黃鈺輝, 張衛(wèi)強(qiáng)?, 甘先華, 唐洪輝, 盤李軍, 冼偉光

(1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院, 510520, 廣州;2.廣東省佛山市云勇生態(tài)林養(yǎng)護(hù)中心, 528518, 廣東佛山)

南亞熱帶杉木林改造不同樹種配置模式的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

黃鈺輝1, 張衛(wèi)強(qiáng)1?, 甘先華1, 唐洪輝1, 盤李軍2, 冼偉光2

(1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院, 510520, 廣州;2.廣東省佛山市云勇生態(tài)林養(yǎng)護(hù)中心, 528518, 廣東佛山)

為探明不同樹種配置對(duì)杉木純林改造中土壤質(zhì)量的影響，以南亞熱帶地區(qū)不同樹種配置、林齡11～12 a的杉闊混交林為研究對(duì)象，以林齡13 a杉木純林的土壤化學(xué)性質(zhì)為對(duì)照，比較不同林分0～25 cm土層的土壤理化性質(zhì)以及微生物生物量碳和氮，并基于主成分分析，綜合評(píng)價(jià)不同杉闊混交林的土壤質(zhì)量。結(jié)果表明：混交林土壤pH值為4.15～4.71，速效氮和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為81.4～152.8和0.93～2.39 mg/kg，杉木林pH值為4.06，速效氮和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30.8和0.76 mg/kg，前者比后者有不同程度的升高；全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)除林分C(0.45g/kg)較高外，其余混交林(0.14～0.32 g/kg)均小于杉木林(0.34 g/kg)；其他指標(biāo)在不同林分間無一致變化規(guī)律。杉闊混交林的土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.25～0.64之間；其中，米老排+楓香+香樟+盆架子+杉木、米老排+香樟+陰香+火力楠+杉木、米老排+楓香+香樟+尖葉杜英+杉木3種樹種配置的土壤質(zhì)量指數(shù)均大于0.6，表現(xiàn)出較強(qiáng)的土壤改良能力；米老排和香樟樹種的土壤改良能力較強(qiáng)，而海南蒲桃和大葉紫薇較差。3種土壤質(zhì)量指數(shù)較大的樹種配置，可在我國(guó)南亞熱帶地區(qū)的杉木純林改造中推廣應(yīng)用。

土壤質(zhì)量； 綜合評(píng)價(jià)； 林分改造； 杉闊混交林； 樹種配置； 南亞熱帶

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)亞熱帶地區(qū)主要的速生用材樹種之一，目前，其人工林面積達(dá) 1 096萬hm2，在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。為了追求較高的經(jīng)濟(jì)效益，長(zhǎng)期以來，杉木采取純林、連栽、短輪伐期和皆伐等經(jīng)營(yíng)方式，導(dǎo)致林分生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量不斷降低[1-2]，嚴(yán)重影響森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。研究表明，將杉木純林改造為針闊混交林，可以改良土壤，提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而提高林分生產(chǎn)力[3]。目前，研究一般是基于少數(shù)樹種混交得出的結(jié)論[3]，實(shí)際的森林經(jīng)營(yíng)則采用多樹種混交，而不同樹種的凋落物分解和根系周轉(zhuǎn)也存在很大差異[4]；因此，林分改造對(duì)土壤的影響存在一定的不確定性。

土壤質(zhì)量是維持生物生產(chǎn)力、維持環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)生命健康的能力[5]，被認(rèn)為是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特征的聯(lián)合，對(duì)外界環(huán)境的變化做出整體響應(yīng)的體現(xiàn)[6]；因此，較高的土壤質(zhì)量是確保林分改造成功的重要條件。20世紀(jì)90年代以來，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)廣泛用于比較不同植被類型對(duì)土壤的影響[7-9]，然而，不同樹種組成的同一植被類型的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，尚缺乏深入研究，這既不能加深對(duì)森林—土壤相互作用的認(rèn)識(shí)，也不能為低效林分改造提供指導(dǎo)。篩選適宜的樹種配置，尤其是針闊葉樹種的組合，以加快土壤質(zhì)量的提高，從而確保林分改造的成功率和效率，是當(dāng)前我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)的迫切要求。筆者選取南亞熱帶不同樹種配置的杉闊混交林作為研究對(duì)象，以杉木純林的土壤化學(xué)性質(zhì)為對(duì)照，分析比較不同林分的土壤物理、化學(xué)和微生物特征，并基于主成分分析，對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選土壤改良效果較好的樹種配置，以期為本地區(qū)的森林土壤改良和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省佛山市高明區(qū)(E 112°38′26″～112°42′25″，N 22°41′54″～22°46′50″)。屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫22.0 ℃，年降水量平均達(dá)2 000 mm，有明顯的干濕季之分，4—9月的降水量占全年的80%。土壤為花崗巖發(fā)育的酸性赤紅壤，土層深厚。2002年起，對(duì)杉木純林進(jìn)行皆伐，保留單株杉木萌芽條，引入闊葉樹種，進(jìn)行隨機(jī)塊狀混交造林。造林前整地，當(dāng)年開展鏟草、松土、擴(kuò)穴和培土等撫育2次，次年和第3年各撫育1次。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

2014年12月—2015年1月，選擇不同樹種組成的11～12年杉闊混交林作為研究對(duì)象，建立樣地，另選取13年杉木純林(僅測(cè)定其土壤化學(xué)性質(zhì))作為對(duì)照，樣地地形和朝向等因素基本一致，坡度為20～30°，坡向朝南，林分概況見表1。選擇林分內(nèi)代表性部位，在上、中和下坡位，分別挖取3個(gè)土壤剖面，用100 cm3環(huán)刀和土鉆分別對(duì)0～25 cm土壤取樣，每個(gè)坡位3個(gè)重復(fù)，取約200 g土樣裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 試驗(yàn)林概況Tab.1 Characteristics of different stands

注：RC：紅花荷Rhodoleiachampionii；SC：火焰木Spathodeacampanulata；MG：灰木蓮Mangletiaglauca；EG：楝葉吳茱萸Evodiaglabrifolia；CB：陰香Cinnamomumburmanni；ML：米老排Mytilarialaosensis；CH：紅錐Castanopsishystrix；ES：山杜英Elaeocarpussylvestris；GH：海南石梓Gmelinahainanensis；SW：紅荷Schimawallichii；EF：格木Erythrophleumfordii；SS：木荷Schimasuperba；LS：大葉紫薇Lagerstroemiaspeciosa；SH：海南蒲桃Syzygiumhainanense；EV：刺桐Erythrinavariegata；BB：紅花羊蹄甲Bauhiniablakeana；WC：盆架子Winchiacalophylla；MM：火力楠Micheliamacclurei；LF：楓香Liquidambarformosana；CC：香樟Cinnamomumcamphora；CL：杉木Cunninghamialanceolata。

2.2 土壤指標(biāo)測(cè)定

2.2.1 土壤物理性質(zhì) 采用環(huán)刀法測(cè)定杉闊混交林的土壤密度、自然含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管空隙度，土壤粒徑組成用篩分法與比重計(jì)法測(cè)定[10]。

2.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 將杉闊混交林和杉木純林的土壤樣品風(fēng)干、碾磨和過篩后，用玻璃電極法測(cè)定pH值，用K2Cr2O7氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，用半微量凱氏法測(cè)定全氮，用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷，用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定速效氮，用1 mol/L KCl浸提-連續(xù)流動(dòng)分析儀法測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用鹽酸-氟化銨提取-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷[10]。

2.2.3 土壤微生物生物量碳和氮 分別采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法和氯仿熏蒸-K2SO4提取-氮自動(dòng)分析儀法，測(cè)定杉闊混交林的土壤微生物生物量碳和氮[11]。

2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

第1步，采用土壤質(zhì)量指數(shù)，對(duì)不同樹種組成的林分土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。以土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、微生物生物量碳、微生物生物量氮、密度、土壤含水量、總孔隙度、砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)。因各指標(biāo)的重要性不同，量綱也存在很大差異，且各指標(biāo)的變化具有連續(xù)性；故綜合評(píng)價(jià)時(shí)，先采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[12]，以消除量綱的影響，并確定其權(quán)重。其中，土壤密度和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)用降型函數(shù)(式1)，其他指標(biāo)用升型函數(shù)(式2)表示。

F(Xi)=(Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)；

(1)

F(Xi)=(Xij-Ximax)/(Ximax-Ximin)。

(2)

式中：F(Xi)為各指標(biāo)的隸屬度值，Xij為各指標(biāo)觀測(cè)值，Ximax和Ximin分別為第i項(xiàng)因子中的最大值和最小值。

第2步，對(duì)隸屬度值進(jìn)行主成分分析，得到各指標(biāo)的公因子方差，再計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重

(3)

式中：wi為第i項(xiàng)因子的權(quán)重，Ci為第i項(xiàng)因子的公因子方差。

第3步，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集加權(quán)綜合方法，計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)SQI

(4)

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 16.0進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析，不同林分之間各指標(biāo)的差異，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著水平α=0.05。結(jié)果中各指標(biāo)的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)

由表2可知，不同林分土壤物理性質(zhì)的差異較大。其中，林分B、D、I、J、K和L的土壤密度相對(duì)較小，土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度較大；林分A、C、E、F、G和H的密度相對(duì)較大，土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度相對(duì)較小。土壤顆粒組成在林分間的差異相對(duì)較小，以砂粒最高，粉粒其次，黏粒最低。除非毛管孔隙度和砂粒百分比外，其余指標(biāo)在不同林分間的差異顯著(P<0.05)。

表2 不同林分的土壤物理性質(zhì)Tab.2 Soil physical characteristics of different stands

注：表中同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。Note: The different letters at the same column of data in the table indicate significant differences (P<0.05). The same below.

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

由表3可知：杉木林的土壤pH值(4.06)低于混交林(4.15～4.71)，除林分D外，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；杉木林的速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(30.8 mg/kg)顯著小于所有混交林(81.4～152.8 mg/kg)(P<0.05)，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.8 mg/kg)也小于所有混交林(0.9～2.4 mg/kg)；杉木林土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.34 g/kg)高于除林分C(0.45 g/kg)外的其他混交林(0.14～0.32 g/kg)?；旖涣滞寥烙袡C(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化，其相對(duì)于杉木林沒有一致的規(guī)律。

3.3 土壤微生物性質(zhì)

由圖1可知，土壤微生物生物量碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在不同林分間存在顯著差異(P<0.05)，分別介于346.8～821.7與32.5～65.4 mg/kg之間，二者在不同林分間的大小順序不一致。

3.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

按照特征值>1的原則，提取出4個(gè)主成分(表4)，累積方差貢獻(xiàn)率為85.1%，說明這4個(gè)相互獨(dú)立的主成分，可以反映土壤各指標(biāo)分量總變異的80%以上。第1主成分方差貢獻(xiàn)率為35.3%，主要綜合了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、密度、土壤含水量和總孔隙度的信息，因子載荷都大于0.8；第2主成分方差貢獻(xiàn)率為24.2%，主要綜合了銨態(tài)氮和速效磷的信息，因子載荷分別為0.839和0.764；第3、第4主成分因子中，粉粒、黏粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的因子載荷相對(duì)較大。

表3 不同林分的土壤化學(xué)性質(zhì)Tab.3 Soil chemical properties in different stands

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)的主成分因子荷載、公因子方差及權(quán)重Tab.4 Principal factor loading of soil quality indicators, and communalities and weights

不同小寫字母表示不同林分間差異顯著P<0.05。Values with different letters refer to significant differences at 0.05 level among different stands.圖1 不同林分土壤微生物生物量碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 Soil microbial biomass carbon (a) and nitrogen (b) content of different stands

不同杉闊混交林中，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化范圍是0.25～0.64(圖2)。其中，林分J、K和L的土壤質(zhì)量指數(shù)均大于0.6，林分A、B和I介于0.4～0.6之間，其余林分均小于0.4。

圖2 不同林分的土壤質(zhì)量指數(shù)Fig.2 Soil quality indices of different stands

4 討論

4.1 土壤特征

筆者研究發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)在不同林分間存在顯著差異。由于這些林分在改造前都長(zhǎng)期連續(xù)種植杉木，土地利用歷史一致，而林齡和氣候等其他條件也一致，因此，不同林分間的土壤理化性質(zhì)差異，主要來源于樹種的影響。不同樹種的凋落物和細(xì)根周轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)差異較大[4]，如生長(zhǎng)較快的米老排可以向土壤輸入更多的有機(jī)質(zhì)[13]。較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土壤有機(jī)質(zhì)，意味著為土壤動(dòng)物和微生物提供更多的食物；同時(shí)，植物根系更為活躍，周轉(zhuǎn)更快。土壤動(dòng)物、微生物和根系的物理活動(dòng)的提高，都有利于土壤變得疏松透氣，形成更多的毛管，以儲(chǔ)存更多的水[14]。因此，林分I、J、K和L的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，全氮、速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相應(yīng)更高，土壤密度更小，含水量和孔隙度更大；而土壤顆粒組成，主要取決于漫長(zhǎng)的母巖風(fēng)化過程[15]，相比之下，生物在短時(shí)間內(nèi)的作用影響顯得微乎其微。因此，筆者研究中，土壤顆粒組成差異不明顯。

研究中多數(shù)混交林的土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于杉木林，而pH值、有效氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于杉木林，表明林分改造緩解了土壤酸化的情況；同時(shí)，促進(jìn)氮和磷等養(yǎng)分元素的釋放，與前人的研究結(jié)果一致[3, 16]。不同樹種的凋落物混合分解時(shí)，可能存在促進(jìn)或抑制效應(yīng)[17-18]，如榿木(Alnuscremastogyne)、火力楠可以促進(jìn)杉木分解，而紅錐、樟樹和木荷等則無效[4]，這可能是不同混交林土壤化學(xué)性質(zhì)差異的主要原因。此外，杉木凋落物較難分解，導(dǎo)致土壤中有機(jī)酸積累[19]，而磷在強(qiáng)酸性的土壤中，易與土壤中的Al3+、Fe3+等金屬離子形成螯合物，沉淀下來[15]，最終表現(xiàn)為土壤pH值和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等降低。

土壤微生物生物量碳和氮在不同混交林間差異顯著，但規(guī)律性不明顯。大量研究表明，植物物種對(duì)土壤微生物的數(shù)量和組成有影響[20-21]，但其機(jī)制尚不清楚。G.Berg等[20]認(rèn)為，主要是每種植物特定的根系分泌物，決定了植物物種與微生物之間特定的互利關(guān)系。D. R. Zak等[21]發(fā)現(xiàn)，微生物生物量取決于植物生產(chǎn)力和多樣性的共同作用，而非單純的植物多樣性。

4.2 土壤質(zhì)量及其評(píng)價(jià)

筆者研究不同杉闊混交林的土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.25～0.64之間，變化范圍相對(duì)較大。在選取土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，土壤含水量、密度和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等理化性質(zhì)是關(guān)鍵指標(biāo)[7-9]，筆者研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。此外，一些研究認(rèn)為，土壤生物學(xué)特征是影響土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)之一[7-8]，筆者研究未有類似發(fā)現(xiàn)，這可能是受采樣時(shí)間的影響。如羅達(dá)等[22]發(fā)現(xiàn)，最大微生物生物量在旱季的馬尾松林中出現(xiàn)，而雨季則在格木林中出現(xiàn)。

筆者研究表明，將杉木純林改造為混交林時(shí)，土壤質(zhì)量將因樹種組成而異，這與廣州南沙地區(qū)的研究結(jié)論一致[23]?？梢姌浞N的選擇，對(duì)于土壤改良效果至關(guān)重要。米老排和香樟是林分J、K和L的共有造林樹種，現(xiàn)有研究也表明，這2個(gè)樹種生物量和凋落物量較大，土壤改良效果較好[13]，林分J、K和L的樹種配置模式，適宜在南亞熱帶的林分改造中推廣應(yīng)用；而在土壤質(zhì)量較低的林分E、F、G和H中，海南蒲桃和大葉紫薇是共有造林樹種，前者屬于小喬木，后者是園林中常用的落葉樹種，在自然生境中，生長(zhǎng)相對(duì)較慢，生物量和凋落物量較低，可能是林分土壤質(zhì)量較差的主要原因。因此，在林分改造中，這些樹種可能只適合作為伴生樹種，不宜作為建群種。

5 結(jié)論

南亞熱帶杉木純林改造為杉闊混交林后，土壤pH值、速效氮和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均升高，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，不同杉闊混交林的土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.25～0.64之間。其中，米老排+楓香+香樟+盆架子+杉木、米老排+香樟+陰香+火力楠+杉木、米老排+楓香+香樟+尖葉杜英+杉木這3種樹種配置方式的土壤改良作用明顯。在進(jìn)行多樹種混交的林分改造時(shí)，樹種組成的不同，導(dǎo)致土壤質(zhì)量產(chǎn)生較大差異。筆者篩選的樹種配置方式，只能作為整體應(yīng)用，還不能量化每一樹種的具體作用，無疑將限制其實(shí)際應(yīng)用范圍；因此，優(yōu)良樹種的種間關(guān)系、混交比例和造林密度等對(duì)土壤質(zhì)量的影響，是下一步研究中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點(diǎn)。

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Soil quality assessment on different tree species composition patternsinCunninghamialanceolatastand conversion in south subtropics

HUANG Yuhui1, ZHANG Weiqiang1, GAN Xianhua1, TANG Honghui1, PAN Lijun2, XIAN Weiguang2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture, Protection and Utilization, Guangdong Academy of Forestry, 510520, Guangzhou, China;2.Maintenance Center for Yunyong Ecological Forest of Foshan, 528518, Foshan, Guangdong, China)

soil quality; comprehensive assessment; stand conversion;Cunninghamialanceolataand broadleaf mixed plantation; tree species composition; south subtropics

2016-09-26

2017-03-17

黃鈺輝(1981—)，男，博士，助理研究員。主要研究方向：森林生態(tài)學(xué)。E-mail：huangyh@sinogaf.cn

?通信作者簡(jiǎn)介： 張衛(wèi)強(qiáng)(1976—)，男，博士，研究員。主要研究方向：森林水文與植物生理生態(tài)。E-mail：happyzwq@sina.com

S718.5

A

2096-2673(2017)03-0123-08

10.16843/j.sswc.2017.03.016

項(xiàng)目名稱： 廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目“廣東省典型區(qū)域碳匯林結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2015KJCX027)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目“新豐江飲用水源地水源林構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究與示范” (2015KJCX029)