海南省楓木實驗林場樹木園土壤養分評價

陳人豪，韋建杏，田樂宇，陳修仁

海南省林業科學研究院（海南省紅樹林研究院），海南 海口 571100

森林土壤是森林生態系統的重要組成部分，既是森林環境與生物相互作用的產物，也是森林生態系統中能量和物質交換的重要場所，為森林植被提供了生長發育的載體和賴以生存的物質基礎[1-2]。土壤養分是土壤環境中易于變動和調節，并對維持森林植被的生長發育起決定作用的環境因子[3]，主要包括全氮、全磷和全鉀等全量養分；堿解氮、速效鉀和有效磷等速效養分以及有機質。同時，土壤pH會對土壤理化性質產生重要影響。

賀志龍等[4]對華北落葉松天然林的研究、楊曉娟[5]等對長白山地區不同森林類型土壤肥力研究，以及于法展[6]對廬山8種森林類型土壤養分的研究等，均表明不同森林類型的土壤養分含量在垂直方向上基本都隨著土壤深度的增加而逐漸降低，降低的程度和顯著度則因土壤養分類型的不同而有所差異。吳志祥等[7]對不同林齡橡膠園的土壤養分進行研究，結果表明，土壤全氮和有機質含量均隨土層加深而降低，兩者之間呈極顯著正相關。

前人對于森林土壤的研究多集中于天然林、次生林和人工純林等，對于近自然經營的用于保存林木種質資源的樹木園研究較少。文章以海南省楓木實驗林場近自然經營的樹木園為研究對象，對其土壤養分特征進行分析及評價，為樹木園的合理經營和林木種質資源保存提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究地及樣地概況

研究區位于海南省楓木實驗林場（19°11′38″N～19°15′52″N；109°56′17″E～109°58′15″E），地處熱帶海洋季風氣候地區，屬低山、丘陵地貌，海拔250m～450m，土壤類型主要為磚紅壤和赤紅壤。年平均氣溫24.5℃，年均降雨量1500m～2500mm，降雨多集中在雨季（5～10月份），11月至翌年4月為旱季，降雨較少[8]。

表1 樣地概況Tab.1 Plot General Situation

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集與土壤化學性質測定

在樹木園內隨機設立3個土壤調查樣地（20m×20m），采用土鉆取土法，在每個樣地內按照“Z”字形選9個點進行取土，每個點之間相距3.0m。從上至下，按照深度（d）將土壤分為0cm＜d≤10cm、10cm＜d≤20 cm、20cm＜d≤30cm、30cm＜d≤50cm、50cm＜d≤100cm五個土層，分別記為S1、S2、S3、S4，S5依次分層取土。

將取回的土壤樣品置于陰涼通風處風干，粉碎土塊，挑出根系、石塊后進行研磨，研磨后使用100目土篩過篩備用。使用電位法測定pH；使用重鉻酸鉀—氧還滴定法測定有機質；使用半微量開氏法測定全氮；使用酸溶—鉬銻抗比色法測定全磷；使用堿溶—火焰光度法測定全鉀；使用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗吸光光度法測定有效磷；使用乙酸銨浸提—火焰光度法測定速效鉀；使用KCl浸提—流動分析儀法測定硝態氮和銨態氮。

1.2.2 土壤養分評價

由于土壤pH、氮磷鉀含量等屬性具有不可加和性，所以在對各林分的土壤養分進行評價前需將各指標的測定值進行標準化處理，以消除各指標間的量綱差別。常見的標準化方法有直線型、折線型和曲線型無量綱化法[9]，參考全國土壤養分含量分級標準（表2），設定土壤屬性分級標準（表3），研究采用六折線型無量綱化方法進行標準化處理，具體如下：

（1）當測定指標值屬于“六級”時，即Si≤K1時，

瀝青混凝土心墻具黏彈塑性質，而混凝土基座為剛性結構，根據SL501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》，本工程采用在瀝青心墻底部設擴大段、在混凝土基座面采用弧形底連接型式。設計瀝青混凝土心墻擴大段高度2.0m，擴大后底部寬度2.0m；混凝土基座表面弧形接觸面頂寬2.0m、深0.2m；為增加瀝青心墻與混凝土基座的黏結力和防滲效果，施工時接觸面混凝土首先進行鑿毛處理，再噴涂0.2kg/m2的陽離子乳化瀝青，待充分干燥后，最后涂刷一層厚2cm的瀝青瑪脂，并在凹槽內一道紫銅止水連接。

（2）當測定指標值屬于“五級”時，即K1＜Si≤K2時，

（3）當測定指標值屬于“四級”時，即K2＜Si≤K3時，

（4）當測定指標值屬于“三級”時，即K3＜Si≤K4時，

（5）當測定指標值屬于“二級”時，即K4＜Si≤K5時，

（6）當測定指標值屬于“一級”時，即K5＜Si時，

式中：Pi為第i個指標的肥力系數，簡稱肥力系數；Si第i個指標的測定值；K1、K2、K3、K3、K4、K5分別為各肥力指標“六級”至“一級”的分級標準（表3）。

評價模型：

采用修正的內梅羅綜合指數法對林分土壤肥力質量進行綜合評價[10]。計算公式為：

式中：Pj為土壤綜合肥力系數（土壤養分系數之和）；Pi平均為土壤各肥力系數的平均值；Pi最小為土壤肥力系數的最小值；n為參與評價的土壤肥力指標個數。

表2 全國土壤養分含量分級標準Tab.2 National Soil Nutrient Content Grading Standards

表3 土壤肥力分級標準Tab.3 Classification Standard of Soil Fertility

根據土壤肥力分級標準（表3），利用式（1）～（7）進行標準化計算，設立土壤肥力系數分級標準（表4），計算土壤肥力系數，進行土壤養分評價。

表4 土壤肥力系數分級標準Tab.4 Classification Standard of Soil Fertility Coefficient

1.2.3 數據整理與分析

使用Excel 2019和SPSS 20.0進行數據整理、圖表制作及數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤養分特征

由表5可知，隨著土層的加深，樹木園土壤：pH呈緩慢升高趨勢，但各土層間無顯著差異；S5土層pH最大，為5.36±0.36。有機質含量呈顯著降低趨勢；S1土層、S2土層、S3和S4土層、S5土層間差異顯著；S1土層有機質含量最高，為25.53±6.56g·kg-1。全氮含量呈明顯降低趨勢；S1、S3、S5土層間差異顯著；S1土層全氮含量最高，為1.89±0.32g·kg-1。全磷含量呈先升高再降低的趨勢，但各土層間差異不顯著；S5土層全磷含量最高，為1.50±0.32g·kg-1。全鉀含呈先升高再降低趨勢；S1、S2、S3土層與S5土層差異顯著；S3土層全鉀含量最高，為32.64±2.89g·kg-1。有效磷含量呈先降低再升高的特點；S1土層、S3和S4土層、S5土層間差異顯著；S5土層有效磷含量最高，為17.08±4.54mg·kg-1。速效鉀含量呈明顯降低趨勢；S1、S3、S5土層間差異顯著；S1土層速效鉀含量最高，為79.78±25.21mg·kg-1。硝態氮含量呈顯著降低趨勢；S1、S2土層與S4、S5土層差異顯著；S1土層硝態氮含量最高，為26.50±8.85mg·kg-1。銨態氮含量呈降低趨勢，但各土層無顯著差異；S1土層銨態氮含量最高，為13.32±1.01mg·kg-1。

S1土層與S2、S3、S4、S5的比值：有機質為7.82、5.76、3.56、2.15；全氮為3.55、2.72、2.02、1.47；全磷為0.78、0.72、0.64、0.62；全鉀為1.30、1.33、1.38、1.24；有效磷為0.56、0.32、0.16、0.14；速效鉀為6.46、3.45、1.99、1.40；硝態氮為10.09、4.38、1.91、1.10；銨態氮為1.78、1.52、1.69、1.18。

表5 樹木園土壤理化性質Tab.5 Physico Chemical Properties of Tree Garden Soil

2.2 土壤養分垂直分布與土層深度的擬合方程

用二次曲線、指數曲線、對數曲線和復合曲線等曲線函數模型對樹木園土壤有機質、全氮等8種營養成分的含量（N）與土層深度（d）進行擬合，以F值和R2評定模型的擬合程度，選出樹木園土壤各營養成分垂直分布的最適回歸模型。

結果表明（表6），樹木園土壤有機質和銨態氮含量，指數曲線（lnN=a+b×d）擬合效果最好；土壤全氮和全鉀含量，二次曲線（y=ax2+bx+c）擬合效果最好，土壤速效鉀和硝態氮含量三次曲線（y=ax3+bx2+cx+e，e為常數）擬合效果最好；土壤全磷和有效磷含量未找到最適函數擬合方程。

表6 樹木園土壤養分擬合方程Tab.6 Soil Nutrient Fitting Equation of Tree Garden

2.3 土壤養分評價

根據全國土壤養分分級標準（表2），樹木園中土壤養分含量為四級（中）及以上的（見表7）：S1土層為有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷和速效鉀；S2土層為有機質、全氮、全磷、全鉀和有效磷；S3土層為有機質、全氮、全磷和全鉀；S4土層為全氮、全磷和全鉀；S5土層為全磷、全鉀和有效磷。除有效磷外，各土壤養分均隨土層加深而含量降低；全磷和全鉀含量在各土層均含量很高（二級），堿解氮含量在各土層都為五級（低）及以下。

總的來看，樹木園土壤表層（S1土層）除堿解氮含量為低級外，其他均為中、高或極高（表7），綜合肥力系數最高（2.36），但根據土壤肥力系數分級標準（表4），表層土壤肥力也僅為一般，其它土層均為貧瘠；且隨土層加深，土壤綜合肥力系數逐步降低（表8）。

表7 樹木園土壤養分含量分級Tab.7 Classification of Soil Nutrient Content in Arboretum

表8 樹木園土壤養分肥力系數Tab.8 Soil Nutrient Fertility Coefficient of Arboretum

3 結論與討論

3.1 結論

海南省楓木實驗林場樹木園土壤肥力總體較為貧瘠，綜合肥力隨土層加深而明顯下降，土壤養分的表聚現象明顯，有效磷、速效鉀和堿解氮是影響樹木園土壤綜合肥力系數的主要指標。因此，改善樹木園的土壤肥力狀況，提高土壤有效磷、速效鉀和堿解氮含量是關鍵。

3.2 討論

森林土壤是森林植被生長的物質基礎，土壤的水分和養分含量直接決定著林木生長和林分質量，其組成結構和空間分布格局對土壤生產力有重要影響[11-12]。雖然森林土壤的成土母質、氣候、地形和地表植被各異，但森林土壤養分含量基本都表現出表聚性，養分含量隨土層的加深而明顯下降[13-14]。

該研究顯示，樹木園的土壤肥沃程度，僅S1土層肥沃程度一般，其它各土層均為貧瘠。各土壤養分含量在總體上均呈隨土層加深而降低的趨勢；土壤養分主要分布于S1和S2土層中，在S1土層土層分布最為豐富，綜合肥力系數最高，各土層的土壤綜合肥力系數隨土層的加深而下降，說明樹木園土壤養分的表聚現象明顯，這與眾多研究一致[15-16]。

從土壤養分分級來看，樹木園土壤中有機質、全氮、全磷和全鉀含量較為豐富；能被林木根系直接吸收的有效磷、速效鉀和堿解氮的含量則較少，這也是導致土壤肥力系數較低的主要因素。這與唐群峰[15]等對海南土壤肥力的研究結果一致。土壤表層綜合肥力系數較大，可能是因為林木根系分布集中于土壤表層，根系周轉和凋落物等共同作用下，使土壤表層有機質和氮磷鉀含量較高[17]。

樹木園土壤各土層的有效磷、速效鉀和堿解氮含量均為中等（四級）及以下，是因為熱帶地區氣候炎熱多雨，加速了土壤速效養分的淋溶，致使土壤速效養分含量很低[18-19]，堿解氮含量更是只有五級（低）及以下。全磷和全鉀含量各土層均為一級和二級，一般而言磚紅壤中全鉀含量較低，但該研究結果顯示全鉀含量很高，這可能是丘陵區成土母質和巖石等裸露較多，受淋溶效應明顯，易溶的速效鉀流失而大量難溶的鉀滯留于土壤中，致使全鉀含量偏高。