何斌

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

韋秀媚

(廣西國(guó)有維都林場(chǎng))

馮建強(qiáng)

(廣西林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院)

楊家強(qiáng)

(廣西國(guó)有維都林場(chǎng))

黃承標(biāo)

(廣西大學(xué))

張日施

(廣西八桂林木花卉種苗股份有限公司)

人工林是當(dāng)今世界森林資源的重要組成部分。發(fā)展人工林是增加我國(guó)森林資源、解決木材供需矛盾、實(shí)施天然林保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的有效措施和必然選擇[1-2]。但由于人工林林分結(jié)構(gòu)單一、物種多樣性貧乏,加上受到樹(shù)種生物學(xué)特性以及經(jīng)營(yíng)措施等多方面影響,因而容易導(dǎo)致地力衰退和生態(tài)功能下降,已成為當(dāng)前林業(yè)科學(xué)最為關(guān)注和急需解決的世界性問(wèn)題之一[3-4]。森林土壤,作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是林木生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6],同時(shí)與森林的形成、發(fā)展或演替存在著相互影響和相互作用的密切關(guān)系;土壤理化性質(zhì),在很大程度上反映了土壤肥力狀況,是衡量土壤質(zhì)量高低的重要指標(biāo),對(duì)林地生產(chǎn)力以及森林生態(tài)功能作用的發(fā)揮都起著極為重要的作用[7-8]。大量研究表明,不同類(lèi)型人工林,因其林分結(jié)構(gòu)、林木組成、林分密度、林齡或者生長(zhǎng)階段等不同,其對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響存在不同程度的差異[9-14]。因此,研究人工林不同林齡或生長(zhǎng)階段土壤理化性質(zhì)及其變化規(guī)律,對(duì)了解森林土壤的形成、結(jié)構(gòu)和作用,揭示林木生長(zhǎng)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系及其作用機(jī)理,實(shí)現(xiàn)森林人工調(diào)控和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要實(shí)際意義[11-12]。

禿杉(Taiwaniaflousiana)為杉科臺(tái)灣杉屬珍稀樹(shù)種,具有適應(yīng)性廣、速生和速生期長(zhǎng)、生物生產(chǎn)力及出材量高等優(yōu)點(diǎn)[15-16],已成為我國(guó)南方部分中、低山區(qū)杉木采伐跡地更新的優(yōu)良替代樹(shù)種和退耕還林的重要栽培樹(shù)種,同時(shí)也是培育大徑級(jí)珍貴用材和建設(shè)國(guó)家木材戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備林的優(yōu)良樹(shù)種[17]。由于禿杉人工林多數(shù)是在原杉木采伐跡地采用純林經(jīng)營(yíng),隨著禿杉人工林的迅速發(fā)展,其生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)林地地力的影響逐漸引起關(guān)注。有關(guān)禿杉人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究,已有報(bào)道,但均集中在林齡20年生以下的禿杉中、幼林[18-21]。由于禿杉人工林經(jīng)營(yíng)中,即使以培育中、小徑材為經(jīng)營(yíng)目標(biāo),其輪伐期也需要20多年;如果進(jìn)行大徑材培育,其經(jīng)營(yíng)時(shí)間更長(zhǎng)。因此,已有的研究結(jié)果在反映禿杉人工林生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)土壤理化性質(zhì)影響方面存在明顯的不足。為此,本研究于2018年3月份,在廣西南丹縣山口林場(chǎng)9、17、25、37年生禿杉人工林中,分別選擇鄰近分布、立地條件基本一致地段,各設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地,按照土層深度(h)0

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西西北部的南丹縣山口林場(chǎng)。南丹縣(107°1′～107°55′E、24°42′～25°37′N(xiāo))地處云貴高原邊緣,地貌以中低山為主,海拔多數(shù)在500～1 000 m之間,具有高原山區(qū)的氣候特點(diǎn)和變化規(guī)律。年平均氣溫16.9 ℃,年平均降水量1 498 mm[16]。試驗(yàn)地海拔950～1 020 m,土壤母質(zhì)(母巖)為砂頁(yè)巖,風(fēng)化程度較深,土壤類(lèi)型為山地黃壤,平均土層厚度80 cm以上,腐殖質(zhì)層厚度18～25 cm,水肥條件良好,比較適宜杉木(Cunninghamialanceolata)、禿杉、馬尾松(Pinusmassoniana)及各種鄉(xiāng)土闊葉喬木樹(shù)種的生長(zhǎng)。

不同林齡禿杉林,前茬林分均為杉木純林,分別于各自造林前一年冬天采伐,經(jīng)煉山和清理雜物后挖穴整地,種植穴規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.3 m。第二年3—4月份用林場(chǎng)培育的1年生實(shí)生苗(貴州雷公山種源)定植,造林密度約2 500株·hm-2(株行距2 m×2 m)。禿杉造林后,前3 a的春季和秋季各進(jìn)行1次鏟草撫育;造林后9～10、14～15、19～20 a分別進(jìn)行間伐,間伐強(qiáng)度約為25%、20%、30%;經(jīng)營(yíng)過(guò)程中各林齡林分均沒(méi)有進(jìn)行人工施肥[17]。2018年3月份,調(diào)查不同林齡禿杉人工林樣地概況(見(jiàn)表1)。

表1 不同林齡禿杉人工林樣地概況

2 研究方法

樣地設(shè)置與土壤樣品采集:根據(jù)南丹縣山口林場(chǎng)禿杉人工林栽植情況,在野外詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,于2018年3月份,分別在9、17、25、37年生禿杉人工林中,選擇鄰近分布、立地條件基本一致地段,各設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地;在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按S形隨機(jī)設(shè)置5個(gè)代表性采樣點(diǎn),按照土層深度(h)0

土壤樣品的理化性質(zhì)測(cè)定:土壤含水量,采用烘干法測(cè)定;土壤密度、孔隙度、持水量,采用環(huán)刀法測(cè)定[22]。土壤pH,采用電位法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用重鉻酸鉀-硫酸容量法測(cè)定[15];土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用凱氏定氮法測(cè)定;土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),先用氫氧化鈉熔融后,全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次采用鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定;土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用雙酸(H2SO4-HCl)浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[22]。

數(shù)據(jù)處理:采用Excel2013軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;應(yīng)用SPSS 22.0軟件采用單因素方差分析法,分析不同林齡禿杉人工林各土層土壤理化學(xué)性質(zhì)的差異及林齡對(duì)禿杉人工林土壤理化性質(zhì)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡禿杉人工林土壤物理性質(zhì)的差異

土壤密度與孔隙狀況(見(jiàn)表2):①不同林齡禿杉人工林土壤密度均隨土層加深而下降。在0

表2 不同林齡禿杉人工林土壤密度和孔隙狀況

土壤水分狀況(見(jiàn)表3):不同林齡禿杉人工林,土壤非毛管持水量在5.50%～18.43%之間、土壤毛管持水量在46.97%～50.20%之間、土壤田間持水量在43.94～54.06%之間,在垂直分布上均隨土層加深而減小。同一土層,土壤非毛管持水量、毛管持水量、田間持水量,均呈現(xiàn)隨林齡增加而增大的變化趨勢(shì);其中,37年生禿杉人工林土壤非毛管持水量,與9、17年生禿杉人工林土壤非毛管持水量差異顯著(P<0.05);37年生禿杉人工林土壤最大持水量與9年生禿杉人工林土壤最大持水量差異顯著(P<0.05)。

表3 不同林齡禿杉人工林土壤水分狀況

森林形成和生長(zhǎng)過(guò)程中,其不同林齡或生長(zhǎng)階段對(duì)土壤性質(zhì)的影響,存在不同程度的差異[23-24];一方面,林齡增加可以通過(guò)改變植被狀況,如樹(shù)種結(jié)構(gòu)和林下植被組成、數(shù)量,從而對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與植被尤其是林木生長(zhǎng)需求之間的平衡關(guān)系產(chǎn)生影響,并通過(guò)向林地土壤輸入植物殘?bào)w(凋落物和大量死根)及根系分泌物,從而影響土壤理化性質(zhì);另一方面,森林內(nèi)的水分、熱量和光照條件隨森林生長(zhǎng)過(guò)程而發(fā)生變化,其對(duì)植物殘?bào)w的形成與分解、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特征都會(huì)產(chǎn)生重要影響,導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)也隨之發(fā)生改變[25]。土壤密度和孔隙度分別是土壤緊實(shí)程度和土體構(gòu)造的重要指標(biāo),影響著土壤結(jié)構(gòu)、組成和通氣、透水性能以及林木根系的生長(zhǎng)發(fā)育[20]。本研究中,不同林齡禿杉人工林土壤密度均隨土層加深而增加;土壤總孔隙度和最大持水量均隨土層加深而下降,其原因主要是林地表層積累大量凋落物,通過(guò)腐解作用致使有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物數(shù)量和活動(dòng)高于或者強(qiáng)于下層,加上其根系的分布和伸展作用也隨土層加深而減弱,從而導(dǎo)致林地土壤密度隨土層加深而增大、孔隙度和最大持水量均隨土層加深而減小,通透性則隨之變差。而各林齡不同土層孔隙度和最大持水量,均明顯高于多數(shù)我國(guó)杉木、馬尾松、落葉松人工林主要栽培區(qū)相同土層的研究結(jié)果[26-30],表明該禿杉林土壤較疏松、通氣透水性能較強(qiáng)。目前,國(guó)內(nèi)有關(guān)林齡對(duì)杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量影響的研究中,衣曉丹[26]對(duì)江西省分宜縣大崗山研究結(jié)果認(rèn)為,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為7年生、22年生、30年生、38年生;王丹等[27]在福建省將樂(lè)縣的研究表明,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為49年生、7年生、29年生、16年生、23年生;李惠通等[28]在福建省三明市的研究結(jié)果認(rèn)為,不同林齡杉木人工林土壤總孔隙度和最大持水量,由大到小依次為5年生、24年生、15年生;可見(jiàn)上述研究中即使林齡達(dá)到30年生(成熟林),杉木林土壤孔隙性狀和持水性能還未能恢復(fù)到幼齡林階段。本研究中,禿杉人工林不同土層,總孔隙度和最大持水量均呈現(xiàn)隨林齡增加逐漸增大趨勢(shì),土壤非毛管孔隙和持水量也有相同的變化趨勢(shì);其原因是隨著林齡增加,林地凋落物逐漸積累,其通過(guò)腐解作用促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,加上林木根系伸展作用逐漸增強(qiáng),從而促進(jìn)土壤透水性能的增強(qiáng)。

3.2 不同林齡禿杉人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的差異

土壤pH和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)表4):①不同林齡禿杉人工林土壤pH分布在4.25～4.75之間,均屬于強(qiáng)酸性土壤,且同齡間均表現(xiàn)為隨土層加深而增加。不同土層各林齡土壤pH差異均不顯著,但總體上均呈現(xiàn)隨林齡增加而下降的變化趨勢(shì)。②不同林齡土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.27～78.94 g·kg-1,在垂直分布上均表現(xiàn)為隨土層加深而下降。隨林齡增加,同一土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),均呈現(xiàn)隨林齡增加逐漸增加的變化趨勢(shì);其中,0

土壤全量養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)表4):①不同林齡禿杉人工林,0

土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù):禿杉人工林土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),因林齡不同和速效養(yǎng)分指標(biāo)不同,而存在差異(見(jiàn)表4)。①不同林齡,0

表4 不同林齡禿杉人工林土壤化學(xué)性質(zhì)

林齡/a全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-10

土壤酸堿度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解及其養(yǎng)分元素釋放與轉(zhuǎn)化等都具有重要影響[31]。本研究中,不同林齡各土層pH均隨林齡增加而下降,這是因?yàn)槎d杉作為針葉樹(shù)種,其生長(zhǎng)過(guò)程中凋落物隨林齡增加而逐漸積累,凋落物分解過(guò)程產(chǎn)生有機(jī)酸也隨之增加,并向礦質(zhì)土層淋洗,致使林地酸性也隨之增強(qiáng)。

土壤有機(jī)質(zhì)作為表征林地土壤肥力的重要指標(biāo),也是衡量林地生產(chǎn)力的重要因子;而土壤氮磷鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低,直接影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。本研究中,各林齡禿杉人工林0

土壤速效養(yǎng)分與植物生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān),更能夠反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平。本研究中,各林齡禿杉人工林土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到我國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中極豐富或者豐富的一、二級(jí)水平;各林齡禿杉人工林土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)處于極缺乏六級(jí)水平(低于其臨界值的3 mg·kg-1),其原因既與其土壤母質(zhì)(砂頁(yè)巖)磷素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低有關(guān),同時(shí)也表明禿杉林木生長(zhǎng)會(huì)受到土壤磷素營(yíng)養(yǎng)的限制;各林齡禿杉人工林土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)處于中等至缺乏的三至五級(jí)水平。從不同林齡各土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)看,總體上均表現(xiàn)出與其土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的變化趨勢(shì),說(shuō)明禿杉人工林生長(zhǎng)過(guò)程中,既促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)生物積累,同時(shí)也促進(jìn)了土壤中速效養(yǎng)分的釋放與提高。

3.3 禿杉人工林土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性

回歸分析表明(見(jiàn)表5),禿杉人工林各土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間均存在不同程度的相關(guān)關(guān)系,其中:土壤密度,與土壤總孔隙度、土壤最大持水量、土壤養(yǎng)分指標(biāo)(除全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)外)呈極顯著正相關(guān),與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān);土壤總孔隙度和最大持水量,分別與土壤養(yǎng)分指標(biāo)(除全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)外)呈極顯著相關(guān)和顯著正相關(guān),與土壤pH呈極顯著正相關(guān);土壤pH,與土壤養(yǎng)分指標(biāo)(除全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)外)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)或顯著相關(guān)。而在各養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系中,除全鉀外,各養(yǎng)分指標(biāo)多數(shù)存在極顯著相關(guān)或顯著相關(guān)。

表5 禿杉人工林主要土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性

4 討論與結(jié)論

本研究表明,隨著禿杉人工林林齡的增加,同一土層土壤密度逐漸降低,土壤總孔隙度、最大持水量則逐漸增大,土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸提高;表明禿杉人工林的生長(zhǎng)過(guò)程有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和孔隙性能,增強(qiáng)持水性能,同時(shí)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤主要養(yǎng)分的積累,有利于土壤肥力的恢復(fù)、維持和提高。這與有關(guān)杉木人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究結(jié)果[26-27,35]存在較大差異,其原因是禿杉人工林凋落物形成較早,且凋落物宿存現(xiàn)象不明顯,其生長(zhǎng)過(guò)程中林地凋落物比較豐富[16],大量以樹(shù)葉為主且較易分解的凋落物經(jīng)過(guò)分解和腐殖化作用后,逐漸提高了土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù);而且禿杉根系發(fā)達(dá),其龐大根系的穿插、伸展過(guò)程會(huì)產(chǎn)生各種孔隙,加上大量活根的分泌作用,以及死根系的腐解也會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和主要養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),同時(shí)產(chǎn)生各種孔隙,致使土壤密度則逐漸下降,土壤孔隙度和持水性能也逐漸提高,同時(shí)也促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分的生物積累,因而有利于土壤肥力的恢復(fù)、維持和提高。

本研究中,受土壤母質(zhì)(母巖)的影響,研究區(qū)不同林齡禿杉人工林土壤磷素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不高,尤其是速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于其臨界值(<3 mg·kg-1);因此,在土壤中有機(jī)質(zhì)和氮素營(yíng)養(yǎng)比較充足狀況下,土壤中磷素、鉀素(有效磷和有效鉀)尤其是磷素營(yíng)養(yǎng)不足,是影響禿杉人工林生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素生物循環(huán)和林木生長(zhǎng)量提高的重要因素;建議在禿杉人工林的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中,尤其是生物量積累速率最快的9～17年生階段[16],通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充磷肥、鉀肥,以滿足林木生長(zhǎng)需求,促進(jìn)林分快速生長(zhǎng),加快土壤與林木的營(yíng)養(yǎng)元素生物循環(huán),提高禿杉人工林的林地生產(chǎn)力。