彭玉華，譚長(zhǎng)強(qiáng)，申文輝，鄭 威，何琴飛，何 峰，陳始貴

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

人工林可以提供多種商品和服務(wù)，緩解天然林資源的壓力[1]。發(fā)展人工林是解決我國(guó)森林資源不足的有效途徑，人工林已成為我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)的主要對(duì)象[2]。我國(guó)人工林面積居世界第一[3]。杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林面積占我國(guó)南方人工林總面積的60%～80%，不僅提高了我國(guó)木材的供應(yīng)能力，在森林固碳方面也發(fā)揮著重要作用[4]。但是，不合理的營(yíng)林措施會(huì)導(dǎo)致人工林土壤養(yǎng)分利用率低，林地生產(chǎn)力下降，土壤質(zhì)量下降[5-6]。土壤肥力的維持和提高，已成為推動(dòng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)[7]。土壤理化性質(zhì)作為控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子，是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[8-9]。研究森林土壤理化性質(zhì)在不同林齡下的動(dòng)態(tài)變化，有助于了解林木在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)土壤養(yǎng)分的需求，可為實(shí)現(xiàn)森林人工調(diào)控和提高土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)[10]。

人工林不同發(fā)育階段的土壤理化性質(zhì)已有大量的研究，Sun 等[11]認(rèn)為林齡差異對(duì)土壤環(huán)境影響顯著，其打破了樹木生長(zhǎng)過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)供需平衡；魏亞娟等[12]研究得出梭梭（Haloxylon ammodendron）人工林土壤養(yǎng)分隨林齡增大呈增加的趨勢(shì)；梁卿雅等[13]認(rèn)為隨著桉樹林齡的增加，土壤理化因子呈顯著減少趨勢(shì)；張慧等[14]認(rèn)為隨林齡的增加，日本落葉松（Larix kaempferi）人工林土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量先增加后減小，磷和鉀的含量差異不顯著，林地土壤從酸性變化至弱堿性，田間持水量持續(xù)增加；王丹等[15]認(rèn)為土壤理化性質(zhì)隨著林齡不同出現(xiàn)波動(dòng)，呈現(xiàn)幼齡林階段較高、近熟林階段最差、成熟林階段顯著提高、過(guò)熟林階段達(dá)到最高水平的變化趨勢(shì)；張蕓等[16]研究認(rèn)為不同區(qū)域、氣候、植被生物學(xué)特性和人工林經(jīng)營(yíng)方式等對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響較大。在杉木人工林不同發(fā)育階段的土壤理化特征方面的研究主要集中在福建省[6,16-18]，江西省[15]和湖南省[19]也有研究，廣西研究較少。為了給廣西杉木人工林健康發(fā)展提供詳實(shí)可靠的參考資料，本研究選取廣西貝江河林場(chǎng)不同林齡的杉木人工林為研究對(duì)象，研究不同發(fā)育階段杉木人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，旨在正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估不同林齡杉木人工林的土壤理化性質(zhì)特征，為該地區(qū)杉木人工林的合理經(jīng)營(yíng)及土地利用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西融水苗族自治縣國(guó)營(yíng)貝江河林場(chǎng)（109°14'E，25°04'N），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，年均氣溫19.6 ℃，1月均溫9.3 ℃，7月均溫27.9 ℃，最高氣溫38.6 ℃，最低氣溫-3 ℃，年均日照時(shí)長(zhǎng)1 699 h，≥10 ℃積溫6 000 ～6 500 ℃；雨量充沛，年均降水量1 824.8 mm，年均相對(duì)濕度80%左右，年總蒸發(fā)量1 561.2 mm，年均無(wú)霜期322 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年5—6月，選擇鄰近分布、立地條件基本一致、長(zhǎng)勢(shì)良好的幼齡林（3 a）、中齡林（8 a）、近熟林（12 a）和成熟林（20 a）4 個(gè)不同發(fā)育階段的杉木人工林樣地，每個(gè)樣地中設(shè)置3 個(gè)20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)地，共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地（表1）。

表1 樣地概況Tab.1 General situation of sample plots

1.3 土壤樣品采集

2019年6月，采用環(huán)刀取樣分析法，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地中挖取1 個(gè)土壤剖面，按0 ～20、20 ～40 和40～60 cm 分層采集土樣，每層在每個(gè)剖面分左、中、右采集環(huán)刀和鋁盒土樣，用于測(cè)定土壤水分和物理性質(zhì)；按0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm 分層采集土樣，去除石塊和根系等雜質(zhì)，用四分法取1 kg左右土樣裝入自封袋并帶回實(shí)驗(yàn)室自然陰干，磨碎過(guò)篩后進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。

1.4 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

土壤持水性狀和物理性狀的測(cè)定及計(jì)算方法參照LY/T 1215-1999[20]：烘干法測(cè)定土壤含水量；環(huán)刀法測(cè)定土壤容重；環(huán)刀浸水法測(cè)定毛管孔隙和非毛管孔隙。

1.5 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤化學(xué)指標(biāo)委托廣西大學(xué)測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，土壤pH值采用電位法測(cè)定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，水解氮含量采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法測(cè)定，全鉀含量采用酸溶-火焰光度法測(cè)定，速效鉀采含量用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.6 土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

參照彭玉華等[21]的熵權(quán)法，對(duì)杉木人工林不同林齡土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡杉木人工林土壤物理性質(zhì)

不同林齡杉木人工林的土壤容重差異較大，幼齡林的土壤容重高于其他林齡；同林齡的土壤容重隨土層加深而增大；0 ～20 cm 土層，幼齡林的土壤容重顯著大于其他林齡（P＜0.05）；20 ～40 cm 土層，各林齡間差異不顯著；40 ～60 cm 土層，中齡林的土壤容重顯著小于其他林齡（P＜0.05）（圖1）。

圖1 不同林齡杉木人工林土壤容重Fig.1 Soil bulk density of C.lanceolata plantations with different ages

不同林齡對(duì)總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響極顯著（P＜0.01）（表2）。幼齡林的毛管孔隙度、近熟林的非毛管孔隙以及成熟林的總孔隙度和毛管孔隙度均隨著土層加深而變??；成熟林的非毛管孔隙度隨著土層加深而增大。0 ～20 cm 土層，成熟林的總孔隙度和毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05）；近熟林的非毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05）。20 ～40 cm 土層，成熟林的毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05），總孔隙度最大，顯著大于幼齡林和中林齡（P＜0.05）；中林齡的非毛管孔隙度最小。40 ～60 cm 土層，成熟林的總孔隙度最大，顯著大于中齡林和近熟林（P＜0.05），毛管孔隙度顯著大于中林齡（P＜0.05）；幼林齡的非毛管孔隙度最小。

不同林齡對(duì)土壤含水率、最大持水量和毛管持水量影響極顯著（P＜0.01）（表3）。幼齡林的含水率和毛管持水量、中齡林的最大持水量、近熟林和成熟林的持水性質(zhì)均隨著土層加深而減弱；中齡林的含水率和毛管持水量以及幼齡林的最大持水量均隨著土層加深先增加后減少。0 ～20 cm 土層，成熟林的含水率和毛管持水量均顯著高于其他林齡（P＜0.05），最大持水量顯著高于幼齡林和中林齡（P＜0.05）；20 ～40 cm 土層，成熟林的含水率顯著高于其他林齡（P＜0.05），毛管持水量顯著高于幼齡林（P＜0.05）；40 ～60 cm 土層，成熟林的含水率顯著高于中齡林（P＜0.05），最大持水量和毛管持水量在不同林齡間差異不顯著。

表2 不同林齡杉木人工林土壤孔隙度Tab.2 Soil porosity of C.lanceolata plantations with different ages

表3 不同林齡杉木人工林土壤持水性質(zhì)Tab.3 Soil water holding capacity of C.lanceolata plantations with different ages

2.2 不同林齡杉木人工林土壤化學(xué)性狀

不同林齡的土壤pH 值均小于7，為酸性土壤，幼齡林土壤酸性強(qiáng)度最大；同一土層間不同林齡pH值差異顯著（P＜0.05）（圖2）。

有機(jī)質(zhì)含量在不同林齡間差異顯著（P＜0.05），速效磷和速效鉀含量差異極顯著（P＜0.01），水解氮含量差異不顯著；有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效鉀含量隨著林齡的增加呈增加-減少-增加的趨勢(shì)，速效磷含量隨著林齡的增加先增加后減少，有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效磷含量在中齡林達(dá)到最大值，速效鉀含量在成熟林達(dá)到最大值；0 ～20 cm 土層的有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效鉀含量、20 ～40 cm 土層的水解氮和速效鉀含量以及40 ～60 cm土層的速效鉀含量均差異極顯著（P＜0.01），其余土層深度土壤養(yǎng)分差異不顯著（表4）。同一林齡土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效磷和速效鉀含量均隨著土層加深而減少，表示所有的化學(xué)性質(zhì)均有表聚性。

圖2 不同林齡杉木人工林土壤pH值Fig.2 Soil pH of C.lanceolata plantations with different ages

表4 不同林齡杉木人工林土壤養(yǎng)分含量Tab.4 Soil nutrition contents of C.lanceolata plantations with different ages (g/gk)

續(xù)表4 Continued

2.3 土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

指標(biāo)的信息熵越小，指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評(píng)價(jià)中起到的作用也越大，其權(quán)重也就越大[21-22]。選擇土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效磷、速效鉀、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、含水率、非毛管孔隙度、最大持水量和毛管持水量11 個(gè)指標(biāo)0 ～60 cm 土層的平均值，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（表5）。對(duì)水源涵養(yǎng)有重要影響的指標(biāo)是土壤總孔隙度、含水率和毛管持水量，權(quán)重值分別為13.57%、10.94% 和10.39%，最小的是土壤容重（5.52%）（表6）。不同林齡杉木人工林土壤理化性質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)表現(xiàn)為成熟林（43.71）＞近熟林（22.18）＞中齡林（19.21）＞幼齡林(10.48)。

表5 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Tab.5 Normalized matrix of indexes

表6 各指標(biāo)的信息熵值和權(quán)重值Tab.6 Information entropy and weight value of indexes

3 結(jié)論與討論

林齡的差異，導(dǎo)致地表凋落物儲(chǔ)量及分解、林木根系和林下植被生長(zhǎng)等均存在一定差異，造成不同林分土壤物理性質(zhì)的差異[23]。本研究表明，不同林齡杉木人工林的土壤物理性質(zhì)差異顯著。隨著林齡的增加，土壤容重逐漸降低，土壤持水能力逐漸增加，這與大多數(shù)研究結(jié)果基本一致[1,18,24-25]，說(shuō)明隨著杉木的生長(zhǎng)，凋落物的不斷積累和分解以及腐殖質(zhì)的大量累積，改善了土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。隨著林齡的增加，土壤孔隙度先下降后增加，與李惠通等[18]和王宏星等[26]的研究結(jié)果一致，可能是在幼齡林至中齡林階段，林分郁閉度增加，林下光照不足，林下植被和水分減少，使得土壤緊實(shí)度和板結(jié)程度加強(qiáng)，造成土壤孔隙度降低，隨著杉木不斷生長(zhǎng)漸漸進(jìn)入成熟期，期間通過(guò)間伐或自疏、自然整枝等，林下光照條件改善，林下植被發(fā)育較快，凋落物逐漸積累，植物根系伸展能力加強(qiáng)，土壤孔隙狀況和松緊程度得到改善。隨著土層的加深，土壤容重逐漸增加，土壤持水能力和孔隙度（成熟林的非毛管孔隙度除外）逐漸降低，這是由于重力因素導(dǎo)致土壤緊實(shí)度隨著土層加深而增加，同時(shí)由于林地凋落物和分解聚集于表層，以及土壤養(yǎng)分具有的表聚性，使得土壤物理狀況隨著土層加深而惡化[16]。杉木生長(zhǎng)至成熟期，根系的密度和伸展增大，使得土壤通氣透水性增強(qiáng)，所以成熟期的非孔隙度隨著土層加深而增大。

土壤酸堿度雖不能直接表明土壤中某種養(yǎng)分的量，但它是影響和控制土壤中微生物區(qū)系的重要因素，直接影響絕大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素的存在狀態(tài)及生物有效性[18]。本研究表明，杉木人工林土壤pH 值隨著林齡增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，與邱新彩等[1]研究結(jié)果不同，可能與植物特性、生長(zhǎng)特性、環(huán)境和土壤質(zhì)地的差異有關(guān)，杉木生長(zhǎng)至成熟期，林下植被豐富，凋落物儲(chǔ)量多，微生物數(shù)量多且活動(dòng)強(qiáng)，土壤質(zhì)地得到了很大的改善。

土壤化學(xué)性質(zhì)是表征土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤微生物的活動(dòng)[27]。本研究表明，同齡杉木人工林的土壤養(yǎng)分均隨土層加深而減少，表明養(yǎng)分具有表聚性，這與前人[1,28-29]的研究結(jié)果基本一致。這主要是由于植物凋落物和根系主要分布于土壤表層，它們釋放大量養(yǎng)分，使得表層養(yǎng)分積累較多[1]。隨著林齡的增加，杉木人工林土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效鉀含量均呈增加-減少-增加的趨勢(shì)，杉木從幼齡林生長(zhǎng)至中齡林，林分的生物量和郁閉度逐漸增加，林下凋落物及動(dòng)植物殘?bào)w增多，土壤養(yǎng)分也隨之增加[30]，中齡林后，隨著杉木不繼生長(zhǎng)，林木生長(zhǎng)空間不足，造成林分過(guò)度郁閉，光照不足，陰濕的環(huán)境不利于土壤微生物的繁殖和活動(dòng)，枯落物分解轉(zhuǎn)化強(qiáng)度減緩，土壤養(yǎng)分明顯下降；此后，由于間伐、自然整枝等原因提高了林內(nèi)透光度，林下植被有所增加，土壤微生物重新活躍，凋落物等分解轉(zhuǎn)化速度逐漸加快，土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效鉀含量提高[15]。隨著林齡增加，土壤速效磷含量先增加后減少，最低值出現(xiàn)在成熟期，該現(xiàn)象也出現(xiàn)在樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）人工林生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中[24]，充分表明土壤速效磷含量隨著林齡的增加有耗竭的趨勢(shì)，這可能是由于土壤無(wú)機(jī)磷在亞熱帶紅壤地帶以AI-P，F(xiàn)a-P，Ca-P為主，植物不易吸收，致使人工林發(fā)展到后期會(huì)受到較強(qiáng)的磷限制[16]。

土壤孔隙度是植物林分土壤理化性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定著土壤持水蓄水和通氣透水的能力[1]，影響著土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)[31]。本研究結(jié)果顯示，土壤總孔隙度在杉木人工林土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重比例最大。杉木人工林土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)最好的是成熟林，近熟林次之，幼齡林最差，表明林齡的增加改善了杉木人工林土壤理化性質(zhì)。

在杉木人工林生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，應(yīng)輔以必要的人工措施，特別在杉木人工林速生階段應(yīng)適當(dāng)增施磷肥，當(dāng)人工林郁閉度較高時(shí)及時(shí)進(jìn)行間伐撫育，保證林木的良好生長(zhǎng)。同時(shí)，可考慮營(yíng)造杉木與闊葉樹種的混交林，調(diào)整森林的結(jié)構(gòu)，以改善凋落物質(zhì)量和促進(jìn)凋落物分解[4]，創(chuàng)造良好的林分環(huán)境，從而提高人工林的生態(tài)效益。