于文睿南,潘 暢,郭佳歡,馮會麗,陳 杰,俞元春**

(1.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院 南京 210037;2.福建省建陽范橋國有林場 南平 354200)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國重要的速生用材樹種,具生長快、材質(zhì)好、用途廣等特點,目前栽植面積占全國人工林面積的30%以上,在我國林業(yè)生產(chǎn)和森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1-3]。然而,隨著栽植面積的不斷擴大,長期不合理的營林措施導致杉木人工林不同程度地出現(xiàn)了土壤肥力下降[4]、生產(chǎn)力降低[5]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和分解活動退化[6]等嚴峻問題,森林土壤質(zhì)量退化嚴重威脅著我國杉木人工林的發(fā)展。

土壤有機質(zhì)是土壤中含碳有機化合物的總稱,是土壤的重要組成物質(zhì),與包括氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營養(yǎng)元素在內(nèi),都是評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標[7-9]。森林土壤有機質(zhì)不僅是土壤有機養(yǎng)分庫,也是土壤無機養(yǎng)分庫,它不但以有機物形式儲存礦質(zhì)元素,而且還以離子吸附方式保持一部分速效養(yǎng)分[10]。依據(jù)森林土壤功能與其組成、結(jié)構(gòu)性質(zhì)一致性原理[11],森林土壤質(zhì)量下降,表明森林土壤的組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,土壤性質(zhì)發(fā)生了惡化,這種變化在表層土壤中表現(xiàn)的尤為明顯[12]。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的核心,有機質(zhì)含量的高低,在某種程度上代表著土壤肥力水平[13]。因此,研究杉木人工林表層土壤有機質(zhì)的分布特征及其對林地土壤養(yǎng)分含量的影響,對于防治杉木人工林土壤質(zhì)量下降,提高森林土壤生產(chǎn)力,進而提高林木產(chǎn)量顯得十分必要。

目前,已有不少學者對森林土壤有機質(zhì)進行了研究,主要集中在有機質(zhì)與酶活性的關(guān)系[14]、有機質(zhì)數(shù)量與光譜學特征[15]、有機質(zhì)與團聚體穩(wěn)定性關(guān)系[16]等方面的研究,但是關(guān)于杉木人工林土壤有機質(zhì)的分布特征及其對土壤養(yǎng)分含量變化影響的系統(tǒng)研究較少。王清奎等[17]對杉木人工林土壤可溶性有機質(zhì)中的可溶性有機碳(DOC)和可溶性有機氮(DON)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系進行了研究,DOC 和DON 與土壤全氮、全鉀和速效鉀的相關(guān)性均達極顯著水平,但土壤全氮、全鉀和速效鉀與DOC 的相關(guān)性高于與DON 的相關(guān)性,而銨態(tài)氮與DOC 的相關(guān)程度低于與DON 的相關(guān)程度。劉飛鵬等[18]研究了華南3 種人工林土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量并對其進行了評價,其中杉木林表層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量處于中上或富水平,且土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、有效鋅等呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。以往研究表明,土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分有明顯的表聚現(xiàn)象,即表層土壤含量高于下層[19],鑒于此,本研究以我國杉木主產(chǎn)區(qū)的杉木人工林為研究對象,對其表層土壤有機質(zhì)的分布特征及其對土壤養(yǎng)分含量的影響展開調(diào)查,探討環(huán)境因子對杉木人工林土壤有機質(zhì)含量變化的影響,為揭示土壤有機質(zhì)對維持杉木人工林土壤肥力的作用機制及制定提高杉木人工林土壤肥力的管理措施提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及選擇標準

通過在中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science 數(shù)據(jù)庫檢索主題為“杉木人工林+土壤有機質(zhì)+土壤養(yǎng)分”的文獻后進行篩選,文獻篩選標準如下:1)研究對象為杉木人工林;2)試驗為實地研究;3)對于長期試驗不同年份結(jié)果的數(shù)據(jù),原則上優(yōu)選最后年份的數(shù)據(jù);4)土壤樣本包含采樣深度為0～20 cm 的表層土樣;5)所有數(shù)據(jù)摘自文本、表格、圖表和附錄的出版物,當數(shù)據(jù)以圖形方式呈現(xiàn)時,采用Engauge 4.1 軟件獲取數(shù)字數(shù)據(jù)。經(jīng)過篩選,最終獲得符合標準的有效文獻45 篇,研究年份為2001?2020年,提取了13 種變量,包含海拔(altitude)、林分密度(density)、坡度(slope)、年平均溫度(MAT)、平均降水量(MAP)、pH、土壤有機質(zhì)(SOM,土壤有機質(zhì)的測定方法采用重鉻酸鉀滴定法)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、有效氮(AN,指硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)、有效磷(AP)、有效鉀(AK)共計1092 個觀測值,分布于我國6 個省(區(qū)、市)的22 個實驗林場(站點),涵蓋8 種土類。杉木人工林試驗地基本情況如表1。

表1 杉木人工林試驗地概況Table 1 General situation of experimental fields of Chinese fir plantations

1.2 數(shù)據(jù)分析與作圖

相關(guān)性分析方法采用Person 相關(guān)性分析,描述性統(tǒng)計和相關(guān)性分析采用SPSS 18.0,多因子及互作項逐步回歸方程擬合采用DPS 7.05,數(shù)據(jù)處理及作圖采用Excel 2007 和Origin Pro 7.5,SEM 模型運行采用Amos 7.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計

由土壤環(huán)境質(zhì)量標準[20]可知,杉木人工林表層土壤氮N、P、K 元素均沒有超過國家規(guī)定的標準。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,土壤有機質(zhì)與N、P、K 養(yǎng)分含量標準差的值均較高,這說明不同試驗地杉木人工林土壤有機質(zhì)與N、P、K 養(yǎng)分含量具有較高的差異性,波動范圍較大(表2)。按照反映離散程度的變異系數(shù)大小粗略估計的分級,杉木人工林表層土壤有效磷屬于高度變異(>100%),其余養(yǎng)分含量均屬于中等變異程度(10%～100%),這說明杉木人工林表層土壤中有效磷變化更強烈,它對杉木生長發(fā)育變化更加敏感。根據(jù)森林土壤養(yǎng)分分級標準[21]定級,杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量為(31.02±13.44)g?kg?1,養(yǎng)分等級為中(30～40 g?kg?1);全氮平均含量1.48 g?kg?1,養(yǎng)分等級為中下(1.0～1.5 g?kg?1);全磷平均含量0.49 g?kg?1,養(yǎng)分等級為極貧(<0.5 g?kg?1);全鉀平均含量14.17 g?kg?1,養(yǎng)分等級為貧(10～20 g?kg?1);有效氮平均含量120.29 mg?kg?1,養(yǎng)分等級為富(120～150 mg?kg?1);有效磷平均含量5.41 mg?kg?1,養(yǎng)分等級為富(5～10 mg?kg?1);有效鉀平均含量52.13 mg?kg?1,養(yǎng)分等級為中下(50～100 mg?kg?1)。

表2 杉木人工林表層土壤有機質(zhì)與養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of soil organic matter and nutrients contents in the topsoil of Chinese fir plantations

2.2 土壤pH 與土壤有機質(zhì)分布特征

根據(jù)土壤酸堿度等級劃分標準[22],杉木人工林表層土壤pH 為4.60±0.45,整體表現(xiàn)為強酸性(pH 4.5～5.5)(表2)。其中,pH<4.5 的極強酸性的土壤樣本數(shù)占總樣本數(shù)量的36.90%,pH 為4.5～5.5 的強酸性土壤樣本數(shù)占總樣本數(shù)量的60.72%,pH 為5.5～6.5 的弱酸性土壤樣本占總樣本數(shù)量的2.38%,總樣本變異系數(shù)為9.78%,這說明我國不同地區(qū)杉木人工林表層土壤酸堿度波動范圍較小(圖1a)。

根據(jù)森林土壤養(yǎng)分分級標準,我國杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量平均水平為中級(30～40 g?kg?1)。其中,有機質(zhì)含量<6 g?kg?1的極貧級土壤樣本數(shù)占總樣本數(shù)量的0%,有機質(zhì)含量為6～20 g?kg?1的貧級土壤樣本數(shù)占總樣本數(shù)量的16.67%,有機質(zhì)含量為20～30 g?kg?1的中下級土壤樣本占總樣本數(shù)量的36.90%,有機質(zhì)含量為30～40 g?kg?1的中級土壤樣本占總樣本數(shù)量的23.81%,有機質(zhì)含量為40～50 g?kg?1的富級土壤樣本占總樣本數(shù)量的13.10%,土壤有機質(zhì)含量>50 g?kg?1的極富級土壤樣本占總樣本數(shù)量的9.52%。從樣本量占比區(qū)間來看,我國不同地區(qū)杉木人工林表層土壤有機質(zhì)分布等級較集中,主要分級表現(xiàn)呈“多中下,少富級,無極貧”的分布特征(圖1b)。

以地區(qū)為分類標準,不同地區(qū)杉木人工林表層土壤pH 高低順序為:浙江>廣西>江西>福建>湖南>廣東。其中廣東省杉木人工林表層土壤pH 最低,平均為4.12,比綜合平均值低10.43%;浙江省杉木人工林表層土壤pH 最高,平均為4.98,比綜合平均值高8.26%(圖2a)。以土壤類型為分類標準[23],不同土壤類型杉木人工林表層土壤pH 高低順序為:紅黃壤>黃紅壤>紅壤>山地黃壤>山地紅壤>紫壤>赤紅壤>暗紅壤。其中暗紅壤的pH 最低,平均為4.16,比綜合平均值低9.57%;紅黃壤pH 最高,平均為5.04,比綜合平均值高9.57%(圖2b)。

以地區(qū)為分類標準,不同地區(qū)杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量高低順序為:湖南>廣東>浙江>江西>廣西>福建。其中,福建省杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量最低,平均為28.72 g?kg?1,比綜合平均值低7.41%;湖南省杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量最高,平均為45.18 g?kg?1,比綜合平均值高45.65%(圖2c)。以土壤類型為分類標準,不同土壤類型杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量高低順序為:山地黃壤>山地紅壤>紅壤>紅黃壤>黃紅壤>赤紅壤>紫壤>暗紅壤。其中暗紅壤的有機質(zhì)含量最低,平均為15.81 g?kg?1,比綜合平均值低51.06%;山地黃壤的有機質(zhì)含量最高,平均為46.63 g?kg?1,比綜合平均值高50.32%(圖2d)。

2.3 SOM 含量與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)性統(tǒng)計顯示(表3),杉木人工林表層土壤有機質(zhì)與土壤有效氮呈極顯著(P<0.01)正相關(guān);土壤全氮與全磷、有效氮、有效鉀呈極顯著(P<0.01)正相關(guān);土壤全磷與全鉀呈極顯著(P<0.01)負相關(guān),與有效氮呈顯著(P<0.05)正相關(guān),與有效磷呈極顯著(P<0.01)正相關(guān);土壤全鉀與有效磷呈極顯著(P<0.01)負相關(guān);有效氮與有效鉀呈顯著(P<0.05)正相關(guān);其余指標間雖具有一定的相關(guān)性,但相關(guān)性不顯著。

表3 杉木人工林表層土壤有機質(zhì)與養(yǎng)分指標間的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil organic matter and soil nutrients in the topsoil of Chinese fir plantations

采用多因子及互作項逐步回歸方程擬合杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量(Y)與全氮(X1)、全磷(X2)、全鉀(X3)、有效氮(X4)、有效磷(X5)、有效鉀(X6)等養(yǎng)分因子之間的關(guān)系,以調(diào)查土壤養(yǎng)分與有機質(zhì)之間的關(guān)系。從表4 方程中可以看出,不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分因子對杉木人工林表層土壤有機質(zhì)的影響不同。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,不同方程對土壤有機質(zhì)含量變化的決定系數(shù)分別為99.91%、92.09%、100.00%、99.62%、87.17%、83.78%和100.00%。從解釋率上來講,方程能夠很好地描述土壤養(yǎng)分對有機質(zhì)的影響。逐步回歸分析顯示,廣東省杉木人工林土壤有機質(zhì)含量與全氮(X1)正相關(guān),與有效氮(X4)負相關(guān);福建省的杉木人工林有機質(zhì)含量與全氮×有效鉀(X1X6)正相關(guān),與有效磷×有效鉀(X5X6)負相關(guān);廣西的杉木人工林土壤有機質(zhì)與全鉀(X3)、全磷×有效鉀(X2X6)、有效磷×有效鉀(X5X6)均為負相關(guān),與全氮×有效磷(X1X5)正相關(guān);湖南省的杉木人工林有機質(zhì)與有效磷(X5)、全磷×全鉀(X2X3)負相關(guān),與全磷×有效鉀(X2X6)、有效磷×有效鉀(X5X6)正相關(guān);江西省的杉木人工林土壤有機質(zhì)與全氮(X1)、全磷×有效磷(X2X5)正相關(guān),與有效鉀(X6)負相關(guān);浙江省的杉木人工林土壤有機質(zhì)與全氮(X1)、全鉀×有效氮(X3X4)正相關(guān)。綜合分析顯示,我國杉木人工林表層土壤有機質(zhì)主要影響因子為全氮(X1)、有效磷(X5)、全磷×全鉀(X2X3)、全鉀×有效磷(X3X5)(表4)。

表4 不同省份杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量(Y)與土壤養(yǎng)分含量(X)的多因子及互作項逐步回歸結(jié)果Table 4 Stepwise regression results of multiple factors and interactions of soil organic matter content(Y)and soil nutrients contents(X)in the topsoil of Chinese fir plantations in different provinces

2.4 土壤有機質(zhì)對土壤養(yǎng)分的貢獻

從結(jié)構(gòu)方程模型的路徑系數(shù)可見(圖3),杉木人工林中表層土壤有機質(zhì)含量分布受海拔、林分密度、坡度、年平均溫度、平均降水量和土壤pH 等環(huán)境因子的共同影響,其影響路徑系數(shù)分別為0.28、?0.35、0.11、?0.08、0.03 和0.11。與此同時,海拔對林地年平均溫度和平均降水量也會產(chǎn)生影響,其影響路徑系數(shù)分別為?0.25 和?0.22,林地土壤pH 則受林分密度、坡度和年平均溫度的共同作用,影響路徑系數(shù)分別為0.05、?0.08 和?0.12。土壤有機質(zhì)對全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀的影響路徑系數(shù)分別為0.17、0.47、?0.09、?0.03、0.16 和0.21。根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型路徑系數(shù)分析的原則,路徑系數(shù)絕對值大的數(shù)列代表外生顯變量對內(nèi)生顯變量的影響程度較大,反之則小[24]?？梢?海拔、林分密度、坡度和土壤pH 對杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量變化有較顯著的影響,其中海拔、坡度和土壤pH 對土壤有機質(zhì)含量變化的影響表現(xiàn)出明顯的正效應,林分密度則為負效應,土壤有機質(zhì)對土壤中全氮、有效氮、全鉀、有效鉀含量有較明顯的正貢獻,對全磷、有效磷具有微弱的負貢獻。

3 討論

土壤有機質(zhì)是來源于植物、動物、微生物的有機化合物在不同分解階段的非均相混合物,是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[25]。土壤有機質(zhì)在提供植物生長所需要養(yǎng)分的同時,還能有效改良土壤結(jié)構(gòu),使土壤疏松,促進土壤形成水穩(wěn)定性團聚體,增加土壤持水和保肥能力,有利于根系的生長、土壤微生物和土壤動物活動[26]。本研究發(fā)現(xiàn),我國杉木主產(chǎn)區(qū)人工林表層土壤有機質(zhì)養(yǎng)分等級為中級(30～40 g·kg?1),表層土壤有機質(zhì)含量普遍較低,這可能是由于營造單一純林使得林下植被多樣性下降、生物量降低[27],加上杉木本身凋落物有限[28],林農(nóng)放火煉山[29?30]從而導致表層土壤有機質(zhì)含量下降。統(tǒng)計分析顯示,不同省域和不同土壤類型的杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量差異明顯,這種差異主要是由于各地區(qū)杉木生長的環(huán)境條件、成土母質(zhì)及管理水平的差異所導致[31]。

通常情況下,土壤有機質(zhì)的分解主要受土壤微生物、土壤酶活性、土壤動物以及環(huán)境因素所影響,其中環(huán)境因子占主要作用[32]。本研究發(fā)現(xiàn),海拔、林分密度、坡度和土壤pH 對杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量變化有較顯著的影響,其中海拔、坡度和土壤pH 對土壤有機質(zhì)含量變化的影響表現(xiàn)出明顯的正效應,林分密度則為負效應。由此可見,林分密度過大、土壤pH 降低是直接導致杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量下降的主要影響因素[33]。植物正常生長發(fā)育需要適宜的土壤pH 環(huán)境,土壤pH 過低會導致土壤中交換性酸、鋁增加,抑制植物根系對N和K 的吸收、同化和轉(zhuǎn)移,植物容易發(fā)生酸化傷害[34]。本研究發(fā)現(xiàn),我國杉木人工林表層土壤pH 平均為4.60,為強酸性。其中,pH<4.5 的極強酸性和pH 為4.5～5.5 的強酸性土壤樣本數(shù)占總樣本數(shù)量的97.62%。一般情況下,自然界中土壤pH 降低是一個非常緩慢的過程,出現(xiàn)這種情況很可能是由于化學肥料的使用,杉木人工林多代連栽、酸沉降等,使得土壤酸度增加,土壤性質(zhì)進一步惡化。此外,由于杉木凋落物有機質(zhì)分解產(chǎn)生的有機酸和酚類物質(zhì)及酸雨污染的日益嚴重,可能進一步加劇了杉木人工林土壤的酸化程度[35]。

N、P、K 作為植物生長發(fā)育所必需的養(yǎng)分三要素,植物對其需求量大,是土壤中極為重要的養(yǎng)分元素,也是衡量土壤肥力的重要指標[36]。本研究中,不同試驗地的杉木人工林表層土壤N、P、K 養(yǎng)分含量差異性較大,波動范圍廣。杉木人工林表層土壤中全氮和有效氮的含量較高,養(yǎng)分等級分別為中下和富;全磷含量極低,平均含量僅為0.49 g·kg?1,處于極貧水平;全鉀平均含量為14.17 g·kg?1,養(yǎng)分等級為貧,有效鉀養(yǎng)分等級為中下。杉木人工林表層土壤養(yǎng)分整體表現(xiàn)出“缺磷少鉀”的分布特征。與此同時,有效磷的樣本最大值為45.62 mg·kg?1,最低值僅為0.03 mg·kg?1,變異程度高達148.06%。這說明在杉木人工林中,有效磷在表層土壤變化最強烈,它對杉木生長發(fā)育變化更加敏感。

大量研究表明,林地土壤有機質(zhì)含量與土壤質(zhì)量和林木生長量密切相關(guān)[37-39]。本研究發(fā)現(xiàn),杉木人工林表層土壤有機質(zhì)與土壤有效氮之間具有正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性極顯著,這說明表層土壤有機質(zhì)是土壤中有效氮的重要來源,土壤有機質(zhì)含量降低可能會導致有效氮的缺乏,林木產(chǎn)量下降。同時還發(fā)現(xiàn),土壤有機質(zhì)對全氮、全磷、全鉀和有效氮、有效磷、有效鉀的影響路徑系數(shù)分別為0.17、?0.09、0.16、0.47、?0.03、0.21。這說明杉木人工林表層土壤有機質(zhì)分解可促進N 和K 等養(yǎng)分元素的釋放,有利于土壤肥力的增加。有機質(zhì)含量降低則會導致土壤中全氮、有效氮、全鉀、有效鉀等養(yǎng)分含量的降低,最終導致土壤肥力下降。

4 結(jié)論

杉木人工林表層土壤有機質(zhì)含量平均為(31.02±13.44)g·kg?1,養(yǎng)分等級為中,變異系數(shù)為43.33%,屬中等變異水平,主要分級表現(xiàn)為“多中下,少富級,無極貧”的分布特征。不同土壤類型有機質(zhì)含量差異較大,山地黃壤的含量最高,為(46.63±16.88)g·kg?1,暗紅壤最低,為(15.81±4.38)g·kg?1。林分密度、海拔、坡度和土壤pH 是杉木人工林表土有機質(zhì)含量變化的主要影響因素,其對土壤有機質(zhì)的貢獻量分別為?0.35、0.28、0.11 和0.11。土壤有機質(zhì)對全氮、有效氮、全鉀、有效鉀的貢獻程度較高,貢獻量分別為0.17、0.47、0.16 和0.21。土壤有機質(zhì)對土壤全磷的貢獻程度較低,貢獻量為?0.09 和?0.03。因此,土壤中磷的缺乏可能是限制杉木生長的主要因素。