楊起帆 孫敏 鄭瑩瑩 楊蕾 黃猛 黃玉梅 丁國昌

(1.福建農(nóng)林大學(xué) a.林學(xué)院；b.藝術(shù)與園林學(xué)院，福建 福州 350002； 2.國家林業(yè)局森林公園工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

杉木采伐跡地輪作馬尾松后的土壤肥力變化

楊起帆1a孫敏1a鄭瑩瑩1a楊蕾1a黃猛1a黃玉梅1a丁國昌1b,2*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) a.林學(xué)院；b.藝術(shù)與園林學(xué)院，福建 福州 350002； 2.國家林業(yè)局森林公園工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

以福建省長汀縣樓子壩國有林場杉木連栽 (AA)、杉木—馬尾松—杉木(ABA)輪作及杉木—馬尾松輪作(AB)等3種利用方式林地為研究對象，研究了三種林地更新方式的土壤物理性質(zhì)、有機質(zhì)及全氮含量的變化規(guī)律，結(jié)果表明：不同土地利用方式的土壤物理性質(zhì)、有機質(zhì)和全氮差異均達顯著性水平。物理性質(zhì)方面，上坡的不同土層表現(xiàn)出杉木—馬尾松—杉木輪作下的土壤水分條件比杉—杉連栽地的土壤中相對較好，而在中坡和下坡各個土層則沒有明顯規(guī)律；上坡和下坡的杉木—馬尾松—杉木輪作下的土壤有機質(zhì)和全氮規(guī)律較為明顯，均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢，但中坡不同林分類型及不同土層變化規(guī)律各不相同。

杉木連栽；杉木—馬尾松—杉木輪作；有機質(zhì)；全氮

杉木是我國特有的速生商品材樹種，具有良好的經(jīng)濟價值、觀賞價值和生態(tài)價值，在我國人工林中占據(jù)著重要的地位。然而近年來，杉木的栽培中存在著林地肥力逐代衰竭的現(xiàn)象，影響了杉木人工林的持續(xù)高產(chǎn)及持續(xù)經(jīng)營。

有研究發(fā)現(xiàn)，在福建地區(qū)，杉木的多代連栽降低了其林分生產(chǎn)力。除此之外，徐有明[1]等同樣研究發(fā)現(xiàn)，杉木連栽導(dǎo)致林地肥力減退，并且土攘肥力衰退程度大小與前茬杉木的生長周期有關(guān)。頭茬杉木周期短則連栽的杉木長勢較好。馮宗煒[2]等比較分析了對杉木造林前后的土壤肥力，研究發(fā)現(xiàn)，造林后19年林地0—60cm土層中的N、P、K含量分別為造林前的43.6%、24.3%和43.2%，連栽導(dǎo)致其土壤肥力降低，這樣對杉木的持續(xù)生長產(chǎn)生了不利影響。盛煒彤等[3]系統(tǒng)研究和分析了不同代以及不同發(fā)育階段杉木林的土壤理化性質(zhì)和生物特性的變化過程，表明隨著連栽代數(shù)增加，杉木林土壤中的物理性質(zhì)變劣，養(yǎng)分含量減少，pH值降低，導(dǎo)致土壤肥力明顯下降。俞新妥等[4]在研究中得出杉木連栽代數(shù)的不斷增加，土壤中多酚氧化酶的活性也會隨著逐步增強，這可能是造成杉木連栽后林分生產(chǎn)力下降的原因之一。這一系列研究表明，連栽杉木，造成了林地土地肥力的嚴重退化，影響了杉木人工林的持續(xù)經(jīng)營。

針對杉木連栽所造成的土地退化問題，許多學(xué)者通過營造杉木混交林來恢復(fù)和提高林地的土壤肥力。南方混交林科研協(xié)作組通過多年試驗表明，杉松、杉檫的合理混交，能夠提高林分生產(chǎn)力和土壤肥力[5—7]。在南方人工林的經(jīng)營中，杉木和馬尾松作為我國南方重要的人工林樹種且生物學(xué)特性較為接近，經(jīng)常營造杉木、馬尾松混交林。有學(xué)者對杉木輪作馬尾松以及馬尾松輪作杉木這種方式下土壤肥力和林分生長量進行了相關(guān)研究。鄧利[8]等發(fā)現(xiàn)杉木與馬尾松連栽地會導(dǎo)致某些土壤養(yǎng)分含量降低。林洪義[9]認為杉木與馬尾松混交林的林木生長量比純林的林木生長量大，且能夠提高土壤含水量，疏松土壤地表層，改善林地土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力養(yǎng)分。

本文以杉木輪作馬尾松后的土壤肥力作為參照，通過對比杉木連栽與杉木—馬尾松—杉木輪作這兩種土地利用方式對土壤肥力的影響，分別從土壤的物理性質(zhì)、有機質(zhì)和全氮三個方面來探討杉木輪作對杉木人工林地土壤肥力的作用。本研究對前人提出的對杉木短期輪作方式進行更加廣泛的豐富和補充，為該區(qū)杉木人工林經(jīng)營措施和耕作制度提供一定的借鑒，而且為預(yù)防和改善林區(qū)地力的衰退情況，促進區(qū)域林區(qū)的高效持續(xù)經(jīng)營以及經(jīng)濟環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究地區(qū)為福建省長汀縣四都樓子壩國有林場，地處福建西部，地理位置為北緯25°18′40″—26°02′05″，東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″之間，海拔270—771m，無霜期247—338d，年平均溫度18℃，年平均降雨量1 304—1 974mm，屬亞熱帶濕潤性季風氣候。該林場以低山、丘陵為主，山地土壤主要為花崗巖在長期濕熱氣候條件下風化發(fā)育而成的紅黃壤，抗蝕性較差，林地屬Ⅱ類地，適宜杉木、馬尾松生長。該地林木總蓄積量為52萬m3，森林覆蓋率91.28%，森林茂密，植被類型多樣。林下植被有蕨類、鐵芒萁、五節(jié)芒、野牡丹、糥竹、毛莓、覆盆子、狗脊、山莓、野生獼猴桃等。

1.2 土壤樣品的采集

實驗地為長汀縣樓子壩國有林場紅樓工區(qū)1大班，三種不同土地利用方式下的人工林固定樣地分別為：(1)杉木-3a杉木樣地為1小班，面積3.5hm2，前茬26a生杉木砍伐后2010年營造3a生杉木林；(2)杉木-10a馬尾松-3a杉木樣地為5、6、7小班，面積7.7hm2，坡度為25°，前茬26a生杉木砍伐后1999年營造馬尾松林，后于2008年受凍害，2010年復(fù)營杉木林；(3)杉木-13a馬尾松樣地為杉木-10a馬尾松-3a杉木樣地中受凍害后保留的部分受災(zāi)較輕的馬尾松林。在調(diào)查樣地杉木人工林生長的基礎(chǔ)上，每個樣地各取上、中、下坡三個點，每個坡位取一個點并按不同土層A(0—20cm)、B(20—40cm)、C(40—60cm)從下而上的順序分別取土樣，每個土樣2.0kg左右，帶回實驗室室內(nèi)風干后備用。風干后的不同土地利用方式下的人工林土壤研磨過篩(2mm、0.25mm、0.149mm)供土壤分析測定。土壤容重用環(huán)刀(0—20cm、20—40cm)采集。采樣日期為2012年3月30號，采樣避開下雨前后。三種樣地土壤分別用AA、AB、ABA三種符號表示。樣地基本概況見表1。

表1 研究樣地概況

1.3 土樣測定

土壤物理性質(zhì)、有機質(zhì)含量及全氮含量根據(jù)《國家林業(yè)標準森林土壤分析方法》進行測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和SPSS13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重是土壤的一項基本的物理性質(zhì)指標，容重的大小反映出土壤的質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)以及有機質(zhì)含量的大小等物理狀況，包括土壤的透水性和通氣性等阻力狀況[11]。

表2 各人工林下不同坡位和不同土壤層土壤的物理性質(zhì)

注：不同小寫字母表示同一土層不同樹種間的差異顯著(P<0.05)

從表2可看出，三個林分的土壤剖面中土壤容重含量在不同土層深度中的變化趨勢基本一致。從上坡和中坡各個土層的土壤容重含量對比來看，AA、AB、ABA三塊樣地均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而先增加后減小的趨勢；而在下坡各個土層的土壤容重含量對比中，只有AB隨著土層深度的增加而先增加后減小，AA、ABA則呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步增加。不同坡位以及不同林分下土壤容重差異均達到顯著性差異水平。

三個林分的土壤剖面中土壤最大持水量在不同土層深度中的變化趨勢是一致的。在上坡AA、AB、ABA三樣地均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而先減小后增加的趨勢，在中坡變化趨勢也是一樣的；而在下坡AA、AB和ABA則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢。不同坡位以及不同林分下土壤最大持水量均達到顯著性水平。

三個林分的土壤剖面中土壤最小持水量含量在不同土層深度中的變化趨勢是一致的。在上坡和中坡各個土層的土壤最小持水量對比來看，AA、AB、ABA三樣地均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而先減小后增加的趨勢；而在下坡各個土層的土壤最小持水量含量對比中，AA、AB、ABA三塊樣地則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢。不同坡位以及不同林分下土壤最小持水量均達到顯著性水平。

三個林分的土壤剖面中土壤毛管持水量在不同土層深度中的變化趨勢是一致的。在上坡和中坡，AA、AB、ABA三塊樣地均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而先減小后增加的趨勢；而在下坡，AA、AB和ABA則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢。不同坡位以及不同林分下土壤毛管持水量均達到顯著性水平。

根據(jù)對同一坡位中不同林分下土壤水分常數(shù)(土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量)以及土層剖面土壤水分常數(shù)的比較分析，各個土層中所呈現(xiàn)出的毛管持水量、最大持水量以及最小持水量變化趨勢基本相同。在上坡的0—20cm、20—40cm土層中，均表現(xiàn)出杉木連栽地(AA)比杉木—馬尾松—杉木輪作地(ABA)的水分常數(shù)低的規(guī)律，而在40—60cm土層中卻正好相反。在下坡各個土層中卻表現(xiàn)出杉木連栽地(AA)的水分常數(shù)比杉木—馬尾松—杉木輪作地(ABA)相對較高，在中坡則是表現(xiàn)出相對不穩(wěn)定性。

2.2 不同土地利用方式對土壤有機質(zhì)的影響

表3 各人工林下不同坡位和不同土壤層土壤的有機質(zhì)含量

注：不同小寫字母表示同一土層不同樹種間的差異顯著(P<0.05)

土壤有機質(zhì)在維持土壤的結(jié)構(gòu)、對作物養(yǎng)分的供應(yīng)等方面起著極其重要的作用[12]，是衡量土壤肥力水平的一項重要指標。

經(jīng)過方差分析之后，從表3發(fā)現(xiàn)同一坡度中不同林分下的土壤有機質(zhì)差異達到顯著性水平(P<0.05)。從上坡和下坡土壤的有機質(zhì)含量比較來看，與對照組AB相比，AA土壤有機質(zhì)高于ABA，在上坡兩者的各個土層對比表現(xiàn)不明顯，而在下坡兩者的各個土層對比中土壤有機質(zhì)差異達到顯著性水平。從中坡土壤的有機質(zhì)比較來看，與對照組AB相比，在各個土層中，AA和ABA均低于AB，在0—20cm、40—60cm土層中，AA大于ABA，而在20—40cm土層中，AA小于ABA，呈現(xiàn)出一定復(fù)雜性。

結(jié)果表明，三個林分的土壤剖面中土壤有機質(zhì)含量在不同土層深度中的變化趨勢是基本一致的。在上坡和下坡各個土層的土壤有機質(zhì)含量對比來看，AA、AB、ABA三樣地均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢；而在中坡中，AB和ABA是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢，AA則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而減小后增加的趨勢，這與其他土壤有機質(zhì)含量的隨土層深度增加而逐漸降低的趨勢剛好相反，可能是杉木連栽地中，受樣地土層的其他生物或采伐剩余物的影響。不同坡位以及不同林分下土壤有機質(zhì)差異均達到顯著性水平。

2.3 不同土地利用方式對土壤全氮的影響

表4 各人工林下不同坡位和不同土壤層土壤的全氮含量

注：不同小寫字母表示同一土層不同樹種間的差異顯著(P<0.05)

土壤的全氮含量是反映土壤肥力的關(guān)鍵性指標之一。

從表4以及經(jīng)過方差分析之后，發(fā)現(xiàn)同一坡度中不同林分下的土壤全氮差異達到顯著性水平(P<0.05)。從上坡土壤的全氮含量比較來看，與對照組AB相比，AA和ABA的土壤全氮含量均較低，同一土層的對比中AA和ABA沒有顯著性差異。而在下坡中，與對照組AB相比，AA大于AB，ABA小于AB，而且同一土層的對比中AA和ABA兩者的各個土層對比中全氮差異達到顯著性水平。從中坡土壤的全氮比較來看，與對照組AB相比，在各個土層中，AA和ABA均小于ABA。在0—20cm、40—60cm土層中，AA大于ABA；而在20—40cm土層中，AA小于ABA，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

結(jié)果表明，三個林分的土壤剖面中土壤全氮含量在不同土層深度中的變化趨勢是基本一致的。從上坡和下坡各個土層的土壤全氮含量對比來看，AA、AB、ABA三塊樣地均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢；而在中坡，AB和ABA是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢，AA則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而減小后增加的趨勢，這與其他土壤全氮含量趨勢剛好相反。不同坡位以及不同林分下土壤全氮差異均達到顯著性水平。在上坡各個土層土壤中，AA比ABA土壤全氮含量相對低一點；而在中坡以及下坡土層中，卻表現(xiàn)出AA比ABA土壤全氮含量相對較高，可能是受樣地中采伐剩余物的影響。

3 討論與結(jié)論

(1)不同土地利用方式的土壤物理性質(zhì)差異達顯著性水平。上坡的不同土層表現(xiàn)出杉木—馬尾松—杉木輪作下的土壤比杉—杉連栽地的土壤的水分條件相對較好，如在上坡0—20cm、20—40cm土層中土壤的最大持水量，與對照相比，杉—杉連栽地土壤最大持水量有所降低，而杉木—馬尾松—杉木輪作地土壤最大持水量卻有所增高；毛管持水量和最小持水量均有此規(guī)律。而在中坡和下坡各個土層則沒有明顯規(guī)律。

不同土地利用方式的土壤有機質(zhì)和全氮均達到顯著差異水平。上坡位的杉木—馬尾松—杉木輪作下的土壤化學(xué)性質(zhì)規(guī)律較為明顯，但中坡和下坡不同林分類型及不同土層變化規(guī)律各不相同。以土壤全氮為例，從上坡土壤的全氮含量比較來看，與對照相比，兩者的土壤全氮含量均較低，均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而減小的趨勢。而在中坡和下坡中，土壤全氮含量在各個土層對比中表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。并且中坡杉木—馬尾松—杉木輪作地呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐步減小的趨勢，杉—杉連栽地土壤全氮則是呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而減小后增加的趨勢。

(2)本文通過對比杉—杉連栽與杉木—馬尾松—杉木輪作兩種土地利用方式下的土壤肥力狀況，分析得出通過馬尾松的短期輪作(10年)，在地形相對比較一致的情況下可以對杉木林土壤肥力進行相對有效的改善。在40—60cm土層中，杉—杉連栽地(AA)上坡土層中的土地肥力比杉木—馬尾松—杉木(ABA)輪作方式下的土壤產(chǎn)生相對較好的結(jié)果，這可能有多方面的原因。例如，可能是杉木與馬尾松的輪作年限太短(僅10年)。在有些研究中，通過輪栽柳杉或者閩楠林都是長達28年，比杉木連栽林土壤養(yǎng)分相對較好，但還需進一步跟蹤研究。也可能與2008年雪災(zāi)有關(guān)，丁曉綱等[13]在研究粵北地區(qū)杉木人工林在受到2008年初特大雪災(zāi)之后的土壤理化性質(zhì)時表明，受到雪災(zāi)影響的杉木林的土壤肥力有所下降。還有可能就是雪災(zāi)過后的大規(guī)模煉山所導(dǎo)致的，煉山能夠引起土壤肥力下降、水土流失等，特別是隨著林齡增大，煉山對林分的這種影響就越明顯[14]。除此之外，這可能與馬尾松樹種的生長特性有關(guān)，馬尾松和杉木一樣是南方主要的用材林樹種，有相同的特性，但是馬尾松本身還有其他的特性，如一代馬尾松林相對沒有二代馬尾松林生長好[15]，可能是由于馬尾松生長較緩慢，對土壤環(huán)境的影響較緩慢等原因。本研究所選取的樣地在同一坡位中，兩種土地利用方式下的樣地地形相對有所差異，也就是說該樣地地形對土壤肥力的影響相對較大。所以，對于樣地地形的選擇也是至關(guān)重要的。本文通過對0—20cm、20—40cm、40—60cm土層下的杉—杉連栽與杉木—馬尾松—杉木輪作下土壤各性質(zhì)進行分析表明，利用水分因子(最大持水量、毛管持水量、最小持水量)、有機質(zhì)、全氮等因子作為杉木林地利用方式的土壤肥力的評價指標，對杉木—馬尾松—杉木輪作及杉木連栽兩種利用方式進行了綜合評價，在0—20cm、20—40cm土層中，杉木—馬尾松—杉木輪作(ABA)的土壤比杉—杉連栽地(AA)土壤肥力高。因此，采取杉木與馬尾松輪作是一種可靠的土地利用方式。

(3)本文只選取了一個試驗地方的兩種土地利用方式進行研究，且僅分析研究了某些物理性質(zhì)指標和養(yǎng)分指標，可能存在一定的局限性。在之后的研究中，會多方面地選取指標且多重對比分析研究，以求得杉木連栽地的土壤退化問題更好地解決，從而有效地改善杉木人工林地的土壤肥力。從本研究來看，杉木或杉木與馬尾松輪栽林地作為土地肥力評價，評價的有效年齡有待進一步研究。

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責任編輯：富春凱

The Change of Soil Fertility of Chinese fir pine Slash after Rotation

YANG Qi-fan1a, SUN Min1a, ZHENG Ying-ying1a, YANG Lei1a, HUANG Meng1a，HUANG Yu-mei1a, DING Guo-chang1b,2*

(a.Forestry College; b.College of Arts College of Landscape Architecture, 1.Fujian Agriculture And Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002, China; 2.Engineering & Technology Research Center of Forest Park of State Forestry Bareau，F(xiàn)uzhou 350002, China)

Based on the Chinese fir state owned forest farm in Changting County of Fujian province building sub dam continuous planting (AA), Chinese fir-Masson pine-fir(ABA)rotation and rotation of Chinese fir-Masson pine (AB) 3 by way of land as the research object, studied the soil physical properties of three kinds of forest regeneration patterns, variation of organic matter. The results showed that the total nitrogen content and soil physical properties of different land use patterns, organic matter and total nitrogen were significantly different. The physical properties of different soil layers, uphill shows that Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation under soil moisture conditions is better than Chinese fir even planted in the soil, and in the downhill slope and each layer, there is no obvious regularity; uphill and downhill from Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation of soil organic matter and total nitrogen showed obvious regularity, and decreases with the increase of soil depth. However, different types of forest stand and different soil layers were different in different soil layers.

Chinese fir replanting; Chinese fir-Masson pine-Chinese fir rotation; organic matter; total nitrogen

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.01.004

2016-12-07

福建省產(chǎn)學(xué)研重大專項(2012N5003)

楊起帆(1992—)，女，碩士研究生。研究方向：森林培育理論與技術(shù)。*通訊作者：丁國昌(1970—)，副教授。

S791.27

1674-6341(2017)01-0010-04