唐 健，趙雋宇，石媛媛，覃祚玉，覃其云，曹繼釗

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002）

廣西地處我國(guó)南部，光照充足，降雨充沛，適宜速生樹種生長(zhǎng)，一直以來承擔(dān)著國(guó)家木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備與木材供應(yīng)的重要任務(wù)[1]。截至2015年，廣西森林覆蓋率達(dá)62.31%，位居全國(guó)前列，森林資源總面積達(dá)1 342.7 萬hm2，其中人工林面積634.52 萬hm2，占總面積的47.25%，為保障國(guó)家木材安全發(fā)揮了重要作用[2-3]。廣西森林資源清查結(jié)果顯示，1990年廣西人工林面積為243.02 萬hm2，人工林蓄積量為8 856.28 萬m3；截至2015年，人工林面積為634.52萬hm2，人工林蓄積量為34 196.06 萬m3，人工林面積和蓄積量分別以年均4.71%和10.59%的速度增長(zhǎng)[4]。

受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，廣西人工林逐漸發(fā)展成以桉樹、杉木和松樹等速生用材林樹種為主栽品種、短周期（5 ～7年輪伐期）、高強(qiáng)度（皆伐、重肥、多代連栽）的經(jīng)營(yíng)模式。這種經(jīng)營(yíng)模式創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]，但加重了人工林土壤系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成土壤性質(zhì)惡化[6]和養(yǎng)分失衡[7]等地力衰退問題。地力衰退是土壤長(zhǎng)期演變的過程，受母質(zhì)、氣候和地形地貌等環(huán)境因素及耕作、施肥和營(yíng)林措施等人為因素共同影響，具有時(shí)空變化特征。對(duì)廣西人工林多代連栽地力衰退問題的研究主要集中在短周期和區(qū)域性的土壤肥力演變上[8-10]，以不同代數(shù)人工林為研究對(duì)象，與新造人工林、天然林或全國(guó)土壤第二次普查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究[11-12]。這種以空間換時(shí)間的研究方法針對(duì)性強(qiáng)，能有效地發(fā)現(xiàn)和解決區(qū)域性多代人工林經(jīng)營(yíng)過程中的問題，但大部分研究結(jié)論只適用于立地條件一致或相近的區(qū)域[13]，并未涉及長(zhǎng)期性和區(qū)域性的土壤肥力演變特征的研究。

土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)是以土壤養(yǎng)分指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)賦予權(quán)重計(jì)算出土壤肥力綜合指數(shù)，將土壤肥力狀況予以量化的方法[14]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍使用的評(píng)價(jià)方法是模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法。Rahmanipour 等[15]和Sharma 等[16]在評(píng)估伊朗農(nóng)業(yè)用地及土壤退化區(qū)生態(tài)恢復(fù)的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)中均運(yùn)用了模糊數(shù)學(xué)法。張福平等[17]基于最小數(shù)據(jù)集和模糊數(shù)學(xué)法綜合評(píng)價(jià)陜西省獼猴桃（Actinidia chinensis）種植地的土壤質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限的增加，土壤質(zhì)量呈先提高后穩(wěn)定再提高的趨勢(shì)。Guo 等[18]將內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法線性結(jié)合，評(píng)價(jià)黃河流域土壤肥力質(zhì)量。模糊數(shù)學(xué)法與灰色關(guān)聯(lián)法的指標(biāo)權(quán)重會(huì)根據(jù)參評(píng)指標(biāo)的不同而不同，最小數(shù)據(jù)集適合參評(píng)指標(biāo)數(shù)量較多的評(píng)價(jià)體系。內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)價(jià)過程相對(duì)較簡(jiǎn)單，易于統(tǒng)一評(píng)價(jià)，且修正后評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確[19]，適用于宏觀評(píng)價(jià)體系。

本研究根據(jù)1990—2015年廣西不同用材林樹種人工林土壤的歷史數(shù)據(jù)，采用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)其土壤肥力質(zhì)量，探究長(zhǎng)期連栽下人工用材林土壤肥力的演變特征，發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中產(chǎn)生的土壤問題，同時(shí)根據(jù)土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)實(shí)施配方施肥，保證日常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中人工林養(yǎng)分的供應(yīng)，為廣西人工用材林增產(chǎn)、土壤改良和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為廣西壯族自治區(qū)轄區(qū)內(nèi)適宜人工林經(jīng)營(yíng)的低山丘陵地區(qū)（104°28'～112°04'E，20°54'～26°24'N），屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.5 ～23.5 ℃，氣候溫暖，雨水充沛，日照充足，年總輻射量90 ～100 kcal/cm2，年均降水量1 694.8 mm，成土母巖以第四紀(jì)紅土母質(zhì)、石灰?guī)r和板頁(yè)巖為主，土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃紅壤和石灰土。由于豐沛的光熱與充足的降雨，廣西成為我國(guó)人工用材林種植的重要區(qū)域，栽植樹種主要為桉樹、杉木和松樹，桉樹和松樹人工林的株行距普遍為2 m × 3 m，杉木人工林的株行距普遍為2 m ×2 m。林下植被主要有五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）、黃茅（Heteropogon contortus）、山芝麻（Helicteres angustifolia）和芒萁（Dicranopteris pedata）等。

1.2 土壤樣品采集

為全面了解廣西轄區(qū)內(nèi)連續(xù)經(jīng)營(yíng)人工林的土壤性質(zhì)及演變特征，重點(diǎn)收集了區(qū)內(nèi)13 個(gè)市的34個(gè)縣（市、區(qū)）的國(guó)有林場(chǎng)、區(qū)直林場(chǎng)及縣級(jí)林場(chǎng)的桉樹、杉木和松樹3 種主要人工用材林測(cè)土配方施肥的土壤數(shù)據(jù)（表1）。將這些數(shù)據(jù)歸類整理建立數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)包含1990、1995、2000、2005、2010和2015年，有效采樣土壤樣品11 299 個(gè)。土壤樣品采集方法參照測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)程[20]，采樣時(shí)間為每個(gè)年份的9—11月，在各林場(chǎng)選取長(zhǎng)期連栽的典型桉樹、杉木和松樹人工林主產(chǎn)區(qū)，共計(jì)1 100 個(gè)采樣點(diǎn)。隨機(jī)測(cè)定30株樹，計(jì)算平均樹高和胸徑；選取5株樹高和胸徑與平均值相近的樹木為標(biāo)準(zhǔn)木，在距標(biāo)準(zhǔn)木基部20 cm 處采集0～20 cm 表層土壤，將不同剖面采集的土壤等量混勻，采用四分法收集500 g土壤樣品，裝入自封袋保存，用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。

表1 采樣地分布Tab.1 Distribution of sampling areas

1.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤pH 采用電位法測(cè)定（水土比1∶2.5）；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮（N）和堿解氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；硝化后采用全自動(dòng)間斷分析儀測(cè)定全磷（P）含量；M3 溶液浸提后采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定速效磷含量；全鉀（K）含量采用堿溶-火焰光度法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[21]。

1.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

土壤是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，各指標(biāo)對(duì)土壤整體質(zhì)量水平的影響不同，且各指標(biāo)實(shí)測(cè)值量綱也不同，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行均一化處理，可消除不同指標(biāo)的量綱差異。參評(píng)指標(biāo)共7個(gè)，分別為土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。均一化方法如下：

式中，Pi為單質(zhì)量指數(shù)，Ci為某參數(shù)實(shí)測(cè)值，a、b、c、d為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值（參照GB/T 33469-2016[22]劃分）。采用該標(biāo)準(zhǔn)化方法可使同一級(jí)別屬性的單質(zhì)量指數(shù)較接近，增強(qiáng)其可比性。當(dāng)Ci含量大于最大值時(shí)，Pi不再增加，作物對(duì)土壤指標(biāo)的要求不是越高越好，有效養(yǎng)分含量達(dá)到一定的豐富度后，即使繼續(xù)施肥，作物也不會(huì)增產(chǎn)。

為避免加和法、平均值法和加權(quán)平均法等主觀因素的影響，本研究采用較為客觀的修正內(nèi)梅羅指數(shù)公式：

式中，P為土壤質(zhì)量指數(shù)，Pimean為所測(cè)樣品質(zhì)量指數(shù)的平均值，Pimin為樣品質(zhì)量指數(shù)的最小值，n為參評(píng)參數(shù)的個(gè)數(shù)。在修正的內(nèi)梅羅指數(shù)公式中，Pimin代替原內(nèi)梅羅指數(shù)公式中的Pimaz，突出土壤中最差的參數(shù)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響，突出了限制因子；增加修正項(xiàng)，反映該評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)越多，的值越大，可信度越高。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 和SPSS 19.0 進(jìn)行處理與分析，用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份土壤肥力指標(biāo)變化

由于經(jīng)營(yíng)措施的差異，長(zhǎng)期連作下廣西人工用材林不同樹種、不同年份的土壤pH 值不同，整體為4.15 ～5.58（圖1）。桉樹、杉木和松樹各年份的pH均值分別為4.56、4.59 和4.64。杉木和松樹人工林的土壤pH 值隨種植時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸升高，桉樹人工林土壤pH值呈下降趨勢(shì)；與1990年相比，2015年杉木和松樹人工林的土壤pH 值分別升高了9.23%和34.45%，桉樹下降了7.82%。

不同樹種、不同年份的土壤有機(jī)質(zhì)含量為21.32 ～32.63 g/kg（圖2）。桉樹、杉木和松樹人工林各年份的土壤有機(jī)質(zhì)含量均值分別為24.56、28.74和23.43 g/kg。桉樹人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨種植時(shí)間增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，2015年的有機(jī)質(zhì)含量比1990年降低了26.91%；杉木和松樹人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間增長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，杉木人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量在2010年達(dá)最大值（34.15 g/kg），松樹人工林的土壤有機(jī)質(zhì)含量在2010年達(dá)最大值（26.84 g/kg）。

圖1 不同年份土壤pH值Fig.1 Soil pH values in different years

圖2 不同年份土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Soil organic matter contents in different years

桉樹、杉木和松樹人工林各年份的土壤全氮含量均值分別為1.53、1.79和0.81 g/kg；堿解氮含量分別為101.73、131.93和75.91 mg/kg；全磷含量分別為1.01、0.72 和0.48 g/kg；速效磷含量分別為3.56、1.22 和1.20 mg/kg；全鉀含量分別為11.22、19.73和14.60 g/kg；速效鉀含量分別為49.65、46.59 和26.16 mg/kg（圖3）。桉樹和杉木人工林的土壤養(yǎng)分元素隨種植時(shí)間變化較大。桉樹人工林土壤2015年的全氮含量（1.83 g/kg）和堿解氮含量（83.16 mg/kg）比1990年（2.11 g/kg 和103.24 mg/kg）分別下降了15.31%和24.14%，全氮含量呈先減少后增加的趨勢(shì)，堿解氮含量呈先增加后減少的趨勢(shì)；杉木人工林土壤全氮和堿解氮含量隨種植時(shí)間增長(zhǎng)而增加，在2015年達(dá)最大值，分別為2.34 g/kg 和170.75 mg/kg；松樹人工林土壤全氮和堿解氮含量的變化趨勢(shì)較平緩。25年間，桉樹和杉木人工林土壤的全磷含量分別下降了34.74%和15.06%，均處于較低水平；桉樹人工林土壤的速效磷含量比1990年增加了91.01%，杉木人工林土壤的速效磷含量比1990年下降了24.50%；松樹人工林土壤的全磷含量均值為0.48 g/kg，整體波動(dòng)較小，在2000年達(dá)最大值（0.62 g/kg），速效磷含量整體呈逐漸增加的趨勢(shì)，在2015年達(dá)最大值（1.5 mg/kg）。桉樹人工林土壤的全鉀含量在2000年達(dá)最大值（14.54 g/kg），隨時(shí)間增長(zhǎng)呈先增加后減小的趨勢(shì)，松樹人工林土壤的全鉀含量在2015年達(dá)最大值（16.87 g/kg），呈先減少后逐漸增加的趨勢(shì)；桉樹和松樹人工林的土壤速效鉀含量隨種植時(shí)間增長(zhǎng)，總體呈下降趨勢(shì)；杉木人工林土壤的全鉀和速效鉀含量變化趨勢(shì)較平緩。

圖3 不同年份土壤養(yǎng)分元素Fig.3 Soil nutrient elements in different years

2.2 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱須一致，通過歸一化公式將各指標(biāo)進(jìn)行無量化處理。式（1）中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)a、b、c、d參數(shù)取值根據(jù)肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定（表2）。

25年間，桉樹和杉木人工林土壤肥力質(zhì)量指數(shù)均值分別為1.33和1.32，整體土壤肥力處于較高水平，松樹人工林為0.71，肥力水平較低（圖4）。桉樹人工林土壤肥力質(zhì)量指數(shù)最高為1990年（1.50），除2005年顯著降低外（P＜0.05），其余5個(gè)年份差異不顯著。杉木人工林土壤肥力質(zhì)量指數(shù)最高為2010年（1.61）；與1990和1995兩個(gè)年份相比，之后的四個(gè)年份土壤質(zhì)量提升顯著（P＜0.05）。松樹人工林土壤肥力質(zhì)量指數(shù)最高為2015年（0.77），25年間整體變化較平均，沒有顯著波動(dòng)。

圖4 不同樹種各年份土壤肥力質(zhì)量指數(shù)Fig.4 Soil fertility quality index of different tree species in different years

表2 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification criteria of soil fertility quality evaluation parameters

3 結(jié)論與討論

土壤肥力質(zhì)量演變是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，受氣候、林木生理特性和人工經(jīng)營(yíng)方式等多種因素的影響。本研究分析了廣西25年來長(zhǎng)期連作下3 種主要人工用材林的土壤肥力質(zhì)量演變特征，發(fā)現(xiàn)不同造林樹種自身生理特性的差異及人工經(jīng)營(yíng)方式的差異對(duì)林地土壤肥力演變產(chǎn)生影響。

松樹人工林土壤各養(yǎng)分元素含量在不同年份間變化幅度較小，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)為0.64 ～0.77，整體呈上升趨勢(shì)。其肥力指數(shù)在各年份均顯著低于桉樹和杉木人工林，這一結(jié)果與覃其云等[23]和吳琰等[24]的研究結(jié)果一致。廣西松樹造林樹種主要為馬尾松（Pinus massoniana）和濕地松（P.elliottii），由于對(duì)人工施肥的生長(zhǎng)響應(yīng)不明顯且林分密度低于750 株/hm2，其經(jīng)濟(jì)收益為負(fù)值[25]，經(jīng)營(yíng)過程中人工撫育和施肥較少，主要施肥階段集中在幼林期[26]，因此各土壤肥力指標(biāo)普遍處于較低水平。

杉木人工林除速效磷含量隨著種植時(shí)間增長(zhǎng)略有下降外，其余養(yǎng)分元素含量均呈上升趨勢(shì)。杉木在經(jīng)過速生階段發(fā)育到成熟林的過程中對(duì)磷需求大，土壤中的磷元素過度消耗[27]；且杉木種植區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъt壤地帶，土壤本底多為缺磷富鋁的酸性土壤，磷以Al-P，F(xiàn)e-P，Ca-P 等無機(jī)形態(tài)為主[28]，植物可吸收利用的有效態(tài)少，隨著連栽時(shí)間的增長(zhǎng)，磷含量不足將會(huì)進(jìn)一步加劇。杉木人工林土壤肥力指數(shù)在1995年之后顯著升高，2000—2015年土壤肥力指數(shù)均在平均值1.32 以上。其原因一方面為杉木是廣西本土速生樹種，適應(yīng)力較強(qiáng)，土壤本底地力較高，土壤中的有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮和全磷含量均處于中等偏高水平；另一方面為杉木人工林施肥管理技術(shù)的提高，廣西杉木人工林在1995年之前普遍采取粗放式的經(jīng)營(yíng)模式，2000年后逐漸重視施肥管護(hù)[29]。

桉樹人工林1990—2015年間土壤pH 值下降了7.26%，有機(jī)質(zhì)含量下降了26.91%，土壤呈酸化趨勢(shì)，這一結(jié)論與Berthrong 等[30]的研究結(jié)果一致。造成土壤酸化的原因可能是氮肥等酸性肥料大量施用以及長(zhǎng)期連栽造成桉樹根系分泌的有機(jī)酸在土壤中富集[31]。土壤養(yǎng)分元素除全鉀和速效磷含量略微上升外，其余養(yǎng)分元素含量均有不同程度的下降。桉樹人工林種植初期，其人工林管護(hù)措施比杉木和松樹完備，主要種植樹種為窿緣桉（Eucalyptus exserta）、檸檬桉（E.citriodora）和野桉（E.rudis），經(jīng)營(yíng)周期為15 ～20年左右[32]，較長(zhǎng)的輪伐期對(duì)土壤地力消耗相對(duì)較低，所以廣西桉樹人工林土壤肥力指標(biāo)及綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在1990—2000年均處于較高水平。2002年以后，桉樹良種選育有了重大突破，優(yōu)良無性系大范圍推廣[33]，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；炝?，輪伐期縮短至5 ～7年，對(duì)土壤地力消耗較大，因此2005—2015年桉樹人工林的土壤肥力指數(shù)顯著降低。

本研究根據(jù)時(shí)間序列下的土壤大數(shù)據(jù)分析廣西主要人工用材林土壤肥力演變進(jìn)程，一方面可在宏觀尺度上了解25年來廣西用材林土壤的肥力狀況，為制定廣西人工林發(fā)展方向提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；另一方面可為后續(xù)建立更全面和更完善的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)打下基礎(chǔ)。由于采樣點(diǎn)位僅精確到行政單位縣（市、區(qū)），固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較少，同時(shí)土壤肥力指標(biāo)并未涉及物理和生物學(xué)性質(zhì)，因此本研究具有一定的片面性。在今后的研究中，應(yīng)增加固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)建立更全面的土壤肥力指標(biāo)監(jiān)測(cè)體系，將土壤物理性質(zhì)（土壤容重、田間持水量、孔隙度、土壤團(tuán)聚體）和土壤生物學(xué)性質(zhì)（酶活性、微生物碳、氮、磷）等指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系，使評(píng)價(jià)結(jié)果更全面、準(zhǔn)確和客觀。