山东省赤松人工林土壤理化特性与综合肥力

程鸿雁，张兰英，王 凤，杜振宇

（1山东省地质调查院，济南 250012；2济南市国有北郊林场，济南 250119；3淄博市张店区园林绿化服务中心，山东 淄博 255090；4山东省林业科学研究院（山东黄河三角洲森林生态系统定位研究站），济南 250014）

0 引言

森林土壤综合肥力是土壤中水、肥、气、热相互联系的结果，是土壤物理、化学和生物学特性的综合反映，其中物理、化学特性由于相对较稳定，是土壤肥力研究最重要的构成部分，也是研究重点。国内关于人工林土壤理化性质的研究较多，涉及到侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、毛竹(Phyllostachys heterocycla)、红豆杉(Taxus chinensis)、麻栎(Quercus acutissima)等多个树种[1-5]，但关于赤松(Pinus densiflora)林地土壤的研究较少。

赤松是山东省的乡土树种，山东半岛是其原生地[6]，主要分布在鲁东丘陵区和鲁中山地，赤松人工林栽培面积现已超过13万hm2，固碳量高达1.84 Tg[7]。2000年以来针对赤松林生长、树木生理生态、病虫害防治等已有较多报道[8-10]，但针对林地土壤的研究相对较少，主要是关于赤松林地土壤对大气CO2升高的响应以及土壤根际微生物方面。唐丽娜[11]对赤松根际土壤微生物多样性进行了研究；贾夏等[12]研究了大气CO2浓度升高对长白赤松幼苗土壤酶活性的影响；Ultra等[13]研究了CO2和温度升高对赤松根际土壤和微生物功能结构的影响；Kim等[14]研究了火灾对赤松林地土壤特性的短期影响作用。然而，却很少有研究涉及到赤松林地土壤理化特性和综合肥力。本研究以山东省主要立地条件下典型赤松人工林为对象，开展林地土壤理化特性研究和土壤肥力综合评价，以期为山东省赤松人工林可持续经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地区位于山东省鲁东丘陵区和鲁中山地，这两处是山东省赤松主要分布区。鲁东丘陵地区位于山东省东部，区划上涉及烟台、青岛、日照、威海等市，属暖温带湿润半湿润季风性气候，年均气温约11.3℃，无霜期约207天，年均降水量约740 mm，年平均日照数2690 h[15]。由于土壤主要发育于酸性母岩，类型主要为棕壤，植被类型以常绿针叶林和落叶阔叶林为主，树种主要有黑松、赤松、油松、麻栎(Quercus acutissima)、楸树(Catalpa bungei)等。鲁中山区位于山东省中部，整体地势较高，区划上涉及济南、泰安、淄博等市，属暖温带湿润气候区，年均气温13.0℃，日照时数2650 h，无霜期215 d，年均降水量800 mm。土壤类型以棕壤和褐土为主，代表树种主要有侧柏、赤松、刺槐(Robinia pseudoacacia)、麻栎、榆树(Ulmus pumila)等[16]。

1.2 样地设置和土样采集

研究样点设在鲁东丘陵区的烟台市、日照市以及地处鲁中山地的淄博市和泰安市，共有样地35块，面积均为10 m×10 m。林地土壤类型为棕壤，样地具体情况见表1。土样采集时间为2018年9—10月。在每块样地随机选点4个，取样层次为0～20 cm，去除石砾等杂物，混合均匀后用四分法取样带回实验室，自然风干后备测。

表1 供试赤松人工林样地概况

1.3 测定指标和方法

土壤养分状况和土壤物理和化学环境共同决定了土壤综合肥力[17]。本研究选择了13个土壤理化指标，其中：土壤养分指标5个，分别为土壤全氮、有机质、有效氮、有效磷和有效钾；土壤物理和化学环境指标8个，分别为pH、电导率(EC)、阳离子交换量(CEC)、容重、孔隙度、土层厚度、粘粒(＜0.002 mm)和粉粘比（粉砂粒与粘粒的比值）。

土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法；全氮采用开式法；有效氮、磷和钾分别采用碱解扩散法、钼蓝比色法和火焰光度计法测定。土壤pH采用酸度计，EC用电导率仪测定；CEC采用醋酸铵交换法测定[18]；容重采用环刀(100 cm3)测定，孔隙度则采用环刀浸水法测定[1]。土层厚度采用钢钎测定，粉砂粒和粘粒含量采用吸管法测定[19]。

1.4 土壤综合肥力评价

1.4.1 评价指标的隶属度值计算 参照孙波等[17]的方法，采用综合肥力指数法对赤松人工林土壤肥力进行评价。首先建立各评价指标的隶属度函数，计算其隶属度值。土壤pH、EC、容重、孔隙度、粘粒和粉粘比的隶属度函数属于抛物线型，公式如式(1)所示。

土壤有机质、土层厚度、CEC、全氮、有效氮、有效磷和有效钾的隶属度函数则属于S型，公式如式(2)所示。

隶属度函数曲线中转折点的取值根据已有研究资料确定[5,20]，见表2。然后，根据以上公式和转折点计算得出各项指标的隶属度值。

表2 各指标隶属度函数曲线中的转折点取值

1.4.2 土壤综合肥力指数的计算 首先参照姚荣江等[21]的方法，根据公式(3)计算各项指标的权重。

式中：r′为某一项评价指标与其它指标之间相关系数的平均值，∑r′为所有同类评价指标相关系数平均值总和。

然后参照孙波等[17]的方法，根据公式(4)～(6)计算出每块样地的综合肥力指数FI。

式中：N表示养分状况指标隶属度集合，E表示土壤环境指标隶属度集合，W表示权重，n和e表示两类指标的隶属度值，i和j表示两类指标的序数，分别为1～5和1～8。

1.5 数据分析

利用Excel 2016和Statistica 12.5软件进行指标隶属度计算、图表制作和相关分析；采用变异系数来分析土壤肥力指标的变异程度。

2 结果与分析

2.1 赤松林地土壤的养分特性

由表3可以看出，供试赤松林地土壤有机质平均值为26.34 g/kg，变幅为12.10～71.20 g/kg，除8.57%样地为“高”等级之外，其余样地的有机质含量均为中等水平，处于10～50 g/kg之间。由测定结果可知，供试土壤全氮含量处于0.04%～0.29%，其中62.85%和34.29%林地土壤分别属于中、高等级，仅有2.86%处于低水平。有效氮含量的变幅较大，最高值为最低值的17.5倍，等级分布规律与全氮相似，绝大多数处于中、高等级。土壤有效磷含量变幅也很大，处于0.6～26 mg/kg之间；除31.43%属于“中”或“高”水平，其他土壤有效磷含量均处于“低”等级。土壤有效钾整体含量不高，平均值为48.54 mg/kg，变幅为20～111 mg/kg，88.57%属于中等水平。结果表明，山东省赤松人工林土壤的有机质、全氮、有效氮和有效钾含量整体上均处于中等水平。相比之下，土壤有效磷含量较低，平均值仅为4.10 mg/kg。

变异系数反映了指标的敏感性，变异系数越大表明该指标对差异性也越敏感，超过100%为强变异，低于10%为弱变异，处于10%～100%则为中等变异[22]。由表3可以看出，在5个土壤养分指标中，有效磷的变异系数最大，为强变异；其余4个指标的变异系数比较接近，均为中等程度变异，这说明供试赤松林地有效磷在不同采样点间的变异较大，其余养分指标总体上较为稳定。

表3 供试赤松人工林土壤养分指标描述性统计分析结果

2.2 赤松林地土壤的物理和化学环境特性

由表4可以看出，在8个土壤物理和化学环境指标中，土壤pH和粘粒含量的变异系数低于10%，呈弱变异，说明山东省赤松人工林土壤pH和粘粒含量相对较为稳定。其余指标均为中等变异，变异系数相对较高的为CEC和EC。

由分析结果可知，供试赤松林地土壤pH变化范围为pH 4.66～6.05，平均值为pH 5.30，均表现为酸性(pH 4.5～6.5)。供试土壤EC的变幅为19.6～115.6 μS/cm，均处于“很低”等级。从表4可以看出，赤松人工林地土壤CEC平均值为8.85 cmol/kg，整体均值处于“低”等级，只有31.43%处于适中水平。测试结果表明，鲁中、鲁东山地赤松人工林土壤容重变幅为0.94～1.66 g/cm3，其中74.54%样地的土壤容重处于“适中”等级，处于“较高”和“较高”等级的均为11.43%，另有2.86%处于“很低”水平。在本研究中，供试土壤孔隙度处于“适中”等级的占65.71%，其余20%和14.29%分别处于“较低”和“较高”水平，说明供试林地土壤的孔隙度整体上比较适宜，通透性较强。94.29%供试赤松样地的土层厚度处于适中水平，变幅为18.2～75.0 cm。土壤粘粒含量的平均值仅为9.35%，除2.86%为“较低”水平处，其余均为“很低”水平。由于土壤粘粒含量较低，导致粉粘比相应增加，处于“较高”和“很高”等级的分别为17.14%和42.85%，只有34.29%土样的粉粘比为“适中”等级。

表4 赤松人工林土壤物理和化学环境指标的描述性统计分析结果

2.3 赤松林地土壤的综合肥力指数

计算结果表明（表5），不同样地间的土壤综合肥力存在较大差异，35块供试赤松人工林样地的土壤综合肥力指数变幅为0.075～0.464，最高值为位于烟台市昆嵛区的15号样地，而最低值为位于日照市东港区的19号样地。将不同县区的样地进行比较（图1），可以看出昆嵛区的赤松林土壤肥力指数平均值最大，其次为沂源县，二者相差不大，均显著高于其它县区样地；平均值最低的为烟台市牟平区，其次为东港区，莱山区和岱岳区赤松林土壤肥力相关不大，四者之间的差异没有达到显著水平。从整体上看，位于淄博、泰安市的鲁中山地赤松林土壤肥力指数平均值要明显高于鲁东丘陵区（包括烟台、日照）。

图1 不同地点赤松人工林的土壤综合肥力

表5 供试赤松人工林土壤综合肥力指数

2.4 林分密度对赤松人工林土壤综合肥力的影响

将赤松林分密度与林地土壤综合肥力指数进行相关分析。结果表明，二者之间的相关系数为-0.484，达到显著水平(P＜0.05)。从图2可以看出，随林分密度的增加，赤松人工林土壤综合肥力指数出现明显下降趋势，表明赤松人工林密度过大会在一定程度上降低林地土壤肥力。

图2 林分密度对土壤综合肥力指数的影响

3 结论

（1）山东省赤松人工林有效磷在不同样地间的差异较大，变异系数最大，属强变异；而土壤pH和粘粒含量相对较为稳定，为弱变异，其余指标均为中等变异。在土壤养分指标中，土壤有机质、全氮、有效氮和有效钾含量整体处于适中水平，而有效磷含量相对较低，平均含量仅为4.10 mg/kg。

（2）在土壤物理和化学环境指标中，供试赤松林地土壤表现为酸性，平均值pH 5.30；土壤EC和CEC均整体较低；供试样地的土壤容重和孔隙度处于“适中”等级的分别为74.54%和65.71%；所有样地的土层厚度均处于适中水平；土壤粘粒含量的平均值仅为9.35%，均处于“较低”或“很低”等级，导致粉粘比相对较高。

（3）不同样地间的土壤综合肥力存在较大差异，以烟台市昆嵛区和淄博市沂源县赤松林土壤综合肥力最高，显著高于其他县区；鲁中山地赤松林的土壤综合肥力指数要高于鲁东丘陵区。相关分析表明，赤松林分密度与土壤综合肥力指数之间存在显著负相关性。

4 讨论

土壤综合肥力不能直接测定，可通过土壤肥力指标来间接推测。在进行林地土壤肥力评价时，选择适当的评价指标和评价方法起到关键作用。孙波等[17]认为，土壤肥力应包括两个有机结合的部分，即土壤的养分状况以及土壤在供应植物生理所需物质时所处的环境条件。本研究主要从代表性、可比性、易测性等多方面考虑，选取了5个土壤养分指标和8个土壤物理和化学环境指标，均是在土壤肥力评价中使用较多的主要指标。考虑到土壤酶活性、微生物数量等生物学指标受人为和环境因素影响较大，在不同地点的空间变异性大，缺乏可比性，因此本研究没有选用这类指标。

在土壤肥力评价中，一般都是利用多项土壤指标进行综合评判。目前国内外常用的评价方法主要有模糊数学法、肥力指数法、层次分析法、质量模型法、因子分析法等[1,23-24]。本研究选用了国外均使用较多的肥力指数法，对山东省赤松人工林土壤肥力进行综合评价，能比较准确地反应林地土壤肥力状况。

本研究结果表明，随林分密度增加，赤松林地土壤综合肥力有降低趋势。赤松人工林在林分密度较低时，林下植被丰富，根系对土壤的切割作用较强，会提高土壤透气保水能力[25]。在林分密度较低时，赤松林木地上部生物量增加，枯落物也相应较多，分解的有机酸有利于活化土壤养分，同时提高了土壤养分和有机质含量。而林分密度过大则会加速林木根系吸收土壤养分，降低林内凋落物在土壤中的分解速率，减少了返回给土壤的养分，从而导致林地土壤肥力有所下降[26-27]。