长周期母竹留养模式的毛竹林土壤养分状况评价1)

郑素芸 林雨薇 黄怡 荣俊冬 李士坤 陈礼光 何天友 郑郁善

(福建农林大学,福州,350000) (漳平市林业局) (福建农林大学)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我国南方的重要竹种,占我国竹林总面积的74%[1]。天然异龄结构是毛竹林的重要特点,在毛竹经营中,通常会根据不同的经营目标构建相应的竹龄结构林分[2]。在笋用林的毛竹林经营中,传统经营模式是按Ⅰ～Ⅳ度竹比例和每年保持留存一部分笋长成新竹更新竹林[3];但受人力资源的紧缺以及难作业等因素影响,传统经营模式的成本不断提高[4]。长周期母竹留养模式是一种新式母竹留养方式(一次性保留1～3年生毛竹作为母竹),此后每年不再留笋养竹;该种模式,节约人力、增加效益[5]。但是高生产力是毛竹林地力衰退的重要原因之一[6],因此需要了解和客观评估不同经营时长的毛竹林地土壤养分状况,为维持毛竹林的稳定生产力和可持续经营提供重要依据。

森林土壤是林木生长重要的物质基础[7],研究表明,森林土壤养分状况与植被的生长密切相关[4]。随着长周期母竹留养模式的经营年限增加,毛竹林内的竹龄结构、不同竹龄毛竹的生长速率[8]、营养器官养分分布及其养分循环[9]等的变化对毛竹林土壤养分具有重要影响。目前,对于毛竹林土壤养分的研究较多,罗天磊等[10]研究表明,全氮、有机质、碱解氮等6个土壤指标,是影响毛竹林土壤肥力的重要因子;郑丽凤等[11]研究表明,随着采伐年限的增加,森林土壤养分可能会呈下降的趋势。由于长周期母竹留养模式与过去传统方式存在差异,并且对长周期母竹留养模式的毛竹林土壤养分的研究很少。为此,本研究在福建省漳平市新桥镇高美村选择试验地,以毛竹林为研究对象,以空间替代时间,选取长周期母竹留养模式连续经营的毛竹笋用林——5种连续经营(经营时长)4、5、6、7、8 a的毛竹林,以传统经营模式为对照,设置样地10 m×10 m,按照土层深度(h)0

1 材料与方法

1.1 样地设置

试验地处于福建省漳平市新桥镇高美村,该地区位于福建省西部,地理中心坐标25°38′N、117°47′E,海拔780 m。属亚热带季风气候,年均气温17.9 ℃,年均无霜期为280 d,年均降水量1 750 mm;境内年日照时间1 852.9 h;土壤为红壤,pH为5.5;主要植被类型以桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、水同木(Ficus.fistulosa)等为主。

2017年11月份,在试验地选择竹林密度1 600～1 800株·hm-2,选取长周期母竹留养模式连续经营的毛竹笋用林:在连续经营4、5、6、7、8 a及常规经营作为对照的林地,设置样地10 m×10 m,每个类型样地3个重复,共18块样地;样地统一施2次复合肥(N、P、K元素质量比例1∶1∶1),分别为5、10月份,施肥量为1 125 kg·hm-2,其余管理措施保持一致。留养母竹的竹龄为1～3年生,每种竹龄母竹数量各占33%,对样地内毛竹进行每竹调查,记录毛竹竹龄、胸径、均匀度[12]、经营时长和立地条件等信息(见表1)。

表1 毛竹林样地基本状况

1.2 土壤样品采集与养分测定

根据毛竹的生长期,于8月份进行采样,在标准地内按照S形5点采样法采集土壤样品,将表层的枯枝落叶去除,土壤剖面按照土层深度(h)0

土壤全氮质量分数、全磷质量分数、全钾质量分数,分别采用H2SO4-H2O2消煮法、碱熔-钼锑抗比色法、原子吸收分光光度法测定;土壤有机质质量分数,采用重铬酸钾氧化外加热法测定;土壤碱解氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数,分别采用碱解扩散法、氟化铵-盐酸浸提钼锑抗比色法、乙酸铵浸提火焰光度计法测定。根据相关资料及第二次全国土壤普查的养分标准[14],获得土壤养分评价标准(见表2)。

表2 土壤养分丰缺等级划分

1.3 土壤养分评价方法

本研究选取土壤全氮质量分数、碱解氮质量分数、全磷质量分数、速效磷质量分数、全钾质量分数、速效钾质量分数、有机质质量分数7项指标作为评价土壤肥力质量的土壤因子;首先对7个土壤个因子进行编号及标准化处理;其次,本研究采用主成分分析法对不同经营时期毛竹林样地的土壤指标进行了分析,得到了各主成分的特征值、方差贡献率、累积贡献率、公因子方差和载荷矩阵,计算得到不同土壤因子的指标权重(Wij),采用加权求和法计算各主成分的得分,以各公因子的特征值贡献率作为权重,进行加权求和得到综合评价指标值(IIF)[15]。

Fi=Wi1X1+Wi2X2+…+WijXj;Wij为各个指标的权重,Xj为各个土壤指标。

IIF=α1F1+α2F2+…+αiFi;αi为加权平均系数,Fi为各公因子得分。

2 结果与分析

2.1 毛竹林土壤养分概况

由表3可见:毛竹林试验区土壤有机质、全氮、碱解氮丰富,全磷(<0.4 g·kg-1)、速效钾(<50 mg·kg-1)较少。本研究区内土壤各养分指标的变异系数(CV)范围为19.76%～52.97%,为中等变异(CV≤10%为弱变异,10%100%为强变异)[16]。各项土壤养分指标的变异程度,变异系数由大到小依次为速效钾质量分数(52.97%)、全钾质量分数(42.20%)、碱解氮质量分数(31.18%)、全氮质量分数(30.76%)、全磷质量分数(22.06%)、速效磷质量分数(20.71%)、有机质质量分数(19.76%)。

表3 毛竹林土壤养分基础数据

2.2 毛竹林土壤养分丰缺评价

由表4可见:研究区毛竹林仅有2.78%的土壤有机质属于较丰富水平(土壤有机质质量分数>20 g·kg-1),主要处于适量水平。全氮、碱解氮处于较丰富及以上等级,土壤比例分别为73.62%、100.00%,并且处于极丰富水平的碱解氮占80.56%,说明试验区土壤的氮素量丰富。全钾处于适量及以上等级,土壤比例为66.67%。全磷处于贫乏等级的土壤比例为95.83%,但未出现极度贫乏现象,仅有16.67%的土壤速效磷处于较丰富及以上等级、83.33%的土壤速效磷处于适量,表明试验区毛竹林的磷素较少,可利用的磷素丰缺表现强于全磷。速效钾处于贫乏及以下等级,土壤比例为66.67%,出现极度贫乏现象的占40.28%。有机质总体表现良好,处于适量等级,土壤比例为91.67%。

表4 毛竹林土壤养分不同等级构成

2.3 毛竹林土壤养分变化

由表5可见:①表层土壤(0

②全磷质量分数和速效钾质量分数在不同土层之间分布相对均匀,在不同土层各种经营周期间差异均不显著。其中,5种经营周期,各土层全磷质量分数为0.27～0.30 g·kg-1,均大于对照(0.26 g·kg-1);5种经营周期,各土层速效钾质量分数为30.93～41.92 g·kg-1,均大于对照(30.70 g·kg-1);5种经营周期,各土层有机质质量分数为10.60～14.37 g·kg-1,均低于对照(15.45 g·kg-1)。

③碱解氮质量分数,在不同经营时长的不同土层之间表现不一,且差异不显著,但均表现为连续经营7 a时碱解氮质量分数最高(173.61～329.48 mg·kg-1)、连续经营8 a时碱解氮质量分数最低(114.93～194.90 mg·kg-1)。在不同经营时长的各土层之间,碱解氮质量分数与全氮质量分数变化趋势一致,均随着土层的加深而减少,由大到小依次为连续经营7 a、连续经营5 a、连续经营4 a、常规经营(对照)、连续经营6 a、连续经营8 a;除连续经营6 a、连续经营8 a外,其余经营时长的土壤碱解氮质量分数、全氮质量分数,均在不同土层之间差异显著(P<0.05)。全钾质量分数与碱解氮质量分数有相似的变化趋势,均为不同土层各经营时长间差异不显著,且连续经营7 a时土壤全钾质量分数最高(15.04～16.47 g·kg-1)、连续经营8 a时土壤全钾质量分数最低(9.70～11.00 g·kg-1)。各个样地土壤有机质质量分数,在不同经营时长及其不同土层之间表现不一,且差异不显著(P>0.05),但均表现为在连续经营7 a时样地土壤有机质质量分数最低。

2.4 毛竹林土壤养分综合评价

对毛竹林土壤养分进行皮尔逊(Pearson)相关性分析,结果表明(见表6):全氮质量分数与碱解氮质量分数之间、全磷质量分数与速效钾质量分数之间、全钾质量分数与速效钾质量分数之间呈极显著正相关(P<0.01),全氮质量分数与全钾质量分数之间、全氮质量分数与速效钾质量分数之间、全钾质量分数与碱解氮质量分数之间、全钾质量分数与速效磷质量分数之间呈极显著负相关(P<0.01),全氮质量分数与速效磷质量分数之间、碱解氮质量分数与速效磷质量分数之间呈显著正相关(P<0.05),碱解氮质量分数与速效钾质量分数之间、速效磷质量分数与有机质质量分数之间呈显著负相关(P<0.05)。说明全氮质量分数的提高可以提高土壤碱解氮、速效磷的质量分数,但是会降低土壤全钾质量分数、速效钾质量分数;速效磷质量分数越高,有机质质量分数越高。运用主成分分析法,得KMO值(变量之间的相关性检验)为0.676(>0.6)、P=0<0.05,巴特利特球形度检验统计量为96.189,进一步说明本研究中土壤养分各指标之间存在相关性,采用主成分分析法评价长周期母竹留养模式不同经营时长的毛竹林土壤养分是可行的。

表6 毛竹林土壤养分相关性

根据特征值≥1的原则进行主成分的提取,本研究提取3个主成分,其方差贡献率依次为30.497%、22.004%、18.13%,前3个主成分累计贡献率为70.631%(见表7),说明试验区毛竹林土壤所有肥力指标所提供的信息的70.631%可通过前3个因子表征。从成分得分矩阵可知,主成分F1,主要与全氮质量分数的相关系数(0.714)、碱解氮质量分数的相关系数(0.677)较大;主成分F2,主要与全磷质量分数的相关系数(0.629)较大;主成分F3,主要与速效磷质量分数的相关系数(0.601)、有机质质量分数的相关系数(0.524)较大;因此,试验区毛竹林土壤养分综合评价的重要影响因子,为全氮质量分数、碱解氮质量分数、全磷质量分数、速效磷质量分数、有机质质量分数。各个主成分的综合线性表达式:

表7 初始因子载荷矩阵及贡献率

F1=0.500w(TN)+0.046w(TP)-0.409w(TK)+0.540w(AN)+

0.279w(AP)-0.225w(AK)-0.149w(OM);

F2=-0.101w(TN)+0.747w(TP)+0.308w(TK)+0.042w(AN)-

0.035w(AP)+0.651w(AK)-0.095w(OM);

F3=-0.005w(TN)-0.114w(TP)-0.090w(TK)-0.018w(AN)+

0.707w(AP)-0.026w(AK)+0.817w(OM)。

式中:w(TN)为全氮质量分数,w(TP)为全磷质量分数,w(TK)为全钾质量分数,w(AN)为碱解氮质量分数,w(AP)为速效磷质量分数,w(AK)为速效钾质量分数,w(OM)为有机质质量分数。

再根据土壤养分综合评价指标值(IIF)计算公式,获得长周期母竹留养模式的不同经营时长的毛竹林土壤养分综合得分,IIF=0.432F1+0.312F2+0.256F3,IIF越高表明肥力越高,反之,则表示肥力越低。

以欧式距离(各项值之间平方差之和的平方根)为评价样本间差异大小的依据,采用组间联接的方法,对长周期母竹留养模式不同经营时长毛竹林的土壤养分综合得分进行系统聚类。因子-聚类分析结果表明,不同经营时长的毛竹林土壤养分的综合评价指标值(IIF)可分为5个等级:第Ⅰ类——IIF值为1.56～1.64,属于极高肥力,此区间的土壤样本为2个,所占比例为2.78%;第Ⅱ类——IIF值为0.94～1.30,属于高肥力,此区间的土壤样本为10个,所占比例为13.89%;第Ⅲ类——IIF值为0.28～0.78,属于中等肥力,此区间的土壤样本为17个,所占比例为23.61%;第Ⅳ类——IIF值为-0.65～0.10,属于低肥力,此区间的土壤样本为29个,所占比例为40.28%;第Ⅴ类——IIF值为-1.38～-0.75,属于极低肥力,此区间的土壤样本为14个,所占比例为19.44%。

试验区毛竹林土壤养分综合评价指标值(IIF)达到一级和二级水平的比列为2.78%和13.89%,表明土壤养分水平总体较低;从不同经营时长看,根据分级结果计算出不同经营时长土壤养分等级所占比例(见表8)。由表8可见:连续经营7a综合养分较高,其IIF值在第Ⅰ类、第Ⅱ类肥力水平的比例为8.33%和25.00%,这两类占比均高于或等于其他经营时长,同时均值(0.282)在6种经营模式中最高;连续经营8a的土壤养分综合肥力较低,其均值(-0.226)在6种经营模式中最低,在第Ⅰ类、第Ⅱ类肥力水平的比例均为0,在第Ⅲ类、第Ⅳ类、第Ⅴ类肥力水平中分布均匀,均为33.33%,并且第Ⅴ类肥力水平的比例均高于其他经营模式;连续经营4、6 a,毛竹林土壤养分综合肥力在第Ⅳ类、第Ⅴ类级中,分别占比75.00%、66.66%;连续经营5 a,毛竹林土壤养分综合肥力主要集中于第Ⅲ类,占比41.67%。

表8 不同经营时长毛竹林各土壤肥力等级分布情况

3 讨论

土壤营养元素是土壤肥力的重要指标[17]。本研究表明,不同经营周期的毛竹林土壤养分丰缺不一,土壤有机质质量分数处于中等水平,全氮质量分数、碱解氮质量分数较高。土壤中的C、N元素主要来源于表层枯落物、微生物活动等,毛竹林林下枯落物相对丰富,提高了土壤中的有机质质量分数、全氮质量分数、碱解氮质量分数。但全磷质量分数、速效磷质量分数均较低;对比全国土壤全磷质量分数的0.56 g·kg-1[18],试验地毛竹林土壤中全磷质量分数均值为0.28 g·kg-1,明显低于全国水平,是因为福建省山区土壤多为黄壤或红壤,普遍缺乏磷元素[19]。

在本研究中,不同经营时长对毛竹林各土壤养分指标产生一定影响,土壤全氮、碱解氮具有表聚性,随着土壤深度加深而减少,不同经营时长的毛竹林,0

本研究主成分分析表明,碱解氮质量分数、全氮质量分数、全磷质量分数、速效钾质量分数、有机质质量分数、速效磷质量分数,是影响长周期母竹留养模式毛竹林土壤肥力的重要因素。第一主成分的主要因子为全氮质量分数、碱解氮质量分数,表明全氮质量分数、碱解氮质量分数是长周期母竹留养毛竹林主要的养分控制因子[10]。本研究聚类分析表明,毛竹林土壤养分综合评价值(IIF),由大到小依次为连续经营7 a、连续经营6 a、常规经营(对照)、连续经营5 a、连续经营4 a、连续经营8 a;毛竹林土壤养分变化呈动态变化过程,随着连续经营时长的增加土壤养分先增加后减少,连续经营7 a最佳,表明长周期母竹留养模式短期内有利于土壤养分的积累,但经营年限过长并不利于土壤养分的积累。

4 结论

本研究选取土壤全氮质量分数、碱解氮质量分数、全磷质量分数、速效磷质量分数、全钾质量分数、速效钾质量分数、有机质质量分数7项指标作为评价土壤肥力质量的土壤因子,研究表明,长周期母竹留养最佳经营期限为7 a。在该模式经营期间需要对林分的养分进行补充,适量增施磷钾肥或有机肥的比例,或结合配方施肥进行有效的补充,并且有必要把不同经营措施组合、轮替以及同一措施的间隔应用。