福壽林場4種典型林分的土壤肥力分析及綜合評價*

龐一凡，曹小玉，李際平，趙文菲，謝政锠，孫亞萍

(中南林業科技大學 林學院，湖南 長沙 410004)

森林土壤作為森林生態過程的載體和森林植物生長的基質，是衡量森林生態功能恢復和維持的重要指標，能夠為植物長期提供水分和養分，直接影響著森林的健康生長和分布狀況[1-2]。土壤肥力是土壤物理、化學性質的綜合反應，能夠保證提供植物生長發育所需的營養物質及環境條件[3]。

不同林分因其凋落物和凋落量的性質不同，養分歸還量也不同，因此對林下土壤肥力的影響有很大的差異[4-5]。大量的土壤肥力科學評價研究表明，各種森林類型中土壤的物理和化學功能性狀之間差異較大，森林土壤肥力受較多環境因素影響，因此科學地評價和確定森林土壤肥力的衡量指標和措施方法，是森林土壤肥力科學評價必不可少的重要環節[6]；但土壤肥力評價涉及較多指標，確定每個土壤肥力評價指標的權重是十分必要的。當前常用的土壤肥力評價指標權重賦權法主要有兩種：一是采用主觀賦權法和采用客觀賦權的方法[7]，主觀賦權法如專家打分法、層次分析法和Delphi法等[8]；二是客觀賦權法如變異系數法、灰色關聯度和主成分分析法等[9-10]。由于當前主觀賦權法評價受許多人為因素的直接影響，客觀賦權法未充分考慮到土壤肥力指標綜合評價的重要性，故解決土壤肥力評價的關鍵是合理確定土壤肥力評價的綜合指標。杉木(Cunninghamialanceolata)純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林這4種林分作為湖南甚至是南方主要經營的森林類型，研究它們的林地養分規律，為當地森林資源經營調整提供科學合理的理論依據是十分有必要的。因此，本研究選取林分土壤全磷、全氮、有機質、堿解氮、pH值、速效鉀、速效磷和土壤容重8個指標對它們的土壤肥力進行綜合分析，基于乘除法原理確定林分土壤綜合評價指數，為科學確定林分土壤肥力綜合指標和科學經營福壽林場4種林分土壤提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

福壽國有林場位于湖南省平江縣南部(28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～113°45′00″E)，總面積為1 274.9 hm2。年平均氣溫12.1 ℃，年日照1 500 h，無霜期217 d。屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風濕潤地區。林場內土壤類型主要為山地黃棕壤(海拔800～1 400 m)和山地黃壤(海拔800 m以下)，山頂、山脊有小塊草甸土(海拔1 400 m以上)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析

通過查閱文獻資料以及結合外業調查數據，選擇立地條件一致的杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林為研究對象。4種林分共選取12塊20 m×30 m的標準地，樣地基本情況如表1所示。在各樣地內采用蛇形取樣法確定取樣點(共5點)，使用體積100 cm3的環刀在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm處分別對原狀土進行采樣。根據四分法混合土壤樣本，每個樣本采1 kg，用以測定土壤養分。環刀法測定土壤容重，土壤pH值采用電位法測定，K2Cr2O7氧化-外加熱法測定土壤有機質，土壤全氮及全磷含量采用高氯酸-硫酸消化法測定，光電比色法測定土壤中速效磷含量，火焰光度法測定速效鉀含量，土壤中堿解氮含量采用堿解蒸餾法測定。

表1 各樣地基本情況

1.2.2 土壤肥力評價指數的計算和等級標準

(1)土壤肥力評價指數的計算

土壤的物理及其化學性質影響著土壤肥力水平[11]，本研究從土壤理化性質2個方面選取土壤肥力評價指數的參數。由于各個參數在影響土壤肥力水平時可能存在互相依賴和排斥的關系，導致土壤肥力水平的所有參數只能總體達到最優肥力水平，無法同時達到最優水平，因此本研究采用乘除法進行多目標規劃[12-13]。

乘除法的基本計算理念x是決策向量，當在m個目標f(x1)，…f(xm)，中，有k個f(x1)，…f(xk)要求實現最大，其余f(xk+1)，…f(xm)要求實現最小，同時有f(x1),…f(xm)>0，采用評價函數Q(x)作為目標函數。

①

根據乘除法計算原理，結合中國土壤養分等級標準劃分[14]，全N、有機質、速效K和速效P取大為優，土壤pH值在4.5～6.5有利于南方樹種發育生長，所以最適值為5.5，土壤容重適值在1～1.25，應接近1.125。根據公式①確定土壤肥力評價指數的計算公式。

②

式中：AP(g)、AK(g)、SOM(g)、TN(g)分別為土壤速效磷、速效鉀、有機質、全氮，σAP、σAK、σSOM、σTN分別為速效磷、速效鉀、有機質、全氮的標準差。由于各參數的表征意義不同，并且每個參數的量級和量綱也不完全一致，因此，采用歸一化處理公式③，將各參數值等量轉換到[0,1]區域內。

③

(2)土壤肥力評價指數等級劃分標準

根據相關學者對我國土壤肥力的綜合評價研究[15-16]，劃分標準見表2。

表2 土壤肥力評價指數等級劃分標準

1.2.3 數據分析

采用SPSS 25.0數據分析，Excel 2010圖表處理。

2 結果與分析

2.1 不同林分0～60 cm土層土壤養分含量

從表3的土壤養分統計分析結果看，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林的土壤有機質含量介于9.52～24.9 g/kg之間，其中含量最高的是櫟類次生林，最低為竹林，各林分之間土壤有機質含量差異顯著(P<0.05)。

表3 0～60 cm土層平均土壤養分含量

4種林分pH值范圍在4.39～4.69，呈酸性。竹林土壤pH值最大，杉木混交林土壤pH值最小，其中杉木純林、櫟類次生林和竹林3種林分土壤pH值無顯著差異(P>0.05)，竹林的土壤pH值顯著高于杉木混交林(P<0.05)。

對于土壤全氮含量，4種林分范圍在0.62～1.18 g/kg，含量最高的是櫟類次生林，最低為竹林，杉木混交林與櫟類次生林土壤全氮含量無顯著差異(P>0.05)。4種林分的土壤全磷含量范圍為0.13～0.35 g/kg，櫟類次生林含量最大，竹林含量最小；杉木純林與櫟類次生林土壤全磷含量無顯著差異(P>0.05)，櫟類次生林與杉木混交林、竹林差異顯著(P<0.05)，杉木混交林與竹林無顯著差異(P<0.05)。

4種林分的土壤堿解氮含量范圍介于37.66～71.82 mg/kg之間，綜合表現為櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林，堿解氮含量在各林分之間差異顯著(P<0.05)。

4種林分的土壤速效磷含量范圍為0.97～2.95 mg/kg，櫟類次生林顯著高于其它3種林分(P<0.05)。4種林分的土壤速效鉀含量范圍為42.47～66.75 mg/kg，杉木純林土壤速效鉀含量與其它3種林分存在顯著性差異(P<0.05)。

4種林分土壤容重范圍為1.06～1.11 g/cm3，且表現為竹林>杉木純林>杉木混交林>櫟類次生林。除了次生林外，其它3種林分土壤容重差異不顯著(P<0.05)。

2.2 不同林分土壤養分的剖面分布

2.2.1 不同林分土壤pH和有機質的剖面分布

不同林分土壤pH和有機質的剖面分布分析見圖1。

圖1 各林分類型土壤剖面層pH值、有機質含量

從圖1可知，4種林分不同土壤層次pH值范圍為4.30～4.77，土壤為酸性。分析表明，除杉木混交林外，其它3個林分各土層間差異不顯著(P>0.05)。隨著土層深度的增加，4種林分的土壤有機質含量逐漸降低，櫟類次生林各土層中的有機質含量顯著高于杉木純林、杉木混交林和竹林(P<0.05)。杉木混交林和櫟類次生林0～20 cm土層有機質含量分別高于20～40 cm、40～60 cm土層21.99%、30.06%和20.66%、26.05%；杉木純林土壤有機質在不同土壤層次無顯著差異(P>0.05)；竹林0～20 cm、20～40 cm顯著高于40～60 cm土層(P<0.05)；不同林分相同土層比較，除杉木純林外，其它3個林分在0～60 cm各土層間均存在顯著性差異(P<0.05)。

2.2.2 不同林分土壤全量養分的剖面分布

從圖2可知，隨著土層深度的增加。除了杉木混交林外，其它3種林分類型其土壤全氮、全磷含量逐漸降低。杉木混交林不同土壤層次全磷的含量隨土層的加深，表現為先減少后增加的趨勢，0～40 cm土層減少21.43%，20～60 cm土層土壤全磷含量增加18.18%。在0～40 cm土層范圍內櫟類次生林土壤全氮含量減少25.87%，下降幅度較大。雙因素方差分析表明，對于全氮及全磷含量，除了櫟類次生林土壤表層(0～20 cm)均顯著高于其它土層(P<0.05)，其它3個林分各層土壤全氮、全磷含量間差異不顯著(P>0.05)。不同林分相同土壤層次比較，在0～20 cm土層，杉木純林、杉木混交林全氮含量差異不明顯(P>0.05)，櫟類次生林顯著高于其它3個林分(P<0.05)。在20～40 cm土層，除了櫟類次生林，其它3種林分土壤全氮含量差異性顯著(P<0.05)，除了竹林，其它3個林分在40～60 cm土層差異不顯著(P>0.05)。對于全磷含量，杉木純林、櫟類次生林同一土壤層次無顯著差異(P>0.05)，0～20 cm、40～60 cm土層杉木混交林均顯著高于竹林(P<0.05)。

圖2 各林分類型土壤剖面層次全量養分含量

2.2.3 不同林分土壤速效養分的剖面分布

從圖3可知，其中杉木混交林在0～60 cm土層范圍內隨著土層的加深土壤速效鉀含量表現出了先增加后減少的趨勢，0～40 cm土層范圍內土壤速效磷增加20.30%，20～60 cm土層范圍內減少了42.62%。櫟類次生林不同土壤層次的速效磷含量隨著土層的加深依次減少19.85%、47.96%。雙因素方差分析表明，對于速效磷含量，表現為櫟類次生林0～20 cm和20～40 cm土層顯著高于40～60 cm土層(P<0.05)，竹林各土層間差異顯著(P<0.05)，其它2種林分各土層間無顯著差異(P>0.05)。相同土層不同林分比較，杉木純林、杉木混交林、竹林之間不存在顯著性差異(P>0.05)，櫟類次生林0～20 cm土層顯著高于其它3個林分(P<0.05)。對于速效鉀含量，表現為除了櫟類次生林0～20 cm土層顯著高于20～40 cm和40～60 cm(P<0.05)外，其它3種林分不同土壤層次無顯著差異(P>0.05)。相同土層不同林分比較，0～20 cm土層，杉木純林顯著高于杉木混交林、櫟類次生林和竹林(P<0.05)，4種林分土壤速效鉀含量在20～40 cm土層差異不顯著(P>0.05)，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林在40～60 cm土層土壤速效鉀含量均顯著高于竹林(P<0.05)。

圖3 各林分類型土壤剖面層速效養分含量

2.2.4 不同林分土壤堿解氮和容重的剖面分布

從圖4可知，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林的堿解氮含量都隨著土層深度增加而降低，其中杉木混交林0～40 cm土層下降幅度較大，降低了16.98%。4種林分土壤容重均隨土層深度的增加而增大，其中杉木純林40～60 cm土壤密度呈最大，為1.17 g/cm3。雙因素方差分析表明，對于堿解氮含量，除了杉木混交林土壤表層(0～20 cm)顯著高于其它土層(P<0.05)，其它3個林分各土層間差異不顯著(P>0.05)。相同土層不同林分比較，櫟類次生林各土層堿解氮均顯著高于杉木純林和竹林(P<0.05)。對于土壤容重，杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林40～60 cm土層均顯著高于0～20 cm、20～40 cm土層(P<0.05)。不同林分相同土層比較，竹林土壤容重在0～20 cm土層顯著高于杉木純林、杉木混交林和櫟類次生林(P<0.05)；20～40 cm土層杉木混交林、杉木純林和竹林的土壤容重無顯著差異(P>0.05)；在40～60 cm土層杉木純林土壤容重最高，與其它3種林分存在顯著性差異(P<0.05)。

圖4 各林分類型土壤剖面層堿解氮、容重含量

2.3 不同林分土壤肥力綜合評價

從圖5可知，研究區杉木純林、杉木混交林、櫟類次生林和竹林不同樣地的土壤肥力綜合評價指數為0.02～0.58，評價等級分屬1、2、3級，其中：屬于1級的樣地分別為D10、D11、D12，占樣地總數的25%；屬于2級的樣地分別為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D9，占樣地總數的58%；屬于3級的樣地分別為D7和D8，占樣地總數的17%；分屬4、5級的樣地沒有。從林分類型看，研究區杉木純林的土壤肥力綜合評價指數為0.2～0.3，評價等級分屬2級；杉木混交林的土壤肥力綜合評價指數為0.22～0.29，評價等級分屬2級；櫟類次生林的土壤肥力綜合評價指數為0.39～0.58，評價等級分屬2、3級；竹林的土壤肥力綜合評價指數為0.02～0.14，評價等級分屬1級。總體上，4種林分土壤肥力綜合評價等級為櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林。

圖5 不同樣地土壤肥力綜合評價指數值和評價等

3 討論與結論

3.1 不同林分類型對土壤剖面養分分布的影響

植被的生長及演替過程等均受土壤養分、結構等多種因素的影響[17]。本研究區4種林分的pH值隨著土層的加深無明顯規律，pH值在4.30～4.77之間，呈酸性。究其原因，一方面研究區的類型為山地黃棕壤，這類土壤在高溫多雨環境條件下肥力較高，且由于礦物加速風化，鹽基不飽合及弱富鋁化形成的，因此黃棕壤本身呈酸性，另一方面森林凋落物中含有大量的木質素、單寧等物質，其分解過程產生的酸性物質的釋放會導致土壤酸化[18]。4種林分的土壤堿解氮及有機質含量隨土層加深而減少，這是由于林地表層枯落物的分解及細根周轉過程造成土壤養分具有“表聚性”特征[19-20]。其中櫟類次生林各土層全氮、全磷、速效磷含量均顯著高于其它2個林分，研究結果表明，樹種組成復雜多樣能在凋落物積累、土壤養分歸還及提高林地土壤肥力等方面發揮重要作用。杉木純林在 0～40 cm土層范圍內，土壤速效鉀含量下降幅度較大，減少24.04%，這是由于杉木純林具有較少的植物種類組成以及土壤水分的淋洗，植物吸收的氮、磷、鉀等養分最終以凋落物的形式歸還于土壤，因此土壤表層養分含量更高，尤其以速效養分含量較為明顯[21]。土壤表層受林下植被、枯落物、動物及微生物等因素的影響，導致表層土比深層土疏松，因此各林分土壤容重隨土壤深度的增加而增大。

3.2 不同林分類型對0～60 cm土層土壤養分含量的影響

影響土壤肥力水平的因素有樹種組成、空間結構等林分因子，不同林分類型的土壤養分通常表現出明顯差異[20,22-23]。土壤有機質是土壤中的各營養元素(尤其是氮和磷)的主要來源，是影響林分土壤肥力的關鍵因子。本研究區土壤有機質含量表現為櫟類次生林最大，混交林和杉木純林次之，竹林最小，這與劉成剛等[24]研究結論一致。由于針葉林、竹林相對于其它兩種林分，林地枯落物較為單一，且凋落物分解速率較為緩慢，次生林由于良好的先決條件，枯落物種類繁多，可以快速將各種動植物殘體分解轉化為有機質，土壤肥力狀況良好。氮是影響植物生長的重要養分因子，堿解氮是植物實際可利用的氮元素形態[25]。研究區4種林分類型土壤堿解氮含量表現為櫟類次生林高于其它3種林分，這與楊曉娟[26]研究結論一致。究其原因可能是與天然次生林其豐富的林下植被有關：植物發達的根系有助于降低土壤密度，改善土壤孔隙狀態和持水能力[27]；同時，地表枯落物以及活躍的微生物活動也可能對表層土壤結構質地的改善產生積極作用[28]。

土壤中的磷是植物生化過程中不可或缺的重要元素，研究區土壤全磷含量表現為櫟類次生林>杉木純林>杉木混交林>竹林，這與邵國棟等[29]研究結果基本一致。這是由于是櫟類次生林和杉木純林土壤表層枯落物較厚，淋溶作用弱，利于磷元素富集[30]。本研究區4種林分均表現出磷含量不足(速效磷<15 mg/kg)，因此，施加磷肥有利于樹木的生長。研究區杉木純林土壤速效鉀含量最大，高于杉木混交林、櫟類次生林，這與龔偉等[31]研究結果基本一致，原因可能是杉木純林林下凋落物較厚，減少了因降水造成的鉀的大量流失。

通過土壤肥力綜合評價指數，對4種林分類型進行了計算和排序，土壤肥力的結果顯示：櫟類次生林>杉木混交林>杉木純林>竹林。研究結果表明，林分樹種種類的組成、凋落物的理化性狀以及分解難易程度，根的生長和分布有助于土壤生態功能的改善和土壤肥力的提高[32-33]。土壤肥力排序的結果可為科學經營福壽林場4種典型林分土壤提供數據支撐和理論參考。相對于人工杉木純林，天然次生林和杉木混交林有利于土壤養分的積累，因此，建議對杉木純林進行補植改造，使其人工純林向針闊混交林方向轉變。

3.3 結論

通過比較研究位于湖南省平江縣福壽林場4種不同林分類型的土壤肥力狀況，結果顯示土壤堿解氮、有機質、速效鉀含量隨土層加深而降低，且不同林分類型的土壤有機質及速效養分含量差異較大，研究結果認為櫟類次生林土壤肥力質量最好，竹林最差，與杉木純林相比，天然次生林和杉木混交林土壤養分易富集。本文基于乘除法的原理確定林分土壤綜合評價指數，與其它傳統評價方法相比，計算量小，模型參數可根據不同的土壤系統適當增減，適用性強。為了更全面地了解研究區的土壤肥力特征以及驗證該評價指數的科學性和適用性，下一步應加強土壤生物學性狀方面的研究。