不同施肥处理对杉木林土壤水源涵养功能的影响

（江西农业大学 林学院 江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045）

杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.林不仅能在提供优质的木材方面发挥它的经济效益，还能在水源涵养功能方面发挥出它潜在巨大的生态效益[1]。但由于目前大面积的阔叶林被掠夺性采伐，取而代之的是单一树种的杉木人工林，造成林分结构简单，森林生态系统脆弱，生态环境恶化，引发地力严重衰退[2]，连载的杉木林所能发挥的生态效益正逐渐降低，也导致杉木林中土壤的水源涵养功能正不断退化。目前国内外有关林地土壤水源涵养功能和入渗的研究主要集中在不同植被林分类型[3-4]、不同土地利用方式[5]、不同土壤类型[6]、不同密度配置[7]等的土壤蓄水功能和渗透能力模型比较研究与长期观察研究。有关杉木林水源涵养的研究也主要集中在对杉木的针阔混交林、天然林和人工纯林等方面[8-10]，但关于施氮磷肥方面对杉木人工林中的水源涵养及土壤入渗作用如何调节鲜有涉及。因此，探讨不同氮磷肥的施用对提高杉木林中土壤肥力和水源涵养功能有着十分重要的意义与价值。

林地施肥能改善林木生长环境，为其生长提供所需的养分，氮和磷是植物生长所必须的两种元素，同时也是亚热带森林生态系统的限制元素[11]。研究表明，施肥不仅能够促进林木生长还对土壤质量的提升和有机质含量的升高有明显的效果[12]，适度的施肥可以改善土壤的非毛管孔隙度，增加非毛管持水能力[13]。肥力下降显著影响植物的根系生长，而植物根系通过在土壤中的结合和粘结作用，可以有效提高土壤入渗特性和稳定性[14]。林地土壤水源涵养功能主要体现在土壤对水分的静态涵养能力（蓄水性）及动态调节能力（渗透性）两个方面[15]。二者作为森林植被的主要水文过程和功能，是反映森林植被保持水土和涵养水源作用的重要水文参数[16]。土壤的渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素之一，土壤渗透性是描述土壤入渗快慢极为重要的物理特征参数之一[17]。范少辉等[13]对连续施肥13 a 的毛竹林进行研究，随着施肥年限的增加，土壤渗透性呈升高的趋势。有研究表明，土壤渗透性差，地表径流加剧，往往加剧土壤发生侵蚀的危害[18]，因此研究施肥后杉木林中水源涵养功能的调节作用及土壤渗透性具有重要的价值和意义。

以南方亚热带杉木人工林为研究对象，通过施用氮磷肥处理，研究杉木林中土壤的水源涵养功能和入渗特性的变化规律，旨在揭示施肥对杉木人工林中土壤水源涵养及土壤入渗状况的调节作用，为研究亚热带杉木林的科学经营和地力维护提供理论依据，为维护良好的生态效益提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省吉安市泰和县灌溪镇境内的中国科学院千烟洲红壤丘陵综合开发试验站（115°04′13″E，26°44′48″N），该区总面积为204 hm2，平均海拔在100 m 左右，相对高度为20～50 m，坡度多在10°～30°之间。该区属于亚热带大陆性季风气候，受东南季风影响明显，温暖湿润。年均气温为18℃，无霜期为290 d，年日照时数为1 406 h，该区降水丰富，年平均降水量为1 489 mm。目前千烟洲试验站多为人工林，主要树种有马尾松Pinus massoniana、湿地松Pinus elliottii和杉木[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计与样品采集

自2011年12月开始布设样地进行氮、磷肥的施用，氮肥处理施用NH4NO3，磷肥处理施用NaH2PO4，施肥方式为拌沙撒施。每年4 次，分别于3、6、9 和12月进行，在每年的6月和9月生长季节，施肥量均占到全年30%，而在3月和12月的非生长季当中，施肥量均为全年的20%[20]。试验采用随机区组设计，共设置4 个区组，在每个区组当中设置6 个20 m×20 m 的样方，随机进行6 种处理，分别为CK、N1、N2、P、N1P 和N2P。对4 个区组进行样地每木检尺，并测量经纬度、坡度等地形特征和盖度、胸径等林分特征，各区组基本情况如表1所示。

2017年11月采样，在每个样方内按照同一方向对角线各选3 个采样点，用100 cm3标准土壤环刀采集不同土层（0～5 cm、5～10 cm 和10～20 cm）土壤样品，在样方内3 个采样点两两间距在5 m 左右，每个点每层土均平行采2 个环刀，1 个环刀的样品测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水量等物理性质，另1 个环刀的样品测定土壤入渗特性。土壤样品按照每块样方内5 点取样，同样分0～5 cm、5～10 cm 和10～20 cm土层进行取样，同一样方内相同土层深度的土壤充分混合均匀后，用“四分法”取出约1 kg 土壤装保鲜袋，带回实验室自然风干，拣去动植物残体，挑出肉眼可见的石块，过2 mm 筛后测定土壤化学性质。

表1 各区组基本情况Table 1 Basic information of each region and group

1.2.2 土壤理化性质及水源涵养功能指标测定与计算方法

1）土壤理化性质的测定

试验中的具体测定方法是参照《土壤农业化学分析方法》[21]，采用环刀法和烘干称量法测定土壤容重、土壤孔隙度等水分物理性质指标；有机质测定采用重铬酸钾容量法—外加热法(H2SO4-K2Cr2O7)；有效磷测定采用碳酸氢钠法；速效钾测定采用乙酸铵提取法；pH 值采用电位法测定。

2）水源涵养功能指标测定

土壤蓄水性的测定。采用浸水称量法测定土壤最大持水量、毛管持水量。土壤储水量采用以下公式[22]：

土壤最大储水量(t/hm2)=土壤总孔隙度×10 000 m2×土壤深度；

土壤毛管储水量(t/hm2)=土壤毛管孔隙度×10 000 m2×土壤深度。

土壤渗透性的测定。采用双环刀法测定[23]土壤渗透特征指标。

初渗率计算方式为：最初入渗时段内渗透量/入渗时间，本研究取最初入渗时间为2 min；平均渗透速率计算方式为：达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间；稳渗率计算方式为：单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；渗透总量：因所有土样渗透速率在75 min 前己达稳定，为了便于比较，渗透总量统一取前75 min 内的渗透量。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2016 对数据进行初期统计与汇总，应用SPSS 22.0 软件对所有数据进行统计分析，显著性水平设定为α=0.01 和α=0.05，数据经方差齐次性检验后，使用双因素方差分析来检验施氮、磷肥后的杉木林理化性质及土壤水源涵养功能的差异（α=0.05），当差异性显著时，采用Duncan’s 法进行多重比较（α=0.05）。对土壤水源涵养功能指标与土壤理化性质指标进行Pearson 相关分析，图形处理采用SigmaPlot 12.5软件完成。

2 结果与分析

2.1 杉木人工林土壤理化性质分析

2.1.1 施肥对杉木人工林土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重是自然垒结状态下单位容积土体（包括土粒及孔隙）的质量，它与孔隙度（单位体积内土壤孔隙所占土壤容积的百分比）都是反映土壤物理结构的指标，影响着土壤水源涵养功能。由图1可知，在0～20 cm 表土层当中，6 种施肥处理土壤容重均随土层深度的增加而增加（P 除外），在0～20 cm 土壤容重（g/cm3）平均值大小依次为N1（1.37）＞CK（1.36）＞N2（1.34）＞N2P（1.33）＞N1P（1.28）＞P（1.27），N1P 与P处理显著低于CK 处理（P＜0.05），与CK 处理相比分别降低了6.25%和6.30%，其余处理并无显著差异。在土壤孔隙度分析当中，表土层不同土层深度的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度并无显著差异，P 处理极显著增加了土壤毛管孔隙度（P＜0.01），与CK 处理相比增加了14.25%，N1P 处理极显著增加了土壤非毛管孔隙度（P＜0.01），与CK 处理相比增加了34.21%，而N1P与P 处理极显著增加了总孔隙度（P＜0.01），与CK 处理相比分别增加了12.07%和12.78%。

图1 不同施肥处理对不同土层深度土壤容重和孔隙度的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil bulk density and porosity at different soil depths

2.1.2 施肥对杉木人工林土壤化学性质的影响

土壤化学指标在土壤当中的状态及浓度对植物的生长发育起着关键性的作用，目前对土壤化学指标研究主要从土壤有机质、酸碱度、土壤养分等方面进行分析[24]。试验表明（图2），在0～20 cm 表土层当中，6 种施肥处理土壤有机质碳、有效磷、速效钾含量均表现为随着土层深度的增加而减小，而pH 值则相反。在不同施肥处理分析当中，土壤有机质碳（g/kg）均值大小依次为N2P（24.85）＞N1P（22.88）＞CK（19.48）＞N1（19.28）＞N2（16.88）＞P（15.78），表现出N2P 与N1P 处理显著高于其余处理。土壤有效磷（mg/kg）均值大小依次为N2P（20.10）＞N1P（14.89）＞P（5.79）＞N1（1.04）＞N2（1.00）＞CK（0.97）。表现为N2P 处理极显著大于N1P 处理，N1P 处理极显著大于P 处理，P 处理极显著大于N1、N2 和CK 处理。土壤速效钾（mg/kg）均值大小依次为N2P（52.88）＞N1P（45.21）＞N1（43.33）＞N2（41.54）＞CK（41.21）＞P（34.00）。其中N2P 处理的土壤速效钾含量最高，P 处理的含量最低，相对于CK 处理呈显著相关性（P＜0.05）。在土壤pH 值分析当中，施用高浓度氮肥（N2）和氮磷肥同施（N1P、N2P）均显著降低了土壤pH 值（P＜0.05），使土壤酸化。

图2 不同施肥处理对不同土层深度土壤理化性质的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil physical and chemical properties at different soil depths

2.2 杉木人工林土壤水源涵养功能分析

2.2.1 施肥对杉木人工林土壤蓄水性影响

林地土壤的蓄水性反映了土壤调节和贮存水分的能力，是评价植被水文生态效益的重要内容，分析土壤蓄水性可以了解不同植物群落类型土壤层的涵养水源能力[25]。由表2可知，在0～20 cm表土层当中不同施肥处理土壤的持水性均随土层深度的增加而降低，不同土层深度的持水性方差分析表明，0～5 cm 土层的最大持水量与毛管持水量极显著大于10～20 cm 土层（P＜0.01）。在不同施肥处理对持水性影响的方差分析当中可以看出，N1P 与P 处理显著增加了土壤0～20 cm表土层最大持水量和毛管持水量，与对照相比增加了19.73%和19.62%。6 种施肥处理的最大持水量均值的变化范围在312.15～377.18 g/kg，毛管持水量变化范围在234.65～288.23 g/kg。在土壤储水量分析当中可知，N1P 和P 处理对最大储水量都有显著增加的效应，P 处理在毛管储水量中最大为1 819.69 t/hm2，显著大于其余施肥处理。

表2 不同施肥处理在不同土层深度中对土壤蓄水性的影响†Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil water retention at different soil depths

2.2.2 施肥对杉木人工林土壤渗透性的影响

土壤渗透性是描述土壤入渗快慢极为重要的土壤物理特征参数之一。在研究土壤渗透性时，常采用4 个指标来说明，即初渗率、平均渗透速率、稳渗率和渗透总量。有研究表明，在同等情况条件下，土壤渗透性能越好，地表径流越少，土壤的流失量也相应减少[26]。由图2可知，4 个评价土壤渗透性指标在0～20 cm 表土层均随着土层深度的增加逐渐降低，0～5 cm 土层土壤渗透性显著大于5～20 cm 土层（P＜0.05），0～5 cm土层土壤初渗率、平均渗透速率、稳渗率和渗透总量均值比5～10 cm 高出2.13、2.24、2.26、2.25 倍；比10～20 cm 高出4.17、4.27、4.31、4.28 倍。在6种不同施肥处理分析当中可以看出，N1P 处理显著增加了土壤初渗率（P＜0.05），整体0～20 cm表土层土壤初渗率（mm/min）为N1P（22.17）＞N2（15.63）＞N2P（12.36）＞N1（11.69）＞P（9.12）＞CK（7.52）。在平均渗透速率与渗透总量分析当中，N1P 处理均值最大，显著大于N2P、CK 和P 处理（P＜0.05），N2 处理显著大于CK 和P 处理（P＜0.05）；稳渗率当中表现为N1P 显著大于N2P、CK 和P 处理（P＜0.05），N2 处理显著大于P 处理（P＜0.05）。3 个指标均表现为N1P＞N2＞N1＞N2P＞CK＞P。

图3 不同施肥处理对不同土层深度土壤渗透性的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil permeability at different depths

2.3 杉木林土壤理化性质与水源涵养功能的关系

2.3.1 杉木林土壤理化性质与土壤蓄水性的相关分析

由表3可以看出，有机质碳与最大持水量和排水能力呈极显著正相关（P＜0.01），与最大蓄水量呈显著正相关（P＜0.05）。速效钾与毛管蓄水量呈极显著正相关（P＜0.01），与最大蓄水量呈显著正相关（P＜0.05）。pH 值与土壤蓄水性并无显著性差异。土壤容重与土壤蓄水性指标均呈极显著负相关关系（P＜0.01），毛管孔隙度与土壤蓄水性指标均呈极显著正相关（P＜0.01）；非毛管孔隙度与土壤最大持水量、毛管持水量和最大蓄水量呈极显著正相关（P＜0.01）。总孔隙度与土壤蓄水性指标均呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

2.3.2 杉木林土壤理化性质与土壤渗透性的相关分析

土壤理化性质对土壤渗透性有重要影响，由表4可知，在土壤化学性质指标当中，有机质碳、有效磷、速效钾与土壤渗透性特征4 个指标均呈极显著正相关关系（P＜0.01），pH 值与土壤渗透性指标均呈极显著负相关关系（P＜0.01）。在土壤物理性质指标当中，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度与土壤渗透性指标均呈极显著负相关关系（P＜0.01），土壤容重与土壤渗透性指标均呈极显著负相关关系（P＜0.01）。

表3 杉木林土壤理化性质与土壤蓄水性的相关分析†Table 3 Correlation analysis of soil physical and chemical properties and soil water retention in Chinese fir forest

表4 杉木林土壤理化性质与土壤渗透性的相关分析Table 4 Correlation analysis of soil physical and chemical properties and soil permeability in Chinese fir forest

3 讨 论

土壤容重是土壤的透水性以及通气性的重要反映，其大小受土壤质地、结构状况及有机质含量等因素的影响[27]。土壤容重越高，说明土壤越紧实，孔隙越少，所能容纳的水分越少，水源涵养能力越低。土壤孔隙度的大小直接影响土壤通气性和透水性的大小，非毛管孔隙度越大，土壤透水性越好，毛管孔隙度越大，土壤持蓄水能力越强[28]。不同施肥处理对杉木人工林中土壤容重与孔隙度有不同程度的影响，在土壤容重比较当中，N1P 与P 显著低于其余施肥处理，在总孔隙度分析当中，N1P 与P 显著高于其余施肥处理。因为在亚热带红壤丘陵区，土壤有效磷含量较低，添加P 元素能有效增加植物的生长与林地植物根系的生长。植物根系在土壤当中穿插生长，土壤通气性大幅度增加，孔隙状况得到改善。而加入高浓度氮肥更加导致植物对磷肥的需求，从而抑制了植物的生长，导致土壤当中根系较少，孔隙度小，通气度较差。

土壤有机碳及其组分含量是衡量土壤质量的重要指标[29]，也是影响土壤水分涵养特征的关键因素[30]。在0～20 cm 表土层当中，N2P 与N1P的土壤有机质碳含量显著高于其余处理，主要是因为氮磷肥同施对林中植被的生长有促进作用，每年新增较多枯枝落叶，导致土壤对其分解较多从而形成了更多有机质。施用磷肥能显著增加土壤当中有效磷的含量，而氮磷同施对有效磷含量提升最高，氮磷同施也对土壤速效钾含量提升有显著促进作用。可能是因为施氮磷肥显著增强了林中植物生长速率，导致枯枝落叶增加，从而速效养分更多的归还到土壤当中。高浓度氮肥（N2）和氮磷肥同施（N1P、N2P）均显著降低了土壤pH 值，使土壤酸化，这与蔡泽江等[30]对湖南祁阳典型红壤进行长期定位施肥研究土壤pH 值变化规律相一致。在表土层分析当中，土层越深，pH值越高。可能因为凋落物分解过程当中分泌较多有机酸，而有机酸是从上逐渐往下渗透的，所以导致了土层上的差异。

土壤蓄水性是通过各种孔隙度结合土层厚度来表征的[32]，而土壤渗透性受到很多因素的影响，如不同林分类型、不同土壤结构、质地、孔隙度、有机质等[33]。在土壤水源涵养功能对比中发现，N1P 与P 显著增加了土壤0～20 cm 表土层的蓄水性；N1P 显著增强了土壤的渗透性，在土壤理化性质与水源涵养功能相关性分析中，土壤容重与土壤蓄水性、渗透性呈极显著负相关性，土壤孔隙度与土壤蓄水性、渗透性呈极显著正相关。而N1P 与P 的施用降低了杉木人工林土壤容重，增加了土壤孔隙度，所以N1P 与P 能通过改变土壤物理性质来达到提高土壤水源涵养功能的目的。由此可以得知，低浓度氮肥与磷肥（N1P）同施，通过改变植被根系生长、凋落物分解等综合因素，从而改变土壤理化性质及土壤结构组成而影响林地土壤水源涵养功能。

选择立地条件基本相同的杉木人工林进行比较，从土壤理化性质、入渗特性和蓄水特性入手，比较不同施肥处理对土壤水源涵养功能强弱的影响，对当地杉木人工林土壤结构改良及人工林管理具有一定指导意义。但未对林地内凋落物的年储量及凋落物的水源涵养功能进行分析比较。另外，土壤的蓄水能力不仅与物理性质的改善密切相关，土壤团粒结构、质地、机械组成等因素也会影响到土壤的蓄水能力[34]。试验缺乏对土壤团聚体稳定性、机械组成等方面的研究，在土层深度分析当中，随着施肥年限的不断增加，施肥的效应逐渐纵向扩展，土层深度分析也应逐渐加大。后续应综合多方面因素加以考虑，进一步深化研究。

4 结 论

1）通过对杉木人工林中不同施肥处理土壤容重和孔隙度的分析表明，在0～20 cm 表土层当中，6 种施肥处理土壤容重均随土层深度的增加而增加，土壤容重P 和N1P 处理显著小于CK 处理；土壤总孔隙度P 和N1P 处理显著大于CK 处理；从土壤静态水源涵养功能分析当中可以看出，N1P和P 处理显著增强了土壤最大储水量和最大持水量，P 处理显著增强了土壤毛管储水量和毛管持水量，依据杉木人工林地最大储水量（t/hm2）大小，6 种施肥处理静态水源涵养功能大小依次为P（2 378.23）＞N1P（2 363.00）＞N2（2 178.85）＞N2P（2 122.96）＞CK（2 108.52）＞N1（2 107.81）；土壤初渗率、平均渗透速率、稳渗率和渗透总量在0～20 cm 表土层当中均以N1P 处理为最大，渗透性大小依次为N1P（1 715.96）＞N2（1 509.35）＞N1（1 029.46）＞N2P（832.54）＞CK（702.84）＞P（666.13）。由此可知施用磷肥或低浓度氮肥与磷肥同施对土壤孔隙度的改善、土壤的静态水源涵养功能和渗透性功能的改良具有明显的优势。

2）0～20 cm 表土层，6 种施肥处理土壤有机质碳、有效磷、速效钾含量均随着土层深度的增加而减小，pH 值随着土层深度的增加而升高。N2P处理下的土壤有机质碳含量最高（24.85 g/kg），N1P 处理（22.88 g/kg）次之，且二者显著高于CK处理。有效磷含量N2P 处理与N1P 处理显著高于CK 处理。速效钾含量N2P 处理显著高于其余处理，P 处理显著低于其余施肥处理。pH 值在P 处理当中最大，高浓度氮肥或氮磷同施显著降低土壤pH 值。

3）通过杉木人工林土壤理化性质与水源涵养功能的相关性分析可知，土壤的物理性质对土壤水源涵养功能影响较大，土壤容重与土壤水源涵养功能指标均呈极显著负相关，土壤孔隙度指标与土壤水源涵养功能指标均呈极显著正相关（除非毛管孔隙度与毛管蓄水量不显著外）。

4）综合6 种施肥处理杉木人工林土壤水源涵养功能特性可知，低浓度氮肥与磷肥同施可以有效提高0～20 cm 表土层杉木人工林土壤的水土保持及涵养水源的能力。