桂北地區3種人工林土壤質量評價

梁惠子,潘會彪,蔣 燚,鄧玉華,曹順平,張澤堯*

(1.廣西壯族自治區林業科學研究院,廣西南寧 530002;2.廣西壯族自治區國有黃冕林場,廣西鹿寨 545600)

森林土壤承載著生態系統物質循環和能量流動等生態活動,影響植物的生存[1]。森林土壤肥力是土壤物理、化學和生物性質的綜合反映[2],反映供給植物生長所需養分的能力。土壤肥力與林業可持續發展密不可分,因此,客觀評價土壤肥力質量,是充分保護和高效培育森林資源的前提條件,對科學推進森林經營具有重要意義[3]。眾多學者對人工純林地、混交林地、不同植被恢復區和不同森林生態系統土壤質量開展了研究。如人工闊葉林土壤質量綜合得分高于針葉林[4];常綠闊葉林地土壤肥力質量大于針闊混交林和針葉林[5];不同林分類型下,闊葉混交林地土壤肥力由闊葉混交林、杉木林、馬尾松林、相思林和桉樹林依次減小[6],上述研究為深入研究不同林分類型的土壤質量狀況提供了科學依據,但不同闊葉混交林之間的土壤質量差異情況卻鮮見報道。然而,土壤質量評價尚缺乏統一的評價方法體系,常用的評價分析方法為主成分分析法[6]、模糊綜合評價法[7]、模型評價法[8]和最小數據集法[9]等。此外,目前對于人工林地和混交林地的土壤質量評價研究主要集中于采用單種評價方法[4-5],同時采用多種評價方法的研究較為鮮見。不同評價方法采用的指標和標準不同,評價結果反映的意義也存在差異。因此,有必要研究不同評價方法對土壤質量綜合評價的影響,利于從不同角度分析土壤質量狀況。

廣西國有黃冕林場屬于亞熱帶常綠闊葉針葉林區,人工植被主要樹種有桉樹(Eucalyptusrobusta)、木荷(Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurel)等,針葉林主要代表植物有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等[10]。為評估黃冕林場的林地土壤質量,助力森林資源高質量發展,筆者以木荷+馬尾松混交林、木荷+桉樹+火力楠混交林、木荷+桉樹+米老排(Mytilarialaosensis)+大葉櫟(Quercusgriffithii)3種混交林為研究對象,采用模糊綜合評價法和主成分分析法對各林分類型的土壤質量進行量化評價,分析土壤養分含量和肥力質量變化狀況,以期為林地資源的可持續經營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況研究地位于廣西國有黃冕林場的波寨分場(109°43′46″～109°58′18″E,24°37′25″～24°52′11″N),處于廣西柳州鹿寨縣與桂林永?？h交界處。地處北回歸線以北,屬于中亞熱帶氣候,受到季風氣候影響,溫暖多雨,水熱同期,年平均氣溫19 ℃,年降水量1 750～2 000 mm。土壤主要為砂巖、砂頁巖和夾泥巖發育而成的山地黃紅壤、紅壤。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設置和取樣。選取經營管理措施一致的22年生木荷+馬尾松混交林(Ⅰ)、6年生木荷+桉樹+火力楠混交林(Ⅱ)與8年生木荷+桉樹+米老排+大葉櫟混交林(Ⅲ)為研究對象(表1),在每種林分類型中各選擇3個面積為400 m2的固定樣地,沿著每個樣地的對角線按上坡、中坡和下坡選取3個土壤剖面,每個土壤剖面分為0～20、20～40 cm。去除根系和石塊等雜物后,分別采集土樣約1 kg裝入自封袋中,帶回實驗室,9個樣地共采集54份樣品。同個林分類型同一土層土樣混合均勻后,采用四分法取適量樣品進行試驗測定。在固定樣地內進行每木檢尺,測定并記錄喬木胸徑、樹高、冠幅等因子。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic information of the plot

1.2.2土壤化學性質測定。pH采用酸度計電位法測定,有機質(SOM)含量采用重鉻酸鉀法測定,總氮(TN)含量采用凱式定氮法測定,速效氮(AN)含量采用堿解擴散法測定,總磷(TP)含量采用NaOH濕法消化測定,速效磷(AP)含量采用鉬藍比色法測定,全鉀(TK)含量采用火焰光度計法測定[11]。

1.2.3土壤養分庫綜合指數法。選取土壤SOM、TN、AN、TP、AP和TK建立指標評價體系,采用綜合指數法[7]定量評價不同林分類型土壤養分庫。選取《全國第二次土壤普查養分分級標準》中等級別的下限值作為土壤養分含量的臨界值[12]。

土壤養分單項指數(y)計算公式為:

式中,X、M分別為各指標的實測值和土壤養分含量臨界值。

土壤養分綜合指數(I)計算公式如下:

式中:yij為第i種類型第j個指標值;i為類型;n為土壤養分指標。

1.2.4內梅羅綜合指數法。采用內梅羅綜合指數法綜合評價不同林分類型的土壤肥力質量[13-14],參照《全國第二次土壤普查養分分級標準》(表2)對SOM、TN、AN、TP、AP、TK共6個指標進行標準化處理,以消除各參數間的量綱差別。方法如下:

式中:Fi為土壤各分肥力系數;ci為該測定數值;xa、xp、xc為設置的分級標準(表3)。修正的內梅羅計算公式如下:

表2 全國第二次土壤普查養分分級標準Table 2 Nutrient grading standards for the second national soil census

表3 內梅羅綜合指數法中土壤各指標的分級標準Table 3 Grading criteria for soil properties in the Nemero assessment method

表4 土壤綜合肥力等級Table 4 Soil comprehensive fertility grade

1.2.5主成分分析法。參考袁星明等[4,16]的方法,將7個指標進行標準化處理。當土壤指標與土壤質量呈正相關時,SOM、TN、AN、TP、AP、TK呈“S型”,反之則為拋物線形,計算公式分別為

式中:Xij為各指標的隸屬度值;X為原始數值;Xmax和Xmin為各指標的最大值和最小值。主成分分析選擇特征值>1的主成分,構建各主成分的數學模型。以各主成分的方差貢獻率與累計方差貢獻率占比為權重,通過如下公式計算土壤質量評價指數F(SQI)。

式中:F(SQI)為土壤質量綜合指數;n為主成分數量;ai為主成分各因子得分系數。

1.3 數據處理采用Excel(2016)統計各項指標均值、標準誤,采用SPSS 26.0單因素方差分析(one-way ANOVA)的LSD法比較同一土層不同林分類型各土壤指標的差異顯著性,獨立樣本T-檢驗比較同一林分類型不同土層同一土壤指標的差異顯著性,利用KMO、Bartlett球形檢驗及主成分分析法進行土壤質量評價。以土壤pH、SOM、TN、AN、TP、AP、TK土壤指標為自變量,土壤質量綜合評價指數為因變量進行逐步回歸分析。以上統計分析顯著性水平均設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤pH及養分指標

2.1.1土壤pH及SOM含量。由圖1可知,3種類型土壤pH為6.45～7.85,其中類型 Ⅰ、Ⅱ土壤pH偏酸性,類型Ⅲ土壤偏堿性,不同類型土壤pH在同一土層的變化無顯著差異,隨著土壤深度增加未發生顯著性改變。

土壤SOM隨著土層下降其含量顯著降低(P<0.05),表明表層土壤SOM含量高。不同土層中,類型 Ⅰ、Ⅱ土壤SOM含量均顯著高于類型Ⅲ(P<0.05)。對照全國第二次土壤普查SOM含量分級標準(表2),0～20 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM含量均值含量達2級,類型Ⅲ土壤達3級;20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM均值含量達3級,類型Ⅲ土壤達4級。

2.1.2土壤氮素。由圖1可知,同一土層不同類型之間土壤TN含量無顯著差異(P>0.05),但隨著土層深度增加,TN含量顯著降低(P<0.05)。對照表2,0～20 cm土層類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量達2級,20～40 cm土層類型 Ⅰ土壤TN含量均值含量達3級,類型Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量達2級。

0～20 cm土層不同類型土壤AN含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ土壤AN含量顯著高于類型Ⅲ(P<0.05)。0～20 cm土層類型Ⅱ土壤AN含量顯著高于類型 Ⅰ、Ⅲ(P<0.05),類型Ⅲ土壤AN含量顯著低于類型 Ⅰ、Ⅱ(P<0.05)。對照表2,在0～20 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤AN含量均值達2級及以上,20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅱ的AN含量均值達3級,類型Ⅲ達4級,表明土壤AN含量隨土壤加深而減小。

2.1.3土壤磷素。由圖1可知,在0～20 cm土層不同類型的TP含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),對照表2,0～20 cm土層3種類型的土壤TP含量均值均達1級(很高水平),20～40 cm土層類型 Ⅰ、Ⅲ達2級,類型 Ⅱ 達3級。

在0～20 cm土層不同類型土壤AP含量顯著高于20～40 cm土層(P<0.05),且0～20 cm土層類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型Ⅰ(P<0.05)。對照表2,0～20 cm土層3種類型、20～40 cm土層Ⅲ類型土壤AP含量均值均達1級(很高水平)。這表明闊葉樹種增多顯著增加0～20 cm土層范圍TP、AP含量,對土壤P含量產生顯著影響。

2.1.4土壤鉀素。由圖1可知,0～20 cm土層不同類型土壤TK含量顯著高于20～40 cm(P<0.05)。0～40 cm土層類型 Ⅰ顯著小于類型 Ⅱ、Ⅲ(P<0.05),表明不同類型對土壤TK含量有明顯影響。對照表2,0～20 cm土層不同類型土壤TK含量均值達2級,20～40 cm土層不同類型土壤TK含量均值達3級。

2.2 土壤養分庫綜合指數土壤養分庫綜合指數越高,表明土壤養分含量越大。不同類型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK單項指數均大于1,表明各指標含量高,20～40 cm土層TK單項指數均小于1,表明TK含量缺乏。0～20 cm土層土壤養分庫綜合指數以類型 Ⅱ 和 Ⅲ 顯著高于類型 Ⅰ(P<0.05),表明類型 Ⅱ、Ⅲ土壤養分含量最高。20～40 cm土層土壤養分庫綜合指數顯著小于0～20 cm土層(表5、6)。

表5 土壤養分含量均值及臨界值

表6 土壤養分指標單項指數與綜合指數Table 6 Individual indices and composite indices of soil nutrient indicators of different plantations

2.3 土壤肥力評價土壤肥力水平影響著土壤質量與植物長勢,對各類型0～20和20～40 cm土層土壤肥力進行定量化綜合評價,結果見表7。由表7可知,0～20 cm土層3種類型土壤綜合肥力系數為1.99～2.26,屬于土壤綜合肥力等級的2等,土壤肥沃;20～40 cm土層各類型土壤綜合肥力等級為3級,土壤肥力一般。

表7 土壤分肥力系數與綜合肥力Table 7 Soil fertility coefficient and comprehensive fertility of different plantations

2.4 土壤質量綜合評價對土壤指標進行KMO檢驗,結果為0.668,Bartlett檢驗結果P<0.01,符合主成分分析條件。主成分分析結果顯示(表8),前2個主成分的方差累計貢獻率為92.431%,可較為完整地解釋不同林分類型土壤原始數據的全部信息量。第1主成分的特征值為5.131,主要綜合了SOM、TN、AN、TP、AP、TK,第2主成分特征值為1.339,主要為pH。根據2個主成分得分系數,建立各主成分(F1、F2)數學模型表達式,帶入隸屬度值后求得各主成分得分。以各主成分的方差百分比占累計方差的比例作為權重值,通過加權計算出土壤質量綜合評價函數F(SQI)(表9),計算公式如下:

F1= (-0.540×pH) + (0.159×SOM) + (0.188×TN) + (0.161×AN) + (0.187×TP) + (0.197×AP) + (0.186×TK)

F2=(0.737×pH) + (0.274×SOM) + (-0.070×TN) + (0.260×AN) + (-0.119×TP) + (-0.172×AP) + (-0.930×TK)

F(SQI)= 0.793×F1+ 0.207×F2

表8 土壤質量指標主成分分析Table 8 Principal component analysis of soil quality indicators of different plantations

0～20 cm土層3種類型的土壤質量綜合評價排名為:類型 Ⅱ(0.880)>類型 Ⅰ(0.765)>類型 Ⅲ(0.738);3種林分土壤質量綜合評價得分隨土層加深而減小,表現為類型 Ⅱ(0.318)>類型 Ⅰ(0.245)>類型 Ⅲ(0.191)(表9)。

表9 土壤質量綜合指數Table 9 Composite soil quality index

逐步回歸分析結果表明,指標AN能單獨解釋土壤質量指數變異的93.1%,具有較高解釋度;指標AN、AP、SOM、TN及pH能共同解釋土壤質量指數變異的99.9%,表明AN、AP、SOM、TN及pH對土壤質量均有較強的影響(表10)。

表10 土壤指標與土壤質量指數的逐步回歸分析Table 10 Stepwise regression analysis of soil indicators and soil quality index

3 討論與結論

3.1 討論該研究發現,在0～40 cm土層范圍內,3種林分類型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK含量均隨土層加深而顯著減小(P<0.05),這與前人[17-18]研究結果一致。這是由于累積于地表的凋落物和動物的排泄物、分泌物和殘體為土壤表層提供了大量有機質來源[4,8],隨著土層加深,有機質和養分含量逐漸下降,因此0～20 cm土層范圍的土壤養分含量高于20～40 cm。

在自然條件下,由于不同植被類型的凋落物不同,凋落物的分解速率和土壤微生物作用存在差異,其土壤養分含量也不同[6,19]。在0～20 cm土層范圍內,類型 Ⅰ 土壤各養分含量參照全國土壤養分分級標準均達到中上水平,且各養分因子單項指數(y)均大于1,表明類型 Ⅰ 土壤養分含量較高,但土壤TK含量顯著小于其他類型,且TK土壤養分單項指數(y)較小,可能是類型 Ⅰ 人工林對鉀元素具有較高的需求量[4]。后期在經營管理措施中應進行動態監測,及時補充鉀元素。此外,類型Ⅱ、Ⅲ的土壤TK含量顯著高于類型 Ⅰ(P<0.05),表明闊葉混交林模式相比針闊混交林,更有利于增加土壤養分。該研究結果顯示,類型Ⅲ土壤SOM和AN含量顯著低于其他類型(P<0.05),落葉闊葉樹種增多,有機質卻隨之減少,出現這一現象可能與微生物的種類和數量、酶的活性和數量有關[19]。落葉闊葉樹種增多,易分解軟質的枯落物也增多,利于凋落物養分歸還不利于有機質積累[20]。也有可能與土壤pH有關,pH升高提高了微生物活性,使得機質加快分解速率,導致有機質含量降低[21]。土壤有機質是土壤N重要的營養庫,是有效N的主要來源[22],SOM含量降低可能導致AN含量減少。

該研究采用的3種土壤質量評價方法結論不盡一致。土壤養分庫綜合指數法的評價結果表明,落葉闊葉樹種增多,土壤表面易積累較多的凋落物,使得凋落物有較早歸還養分和增加土壤肥力的能力[23],因此土壤養分含量由類型Ⅲ、類型Ⅱ和類型Ⅰ依次減小。采用內梅羅綜合指數法的評價結果表明,3種林分類型的土壤肥力狀況均肥沃,結合土壤肥力綜合系數來看,2種闊葉混交林相比針闊混交林更有利于提升土壤肥力,由于內梅羅綜合指數法采用標準化處理后數值之間較為接近,因此造成各林分類型綜合肥力系數差異不大[6]。主成分分析法側重統計權重,能從眾多指標中提取對土壤質量具有重要影響的因素,結合逐步回歸分析表明AN是影響土壤質量最主要的因子之一,類型Ⅲ土壤AN含量顯著低于其他類型,由此造成了不同類型土壤質量差異。這表明需及時監測類型Ⅲ的土壤有效氮素含量情況,以防止土壤養分缺失。

3.2 結論該研究采用3種土壤質量評價方法,由于評價方法的側重點不同,評價結果不盡一致。土壤養分庫綜合指數法表明,土壤養分含量表現為類型Ⅲ>類型Ⅱ>類型 Ⅰ;土壤肥力綜合評價法表明0～20 cm土層范圍內所有類型土壤肥力等級均為肥沃。主成分分析法的評價結果表明,土壤質量表現為類型Ⅱ>類型 Ⅰ>類型Ⅲ,這主要由于土壤AN含量是影響土壤質量最主要的限制因子之一,由此造成了不同林分土壤質量的差異。因此,在進行不同林分土壤質量科學評價的過程中,應根據評價體系中的指標數量和類型確定合適的評價方法。