鄭素蕓 林雨薇 黃怡 榮俊冬 李士坤 陳禮光 何天友 鄭郁善

(福建農(nóng)林大學,福州,350000) (漳平市林業(yè)局) (福建農(nóng)林大學)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我國南方的重要竹種,占我國竹林總面積的74%[1]。天然異齡結(jié)構(gòu)是毛竹林的重要特點,在毛竹經(jīng)營中,通常會根據(jù)不同的經(jīng)營目標構(gòu)建相應的竹齡結(jié)構(gòu)林分[2]。在筍用林的毛竹林經(jīng)營中,傳統(tǒng)經(jīng)營模式是按Ⅰ～Ⅳ度竹比例和每年保持留存一部分筍長成新竹更新竹林[3];但受人力資源的緊缺以及難作業(yè)等因素影響,傳統(tǒng)經(jīng)營模式的成本不斷提高[4]。長周期母竹留養(yǎng)模式是一種新式母竹留養(yǎng)方式(一次性保留1～3年生毛竹作為母竹),此后每年不再留筍養(yǎng)竹;該種模式,節(jié)約人力、增加效益[5]。但是高生產(chǎn)力是毛竹林地力衰退的重要原因之一[6],因此需要了解和客觀評估不同經(jīng)營時長的毛竹林地土壤養(yǎng)分狀況,為維持毛竹林的穩(wěn)定生產(chǎn)力和可持續(xù)經(jīng)營提供重要依據(jù)。

森林土壤是林木生長重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[7],研究表明,森林土壤養(yǎng)分狀況與植被的生長密切相關(guān)[4]。隨著長周期母竹留養(yǎng)模式的經(jīng)營年限增加,毛竹林內(nèi)的竹齡結(jié)構(gòu)、不同竹齡毛竹的生長速率[8]、營養(yǎng)器官養(yǎng)分分布及其養(yǎng)分循環(huán)[9]等的變化對毛竹林土壤養(yǎng)分具有重要影響。目前,對于毛竹林土壤養(yǎng)分的研究較多,羅天磊等[10]研究表明,全氮、有機質(zhì)、堿解氮等6個土壤指標,是影響毛竹林土壤肥力的重要因子;鄭麗鳳等[11]研究表明,隨著采伐年限的增加,森林土壤養(yǎng)分可能會呈下降的趨勢。由于長周期母竹留養(yǎng)模式與過去傳統(tǒng)方式存在差異,并且對長周期母竹留養(yǎng)模式的毛竹林土壤養(yǎng)分的研究很少。為此,本研究在福建省漳平市新橋鎮(zhèn)高美村選擇試驗地,以毛竹林為研究對象,以空間替代時間,選取長周期母竹留養(yǎng)模式連續(xù)經(jīng)營的毛竹筍用林——5種連續(xù)經(jīng)營(經(jīng)營時長)4、5、6、7、8 a的毛竹林,以傳統(tǒng)經(jīng)營模式為對照,設(shè)置樣地10 m×10 m,按照土層深度(h)0

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置

試驗地處于福建省漳平市新橋鎮(zhèn)高美村,該地區(qū)位于福建省西部,地理中心坐標25°38′N、117°47′E,海拔780 m。屬亞熱帶季風氣候,年均氣溫17.9 ℃,年均無霜期為280 d,年均降水量1 750 mm;境內(nèi)年日照時間1 852.9 h;土壤為紅壤,pH為5.5;主要植被類型以桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、水同木(Ficus.fistulosa)等為主。

2017年11月份,在試驗地選擇竹林密度1 600～1 800株·hm-2,選取長周期母竹留養(yǎng)模式連續(xù)經(jīng)營的毛竹筍用林:在連續(xù)經(jīng)營4、5、6、7、8 a及常規(guī)經(jīng)營作為對照的林地,設(shè)置樣地10 m×10 m,每個類型樣地3個重復,共18塊樣地;樣地統(tǒng)一施2次復合肥(N、P、K元素質(zhì)量比例1∶1∶1),分別為5、10月份,施肥量為1 125 kg·hm-2,其余管理措施保持一致。留養(yǎng)母竹的竹齡為1～3年生,每種竹齡母竹數(shù)量各占33%,對樣地內(nèi)毛竹進行每竹調(diào)查,記錄毛竹竹齡、胸徑、均勻度[12]、經(jīng)營時長和立地條件等信息(見表1)。

表1 毛竹林樣地基本狀況

1.2 土壤樣品采集與養(yǎng)分測定

根據(jù)毛竹的生長期,于8月份進行采樣,在標準地內(nèi)按照S形5點采樣法采集土壤樣品,將表層的枯枝落葉去除,土壤剖面按照土層深度(h)0

土壤全氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù),分別采用H2SO4-H2O2消煮法、堿熔-鉬銻抗比色法、原子吸收分光光度法測定;土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定;土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù),分別采用堿解擴散法、氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提火焰光度計法測定。根據(jù)相關(guān)資料及第二次全國土壤普查的養(yǎng)分標準[14],獲得土壤養(yǎng)分評價標準(見表2)。

表2 土壤養(yǎng)分豐缺等級劃分

1.3 土壤養(yǎng)分評價方法

本研究選取土壤全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)7項指標作為評價土壤肥力質(zhì)量的土壤因子;首先對7個土壤個因子進行編號及標準化處理;其次,本研究采用主成分分析法對不同經(jīng)營時期毛竹林樣地的土壤指標進行了分析,得到了各主成分的特征值、方差貢獻率、累積貢獻率、公因子方差和載荷矩陣,計算得到不同土壤因子的指標權(quán)重(Wij),采用加權(quán)求和法計算各主成分的得分,以各公因子的特征值貢獻率作為權(quán)重,進行加權(quán)求和得到綜合評價指標值(IIF)[15]。

Fi=Wi1X1+Wi2X2+…+WijXj;Wij為各個指標的權(quán)重,Xj為各個土壤指標。

IIF=α1F1+α2F2+…+αiFi;αi為加權(quán)平均系數(shù),Fi為各公因子得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛竹林土壤養(yǎng)分概況

由表3可見:毛竹林試驗區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮豐富,全磷(<0.4 g·kg-1)、速效鉀(<50 mg·kg-1)較少。本研究區(qū)內(nèi)土壤各養(yǎng)分指標的變異系數(shù)(CV)范圍為19.76%～52.97%,為中等變異(CV≤10%為弱變異,10%100%為強變異)[16]。各項土壤養(yǎng)分指標的變異程度,變異系數(shù)由大到小依次為速效鉀質(zhì)量分數(shù)(52.97%)、全鉀質(zhì)量分數(shù)(42.20%)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)(31.18%)、全氮質(zhì)量分數(shù)(30.76%)、全磷質(zhì)量分數(shù)(22.06%)、速效磷質(zhì)量分數(shù)(20.71%)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(19.76%)。

表3 毛竹林土壤養(yǎng)分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 毛竹林土壤養(yǎng)分豐缺評價

由表4可見:研究區(qū)毛竹林僅有2.78%的土壤有機質(zhì)屬于較豐富水平(土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)>20 g·kg-1),主要處于適量水平。全氮、堿解氮處于較豐富及以上等級,土壤比例分別為73.62%、100.00%,并且處于極豐富水平的堿解氮占80.56%,說明試驗區(qū)土壤的氮素量豐富。全鉀處于適量及以上等級,土壤比例為66.67%。全磷處于貧乏等級的土壤比例為95.83%,但未出現(xiàn)極度貧乏現(xiàn)象,僅有16.67%的土壤速效磷處于較豐富及以上等級、83.33%的土壤速效磷處于適量,表明試驗區(qū)毛竹林的磷素較少,可利用的磷素豐缺表現(xiàn)強于全磷。速效鉀處于貧乏及以下等級,土壤比例為66.67%,出現(xiàn)極度貧乏現(xiàn)象的占40.28%。有機質(zhì)總體表現(xiàn)良好,處于適量等級,土壤比例為91.67%。

表4 毛竹林土壤養(yǎng)分不同等級構(gòu)成

2.3 毛竹林土壤養(yǎng)分變化

由表5可見:①表層土壤(0

②全磷質(zhì)量分數(shù)和速效鉀質(zhì)量分數(shù)在不同土層之間分布相對均勻,在不同土層各種經(jīng)營周期間差異均不顯著。其中,5種經(jīng)營周期,各土層全磷質(zhì)量分數(shù)為0.27～0.30 g·kg-1,均大于對照(0.26 g·kg-1);5種經(jīng)營周期,各土層速效鉀質(zhì)量分數(shù)為30.93～41.92 g·kg-1,均大于對照(30.70 g·kg-1);5種經(jīng)營周期,各土層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10.60～14.37 g·kg-1,均低于對照(15.45 g·kg-1)。

③堿解氮質(zhì)量分數(shù),在不同經(jīng)營時長的不同土層之間表現(xiàn)不一,且差異不顯著,但均表現(xiàn)為連續(xù)經(jīng)營7 a時堿解氮質(zhì)量分數(shù)最高(173.61～329.48 mg·kg-1)、連續(xù)經(jīng)營8 a時堿解氮質(zhì)量分數(shù)最低(114.93～194.90 mg·kg-1)。在不同經(jīng)營時長的各土層之間,堿解氮質(zhì)量分數(shù)與全氮質(zhì)量分數(shù)變化趨勢一致,均隨著土層的加深而減少,由大到小依次為連續(xù)經(jīng)營7 a、連續(xù)經(jīng)營5 a、連續(xù)經(jīng)營4 a、常規(guī)經(jīng)營(對照)、連續(xù)經(jīng)營6 a、連續(xù)經(jīng)營8 a;除連續(xù)經(jīng)營6 a、連續(xù)經(jīng)營8 a外,其余經(jīng)營時長的土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù),均在不同土層之間差異顯著(P<0.05)。全鉀質(zhì)量分數(shù)與堿解氮質(zhì)量分數(shù)有相似的變化趨勢,均為不同土層各經(jīng)營時長間差異不顯著,且連續(xù)經(jīng)營7 a時土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)最高(15.04～16.47 g·kg-1)、連續(xù)經(jīng)營8 a時土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)最低(9.70～11.00 g·kg-1)。各個樣地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),在不同經(jīng)營時長及其不同土層之間表現(xiàn)不一,且差異不顯著(P>0.05),但均表現(xiàn)為在連續(xù)經(jīng)營7 a時樣地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最低。

2.4 毛竹林土壤養(yǎng)分綜合評價

對毛竹林土壤養(yǎng)分進行皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析,結(jié)果表明(見表6):全氮質(zhì)量分數(shù)與堿解氮質(zhì)量分數(shù)之間、全磷質(zhì)量分數(shù)與速效鉀質(zhì)量分數(shù)之間、全鉀質(zhì)量分數(shù)與速效鉀質(zhì)量分數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),全氮質(zhì)量分數(shù)與全鉀質(zhì)量分數(shù)之間、全氮質(zhì)量分數(shù)與速效鉀質(zhì)量分數(shù)之間、全鉀質(zhì)量分數(shù)與堿解氮質(zhì)量分數(shù)之間、全鉀質(zhì)量分數(shù)與速效磷質(zhì)量分數(shù)之間呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),全氮質(zhì)量分數(shù)與速效磷質(zhì)量分數(shù)之間、堿解氮質(zhì)量分數(shù)與速效磷質(zhì)量分數(shù)之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05),堿解氮質(zhì)量分數(shù)與速效鉀質(zhì)量分數(shù)之間、速效磷質(zhì)量分數(shù)與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之間呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。說明全氮質(zhì)量分數(shù)的提高可以提高土壤堿解氮、速效磷的質(zhì)量分數(shù),但是會降低土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù);速效磷質(zhì)量分數(shù)越高,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)越高。運用主成分分析法,得KMO值(變量之間的相關(guān)性檢驗)為0.676(>0.6)、P=0<0.05,巴特利特球形度檢驗統(tǒng)計量為96.189,進一步說明本研究中土壤養(yǎng)分各指標之間存在相關(guān)性,采用主成分分析法評價長周期母竹留養(yǎng)模式不同經(jīng)營時長的毛竹林土壤養(yǎng)分是可行的。

表6 毛竹林土壤養(yǎng)分相關(guān)性

根據(jù)特征值≥1的原則進行主成分的提取,本研究提取3個主成分,其方差貢獻率依次為30.497%、22.004%、18.13%,前3個主成分累計貢獻率為70.631%(見表7),說明試驗區(qū)毛竹林土壤所有肥力指標所提供的信息的70.631%可通過前3個因子表征。從成分得分矩陣可知,主成分F1,主要與全氮質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.714)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.677)較大;主成分F2,主要與全磷質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.629)較大;主成分F3,主要與速效磷質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.601)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.524)較大;因此,試驗區(qū)毛竹林土壤養(yǎng)分綜合評價的重要影響因子,為全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。各個主成分的綜合線性表達式:

表7 初始因子載荷矩陣及貢獻率

F1=0.500w(TN)+0.046w(TP)-0.409w(TK)+0.540w(AN)+

0.279w(AP)-0.225w(AK)-0.149w(OM);

F2=-0.101w(TN)+0.747w(TP)+0.308w(TK)+0.042w(AN)-

0.035w(AP)+0.651w(AK)-0.095w(OM);

F3=-0.005w(TN)-0.114w(TP)-0.090w(TK)-0.018w(AN)+

0.707w(AP)-0.026w(AK)+0.817w(OM)。

式中:w(TN)為全氮質(zhì)量分數(shù),w(TP)為全磷質(zhì)量分數(shù),w(TK)為全鉀質(zhì)量分數(shù),w(AN)為堿解氮質(zhì)量分數(shù),w(AP)為速效磷質(zhì)量分數(shù),w(AK)為速效鉀質(zhì)量分數(shù),w(OM)為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。

再根據(jù)土壤養(yǎng)分綜合評價指標值(IIF)計算公式,獲得長周期母竹留養(yǎng)模式的不同經(jīng)營時長的毛竹林土壤養(yǎng)分綜合得分,IIF=0.432F1+0.312F2+0.256F3,IIF越高表明肥力越高,反之,則表示肥力越低。

以歐式距離(各項值之間平方差之和的平方根)為評價樣本間差異大小的依據(jù),采用組間聯(lián)接的方法,對長周期母竹留養(yǎng)模式不同經(jīng)營時長毛竹林的土壤養(yǎng)分綜合得分進行系統(tǒng)聚類。因子-聚類分析結(jié)果表明,不同經(jīng)營時長的毛竹林土壤養(yǎng)分的綜合評價指標值(IIF)可分為5個等級:第Ⅰ類——IIF值為1.56～1.64,屬于極高肥力,此區(qū)間的土壤樣本為2個,所占比例為2.78%;第Ⅱ類——IIF值為0.94～1.30,屬于高肥力,此區(qū)間的土壤樣本為10個,所占比例為13.89%;第Ⅲ類——IIF值為0.28～0.78,屬于中等肥力,此區(qū)間的土壤樣本為17個,所占比例為23.61%;第Ⅳ類——IIF值為-0.65～0.10,屬于低肥力,此區(qū)間的土壤樣本為29個,所占比例為40.28%;第Ⅴ類——IIF值為-1.38～-0.75,屬于極低肥力,此區(qū)間的土壤樣本為14個,所占比例為19.44%。

試驗區(qū)毛竹林土壤養(yǎng)分綜合評價指標值(IIF)達到一級和二級水平的比列為2.78%和13.89%,表明土壤養(yǎng)分水平總體較低;從不同經(jīng)營時長看,根據(jù)分級結(jié)果計算出不同經(jīng)營時長土壤養(yǎng)分等級所占比例(見表8)。由表8可見:連續(xù)經(jīng)營7a綜合養(yǎng)分較高,其IIF值在第Ⅰ類、第Ⅱ類肥力水平的比例為8.33%和25.00%,這兩類占比均高于或等于其他經(jīng)營時長,同時均值(0.282)在6種經(jīng)營模式中最高;連續(xù)經(jīng)營8a的土壤養(yǎng)分綜合肥力較低,其均值(-0.226)在6種經(jīng)營模式中最低,在第Ⅰ類、第Ⅱ類肥力水平的比例均為0,在第Ⅲ類、第Ⅳ類、第Ⅴ類肥力水平中分布均勻,均為33.33%,并且第Ⅴ類肥力水平的比例均高于其他經(jīng)營模式;連續(xù)經(jīng)營4、6 a,毛竹林土壤養(yǎng)分綜合肥力在第Ⅳ類、第Ⅴ類級中,分別占比75.00%、66.66%;連續(xù)經(jīng)營5 a,毛竹林土壤養(yǎng)分綜合肥力主要集中于第Ⅲ類,占比41.67%。

表8 不同經(jīng)營時長毛竹林各土壤肥力等級分布情況

3 討論

土壤營養(yǎng)元素是土壤肥力的重要指標[17]。本研究表明,不同經(jīng)營周期的毛竹林土壤養(yǎng)分豐缺不一,土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)處于中等水平,全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)較高。土壤中的C、N元素主要來源于表層枯落物、微生物活動等,毛竹林林下枯落物相對豐富,提高了土壤中的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)。但全磷質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)均較低;對比全國土壤全磷質(zhì)量分數(shù)的0.56 g·kg-1[18],試驗地毛竹林土壤中全磷質(zhì)量分數(shù)均值為0.28 g·kg-1,明顯低于全國水平,是因為福建省山區(qū)土壤多為黃壤或紅壤,普遍缺乏磷元素[19]。

在本研究中,不同經(jīng)營時長對毛竹林各土壤養(yǎng)分指標產(chǎn)生一定影響,土壤全氮、堿解氮具有表聚性,隨著土壤深度加深而減少,不同經(jīng)營時長的毛竹林,0

本研究主成分分析表明,堿解氮質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù),是影響長周期母竹留養(yǎng)模式毛竹林土壤肥力的重要因素。第一主成分的主要因子為全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù),表明全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)是長周期母竹留養(yǎng)毛竹林主要的養(yǎng)分控制因子[10]。本研究聚類分析表明,毛竹林土壤養(yǎng)分綜合評價值(IIF),由大到小依次為連續(xù)經(jīng)營7 a、連續(xù)經(jīng)營6 a、常規(guī)經(jīng)營(對照)、連續(xù)經(jīng)營5 a、連續(xù)經(jīng)營4 a、連續(xù)經(jīng)營8 a;毛竹林土壤養(yǎng)分變化呈動態(tài)變化過程,隨著連續(xù)經(jīng)營時長的增加土壤養(yǎng)分先增加后減少,連續(xù)經(jīng)營7 a最佳,表明長周期母竹留養(yǎng)模式短期內(nèi)有利于土壤養(yǎng)分的積累,但經(jīng)營年限過長并不利于土壤養(yǎng)分的積累。

4 結(jié)論

本研究選取土壤全氮質(zhì)量分數(shù)、堿解氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)7項指標作為評價土壤肥力質(zhì)量的土壤因子,研究表明,長周期母竹留養(yǎng)最佳經(jīng)營期限為7 a。在該模式經(jīng)營期間需要對林分的養(yǎng)分進行補充,適量增施磷鉀肥或有機肥的比例,或結(jié)合配方施肥進行有效的補充,并且有必要把不同經(jīng)營措施組合、輪替以及同一措施的間隔應用。