1990—2015年廣西人工用材林土壤肥力演變特征

唐 健，趙雋宇，石媛媛，覃祚玉，覃其云，曹繼釗

（廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西南寧 530002）

廣西地處我國南部，光照充足，降雨充沛，適宜速生樹種生長，一直以來承擔著國家木材戰略儲備與木材供應的重要任務[1]。截至2015年，廣西森林覆蓋率達62.31%，位居全國前列，森林資源總面積達1 342.7 萬hm2，其中人工林面積634.52 萬hm2，占總面積的47.25%，為保障國家木材安全發揮了重要作用[2-3]。廣西森林資源清查結果顯示，1990年廣西人工林面積為243.02 萬hm2，人工林蓄積量為8 856.28 萬m3；截至2015年，人工林面積為634.52萬hm2，人工林蓄積量為34 196.06 萬m3，人工林面積和蓄積量分別以年均4.71%和10.59%的速度增長[4]。

受經濟利益驅使，廣西人工林逐漸發展成以桉樹、杉木和松樹等速生用材林樹種為主栽品種、短周期（5 ～7年輪伐期）、高強度（皆伐、重肥、多代連栽）的經營模式。這種經營模式創造了較大的經濟價值[5]，但加重了人工林土壤系統的負擔，造成土壤性質惡化[6]和養分失衡[7]等地力衰退問題。地力衰退是土壤長期演變的過程，受母質、氣候和地形地貌等環境因素及耕作、施肥和營林措施等人為因素共同影響，具有時空變化特征。對廣西人工林多代連栽地力衰退問題的研究主要集中在短周期和區域性的土壤肥力演變上[8-10]，以不同代數人工林為研究對象，與新造人工林、天然林或全國土壤第二次普查數據進行對比研究[11-12]。這種以空間換時間的研究方法針對性強，能有效地發現和解決區域性多代人工林經營過程中的問題，但大部分研究結論只適用于立地條件一致或相近的區域[13]，并未涉及長期性和區域性的土壤肥力演變特征的研究。

土壤肥力質量評價是以土壤養分指標為基礎，通過統計方法對各養分指標賦予權重計算出土壤肥力綜合指數，將土壤肥力狀況予以量化的方法[14]。目前，國內外學者普遍使用的評價方法是模糊數學法、灰色關聯分析法和修正的內梅羅指數法。Rahmanipour 等[15]和Sharma 等[16]在評估伊朗農業用地及土壤退化區生態恢復的土壤肥力質量評價中均運用了模糊數學法。張福平等[17]基于最小數據集和模糊數學法綜合評價陜西省獼猴桃（Actinidia chinensis）種植地的土壤質量，發現隨著種植年限的增加，土壤質量呈先提高后穩定再提高的趨勢。Guo 等[18]將內梅羅綜合指數法與模糊數學法線性結合，評價黃河流域土壤肥力質量。模糊數學法與灰色關聯法的指標權重會根據參評指標的不同而不同，最小數據集適合參評指標數量較多的評價體系。內梅羅指數法的評價過程相對較簡單，易于統一評價，且修正后評價結果準確[19]，適用于宏觀評價體系。

本研究根據1990—2015年廣西不同用材林樹種人工林土壤的歷史數據，采用修正的內梅羅指數法評價其土壤肥力質量，探究長期連栽下人工用材林土壤肥力的演變特征，發現實際生產經營中產生的土壤問題，同時根據土壤肥力評價指數實施配方施肥，保證日常生產經營中人工林養分的供應，為廣西人工用材林增產、土壤改良和可持續經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為廣西壯族自治區轄區內適宜人工林經營的低山丘陵地區（104°28'～112°04'E，20°54'～26°24'N），屬典型亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.5 ～23.5 ℃，氣候溫暖，雨水充沛，日照充足，年總輻射量90 ～100 kcal/cm2，年均降水量1 694.8 mm，成土母巖以第四紀紅土母質、石灰巖和板頁巖為主，土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃紅壤和石灰土。由于豐沛的光熱與充足的降雨，廣西成為我國人工用材林種植的重要區域，栽植樹種主要為桉樹、杉木和松樹，桉樹和松樹人工林的株行距普遍為2 m × 3 m，杉木人工林的株行距普遍為2 m ×2 m。林下植被主要有五節芒（Miscanthus floridulus）、黃茅（Heteropogon contortus）、山芝麻（Helicteres angustifolia）和芒萁（Dicranopteris pedata）等。

1.2 土壤樣品采集

為全面了解廣西轄區內連續經營人工林的土壤性質及演變特征，重點收集了區內13 個市的34個縣（市、區）的國有林場、區直林場及縣級林場的桉樹、杉木和松樹3 種主要人工用材林測土配方施肥的土壤數據（表1）。將這些數據歸類整理建立數據庫，數據包含1990、1995、2000、2005、2010和2015年，有效采樣土壤樣品11 299 個。土壤樣品采集方法參照測土配方施肥技術規程[20]，采樣時間為每個年份的9—11月，在各林場選取長期連栽的典型桉樹、杉木和松樹人工林主產區，共計1 100 個采樣點。隨機測定30株樹，計算平均樹高和胸徑；選取5株樹高和胸徑與平均值相近的樹木為標準木，在距標準木基部20 cm 處采集0～20 cm 表層土壤，將不同剖面采集的土壤等量混勻，采用四分法收集500 g土壤樣品，裝入自封袋保存，用于土壤化學性質的測定。

表1 采樣地分布Tab.1 Distribution of sampling areas

1.3 土壤化學性質測定

土壤pH 采用電位法測定（水土比1∶2.5）；有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮（N）和堿解氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；硝化后采用全自動間斷分析儀測定全磷（P）含量；M3 溶液浸提后采用全自動間斷化學分析儀測定速效磷含量；全鉀（K）含量采用堿溶-火焰光度法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[21]。

1.4 土壤質量評價方法

土壤是一個復雜的微生態系統，各指標對土壤整體質量水平的影響不同，且各指標實測值量綱也不同，通過數理統計方法對各指標進行均一化處理，可消除不同指標的量綱差異。參評指標共7個，分別為土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。均一化方法如下：

式中，Pi為單質量指數，Ci為某參數實測值，a、b、c、d為分級標準值（參照GB/T 33469-2016[22]劃分）。采用該標準化方法可使同一級別屬性的單質量指數較接近，增強其可比性。當Ci含量大于最大值時，Pi不再增加，作物對土壤指標的要求不是越高越好，有效養分含量達到一定的豐富度后，即使繼續施肥，作物也不會增產。

為避免加和法、平均值法和加權平均法等主觀因素的影響，本研究采用較為客觀的修正內梅羅指數公式：

式中，P為土壤質量指數，Pimean為所測樣品質量指數的平均值，Pimin為樣品質量指數的最小值，n為參評參數的個數。在修正的內梅羅指數公式中，Pimin代替原內梅羅指數公式中的Pimaz，突出土壤中最差的參數對土壤質量指數的影響，突出了限制因子；增加修正項，反映該評價結果的可信度，參與評價的指標越多，的值越大，可信度越高。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 和SPSS 19.0 進行處理與分析，用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 不同年份土壤肥力指標變化

由于經營措施的差異，長期連作下廣西人工用材林不同樹種、不同年份的土壤pH 值不同，整體為4.15 ～5.58（圖1）。桉樹、杉木和松樹各年份的pH均值分別為4.56、4.59 和4.64。杉木和松樹人工林的土壤pH 值隨種植時間的增長逐漸升高，桉樹人工林土壤pH值呈下降趨勢；與1990年相比，2015年杉木和松樹人工林的土壤pH 值分別升高了9.23%和34.45%，桉樹下降了7.82%。

不同樹種、不同年份的土壤有機質含量為21.32 ～32.63 g/kg（圖2）。桉樹、杉木和松樹人工林各年份的土壤有機質含量均值分別為24.56、28.74和23.43 g/kg。桉樹人工林的土壤有機質含量隨種植時間增長呈下降趨勢，2015年的有機質含量比1990年降低了26.91%；杉木和松樹人工林的土壤有機質含量隨時間增長呈增加趨勢，杉木人工林的土壤有機質含量在2010年達最大值（34.15 g/kg），松樹人工林的土壤有機質含量在2010年達最大值（26.84 g/kg）。

圖1 不同年份土壤pH值Fig.1 Soil pH values in different years

圖2 不同年份土壤有機質含量Fig.2 Soil organic matter contents in different years

桉樹、杉木和松樹人工林各年份的土壤全氮含量均值分別為1.53、1.79和0.81 g/kg；堿解氮含量分別為101.73、131.93和75.91 mg/kg；全磷含量分別為1.01、0.72 和0.48 g/kg；速效磷含量分別為3.56、1.22 和1.20 mg/kg；全鉀含量分別為11.22、19.73和14.60 g/kg；速效鉀含量分別為49.65、46.59 和26.16 mg/kg（圖3）。桉樹和杉木人工林的土壤養分元素隨種植時間變化較大。桉樹人工林土壤2015年的全氮含量（1.83 g/kg）和堿解氮含量（83.16 mg/kg）比1990年（2.11 g/kg 和103.24 mg/kg）分別下降了15.31%和24.14%，全氮含量呈先減少后增加的趨勢，堿解氮含量呈先增加后減少的趨勢；杉木人工林土壤全氮和堿解氮含量隨種植時間增長而增加，在2015年達最大值，分別為2.34 g/kg 和170.75 mg/kg；松樹人工林土壤全氮和堿解氮含量的變化趨勢較平緩。25年間，桉樹和杉木人工林土壤的全磷含量分別下降了34.74%和15.06%，均處于較低水平；桉樹人工林土壤的速效磷含量比1990年增加了91.01%，杉木人工林土壤的速效磷含量比1990年下降了24.50%；松樹人工林土壤的全磷含量均值為0.48 g/kg，整體波動較小，在2000年達最大值（0.62 g/kg），速效磷含量整體呈逐漸增加的趨勢，在2015年達最大值（1.5 mg/kg）。桉樹人工林土壤的全鉀含量在2000年達最大值（14.54 g/kg），隨時間增長呈先增加后減小的趨勢，松樹人工林土壤的全鉀含量在2015年達最大值（16.87 g/kg），呈先減少后逐漸增加的趨勢；桉樹和松樹人工林的土壤速效鉀含量隨種植時間增長，總體呈下降趨勢；杉木人工林土壤的全鉀和速效鉀含量變化趨勢較平緩。

圖3 不同年份土壤養分元素Fig.3 Soil nutrient elements in different years

2.2 土壤肥力質量評價

土壤質量評價指標量綱須一致，通過歸一化公式將各指標進行無量化處理。式（1）中的轉折點a、b、c、d參數取值根據肥力分級標準確定（表2）。

25年間，桉樹和杉木人工林土壤肥力質量指數均值分別為1.33和1.32，整體土壤肥力處于較高水平，松樹人工林為0.71，肥力水平較低（圖4）。桉樹人工林土壤肥力質量指數最高為1990年（1.50），除2005年顯著降低外（P＜0.05），其余5個年份差異不顯著。杉木人工林土壤肥力質量指數最高為2010年（1.61）；與1990和1995兩個年份相比，之后的四個年份土壤質量提升顯著（P＜0.05）。松樹人工林土壤肥力質量指數最高為2015年（0.77），25年間整體變化較平均，沒有顯著波動。

圖4 不同樹種各年份土壤肥力質量指數Fig.4 Soil fertility quality index of different tree species in different years

表2 土壤肥力質量評價參數分級標準Tab.2 Classification criteria of soil fertility quality evaluation parameters

3 結論與討論

土壤肥力質量演變是一個長期的過程，受氣候、林木生理特性和人工經營方式等多種因素的影響。本研究分析了廣西25年來長期連作下3 種主要人工用材林的土壤肥力質量演變特征，發現不同造林樹種自身生理特性的差異及人工經營方式的差異對林地土壤肥力演變產生影響。

松樹人工林土壤各養分元素含量在不同年份間變化幅度較小，土壤肥力質量指數為0.64 ～0.77，整體呈上升趨勢。其肥力指數在各年份均顯著低于桉樹和杉木人工林，這一結果與覃其云等[23]和吳琰等[24]的研究結果一致。廣西松樹造林樹種主要為馬尾松（Pinus massoniana）和濕地松（P.elliottii），由于對人工施肥的生長響應不明顯且林分密度低于750 株/hm2，其經濟收益為負值[25]，經營過程中人工撫育和施肥較少，主要施肥階段集中在幼林期[26]，因此各土壤肥力指標普遍處于較低水平。

杉木人工林除速效磷含量隨著種植時間增長略有下降外，其余養分元素含量均呈上升趨勢。杉木在經過速生階段發育到成熟林的過程中對磷需求大，土壤中的磷元素過度消耗[27]；且杉木種植區域為亞熱帶紅壤地帶，土壤本底多為缺磷富鋁的酸性土壤，磷以Al-P，Fe-P，Ca-P 等無機形態為主[28]，植物可吸收利用的有效態少，隨著連栽時間的增長，磷含量不足將會進一步加劇。杉木人工林土壤肥力指數在1995年之后顯著升高，2000—2015年土壤肥力指數均在平均值1.32 以上。其原因一方面為杉木是廣西本土速生樹種，適應力較強，土壤本底地力較高，土壤中的有機質、全鉀、全氮和全磷含量均處于中等偏高水平；另一方面為杉木人工林施肥管理技術的提高，廣西杉木人工林在1995年之前普遍采取粗放式的經營模式，2000年后逐漸重視施肥管護[29]。

桉樹人工林1990—2015年間土壤pH 值下降了7.26%，有機質含量下降了26.91%，土壤呈酸化趨勢，這一結論與Berthrong 等[30]的研究結果一致。造成土壤酸化的原因可能是氮肥等酸性肥料大量施用以及長期連栽造成桉樹根系分泌的有機酸在土壤中富集[31]。土壤養分元素除全鉀和速效磷含量略微上升外，其余養分元素含量均有不同程度的下降。桉樹人工林種植初期，其人工林管護措施比杉木和松樹完備，主要種植樹種為窿緣桉（Eucalyptus exserta）、檸檬桉（E.citriodora）和野桉（E.rudis），經營周期為15 ～20年左右[32]，較長的輪伐期對土壤地力消耗相對較低，所以廣西桉樹人工林土壤肥力指標及綜合評價指數在1990—2000年均處于較高水平。2002年以后，桉樹良種選育有了重大突破，優良無性系大范圍推廣[33]，實現了規模化造林，輪伐期縮短至5 ～7年，對土壤地力消耗較大，因此2005—2015年桉樹人工林的土壤肥力指數顯著降低。

本研究根據時間序列下的土壤大數據分析廣西主要人工用材林土壤肥力演變進程，一方面可在宏觀尺度上了解25年來廣西用材林土壤的肥力狀況，為制定廣西人工林發展方向提供基礎數據；另一方面可為后續建立更全面和更完善的土壤質量數據庫打下基礎。由于采樣點位僅精確到行政單位縣（市、區），固定監測點位較少，同時土壤肥力指標并未涉及物理和生物學性質，因此本研究具有一定的片面性。在今后的研究中，應增加固定監測點的數量，同時建立更全面的土壤肥力指標監測體系，將土壤物理性質（土壤容重、田間持水量、孔隙度、土壤團聚體）和土壤生物學性質（酶活性、微生物碳、氮、磷）等指標納入評價體系，使評價結果更全面、準確和客觀。