后用四分法選取1 kg土壤裝入自封袋保存，帶回實驗室進行風干，過2 mm土篩用于測定土壤化學性質(zhì)。土壤樣品由廣西各國有、區(qū)直林場各分場部林業(yè)技術(shù)員采集，廣西林科院提供采樣方法指導與技術(shù)支持，由廣西林科院檢測中心負責測定土壤肥力指標。肥力指標檢測方法：土壤pH值采用電位法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定。全氮、堿解氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷含量硝化后用全自動間斷分析儀測定，有效磷含量采用M3溶液浸提后用全自動間斷化學分析儀測定，全鉀含量用堿溶-火焰光度法測定，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定[15-16]。

表1 采樣地區(qū)分布Table 1 Sampling area distribution

1.3 土壤肥力評價方法

1.3.1 模糊數(shù)學法

根據(jù)模糊數(shù)學中隸屬度理論建立肥力評價參數(shù)的隸屬度函數(shù)，計算隸屬度值來表明各項參數(shù)在土壤肥力質(zhì)量中的狀態(tài)，通過各評價參數(shù)的權(quán)重來計算綜合評價值以表征土壤肥力質(zhì)量的整體狀況。根據(jù)評價指標與土壤質(zhì)量變異的正負相關性來確定函數(shù)類型（1）、（2），計算隸屬度值[17]。采用主成分分析法確定各指標權(quán)重，根據(jù)公式（3）計算土壤肥力綜合得分，得到土壤肥力指數(shù)（Integrated fertility index，IFI）。

戒上形函數(shù)：

梯形函數(shù)：

式中：a為函數(shù)的最小值；b為函數(shù)的最大值；c和d為函數(shù)的最優(yōu)值；x為指標測定值。

式中：Wi和Ci分別表示第i種肥力指標的隸屬度值和相應的權(quán)重系數(shù)。

1.3.2 因子分析法

因子分析方法（Factor analysis）有助于具體而且全面反映問題的本質(zhì)特征，可以解決各指標間的信息重合問題，使得評價更具針對性又不失準確性[18]。首先將指標進行無量綱化處理，本研究選取的方法為均值化法，依據(jù)公式（4）計算因子得分，最后通過公式（5）計算土壤肥力指數(shù)。

式中：λ為原有變量相關系數(shù)矩陣。

式中：aj為各提取成分中方差貢獻率比值；Fj為因子得分矩陣。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft Office Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，Origin 2018軟件繪圖，SPSS19.0軟件進行因子分析與主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學指標演變特征

基于對廣西杉木人工林25 a土壤pH值、有機質(zhì)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理得到不同種植年限土壤pH值與有機質(zhì)的演變特征，結(jié)果如圖1所示。土壤酸堿度是重要的化學指標pH值過高或過低都不利于植物的良性生長。自1992年杉木人工林大規(guī)模種植開始，隨著種植時間的不斷增長，土壤酸堿度整體變化幅度在4.59～4.89之間，屬于偏酸性土壤，適宜杉木生長。各年份土壤酸堿度大小排序為2017（4.89）＞2014（4.66）＞1997（4.62）＞2006（4.61）＞1992（4.59）。pH值擬合方程R2為0.920 5，擬合度較高，說明pH值隨時間增長上升趨勢明顯。土壤有機質(zhì)是土壤固相重要的組成部分，盡管有機質(zhì)含量僅占土壤總量很小一部分，但是土壤有機質(zhì)對于土壤形成發(fā)育、土壤肥力保持、生態(tài)環(huán)境維護等方面有著至關重要的作用。杉木人工林不同種植年份土壤有機質(zhì)含量差異顯著（P＜0.05），且隨著種植時間的增長而增加，土壤有機質(zhì)含量最低值為1992年的22.36 g/kg，2017年有機質(zhì)含量為35.63 g/kg，與1992年相比增加了59.34%。除2014年土壤有機質(zhì)含量相比2006年下降了2.37 g/kg外，杉木人工林隨著長時間的人工撫育，有機質(zhì)逐漸在土層積累，含量總體呈上升趨勢（圖1B）。

圖1 不同種植年限土壤酸堿度與有機質(zhì)的演變特征Fig.1 Evolution characteristics of soil acidity and alkalinity and organic matter in different planting years

土壤養(yǎng)分指標演變特征如圖2所示。從不同種植時間來看，土壤全氮含量隨著種植時間的增長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢（圖2A），全氮含量最大值為2006年的2.47 g/kg，顯著高于其他年份（P＜0.05）。1992—2017年全氮含量的波動范圍為1.11～2.47 g/kg。如圖2B—C所示，土壤全磷、全鉀含量最大值均出現(xiàn)在2014年，分別為0.88、25.25 g/kg，土壤全磷、全鉀含量呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢，擬合方程R2較低，分別為0.527 8、0.667 4，其中可能的原因是全磷、全鉀易受到雨水淋溶、地表徑流的影響，杉木種植區(qū)域為亞熱帶季風氣候，降水量大，地表徑流量大，高強度的降雨使土壤全磷、全鉀含量出現(xiàn)大幅度波動。堿解氮含量隨著種植時間的增長不斷升高，整體呈上升的趨勢，擬合方程R2為0.911 7，擬合度較高。如圖2D所示，2017年堿解氮含量為最大值（180.35 mg/kg），與1992年相比顯著增長了74.53%（P＜0.05），堿解氮含量變化范圍為103.33～180.35 mg/kg。如圖2E所示，土壤有效磷含量變化范圍為1.55～1.91 mg/kg，各年份間有效磷含量并未表現(xiàn)出顯著差異性（P＞0.05）。與1992年相比，2017年土壤有效磷含量下降了0.46 mg/kg，各年份間有效磷含量并未表現(xiàn)出顯著差異性（P＞0.05）。如圖2F所示，土壤速效鉀含量變化范圍為38.07～50.98 mg/kg，1997年土壤速效鉀含量為38.07 mg/kg，顯著低于其余4個年份（P＜0.05）。

2.2 土壤肥力演變特征

選用因子分析法與模糊數(shù)學法共同評價廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力質(zhì)量，通過比較兩種廣泛運用于土壤質(zhì)量評價中的方法計算土壤肥力指數(shù)，互為驗證，使評價結(jié)果準確性更高。與用主成分提取因子的方法相比，因子分析法不會損失總變異信息，采用未加權(quán)最小平方法對載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)變換，使提取的載荷值更有明確的指向意義。如表2所示，因子分析法共提取了3個因子，累計貢獻率達到78.536%，說明這3個特征因子能較為準確地反映土壤肥力質(zhì)量。因子1占方差總比重的51.951%，對整體的土壤肥力系統(tǒng)影響較大，其中有機質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮的載荷值均≥0.750，分別為0.892、0.979、0.771、0.956，說明這些指標的高低對土壤評價系統(tǒng)具有顯著影響，因子2的方差貢獻率為22.871%，其中有效磷的載荷值為0.999，說明有效磷的含量高低對土壤評價系統(tǒng)有較大的影響。因子3的方差貢獻率為3.714%，說明提取的因子3對土壤評價系統(tǒng)的影響較低，且評價指標載荷值均處于較低水平，故不做深入討論。

圖2 不同種植年限土壤養(yǎng)分元素的演變特征Fig.2 Evolution characteristics of soil nutrient elements in different planting years

運用因子分析法與模糊數(shù)學法對廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力質(zhì)量進行評價，結(jié)果如圖3所示。因子分析法計算的土壤肥力指數(shù)排序為2017年（0.55）＞2006年（0.51）＞2014年（0.49）＞1997年（0.41）＞1992年（0.39）。模糊數(shù)學法計算的土壤肥力評價指數(shù)排序為2017年（0.53）＞2014年（0.47）＞2006年（0.43）＞1997年（0.41）＞1992年（0.34）。1992年的土壤肥力指數(shù)在兩種評價體系下均為最低值，分別是0.39、0.35。土壤肥力指數(shù)最高的為2017年，因子分析法與模糊數(shù)學法計算的土壤肥力指數(shù)分別為0.55、0.53。因子分析法評價結(jié)果中，2006年土壤肥力指數(shù)為0.51，高于2014年的0.49，而模糊數(shù)學法評價結(jié)果為2014年土壤肥力指數(shù)高于2006年的。不同年份下土壤肥力指數(shù)大小雖然波動變化，但整體的演變趨勢是土壤肥力隨著年份增長而逐漸升高的。

圖3 不同年份下土壤肥力指數(shù)的演變特征Fig.3 Evolution characteristics of soil fertility index in different years

3 討 論

運用因子分析法與模糊數(shù)學法進行土壤肥力質(zhì)量評價，與傳統(tǒng)的單一評價體系的研究相比[19]，充分發(fā)揮了不同評價體系的優(yōu)勢，同時兩種方法互為驗證，保證了評價結(jié)果的準確性。通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)對杉木主產(chǎn)區(qū)人工林25 a土壤肥力質(zhì)量評價可以動態(tài)地反映林地土壤狀況。土壤肥力指標方面，土壤pH值與有機質(zhì)含量隨著連栽時間的增長有不同程度的上升，杉木適宜生長的土壤pH值范圍為4.5～6.5，造成pH值上升的原因可能是人工撫育以及杉木化感作用的結(jié)果[20-21]。2017年有機質(zhì)含量為35.63 g/kg，與1992年相比增加了59.34%。已有研究[22-23]表明，杉木凋落物相對較多，并且在5～8 a的近成熟林期具有較強的固碳能力，對土壤有機質(zhì)的積累具有一定的正效應[24]。土壤全鉀、全磷、有效磷含量隨著種植時間的增長整體呈現(xiàn)下降的趨勢。土壤中的鉀易受雨水淋溶作用影響，廣西雨季時間長，暴雨較多，由于長期皆伐、輪作導致林下植被豐度低，裸露的土壤在雨水反復沖刷下，鉀元素流失嚴重[25]。磷是植物生長過程中不可或缺的元素，一方面，杉木經(jīng)過速生階段發(fā)育到成熟林的過程對磷需求大，土壤中的磷元素過度消耗[26]；另一方面，在亞熱帶紅壤地帶多為缺磷富鋁的酸性土壤，且磷以Al-P、Fe-P、Ca-P等無機形態(tài)為主[27]，植物可吸收利用的有效態(tài)少，隨著連栽時間的增長，磷含量不足將會進一步加劇。在實際生產(chǎn)經(jīng)營中，對連栽超過一定時間的人工林應采取休耕或人工撫育的方式保證土壤磷元素的供給，促進土壤與植物之間良性養(yǎng)分循環(huán)，達到杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營的目的。

土壤肥力質(zhì)量評價結(jié)果顯示，長期連作下杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力狀況較好，雖然磷元素流失嚴重，但整體肥力狀況呈上升的趨勢。杉木人工林凋落物、采伐剩余物豐富，且廣西大部分國有林場采取帶狀堆放的采伐剩余物清理方式，采伐剩余物與凋落物是森林采伐跡地重要的外源養(yǎng)分之一，其分解會釋放大量養(yǎng)分，對林地土壤肥力質(zhì)量的提升具有顯著正效應[28]。杉木在南方亞熱帶區(qū)域的輪伐期為8 a左右[29]，較長的輪伐期也對土壤肥力質(zhì)量的改良提升起到了積極作用。本次研究旨在充分了解廣西長期連栽下杉木人工林土壤肥力的演變特征，土壤肥力評價僅針對化學性質(zhì)，并未將生物學性質(zhì)如微生物群落多樣性、酶活性等納入評價體系中來，評價結(jié)果具有一定的局限性[30]。由于成本的限制，目前的土壤肥力監(jiān)測僅僅停留在0～20 cm的表層土壤，并未探究深層杉木人工林土壤的肥力演變特征，已有部分學者[31-32]利用紅外光譜數(shù)據(jù)與土壤建立反演模型，實現(xiàn)了土壤樣品的無損、低成本的快速檢測，這種技術(shù)突破為未來探究土壤時空變化特征提供了新的選擇。

4 結(jié) 論

自1992年開展土壤監(jiān)測工作，截至2017年杉木人工林主產(chǎn)區(qū)經(jīng)過長期經(jīng)營土壤肥力質(zhì)量狀況呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。2017年廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量均值分別為35.63 g/kg、1.95 g/kg、180.35 mg/kg，與1992年相比顯著提升，廣西杉木人工林主產(chǎn)區(qū)大部分國有和區(qū)直林場，營林方式合理，但施肥方式過于粗放。廣西大部分杉木人工林土壤為富鋁缺磷的酸性土，磷元素含量較少，長期、高強度人工林經(jīng)營措施下有效磷含量缺失較為嚴重。在今后的林地經(jīng)營中，廣西各大區(qū)直林場應積極開展林業(yè)沃土工程與測土配方施肥工作，根據(jù)樹種生長規(guī)律、土壤母質(zhì)、立地條件合理配方施肥，在杉木速生期及時補充土壤全磷、有效磷含量，在保證林地高產(chǎn)出的同時也要達成杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營。