1993—2018年广西桉树主产区土壤肥力演变特征分析

唐 健，赵隽宇，覃祚玉，王会利，覃其云，赵泽洪

（广西壮族自治区林业科学研究院，南宁 530002）

0 引言

桉树(Eucalyptus robusta)作为三大速丰树种之一，对于国内木材储备、木材安全具有重大的战略性意义[1]。广西桉树种植历史悠久、规模较大[2]。1980年桉树人工林开始大规模推广，截至2018年广西桉树人工林面积达到266.67万hm2，占广西人工林总面积的36.35%[3]，每年对外提供超过3000万m3的木材。华南地区约50%～60%的人工林地采取短轮伐期（5～7年）、高强度连栽的经营方式[4]，导致林分生产力下降、土壤肥力衰退、水土流失、生物多样性下降等一系列制约桉树人工林可持续经营的生态环境问题[5-6]。温远光[7]、叶绍明等[8]对东门林场连栽1～3代的桉树林分的植物多样性开展研究，证明连栽导致植物的物种丰富度、土壤养分元素含量显著降低。郭琦[9]、唐健[10]等的研究表明，土壤肥力质量随着树种连栽代数的增加呈现先减少后略微增加的趋势，但低代次人工林土壤肥力显著高于多代次人工林地。Parfitt等[11]对新西兰20年松树人工林的研究发现，长期连栽下土壤碳氮比增加，碳流失显著高于氮流失的速率，通常土壤中碳损失量为4 mg/hm2。已有研究证实[12-13]，长期高强度纯林连栽还会带来土壤物理性质退化、土壤酸化等一系列地力衰退问题。

土壤系统是森林生态环境系统中的重要组成部分，是承载植物生长发育的基础，土壤肥力的高低直接影响植物生长，提高土壤肥力质量有助于解决高强度连栽带来的生态环境问题[14-15]。目前多代连栽人工林土壤肥力质量评价的研究多以林分尺度或空间代替时间的方法为主[16]。史进纳等[17]以广西国营东门林场雷卡分场内不同连栽代次桉树人工林为试验地，马尾松人工林为对照，研究多代经营桉树人工林土壤有机碳演变特征。龚珊珊[18]对比研究永安国有林场长期经营桉树人工林与天然林，结果表明桉树人工林经营导致土壤养分含量显著下降、阳离子交换量下降、土壤容重升高。这些研究方法适用性强，有利于针对性解决高强度连栽造成的区域性土壤地力衰退问题，但缺乏长期、充分的定点定量监测数据，并未涉及宏观、大尺度的区域性研究。

广西桉树人工林经营强度高、种植时间长，但由于数据不充分，涉及广西桉树人工林主要种植区域整体土壤肥力状况的研究较少。本研究基于大数据分析广西桉树人工林主产区1993—2018年土壤养分历史数据，使用Fuzzy综合评价法进行土壤肥力评价，摸清广西整体桉树人工林土壤肥力状况，旨在为制定广西桉树人工林合理经营模式，保障桉树人工林可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验研究区域为广西壮族自治区，是国内桉树人工林种植的主要区域，造林范围覆盖整个自治区。广西地处低纬度(104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N)，北回归线横贯中部，南临热带海洋，北接南岭山地，西延云贵高原，属亚热带季风气候区。气候温暖，雨水丰沛，光照充足，各地年平均气温17.5～23.5℃，年平均降水量841.2～3387.5 mm。海拔100～400 m，属典型的低山丘陵地貌。本次研究选取桉树造林时间较长（种植3代或15年以上）、造林面积较大的13个市、34县（市、区），如表1所示。研究区均为典型的高强度连栽的桉树人工林，造林树种主要有巨桉(Eucalyptus grandis)、尾叶桉(Eucalyptus urophylla)，根据中国土壤分类学分类，研究区土壤以第四纪沉积物、岩浆岩发育而来的红壤、赤红壤、黄壤、黄红壤为主。

表1 采样地区分布

1.2 资料收集与土壤样品采集

以广西林业科学研究院检测中心自1993年对广西各国有、区直林场土壤普查数据为主要来源，辅以CNKI查找公开发表文献相关土壤养分数据[19-22]。选取广西壮族自治区内13个市、34个县（区）区直林场、县级林场等共计948个样点的历史数据。土壤数据为1993—2018年间共计25年的数据，以每5年一次选取土壤肥力指标进行研究分析。土壤样品采集参照测土配方施肥技术规程，采用网格化方法确定采样点，每年6—9月采集土壤样品，“S”形取样法采集5～8个样点的0～20 cm土壤，挑除植物根系、石砾后将土壤均匀混合，用四分法选取1 kg土壤装入自封袋保存，带回实验室进行风干、过60目筛用于测定土壤化学性质。

1.3 土壤肥力指标测定方法

土壤pH采用电位法测定，有机质采用重铬酸钾外加热法测定。全氮、碱解氮采用半微量凯氏定氮法，全磷含量硝化后用全自动间断分析仪测定，有效磷含量采用Mehlich-3溶液浸提后用全自动间断化学分析仪测定，全钾含量用碱溶-火焰光度法测定，速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定[23]。

1.4 土壤肥力质量评价

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一个重要指标，它是衡量土壤提供作物生长所需各种养分的能力。本研究评价土壤肥力的方法是模糊数学综合评价法[24]。（1）选取肥力指标与隶属度函数，本研究选取的隶属度函数有戒上形函数（指标越大越好，式(1)）与梯形函数（指标在一定范围内最好，式(2)）2种[25]；（2）确定隶属度函数中转折点；（3）根据肥力指标计算隶属度值；（4）确定土壤肥力指标的权重；根据式(3)计算土壤肥力综合得分，得到土壤肥力指数(integrated fertility index，IFI)。

式中，a为函数的最小值，b为函数的最大值，c和d为函数的最优值，x为指标测定值。Wi和Ci分别表示第i种肥力指标的隶属度值和相应的权重系数。

1.5 数据分析方法

采用SPSS 19.0软件进行方差分析、描述性统计等数据分析，Excel 2016制作图表。

2 结果与分析

2.1 土壤化学指标演变特征

1993—2018年广西桉树人工林土壤肥力指标变化如表2所示。土壤酸碱度是评价土壤肥力的重要指标，其大小制约着土壤养分元素的含量及有效性，经过25年长期经营后，广西桉树人工林土壤呈现酸化的趋势，变化范围在pH 4.48～4.83之间。2018年土壤pH 4.63，与1993年相比，下降了4.14%。1993、1998、2003年土壤pH显著高于其他3个年份(P＜0.05)。土壤有机质含量随着桉树人工林种植年限的增长呈现先减小后增大再减小的趋势，变化规律不明显。在2018年，土壤有机质含量达到最小值(17.98 g/kg)，显著低于其他5个年份，与1993年桉树人工林发展初期的土壤有机质含量23.41 g/kg相比，显著下降了23.19%(P＜0.05)。土壤全氮含量随着年限增长呈现先减小后增大的趋势，1993年全氮含量为最大值2.11 g/kg，1998年全氮含量为最小值(1.12 g/kg)，之后的年份里全氮含量有所回升，在2018年达到1.98 g/kg。土壤全磷含量最大值为2003年(1.41 g/kg)，之后的3个年份里全磷含量显著降低(P＜0.05)，2018年全磷含量为0.75 g/kg，与2003年相比下降了46.81%。土壤全钾含量随着人工林种植年限增长的变化规律不明显，1993、2018年土壤全钾含量显著低于其他年份，分别为7.73、9.27 g/kg(P＜0.05)。土壤有效养分含量中，土壤碱解氮、速效钾含量随着人工林种植时间增长显著降低(P＜0.05)，2018年土壤碱解氮、速效钾含量均显著低于1993年。土壤有效磷含量随着时间增长呈现先增大后减小再增大的趋势，2018年有效磷含量达到最大值(5.62 mg/kg)，显著高于其他年份(P＜0.05)。

2.2 土壤肥力质量演变特征

2.2.1 指标隶属度值 土壤肥力质量评价隶属度值计算依据隶属度公式，其中转折点a、b值分别为各指标中的极小值、极大值，各年份土壤肥力指标隶属度值如图1所示，雷达图可以反映出各肥力指标及不同年份肥力的整体状况，坐标轴上的点离雷达图原点越近隶属度值越小，反之则隶属度值越大，各点围成的多边形面积大小能充分反映评价对象的整体状况。各年份土壤肥力指标隶属度多边形面积由大到小排序为1993年＞1998年＞2003年＞2013年＞2018年＞2008年。

表2 桉树人工林土壤化学指标演变特征

2.2.2 各年份土壤肥力质量评价 土壤肥力质量评价中的各指标权重由评价因子的公因子方差计算确定，如表3所示。经土壤肥力指数公式计算得到土壤肥力指数如表4所示。采集的所有土壤样本土壤肥力指数平均值为0.521。所有年份土壤肥力指数由大到小为1993年＞1998年＞2018年＞2003年＞2013年＞2008年，土壤肥力指数整体变化趋势为先减小后增大。除1993、1998、2018年外，其余3个年份土壤肥力指数均在平均值以下。土壤肥力质量指数整体偏低，与1993年桉树人工林大规模种植开始时相比，所有年份的土壤肥力指数都有不同程度的下降。2008年广西土壤肥力指数为最低值(0.475)，与1993年相比下降了22.51%；在此之后的15年间，土壤肥力指数有小幅增长，在2018年广西土壤肥力指数为0.528，与2008年相比增长了9.37%。

表3 土壤肥力质量指标权重

图1 不同年份土壤肥力指标隶属度值

3 结论

长期的、高强度、粗放式桉树人工林经营方式对广西人工林土壤肥力的演变具有明显的负效应。连续种植桉树20年（萌芽3代）以上土壤酸化趋势明显，有机质、碱解氮、速效钾等养分元素含量显著下降。全磷、有效磷的含量随种植时间的增长虽然未表现出显著的规律性，但在部分年份（2008、2013年）已表现出磷元素含量极度缺乏的现象。在实际生产中，应积极开展测土配方施肥工作，采用有机、无机相结合的施肥方式合理施肥，提升土壤地力。同时，改变营林方式，适当延长轮伐期至8～12年，培育大径材，提倡生态营林，实现广西桉树人工林可持续经营。

4 讨论

广西桉树人工林土壤酸碱度随着种植时间的增长，呈现先下降后上升的趋势，依据国家耕地地力等级标准[26]，2008、2013、2018年土壤酸碱度等级为中等偏下。Berthrong[27]研究表明，由连栽松属人工林植物根际土壤pH显著下降可以推断，造成广西桉树人工林主产区2003年之后土壤逐渐酸化的原因可能是长期连栽桉树根系分泌有机酸在土壤中富集导致的，另外可能的原因是由于氮肥施放不合理[28]以及阴离子对阳离子的过量吸收[29]。广西桉树人工林土壤有机质在2008年之后逐年下降，与多代连栽的经营模式有关[21]，高强度的连栽一方面会降低林分生产力，凋落物还林量减少[30]，另一方面由于土壤趋于酸化，降低了微生物、土壤酶活性，进而抑制了有机质的合成。土壤养分元素含量方面，不同年限下土壤养分元素差异性较为显著(P＜0.05)，2018年土壤全磷含量较1993年相比下降了49.33%。广西属亚热带红壤地带，本底土壤多为缺磷富铝的酸性土[31]，磷素在酸性土壤中易形成PO43-造成磷元素流失，导致土壤全磷含量显著下降。有效养分含量除有效磷外，其余2种养分含量随着时间增长显著下降(P＜0.05)，表明在长期连栽过程中钾、氮等有效养分流失较为严重，造成这一结果的原因是连栽过程中要经常对林地进行清理，林地土壤缺少植被覆盖，雨水冲刷以及地表径流作用使有效养分元素大量流失[32]。在实际生产中，应注重桉树速生期（1～2年）的追肥、保肥措施[33]，避免养分元素供应不足影响桉树生长状况。同时，推广免炼山的经营模式，替代炼山、皆伐等不合理的采伐剩余物清理方式[34]，促进采伐剩余物回归土壤，保证人工林生态系统土壤养分良性循环。

表4 各年份土壤肥力指数

笔者通过广西土壤普查数据、CNKI公开发表文献土壤数据以及广西林业科学研究院25年土壤样本监测数据，对广西全区桉树人工林主产区土壤肥力质量进行评价，并不能完整准确地反映市、县（区）的土壤肥力状况，某些土壤肥力贫瘠的区域（不适宜桉树生长）或一些交通状况较差的山区、丘陵区域的土壤样品并未采集，所以本研究有一定的片面性[35-36]。但在宏观尺度上，一方面了解25年间广西桉树人工林主产区土壤肥力质量演变特征及演变方向，为制定桉树人工林合理经营模式提供理论依据；另一方面为后续建立更全面、更完善的土壤数据库打下基础。在土壤肥力质量指标的选取上，由于时间间隔较长，早期广西土壤普查数据与广西林科院土壤监测数据并未测定生物学性质，如土壤酶活性[37]，微生物量碳、氮、磷、微生物群落多样性等，土壤肥力评价方面仅针对化学性质。目前，笔者正在对土壤监测点进行升级改造，目的是为了监测更为全面的土壤肥力指标，如土壤微量金属元素，使评价结果更为全面、客观。