譚 琳 蘇宇喬 張衛(wèi)強(qiáng) 甘先華 唐成波 黃芳芳

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為植被生長的主要養(yǎng)分來源和機(jī)械支持基礎(chǔ)，是決定植物生長、群落組成和空間分布的重要生態(tài)因子之一[1-2]。同時(shí)，植被狀況如樹種組成、林分密度、凋落物輸入等可對(duì)土壤理化和生物性質(zhì)產(chǎn)生影響[3-4]，改變土壤相關(guān)特性，進(jìn)而形成植物和土壤相互作用的反饋系統(tǒng)。植物土壤反饋被認(rèn)為是小尺度水平下植被更新演替的重要機(jī)制之一[5]。

土壤肥力反映了土壤理化及生物因素的綜合作用，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要手段[6]，主要體現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素含量。良好的土壤肥力狀況可以為植物生長提供充足的養(yǎng)分，有助于植被穩(wěn)定正向發(fā)展；反之，貧瘠的土壤很可能限制植物生長，并降低群落物種多樣性[7-8]。因此，采用土壤肥力作為森林土壤質(zhì)量狀況的評(píng)價(jià)依據(jù)，不僅能反映土壤整體狀況，還能體現(xiàn)土壤在植被發(fā)育和森林養(yǎng)分循環(huán)等方面所起的作用[9]。

廣東新豐江水庫是華南地區(qū)重要的水源地，水質(zhì)長期保持在國家地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)[10]，被稱為“廣東最潔凈的一盆水”。保護(hù)好新豐江水庫水源水質(zhì)，對(duì)促進(jìn)東江中下游城市包括深圳、香港等地的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，目前新豐江庫區(qū)森林整體質(zhì)量偏低，天然次生常綠闊葉林分布少，針闊混交人工林分布多，林分結(jié)構(gòu)較差[11-12]，嚴(yán)重影響了其水源涵養(yǎng)作用的發(fā)揮。研究庫區(qū)森林植被的土壤養(yǎng)分與肥力特性有助于了解庫區(qū)森林發(fā)展更新狀況，但目前尚未見相關(guān)報(bào)道?；诖?，本研究探討新豐江水庫庫區(qū)不同林分類型的水源林土壤狀況及其與林分特征的關(guān)系，以期為新豐江水源涵養(yǎng)林經(jīng)營管理和質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新豐江水庫及庫區(qū)（114°15′～114°50′E，23°40′～23°10′ N），屬亞熱帶南緣季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，季風(fēng)交換明顯。夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年平均溫度為20.7 ℃，年平均降水量為1 793.2 mm。新豐江水庫庫區(qū)地帶性植被為常綠闊葉林，主要有樟科、殼斗科、?？?、桃金娘科、大戟科、山茶科、豆科和番荔枝科等組成，森林覆蓋率達(dá)到78%。按森林植被的外貌、結(jié)構(gòu)、組成種類和生境的差異，主要分為季風(fēng)常綠闊葉林、山地常綠闊葉林、針闊葉混交林等類型。

1.2 土壤樣品的采集與測(cè)定

在山地常綠闊葉林、溝谷季風(fēng)常綠闊葉林、馬尾松自然更新針闊混交林、馬尾松套種闊葉樹混交林、馬尾松與桉樹套種闊葉樹混交林及杉木林等6種典型林分內(nèi)設(shè)置20 m × 20 m樣地，采集土壤樣品，記錄采集點(diǎn)所在林分的立地條件及林分特征情況（表1）。在每個(gè)樣地的中心及垂直中線靠上部和下部共設(shè)置3個(gè)采集點(diǎn)（上下部采集點(diǎn)距離中心約5 m），每個(gè)采集點(diǎn)挖1個(gè)1 m深土壤剖面，共18個(gè)剖面。每個(gè)剖面取0～25 cm、25～50 cm、50～75 cm、75～100 cm 4個(gè)土層各約1 kg土壤樣品。土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后置于室內(nèi)自然風(fēng)干，除去動(dòng)植物殘?bào)w及石塊等雜質(zhì)，磨碎后過篩，測(cè)定其理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量。

表1 土壤采集點(diǎn)基本信息Table 1 Information of soil sampling sites

土壤指標(biāo)測(cè)定方法如下[13]：土壤 pH 值采用土水質(zhì)量比1∶2.5電位法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外熱氧化法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用 NaOH-熔融-鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH-火焰光度法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用雙酸浸提后鉬銻抗比色法，速效鉀采用中性乙酸銨提取后火焰光度計(jì)法。

1.3 土壤養(yǎng)分及肥力研究

1.3.1 不同林分土壤養(yǎng)分的差異分析 在各林型內(nèi)，采用單因素方差分析比較不同土層土壤pH及養(yǎng)分差異；計(jì)算各林型不同土層土壤指標(biāo)均值，采用單因素方差分析比較各林型土壤指標(biāo)差異。

1.3.2 土壤養(yǎng)分豐瘠評(píng)價(jià) 結(jié)合全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）[6]對(duì)新豐江水庫庫區(qū)水源涵養(yǎng)林各林型采集點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀指標(biāo)進(jìn)行了豐瘠程度的評(píng)價(jià)。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of soil nutrient content

1.3.3 土壤肥力綜合評(píng)價(jià) 采用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)新豐江水庫庫區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤肥力進(jìn)行研究[6]。依據(jù)表2及土壤養(yǎng)分實(shí)際狀況，劃定土壤各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。參照表3對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化，具體公式如下：

表3 內(nèi)梅羅評(píng)定方法中土壤各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading criterion for soil properties in Nemorow grading method

當(dāng)指標(biāo)測(cè)定值屬于“極差”級(jí)別時(shí)，即Ci≤Xa：當(dāng)指標(biāo)測(cè)定值屬于“差”級(jí)別時(shí)，即Xa＜Ci≤Xc：

當(dāng)指標(biāo)測(cè)定值屬于“中等”級(jí)別時(shí)，即Xc＜Ci≤Xp：

當(dāng)指標(biāo)測(cè)定值屬于“良好”級(jí)別時(shí)，即Ci＞Xp，Pi=3。

土壤綜合肥力系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下（表4）。表層土（0～25 cm）由于凋落物輸入和微生物活動(dòng)頻繁，土壤養(yǎng)分含量高于其他土層，對(duì)植被更新具有重要的影響，因此，分別對(duì)表層土（0～25 cm）和整個(gè)土層（0～100 cm）作土壤肥力評(píng)價(jià)。

表4 土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Grade standard of soil fertility

1.3.4 土壤肥力與養(yǎng)分、林分特征的關(guān)系 采用相關(guān)分析研究土壤綜合肥力系數(shù)與土壤pH與養(yǎng)分含量的關(guān)系，以探討土壤指標(biāo)對(duì)綜合肥力系數(shù)的影響差異；采用相關(guān)分析研究綜合肥力系數(shù)及主要土壤養(yǎng)分與林齡及林分郁閉度的關(guān)系，以探討森林狀況對(duì)土壤肥力的潛在影響。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Duncan法對(duì)土壤指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用Pearson相關(guān)分析法對(duì)土壤指標(biāo)、綜合肥力系數(shù)及林分特征的關(guān)系進(jìn)行分析。分析于JMP 16 Pro統(tǒng)計(jì)軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤pH和養(yǎng)分的差異分析

不同林分土壤pH值處于4.32～4.81之間，酸性較強(qiáng)，表層土的pH值總體低于其他土層。馬尾松套種闊葉樹混交林土壤pH值顯著高于山地常綠闊葉林、溝谷季風(fēng)常綠闊葉林、馬尾松與桉樹套種闊葉樹混交林，而與馬尾松自然更新針闊混交林、杉木林差異不顯著（表5）。

土壤養(yǎng)分含量隨著土層深度的增加而減少，總體而言，表層土大部分土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量要高于其他土層，其他土層之間差異不顯著。山地常綠闊葉林土壤養(yǎng)分含量較高，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及堿解氮含量均高于其他林分；溝谷季風(fēng)常綠闊葉林及馬尾松自然更新針闊混交林土壤養(yǎng)分含量也較高，而馬尾松套種闊葉樹混交林土壤養(yǎng)分含量則最低（表5）。

對(duì)各林分土壤養(yǎng)分進(jìn)行豐瘠評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，除各林分的全鉀含量多處于中等及以上水平外，其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)多處于較缺及以下水平，其中以有效磷缺失最為嚴(yán)重，所有林分有效磷含量均為極缺水平。山地常綠闊葉林土壤養(yǎng)分貧瘠程度最低，其上層土壤（0～25 cm、25～50 cm）有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量均處于較豐富以上水平。其次，溝谷季風(fēng)常綠闊葉林、馬尾松自然更新針闊混交林和杉木林表層土（0～25 cm）有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量也處于中等及以上水平。馬尾松套種闊葉樹混交林是土壤養(yǎng)分缺失最為嚴(yán)重的林分，除有機(jī)質(zhì)和全鉀含量處于缺水平外，其他土壤養(yǎng)分含量均處于極缺水平（表5）。

表5 新豐江水庫庫區(qū)水源林土壤pH與土壤養(yǎng)分含量Table 5 Soil pH and nutrient contents in water conservation forest in Xinfengjiang Reservoir area

2.2 土壤肥力評(píng)價(jià)

庫區(qū)各林分土壤綜合肥力評(píng)價(jià)等級(jí)均為一般及以下，綜合肥力系數(shù)介于0.39～1.18之間（表6）。其中山地常綠闊葉林、溝谷季風(fēng)常綠闊葉林、馬尾松自然更新針闊混交林與杉木林的表層土（0～25 cm）評(píng)價(jià)為一般，整體土壤（0～100 cm）評(píng)價(jià)為貧瘠；馬尾松套種闊葉樹混交林和馬尾松與桉樹套種闊葉樹混交林土壤肥力評(píng)價(jià)最差，表層土和整體土壤評(píng)價(jià)均為貧瘠。

表6 新豐江水庫庫區(qū)水源林不同林分類型土壤內(nèi)梅羅肥力系數(shù)分析Table 6 Analysis of Nemorow fertility index for different forests in Xinfengjiang Reservoir area

2.3 土壤肥力與養(yǎng)分、林分特征的關(guān)系

相關(guān)分析顯示，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及堿解氮之間顯著正相關(guān)（圖1, 2）。表層土綜合肥力系數(shù)與全氮和堿解氮顯著正相關(guān)（圖1），整體土壤綜合肥力系數(shù)與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮顯著正相關(guān)（圖2）。進(jìn)一步分析顯示，隨著林齡和郁閉度的提高，土壤肥力系數(shù)和堿解氮顯著增加，全氮近乎顯著增加（圖3）。

圖1 新豐江水庫庫區(qū)水源林0～25 cm土層綜合肥力系數(shù)與土壤指標(biāo)的關(guān)系Figure 1 Relationships between comprehensive fertility index and soil properties for 0～25 cm soil layer of forests in Xinfengjiang Reservoir area

圖2 新豐江水庫庫區(qū)水源林0～100 cm土層綜合肥力系數(shù)與土壤指標(biāo)的關(guān)系Figure 2 Relationships between comprehensive fertility index and soil properties for 0～100 cm soil layer of forests in Xinfengjiang Reservoir area

圖3 新豐江水庫庫區(qū)水源林綜合肥力系數(shù)、全氮和堿解氮與林齡、郁閉度的關(guān)系Figure 3 Relationships between comprehensive fertility index, total nitrogen, available nitrogen and stand age and canopy density of forests in Xinfengjiang Reservoir area

3 討論與結(jié)論

本研究探討了新豐江水庫庫區(qū)森林土壤肥力及其與林分特征的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)森林土壤養(yǎng)分含量多處于中等及以下水平，且磷缺乏狀況明顯。磷元素是熱帶亞熱帶地區(qū)森林土壤中的主要限制元素[14-15]，本研究也表明，庫區(qū)森林群落生長可能受到不同程度的磷限制，其中以馬尾松套種闊葉樹混交林最為嚴(yán)重?？傮w而言，山地常綠闊葉林和溝谷季風(fēng)常綠闊葉林土壤養(yǎng)分貧瘠程度較低，而馬尾松套種闊葉樹混交林和馬尾松與桉樹套種闊葉樹混交林貧瘠程度較高，這可能與林分結(jié)構(gòu)和樹種組成有關(guān)。以往研究也發(fā)現(xiàn)，水源林林分不同，其土壤肥力也存在顯著差異[16-18]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)各林分的表層土土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷及鉀元素含量均高于其他土層，這可能與地表植被、凋落物輸入及微生物活動(dòng)等因素有關(guān)[6,19-20]。

在常綠闊葉林、馬尾松自然更新針闊混交林和杉木林等林齡較長的林分，其表層土部分養(yǎng)分含量（主要為有機(jī)質(zhì)、氮、鉀）可達(dá)到較豐富及以上水平。這表明，在整體土壤養(yǎng)分偏低的情況下，表層土壤可能對(duì)庫區(qū)森林的更新和發(fā)展起著重要作用。

土壤綜合肥力評(píng)價(jià)顯示，庫區(qū)土壤肥力等級(jí)為一般和貧瘠，且表層土肥力系數(shù)要高于整體土壤，這與較低的土壤養(yǎng)分含量及養(yǎng)分的垂直分布有關(guān)。馬尾松套種闊葉樹混交林和馬尾松與桉樹套種闊葉樹混交林是土壤肥力狀況最差的林分，其表層土肥力及整體土壤肥力評(píng)價(jià)等級(jí)均為貧瘠。相關(guān)分析進(jìn)一步顯示，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和堿解氮含量顯著正相關(guān)，這可能是由于土壤有機(jī)質(zhì)是氮、磷元素的重要來源[21]；綜合肥力系數(shù)與土壤全氮和堿解氮含量在表層土和整體土壤均呈顯著正相關(guān)，這反映土壤氮元素的增加可能對(duì)提高土壤肥力有促進(jìn)作用。

綜合肥力系數(shù)和土壤氮含量隨著林齡和郁閉度的增加而增加，表明植被狀況與土壤肥力密切相關(guān)。林齡差異可能導(dǎo)致群落物種組成、林下層植被、凋落物儲(chǔ)量等方面的差異，進(jìn)而導(dǎo)致土壤理化及生物性質(zhì)的差異[22]。郁閉度差異則間接影響林內(nèi)物種豐富度、光照及溫濕度等因素。隨著林齡和郁閉度的增加，庫區(qū)森林地表凋落物積累增加，環(huán)境較為潮濕，可能加速凋落物分解和養(yǎng)分回歸，進(jìn)而提高土壤肥力[23]。但與本研究結(jié)果不同，以往一些研究并未發(fā)現(xiàn)土壤肥力與林齡的正相關(guān)關(guān)系[24-26]，這可能與所研究的林分類型及林齡跨度差異有關(guān)。需要說明的是，庫區(qū)內(nèi)林齡較長的林分多為常綠闊葉林，林齡較短的林分多為針闊混交林，樹種組成差異本身可能對(duì)土壤產(chǎn)生不同影響，如常綠闊葉林中闊葉喬木和灌木較為豐富，其凋落物分解較快，養(yǎng)分釋放和回歸速率也較快，而針闊混交林中針葉凋落物含有較難分解的單寧和木質(zhì)素等物質(zhì)，其養(yǎng)分回歸可能受到限制[20]。因此，需進(jìn)一步研究以區(qū)分林分組成、林齡與土壤肥力的關(guān)系。但從庫區(qū)馬尾松改造林的情況來看，相比于林齡較短的馬尾松改造林，林齡較長的馬尾松改造林的土壤養(yǎng)分狀況更好（表5），這一趨勢(shì)支持了土壤肥力隨林齡增加而增加的結(jié)果。

土壤肥力與森林水源涵養(yǎng)能力密切相關(guān)。例如，楊佳慧[27]研究不同林齡的柳杉人工林土壤特性和水源涵養(yǎng)能力發(fā)現(xiàn)，成熟林和近熟林具有較高的土壤肥力和水源涵養(yǎng)能力，中林齡次之，幼齡林最差；李璐杉[23]對(duì)昆明車木河水庫不同類型水源林進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，針闊混交林和常綠闊葉林土壤肥力和涵養(yǎng)水源能力高于其他針葉林純林。結(jié)合上述研究結(jié)果，我們推測(cè)新豐江庫區(qū)常綠闊葉林水源涵養(yǎng)能力可能較高，而林齡較短的馬尾松人工林則較低。

本研究可從土壤肥力角度為新豐江庫區(qū)水源林質(zhì)量提升措施提供科學(xué)依據(jù)。首先，需加強(qiáng)庫區(qū)內(nèi)常綠闊葉林的管理，營造結(jié)構(gòu)合理的針闊混交林，促進(jìn)森林的正向演替和健康發(fā)展。其次，庫區(qū)森林土壤肥力總體偏低，可通過合理的施肥措施促進(jìn)植被生長和更新。庫區(qū)森林土壤肥力與土壤全氮和堿解氮含量顯著相關(guān)，增加土壤氮含量或可有效提高土壤肥力。此外，土壤處于較嚴(yán)重的磷限制，需輔以施磷來促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用。