陈山红心杉连栽林地土壤肥力综合评价

朱宁华，阳胜男，陈 怡，陈胜兰，文 敏，付 豪，廖美振

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.国家林业和草原局中南调查规划设计院，湖南 长沙 410004；3.陈山林场，江西 安福 343200）

人工林连栽对林地生产力的影响与林业的可持续发展密切相关。人们过度追求人工林产量而忽视了对林地土壤保育以及疏于对林地质量的监管等，导致地力逐代衰退，主要表现为土壤退化、表层变浅、养分含量降低等[1-3]。因此，研究林地养分的变化规律，综合评价土壤肥力，可为缓解土壤退化和维持林业的可持续发展提供参考。

杉木是我国南方最主要的速生用材树种，其种植面积约占我国人工林总面积的1/4[4-5]。大量研究表明，杉木连栽代数的增加导致了林地地力衰退和林分生产力下降，制约了南方杉木人工林的可持续经营[6-8]。

陈山红心杉是一种优良的杉木种源，因其心材处大面积比例呈栗褐色而得名。目前，已有相关学者对陈山红心杉的发展现状与开发对策[9]、生长特性[10-11]、木材化学组成[12]、组织培养[13]、遗传变异规律[14]、根际土壤与非根际土壤养分差异[15]和土壤微生物群落结构特征[16]等开展了研究，但关于不同连栽代数红心杉林地的土壤肥力综合评价尚未见报道。因此，本研究采用空间替换时间的方法，分别测定第1、2、3 代红心杉幼林地0 ～ 20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 的土壤酶活性和理化性质，综合评估林地的土壤肥力，分析红心杉连栽对土壤肥力的影响，以期为土壤改良和实现红心杉人工林的可持续经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于江西省安福县西南部的陈山林场（114°19′E，27°14′N），该区域属于亚热带季风湿润气候，四季分明，有充足的雨水和光照。年平均降水天数约166 d，年均降水量为1 663 mm；年平均气温为17.5 ℃，最冷时间段为1月，平均气温约为5.9 ℃，7月最热，最高气温达37.5 ℃；年平均积温6 296 ℃；年均日照时数约为1 649 h； 全年无霜期270 ～280 d。第1 代红心杉人工林（G1）的前茬林分为天然次生林，主要由乌桕Sapium sebiferum、樟树Cinnamomum camphora和油桐Vernicia fordii等树种组成。

2 研究方法

2.1 样地设置及样地概况调查

在陈山林场内，根据当地造林的资料记载和实地踏查，选取立地指数、管理经营措施、土壤母质、海拔和坡向基本相同的第1、2、3 代红心杉幼林地作为试验样地。每代林地各设置3块样地，共计9 块，每块样地大小均为20 m×20 m。

利用手机中奥维软件分别对各样地进行定位，并记录各样地的地形地貌、土壤类型、坡度、坡向和海拔等环境因子。再按照“S”型顺序对各样地内所有红心杉进行每木检尺，记录其胸径和树高。表1 显示，随着栽植代次的增加，胸径和树高的生长量均呈现降低趋势，G2 和G3 的胸径相对于G1 分别降低了6.02%和11.28%，树高分别降低了11.81%和21.70%。

表1 各样地的立地特征和林分概况Table 1 Stand characteristics of all sample plots

依据国家林业调查的相关规范调查林下植被，主要植被种类有：腹水草Veronicastrum villosulum、紫麻Oreocnide frutescens、尖叶清风藤Sabia swinhonei、小柱悬钩子Rubus columellaris、黄牛奶树Symplocos laurina、菝葜Smilax china、杜茎山Maesa japonica、野蔷薇Rosa multiflora、木 蜡 树Toxicodendron sylve stre、 黄 脉 莓Rubus xanthoneurus、牯岭勾儿茶Berchemia kulingensis、乌蕨Stenoloma chusanum、银果牛奶子Elaeagnus magna、 楤 木Aralia chinensis、 芭 蕉Musa basjoo、虎杖Polygonum cuspidatum、毛冬青Ilex pubescens、 黄 瑞 木Cornus stolonifera、 胡 枝 子Lespedeza bicolor等。

2.2 样品采集

2017年4月采集土样，并于9月完成各项指标的测定。土壤样品数量总计108 个。

在每个样地对角线交叉位置挖土壤剖面，根据土壤剖面发生层次用环刀（200 cm3）分3 层（0 ～20 cm，20 ～40 cm，40 ～60 cm）取原状土样测土壤物理特性指标，每层取3 个，共计81 个。

按照S 形在各样地内设置5 个具有代表性的土壤采样点，并在取土样前去除每个采样点的地表枯落物，再用长度1 m 的土钻(内径45 mm)分3 层（0 ～20 cm，20 ～40 cm，40 ～60 cm）钻取土样，每层取1 个，共计27 个。

2.3 样品测定

土壤物理性质的测定：烘干法测定土壤含水率，环刀（200 cm3）浸水法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量、田间持水量等物理指标。

土壤化学性质的测定：pH 值采用玻璃电极法；有机质采用重铬酸钾容量—稀释热法；全N 采用凯氏消煮法；碱解N 采用碱解扩散法；全P 采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法；全K 采用氢氧化钠熔融—火焰光度计法；速效K 采用乙酸铵提取—火焰光度计法；有效Ca、有效Mg、有效Fe、有效Zn、有效Mn、有效Cu 含量采用M-3 浸提液—原子吸收光谱法测定。

土壤酶活性的测定：过氧化氢酶采用高锰酸K 滴定法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法；磷酸酶采用P 酸苯二钠比色法；脲酶采用靛酚蓝比色法。

2.4 数据处理与分析

采用Excel 对原始数据进行记录和统计；使用SPSS19.0 软件单因素方差分析(One-way ANOVA)中的Duncan 法，分析土壤酶活性和主要理化性质在第1(G1)、2(G2)、3 代(G3)红心杉幼林地之间是否具有显著性差异，并用主成分分析法对23 个测定指标进行综合分析，使用Origin8.5软件进行制图。

3 结果与分析

3.1 红心杉幼林连栽地的土壤物理特性

随着连栽代数的增加，土壤容重呈增加趋势，水分指标（饱和含水量和田间持水量）与孔隙指标（总孔隙度和通气度）均呈下降趋势（图1）；G1、G2 和G3 的土壤容重在各土层之间的差异显著（P＜0.05），G2 和G3 相对于G1 的土壤容重在0 ～ 20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 分别提高了6.94%和17.70%、20.84%和23.33%、16.16%和15.78%，说明连栽导致土体更加破碎，土粒变得更小，在重力作用下以致土壤更容易板结再度更为紧实；G2和G3 的土壤饱和含水量和田间持水量在土层0 ～ 20 cm 与20 ～40 cm 之间差异显著（P＜0.05），在20 ～40 cm 与40 ～60 cm 之 间 无 明 显 差 异 （P＞0.05）；随着土层的加深，G1、G2 和G3的土壤总孔隙度显著降低（P＜0.05），且在0 ～ 20 cm 和20 ～40 cm 的土层中，土壤总孔隙度在G1、G2 和G3 之间差异显著（P＜0.05），各土层的毛管孔隙度在G1、G2 和G3 之间的变化幅度不大，G1 的土壤通气度在0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 之间具有显著差异（P＜0.05）。

3.2 红心杉幼连栽林地土壤化学特性

随着连栽代数和土层深度的增加，红心杉幼林林地中的pH 值、有机质含量、大量元素和有效微量元素含量均呈降低趋势（表2）；相较于G1林地0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 土层中的养分含量，G2 林地中的有机质含量分别降低了58.30%、46.59%和57.14%，碱解氮含量分别降低了62.23%、62.70%和60.47%，全氮含量分别降低了45.77%、54.51%和59.91%，速效钾含量分别降低了31.15%、42.07%和37.71%，全钾含量分别降低了20.29%、10.06%和8.98%，全磷含量分别降低了45.31%、53.45%和58.93%；G3 林地中的有机质含量分别降低了64.96%、51.26% 和59.17%， 碱解氮含量分别降低了67.88%、71.09%和67.82%，全氮含量分别降低了66.55%、69.92%和70.05%，速效钾含量分别降低了54.54%、50.71%和47.48%，全钾含量分别降低了14.87%、14.60%和15.00%，全磷含量分别降低了46.88%、51.72%和60.71%。

土壤中有效Mn、有效Zn、有效Cu、有效Ca、有效Mg 和有效Fe 含量随着连栽代次和土层深度的增加均显著降低（P＜0.05）（表2）。

3.3 红心杉幼连栽林地土壤酶活性

连栽红心杉幼林土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均表现为G1 ＞G2 ＞G3；随着土层深度的增加，G1、G2和G3土壤中的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性显示降低趋势（图2）。

在0 ～20 cm、20 ～40 cm 和40 ～60 cm 的土层中，G1、G2 和G3 林地中的土壤蔗糖酶活性 在0.78 ～0.24 mg·g-1·24h-1之 间 变 化，G2 和G3 相对于G1 的脲酶活性分别降低了51.75%和68.69%、66.81%和69.70%、67.20 和70.24%，磷酸酶活性分别降低了32.41%和54.40%，42.08%和65.06%，50.15%和66.29%，过氧化氢酶活性分别降低了5.47%和13.07%、22.40%和17.34%、24.80%和35.90%。

图1 幼林红心杉连栽林地土壤物理特性Fig.1 Soil physical characteristics in different generations of young C.lanceolata

表2 红心杉幼林连栽林地土壤化学性质比较†Table 2 Soil chemical properties in different generation plantations of young C.lanceolata

续表2Continuation of table 2

图2 红心杉幼林连栽林地酶活性变化Fig.2 Changes of soil enzymatic activity in different generations plantation of C.lanceolata

3.4 土壤肥力综合评价

在对土壤肥力现状的综合分析过程中，通常存在多个因子之间具有一定的相关性。主成分分析法能够将多个因子通过“降维”转化为几个综合因子，并且尽可能多的保留原有因子的信息，进而达到简化目的[17]。

利用主成分综合模型对反映土壤肥力特性的23 个因子进行主成分分析。结果表明（表3），3 个主成分的累计贡献率已达到88.913%，由此认为前3 个主成分可作为土壤肥力的主要影响因素；其中第1 主成分贡献率为71.862%，主要反映了土壤酶活性、大量元素、有效大量元素和有效微量元素特征，脲酶，磷酸酶，全P，碱解N，速效K，有效Cu，有效Mn，有效Fe 具有较大负荷量，由此说明土壤酶活性、有效微量元素含量和大量元素含量在评价杉木幼林林地综合肥力中占主要作用；第2 主成分和第3 主成分的累积贡献率为17.05%，第2 主成分贡献率为9.123 %，主要影响因子是土壤pH 值，第3 主成分贡献率仅为7.927%，主要影响因子是土壤毛管孔隙度和田间持水量，说明红心杉连栽林地对土壤pH 值、毛管孔隙度和田间持水量影响相对较小。

根据土壤肥力指标的得分系数矩阵，建立各主成分土壤肥力得分(Y)的数学模型，并得出反映红心杉连栽幼林林地土壤肥力状况特性的3 个主成分方程：

式中：X1i、X2i 和X3i 分别表示成分1、成分2和成分3 在红心杉连栽林地23 个土壤指标的标准化变量；T1i、T2i 和T3i 分别表示第1 主成分、第2 主成分和第3 主成分中23 个土壤因子的特征向量。

根据综合主成分(F)的表达公式计算红心杉幼林连栽林地的土壤肥力（表4），

式中：jλ为初始特征值，Yk 表示3 个主成分得分。

从表4 中G1、G2 和G3 在不同土层中的综合 得分和排名，得到红心杉连栽林地土壤的综合肥力排序为：G1(0 ～20 cm(5.993))＞G1(20 ～40 cm (3.749))＞G2(0 ～20 cm(1.629))＞G1(40 ～60 cm (1.061))＞G3(0 ～20 cm(-0.714))＞G2(20 ～40 cm (-1.340)) ＞G3(20 ～40 cm(-2.871)) ＞G2(40 ～ 60 cm(-3.069))＞G3(40 ～60 cm(-4.436))，表明红心杉幼林林地随着连栽代数和土层深度的增加，土土壤肥力降低。

表4 各主成分得分及综合得分Table 4 The main component score and comprehensive score

4 讨 论

随着红心杉连栽代次的增加和土层的加深，土壤容重呈增大趋势，孔隙度和水分含量均呈现降低趋势，土壤容蓄能力降低，这与孙启武等[18]的研究结论基本相同。这是因为土壤本身的重力作用加上不合理的人为干扰导致土体更加破碎，土粒变得更小，土壤更容易板结再度更为紧实。因此建议造林前，对连栽林地进行科学合理整地，以改善土壤结构。

土壤酶活性、有机质含量、大量元素和有效微量元素含量均随连栽代次的增加呈降低趋势。这是因为杉木作为速生树种，其生态学特性决定了其生长需要消耗土壤中大量养分，特别是现在采取短轮伐期的经营制度，频繁的林分收获，造成养分大量输出；另外，人们“重用轻养”，为获得更高的林木产量，造林密度往往过大，导致林下植被稀少，林分结构过于简单，生物多样性降低，而且针叶树种，凋落物分解慢，地力维护能力差，以致多代连栽加速了林地土壤肥力的消耗。可见，在连栽红心杉的经营中应注意科学采用育林制度和作业方式，进行合理施肥，维持土壤肥力，或营造近自然的针阔混交林，改变单层次的人工林群落，增加林下植被生物多样性，提高人工林群落的自肥能力。

相较于第1 代人工林地中大量元素含量，第2、3 代土壤中碱解氮降幅最大，其次是全氮、全磷、速效钾，而全钾降幅最小。这说明杉木的生长需要吸收大量的氮和磷元素，而对钾元素的利用率相对较低。鉴于此，建议在红心杉连栽林地中适量补施N、P 肥，平衡土壤中营养元素含量，维持土壤肥力，促进红心杉健康快速生长。

根据Laird 和Pagedumroese[19-20]等人的观点，长期生产力的研究周期应界定在2 ～3 个轮伐期。本研究采用空间代替时间的方法对第1、2、3 代红心杉进行对比研究，在较短的时间内获得研究结果，对林木生长量和地力下降现象也能合理分析和解释，但关于某些更深层次的问题必须经过长期、系统的定位研究才能解决。笔者认为在本研究的基础上，可以从以下几个方面加以研究：1）如何科学施肥才能维持连栽红心杉人工林地的土壤肥力？2）红心杉人工林连栽对林下植被多样性与土壤微生物的动态影响；3）通过对多地区红心杉的长期定位研究，分析光照、温度和湿度对红心杉林木生长特性的影响。

5 结 论

1）红心杉的树高和胸径生长量随着连栽代数的增加而降低。

2）红心杉林地的土壤理化性质及酶活性对人工林连栽的响应结果显示：土壤容重增大，孔隙度和水分含量降低，容蓄能力降低，说明连栽加速了对土壤物理结构的破坏；土壤pH 值、酶活性、有机质含量、大量元素和有效微量元素含量均随连栽代次的增加呈降低趋势，表明连栽加剧了土壤的酸化，土壤肥力降低。

3）红心杉人工林连栽林地的土壤肥力综合评价指数F 值的大小排序为：第1 代＞第2 代＞第3 代，表明随着连栽代数的增加，红心杉林地的土壤肥力逐渐降低；主成分分析结果表明，脲酶、磷酸酶、全P、碱解N、速效K、有效Cu、有效Mn 和有效Fe 等是对土壤肥力综进行合评价的关键要素。因此，应在连栽的红心杉林地中施入适量的有机肥、微肥和大量元素肥料，以维持土壤肥力，实现连栽红心杉人工林的可持续经营。