福壽林場(chǎng)4種典型林分的土壤肥力分析及綜合評(píng)價(jià)*

龐一凡，曹小玉，李際平，趙文菲，謝政锠，孫亞萍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

森林土壤作為森林生態(tài)過(guò)程的載體和森林植物生長(zhǎng)的基質(zhì)，是衡量森林生態(tài)功能恢復(fù)和維持的重要指標(biāo)，能夠?yàn)橹参镩L(zhǎng)期提供水分和養(yǎng)分，直接影響著森林的健康生長(zhǎng)和分布狀況[1-2]。土壤肥力是土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)，能夠保證提供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及環(huán)境條件[3]。

不同林分因其凋落物和凋落量的性質(zhì)不同，養(yǎng)分歸還量也不同，因此對(duì)林下土壤肥力的影響有很大的差異[4-5]。大量的土壤肥力科學(xué)評(píng)價(jià)研究表明，各種森林類型中土壤的物理和化學(xué)功能性狀之間差異較大，森林土壤肥力受較多環(huán)境因素影響，因此科學(xué)地評(píng)價(jià)和確定森林土壤肥力的衡量指標(biāo)和措施方法，是森林土壤肥力科學(xué)評(píng)價(jià)必不可少的重要環(huán)節(jié)[6]；但土壤肥力評(píng)價(jià)涉及較多指標(biāo)，確定每個(gè)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是十分必要的。當(dāng)前常用的土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦權(quán)法主要有兩種：一是采用主觀賦權(quán)法和采用客觀賦權(quán)的方法[7]，主觀賦權(quán)法如專家打分法、層次分析法和Delphi法等[8]；二是客觀賦權(quán)法如變異系數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度和主成分分析法等[9-10]。由于當(dāng)前主觀賦權(quán)法評(píng)價(jià)受許多人為因素的直接影響，客觀賦權(quán)法未充分考慮到土壤肥力指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的重要性，故解決土壤肥力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是合理確定土壤肥力評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)。杉木(Cunninghamialanceolata)純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林這4種林分作為湖南甚至是南方主要經(jīng)營(yíng)的森林類型，研究它們的林地養(yǎng)分規(guī)律，為當(dāng)?shù)厣仲Y源經(jīng)營(yíng)調(diào)整提供科學(xué)合理的理論依據(jù)是十分有必要的。因此，本研究選取林分土壤全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、pH值、速效鉀、速效磷和土壤容重8個(gè)指標(biāo)對(duì)它們的土壤肥力進(jìn)行綜合分析，基于乘除法原理確定林分土壤綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，為科學(xué)確定林分土壤肥力綜合指標(biāo)和科學(xué)經(jīng)營(yíng)福壽林場(chǎng)4種林分土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

福壽國(guó)有林場(chǎng)位于湖南省平江縣南部(28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～113°45′00″E)，總面積為1 274.9 hm2。年平均氣溫12.1 ℃，年日照1 500 h，無(wú)霜期217 d。屬中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的季風(fēng)濕潤(rùn)地區(qū)。林場(chǎng)內(nèi)土壤類型主要為山地黃棕壤(海拔800～1 400 m)和山地黃壤(海拔800 m以下)，山頂、山脊有小塊草甸土(海拔1 400 m以上)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料以及結(jié)合外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，選擇立地條件一致的杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林為研究對(duì)象。4種林分共選取12塊20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地，樣地基本情況如表1所示。在各樣地內(nèi)采用蛇形取樣法確定取樣點(diǎn)(共5點(diǎn))，使用體積100 cm3的環(huán)刀在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm處分別對(duì)原狀土進(jìn)行采樣。根據(jù)四分法混合土壤樣本，每個(gè)樣本采1 kg，用以測(cè)定土壤養(yǎng)分。環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，土壤pH值采用電位法測(cè)定，K2Cr2O7氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，土壤全氮及全磷含量采用高氯酸-硫酸消化法測(cè)定，光電比色法測(cè)定土壤中速效磷含量，火焰光度法測(cè)定速效鉀含量，土壤中堿解氮含量采用堿解蒸餾法測(cè)定。

表1 各樣地基本情況

1.2.2 土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(1)土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

土壤的物理及其化學(xué)性質(zhì)影響著土壤肥力水平[11]，本研究從土壤理化性質(zhì)2個(gè)方面選取土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)的參數(shù)。由于各個(gè)參數(shù)在影響土壤肥力水平時(shí)可能存在互相依賴和排斥的關(guān)系，導(dǎo)致土壤肥力水平的所有參數(shù)只能總體達(dá)到最優(yōu)肥力水平，無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)水平，因此本研究采用乘除法進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃[12-13]。

乘除法的基本計(jì)算理念x是決策向量，當(dāng)在m個(gè)目標(biāo)f(x1)，…f(xm)，中，有k個(gè)f(x1)，…f(xk)要求實(shí)現(xiàn)最大，其余f(xk+1)，…f(xm)要求實(shí)現(xiàn)最小，同時(shí)有f(x1),…f(xm)>0，采用評(píng)價(jià)函數(shù)Q(x)作為目標(biāo)函數(shù)。

①

根據(jù)乘除法計(jì)算原理，結(jié)合中國(guó)土壤養(yǎng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分[14]，全N、有機(jī)質(zhì)、速效K和速效P取大為優(yōu)，土壤pH值在4.5～6.5有利于南方樹(shù)種發(fā)育生長(zhǎng)，所以最適值為5.5，土壤容重適值在1～1.25，應(yīng)接近1.125。根據(jù)公式①確定土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算公式。

②

式中：AP(g)、AK(g)、SOM(g)、TN(g)分別為土壤速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮，σAP、σAK、σSOM、σTN分別為速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮的標(biāo)準(zhǔn)差。由于各參數(shù)的表征意義不同，并且每個(gè)參數(shù)的量級(jí)和量綱也不完全一致，因此，采用歸一化處理公式③，將各參數(shù)值等量轉(zhuǎn)換到[0,1]區(qū)域內(nèi)。

③

(2)土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)我國(guó)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)研究[15-16]，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 25.0數(shù)據(jù)分析，Excel 2010圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分0～60 cm土層土壤養(yǎng)分含量

從表3的土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林的土壤有機(jī)質(zhì)含量介于9.52～24.9 g/kg之間，其中含量最高的是櫟類次生林，最低為竹林，各林分之間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。

表3 0～60 cm土層平均土壤養(yǎng)分含量

4種林分pH值范圍在4.39～4.69，呈酸性。竹林土壤pH值最大，杉木混交林土壤pH值最小，其中杉木純林、櫟類次生林和竹林3種林分土壤pH值無(wú)顯著差異(P>0.05)，竹林的土壤pH值顯著高于杉木混交林(P<0.05)。

對(duì)于土壤全氮含量，4種林分范圍在0.62～1.18 g/kg，含量最高的是櫟類次生林，最低為竹林，杉木混交林與櫟類次生林土壤全氮含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。4種林分的土壤全磷含量范圍為0.13～0.35 g/kg，櫟類次生林含量最大，竹林含量最??；杉木純林與櫟類次生林土壤全磷含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，櫟類次生林與杉木混交林、竹林差異顯著(P<0.05)，杉木混交林與竹林無(wú)顯著差異(P<0.05)。

4種林分的土壤堿解氮含量范圍介于37.66～71.82 mg/kg之間，綜合表現(xiàn)為櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林，堿解氮含量在各林分之間差異顯著(P<0.05)。

4種林分的土壤速效磷含量范圍為0.97～2.95 mg/kg，櫟類次生林顯著高于其它3種林分(P<0.05)。4種林分的土壤速效鉀含量范圍為42.47～66.75 mg/kg，杉木純林土壤速效鉀含量與其它3種林分存在顯著性差異(P<0.05)。

4種林分土壤容重范圍為1.06～1.11 g/cm3，且表現(xiàn)為竹林>杉木純林>杉木混交林>櫟類次生林。除了次生林外，其它3種林分土壤容重差異不顯著(P<0.05)。

2.2 不同林分土壤養(yǎng)分的剖面分布

2.2.1 不同林分土壤pH和有機(jī)質(zhì)的剖面分布

不同林分土壤pH和有機(jī)質(zhì)的剖面分布分析見(jiàn)圖1。

圖1 各林分類型土壤剖面層pH值、有機(jī)質(zhì)含量

從圖1可知，4種林分不同土壤層次pH值范圍為4.30～4.77，土壤為酸性。分析表明，除杉木混交林外，其它3個(gè)林分各土層間差異不顯著(P>0.05)。隨著土層深度的增加，4種林分的土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，櫟類次生林各土層中的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于杉木純林、杉木混交林和竹林(P<0.05)。杉木混交林和櫟類次生林0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別高于20～40 cm、40～60 cm土層21.99%、30.06%和20.66%、26.05%；杉木純林土壤有機(jī)質(zhì)在不同土壤層次無(wú)顯著差異(P>0.05)；竹林0～20 cm、20～40 cm顯著高于40～60 cm土層(P<0.05)；不同林分相同土層比較，除杉木純林外，其它3個(gè)林分在0～60 cm各土層間均存在顯著性差異(P<0.05)。

2.2.2 不同林分土壤全量養(yǎng)分的剖面分布

從圖2可知，隨著土層深度的增加。除了杉木混交林外，其它3種林分類型其土壤全氮、全磷含量逐漸降低。杉木混交林不同土壤層次全磷的含量隨土層的加深，表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)，0～40 cm土層減少21.43%，20～60 cm土層土壤全磷含量增加18.18%。在0～40 cm土層范圍內(nèi)櫟類次生林土壤全氮含量減少25.87%，下降幅度較大。雙因素方差分析表明，對(duì)于全氮及全磷含量，除了櫟類次生林土壤表層(0～20 cm)均顯著高于其它土層(P<0.05)，其它3個(gè)林分各層土壤全氮、全磷含量間差異不顯著(P>0.05)。不同林分相同土壤層次比較，在0～20 cm土層，杉木純林、杉木混交林全氮含量差異不明顯(P>0.05)，櫟類次生林顯著高于其它3個(gè)林分(P<0.05)。在20～40 cm土層，除了櫟類次生林，其它3種林分土壤全氮含量差異性顯著(P<0.05)，除了竹林，其它3個(gè)林分在40～60 cm土層差異不顯著(P>0.05)。對(duì)于全磷含量，杉木純林、櫟類次生林同一土壤層次無(wú)顯著差異(P>0.05)，0～20 cm、40～60 cm土層杉木混交林均顯著高于竹林(P<0.05)。

圖2 各林分類型土壤剖面層次全量養(yǎng)分含量

2.2.3 不同林分土壤速效養(yǎng)分的剖面分布

從圖3可知，其中杉木混交林在0～60 cm土層范圍內(nèi)隨著土層的加深土壤速效鉀含量表現(xiàn)出了先增加后減少的趨勢(shì)，0～40 cm土層范圍內(nèi)土壤速效磷增加20.30%，20～60 cm土層范圍內(nèi)減少了42.62%。櫟類次生林不同土壤層次的速效磷含量隨著土層的加深依次減少19.85%、47.96%。雙因素方差分析表明，對(duì)于速效磷含量，表現(xiàn)為櫟類次生林0～20 cm和20～40 cm土層顯著高于40～60 cm土層(P<0.05)，竹林各土層間差異顯著(P<0.05)，其它2種林分各土層間無(wú)顯著差異(P>0.05)。相同土層不同林分比較，杉木純林、杉木混交林、竹林之間不存在顯著性差異(P>0.05)，櫟類次生林0～20 cm土層顯著高于其它3個(gè)林分(P<0.05)。對(duì)于速效鉀含量，表現(xiàn)為除了櫟類次生林0～20 cm土層顯著高于20～40 cm和40～60 cm(P<0.05)外，其它3種林分不同土壤層次無(wú)顯著差異(P>0.05)。相同土層不同林分比較，0～20 cm土層，杉木純林顯著高于杉木混交林、櫟類次生林和竹林(P<0.05)，4種林分土壤速效鉀含量在20～40 cm土層差異不顯著(P>0.05)，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林在40～60 cm土層土壤速效鉀含量均顯著高于竹林(P<0.05)。

圖3 各林分類型土壤剖面層速效養(yǎng)分含量

2.2.4 不同林分土壤堿解氮和容重的剖面分布

從圖4可知，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林的堿解氮含量都隨著土層深度增加而降低，其中杉木混交林0～40 cm土層下降幅度較大，降低了16.98%。4種林分土壤容重均隨土層深度的增加而增大，其中杉木純林40～60 cm土壤密度呈最大，為1.17 g/cm3。雙因素方差分析表明，對(duì)于堿解氮含量，除了杉木混交林土壤表層(0～20 cm)顯著高于其它土層(P<0.05)，其它3個(gè)林分各土層間差異不顯著(P>0.05)。相同土層不同林分比較，櫟類次生林各土層堿解氮均顯著高于杉木純林和竹林(P<0.05)。對(duì)于土壤容重，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林40～60 cm土層均顯著高于0～20 cm、20～40 cm土層(P<0.05)。不同林分相同土層比較，竹林土壤容重在0～20 cm土層顯著高于杉木純林、杉木混交林和櫟類次生林(P<0.05)；20～40 cm土層杉木混交林、杉木純林和竹林的土壤容重?zé)o顯著差異(P>0.05)；在40～60 cm土層杉木純林土壤容重最高，與其它3種林分存在顯著性差異(P<0.05)。

圖4 各林分類型土壤剖面層堿解氮、容重含量

2.3 不同林分土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

從圖5可知，研究區(qū)杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林不同樣地的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.02～0.58，評(píng)價(jià)等級(jí)分屬1、2、3級(jí)，其中：屬于1級(jí)的樣地分別為D10、D11、D12，占樣地總數(shù)的25%；屬于2級(jí)的樣地分別為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D9，占樣地總數(shù)的58%；屬于3級(jí)的樣地分別為D7和D8，占樣地總數(shù)的17%；分屬4、5級(jí)的樣地沒(méi)有。從林分類型看，研究區(qū)杉木純林的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.2～0.3，評(píng)價(jià)等級(jí)分屬2級(jí)；杉木混交林的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.22～0.29，評(píng)價(jià)等級(jí)分屬2級(jí)；櫟類次生林的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.39～0.58，評(píng)價(jià)等級(jí)分屬2、3級(jí)；竹林的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.02～0.14，評(píng)價(jià)等級(jí)分屬1級(jí)?？傮w上，4種林分土壤肥力綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林。

圖5 不同樣地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值和評(píng)價(jià)等

3 討論與結(jié)論

3.1 不同林分類型對(duì)土壤剖面養(yǎng)分分布的影響

植被的生長(zhǎng)及演替過(guò)程等均受土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響[17]。本研究區(qū)4種林分的pH值隨著土層的加深無(wú)明顯規(guī)律，pH值在4.30～4.77之間，呈酸性。究其原因，一方面研究區(qū)的類型為山地黃棕壤，這類土壤在高溫多雨環(huán)境條件下肥力較高，且由于礦物加速風(fēng)化，鹽基不飽合及弱富鋁化形成的，因此黃棕壤本身呈酸性，另一方面森林凋落物中含有大量的木質(zhì)素、單寧等物質(zhì)，其分解過(guò)程產(chǎn)生的酸性物質(zhì)的釋放會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[18]。4種林分的土壤堿解氮及有機(jī)質(zhì)含量隨土層加深而減少，這是由于林地表層枯落物的分解及細(xì)根周轉(zhuǎn)過(guò)程造成土壤養(yǎng)分具有“表聚性”特征[19-20]。其中櫟類次生林各土層全氮、全磷、速效磷含量均顯著高于其它2個(gè)林分，研究結(jié)果表明，樹(shù)種組成復(fù)雜多樣能在凋落物積累、土壤養(yǎng)分歸還及提高林地土壤肥力等方面發(fā)揮重要作用。杉木純林在 0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤速效鉀含量下降幅度較大，減少24.04%，這是由于杉木純林具有較少的植物種類組成以及土壤水分的淋洗，植物吸收的氮、磷、鉀等養(yǎng)分最終以凋落物的形式歸還于土壤，因此土壤表層養(yǎng)分含量更高，尤其以速效養(yǎng)分含量較為明顯[21]。土壤表層受林下植被、枯落物、動(dòng)物及微生物等因素的影響，導(dǎo)致表層土比深層土疏松，因此各林分土壤容重隨土壤深度的增加而增大。

3.2 不同林分類型對(duì)0～60 cm土層土壤養(yǎng)分含量的影響

影響土壤肥力水平的因素有樹(shù)種組成、空間結(jié)構(gòu)等林分因子，不同林分類型的土壤養(yǎng)分通常表現(xiàn)出明顯差異[20,22-23]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中的各營(yíng)養(yǎng)元素(尤其是氮和磷)的主要來(lái)源，是影響林分土壤肥力的關(guān)鍵因子。本研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為櫟類次生林最大，混交林和杉木純林次之，竹林最小，這與劉成剛等[24]研究結(jié)論一致。由于針葉林、竹林相對(duì)于其它兩種林分，林地枯落物較為單一，且凋落物分解速率較為緩慢，次生林由于良好的先決條件，枯落物種類繁多，可以快速將各種動(dòng)植物殘?bào)w分解轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，土壤肥力狀況良好。氮是影響植物生長(zhǎng)的重要養(yǎng)分因子，堿解氮是植物實(shí)際可利用的氮元素形態(tài)[25]。研究區(qū)4種林分類型土壤堿解氮含量表現(xiàn)為櫟類次生林高于其它3種林分，這與楊曉娟[26]研究結(jié)論一致。究其原因可能是與天然次生林其豐富的林下植被有關(guān)：植物發(fā)達(dá)的根系有助于降低土壤密度，改善土壤孔隙狀態(tài)和持水能力[27]；同時(shí)，地表枯落物以及活躍的微生物活動(dòng)也可能對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地的改善產(chǎn)生積極作用[28]。

土壤中的磷是植物生化過(guò)程中不可或缺的重要元素，研究區(qū)土壤全磷含量表現(xiàn)為櫟類次生林>杉木純林>杉木混交林>竹林，這與邵國(guó)棟等[29]研究結(jié)果基本一致。這是由于是櫟類次生林和杉木純林土壤表層枯落物較厚，淋溶作用弱，利于磷元素富集[30]。本研究區(qū)4種林分均表現(xiàn)出磷含量不足(速效磷<15 mg/kg)，因此，施加磷肥有利于樹(shù)木的生長(zhǎng)。研究區(qū)杉木純林土壤速效鉀含量最大，高于杉木混交林、櫟類次生林，這與龔偉等[31]研究結(jié)果基本一致，原因可能是杉木純林林下凋落物較厚，減少了因降水造成的鉀的大量流失。

通過(guò)土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，對(duì)4種林分類型進(jìn)行了計(jì)算和排序，土壤肥力的結(jié)果顯示：櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林。研究結(jié)果表明，林分樹(shù)種種類的組成、凋落物的理化性狀以及分解難易程度，根的生長(zhǎng)和分布有助于土壤生態(tài)功能的改善和土壤肥力的提高[32-33]。土壤肥力排序的結(jié)果可為科學(xué)經(jīng)營(yíng)福壽林場(chǎng)4種典型林分土壤提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。相對(duì)于人工杉木純林，天然次生林和杉木混交林有利于土壤養(yǎng)分的積累，因此，建議對(duì)杉木純林進(jìn)行補(bǔ)植改造，使其人工純林向針闊混交林方向轉(zhuǎn)變。

3.3 結(jié)論

通過(guò)比較研究位于湖南省平江縣福壽林場(chǎng)4種不同林分類型的土壤肥力狀況，結(jié)果顯示土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量隨土層加深而降低，且不同林分類型的土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量差異較大，研究結(jié)果認(rèn)為櫟類次生林土壤肥力質(zhì)量最好，竹林最差，與杉木純林相比，天然次生林和杉木混交林土壤養(yǎng)分易富集。本文基于乘除法的原理確定林分土壤綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，與其它傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法相比，計(jì)算量小，模型參數(shù)可根據(jù)不同的土壤系統(tǒng)適當(dāng)增減，適用性強(qiáng)。為了更全面地了解研究區(qū)的土壤肥力特征以及驗(yàn)證該評(píng)價(jià)指數(shù)的科學(xué)性和適用性，下一步應(yīng)加強(qiáng)土壤生物學(xué)性狀方面的研究。