譚長強(qiáng),申文輝,黃巨璧,黃海江,陸禮寶,彭玉華
(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院/廣西紅錐良種培育中心,廣西 南寧 530002;2.廣西上思縣林業(yè)局,廣西 上思 535500;3.上思縣紅旗林場,廣西 上思 535500)
土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,承載和參與著森林生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量的交換,是決定林木生產(chǎn)力的重要因素[1-2]。森林通過枯枝落葉以及根系的穿插影響著土壤性狀[3],土壤質(zhì)量綜合反映土壤理化性質(zhì)[4]。土壤物理性質(zhì)是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo),土壤化學(xué)性質(zhì)則是植物健康生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[4];土壤理化性質(zhì)是土壤的重要屬性,是土壤質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)[5]。因此,深入研究土壤理化性質(zhì),開展森林土壤質(zhì)量評價(jià),可以掌握土壤的環(huán)境狀況,對于提高和保護(hù)土壤肥力,促進(jìn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
紅錐Castanopsishystrix是季風(fēng)常綠闊葉林的主要植被類型之一,具有材質(zhì)優(yōu)良、速生、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí),紅錐具有菌根菌,并且根系發(fā)達(dá),是培肥土壤、維持地力的好樹種,已成為我國南方改善林木樹種結(jié)構(gòu)、建設(shè)生態(tài)林業(yè)較為理想的速生闊葉樹種之一[1,6],具有廣闊的發(fā)展前景。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對紅錐人工林的主要營養(yǎng)元素分布[7]、生理生態(tài)[8]、不同林齡群落結(jié)構(gòu)特征[9]、土壤呼吸[10]、土壤微生物[11]、生態(tài)化學(xué)計(jì)量比[12]、土壤和微生物因子[1]、紅錐人工林生物量和碳儲量等[13-14]進(jìn)行了研究。在紅錐人工林土壤理化性質(zhì)方面,僅見劉光金等[15]在紅錐中齡林和近熟林土壤理化性質(zhì)的研究,但尚未見有紅錐成熟林土壤理化特征以及紅錐林分土壤質(zhì)量評價(jià)的報(bào)道。因此,本研究以廣西紅錐適生區(qū)域的紅錐成熟林為對象,探討不同區(qū)域紅錐成熟林的土壤理化特征,采用主成分分析法對紅錐成熟林不同區(qū)域土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),旨在為紅錐的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于廣西紅錐適生區(qū)中的10個(gè)區(qū)域,分別位于桂東的大桂山林場(DGSLC)、六萬林場(LWLC)、滕縣(TX)、博白縣(BBX),桂南的浦北縣(PBX)、橫州市(HZS)、憑祥市(PXS)、天等縣(TDX),桂中的三門江林場(SMJLC),桂西的東蘭縣(DLX)。各試驗(yàn)地自然概況及立地條件見表1~2。
表1 各試驗(yàn)地自然概況Table 1 Locations and natural conditions of the tested sites
表2 各試驗(yàn)地立地條件Table 2 Geographical conditions of the tested sites
2020年11月—2021年4月,在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)地形分別設(shè)置6個(gè)具有代表性的20 m×20 m樣地,10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)60個(gè)樣地。在每個(gè)樣地中間挖取1個(gè)土壤剖面,按0~20、20~40、40~60 cm分層采樣,每層采集環(huán)刀3個(gè)、鋁盒3個(gè)、土樣1份,10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共采樣環(huán)刀540個(gè)、鋁盒540個(gè)、土樣180份,樣品用密封袋封好后帶回實(shí)驗(yàn)室測定。
土壤物理性狀測定參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 1215—1999森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》[16]。土壤化學(xué)指標(biāo)測定參照《土壤農(nóng)化分析》[17]。
土壤質(zhì)量參照彭玉華等[18]的主成分分析法進(jìn)行評價(jià)。在所有指標(biāo)中,由于土壤容重過高會對植物根系生長和土壤孔隙度產(chǎn)生抑制作用,故選擇“負(fù)向作用”函數(shù),其他指標(biāo)則使用“正向作用”函數(shù)。
采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)、方差分析、主成分分析和檢驗(yàn);采用WPS 2019軟件繪制圖表。
由表3可知,不同區(qū)域?qū)t錐成熟林土壤物理性質(zhì)有極顯著的影響(P<0.001)。從圖1可以看出,橫州市的土壤容重顯著高于其他區(qū)域,其毛管孔隙度也最大,但最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度處于較低水平;憑祥市的最大持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著大于其他區(qū)域;東蘭縣的自然含水率顯著高于其他區(qū)域;三門江林場的毛管持水量顯著大于其他區(qū)域,其土壤容重顯著低于其他區(qū)域;六萬林場的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度均最小。
圖1 不同區(qū)域紅錐成熟林土壤物理特性Fig.1 Soil physical characteristics of C.hystrix mature forests in different districts
表3 區(qū)域和土層深度對紅錐成熟林土壤物理性質(zhì)的影響?Table 3 Effects of region and soil depth on soil physical properties of C.hystrix mature forests
土層深度對紅錐成熟林的土壤容重、最大持水量、毛管持水量影響極顯著(P<0.001),對毛管孔隙度影響顯著(P<0.05),對自然含水率、非毛管孔隙度和總孔隙度影響不顯著(表3)。各區(qū)域的土壤容重均隨著土層加深而增加;各區(qū)域的最大持水量、毛管持水量和毛管孔隙度大部分表現(xiàn)為隨著土層加深而減?。蛔匀缓?、非毛管孔隙度和總孔隙度在各區(qū)域土層深度的表現(xiàn)沒有統(tǒng)一的規(guī)律。
區(qū)域和土層深度的交互作用對紅錐成熟林土壤容重、最大持水量、毛管持水量有極顯著影響(P<0.001),對非毛管孔隙度、總孔隙度有極顯著的影響(P<0.01),對自然含水率、毛管孔隙度的影響不顯著。
不同區(qū)域?qū)t錐成熟林土壤化學(xué)指標(biāo)均有極顯著的影響(P<0.01)(表4)。從圖2可以看出,憑祥市和浦北縣的土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,顯著高于橫州市、滕縣、天等縣、博白縣和東蘭縣等區(qū)域;三門江林場的全氮和速效磷顯著大于其他區(qū)域,全鉀和pH值處于較低水平;博白縣的全鉀和pH值最大,全氮、全磷、有效氮、速效磷和速效鉀均處于較低水平;橫州市的有效氮和速效鉀顯著高于其他區(qū)域,速效磷處于較低水平;浦北縣的全磷顯著高于三門江林場外的其他區(qū)域;東蘭縣的有機(jī)質(zhì)和憑祥市的全鉀最小。
圖2 不同區(qū)域紅錐成熟林土壤化學(xué)特性Fig.2 Soil chemical properties of C.hystrix mature forests in different districts
表4 區(qū)域和土層深度對紅錐成熟林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 4 Effects of region and soil depth on soil chemical properties of C.hystrix mature forest
土層深度對紅錐成熟林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀影響極顯著(P<0.001),對有效氮和速效磷影響顯著(P<0.05),對全磷、全鉀和pH值影響不顯著(表4)。由圖1可知,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀大部分的區(qū)域隨著土層加深而降低,大桂山林場土壤有機(jī)質(zhì)和全氮以及速效鉀、藤縣土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷、博白縣和浦北縣以及憑祥市土壤有機(jī)質(zhì)均是0~20 cm土層顯著高于40~60 cm土層;土壤全鉀、全磷、速效氮和pH值在各區(qū)域的表現(xiàn)沒有統(tǒng)一的規(guī)律。區(qū)域和土層深度的交互作用對紅錐成熟林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響均不顯著。
參照彭玉華等[18]的指標(biāo)變異程度分級,變異系數(shù)低于10%,變量的變異程度較弱;變異系數(shù)在10%~100%,變量的變異程度為中等;變異系數(shù)大于100%,變量的變異程度較強(qiáng)烈。由表5可知,土壤物理性質(zhì)變異系數(shù)變化范圍為12.6%~60.1%,沒有較強(qiáng)烈和較弱的變異性,非毛管孔隙度變異系數(shù)最大,偏向于較強(qiáng)變異性,反映了不同區(qū)域紅錐成熟林的非毛管孔隙度具有較大的差異性,可能與不同區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)差異有關(guān);土壤總孔隙度、容重、毛管孔隙度的變異系數(shù)變化范圍為12.6%~13.1%,接近較弱變異程度,說明不同區(qū)域紅錐成熟林的土壤總孔隙度、容重、毛管孔隙度差異性不大;土壤持水性質(zhì)的變異系數(shù)變化范圍為19.2%~23.8%,偏向較弱變異性,表明不同區(qū)域紅錐成熟林的土壤持水性質(zhì)有一定的差異性,但差異不大。土壤化學(xué)性質(zhì)的變異系數(shù)變化范圍較大,從7.5%~100.3%,土壤pH值變異系數(shù)最小,只有7.5%,屬于較弱變異程度,變幅為3.4~5.0,反映了不同區(qū)域紅錐成熟林均為酸性土壤,差異不大;紅錐成熟林土壤有效氮變異系數(shù)大于100%,達(dá)到較強(qiáng)烈變異程度,表明土壤有效氮在不同的區(qū)域有較大的差異性,含量最大的是橫州市,比最少的六萬林場多了70.4 mg·kg-1;不同區(qū)域紅錐成熟林其他土壤養(yǎng)分變異系數(shù)在38.4%~80.2%,屬于中等變異程度,其中土壤速效鉀含量變異強(qiáng)度相對較大,達(dá)80.2%,接近于較強(qiáng)烈變異程度,含量最大的是橫州市,比最少的博白縣多了50.7 mg·kg-1,反映了不同區(qū)域紅錐成熟林土壤速效鉀變化也較大。
表5 土壤理化性質(zhì)變異狀況Table 5 Statistics of soil properties
本研究采用土壤理化特征指標(biāo)的總數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明(表6),特征值大于1的前4個(gè)主成分解釋了理化指標(biāo)對土壤質(zhì)量影響的90.7%,表明這4個(gè)主成分能夠充分解釋原始數(shù)據(jù)。公因子方差分析結(jié)果顯示,除自然含水率只能解釋69.7%的差異外,其他土壤理化指標(biāo)均能解釋80%以上的差異,特別是土壤容重等10個(gè)指標(biāo)的解釋90%以上的差異,說明各個(gè)指標(biāo)都能被很好地表達(dá)。第1主成分與最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、全氮和速效磷有較大的正相關(guān),與全磷有較大的負(fù)相關(guān);第2主成分與有效氮和速效鉀有較大的正相關(guān);第3主成分與自然含水率和總孔隙度有較大的正相關(guān);第4主成分與全鉀有較大的正相關(guān)。
表6 土壤指標(biāo)主成分分析的結(jié)果及公因子方差及權(quán)重Table 6 Results of principal component analysis of the soil indicators and their norm value and weight
從表7可知,紅錐成熟林各區(qū)域的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)在0.328~0.662。參照袁星明等[19]土壤質(zhì)量分級并結(jié)合紅錐成熟林土壤質(zhì)量狀況,按土壤質(zhì)量指數(shù)大小將土壤質(zhì)量劃分為優(yōu)(0.8~1.0)、良(0.6~0.8)、中(0.4~0.6)和差(0~0.4)4個(gè)等級。本研究中沒有一個(gè)區(qū)域的紅錐成熟林土壤為優(yōu)水平,處于良水平有憑祥市和浦北縣的紅錐成熟林土壤,有30%區(qū)域的紅錐成熟林土壤處于差水平,有50% 區(qū)域的紅錐成熟林土壤處于中等水平。
表7 紅錐成熟林各區(qū)域土壤質(zhì)量指數(shù)Table 7 Soil quality index of each region in C.hystrix mature forest
研究表明,土壤容重在1.0~1.3 g·cm-3時(shí),總孔隙度在50%,且毛管、非毛管孔隙同時(shí)存在;非毛管孔隙占20%~40%時(shí),表明毛管孔隙和非毛管孔隙搭配合理、土壤容重適當(dāng),這時(shí)的土壤透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào),可以滿足植物對空氣和水分條件的需要[17]。通過對廣西不同區(qū)域臺灣榿木人工林土壤物理性狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),廣西不同區(qū)域紅錐成熟林土壤容重均值在1.1~1.5,總孔隙度在36.2%~46.3%,且毛管、非毛管孔隙同時(shí)存在。雖然非毛管孔隙度沒有達(dá)到20%,但從整體上看,廣西不同區(qū)域紅錐成熟林土壤的透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)。土壤由于受到地形地貌、氣候、植被等因素的干擾,其物理性質(zhì)空間異質(zhì)性較強(qiáng)[20]。研究表明,紅錐成熟林土壤物理性質(zhì)受到區(qū)域顯著影響,土壤物理性質(zhì)在廣西各地表現(xiàn)不一,憑祥市最大持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著大于其他區(qū)域;東蘭縣自然含水率顯著高于其他區(qū)域;六萬林場的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度均最??;橫州市土壤容重較高,其最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度處于較低的水平;三門江林場的最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度較高,土壤容重較低。雖然土壤物理性質(zhì)在不同區(qū)域表現(xiàn)有差異,但是變異系數(shù)只在12.6%~60.1%,均處于中等變異性,且除了非毛管孔隙度的變異系數(shù)為60.1%外,其他均在25%以下,偏向于較弱變異性。紅錐成熟林最大持水量、毛管持水量分別在179.90~523.30 g·kg-1(653.67~732.59 t·hm-2)、148.90~429.40 g·kg-1(653.67~732.59 t·hm-2),與山西交城縣國有林場主要林分類型土壤層最大持水量(672.82~690.28 t·hm-2)基本一致[20],表明紅錐成熟林具有較重要的生態(tài)功能,在水源涵養(yǎng)方面有著重要的作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),紅錐成熟林土壤物理性質(zhì)受到土層深度顯著影響,隨著土層深度增加,土壤最大持水量、毛管持水量和毛管孔隙度大部分呈降低趨勢,土壤容重呈增加的趨勢,這一結(jié)果與已有的研究結(jié)果[20-21]基本一致,這可能是表層根系聚集和凋落物分解改善了土壤物理性質(zhì)。
土壤化學(xué)性質(zhì)受成土母質(zhì)、植被、氣候等多種因素影響[22],生境的高異質(zhì)性導(dǎo)致紅錐成熟林的土壤化學(xué)性質(zhì)具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性,致使各化學(xué)指標(biāo)在各區(qū)域的表現(xiàn)不一致。土壤有機(jī)質(zhì)較高出現(xiàn)在憑祥市和浦北縣,全氮和速效磷較高出現(xiàn)在三門江林場,全鉀和pH值最大出現(xiàn)在博白縣,有效氮和速效鉀較高出現(xiàn)在橫州市,全磷最高出現(xiàn)在浦北縣;土壤pH值在不同區(qū)域的分布相對來說較為均勻,均呈酸性至強(qiáng)酸性,這可能與成土母質(zhì)相關(guān)[23]。土壤化學(xué)性質(zhì)差異性分析表明,它們的變異系數(shù)變化較大,在7.5%~100.4%之間,變異程度較弱為土壤pH值,變異程度較強(qiáng)烈為有效氮,這與成土母質(zhì)、地形、植被有關(guān),各區(qū)域的成土母質(zhì)存在著差異,導(dǎo)致有效氮也存在差異,同時(shí)因有效氮可以被植物吸收,高蓋度植被需要從土壤中吸收的有效氮多,有效氮不能及時(shí)得到補(bǔ)充,土壤中的有效氮相對來說就少[17,24];其他土壤化學(xué)性質(zhì)變異系數(shù)在38.4%~80.2%,變異程度中等,其中土壤速效鉀和速效磷的變異程度較高,偏向于較強(qiáng)變異程度,這與地形、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因子有關(guān),磷素與鉀素的主要來源均為成土母質(zhì),具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[24]。研究結(jié)果顯示,同一區(qū)域不同土層間的紅錐成熟林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效氮和速效磷均存在顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀大部分的區(qū)域隨著土層加深而降低,養(yǎng)分“表聚性”明顯,這與袁星明等[19]研究結(jié)果基本一致,因?yàn)樯蠈油寥廊菀捉邮艿蚵湮锓纸獾酿B(yǎng)分,而隨著土層深度的增加,地表養(yǎng)分通過淋溶淀積作用從地表向土壤內(nèi)部輸送養(yǎng)分的量則會逐漸減少,所以表層土壤養(yǎng)分高于深層[4]。
紅錐成熟林土壤養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行對比得知,土壤全氮含量處于豐富以上,可能與樹種有關(guān)。紅錐是高碳匯能力的多用途高效樹種[13],枝葉濃密,枯枝落葉多,回歸養(yǎng)分大;其他土壤養(yǎng)分處于大部分缺乏或缺乏狀態(tài),可能與土壤養(yǎng)分性質(zhì)和林木生長有關(guān)。磷、鉀的主要來源均為成土母質(zhì),同時(shí)紅錐林木高大,生長過程中所需的養(yǎng)分多,凋落物分解回歸有限,滿足不了其生長所需,造成土壤養(yǎng)分缺乏。怎樣有效調(diào)控土壤養(yǎng)分來維持紅錐的持續(xù)生長,這有待進(jìn)一步研究。
土壤質(zhì)量指數(shù)可有效體現(xiàn)土壤維持植物健康生長環(huán)境的能力,通過綜合評價(jià)土壤理化性質(zhì)等獲得[19],指數(shù)越高越有利于作物的生長[4]。結(jié)果表明,紅錐成熟林土壤質(zhì)量在不同區(qū)域中處于中等水平的占比50%,處于良水平的占比20%,處于差水平的占比30%,處于差水平的3個(gè)區(qū)域的土壤質(zhì)量指數(shù)均在0.32以上,接近于中等水平。總體來說,土壤質(zhì)量指數(shù)由桂東向桂南遞增,紅錐成熟林土壤質(zhì)量整體上處于中等水平,結(jié)果與秦嶺山區(qū)典型人工林[24]和黃河南岸灌區(qū)[25]土壤質(zhì)量基本一致,優(yōu)于廣西柳州33年生的木荷Schima superba、杉木Cunninghamialanceolata、藍(lán)果樹Nyssasinensis、米老排Mytilarialaosensis的人工林土壤質(zhì)量[20],表明廣西區(qū)域種植紅錐能很好地穩(wěn)定土壤質(zhì)量和土壤肥力。
影響土壤質(zhì)量的因子很多,綜合指標(biāo)評價(jià)可更有效地評價(jià)土壤質(zhì)量總體情況,但是至今仍未形成一個(gè)統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)評價(jià)的目的,選用的指標(biāo)以及評價(jià)方法亦有差異[4,20]。本研究以土壤理化性質(zhì)為評價(jià)指標(biāo),采用主成分分析法來評價(jià)紅錐成熟林土壤質(zhì)量,可以初步了解廣西各區(qū)域紅錐成熟林的土壤質(zhì)量狀況,但結(jié)果有一定的局限性。在未來研究中,應(yīng)充分考慮研究區(qū)的氣候、生物、成土母質(zhì)、地形、林下更新、林分經(jīng)營措施等因素對林地土壤質(zhì)量的影響,使得土壤綜合質(zhì)量評價(jià)的結(jié)果更客觀。
1)不同區(qū)域?qū)ν寥牢锢硇再|(zhì)的影響差異顯著。各區(qū)域的物理性質(zhì)表現(xiàn)不一,橫州市土壤容重顯著高于其他區(qū)域;憑祥市最大持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著大于其他區(qū)域;東蘭縣自然含水率顯著高于其他區(qū)域;三門江林場毛管持水量顯著大于其他區(qū)域;六萬林場的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度均最小。土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度均受到土層深度顯著影響,隨著土層加深,土壤容重遞增,最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度大部分表現(xiàn)為遞減,自然含水率、非毛管孔隙度和總孔隙度沒有明顯規(guī)律性。區(qū)域和土層深度的交互作用對土壤容重、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度有顯著影響。紅錐成熟林土壤物理性質(zhì)均處于中等變異程度。總體上,各區(qū)域紅錐成熟林土壤的透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)。
2)不同區(qū)域?qū)ν寥阑瘜W(xué)性質(zhì)的影響差異顯著。各區(qū)域的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)不一,憑祥市和浦北縣的土壤有機(jī)質(zhì)較高;三門江林場的全氮和速效磷顯著大于其他區(qū)域;博白縣的全鉀和pH值最大;橫州市的有效氮和速效鉀均顯著高于其他區(qū)域;浦北縣的全磷顯著高于除三門江林場外的其他區(qū)域;東蘭縣的有機(jī)質(zhì)和憑祥市的全鉀均最小。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效氮、速效磷均受到土層深度顯著影響,隨著土層加深,大部分區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀遞減,全鉀、全磷、速效氮、pH值變化規(guī)律不一。土壤pH值變異程度較弱,有效氮變異程度較強(qiáng)烈,其他土壤養(yǎng)分變異程度中等。除了土壤全氮外,其他養(yǎng)分均處于缺乏狀態(tài)。
3)通過對紅錐成熟林土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià),約50%區(qū)域的紅錐成熟林土壤質(zhì)量處于中等水平,約20%區(qū)域處于良水平,約30%區(qū)域處于差水平??傮w來說,土壤質(zhì)量指數(shù)由桂東向桂南遞增的趨勢,紅錐成熟林土壤質(zhì)量整體處于中等水平。廣西地區(qū)種植紅錐能很好地穩(wěn)定土壤質(zhì)量和土壤肥力。