土壤养分与杉木生长的相关性研究

刘素真，孙玉军

（北京林业大学，北京100083）

人工林是森林资源的重要组成部分，在环境恢复和经济建设中发挥着重要作用［1］。杉木人工林是我国人工林组成的重要成分之一，占全国人工林面积的1／4［2］。杉木是我国南方特有的速生丰产树种，其栽培历史悠久，是重要的用材树种之一，具有分布广，生长快的特点［3］。而传统的森林经营措施只是在原有土壤基础上来获得杉木产量，进而使杉木生长受到土壤和立地的限制［4，15］。据统计，自50年代以来，全国杉木林从300万hm2余增加到1 100万hm2余，材积从2.3亿m3增加至3.5m3，而平均单位面积产量从63m3／hm2下降至22m3／hm2［5］。由此可见，提高土壤肥力是提高杉木生产量的重要途径之一［6］。

土壤养分状况是影响植被生长和生产力的重要因素，是植被生长的基础［7］。碳、氮、磷、钾不仅是土壤中的大量营养元素，同时也是植被生长不可缺少的元素［8］。国内关于杉木生力低的研究报道很多，主要集中于不合理的经营制度引起的土壤理化性质的变化，单一的纯林结构引起的土壤退化和生态环境恶化，杉木连栽引起的土壤养分流失等［9］。吴丽琴［10］指出杉木林施肥后土壤肥力得到明显改善，但是随着林龄增加土壤肥力呈下降趋势。王刚［6］的研究表明杉木连载会导致土壤酶活性下降，土壤质量指数降低。王清奎［11］等表明在不同杉木林和土层土壤有机碳的差异呈显著或极显著，而氮含量之间无显著差异性。曹汉洋［12］指出混交林能够改善土壤理化性质，调节土壤养分含量。胡亚利［13］的研究表明在杉木生长的整个周期内，P的含量远低于杉木生长所需，严重缺乏，N降低明显，K变化不明显。大量研究表明土壤养分对杉木生长有很大的促进作用，而主成分分析在农业研究中应用较多，而在林业研究中较为少见。本研究尝试采用主成分回归分析法对将乐国有林场杉木纯林林下土壤养分与杉木生长之间的相关性进行了研究，以期为防治杉木人工林地力衰退和林地养护提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于福建省西北部将乐国有林场，属中亚热带季风气候，地理坐标为117°05′-117°40′E、26°26′-27°04′N，有海洋性和大陆性气候特征。平均海拔为258m，平均坡度27°，年平均气温19.8℃，年均降水量2 027mm，降水集中于3-8月份，无霜期273d。境内多山，森林资源丰富，森林覆盖率达84.5%，林木蓄积量1 598万m3。据将乐森林资源调查报告，全县土壤有6个土类15个亚类44个土属，山地红壤占81.52%。

研究区内主要乔木树种有：杉木（Cuninghamia lanceolata）、马尾松（Pinus massoniana）、火力楠（Michelia macclurei）、樟 树 （Cinnamomum bodinieri）等。灌木主要有：苦竹（Pleioblastus amarus）、粗叶榕（Ficus hirta）、黄毛楤木（Aralia decaisneana）、短尾越桔（Vaccinium carlesii）、檵木（Loropetalum chinense）等。草本主要有：乌毛蕨（Blechnum orientale）、乌 蕨 （Stenoloma chusanum）、铁线蕨（Adiantum capillus-veneris）等。

2 材料与方法

2.1 试验地设置

试验地设置于2013年，在杉木纯林内设置20 m×30m标准地，共设置样地54块。在标准地4角设置4个5m×5m的灌木样方，在灌木样方4角和中央设置5个1m×1m的草本样方。

2.2 林木生物量测定

在标准地内实测林木胸径、树高和冠幅，起测径阶为2cm。按照径阶选取标准木，伐倒标准木后精确测定树高，以1m为区分段进行分层切割，分别测定每段的带皮鲜重，每段上下方各截取1个生物量圆盘。上面的用于生物量测定，下面的用于查数年轮，称取生物量样品鲜重并记录，将其带回实验室于105℃恒温箱内烘干至恒重，称其干重。计算得其含水率，进而得到树干带皮干重。

每一区分段中部位置选取树皮完整且无病虫害的部分，剥取10cm长的树皮为样品称其鲜重。将树皮样品带回105℃恒温箱内烘干至恒重，称干重，计算含水率，进而得到整个树干树皮干重。

根据每段中树枝的数量和枝形挑选出2～3枝标准枝，先测量标准枝的带叶鲜重，随后将叶子全部摘除，再测量其去叶鲜重。每段按比例取少量样品称量其鲜重后在105℃恒温箱中烘至恒重，称其干重并计算得到含水率，从而得到整株树的树枝与树叶的干重。

按分层分级全部称取根部鲜重，并按比例取样后称鲜重。将样品置于105℃恒温箱中烘至恒重后得到其干重，通过计算含水率推算出根系生物量。

根据上述可得到每径阶标准木生物量，然后依据每径阶杉木株数，即可得到每径阶杉木生物量，各个径阶杉木生物量之和，即为样地杉木总生物量。

第三种方案，保留原基带矩阵为基带信号传输核心，同时增加IP交换机作为IP信号传输核心，构成双核心的传输系统。俩矩阵分工明确，基带矩阵解决基带信号交换，IP交换机解决IP信号交换。中间则按需配置SDI和IP的转换设备。这种架构信号流程走向比较清晰，可以实现不同信号的相互转换，是前两种方案的折中设计方案。

2.3 土壤测定

在标准地外围设置土壤剖面，每个标准地设置1个剖面，分0～20、20～40、40～60cm分层取样，3个重复，将重复的土样约1kg混合均匀后立即装入样品袋，带回风干过筛待用，采用0～20cm土层进行研究。

土壤养分采用鲁如坤介绍的测定方法［14］：pH采用pH计测定，有机质（O.M）用重铬酸钾滴定法—外加热法，全氮（TN）经高氯酸—硫酸消煮后用定氮仪测定，全磷（TP）采用高氯酸—硫酸消化法测定，全钾（TK）用火焰光度法，速效磷（AP）用0.5 mol／L NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾（AK）用火焰光度法。

2.4 数据处理

采用SPSS19.0对土壤养分含量和杉木生物量数据进行描述性统计分析，计算其最大值、最小值、平均值、标准差。采用主成分分析法分析，以土壤养分有机质（N1）、全氮（N2）、全磷（N3）、全钾（N4）、速效磷（N5）、速效钾（N6）为自变量，杉木生物量（Y）为因变量。对土壤养分进行综合评价，得出对杉木生物量贡献率较大的主成分。再对生物量和贡献率较大的主成分进行逐步回归分析，得到回归方程，用标准化方程替代。

表1 土壤养分含量与杉木生长Table 1 Classical statistical results of soil nutrient and growth of Chinese fir

3 结果与分析

3.1 土壤养分含量与杉木生长的统计特征

由表1可见，杉木纯林下土壤pH为2.10～4.03，土壤呈酸性，土壤全钾含量为0.3～1.88 g／kg，变幅不大；土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾含量分别为8.32～55.72、5.84～16.71、0.26～8.10、1.15～5.63mg／kg和 109.08～208.91mg／kg，变幅较大。

变异系数为标准差与平均值之比，是概率分布离散程度的一个归一化量度，≤10%时为弱变异性，10%～100%为中等变异，≥100%为强变异性。土壤各养分全磷（108.57%）为强变异，这与全磷各个取样点含量差异较大有关。土壤有机质、全氮、全钾、速效磷、速效钾为中等变异，变异系数范围为12.74%～40.09%，说明不同取样点土壤养分含量差异较大。杉木生物量、平均胸径、平均高分别为52.91%、32.34%、33.41%，均为中等变异性。

3.2 土壤养分与杉木生长的相关矩阵

由表2可知，从土壤养分与生物量、平均胸径和平均高相关系数来看，有机质、全氮与生物量、平均胸径、平均高均极显著正相关，其他养分与生物量无显著相关性，其中全钾、速效磷、速效钾与生物量的相关系数均为正值，且依次递减。

从土壤养分间的相关性来看，有机质与全氮极显著正相关，与速效磷、速效钾显著正相关，全氮与速效钾极显著正相关，全磷与速效钾显著负相关。同时，生物量、平均胸径、平均树高两两极显著正相关。

表2 生长与土壤养分的相关矩阵Table 2 The correlation matrix of growth and soil nutrient

3.3 土壤养分与杉木生长的主成分回归分析

3.3.1 多重共线性诊断 对6个土壤养分的共线性诊断结果（表3）表示，第4～6个特征根的条件数均＞10，且第6个特征根的条件数＞30，第6个特征根中N3、N6所占比例较大，说明两者之间存在一定的共线性。

3.3.2 多重线性回归 从表4得出，通过试验数据的逐步回归，在回归方程中保留了N1、N2自变量，但仍存在中等程度的共线性，第2个特征根的条件数大于10，因此可采用主成分回归分析。

表3 生长与土壤养分的多重线性诊断Table 3 Collinearity diagnostics between growth and soil nutrients

表4 生长与土壤养分逐步回归的多重线性诊断Table 4 Collinearity diagnostics of stepwise regression between growth and soil nutrient

3.3.3 主成分回归 在各土壤养分的主成分分析中（表5），前4个主成分包含了原始变量84.69%的信息，因此选择前4个主成分取代原来6个原始变量，同时用前4个主成分对杉木生物量、平均胸径、平均高进行预测。表5显示了前4个主成分的特征向量。以杉木生物量Y、平均胸径Y1、平均高Y2为因变量和主成分Z1、Z2、Z3、Z4进行逐步回归分析，得出Z1与Y、Y1、Y2的回归方程：

由表5，将主成分Z1用标准化变量表达，得到如下表达式：

将式（2）带入式（1）中得到新方程：

由式（5）、式（6）、式（7）知，自变量系数越大，其对杉木生长的影响越大［16］，由此可见，x1、x2、x6、x4系数均较大，且依次递减。即有机质、全氮、速效钾、全钾对杉木生长影响较大，且依次递减，其中有机质对杉木生长影响最大，全氮的影响略低于有机质，这主要是由于土壤有机质本来就包含很多其他土壤元素，这与之前相关性分析结果一致。

表5 各土壤养分的主成分分析及前4个主成分的特征向量Table 5 Principal component analysis of different soil nutrients and the eigenvectors of first four principal components

4 结论与讨论

经统计分析，全磷的变异系数最大，为强变异性，除全磷以外的其他土壤养分均为中等变异性。杉木生物量、平均胸径、平均高也属于中等变异性，说明取样点虽分布于一个林场，但林场土壤母质、地形等均有所不同，需按照不同区域合理施肥，促进杉木生长。

杉木生长与土壤养分的相关矩阵表明，有机质和全氮与杉木生长极显著正相关，说明有机质和全氮对杉木生长有明显促进作用。土壤养分之间，有机质与全氮，全氮与速效钾均极显著正相关；有机质与速效磷、速效钾显著正相关，说明土壤养分之间有明显的增效作用。

主成分分析表明，前4个主成分包含了原始信息的84.69%的信息，选择前4个主成分和杉木生长指标逐步回归分析。结果表明，影响杉木生长的主要因素为有机质、全氮、速效钾、全钾，其中有机质的影响作用最大，略大于全氮。在实际营林措施中，要特别注意施用钾肥和有机肥。

本文所研究的杉木生长与土壤养分的回归方程，不考虑人为以及地形、海拔等因素，实际中影响杉木生长的因素较多，除土壤肥力之外，还与森林经营抚育措施、气候、地形、海拔等因子有关。研究中，取样点分布在整个林区，范围较大，其土壤母质、经营管理措施、地形等因素存在较大差异，因此即使是土壤肥力较好的区域，若经营管理不善，也有可能导致杉木生长不良。但由于取样点分布较广，研究结果可以代表林场现状，因此对林场杉木林地施肥及养分管理具有一定的指导作用，而研究中速效磷和全钾对杉木生长影响较小，针对这一现象有待进一步研究。

［1］ 彭舜磊，王得祥，赵辉，等.我国人工林现状与近自然经营途径探讨［J］.西北林学院学报，2008，23（2）：184-188.PENG S L，WANG D X，ZHAO H，et al.Discussion the status quality of plantation and neat nature forestry management in China［J］.Journal of Northwest Forestry University，2008，23（2）：184-188.（in Chinese）

［2］ 汪晶，罗梅，郑小贤.杉木人工林健康评价研究［J］.西北林学院学报，2014，29（6）：195-199.WANG J，LUO M，ZHENG X X.Health assessment of Cunninghamia lanceolata plantations：a case study of Jiangle forest farm in Fujian province［J］.Journal of Northwest Forestry U-niversity，2014，29（6）：195-199.（in Chinese）

［3］ 赵亮生，闫文德，项文化，等.不同年龄阶段杉木人工林枯落层水文特征［J］.西北林学院学报，2013，28（4）：1-5.ZHAO L S，YAN W D，XIANG W H，et al.Litter reserves and water-holding capacity of Chinese fir plantations with different stand ages［J］.Journal of Northwest Forestry University，2013，28（4）：1-5.（in Chinese）

［4］ 胡亚利，孙向阳，张建国，等.杉木人工林土壤养分变化规律［J］.河北林业科技，2007，2（1）：9-11.

［5］ 郭琦，王新杰，衣晓丹.不同林龄杉木纯林林下生物量与土壤理化性质的相关性［J］.东北林业大学学报，2014，42（3）：85-88.GUO Q，WANG X J，YI X D.Correlation of understory biomass and soil under Cunninghamia lanceolata pure forest of different age［J］.Journal of Northeast Forestry University，2014，42（3）：85-88.（in Chinese）

［6］ 王刚.杉木人工林土壤肥力指标及其评价［D］.南京：南京林业大学，2008.

［7］ 衣晓丹，王新杰.杉木人工纯林与混交林下几种土壤养分对比及与生长的关系［J］.中南林业科技大学学报，2013，33（2）：34-35.YI X D，WANG X J.Comparison of several soil nutritions in pure Cuninghamia lanceolata plantations and mixed forests，and relationship between nutrition and growth factors［J］.Journal of Central University of Forestry &Technology，2013，33（2）：34-35.（in Chinese）

［8］ 张健，刘国斌，徐明祥，等.黄土丘陵区植被次生演替灌木初期的土壤养分特征［J］.西北林学院学报，2009，24（1）：53-57.ZHANG J，LIU G B，XU M X，et al.Soil nutrients characteristics in shrub appearance stage of vegetation secondary succession in the hilly-gullied Loess Region［J］.Journal of Northwest Forestry University，2009，24（1）：53-57.（in Chinese）

［9］ 钟羡芳.连栽杉木人工林地力衰退原因及对策［C］.福建省水土保持学会2006年学术年会论文集，2006.

［10］ 吴丽琴.杉木人工林对林地土壤肥力的影响［J］.池州学院学报，2007，21（5）：86-88.

［11］ 王清奎，汪思龙，冯宗炜.杉木人工林土壤可溶性有机质及其土壤养分的关系［J］.生态学报，2005，25（6）：1299-1304.WANG Q K，WANG S L，FENG Z W.A study on dissolved organic carbon and nitrogen nutrients under Chinese fir plantation：relationships with soil nutrients［J］.Acta Ecologica Sinica，2005，25（6）：1299-1304.（in Chinese）

［12］ 曹汉洋.杉木、马尾松、木荷纯林及其混交林的土壤养分状况［J］.南京林业大学学报，1998，22（2）：45-48.

［13］ 胡亚利.杉木人工林土壤养分动态变化规律研究［D］.北京：北京林业大学，2007.

［14］ 鲁如坤.土壤农业化学分析方法［M］.北京：中国农业出版社，2000.

［15］ 叶学华，罗嗣义.杉木人工林地理衰退研究概述［J］.江西林业科技，2001（6）：42-45.

［16］ LEYTON L.The relationship between the growth and mineral nutrition of conifers［M］／／ The Physiology of Forest Tree.N.Y：Ronald Press，1958：323-346.