不同齡組杉木林空間結構和土壤養分特征及其關聯度

中圖分類號：S791.27 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X（2025）07-0115-08

Spatial structure and soil nutrient characteristics of Cunninghamia lanceolata forest of different age groups and their correlations

WUShuping，CAOXiaoyu，YANWendeab，YUANDal，ZHANG Zelian，WANGMenglei2，HUANG Xinhua，XIANGYuin （a.CollegeofForestry;b.NationalEngineeringLaboratoryforAppliedTechnologyofForestryamp;EcologyinSouth China， CentralSouth UniversityofForestryamp;Technology， Changsha 41ooo4，Hunan，China）

Abstract：【Objective】TosudytheefectofthespatialstructureofCuninghamialanceolatforeststandsonsoilutrintsadto provideatheoreticalbasisforthedevelopmentofmeasuestooptimizetespatialstructureofforesttandsfortepuposeofiproving thesoil nutrientcontentofCuninghamialanceolataforests.【Method】Theyoungforest，middle-agedforestandmatureforestin Fushouforestfarmweretakenastheresearchbjectstoanalyzethediferencesinthspatialstructureandsoilnutrientontentof thestandsineachagegroup，thegrayintegratedorelationdegreemethodwasusedtoexplorethedegreeofassociationbetweenthe spatialstructureofforesttandsandoilnutrentcontetiachgegroup.【Result】Tereweresignifcantdiferenesintecomplete minglingindex，storeyindexopeningdegree，conpetitionindexofCunninghamialanceolataindifrentagegroups （Plt;0.05 ），while the uniform angle index difference were not significant （Pgt;0.05 ）. In the same age group，the contents of soil organic matter， total nitrogenavilaberonlbloasdieengfoilautotsfotalod availablephospousdidotangesignintlyihteepeingofsoilaeOandtotalNachoilerdreasddt increasedwithandagendtereesignicantdifereesintsaesoillaeriachagegropdindifntsoillasinte same age group （Plt;0.05） ；totalPinthe 0-15cm soil layer increasedand thendecreased with forestage，and totalPinthe15-30and 30-45cm soil layers decreased and then increased with forest age;AvailableNin the O-15and 30-45cm soil layers decreased and then increasedwith forestage，whileavailableNinthe 15-30cm soil layer increased with forest age，and theavailableNcontentinthe 0-15 and 30-45cm soil layers differed significantly among age groups （Plt;0.05） ; Available Pand available K content in each soil layer did notchangesignifcantlywithforestages.Uniformangle indexandcompetitionindex werecommonstandstructurefactors tattrongly influenced soilnutrientcontentacrossagegroups.【Conclusion】Anthropogenic disturbancemeasurescanbetakentoimprovesoil nutrientcontent byadjusting the horizontal distribution paternofforest trees andreducing the standcompetition. Keywords： Cunninghamia lanceolata forest; stand spatial structure;soil nutrients; grey integratedconnectiongrade

杉木Cunninghamialanceolata在我國南方地區廣泛栽植，生長迅速且適應性強，但多年的廣泛連種且多為純林，導致林分結構不合理、土壤肥力減退、土壤生物及微生物活性降低及土壤質量下降等一系列問題產生[]。土壤養分質量是維持林木生長以及森林生態環境穩定的關鍵，是構成森林生產力的重要因素[2-3]。研究顯示，不同林齡人工林土壤養分含量差異的原因主要是植物生長過程中凋落物數量、根系分泌物以及林分結構發生變化而引起的[4，而林分空間結構作為森林經營中最易調控的因子[5]，其結構調整將直接影響到林內微環境，改變土壤有機碳和微生物的分解過程，進而導致土壤養分供應能力改變[8，因此，探究林分空間結構與土壤養分含量的相關關系具有重要作用。

目前已有大量林分空間結構對土壤養分含量的影響研究，其中較多的研究通過對比分析不同林齡、不同林分密度及不同樹種多樣性程度下土壤養分含量的差異來表明林分結構對土壤養分含量具有重要影響[9-1]。孫宇等[12]基于通徑分析研究林分空間結構對土壤養分的影響時指出，林層指數與混交度對土壤養分含量的直接影響最強；曹小玉等[13]采用線性回歸分析、典型相關分析也指出，混交度及林層指數對土壤養分含量具有顯著影響，其原因是林內樹種種類越多，林層結構越復雜，林分垂直方向上的樹冠重疊交錯，形成更多的凋落物，進而提高土壤養分含量。研究得出影響土壤養分含量的主導林分空間結構指標一致，但這些方法的前提是在假定變量之間為線性關系下而進行的統計分析，用于探討林分空間結構對土壤養分的影響還不夠全面。胡園杰等[14通過灰色關聯度法研究指出，杉木公益林幼、中、近熟林3個齡組與土壤水源涵養功能關聯較大的共同林分空間結構指標為角尺度，其中灰色關聯度法是在比較研究對象發展態勢的相似或相異程度下揭示兩者的關聯程度，該方法在針對小樣本及貧信息不確定的系統中，相比于線性分析方法有更突出的優勢，而劉思峰等[15改進的灰色綜合關聯度法在反映研究對象之間本身的相似情況時，還能反映出研究對象在不斷變化的過程中的相似程度，能夠更加全面科學地反映兩者的關聯程度。為此，本研究全面分析不同齡組杉木林林分空間結構及土壤養分含量的特征，運用灰色綜合關聯度法探究不同林齡林分空間結構與土壤養分含量的相關關系，以期找到顯著影響土壤養分的主要林分空間結構因子，為以改善杉木林土壤養分含量為目標的林分空間結構調整提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖南省平江縣福壽林場C ?28^°03^′00^′′～28^°42^′30^′′N ， 113^°41^′17^′′～ 113^°45^′00^′′E ），林場面積 1 275hm² ，屬濕潤大陸性季風氣候，海拔最高達 1573m ，最低 835m 年平均氣溫 12^°C ，年降水量 2100～2300mm 年均相對濕度 87% 左右。場內植被種類豐富，森林覆蓋率高達 93.41% 。林場土壤類型隨海拔變化呈現出不同類別，海拔 800m 以下時，土壤類型為山地黃攘， 1400m 以上有少量草甸土，大多為山頂和山脊， 800～1400m 土壤屬于山地黃棕壤。場內主要喬木樹種有杉木（杉）、柳杉Cryptomeriafortunei（柳）、毛竹Phyllostachysheterocycla、毛櫻桃Cerasustomentosa（毛）、泡桐Paulowniafortunei（泡）、馬尾松Pinusmassoniana（馬）、野山椒Capsicumfrutescens（椒）、黃山松Pinustaiwanensis（黃）、刺槐Robiniapseudoacacia（刺）、苦楝Meliaazedarach（楝）、光皮樺Betulaluminifera（樺）、苦赭Castanopsissclerophylla（褚）、欒樹Koelreuteriapaniculata（欒）、紅豆杉Taxuschinensis（紅）等，林下灌草主要為鹽膚木Rhuschinensis、杜鵑Rhododendronsimsii、蕨類及五節芒Miscanthusfloridulus等。本研究中杉木公益林均為皆伐跡地上人工更新營造而成。

1.2 數據來源

本研究選取6年生幼齡林、13年生中齡林及26年生成熟林各5塊面積為 20m×30m 的樣地，將每塊樣地以相鄰網格法劃分為6個 10m×10m 的調查單元，西南角為原點，統計樣地內胸徑達到 2cm 以上的喬木樹種的胸徑、樹高、冠幅及每株樹木的坐標數據 （x，y） ，同時記錄每塊樣地的坡向、坡度、海拔、土壤類型等林分基本情況。在樣地內采用梅花形五點取樣法，在各取樣點 0～15 、 15～30 ， 30～45cm 土層利用內徑4.5cm 的土鉆采集土樣，每個土層重復3次取樣，在去除樣品土壤中的碎石及植物根系等雜物后，將同一樣地同一土層的土樣混合為一份樣品，一共45份土壤樣品分別裝入密封袋帶回實驗室進行土壤養分含量的測定分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤養分測定

采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法測定有機質含量，全氮、全磷的測定分別采用半微量凱氏法、氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，堿解氮通過堿解擴散法測定，速效鉀、速效磷分別采用乙酸銨浸提-火焰光度法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[14]。

1.3.2林分結構指標計算

分析杉木林空間結構特征時，選取描述樹木隔離程度的全混交度、描述林木水平分布格局的角尺度、描述林層多樣性的林層指數、描述林分透光條件的開敞度及描述林木競爭的競爭指數5個指標，本研究中相鄰木株數 n 取4，各指標的含義及計算公式如下。

1）全混交度

全混交度引入樹種多樣性指標，用于描述參照木與最近相鄰木之間以及空間結構單元中相鄰木之間的樹種隔離關系，其計算公式如下：

式中： M_ci 為參照木 i 的全混交度， D_i 為參照木 i 與其相鄰木構成的空間結構單元的Simpson指數，c_i 為參照木的幾株相鄰木為不同種的種數， n_i 為中心木的相鄰木株數， M_i 為中心木的簡單混交度。

2）角尺度

角尺度用于描述林木的水平分布格局，其計算公式如下：

式中： W_i 為參照木的角尺度，當相鄰木的較小夾角小于標準角時， Z_ij=1 ，否則 Z_ij=0 。

3）林層指數

林層指數用于描述林分中林層結構的多樣性，其計算公式如下：

式中： S_i 為參照木的林層指數， z_i 為參照木 i 與其 周圍的四株相鄰木的林層種數，當參照木與相鄰 木不在同一林層， S_ij=1 ，否則 S_ij=0

4）開敞度

開敞度用于描述林分中林木的透光條件，其

計算公式如下：

式中： K_i 為參照木的開敞度， d 為參照木與相鄰木 間的距離， h 為相鄰木的樹高。

5）競爭指數

競爭指數用于描述林木個體所承受的競爭壓力，本研究采用Hegyi競爭指數，其計算公式如下：

式中： CI_i 為參照木 i 的競爭指數， d_i 為參照木 i 的 胸徑， d_j 為相鄰木 j 的胸徑， L_ij 為參照木 i 與相鄰 木 j 的水平距離。

1.3.3 灰色綜合關聯度

本研究采用灰色綜合關聯度分析方法，設土壤養分含量為參考變量 （X_i） ，林分空間結構指標作為比較變量 （X_j） ，其中灰色絕對關聯度表示參考變量與比較變量序列曲線幾何形狀的相似程度，曲線幾何形狀越相似，灰色絕對關聯度越大；灰色相對關聯度是參考變量與比較變量序列在變化過程中，相對于始點變化速率的相似程度，變化速率越相似，關聯程度越大，綜合考慮林分結構與土壤養分含量之間的相對關聯度與絕對關聯度，可全面分析林分結構與土壤養分間的緊密程度，具體公式見文獻[15]。

1.3.4 數據處理

數據處理與分析均在Excel2016和SPSS25.0軟件進行數據處理，采用單因素方差分析法對各齡組空間結構、土壤養分進行多重比較分析，在Exce12016軟件中完成圖表繪制并計算灰色綜合關聯度。

2 結果與分析

2.1 不同齡組杉木林林分空間結構特征

各齡組平均全混交度分別為 0.1667，0.0757. 0.0611，幼齡林 gt; 中齡林 gt; 成熟林，但3個齡組均為弱度混交，且幼齡林與中齡林、成熟林全混交度存在顯著差異（ Plt;0.05 ）（表2）。各齡組平均角尺度分別為 0.562 3，0.564 4，0.545 6 ，均處于不均勻分布但接近隨機分布的狀態，各齡組角尺度差異不明顯（ Pgt;0.05 ）。平均林層指數分別為 0.0534，0.2398，0.1440 ，中齡林林層復雜程度強于成熟林強于幼齡林，但各齡組林層指數均較小，對林分垂直空間利用不足，幼齡林與中齡林間林層多樣性具有顯著差異（ Plt;0.05 ），但與成熟林無顯著差異（ Pgt;0.05 ）。平均開敞度分別為 0.7157，0.3368，0.2495 ，幼齡林林分光照非常充足，中齡林光照基本充足，但成熟林光照條件不足，幼齡林林分光照條件明顯優于中齡林及成熟林，且幼齡林與中齡林、成熟林開敞度存在顯著差異（ Plt;0.05， ）。競爭指數分別為5.6610、5.139 0. 3.715 1 ，幼、中齡林所承受的競爭壓力明顯大于成熟林，林木競爭在幼齡林與成熟林中表現出顯著差異（ Plt;0.05 ）。

2.2 不同齡組杉木林土壤養分含量

由圖1可知，有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量交互作用輪廓圖中均無交點，齡組與土層之間不存在顯著交互作用，齡組與土層的聯合作用對土壤養分含量的影響較小，而全磷及速效磷含量圖中三條線在坐標上相交，說明土層及林齡之間存在交互作用。由圖2可知，各土層有機質含量分別為 20.96～26.24. ， 14.63～18.42 ，10.07～12.58g?kg^-1 ，同一齡組有機質含量均隨王層加深而降低，同一土層有機質含量隨林齡增加均先減少后增加，且不同齡組同一土層及同一齡組不同土層有機質含量均存在顯著差異（ Plt; 0.05）。各土層全氮含量分別為 1.00～1.28 0.80～1.01 ， 0.57～0.67g?kg^-1 ，同一齡組全氮含量隨土層加深而顯著降低（ Plt;0.05 ），同一土層全氮含量隨林齡增加先減少后增加，成熟林與幼齡林、中齡林在 0～15 及 15～30cm 土層均表現出顯著差異（ Plt;0.05 ）， 30～45cm 土層全氮幼齡林與成熟林存在顯著差異（ ），與中齡林無顯著差異。各土層全磷含量分別介于0.23～0.28 ！ 0.16～0.25 、 0.11～0.18g?kg^-1 ，各齡組全磷含量隨土層加深的變化規律各不相同，0～15cm 全磷含量隨林齡增長先增加后減少，15～30 、 30～45cm 土壤全磷隨林齡增長先減少后增加，且土層深度與林齡對全磷含量的影響不顯著。各土層堿解氮含量分別為 75.08～82.26 ，59.52～80.53 ， 38.26～44.06mg?kg^-1 ，各齡組堿解氮含量均隨土層加深而降低， 0～15 及30～45cm 土壤堿解氮含量隨林齡增長先減少后增加， 15～30cm 土壤堿解氮含量隨林齡增長而增加，且幼、中齡林在 0～15cm 土層與 30～ 45cm 王層中均具有顯著差異（ Plt;0.05） ，而成熟林 30～45cm 與 0～15 、 15～30cm 差異顯著（ ）。各土層速效磷含量分別為 1.96～3.79 71.53～14.75 ， 1.25～8.35mg?kg^-1 ，幼齡林與中齡林速效磷含量隨土層加深先減少后增加，成熟林速效磷含量隨土層加深先增加后減少，不同齡組同一土層間速效磷含量的變化規律不同，且土層深度與林齡對速效磷的影響不顯著。各土層速效鉀含量分別為 44.31～56.65 、 42.90～43.83 、34.98～42.02mg?kg^-1 ，各齡組速效鉀含量均隨土層加深而降低，各土層隨林齡增長未表現出明顯變化規律。

2.3 不同齡組杉木林空間結構與土壤養分的灰色綜合關聯度分析

不同齡組林分空間結構與土壤養分的關聯度存在差異（表3）。幼齡林階段，各空間結構指標中與土壤有機質、全氮、堿解氮含量具有最強相關性的為角尺度，而全磷、速效磷及速效鉀與競爭指數的關聯度最為緊密。因此，角尺度和競爭指數是幼齡林中影響各土壤養分含量的主要空間結構指標。在中齡林階段，與土壤有機質、堿解氮的關聯程度最強的也是角尺度，且全磷、速效鉀也與競爭指數相關性最強，而速效磷、全氮與空間結構指標相關性最強的與幼齡林不同，其中速效磷受林層指數的影響最為顯著，而全氮受開敞度的影響最大。因此，角尺度、競爭指數、開敞度及林層指數是影響中齡林各土壤養分分量的關鍵因子。在成熟林中，影響各土壤養分含量較強的空間結構指標也是角尺度與競爭指數，其中角尺度與土壤有機質、全磷、速效磷及速效鉀的相關性最強，而競爭指數在成熟林中與全氮、堿解氮具有最強的相關性。總體來看，角尺度與競爭指數是影響不同齡組土壤養分含量的共同關鍵因子。

3 討論與結論

3.1討論

林分空間結構是林木在林分中的分布狀態，在林分生境以及樹種、胸徑等未遭破壞時，林分的空間結構具有穩定性，且合理的空間結構對森林生產力的提升、森林生態系統的穩定及其功能的持續發揮具有重要作用[16-17]。本研究采用灰色綜合關聯度方法，將研究對象視為灰色系統，綜合測定的林分空間結構指標及土壤養分指標的已知信息，探究林分空間結構因子與土壤養分因子之間未知的相關關系。

本研究中，杉木幼齡林、中齡林及成熟林在樹種隔離程度、林層多樣性、林內透光條件及林木競爭強度均差異顯著，表明林分空間結構隨林分生長呈現顯著的變化，導致林內光照、凋落物分布、土壤溫度與濕度發生改變，進而影響林內土壤養分含量[18]。本研究中，不同齡組有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷及速效鉀含量隨林齡增長及土層加深均存在差異，且多數養分指標表層土壤養分含量均大于中層及下層土壤，與段春燕等[的研究結果相似，主要是由于杉木林凋落物主要分布于表層土壤，隨土層加深而減少，且土表微生物數量及種類較多，促使凋落物的分解速率加快，因此土壤養分含量隨土層的加深而減少。本研究中，有機質、全氮各土層含量均隨林齡的增加呈現出先減少后增加的趨勢，堿解氮表層土壤也隨林齡的增加呈現出先減少后增加的變化，是由于杉木在幼齡林至中齡林期間快速生長，對土壤養分需求較大，大量養分元素向植物內部轉移，而中齡林至成熟林期間，杉木生長逐漸變緩，對養分的需求降低，土壤養分含量相應增大[20]。 0～15 ， 15～30cm 土層速效磷含量隨林齡的增長而增加，皺顯花等[21]研究中指出土壤有機酸可有效地促進土壤速效磷含量的提高，而凋落物有機酸隨林齡的增長而增加，因此土壤速效磷也隨林齡增長而增加。各土層速效鉀含量隨林齡的變化未表現出明顯的規律，但各齡組速效鉀含量均較低，有研究表明凋落物厚度、土壤含水量及有機質的礦質化均與速效鉀含量具有相關性，因此，在林分經營過程中，有必要維持喬灌草的物種多樣性，這對速效鉀含量的增加具有重要作用[13]。

研究表明，林分空間結構對土壤養分含量具有顯著影響，但森林生態系統的復雜性、林分空間結構的多樣性及空間結構間的相互影響，使影響土壤養分含量的主導林分空間結構因子并不確定[12-13]。本研究根據林分空間結構因子與土壤養分含量的關聯度排序結果表明：角尺度與競爭指數是影響各齡組土壤養分含量的共同林分空間結構指標。角尺度表征林木的水平分布格局，角尺度增大有利于改善林分內喬木冠層與林冠之間間隙的分布，提高林木對林分垂直空間的利用程度，改善林內小氣候環境，影響土壤溫度及濕度條件，改善林地理化性質，進而促進土壤養分的循環[。競爭是森林生態系統中普遍存在的現象，林木競爭是林木生長發育進程中對其生存空間資源的競爭，而林分競爭的主要營養來源是土壤養分，林分競爭越強，林木對土壤養分的需求越強，導致土壤養分含量發生變化。

本研究在探究杉木林分空間結構與土壤養分含量的相關關系時，樣本的調查量較少，今后可增加更多樣本數量，并結合更多的統計分析方法如構建非線性回歸模型等，進一步探索林分空間結構與土壤養分含量的相關關系，為改善土攘養分含量的林分空間結構優化提供理論依據，以期提出更為合理的森林經營建議及措施。

3.2結論

隨林分生長發育，林分空間結構發生顯著變化；同一土層有機質、全氮含量隨林齡增長先減少后增加，堿解氮在 0～15cm 土層和 30～45cm 土層隨林齡增長也表現出先減少后增加，全磷在 0～15cm 土層隨林齡增長先增加后減少，在15～30 、 30～45cm 王層隨林齡增長先減少后增加，而各土層速效磷、速效鉀含量隨林齡增長表現出不同變化規律；灰色綜合關聯度排序結果表明，角尺度與競爭指數為各齡組影響土壤養分含量的共同林分結構因子。因此，提高杉木林土壤養分含量，可通過調整角尺度，降低林木競爭的人為干擾措施，改善林地營養條件。

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[本文編校：吳毅]