中國馬尾松林土壤肥力特征

簡尊吉, 倪妍妍, 徐 瑾, 雷 蕾,2, 曾立雄,2, 肖文發,2,*

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心, 南京 210037

土壤肥力是土壤物理、化學和生物性質的綜合作用和反映,是土壤的基本屬性和本質特征,是衡量土壤質量的有效手段,也是林地生產力的基礎[1- 2]。土壤肥力高低顯著影響植被生長和分布、群落組成和結構及生產力水平,反過來植被的生長及分布等會影響土壤養分的分布及循環[3- 5]。土壤肥力主要體現在土壤有機質、氮、磷、鉀等指標,以及影響這些養分指標的土壤變量(如pH)[1]。目前,客觀評價土壤綜合肥力狀況主要采用相關分析法[6]、灰色關聯度法[7]、主成分法[8-9]、內梅羅指數法[10-12]等。不同評價方法采用的數學方法、評價側重點和指標選取不同,其表征的平均結果反映的意義也有所不同[6]。其中,內梅羅指數法主要考慮的是指標最小值對土壤肥力的限制性,反映了植物生長最小因子定律,能更好地指導土壤的改良和利用[1]。另外,參照全國第二次土壤普查分級標準,可以將土壤養分含量分為不同等級,從而直觀地分析土壤養分概況[10-13]。因此,兩者結合對土壤肥力進行評價,能夠更好地反映土壤肥力狀況,有利于森林土壤養分的科學經營和管理[2,6]。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國重要用材樹種和亞熱帶地區荒坡造林的主要先鋒樹種之一,其面積約為0.08億hm2,占我國森林總面積(2.2億hm2)的3.6%[14],同時在保持水土、涵養水源、維持區域生態平衡等方面發揮巨大作用。然而,我國馬尾松林的凈初級生產力僅為5.65 t hm-2a-1[15],如何維持或提高生產力是馬尾松林管理面臨的主要挑戰。土壤肥力顯著影響馬尾松林生物量和生產力[15],但目前關于馬尾松林(尤其是人工林)土壤肥力特征及其與經營活動的關系等現有的研究結論各有不同[6- 7,16- 19]。研究結論的不同,主要源于林分尺度的研究,以及林分起源、林分組成和結構特征的差異,特別是林分組成、林下植被種類、凋落物、根分泌物、林木選擇性吸收和元素歸還速率等的差異會導致林分土壤養分貯量及有效性不同[16,20]。但是,在馬尾松樹種的分布區尺度,即便是過去傳統的南帶、中等、北帶[21]這一“帶”的尺度上,關于馬尾松林下土壤肥力總體特征的系統調查研究報道很少；在馬尾松樹種分布區尺度看馬尾松人工林與天然林及純林與混交林間肥力差異的研究也鮮見報道。這就難以科學綜合評估我國馬尾松林的生產力及其限制因素和可持續發展潛力。因此,在樹種分布區尺度對我國馬尾松林的總體土壤肥力特征及其與林分特征的關系進行評價分析,具有重要的科學價值和現實意義。

本研究通過對我國馬尾松分布區不同土層土壤pH和養分含量的調查和測定,以全國第二次土壤普查養分分級標準為依據,在樹種分布尺度,分析馬尾松林單個土壤養分指標的豐瘠水平；根據內梅羅肥力指數,評估土壤綜合肥力狀況；同時分析人工林與天然林、純林與混交林間土壤養分含量和肥力指數的差異,旨在揭示馬尾松林的總體土壤肥力狀況,為探索我國馬尾松林生產力的形成、維持與提高的路徑提供科學依據和指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

馬尾松分布區域主要位于秦嶺—淮河以南、四川盆地以東、雷州半島以北[21],地理范圍為21.85°N—33.50°N,102.00°E—122.00°E,海拔1500 m以下,包括我國南方地區的14個省市自治區,即廣西、江西、湖北、湖南、貴州、福建、重慶、浙江、廣東、四川、安徽、陜西、河南、江蘇。該區域屬于亞熱帶季風氣候區,受來自太平洋東南季風和印度洋西南季風的影響,1980—2012年間的年平均氣溫8.9—27.5℃,年平均降水量755—2500 mm,雨熱同期,但降水季節分配不均,夏季降水多。該區域地帶性植被在20世紀中葉大都遭到人為破壞,現存植被以次生常綠闊葉—落葉混交林或人工純林及混交林為主,其中,馬尾松天然林面積552.38萬hm2,主要為次生萌發或飛籽成林的混交林；馬尾松人工林面積251.38萬hm2,多為人工栽植或飛播而形成的純林[14]。根據中國土壤分類系統,該區域馬尾松林下常見土壤類型是紅壤和黃壤[21]。

1.2 數據獲取

1.2.1文獻數據

通過文獻檢索發現,1990年前涉及馬尾松林下土壤養分指標的文獻較少,相關數據(如地理位置、林分、土壤等信息)不完整。因此,本研究僅利用1990—2019年已出版的馬尾松林下0—40 cm土壤數據建立文獻數據庫,土壤指標包括：有機碳或有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值。測定方法是：有機碳或有機質由重鉻酸鉀法測定,全氮和堿解氮分別由凱氏定氮法和堿解擴散法測定,全磷和有效磷分別由堿溶和雙酸浸提—鉬銻抗比色法測定,全鉀和速效鉀分別由堿溶和乙酸銨浸提—火焰光度計法測定,pH值1∶2.5(V∶V)的水浸—電位法測定。通過中國知網數據庫(http://www.cnki.net/)和ISI Web of Science數據庫(http://apps.webofknowledge.com)分別對1990—2019年的中文和英文文獻進行檢索,檢索關鍵詞為“馬尾松(Pinusmassoniana)”和“土壤碳/氮/磷/鉀(soil carbon/nitrogen/phosphorus/potassium)”。采用以下標準進行文獻篩選：(1)馬尾松年齡(主要是人工林)在5年以上；(2)林下土壤未受施肥、火燒和其他污染的影響,如果有類似試驗,僅對照樣地的數據被引用；(3)文獻至少包括2個土壤養分指標；(4)有具體的樣地位置或地理坐標。對于每一篇文獻,收集樣地的地理位置(緯度、經度和海拔)、林分特征(起源、結構和年齡)、土壤類型、土壤pH和養分含量數據。當僅有土壤有機碳數據時,土壤有機質以土壤有機碳×1.724進行估算。所有的數據主要從表格或文本中收集,當所需的數據在圖中時,利用GetData軟件(http://getdata-graph-difitizer.com)進行提取。因此,文獻數據庫包括210篇文章中498個調查樣地。

1.2.2調查數據

(1)歷史調查數據 利用全國森林土壤調查數據中與馬尾松有關的0—40 cm土壤數據建立歷史數據庫,土壤指標包括：有機質、全氮、全磷、全鉀和pH值。測定方法是：有機質含量由重鉻酸鉀法測定,全氮由凱氏定氮法測定,全磷和全鉀由硝酸+高氯酸+氫氟酸混合溶液消解—等離子發射光譜儀(IRIS Intrepid Ⅱ XSP, Thermo Fisher Scientific, USA)測定,pH值由1∶2.5(體積分數)的水浸—電位法(HI2221, Hanna, Italy)測定。土壤有機質以土壤有機碳×1.724進行估算。歷史數據庫包括134個調查樣地,樣地大小為100 m2或400 m2。調查時間為2012年1月—2018年4月。

(2)當前調查數據 利用區域馬尾松林調查數據中0—40 cm土壤數據建立當前數據庫,土壤指標包括：有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH值。測定方法是：有機碳和全氮含量采用干燒法—元素分析儀(Euro EA, Hekatech Gabh, Germany)測定,全磷和全鉀含量采用硝酸+高氯酸+氫氟酸混合溶液消解—等離子發射光譜儀測定,速效氮含量采用堿解擴散法測定,有效磷含量采用雙酸浸提—連續流動分析儀(Analytical AA3 Auto Analyzer, SEAL, Germany)測定,速效鉀含量采用乙酸銨浸提—等離子發射光譜儀測定,pH值由1∶2.5(V∶V)的水浸—電位法測定。土壤有機質以土壤有機碳×1.724進行估算。當前數據庫包括131個調查樣地,樣地大小為600 m2。調查時間為2018年8月—2019年5月。

1.3 數據處理

1.3.1土壤養分含量豐瘠水平

結合全國第二次土壤普查養分分級標準[1,10-13]對馬尾松林下土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值進行單一指標豐瘠水平評價。該分級標準將土壤養分含量分為6個水平：豐富、較豐富、中等、較缺、缺和極缺,其已在土壤養分含量豐瘠水平評價中被廣泛應用[10- 12]。

1.3.2內梅羅肥力指數

采用修正的內梅羅指數法[1]對馬尾松林土壤肥力進行綜合評價,此方法已在土壤肥力評價的研究中被廣泛應用[1,6,10- 12]。土壤肥力綜合評價應盡量多地考慮與肥力有關的土壤指標[1],參考其他研究結果[10- 12],本研究選擇指標包括pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀。為了便于比較分析,僅包含這8個土壤指標的研究樣地被應用于內梅羅肥力指數計算。為了消除土壤指標量綱和單位的影響,本研究根據全國第二次土壤普查養分分級標準[1,10- 13]劃定了內梅羅評定方法中土壤指標分級標準(表1),對不同土壤養分指標進行標準化(或分肥力指數計算)。土壤養分指標標準化和內梅羅綜合肥力指數計算公式參考文獻[1,10- 12]。當肥力指數≥2.7,說明土壤很肥沃；當2.7>肥力指數≥1.8,說明土壤肥沃；當1.8>肥力指數≥0.9,說明土壤肥力中等；當肥力指數<0.9,說明土壤貧瘠[1]。

表1 內梅羅指數法中土壤指標的分級標準值

1.4 統計分析

利用Excel 2003對數據進行整理和計算。采用SPSS 19.0對數據進行統計分析。由于數據庫中土壤指標(如有機質、全氮、全磷和全鉀)測定方法不同(兩類測定方法),且兩組獨立數據不服從正態分布(Kolmogorov-Smirnov檢驗,P<0.05),利用Mann-Whitney U檢驗的結果表明,同一指標兩組獨立數據間差異不顯著(P>0.05),因此,數據庫中的所有土壤數據可以合并一起來進行統計分析。利用Mann-Whitney U檢驗進行土壤養分指標和肥力指數在0—20 cm土層與20—40 cm土層、人工林與天然林、純林與混交林間的差異性分析。應用Origin 9.0進行作圖。圖表中數據為均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 土壤pH和養分含量及其豐瘠水平

由表2可知,馬尾松林下0—20 cm土層土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值分別為4.79、33.78 g/kg、1.82 g/kg、0.46 g/kg、14.49 g/kg、88.00 mg/kg、4.94 mg/kg和71.72 mg/kg,變異系數依次為16.33%、72.20%、122.22%、143.26%、85.64%、65.87%、190.61%和116.18%；20—40 cm土層土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值分別為4.91、19.92 g/kg、1.32 g/kg、0.40 g/kg、15.71 g/kg、59.41 mg/kg、2.38 mg/kg和52.99 mg/kg,變異系數依次為15.37%、82.73%、133.79%、142.10%、70.85%、83.13%、234.52%、88.69%。除土壤pH值和全鉀含量外,其他各土壤養分指標均表現為0—20 cm土層>20—40 cm土層,其中0—20 cm土層土壤有機質和有效磷含量是20—40 cm土層的1.7倍和2.1倍。除全磷含量外,土壤pH值和養分指標在土層間差異顯著(P<0.05)(表2)。土壤pH值的變異系數最小,有效磷含量的變異系數最高。

從表2也可以看出,馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤有機質含量分別處于“較豐富”和“較缺”水平,全氮含量分別處于“較豐富”和“中等”水平,全磷和速效鉀含量均處于“較缺”水平,全鉀含量分別處于“較缺”和“中等”水平,堿解氮含量分別處于“較缺”和“缺”水平,有效磷含量分別處于“缺”和“極缺”水平。

表2 馬尾松林不同土層土壤養分描述性統計特征

2.2 土壤肥力指數

由表3可知,馬尾松林下0—20 cm土層土壤肥力指數(0.97)高于20—40 cm土層(0.77),0—20 cm土層土壤肥力狀況屬于“中等”,20—40 cm土層屬于“貧瘠”。0—20 cm土層和20—40 cm土層各土壤指標肥力大小順序分別為：有機質>全氮>堿解氮>全鉀>pH>速效鉀>全磷>有效磷,有機質>全鉀>全氮>pH>堿解氮>速效鉀>全磷>有效磷。除土壤pH值和全鉀外,其他各土壤養分指標的分肥力指數均表現為0—20 cm土層>20—40 cm土層,其中0—20 cm土層土壤有效磷分肥力指數(0.60)是20—40 cm土層(0.33)的1.8倍,在兩土層中均最小。

表3 馬尾松林不同土層土壤肥力指數評價

2.3 土壤養分含量和肥力指數在人工林與天然林和純林與混交林間的差異

由圖1可知,馬尾松天然林0—20 cm土層有機質(P<0.001)和全氮(P<0.05)含量,0—20 cm土層和20—40 cm土層全鉀含量(P<0.001)均顯著高于馬尾松人工林,0—20 cm土層和20—40 cm土層全磷含量(P<0.001)均顯著低于馬尾松人工林。其他土層各指標在人工林與天然林間無顯著差異,除20—40 cm土層有機質及0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量外,總體上表現為人工林>天然林。

圖1 土壤養分含量和肥力指數在人工林與天然林間的差異Fig.1 Differences of soil nutrient contents and fertility index between planted forests and natural forestsns: 不顯著, no significant，*、**和***分別表示在0.05、0.01和0.001水平下顯著

由圖2可知,馬尾松混交林0—20 cm土層有機質(P<0.001)、全氮(P<0.01)、全鉀(P<0.05)含量和肥力指數(P<0.05),0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量(P<0.001)均顯著高于馬尾松純林,20—40 cm土層速效鉀含量(P<0.05)和pH值(P<0.001)均顯著低于馬尾松純林。其他土層各指標在純林與混交林間無顯著差異,除20—40 cm土層堿解氮含量外,總體上表現為混交林>純林。

圖2 土壤養分含量和肥力指數在純林與混交林間的差異Fig.2 Differences of soil nutrient contents and fertility index between pure forests and mixed forestsns: 不顯著, no significant，*、**和***分別表示在0.05、0.01和0.001水平下顯著

3 討論

3.1 馬尾松林土壤肥力特征分析

土壤的形成與發育是母質、生物、氣候、地形、時間等多種因素共同作用的結果[22]。馬尾松分布區地理跨度大、南北氣候差異明顯,土壤和母質類型多樣化[21]；馬尾松林下植被物種多樣性[23]以及馬尾松林年凋落量[24]和凋落物分解率[25]的空間變異性較大。這些因素驅動著土壤養分的空間變化。本研究中,土壤養分指標均具有較高的空間變異性(變異系數65%—235%),其中有效磷含量最高(表2)。其他研究也有類似結果[11- 12,26]。這可能是因為在酸性土壤中,有效磷易與活性鋁、鐵、磷酸鈣形成磷酸鋁鐵而沉淀；也因在強酸性土壤中大量的三氧化二鐵存在,易形成膠膜包被在磷肥的表面而形成閉蓄態磷[26]。馬尾松林下0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤pH值與有效磷含量顯著正相關(r=0.248和0.173,P<0.01)間接證實了上述機制。

土壤既是植物生長發育的載體,也為植物生長發育提供營養來源。土壤有機質、全氮、全磷和全鉀等含量體現了土壤養分供給的潛力,堿解氮、有效磷和速效鉀等含量體現了土壤供給的能力[22]。根據全國第二次土壤普查標準,馬尾松林土壤養分指標的豐瘠水平因土層而異,其中土壤有效養分指標的豐瘠水平均在“較缺”水平及其以下(表2),說明馬尾松林土壤速效養分(尤其是磷和鉀)供給能力較弱。研究區域和生態系統的不同,導致土壤養分單一指標的豐瘠水平不盡相同,但均發現土壤全磷含量處于“較缺”水平及其以下[10- 12]。馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤全磷含量也處于“較缺”水平(表2)。土壤磷主要源于成土母質的風化和動植物殘體的歸還,其含量高低取決于母質類型、風化和淋失程度[22]。亞熱帶地區溫暖的氣候條件加快了土壤母質的風化及磷元素的解吸,而強降水量卻加速了土壤磷的淋溶[27- 30],且亞熱帶地區磷流失量高于全國平均值[31],因此土壤磷流失嚴重。另外,我國南方土壤中磷元素與粘土礦物之間的化學作用使得磷元素更易與土壤中的金屬元素緊密結合,形成難以被植物利用的難溶性磷[26,32],導致馬尾松林0—20 cm土層和20—40 cm土層有效磷含量僅分別為4.49 mg/kg和2.38 mg/kg,分別處于“缺”和“極缺”水平(表2)。因此,馬尾松林嚴重缺磷。

土壤肥力是反映養分效應及森林系統生產力的綜合指標[12],通過內梅羅指數法計算的土壤肥力指數,既反映了限制植物生長最小因子定律,又綜合考慮了各指標[1,10- 12]。馬尾松林下0—20 cm土層和20—40 cm土層土壤肥力指數分別為0.97和0.77(表3),總體來看,土壤綜合肥力狀況偏“貧瘠”。土壤有效磷含量的肥力指數也最小(表3),表明土壤有效磷含量高低是馬尾松林土壤肥力高低的主要影響因子。然而,本研究僅通過數個土壤化學指標來計算土壤肥力指數,缺乏土壤物理和生物指標；同時,滿足土壤肥力指數計算所需指標的樣地較少且空間分布不均勻,這些導致本研究中的土壤肥力指數僅在一定程度上代表馬尾松林土壤肥力狀況。

3.2 土壤深度對馬尾松林土壤肥力特征的影響

本研究中,除土壤pH和全鉀含量外,其他各土壤養分指標和肥力指數均表現為0—20 cm土層>20—40 cm土層(表2和表3),且大多數指標在土層間差異顯著(P<0.05),表明土壤深度顯著影響土壤肥力狀況。土壤養分往往具有“表聚性”[8,12,33-34]。表層土是土壤動物和微生物最活躍的土壤層次,是進行植物—凋落物—土壤養分內循環的主要場所[22]。土壤養分元素被植物體(主要是根和葉)所吸收,通過凋落物分解和根系周轉等過程歸還土壤,造成表層土壤養分(尤其是速效養分)含量往往更高[35- 36],這在本研究中也被證實(表2)。有研究表明,馬尾松細根(<2 mm)主要分布在表層土(0—30 cm)[37],其周轉可以改善土壤理化性質[36]。然而,不管是林分尺度還是區域尺度,馬尾松林深層(40 cm以下)土壤肥力特征還知之甚少。另外,馬尾松分布區尺度0—20 cm土層土壤有機質、全氮和全磷的平均含量(表2),低于我國陸地生態系統0—10 cm土層[27]和我國東部森林生態系統0—20 cm土層[28]相應指標平均含量。土壤有機質和全氮含量低,可能與我國馬尾松主要在貧瘠的荒坡(或裸地)上造林,土壤養分本底值較低有關。本研究中馬尾松人工林所占比例高達85%,有研究表明馬尾松人工林土壤有機質含量和碳庫顯著低于次生林[38]。土壤全磷含量較低,可能是因為馬尾松凋落物分解速率低于相似區域其他物種凋落物分解率[25,39],凋落物中磷元素歸還到土壤中的較少。

3.3 林分特征對馬尾松林土壤肥力特征的影響

森林土壤肥力特征與構成林分樹種及樹種組成、林分結構、林分起源等林分因子密切相關[6,20,34,40]。總體來看,馬尾松林林分起源(人工林與天然林)和林分結構(純林與混交林)顯著影響土壤有機質、全氮、全磷和全鉀等,表現為天然林>人工林(除全磷外)(圖1)和混交林>純林(圖2)。在馬尾松分布區尺度,馬尾松天然林以混交林為主,人工林則以純林為主,因此林分起源與林分結構間土壤養分含量的高低相似。其他研究也表明,不管是天然林還是人工林,馬尾松混交林林下土壤養分含量高于純林[16,20,34,38,40-41]。這些結果表明營造馬尾松與其他樹種的混交林有利于改善林下土壤理化性質。在氣候環境基本一致的情況下,凋落物分解過程是土壤養分的重要控制因子[22]。馬尾松混交林(天然林)中物種較豐富,尤其是闊葉喬木和灌木的存在,加快了凋落物分解和養分釋放[25,39,42],使歸還到土壤中的養分含量也隨之增大；而馬尾松純林(人工林)凋落物以針葉為主,針葉凋落物含有大量單寧、蠟質、樹脂等難分解的物質和較高的木質素等,限制了凋落物養分歸還速率[43]。這些原因也導致土壤速效養分含量和肥力指數表現為混交林>純林(圖2)。但馬尾松人工林全磷、堿解氮和速效鉀含量以及肥力指數高于天然林(圖1),目前尚不清楚其形成機制。由于馬尾松不同林分起源和結構的數據分布不均勻(天然林和混交林數據少),其對天然林與人工林和純林與混交林間土壤養分含量和肥力指數的差異性檢驗存在一定的影響,因此,林分特征如何影響馬尾松林土壤肥力(尤其是區域尺度)還有待于進一步研究。

4 結論

(1)我國馬尾松樹種分布區林下土壤養分含量均具有較高的空間變異性(變異系數65%—235%),土壤有效磷的變異系數最高。

(2)馬尾松林土壤養分單一指標的豐瘠水平因土層而異,土壤全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均在“較缺”水平及其以下,土壤磷和鉀養分的供給潛力和能力較弱。

(3)馬尾松林土壤綜合肥力狀況偏“貧瘠”,土壤有效磷含量的肥力指數最小。

(4)土壤深度和林分特征顯著影響馬尾松林土壤養分含量和肥力指數,總體上表現為0—20 cm土層>20—40 cm土層和混交林>純林。因此,營造馬尾松與其他樹種的混交林有利于馬尾松林土壤理化性質的改善。