土壤理化性質對紅錐人工林生長及心材形成的影響

劉光金，賈宏炎，徐建民，牛長海，曾 冀，藍 敢，朱茂鋒，李武志

(1. 中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心，廣西 憑祥 532600；2. 中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520)

土壤理化性質與林木生長、林分生產力密切相關[1]，是評價立地生產力的關鍵指標[2]，國內外學者已對土壤理化性質與人工林生長相關性開展了大量研究。曹子林等[3]研究發現，土壤含水量是影響中國沙棘（Hippophae rhamnoidessubsp. Sinensis Rousi）人工林生長的主導因子；林文樹等[4]分析了吉林天然混交林不同演替階段優勢木生長和土壤理化性質的相關性，發現優勢木的平均樹高與土壤容重、非毛管孔隙度呈顯著負相關，而平均胸徑與土壤容重呈顯著正相關；杜健等[5]和Watanabe 等[6]分別研究了土壤理化性質對13 和18 年生柚木（Tectona grandisLinn. f.）人工林生長的影響，均發現其生長與土壤全氮、交換性鈣離子和鎂離子含量密切相關。不同深度土壤的理化性質差異顯著，表現出明顯的垂直分布特性[7]，且林木對不同土層土壤理化性質的響應亦不同。赤桉（Eucalyptus camaldulensisDehnh.）人工林生長與表層土壤交換性鉀離子含量呈顯著正相關，而與20～150 cm 土壤全氮和交換性鈉離子含量呈顯著負相關；加勒比松（Pinus caribaeaMorelet）人工林生長與表層土有效磷含量呈顯著正相關，與20～150 cm 土壤含水量呈顯著正相關[8]。

心材形成亦受土壤理化性質的顯著影響，逐漸為國內外學者關注。崔之益等[9]研究結果表明，土壤含水量影響邊材非結構性碳水化合物等次生代謝，從而影響降香黃檀（Dalbergia odoriferaT.Chen）心材形成；Kint[10]等發現，歐洲櫟（Quercus roburLieblein）心材比率受立地質量的影響，其中，土壤肥力的貢獻率最大，其次是土壤含水量；Bektas 等[11]分析了土壤性質對土耳其卡拉布里亞松（Pinus brutiaTen.）心材比率的影響，發現土壤碳酸鈣和有機質含量顯著影響心材比率。這說明土壤理化性質是影響心材形成不容忽視的重要因素，因此，其研究具有重要的理論和實踐意義。

紅錐（Castanopsis hystrixA. DC）是我國熱帶、南亞熱帶地區的一個鄉土珍優樹種[12]，其心材色澤佳、紋理美觀，材質好，是華南地區廣泛使用的家具材、裝飾材和工業用材。近年來，國內開展了紅錐人工林生長和心材特征及其影響因素研究[13-14]；唐繼新等[15]對紅錐人工林生長過程進行了研究，總結出胸徑、樹高生長的速生期；盧立華等[16]開展了立地與栽培模式對紅錐人工林生長影響的研究，優化了紅錐人工林生長的立地和種植模式；蔣燚等[17]通過樹干解析探究了紅錐心邊材變化規律；但紅錐人工林生長及心材形成與土壤理化性質的相關性尚未見報道。因此，本研究以紅錐中齡林和近熟林為對象，研究其生長和心材特征，分析其與土壤理化性質的相關性，旨在為華南地區紅錐人工林立地選擇與定向培育提供支撐。

1 研究區域概況

研究區域位于中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心哨平和伏波實驗場(22°01′ N～22°06′ N，106°52′ E～106°54′ E)，海拔190～500 m，低山丘陵地貌。該地屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫19.9～21.5℃，年降水1 200～1 550 mm。土壤類型主要為山地紅壤和紫色土，其成土母巖為花崗巖和紫色砂巖等。

研究區域內紅錐人工林經營管理措施基本一致，采用常規經營，造林不施基肥、不追肥，初植密度為1 667 株·hm?2。造林前3 年，每年砍草撫育1～2 次，經多次間伐后，中齡林林分密度為650 株·hm?2，近熟林林分密度為300 株·hm?2。造林地前茬為馬尾松或杉木人工林。

2 研究方法

2.1 樣地調查

于2013 年10 月選取林齡17、18、32、34 年生紅錐人工純林，共布設9 塊20 m × 30 m 樣地。對于紅錐林樣地內的所有林木，使用胸徑尺測定胸徑，超聲波測高器(Hagl?f IV，Sweden)測定樹高和枝下高，皮尺測定4 個方向的冠幅。根據廣西用材林林組劃分標準[18]，將這些紅錐人工林劃分為中齡林（17～18 年生）和近熟林（32～34 年生）。各樣地信息見表1。

表1 紅錐人工林樣地概況表Table 1 Information of sampling plots in Castanopsis hystrix plantations

2.2 解析木分析

根據調查結果，每塊樣地內各選取2 株優勢木，共計18 株進行樹干解析。解析木標記北方向后，定向伐倒。按常規方法進行樹干解析，分別于根莖處以上0.3、1.3、2 m 高度處截取圓盤，此后按2 m 區分段截取圓盤，圓盤厚度約5 cm，每個圓盤標明高度位置及北方向。

圓盤于室內自然干燥，逐個打磨、拋光后，標出東、西、南、北4 向，采用圖像掃描對比法[19]判讀心材和邊材，測量每個圓盤東、西、南、北方向去皮半徑和心材半徑。以1.3 m 處圓盤東西和南北方向上的去皮直徑和心材直徑的平均值作為優勢木直徑和心材直徑，記為D和d；以解析木梢頭高度作為優勢木樹高，記為H，以心材最后出現的圓盤高度定為心材高度，記為h。利用分段材積[20]計算出優勢木及心材的材積，結合上述測量值分別計算心材直徑比、高度比和材積比，其計算公式如下：

式中：V、D和H分別為單株材積、胸徑和樹高；v、d和h分別為心材材積、胸高處直徑和高度；L為樹段長度；SS1、SS2為樹段上、下圓盤斷面積；sr1和sr2分別為樹段上、下圓盤斷面的平均半徑；SH1、SH2為樹段上、下圓盤心材斷面積；hr1和hr2分別為樹段上、下圓盤斷面心材平均半徑；rd、rh和rv分別為心材直徑、高度和材積比。

2.3 土樣采集及理化性質測定

沿樣地對角線設置3 個5 m × 5 m 的樣方，每個樣方挖取深1 m 的土壤剖面，用環刀分別取0～20、20～40、40～60、60～100 cm 土層深度的土樣，帶回實驗室用于土壤物理性質測定[21]；每個土層另取1 kg 土樣帶回實驗室用于化學性質測定，采用電位法測定土壤pH 值，凱氏法測定全氮含量，堿解擴散法測定水解性氮含量，堿溶法測定全磷含量，雙酸法測定有效磷含量，堿熔法測定全鉀含量，乙酸銨浸提法測定速效鉀含量，重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳含量[21]。

2.4 數據統計分析

數據采用Microsoft Excel 2010 進行統計整理，用SPSS19.0 單因素方差分析對紅錐人工林不同土層土壤理化性質進行統計分析。

運用灰色系統理論關聯分析法分析土壤理化性質對紅錐人工林生長和心材形成的影響。依據人工林生長、心材特征以及土壤理化性質構建數列為：Xi= {性狀，pH，全氮，水解氮，全磷，有效磷，全鉀，速效鉀，有機碳，含水量，土壤容重，最大持水量，毛管持水量，最小持水量，非毛管孔隙度，毛管孔隙度，總孔隙度} = {Xi(k)|i= 0，1，2；k= 1，2，3······16}。采用均值法數列進行無量綱化處理，以X0為參考數列，X1，X2···X16為比較數列，計算出參考數列和比較數列的關聯系數(￡i(k))和關聯度(γi)，其計算公式分別為[22]：

式中：minmin|x0(k)-xi(k)|為參考數列x0與比較數列xi的二級最小絕對差，maxmax|x0(k)-xi(k)|為參考數列x0與比較數列xi的二級最大絕對差；x0為參考數列，xi為比較數列；i為生長及心材特征，k為土壤理化性質；ρ為分辨系數，其值為0.5；￡i(k)為參考數列x0與比較數列xi間的關聯系數，γi為參考數列x0與比較數列xi間的關聯度，n為土壤理化性質總數，其值為16。

3 結果與分析

3.1 紅錐人工林生長及心材特征

由表2 可知：近熟林優勢木的平均胸徑、樹高和材積分別比中齡林高47.63%、62.5%和93.33%，而心材直徑、高度和材積分別為中齡林的2.97、1.91、9.26 倍，其相應比率則分別為中齡林的2.03、1.02、2.17 倍。

3.2 紅錐人工林土壤物化性質

3.2.1 紅錐人工林土壤物理性質 由表3 可知：隨土層深度的增加，中齡林土壤容重及近熟林土壤含水量總體表現為增加趨勢，中齡林土壤的最大持水量、非毛管空隙度及近熟林土壤的非毛管孔隙度均呈遞減趨勢；最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度在4 個土層間相近，說明這些因子在空間上變化較小。

方差分析結果（表3）表明：中齡林0～20 cm 土層的土壤容重、最大持水量、毛管持水量及近熟林0～20 cm 土層的非毛管孔隙度與其它3 個土層間差異顯著(P< 0.05)；近熟林0～20 cm 土層的土壤含水量與60～100 cm 土層的差異顯著；最小持水量、毛管孔隙度和總孔隙度在中齡林和近熟林4 個土層間均差異不顯著(P> 0.05)。

表2 紅錐優勢木生長、心材特征及心材比Table 2 Analysis on growth and heartwood properties of Castanopsis hystrix

表3 紅錐中齡林和近熟林土層間土壤物理性質比較Table 3 Comparison on soil physical properties between different soil layers for mid-aged and near-mature plantations of Castanopsis hystrix

3.2.2 紅錐人工林土壤化學性質 表4 表明：中齡林和近熟林土壤pH 值、全鉀含量隨土層深度增加而增加，而全氮、水解氮、有效磷、速效鉀和有機碳含量則呈遞減趨勢。中齡林和近熟林0～20 cm 土層的土壤全氮、水解氮以及中齡林0～20 cm土層的速效鉀、有機碳含量與其他3 個土層之間差異顯著(P< 0.05)；中齡林和近熟林0～20 cm 土層的土壤pH 值均與60～100 cm 土層的差異顯著(P< 0.05)；全磷和全鉀在中齡林和近熟林4 個土層間均差異不顯著(P> 0.05)。

3.3 土壤理化性質與紅錐人工林生長及心材特性的灰色關聯分析

3.3.1 土壤理化性質與紅錐人工林生長特性的灰色關聯度 由表5 可知：中齡林內0～20 cm 土層，土壤全磷含量是胸徑、樹高和材積的最主要影響因子；20～40 cm 土層，非毛管孔隙度是胸徑、樹高和材積的最主要影響因子；40～60 cm 土層，全磷含量是胸徑的最主要影響因子，而非毛管空隙度是樹高和材積的最主要影響因子；60～100 cm 土層，全磷含量是胸徑、材積的最主要影響因子，有機碳含量是樹高的最主要影響因子。

表4 紅錐中齡林和近熟林土層間土壤化學性質比較Table 4 Comparison on ssoil chemical properties between different soil layers for mid-aged and near-mature plantations of Castanopsis hystrix

近熟林0～20 cm 土層，土壤pH 值、有效磷含量和總空隙度分別是優勢木胸徑、樹高和材積的最主要影響因子；20～40 cm 土層，土壤的pH 值是胸徑的最主要影響因子，而總孔隙度是樹高和材積的最主要影響因子；40～60 cm 土層，土壤的pH 值是胸徑的最主要影響因子，毛管孔隙度是樹高和材積的最主要影響因子；60～100 cm 土層，土壤毛管孔隙度、總空隙度和含水量分別是胸徑、樹高和材積的最主要影響因子。

3.3.2 土壤理化性質與心材特性的灰色關聯度 由表6 可知：中齡林0～20 cm 土層，土壤速效鉀含量是影響心材直徑和高度的最主要因子，而全磷含量是影響心材材積的最主要因子；20～40 cm 土層，土壤有效磷含量是影響心材直徑和高度的最主要因子，而非毛管孔隙度是影響心材材積的最主要因子；40～60 cm 土層，土壤非毛管孔隙度是影響心材直徑和材積的最主要因子，而有效磷含量是影響心材高度的最主要因子；60～100 cm 土層，土壤速效鉀含量是影響心材直徑、高度的最主要因子，而全磷含量是影響心材材積的最主要因子。

近熟林0～20 cm 土層，土壤全磷含量是影響心材直徑的最主要因子，而全鉀含量是影響心材高度和材積的最主要因子；20～40 cm 土層，土壤含水量是影響心材直徑的最主要因子，而全鉀含量是影響心材高度和材積的最主要因子；40～60 cm 土層，土壤毛管孔隙度是影響心材直徑的最主要因子，而全鉀含量是影響心材高度和材積的最主要因子；60～100 cm 土層，土壤總孔隙度、全鉀含量和有機碳含量分別是影響心材直徑、高度和材積的最主要因子。

4 討論

在本研究中，紅錐近熟林(32、34 年生)優勢木平均胸徑、樹高和材積分別為24.89 cm、20.8 m和0.29 m3，而心材相應的直徑、高度、材積分別為12.19 cm、10.53 m和0.063 m3，其心材比分別為49.33%、45.99%、14.94%，遠低于廣西憑祥31年生柚木[23]和福建建甌37 年生紅豆樹（Ormosia hosieiHemsl. et Wils.）[24]。此外，近熟林心材平均高度約10 m，遠不及相近年齡的柚木[23]。由此可見，10 m 以下樹干是紅錐心材培育的目標區段，是高價值紅錐人工林定向培育的核心。

表5 土壤理化性質與紅錐人工林生長特性的灰色關聯度Table 5 Gray correlation between soil physicochemical and growth of Castanopsis hystrix plantations

表6 土壤理化性質與紅錐人工林心材特性的關聯度Table 6 Gray correlation between soil physicochemical and heartwood properties of Castanopsis hystrix plantations

本研究發現，影響紅錐人工林生長的最主要的土壤物理因子是毛管孔隙度、非毛管空隙度、總孔隙度和含水量，而中國沙棘、柚木和美洲黑楊（Populus deltoidesW.Bartram ex Marshall）生長的限制性因子卻是土壤質地和土壤含水量[3、6、25]。許多研究表明，毛管孔隙度、非毛管空隙度和總孔隙度與土壤質地和土壤含水量高度相關，Seddighi 等[25]研究結果表明，土壤質地影響土壤含水量、土壤容重和孔隙度等理化性質，進而影響林木生長。本研究中，全磷和有效磷含量是影響廣西憑祥紅錐人工林胸徑和樹高生長的最主要的土壤化學因子；而對于該地西南樺（Betula alnoidesBuch. -ham. ex D.Don）人工林而言，有機質、有效氮和全鉀含量是影響其生長的限制性因子[26]。Wright 等[27]研究結果表明，磷元素是熱帶地區林分胸徑生長和木材產量的限制性因子。紅錐和西南樺人工林間的這種差異，可能與西南樺對有效磷含量低的土壤具有較強的適應性有關[26]。

土壤理化性質與紅錐心材形成灰色關聯分析結果表明，20～40 cm 土層的土壤含水量是影響紅錐近熟林心材直徑的主要因子。土壤含水量可改變樹體組織水分含量[9]，尤其是邊材、心材及其過度區水分含量，其分布特征是驅使心材形成的原因[28]。水分脅迫還影響邊材薄壁細胞生理活性及次生代謝反應，引起抽提物及次生代謝產物的積累[29]，從而調控心材形成。灰色關聯分析結果還表明，土壤化學性質中的全鉀和速效鉀含量與紅錐心材形成關聯系數高，這說明全鉀和速效鉀含量是影響紅錐心材形成的主要因子，其主要原因與鉀離子參與了林木多種代謝過程、調節滲透勢促進離子吸收、激活酶活性、增加木質部導管體積等有關[30]。Jeffrey 等[31]研究表明，白杉（Chamaecyparis thyoides(L.) Mills.）心材形成時，鉀離子從瀕死邊材轉移至邊材，且鉀離子轉移數量反應了土壤養分狀況，此亦側面反映出土壤鉀離子含量與心材形成之間存在著必然聯系，是心材形成必不可缺少的養分。雖然如此，目前對于土壤鉀離子含量對珍貴樹種心材形成影響機理尚需進一步深入研究。

5 結論

紅錐是我國華南地區栽培面積較廣的珍貴用材樹種，心材是高價值紅錐人工林定向培育的關鍵。土壤毛管孔隙度、總孔隙度和非毛管孔隙度與土壤全鉀、速效鉀和有效磷含量是影響紅錐人工林生長和心材形成的主要的土壤因子。選擇質地疏松，全鉀、速效鉀和有效磷含量高的土壤，并合理補施磷肥和鉀肥，可加速紅錐心材形成。

致謝：承蒙曾杰研究員指導研究方案和修改論文，王春勝博士指導數據處理，特致謝忱！