朱寧華，陽勝男，陳 怡，陳勝蘭，文 敏，付 豪，廖美振

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.陳山林場(chǎng)，江西 安福 343200）

人工林連栽對(duì)林地生產(chǎn)力的影響與林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。人們過度追求人工林產(chǎn)量而忽視了對(duì)林地土壤保育以及疏于對(duì)林地質(zhì)量的監(jiān)管等，導(dǎo)致地力逐代衰退，主要表現(xiàn)為土壤退化、表層變淺、養(yǎng)分含量降低等[1-3]。因此，研究林地養(yǎng)分的變化規(guī)律，綜合評(píng)價(jià)土壤肥力，可為緩解土壤退化和維持林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

杉木是我國(guó)南方最主要的速生用材樹種，其種植面積約占我國(guó)人工林總面積的1/4[4-5]。大量研究表明，杉木連栽代數(shù)的增加導(dǎo)致了林地地力衰退和林分生產(chǎn)力下降，制約了南方杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[6-8]。

陳山紅心杉是一種優(yōu)良的杉木種源，因其心材處大面積比例呈栗褐色而得名。目前，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)陳山紅心杉的發(fā)展現(xiàn)狀與開發(fā)對(duì)策[9]、生長(zhǎng)特性[10-11]、木材化學(xué)組成[12]、組織培養(yǎng)[13]、遺傳變異規(guī)律[14]、根際土壤與非根際土壤養(yǎng)分差異[15]和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征[16]等開展了研究，但關(guān)于不同連栽代數(shù)紅心杉林地的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)尚未見報(bào)道。因此，本研究采用空間替換時(shí)間的方法，分別測(cè)定第1、2、3 代紅心杉幼林地0 ～ 20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 的土壤酶活性和理化性質(zhì)，綜合評(píng)估林地的土壤肥力，分析紅心杉連栽對(duì)土壤肥力的影響，以期為土壤改良和實(shí)現(xiàn)紅心杉人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省安?？h西南部的陳山林場(chǎng)（114°19′E，27°14′N），該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，有充足的雨水和光照。年平均降水天數(shù)約166 d，年均降水量為1 663 mm；年平均氣溫為17.5 ℃，最冷時(shí)間段為1月，平均氣溫約為5.9 ℃，7月最熱，最高氣溫達(dá)37.5 ℃；年平均積溫6 296 ℃；年均日照時(shí)數(shù)約為1 649 h； 全年無霜期270 ～280 d。第1 代紅心杉人工林（G1）的前茬林分為天然次生林，主要由烏桕Sapium sebiferum、樟樹Cinnamomum camphora和油桐Vernicia fordii等樹種組成。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及樣地概況調(diào)查

在陳山林場(chǎng)內(nèi)，根據(jù)當(dāng)?shù)卦炝值馁Y料記載和實(shí)地踏查，選取立地指數(shù)、管理經(jīng)營(yíng)措施、土壤母質(zhì)、海拔和坡向基本相同的第1、2、3 代紅心杉幼林地作為試驗(yàn)樣地。每代林地各設(shè)置3塊樣地，共計(jì)9 塊，每塊樣地大小均為20 m×20 m。

利用手機(jī)中奧維軟件分別對(duì)各樣地進(jìn)行定位，并記錄各樣地的地形地貌、土壤類型、坡度、坡向和海拔等環(huán)境因子。再按照“S”型順序?qū)Ω鳂拥貎?nèi)所有紅心杉進(jìn)行每木檢尺，記錄其胸徑和樹高。表1 顯示，隨著栽植代次的增加，胸徑和樹高的生長(zhǎng)量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，G2 和G3 的胸徑相對(duì)于G1 分別降低了6.02%和11.28%，樹高分別降低了11.81%和21.70%。

表1 各樣地的立地特征和林分概況Table 1 Stand characteristics of all sample plots

依據(jù)國(guó)家林業(yè)調(diào)查的相關(guān)規(guī)范調(diào)查林下植被，主要植被種類有：腹水草Veronicastrum villosulum、紫麻Oreocnide frutescens、尖葉清風(fēng)藤Sabia swinhonei、小柱懸鉤子Rubus columellaris、黃牛奶樹Symplocos laurina、菝葜Smilax china、杜莖山Maesa japonica、野薔薇Rosa multiflora、木 蠟 樹Toxicodendron sylve stre、 黃 脈 莓Rubus xanthoneurus、牯嶺勾兒茶Berchemia kulingensis、烏蕨Stenoloma chusanum、銀果牛奶子Elaeagnus magna、 楤 木Aralia chinensis、 芭 蕉Musa basjoo、虎杖Polygonum cuspidatum、毛冬青Ilex pubescens、 黃 瑞 木Cornus stolonifera、 胡 枝 子Lespedeza bicolor等。

2.2 樣品采集

2017年4月采集土樣，并于9月完成各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。土壤樣品數(shù)量總計(jì)108 個(gè)。

在每個(gè)樣地對(duì)角線交叉位置挖土壤剖面，根據(jù)土壤剖面發(fā)生層次用環(huán)刀（200 cm3）分3 層（0 ～20 cm，20 ～40 cm，40 ～60 cm）取原狀土樣測(cè)土壤物理特性指標(biāo)，每層取3 個(gè)，共計(jì)81 個(gè)。

按照S 形在各樣地內(nèi)設(shè)置5 個(gè)具有代表性的土壤采樣點(diǎn)，并在取土樣前去除每個(gè)采樣點(diǎn)的地表枯落物，再用長(zhǎng)度1 m 的土鉆(內(nèi)徑45 mm)分3 層（0 ～20 cm，20 ～40 cm，40 ～60 cm）鉆取土樣，每層取1 個(gè)，共計(jì)27 個(gè)。

2.3 樣品測(cè)定

土壤物理性質(zhì)的測(cè)定：烘干法測(cè)定土壤含水率，環(huán)刀（200 cm3）浸水法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水量、田間持水量等物理指標(biāo)。

土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定：pH 值采用玻璃電極法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量—稀釋熱法；全N 采用凱氏消煮法；堿解N 采用堿解擴(kuò)散法；全P 采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法；全K 采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計(jì)法；速效K 采用乙酸銨提取—火焰光度計(jì)法；有效Ca、有效Mg、有效Fe、有效Zn、有效Mn、有效Cu 含量采用M-3 浸提液—原子吸收光譜法測(cè)定。

土壤酶活性的測(cè)定：過氧化氫酶采用高錳酸K 滴定法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法；磷酸酶采用P 酸苯二鈉比色法；脲酶采用靛酚藍(lán)比色法。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)；使用SPSS19.0 軟件單因素方差分析(One-way ANOVA)中的Duncan 法，分析土壤酶活性和主要理化性質(zhì)在第1(G1)、2(G2)、3 代(G3)紅心杉幼林地之間是否具有顯著性差異，并用主成分分析法對(duì)23 個(gè)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，使用Origin8.5軟件進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅心杉幼林連栽地的土壤物理特性

隨著連栽代數(shù)的增加，土壤容重呈增加趨勢(shì)，水分指標(biāo)（飽和含水量和田間持水量）與孔隙指標(biāo)（總孔隙度和通氣度）均呈下降趨勢(shì)（圖1）；G1、G2 和G3 的土壤容重在各土層之間的差異顯著（P＜0.05），G2 和G3 相對(duì)于G1 的土壤容重在0 ～ 20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 分別提高了6.94%和17.70%、20.84%和23.33%、16.16%和15.78%，說明連栽導(dǎo)致土體更加破碎，土粒變得更小，在重力作用下以致土壤更容易板結(jié)再度更為緊實(shí)；G2和G3 的土壤飽和含水量和田間持水量在土層0 ～ 20 cm 與20 ～40 cm 之間差異顯著（P＜0.05），在20 ～40 cm 與40 ～60 cm 之 間 無 明 顯 差 異 （P＞0.05）；隨著土層的加深，G1、G2 和G3的土壤總孔隙度顯著降低（P＜0.05），且在0 ～ 20 cm 和20 ～40 cm 的土層中，土壤總孔隙度在G1、G2 和G3 之間差異顯著（P＜0.05），各土層的毛管孔隙度在G1、G2 和G3 之間的變化幅度不大，G1 的土壤通氣度在0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 之間具有顯著差異（P＜0.05）。

3.2 紅心杉幼連栽林地土壤化學(xué)特性

隨著連栽代數(shù)和土層深度的增加，紅心杉幼林林地中的pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、大量元素和有效微量元素含量均呈降低趨勢(shì)（表2）；相較于G1林地0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土層中的養(yǎng)分含量，G2 林地中的有機(jī)質(zhì)含量分別降低了58.30%、46.59%和57.14%，堿解氮含量分別降低了62.23%、62.70%和60.47%，全氮含量分別降低了45.77%、54.51%和59.91%，速效鉀含量分別降低了31.15%、42.07%和37.71%，全鉀含量分別降低了20.29%、10.06%和8.98%，全磷含量分別降低了45.31%、53.45%和58.93%；G3 林地中的有機(jī)質(zhì)含量分別降低了64.96%、51.26% 和59.17%， 堿解氮含量分別降低了67.88%、71.09%和67.82%，全氮含量分別降低了66.55%、69.92%和70.05%，速效鉀含量分別降低了54.54%、50.71%和47.48%，全鉀含量分別降低了14.87%、14.60%和15.00%，全磷含量分別降低了46.88%、51.72%和60.71%。

土壤中有效Mn、有效Zn、有效Cu、有效Ca、有效Mg 和有效Fe 含量隨著連栽代次和土層深度的增加均顯著降低（P＜0.05）（表2）。

3.3 紅心杉幼連栽林地土壤酶活性

連栽紅心杉幼林土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為G1 ＞G2 ＞G3；隨著土層深度的增加，G1、G2和G3土壤中的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性顯示降低趨勢(shì)（圖2）。

在0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 的土層中，G1、G2 和G3 林地中的土壤蔗糖酶活性 在0.78 ～0.24 mg·g-1·24h-1之 間 變 化，G2 和G3 相對(duì)于G1 的脲酶活性分別降低了51.75%和68.69%、66.81%和69.70%、67.20 和70.24%，磷酸酶活性分別降低了32.41%和54.40%，42.08%和65.06%，50.15%和66.29%，過氧化氫酶活性分別降低了5.47%和13.07%、22.40%和17.34%、24.80%和35.90%。

圖1 幼林紅心杉連栽林地土壤物理特性Fig.1 Soil physical characteristics in different generations of young C.lanceolata

表2 紅心杉幼林連栽林地土壤化學(xué)性質(zhì)比較?Table 2 Soil chemical properties in different generation plantations of young C.lanceolata

續(xù)表2Continuation of table 2

圖2 紅心杉幼林連栽林地酶活性變化Fig.2 Changes of soil enzymatic activity in different generations plantation of C.lanceolata

3.4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

在對(duì)土壤肥力現(xiàn)狀的綜合分析過程中，通常存在多個(gè)因子之間具有一定的相關(guān)性。主成分分析法能夠?qū)⒍鄠€(gè)因子通過“降維”轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合因子，并且盡可能多的保留原有因子的信息，進(jìn)而達(dá)到簡(jiǎn)化目的[17]。

利用主成分綜合模型對(duì)反映土壤肥力特性的23 個(gè)因子進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明（表3），3 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到88.913%，由此認(rèn)為前3 個(gè)主成分可作為土壤肥力的主要影響因素；其中第1 主成分貢獻(xiàn)率為71.862%，主要反映了土壤酶活性、大量元素、有效大量元素和有效微量元素特征，脲酶，磷酸酶，全P，堿解N，速效K，有效Cu，有效Mn，有效Fe 具有較大負(fù)荷量，由此說明土壤酶活性、有效微量元素含量和大量元素含量在評(píng)價(jià)杉木幼林林地綜合肥力中占主要作用；第2 主成分和第3 主成分的累積貢獻(xiàn)率為17.05%，第2 主成分貢獻(xiàn)率為9.123 %，主要影響因子是土壤pH 值，第3 主成分貢獻(xiàn)率僅為7.927%，主要影響因子是土壤毛管孔隙度和田間持水量，說明紅心杉連栽林地對(duì)土壤pH 值、毛管孔隙度和田間持水量影響相對(duì)較小。

根據(jù)土壤肥力指標(biāo)的得分系數(shù)矩陣，建立各主成分土壤肥力得分(Y)的數(shù)學(xué)模型，并得出反映紅心杉連栽幼林林地土壤肥力狀況特性的3 個(gè)主成分方程：

式中：X1i、X2i 和X3i 分別表示成分1、成分2和成分3 在紅心杉連栽林地23 個(gè)土壤指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化變量；T1i、T2i 和T3i 分別表示第1 主成分、第2 主成分和第3 主成分中23 個(gè)土壤因子的特征向量。

根據(jù)綜合主成分(F)的表達(dá)公式計(jì)算紅心杉幼林連栽林地的土壤肥力（表4），

式中：jλ為初始特征值，Yk 表示3 個(gè)主成分得分。

從表4 中G1、G2 和G3 在不同土層中的綜合 得分和排名，得到紅心杉連栽林地土壤的綜合肥力排序?yàn)椋篏1(0 ～20 cm(5.993))＞G1(20 ～40 cm (3.749))＞G2(0 ～20 cm(1.629))＞G1(40 ～60 cm (1.061))＞G3(0 ～20 cm(-0.714))＞G2(20 ～40 cm (-1.340)) ＞G3(20 ～40 cm(-2.871)) ＞G2(40 ～ 60 cm(-3.069))＞G3(40 ～60 cm(-4.436))，表明紅心杉幼林林地隨著連栽代數(shù)和土層深度的增加，土土壤肥力降低。

表4 各主成分得分及綜合得分Table 4 The main component score and comprehensive score

4 討 論

隨著紅心杉連栽代次的增加和土層的加深，土壤容重呈增大趨勢(shì)，孔隙度和水分含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，土壤容蓄能力降低，這與孫啟武等[18]的研究結(jié)論基本相同。這是因?yàn)橥寥辣旧淼闹亓ψ饔眉由喜缓侠淼娜藶楦蓴_導(dǎo)致土體更加破碎，土粒變得更小，土壤更容易板結(jié)再度更為緊實(shí)。因此建議造林前，對(duì)連栽林地進(jìn)行科學(xué)合理整地，以改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤酶活性、有機(jī)質(zhì)含量、大量元素和有效微量元素含量均隨連栽代次的增加呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)樯寄咀鳛樗偕鷺浞N，其生態(tài)學(xué)特性決定了其生長(zhǎng)需要消耗土壤中大量養(yǎng)分，特別是現(xiàn)在采取短輪伐期的經(jīng)營(yíng)制度，頻繁的林分收獲，造成養(yǎng)分大量輸出；另外，人們“重用輕養(yǎng)”，為獲得更高的林木產(chǎn)量，造林密度往往過大，導(dǎo)致林下植被稀少，林分結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，生物多樣性降低，而且針葉樹種，凋落物分解慢，地力維護(hù)能力差，以致多代連栽加速了林地土壤肥力的消耗。可見，在連栽紅心杉的經(jīng)營(yíng)中應(yīng)注意科學(xué)采用育林制度和作業(yè)方式，進(jìn)行合理施肥，維持土壤肥力，或營(yíng)造近自然的針闊混交林，改變單層次的人工林群落，增加林下植被生物多樣性，提高人工林群落的自肥能力。

相較于第1 代人工林地中大量元素含量，第2、3 代土壤中堿解氮降幅最大，其次是全氮、全磷、速效鉀，而全鉀降幅最小。這說明杉木的生長(zhǎng)需要吸收大量的氮和磷元素，而對(duì)鉀元素的利用率相對(duì)較低。鑒于此，建議在紅心杉連栽林地中適量補(bǔ)施N、P 肥，平衡土壤中營(yíng)養(yǎng)元素含量，維持土壤肥力，促進(jìn)紅心杉健康快速生長(zhǎng)。

根據(jù)Laird 和Pagedumroese[19-20]等人的觀點(diǎn)，長(zhǎng)期生產(chǎn)力的研究周期應(yīng)界定在2 ～3 個(gè)輪伐期。本研究采用空間代替時(shí)間的方法對(duì)第1、2、3 代紅心杉進(jìn)行對(duì)比研究，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得研究結(jié)果，對(duì)林木生長(zhǎng)量和地力下降現(xiàn)象也能合理分析和解釋，但關(guān)于某些更深層次的問題必須經(jīng)過長(zhǎng)期、系統(tǒng)的定位研究才能解決。筆者認(rèn)為在本研究的基礎(chǔ)上，可以從以下幾個(gè)方面加以研究：1）如何科學(xué)施肥才能維持連栽紅心杉人工林地的土壤肥力？2）紅心杉人工林連栽對(duì)林下植被多樣性與土壤微生物的動(dòng)態(tài)影響；3）通過對(duì)多地區(qū)紅心杉的長(zhǎng)期定位研究，分析光照、溫度和濕度對(duì)紅心杉林木生長(zhǎng)特性的影響。

5 結(jié) 論

1）紅心杉的樹高和胸徑生長(zhǎng)量隨著連栽代數(shù)的增加而降低。

2）紅心杉林地的土壤理化性質(zhì)及酶活性對(duì)人工林連栽的響應(yīng)結(jié)果顯示：土壤容重增大，孔隙度和水分含量降低，容蓄能力降低，說明連栽加速了對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞；土壤pH 值、酶活性、有機(jī)質(zhì)含量、大量元素和有效微量元素含量均隨連栽代次的增加呈降低趨勢(shì)，表明連栽加劇了土壤的酸化，土壤肥力降低。

3）紅心杉人工林連栽林地的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)F 值的大小排序?yàn)椋旱? 代＞第2 代＞第3 代，表明隨著連栽代數(shù)的增加，紅心杉林地的土壤肥力逐漸降低；主成分分析結(jié)果表明，脲酶、磷酸酶、全P、堿解N、速效K、有效Cu、有效Mn 和有效Fe 等是對(duì)土壤肥力綜進(jìn)行合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素。因此，應(yīng)在連栽的紅心杉林地中施入適量的有機(jī)肥、微肥和大量元素肥料，以維持土壤肥力，實(shí)現(xiàn)連栽紅心杉人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。