盧妮妮 高志雄 張鵬 徐雪蕾 王新杰

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

責任編輯:王廣建。

杉木作為一種重要的用材樹種，其材質優(yōu)良和生長迅速的特點深受林農的青睞［1］。第七次全國森林資源清查結果顯示，我國杉木人工林面積達8.54×106hm2，占人工林總面積的21.35%［2］。杉木人工林樹種單一，生態(tài)系統結構簡單，抵抗力較低，這將大大影響杉木林的生長，降低木材產量［3－5］。林下植被作為森林生態(tài)系統的組成部分之一，在維護地力及促進養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著重要的作用［6］。土壤理化性質和林分結構是決定林木生長的重要因子［7］。近年來，已有不少關于杉木林土壤理化性質的研究，并取得了一定的成果。有學者通過對土壤有機碳［8］、有機質［9］的研究，提出營造混交林［10－11］和發(fā)育林下植被［12－13］來改良土壤的方法。目前對林下植被與土壤的物理性質進行了簡單的相關分析［14］，相關系數雖然可以在一定程度上反映變量間的關系，但因其自身的片面性［15－16］，限制了對因子之間關系的深入理解。通徑分析不僅能準確表述變量間的真實關系，而且能把性狀間的相關性分解成直接作用和間接作用。

以福建三明市將樂國有林場的杉木人工純林為研究對象，選取土壤大量元素和微量元素指標，分析了不同林齡階段杉木人工純林土壤養(yǎng)分特征，并對土壤養(yǎng)分和林下植被進行通徑分析為杉木林地力恢復及高產穩(wěn)產提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省西北部的三明市將樂國有林場(E 117°05'～117°40'，N 26°26'～27°04')。該地區(qū)屬低山丘陵區(qū)，平均海拔258 m;屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19.8 ℃;年平均降水量1 684 mm，全年降水量的80%發(fā)生在3—9月;境內夏季時間長，冬季較溫暖，無霜期273 d;土壤類型主要為紅壤，花崗巖母質，平均土層厚度60 cm;森林資源豐富，森林覆蓋率達84.5%。主要造林樹種為杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb)Hook)、馬尾松(Pinus massoniana L.)、毛竹(Phyllostachys pubescens);常見灌木包括剛竹(Phyllostachys viridis)、鹽膚木(Rhus chinensis)、烏飯樹(Vaccinium bracteatum)、懸鉤子(Rubus palmatus)、苦竹(Pleioblastus amarus)、粗葉榕(Ficus hirta Vahl)、黃瑞木(Adinandra millettii)、楤木(Aralia chinensis)等;主要的草本植物有芒萁(Dicranopteris dichotoma (Thunb.)Bernh)、山葡萄(Vitis amurensis Rupr.)、烏毛蕨(Stenoloma chusanum Ching)、龍牙草(Agrimonia pilosa Ledeb)、福建蓮座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.)、狗脊蕨(Woodwardia orientalis Sw.)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus (Lab.)Warb.Ex Schum et Laut)、魚腥草(Houttuynia cordata Thunb)、堇菜(Viola rockiana W.Beck)等。

2 試驗數據與方法

2.1 樣地選擇

充分考慮海拔、坡向、坡度等立地因子，參考吳蔚東等［17］選擇樣地的原則，在福建省三明市將樂國有林場，選取立地條件相似、不同林齡階段的杉木純林(初始栽植密度為2 500 株/hm2)作為研究對象。標準地基本情況見表1。

表1 標準地基本情況

2.2 研究方法

2.2.1 試驗地設置

采用空間代替時間的方法，分別在3、10、18、25、34年生杉木林內設置20 m×20 m 的標準地，標準地設置3 個重復，對標準地林木進行每木檢尺。灌木樣方設置在標準地四角及中心，面積為5 m×5 m，調查灌木種類、高度、地徑、蓋度、生長狀況和分布狀況等。在灌木樣方四角及中心設置1 m×1 m的草本樣方，調查草本的種類、高度、蓋度、株數、生長和分布狀況等。標準地布設見圖1。

2.2.2 土壤理化性質測定

在標準地合適位置挖掘土壤剖面，用環(huán)刀法取土樣，取土深度為50 cm，每10 cm 為一層，分層測定土壤密度、含水率、毛管孔隙度和總孔隙度。同時在灌木樣方中心用土鉆取土，分5 層取樣，每層取1 kg 樣品裝于自封袋，以測定土壤化學性質。具體測定方法參考杉木林生態(tài)系統定位研究方法［18］。

圖1 標準地布設圖

通過Excel 2010 和SPSS 18.0 對數據進行統計和分析，通徑分析步驟參考杜家菊［19］的分析方法。

2.2.3 灌木和草本生物量測定

在標準地內詳細記錄每個樣方中的灌木和草本的種類及生長狀況，灌木分為葉(花、果)、枝干、根3部分分別實測鮮質量，草本分為地上部分和地下部分挖全株實測鮮質量，并分別對各部分取樣。將各部分樣品在鼓風干燥箱中于105 ℃恒溫下烘干至恒質量，測量干物質質量，計算含水率，以此來計算生物量。每個林齡生物量樣本不少于20 株。

3 結果與分析

3.1 不同林齡杉木純林土壤物理性質

不同林齡的杉木人工純林土壤物理性質測定結果如表2所示。由表2可知，不同林齡杉木純林土壤物理性質隨土壤深度變化具有相似規(guī)律。土壤密度隨土層深度的加深而增大，且各土層土壤密度具有顯著差異(P＜0.05)，＞40～50 cm 土層的土壤密度比＞0～10 cm 土層增大了16%。隨著杉木林齡的增長，土壤密度逐漸增大，過熟林較幼齡林增大36%。土壤含水率隨土層深度的加深而減少，幼齡林的土壤含水率最大，土壤含水率隨林木林齡增長呈逐漸減小的趨勢，但方差分析顯示各林齡階段土壤含水量整體無差異(P＞0.05)。土壤孔隙度與土壤團聚直徑和土壤中有機質質量分數有關，毛管孔隙借毛管力的作用保持水分，它們能影響土壤中的水、肥、氣、熱狀況和林木生長［20］。圖2顯示，土壤總孔隙度整體上隨著土層深度的加深而減小，＞40～50 cm 土層土壤總孔隙度較＞0～10 cm 土層減少了6.19%，且最上層和最下層土壤總孔隙度差異顯著(P＜0.05)。隨著杉木林分的發(fā)育，土壤總孔隙度逐漸減小，過熟林時最小，但各林齡階段總孔隙度無顯著差異(P＞0.05);毛管孔隙度在林木成熟過程中無明顯變化。

3.2 不同林齡杉木純林土壤化學性質

3.2.1 杉木純林土壤中的大量元素

不同林齡杉木純林土壤化學性質測定結果見表3。由表3可知，隨著林分林齡的增大，不同林齡杉木純林土壤大量元素(鉀、氮、磷、有機質)質量分數呈現相似變化規(guī)律。全鉀、全氮、全磷質量分數呈逐漸增加趨勢，且各林齡階段質量分數差異顯著(P＜0.05);速效鉀、速效磷和有機質質量分數均表現為先減小再增大的趨勢，在近熟林時達到最小值，方差分析顯示近熟林速效鉀、速效磷和有機質質量分數與幼齡林、過熟林具有顯著差異(P＜0.05)，與中齡林和成熟林差異不顯著(P＞0.05)。垂直方向上，隨著土層深度的加深，土壤中速效鉀、堿解氮、速效磷、全氮和有機質質量分數逐漸減少，其中各土層速效鉀、堿解氮和有機質質量分數差異顯著(P＜0.05)，速效磷質量分數無顯著差異(P＞0.05)。各土層全鉀質量分數和全磷質量分數無明顯變化規(guī)律，且各土層質量分數無顯著差異(P＞0.05)。

表2 不同林齡杉木純林土壤物理性質

表3 不同林齡杉木純林土壤化學性質

3.2.2 杉木純林土壤中的微量元素

從表3可知，各林齡階段杉木純林土壤微量元素質量分數變化具有相似特征。隨著林分林齡的增大，鋁和鋅元素質量分數呈先減少后增加的趨勢，極小值點出現在成熟林階段。鐵元素的變化則相反，表現為先增加后減少，極大值點出現在中齡林階段。鎂、鈉、鈣元素的質量分數隨林分林齡的增加始終在增加，過熟林階段的鈉元素質量分數為幼齡林階段的2 倍，反映了杉木純林在發(fā)育過程中將導致土壤堿化，在經營時應注意建設林地的灌溉排水設施。各林齡階段錳元素質量分數無明顯變化。方差分析顯示，各林齡階段杉木純林土壤鋁、鐵、鋅和鈉元素質量分數變化差異顯著(P＜0.05)，鎂、鈣和錳元素的質量分數變化無顯著差異(P＞0.05)。

垂直方向上，鋁、鐵和鎂元素質量分數隨著土層深度的加深逐漸增加，其中各土層鋁和鐵元素質量分數差異顯著(P＜0.05)，鎂元素質量分數無顯著差異(P＞0.05)。鈣和錳元素質量分數均隨著土層深度加深先減少后增加，極小值點均出現在＞30～40 cm 土層，且該層鈣和錳元素質量分數與其他土層質量分數差異顯著(P＜0.05)。鈉元素質量分數呈逐漸減小趨勢，各土層質量分數差異顯著(P＜0.05)，＞40～50 cm 土層比＞0～10 cm 土層減少了31.5%，表明土壤堿化主要發(fā)生在表層土壤。隨著土層深度的加深，鋅元素質量分數無顯著變化(P＞0.05)。

3.3 不同林齡杉木純林林下灌草多樣性及生物量

不同林齡杉木純林下灌木和草本的Shannon－Wiener 多樣性指數如表4。灌木的Shannon－Wiener指數隨杉木林分林齡的增加呈先減小后增大的趨勢，成熟林階段灌木的多樣性指數最小。方差分析顯示，杉木發(fā)育的各個階段灌木多樣性差異不顯著(P＞0.05)。隨著杉木的生長，林下草本多樣性指數先后出現一個增加和減少的變化過程，在近熟林時達到最大值，比幼齡林時增加了34.67%，且幼齡林與其他成長階段林下草本多樣性指數差異顯著(P＜0.05)。

林下灌木和草本的生物量一定程度上反映了喬木層的樹冠狀況和土壤的肥沃程度［21］，對不同林齡的杉木純林中的灌木和草本的生物量進行測定，結果如表4。由表4可知，灌木生物量隨著林分林齡的增加始終在增大，在過熟林中達到最大值，各個發(fā)育階段除幼齡林和中齡林差異不顯著外(P＞0.05)，均具有顯著的差異(P＜0.05)。隨著林分的發(fā)育，草本的生物量先增大后減小，在成熟林中達到最大值。

表4 不同林齡杉木純林下灌草的多樣性和生物量

3.4 土壤理化性質與林下植被多樣性和生物量的通徑分析

對不同發(fā)育階段的杉木純林的土壤理化指標與林下植被的多樣性指數和生物量進行通徑分析，結果如表5。由表5可知，全磷對灌木多樣性有較大的直接通徑系數，表觀表現為全磷與灌木多樣性顯著相關(P＜0.05)。對草本多樣性有較大直接通徑系數的是土壤化學元素中的速效鉀、全鉀、鐵和鋅，其中速效鉀和鋅與草本多樣性顯著負相關(P＜0.05)?？偪紫抖?、土壤密度和鋅對灌木生物量的直接通徑系數較大，同時通過其他指標對灌木生物量的間接通徑系數也較大，表觀表現為總孔隙度和土壤密度與灌木生物量極顯著相關(P＜0.01)，鋅與灌木生物量顯著相關(P＜0.05)，說明總孔隙度、土壤密度和鋅是影響灌木生物量大小的主要因素。毛管孔隙度只對草本生物量有較大的直接通徑系數，且兩者之間呈極顯著相關關系(P＜0.01);速效鉀對草本生物量有較大的直接通徑系數。整體上，土壤物理性質對灌木生物量和草本生物量有較大的影響，土壤化學指標中速效鉀、全鉀、全磷、鐵和鋅對灌木多樣性、草本多樣性、灌木生物量和草本生物量均達到顯著相關(P＜0.05)。

表5 土壤理化性質對林下植被的通徑系數

4 結論與討論

不同林齡杉木純林土壤物理性質隨土壤深度變化具有相似規(guī)律。土壤密度隨土層深度的加深而增大，且各土層土壤密度具有顯著差異(P＜0.05)。隨著杉木林齡的增長，土壤密度逐漸增大，過熟林較幼齡林增大36%。土壤含水率和總孔隙度均隨土層深度的加深而減少，幼齡林時期的土壤含水率和總孔隙度最大。隨著杉木林分的發(fā)育，土壤含水率和土壤總孔隙度逐漸減小，過熟林時最小。毛管孔隙度在林木成熟過程中無明顯變化。

隨著林齡的增大，全鉀、全氮、全磷質量分數呈逐漸增加趨勢，且各林齡階段質量分數差異顯著(P＜0.05);速效鉀、速效磷和有機質質量分數均表現為先減小再增大的趨勢，這與盛煒彤［22］的研究結果類似，表明在杉木發(fā)育過程中，林地的土壤肥力在逐漸下降后略有回升;垂直方向上，隨著土層深度的加深，土壤中速效鉀、堿解氮、速效磷、全氮和有機質質量分數逐漸減少。微量元素中的鋁和鋅元素質量分數隨林分林齡的增加呈先減少后增加的趨勢，鐵元素則表現為先增加后減少，鎂、鈉、鈣元素的質量分數始終在增加，錳元素質量分數無明顯變化。垂直方向上，鋁、鐵和鎂元素質量分數隨著土層深度的加深逐漸增加，鈣和錳元素質量分數則先減少后增加，鈉元素質量分數呈逐漸減小趨勢。

隨著林齡的增加，灌木的Shannon－Wiener 指數先減小后增大，生物量逐漸增大;草本的Shannon－Wiener 指數和生物量均先增大后減小。

土壤物理性質對灌木生物量和草本生物量較大的影響，土壤化學指標中速效鉀、全鉀、全磷、鐵和鋅對灌木多樣性、草本多樣性、灌木生物量和草本生物量均達到顯著相關(P＜0.05)。本試驗主要研究了不同發(fā)育階段杉木純林林地土壤理化性質及其對林下植被的影響，認為人工促進林下植被更新可對部分土壤養(yǎng)分的循環(huán)起到一定的作用，為杉木林地力恢復、可持續(xù)經營提供了理論依據。但土壤元素對林下植被的影響由氣候環(huán)境、群落結構、土壤酶、真菌等因素共同決定，因此，結合土壤微生物群落環(huán)境研究土壤元素與林下植被的關系將成為下一步研究的重點。

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