不同林齡對亞熱帶尾葉桉人工林土壤養分影響研究

顏權 彭志中 黃佳余 趙雋宇 陸星任 林海能

摘要：以廣西南寧高峰林場一年生、兩年生、三年生尾葉桉人工林為研究對象，測定分析了14項土壤物理、化學性質，通過主成分分析篩選出最小數據集，并運用隸屬度函數進行了土壤質量評價。結果表明：不同林齡大部分土壤物理、化學性質差異顯著，隨著林齡增長，土壤容重顯著升高，土壤pH值、孔隙度顯著下降。二年生尾葉桉在有機質、全鉀含量上優于一年生、三年生尾葉桉林地。土壤質量評價結果顯示，二年生（0.578）>三年生（0.535）>一年生（0.461），土壤質量隨著林齡增長先升高，后下降。建議在3年以上的尾葉桉林地及時進行追肥，以達到尾葉桉林地的速豐、增產目的。

關鍵詞：不同林齡;尾葉桉;亞熱帶;土壤養分

中圖分類號：$758 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0013-04

1引言

尾葉桉（Eucalyptus urophylla）是一種速豐的桉屬樹種，在我國南方種植較為普遍，屬于主要經濟樹種。廣西地處亞熱帶，氣候條件溫和，降雨量充沛，適宜種植桉樹人工林，其在廣西快速發展，顯著提升了種植區域農民的生活水平，具有巨大的經濟、社會效益。但是在大面積的種植桉樹過程中，部分生態、環境問題逐步暴露。首當其沖就是土壤退化問題。桉樹人工林林下植被較少，枯枝落葉種類少層面薄，在雨量充沛的季節容易造成水土流失，土壤養分顯著下降。土壤質量評價是包含了土壤物理、化學、生物學性質的綜合評價，能反映耕作方式、施肥管理等林地經營水平的問題。對不同林齡尾葉桉林地進行土壤質量評價，便于實際生產經營中及時補充缺少的養分元素，為桉樹人工林增產、土壤改良、可持續經營提供理論依據。土壤質量評價方法較多，由于不同的評價目的以及評價對象不同，所選擇的方法也不同。同時，土壤評價指標的測定也有一定的局限性，由于技術、成本的限制，難以獲取所有能反映土壤質量的指標。目前國內外學者研究土壤質量的方法是運用最小數據集（Minimum Data Set，MDS）與模糊數學法（Fuzzy Mathematics）。格瓦茨等人基于MDS評價墨西哥高原地區小麥和玉米農田土壤質量。拉哈斯特、沃爾奇科等在評估伊朗農業用地以及土壤退化區的生態恢復土壤質量評價中都運用了最小數據集的方法。張福平等基于MDS評價陜西省獼猴桃種植原地土壤，得到隨著種植年限的增加，土壤質量呈先增長后穩定再增長的趨勢的結論。王嘉琛在研究桂北尾葉桉林地土壤肥力質量時，運用了MDS與隸屬度函數進行綜合評價。本研究綜合國內外學者的研究經驗與實踐理論，通過主成分分析建立最小數據集MDS。對廣西南寧國有高峰林場尾葉桉林地進行為期3年的土壤指標監測，對不同林齡尾葉桉林地進行綜合土壤質量評價，為尾葉桉林地的增產增收、土壤性質改良提供理論依據。

2材料與方法

2.1研究區概況與樣品采集

廣西國有高峰林場為廣西國有林場之一。研究區域位于銀嶺分場（北緯22°5028.42”東經108°179.00"）。銀嶺分場以大明山山脈為中心，分別向西南、東南延伸，地貌類型為山丘、丘陵地貌，丘陵占林場總面積的55.5%，山丘面積占39.7%。林場位于北回歸線南側，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，陽光、降水充足，霜少無雪，夏長冬短，年平均氣溫在21.6℃，年均降雨量達1304.2mm，平均相對濕度為79%，土壤由第四紀紅土母質風化發育而來。土壤質地以壤土、粘壤土為主，pH值大約在4.3～4.9，土層厚度適中，腐殖層一般小于5cm，土壤肥力適中。

根據尾葉桉人工林地樹種實際生長狀況，結合地形地貌實際考察結果，在2016、2017、2018年3個年份對林場內立地條件較為一致的9個樣地進行監測，樣地樹種為2015年冬季11月份新栽種的尾葉桉人工幼林，前作林為杉木人工林地，根據采樣年份分為一年生、二年生、三年生，采樣時間為每年12月份。樣地地貌為丘陵，海拔140m，土壤類型為赤紅壤。采樣深度為O～40am土層，采樣點分布均勻。土壤物理性質樣品的采集用環刀在土層表層取土。土壤化學性質樣品采用四分法，樣品最終重量為1kg。

2.2理化性質的測定

土壤理化性質的測定：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均采用環刀法測定。pH值采用電位法測定，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定。全氮、速效氮采用半微量凱氏定氮法，全磷、有效磷采用雙酸浸提一鉬銻抗比色法，間斷化學分析儀測定，全鉀、速效鉀用醋酸銨浸提一火焰光度計法。土壤硝態氮、銨態氮依據森林土壤硝態氮、銨態氮測定標準測定。

2.3土壤質量評價

最小數據集是土壤質量評價中運用較為廣泛的一種方法，可滿足大多數林地、農地的土壤質量評價的需要。隸屬度函數（Membership Function）是模糊數學法中的一種基礎方法，它可以將土壤中測定的各種指標轉化為0～1無量綱值。土壤質量指數（Soil QualityIndex），采用指標隸屬度與指標權重共同進行計算，依據公式（1），為土壤質量評價指數，為第個指標的權重，為第個指標的隸屬度。

2.4統計分析方法

運用SPSSl9.0軟件進行單因素方差分析、主成分分析，差異顯著定義為p<0.05，基本數據處理以及圖表制作用Excel 2016制作。

3結果與分析

3.1不同林齡尾葉桉人工林土壤非養分元素

如表1所示。一年生、二年生、三年生尾葉桉林地土壤非養分元素指標差異性顯著。la尾葉桉林土壤酸堿度為4.37，顯著高于2a、3a尾葉桉林（p<0.05），土壤酸堿度隨著林齡增長呈現先減小后增大的趨勢。土壤有機質最大為2a尾葉桉林地，顯著高于1a尾葉桉林（pd0.05），與3a尾葉桉林土壤有機質含量差異不顯著（p>0.05）。土壤容重方面，1a的尾葉桉林土壤容重為1.29g/em3顯著低于2a、3a，土壤容重隨著林齡的增加逐漸升高，3a土壤容重最高為1.75g/cm³。1a尾葉桉林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度顯著高于2a、3a（p<0.05），毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度隨著林齡增長不斷降低。

3.2不同林齡尾葉桉人工林土壤養分元素

如表2所示。一年生、二年生、三年生尾葉桉林地土壤養分元素各指標差異性顯著。土壤全氮含量最高的為3a的尾葉桉林地，為0.75g/kg，與全氮含量最低的2a尾葉桉林0.51g/kg相比，顯著提高了47.05%（pd0.05）。土壤全磷含量1a、2a尾葉桉林地均為0.18g/kg，差異性不顯著（p>0.05）。不同林齡尾葉桉林土壤全鉀含量排序大小為3a（8.54g/kg）>2a（5.27g/kg）～la（3.75g/kg），土壤全鉀含量隨著林齡增長不斷升高。1a尾葉桉林土壤速效氮含量顯著高于2a、3a尾葉桉林地（p<0.05），變化趨勢呈現林齡越大速效氮含量越小的趨勢。3a尾葉桉林土壤速效磷含量顯著高于其他兩種林齡（p<0.05），2a尾葉桉林地速效磷含量低于3個林齡速效磷含量平均值8.29mg/kg。土壤速效鉀含量三種林齡排序大小為3a（63.44mg/kg）>la（54.21mg/kg）～2a（45.28mg/kg），并未表現出顯著差異性（p>0.05）。土壤硝態氮含量3a尾葉按林地顯著高于1a、2a尾葉桉林（p<0.05），1a、2a尾葉桉林地硝態氮含量基本相同，沒有顯著差異性（p>0.05）。

3.4土壤質量評價

最小數據集的確定的方法如下：參與評價的土壤理化指標：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷、速效鉀、硝態氮、銨態氮。對參與評價的理化指標進行主成分分析，依據確定最小數據集的方法選擇解釋信息累計率≥85%的主成分，并根據主成分分析中計算的各指標載荷值確定用于土壤質量評價的指標最小數據集。篩選最小數據集方法：在第一、第二、第三主成分中，選取載荷值≥0.800的指標，第四、第五主成分中，選取載荷值≥0.400的指標，作為候選評價指標。主成分載荷值、權重如表3所示土壤有機質、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、銨態氮主要反應了土壤養分含量，養分元素指標權重占總權重的76.4%，說明土壤養分在屬于土壤質量評價中的重要指標。通過各指標權重以及各指標隸屬度，計算出不同林齡尾葉桉林地的土壤質量指數，如表4所示。不同林齡尾葉桉林地土壤質量指數差異性顯著（p<0.05），土壤質量指數隨著林齡增加呈現先增加后減小的趨勢，大小依次為2a（0.578）>3a（0.535）>la（0.461）。2a尾葉桉林地土壤質量較好，相比1a顯著提高了25.37%。

4討論與結論

運用最小數據集與模糊數學法即隸屬度函數進行人工林地土壤質量評價的方法在大部分研究中較為普遍。大部分研究在確定最小數據集時運用了主成分分析以及分析結果中的Norm值，這種方法較為普遍，實用性較高。不過，土壤質量是一個較為復雜的系統，影響土壤質量的高低不僅僅只有土壤理化性質，還包括了林地氣候、水文、地質地貌特征等因素。本研究依據測定的14項理化性質指標進行土壤質量評價，有一定的局限性，在今后進一步的研究中，應測定更為全面的數據如土壤生物學性質，研究區域的溫度、降雨量，以及人工林地中的林下植被多樣性，通過測定更為全面的數據從而得到更為準確的土壤質量評價結果。不同林齡尾葉桉林地土壤指標變化較為復雜。從物理性質來看，隨著林齡增長，土壤質地逐步變差，土壤容重顯著升高，毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及土壤總孔隙度顯著下降，該結論與郝中明等對于不同林齡馬尾松土壤研究結論，容重隨著林齡的增加逐漸增加，土壤孔隙度隨林齡的增加逐漸減小相符合。從化學性質來看，土壤pH值隨著林齡增長顯著下降，據趙輝等的研究表明林齡增長導致土壤養分下降間接造成土壤微生物活躍度下降，微生物代謝減小導致土壤pH顯著升高。1a尾葉桉林地的土壤全鉀含量顯著低于其他2種林分，而大部分有效元素含量隨著林齡增長，都有不同程度的下降。這可能是由于實際生產中施肥不合理，以及沒有及時追肥造成的，在幼林栽種到葉片完成郁閉之間，應保證充足的鉀肥供應。

通過對不同林齡尾葉桉林地進行土壤質量評價，發現不同林齡尾葉桉林地除土壤大部分土壤性質差異顯著，隨著林齡增長，土壤容重顯著上升，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度顯著下降。不同林齡尾葉桉林地全氮、全磷、全鉀以及部分養分元素在la尾葉桉林地供應不足，大部分養分元素在2a、3a尾葉桉林地較為充足。土壤質量評價結果表明，2a的尾葉桉林地土壤質量較高，顯著高于1a、3a。建議在植苗的同時，及時補充鉀肥與適量磷肥，保證幼林快速生長時的養分供應，從而達到尾葉桉速豐、速生、高產、可持續經營的目的。