林齡差異對杉木人工林土壤理化性質的影響

彭玉華，譚長強，申文輝，鄭 威，何琴飛，何 峰，陳始貴

（廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西南寧 530002）

人工林可以提供多種商品和服務，緩解天然林資源的壓力[1]。發展人工林是解決我國森林資源不足的有效途徑，人工林已成為我國森林生態系統經營的主要對象[2]。我國人工林面積居世界第一[3]。杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林面積占我國南方人工林總面積的60%～80%，不僅提高了我國木材的供應能力，在森林固碳方面也發揮著重要作用[4]。但是，不合理的營林措施會導致人工林土壤養分利用率低，林地生產力下降，土壤質量下降[5-6]。土壤肥力的維持和提高，已成為推動林業可持續發展和促進生態文明建設的重點[7]。土壤理化性質作為控制植物生長發育的關鍵生態因子，是土壤的基本屬性和本質特征，是表征土壤質量的重要指標[8-9]。研究森林土壤理化性質在不同林齡下的動態變化，有助于了解林木在不同生長發育階段對土壤養分的需求，可為實現森林人工調控和提高土壤肥力提供科學依據[10]。

人工林不同發育階段的土壤理化性質已有大量的研究，Sun 等[11]認為林齡差異對土壤環境影響顯著，其打破了樹木生長過程中的營養供需平衡；魏亞娟等[12]研究得出梭梭（Haloxylon ammodendron）人工林土壤養分隨林齡增大呈增加的趨勢；梁卿雅等[13]認為隨著桉樹林齡的增加，土壤理化因子呈顯著減少趨勢；張慧等[14]認為隨林齡的增加，日本落葉松（Larix kaempferi）人工林土壤有機質和全氮含量先增加后減小，磷和鉀的含量差異不顯著，林地土壤從酸性變化至弱堿性，田間持水量持續增加；王丹等[15]認為土壤理化性質隨著林齡不同出現波動，呈現幼齡林階段較高、近熟林階段最差、成熟林階段顯著提高、過熟林階段達到最高水平的變化趨勢；張蕓等[16]研究認為不同區域、氣候、植被生物學特性和人工林經營方式等對土壤理化性質的影響較大。在杉木人工林不同發育階段的土壤理化特征方面的研究主要集中在福建省[6,16-18]，江西省[15]和湖南省[19]也有研究，廣西研究較少。為了給廣西杉木人工林健康發展提供詳實可靠的參考資料，本研究選取廣西貝江河林場不同林齡的杉木人工林為研究對象，研究不同發育階段杉木人工林對土壤理化性質的影響，旨在正確認識和評估不同林齡杉木人工林的土壤理化性質特征，為該地區杉木人工林的合理經營及土地利用方式的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西融水苗族自治縣國營貝江河林場（109°14'E，25°04'N），屬中亞熱帶季風氣候，光熱充足，年均氣溫19.6 ℃，1月均溫9.3 ℃，7月均溫27.9 ℃，最高氣溫38.6 ℃，最低氣溫-3 ℃，年均日照時長1 699 h，≥10 ℃積溫6 000 ～6 500 ℃；雨量充沛，年均降水量1 824.8 mm，年均相對濕度80%左右，年總蒸發量1 561.2 mm，年均無霜期322 d。

1.2 試驗設計

2019年5—6月，選擇鄰近分布、立地條件基本一致、長勢良好的幼齡林（3 a）、中齡林（8 a）、近熟林（12 a）和成熟林（20 a）4 個不同發育階段的杉木人工林樣地，每個樣地中設置3 個20 m×20 m 的標準地，共12個標準地（表1）。

表1 樣地概況Tab.1 General situation of sample plots

1.3 土壤樣品采集

2019年6月，采用環刀取樣分析法，在每個標準地中挖取1 個土壤剖面，按0 ～20、20 ～40 和40～60 cm 分層采集土樣，每層在每個剖面分左、中、右采集環刀和鋁盒土樣，用于測定土壤水分和物理性質；按0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm 分層采集土樣，去除石塊和根系等雜質，用四分法取1 kg左右土樣裝入自封袋并帶回實驗室自然陰干，磨碎過篩后進行化學性質測定。

1.4 土壤物理性質測定

土壤持水性狀和物理性狀的測定及計算方法參照LY/T 1215-1999[20]：烘干法測定土壤含水量；環刀法測定土壤容重；環刀浸水法測定毛管孔隙和非毛管孔隙。

1.5 土壤化學性質測定

土壤化學指標委托廣西大學測定。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，土壤pH值采用電位法測定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，水解氮含量采用堿解-擴散法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法測定，全鉀含量采用酸溶-火焰光度法測定，速效鉀采含量用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.6 土壤理化性質綜合評價

參照彭玉華等[21]的熵權法，對杉木人工林不同林齡土壤的理化性質進行綜合評價。

1.7 數據處理

采用SPSS 19.0軟件進行單因素分析及多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同林齡杉木人工林土壤物理性質

不同林齡杉木人工林的土壤容重差異較大，幼齡林的土壤容重高于其他林齡；同林齡的土壤容重隨土層加深而增大；0 ～20 cm 土層，幼齡林的土壤容重顯著大于其他林齡（P＜0.05）；20 ～40 cm 土層，各林齡間差異不顯著；40 ～60 cm 土層，中齡林的土壤容重顯著小于其他林齡（P＜0.05）（圖1）。

圖1 不同林齡杉木人工林土壤容重Fig.1 Soil bulk density of C.lanceolata plantations with different ages

不同林齡對總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度影響極顯著（P＜0.01）（表2）。幼齡林的毛管孔隙度、近熟林的非毛管孔隙以及成熟林的總孔隙度和毛管孔隙度均隨著土層加深而變小；成熟林的非毛管孔隙度隨著土層加深而增大。0 ～20 cm 土層，成熟林的總孔隙度和毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05）；近熟林的非毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05）。20 ～40 cm 土層，成熟林的毛管孔隙度顯著大于其他林齡（P＜0.05），總孔隙度最大，顯著大于幼齡林和中林齡（P＜0.05）；中林齡的非毛管孔隙度最小。40 ～60 cm 土層，成熟林的總孔隙度最大，顯著大于中齡林和近熟林（P＜0.05），毛管孔隙度顯著大于中林齡（P＜0.05）；幼林齡的非毛管孔隙度最小。

不同林齡對土壤含水率、最大持水量和毛管持水量影響極顯著（P＜0.01）（表3）。幼齡林的含水率和毛管持水量、中齡林的最大持水量、近熟林和成熟林的持水性質均隨著土層加深而減弱；中齡林的含水率和毛管持水量以及幼齡林的最大持水量均隨著土層加深先增加后減少。0 ～20 cm 土層，成熟林的含水率和毛管持水量均顯著高于其他林齡（P＜0.05），最大持水量顯著高于幼齡林和中林齡（P＜0.05）；20 ～40 cm 土層，成熟林的含水率顯著高于其他林齡（P＜0.05），毛管持水量顯著高于幼齡林（P＜0.05）；40 ～60 cm 土層，成熟林的含水率顯著高于中齡林（P＜0.05），最大持水量和毛管持水量在不同林齡間差異不顯著。

表2 不同林齡杉木人工林土壤孔隙度Tab.2 Soil porosity of C.lanceolata plantations with different ages

表3 不同林齡杉木人工林土壤持水性質Tab.3 Soil water holding capacity of C.lanceolata plantations with different ages

2.2 不同林齡杉木人工林土壤化學性狀

不同林齡的土壤pH 值均小于7，為酸性土壤，幼齡林土壤酸性強度最大；同一土層間不同林齡pH值差異顯著（P＜0.05）（圖2）。

有機質含量在不同林齡間差異顯著（P＜0.05），速效磷和速效鉀含量差異極顯著（P＜0.01），水解氮含量差異不顯著；有機質、水解氮和速效鉀含量隨著林齡的增加呈增加-減少-增加的趨勢，速效磷含量隨著林齡的增加先增加后減少，有機質、水解氮和速效磷含量在中齡林達到最大值，速效鉀含量在成熟林達到最大值；0 ～20 cm 土層的有機質、水解氮和速效鉀含量、20 ～40 cm 土層的水解氮和速效鉀含量以及40 ～60 cm土層的速效鉀含量均差異極顯著（P＜0.01），其余土層深度土壤養分差異不顯著（表4）。同一林齡土壤有機質、水解氮、速效磷和速效鉀含量均隨著土層加深而減少，表示所有的化學性質均有表聚性。

圖2 不同林齡杉木人工林土壤pH值Fig.2 Soil pH of C.lanceolata plantations with different ages

表4 不同林齡杉木人工林土壤養分含量Tab.4 Soil nutrition contents of C.lanceolata plantations with different ages (g/gk)

續表4 Continued

2.3 土壤理化性質綜合評價

指標的信息熵越小，指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中起到的作用也越大，其權重也就越大[21-22]。選擇土壤有機質、水解氮、速效磷、速效鉀、容重、總孔隙度、毛管孔隙度、含水率、非毛管孔隙度、最大持水量和毛管持水量11 個指標0 ～60 cm 土層的平均值，進行標準化處理（表5）。對水源涵養有重要影響的指標是土壤總孔隙度、含水率和毛管持水量，權重值分別為13.57%、10.94% 和10.39%，最小的是土壤容重（5.52%）（表6）。不同林齡杉木人工林土壤理化性質的綜合評價表現為成熟林（43.71）＞近熟林（22.18）＞中齡林（19.21）＞幼齡林(10.48)。

表5 各指標標準化矩陣Tab.5 Normalized matrix of indexes

表6 各指標的信息熵值和權重值Tab.6 Information entropy and weight value of indexes

3 結論與討論

林齡的差異，導致地表凋落物儲量及分解、林木根系和林下植被生長等均存在一定差異，造成不同林分土壤物理性質的差異[23]。本研究表明，不同林齡杉木人工林的土壤物理性質差異顯著。隨著林齡的增加，土壤容重逐漸降低，土壤持水能力逐漸增加，這與大多數研究結果基本一致[1,18,24-25]，說明隨著杉木的生長，凋落物的不斷積累和分解以及腐殖質的大量累積，改善了土壤結構和質量。隨著林齡的增加，土壤孔隙度先下降后增加，與李惠通等[18]和王宏星等[26]的研究結果一致，可能是在幼齡林至中齡林階段，林分郁閉度增加，林下光照不足，林下植被和水分減少，使得土壤緊實度和板結程度加強，造成土壤孔隙度降低，隨著杉木不斷生長漸漸進入成熟期，期間通過間伐或自疏、自然整枝等，林下光照條件改善，林下植被發育較快，凋落物逐漸積累，植物根系伸展能力加強，土壤孔隙狀況和松緊程度得到改善。隨著土層的加深，土壤容重逐漸增加，土壤持水能力和孔隙度（成熟林的非毛管孔隙度除外）逐漸降低，這是由于重力因素導致土壤緊實度隨著土層加深而增加，同時由于林地凋落物和分解聚集于表層，以及土壤養分具有的表聚性，使得土壤物理狀況隨著土層加深而惡化[16]。杉木生長至成熟期，根系的密度和伸展增大，使得土壤通氣透水性增強，所以成熟期的非孔隙度隨著土層加深而增大。

土壤酸堿度雖不能直接表明土壤中某種養分的量，但它是影響和控制土壤中微生物區系的重要因素，直接影響絕大多數營養元素的存在狀態及生物有效性[18]。本研究表明，杉木人工林土壤pH 值隨著林齡增加呈逐漸增加的趨勢，與邱新彩等[1]研究結果不同，可能與植物特性、生長特性、環境和土壤質地的差異有關，杉木生長至成熟期，林下植被豐富，凋落物儲量多，微生物數量多且活動強，土壤質地得到了很大的改善。

土壤化學性質是表征土壤肥力狀況的重要指標，直接影響著植物的生長發育和土壤微生物的活動[27]。本研究表明，同齡杉木人工林的土壤養分均隨土層加深而減少，表明養分具有表聚性，這與前人[1,28-29]的研究結果基本一致。這主要是由于植物凋落物和根系主要分布于土壤表層，它們釋放大量養分，使得表層養分積累較多[1]。隨著林齡的增加，杉木人工林土壤有機質、水解氮和速效鉀含量均呈增加-減少-增加的趨勢，杉木從幼齡林生長至中齡林，林分的生物量和郁閉度逐漸增加，林下凋落物及動植物殘體增多，土壤養分也隨之增加[30]，中齡林后，隨著杉木不繼生長，林木生長空間不足，造成林分過度郁閉，光照不足，陰濕的環境不利于土壤微生物的繁殖和活動，枯落物分解轉化強度減緩，土壤養分明顯下降；此后，由于間伐、自然整枝等原因提高了林內透光度，林下植被有所增加，土壤微生物重新活躍，凋落物等分解轉化速度逐漸加快，土壤有機質、水解氮和速效鉀含量提高[15]。隨著林齡增加，土壤速效磷含量先增加后減少，最低值出現在成熟期，該現象也出現在樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）人工林生長發育過程中[24]，充分表明土壤速效磷含量隨著林齡的增加有耗竭的趨勢，這可能是由于土壤無機磷在亞熱帶紅壤地帶以AI-P，Fa-P，Ca-P為主，植物不易吸收，致使人工林發展到后期會受到較強的磷限制[16]。

土壤孔隙度是植物林分土壤理化性質的一個重要指標，它決定著土壤持水蓄水和通氣透水的能力[1]，影響著土壤養分和植物生長[31]。本研究結果顯示，土壤總孔隙度在杉木人工林土壤理化性質綜合評價中所占的權重比例最大。杉木人工林土壤理化性質綜合評價最好的是成熟林，近熟林次之，幼齡林最差，表明林齡的增加改善了杉木人工林土壤理化性質。

在杉木人工林生長發育過程中，應輔以必要的人工措施，特別在杉木人工林速生階段應適當增施磷肥，當人工林郁閉度較高時及時進行間伐撫育，保證林木的良好生長。同時，可考慮營造杉木與闊葉樹種的混交林，調整森林的結構，以改善凋落物質量和促進凋落物分解[4]，創造良好的林分環境，從而提高人工林的生態效益。