杉木林短期輪作與杉木連栽的土壤質量評價研究

邱建華

(福建省長汀樓子壩國有林場，福建 龍巖 366300)

1 引言

速生豐產林具有生長快、輪伐期短、成材早、林質優良、產量高等特點[1]。杉木是我國特有的一類速生商品林樹種，有很好的經濟效益和生態價值，一直在我國人工林中占據重要地位。但是隨著杉木經營的不斷發展，杉木栽培中肥力逐漸下降的現象日漸突出，特別是速生豐產林，多代連續栽培導致杉木林地肥力降低[2，3]，杉木林間的生物多樣性嚴重下降，影響了杉木人工林的持續高產和持續經營[4，5]。

以杉木輪作馬尾松之后的土壤作為參照，通過對比兩種不同土地利用方式(杉木連栽、杉木-馬尾松-杉木輪作)對土壤質量的影響，通過土壤理化性質的分析，來探討杉木輪作對杉木人工林地土壤肥力的影響。同時綜合評價兩種土地利用方式下土壤的質量。本研究可以補充和豐富前人對于杉木林短期輪作的研究，對該區域杉木人工林的栽培制度也有一定的借鑒作用，同時為改善土壤退化和土壤肥力衰退的研究提供理論依據。

2 研究區域概況

試驗區選在福建省長汀樓子壩國有林場，林場位于武夷山南段的低山丘陵地帶，海拔450～700 m，年均氣溫15～19 ℃，無霜期年均為260 d，年均降水量為1737 mm，年均蒸發量為1444 mm。土壤類型較多，包括紅壤、黃壤、紫色土、草甸土、水稻土等，其中紅壤面積最廣，其次是水稻土和黃壤。林場創建于1958年，總面積7165 hm2。原生植被為亞熱帶常綠闊葉樹，現有森林植被大部分為人工林和次生林，常見的有馬尾松、杉木、毛竹、樟樹、柳杉等，灌木有杜鵑、油茶、黃瑞木等，草本有蕨類、五節芒、芒萁骨等。

3 材料與方法

3.1 現場調查與樣品采集

以福建省長汀樓子壩國有林場為研究區域，選取生態環境相近、樹種栽培方式不同(對照組CK：杉木-13年馬尾松；實驗組M1：杉木-3年杉木；實驗組M2：杉木-10年馬尾松-3年杉木)的林地作為試驗地，林木行間距為1.8 m×2 m，初始密度為2250株/hm2。據后期實地調查，栽培密度為1775株/hm2。

在不同試驗地設置多個采樣點，每個采樣點均采集表層土樣(0～20 cm)，5 ℃保存帶回實驗室。樣品分為兩部分，一部分用于土壤含水量和pH值的測定，另一部分自然風干，剔除土壤樣品中的植物根系、石礫，研磨過篩，備測。此外，采用環刀法采集土壤，以便測定土壤容重。

3.2 樣品分析

①土壤容重—環刀法;②碳、氮—元素分析儀;③有效磷—鹽酸-硫酸浸提法;④速效鉀—火焰光度法;⑤pH值—pH計。

3.3 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 16.0數據處理軟件進行相關統計分析，采用OriginPro 8軟件作圖。

4 結果分析

4.1 對土壤理化性質的影響

土壤容重是土壤物理性質的重要指標之一，土壤的通氣性、透水性，植物根系伸展的阻力狀況均可以通過土壤容重的大小來反映[6]。如果土壤容重值偏高，則表明土壤存在退化問題[7]。同時，土壤容重也可以用來衡量土壤緊實度和土壤疏松程度。圖1A及方差分析結果顯示，不同栽培方式林地中土壤容重存在顯著差異(p<0.05)，實驗組M1高于對照組CK，而實驗組M2低于對照組CK。

一般來說，土壤養分(氮、磷、鉀等)能直接供應植物的生長發育。杉木、馬尾松人工林在林木生長期間需要大量的養分，但是在人工林經營期間一些林地經營措施的實施會對土壤產生一定的干擾，顯著響土壤養分的儲存和供應。土地管理、土地利用方式、植被特點等均顯著影響土壤中有機質的輸入和輸出[8]。圖1B及方差分析結果顯示，不同栽培方式林地中有機質含量存在顯著差異(p<0.05)，實驗組M1高于對照組CK，而實驗組M2低于對照組CK。氮素是植物生長、發育所必需的營養元素之一，土壤是植物氮素吸收的主要來源之一[9]，而土壤氮素的總體供應水平一般用全氮含量來表征。不同栽培方式林地中總氮含量的對比顯示，實驗組M1、M2總氮含量均低于對照組CK，但是實驗組之間總氮含量沒有明顯差異(圖1C)。磷是植物生長所必需的大量營養元素之一，有效磷則是土壤磷供應水平的指標，在反映土壤肥力方面有一定的影響[10]。圖1D及方差分析結果顯示，不同栽培方式林地中有效磷含量存在顯著差異(p<0.05)，實驗組M1、M2均低于對照組，分別低了0.6 mg/kg、0.5 mg/kg。鉀是植物必需的營養元素，土壤是植物鉀素的主要來源之一，土壤對鉀素的潛在供應能力一般用全鉀含量來表征，而土壤鉀素的現實供應指標則是速效鉀[11]。土壤速效鉀可以反映土壤供鉀能力和供應程度，同時在一定程度上也是土壤質量綜合評價的重要指標之一[12]。圖1E及方差分析結果顯示，不同栽培方式林地中土壤速效鉀含量差異達到顯著水平(p<0.05)，實驗組M1顯著高于對照組CK，實驗組M2略低于對照組。

圖1 土壤理化性質比較

土壤pH是反映土壤化學性質的重要指標之一，土壤pH值高低直接影響著植物的生長發育，同時對土壤中有機質的分解、土壤微生物的活動等也有顯著影響。圖1F及方差分析結果顯示，不同栽培方式林地中土壤pH值沒有顯著差異(p>0.05)，實驗組M1、M2均高于對照組CK，但是兩個實驗組之間pH值差異不顯著。

4.2 土壤質量綜合評價

土壤質量是各土壤因素共同作用的結果，綜合評價兩種不同栽培方式下(杉木-杉木連栽以及杉木-馬尾松-杉木輪作)表層土壤的土壤質量。第一步通過主成分分析，得到主成分的綜合模型；第二步，運用模型算出一系列的綜合主成分值，進而進行排序，即可對兩種不同栽培方式下的土壤質量進行綜合評價。

利用主成分分析對本文理化性質指標進行分析，提取出3個主成分，來反映全部指標的信息。根據分析結果，計算出主成分的綜合模型，根據此模型計算出主成分值，并且進行排序。結果如表1所示。

表1 綜合成分值

由表1可以看出，實驗組M2的土壤質量綜合主成分得分高于實驗組M1。通過主成分值的高低，可以大致了解土壤理化性質指標對土壤質量狀況的影響程度。通常主成分值越高，表明土壤理化性質指標的含量越高，代表土壤質量越好。因此，杉木-馬尾松-杉木輪作的土壤質量相對較好，輪作對土壤質量有一定的改善作用，是一種比較可靠的栽培方式。

然而，本文主要分析的是馬尾松的短期輪作，可以對土壤質量進行比較有效的改善。此外，馬尾松不同于杉木的特性，一代馬尾松林不如二代馬尾松生長好，對土壤的影響會議差異等。對土壤質量進行綜合評價時，采用主成分分析法，僅分析了部分理化性質指標，對土壤微量元素和生物學性質沒有進行分析。因此，本文研究在栽培方式、試驗地、分析指標、分析方法的選擇等方法還可以進一步深入探究，為治理杉木連栽導致的土壤退化而制定和實施一系列措施提供科學依據和理論支撐，進而更好地改善杉木人工林的土壤質量。

5 結論

(1)不同栽培方式林地土壤中，除土壤pH值，其他理化性質均存在顯著差異。

(2)運用主成分分析法對土壤質量的評價結果顯示，杉木-馬尾松-杉木輪作的土壤質量相對較好，采取輪作可以相對有效地改善土壤質量。