广西红锥成熟林土壤的理化特征

谭长强，申文辉，黄巨璧，黄海江，陆礼宝，彭玉华

（1.广西壮族自治区林业科学研究院/广西红锥良种培育中心，广西 南宁 530002；2.广西上思县林业局，广西 上思 535500；3.上思县红旗林场，广西 上思 535500）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，承载和参与着森林生态系统中的物质和能量的交换，是决定林木生产力的重要因素[1-2]。森林通过枯枝落叶以及根系的穿插影响着土壤性状[3]，土壤质量综合反映土壤理化性质[4]。土壤物理性质是森林生态系统土壤水源涵养功能的重要指标，土壤化学性质则是植物健康生长的重要物质基础[4]；土壤理化性质是土壤的重要属性，是土壤质量评价的重要指标[5]。因此，深入研究土壤理化性质，开展森林土壤质量评价，可以掌握土壤的环境状况，对于提高和保护土壤肥力，促进林业的可持续发展具有重要意义。

红锥Castanopsishystrix是季风常绿阔叶林的主要植被类型之一，具有材质优良、速生、适应性强等特点。同时，红锥具有菌根菌，并且根系发达，是培肥土壤、维持地力的好树种，已成为我国南方改善林木树种结构、建设生态林业较为理想的速生阔叶树种之一[1,6]，具有广阔的发展前景。近年来，国内外学者对红锥人工林的主要营养元素分布[7]、生理生态[8]、不同林龄群落结构特征[9]、土壤呼吸[10]、土壤微生物[11]、生态化学计量比[12]、土壤和微生物因子[1]、红锥人工林生物量和碳储量等[13-14]进行了研究。在红锥人工林土壤理化性质方面，仅见刘光金等[15]在红锥中龄林和近熟林土壤理化性质的研究，但尚未见有红锥成熟林土壤理化特征以及红锥林分土壤质量评价的报道。因此，本研究以广西红锥适生区域的红锥成熟林为对象，探讨不同区域红锥成熟林的土壤理化特征，采用主成分分析法对红锥成熟林不同区域土壤质量进行评价，旨在为红锥的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西红锥适生区中的10个区域，分别位于桂东的大桂山林场（DGSLC)、六万林场（LWLC）、滕县（TX）、博白县（BBX），桂南的浦北县（PBX）、横州市（HZS）、凭祥市（PXS）、天等县（TDX），桂中的三门江林场（SMJLC），桂西的东兰县（DLX）。各试验地自然概况及立地条件见表1～2。

表1 各试验地自然概况Table 1 Locations and natural conditions of the tested sites

表2 各试验地立地条件Table 2 Geographical conditions of the tested sites

1.2 样品采集与测定方法

2020年11月—2021年4月，在每个试验点根据地形分别设置6个具有代表性的20 m×20 m样地，10个试验点共计60个样地。在每个样地中间挖取1个土壤剖面，按0～20、20～40、40～60 cm分层采样，每层采集环刀3个、铝盒3个、土样1份，10个试验点共采样环刀540个、铝盒540个、土样180份，样品用密封袋封好后带回实验室测定。

土壤物理性状测定参照林业行业标准《LY/T 1215—1999森林土壤水分-物理性质的测定》[16]。土壤化学指标测定参照《土壤农化分析》[17]。

土壤质量参照彭玉华等[18]的主成分分析法进行评价。在所有指标中，由于土壤容重过高会对植物根系生长和土壤孔隙度产生抑制作用，故选择“负向作用”函数，其他指标则使用“正向作用”函数。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行数据描述性统计、方差分析、主成分分析和检验；采用WPS 2019软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 红锥成熟林土壤物理特性在不同区域中的表现

由表3可知，不同区域对红锥成熟林土壤物理性质有极显著的影响（P＜0.001）。从图1可以看出，横州市的土壤容重显著高于其他区域，其毛管孔隙度也最大，但最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度处于较低水平；凭祥市的最大持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均显著大于其他区域；东兰县的自然含水率显著高于其他区域；三门江林场的毛管持水量显著大于其他区域，其土壤容重显著低于其他区域；六万林场的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度均最小。

图1 不同区域红锥成熟林土壤物理特性Fig.1 Soil physical characteristics of C.hystrix mature forests in different districts

表3 区域和土层深度对红锥成熟林土壤物理性质的影响†Table 3 Effects of region and soil depth on soil physical properties of C.hystrix mature forests

土层深度对红锥成熟林的土壤容重、最大持水量、毛管持水量影响极显著（P＜0.001），对毛管孔隙度影响显著（P＜0.05），对自然含水率、非毛管孔隙度和总孔隙度影响不显著（表3）。各区域的土壤容重均随着土层加深而增加；各区域的最大持水量、毛管持水量和毛管孔隙度大部分表现为随着土层加深而减小；自然含水率、非毛管孔隙度和总孔隙度在各区域土层深度的表现没有统一的规律。

区域和土层深度的交互作用对红锥成熟林土壤容重、最大持水量、毛管持水量有极显著影响（P＜0.001），对非毛管孔隙度、总孔隙度有极显著的影响（P＜0.01），对自然含水率、毛管孔隙度的影响不显著。

2.2 红锥成熟林土壤化学特性在不同区域中的表现

不同区域对红锥成熟林土壤化学指标均有极显著的影响（P＜0.01）（表4）。从图2可以看出，凭祥市和浦北县的土壤有机质含量较高，显著高于横州市、滕县、天等县、博白县和东兰县等区域；三门江林场的全氮和速效磷显著大于其他区域，全钾和pH值处于较低水平；博白县的全钾和pH值最大，全氮、全磷、有效氮、速效磷和速效钾均处于较低水平；横州市的有效氮和速效钾显著高于其他区域，速效磷处于较低水平；浦北县的全磷显著高于三门江林场外的其他区域；东兰县的有机质和凭祥市的全钾最小。

图2 不同区域红锥成熟林土壤化学特性Fig.2 Soil chemical properties of C.hystrix mature forests in different districts

表4 区域和土层深度对红锥成熟林土壤化学性质的影响Table 4 Effects of region and soil depth on soil chemical properties of C.hystrix mature forest

土层深度对红锥成熟林土壤有机质、全氮、速效钾影响极显著（P＜0.001），对有效氮和速效磷影响显著（P＜0.05），对全磷、全钾和pH值影响不显著（表4）。由图1可知，土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾大部分的区域随着土层加深而降低，大桂山林场土壤有机质和全氮以及速效钾、藤县土壤有机质和速效磷、博白县和浦北县以及凭祥市土壤有机质均是0～20 cm土层显著高于40～60 cm土层；土壤全钾、全磷、速效氮和pH值在各区域的表现没有统一的规律。区域和土层深度的交互作用对红锥成熟林土壤化学性质的影响均不显著。

2.3 不同区域对红锥成熟林土壤理化性质的影响

参照彭玉华等[18]的指标变异程度分级，变异系数低于10%，变量的变异程度较弱；变异系数在10%～100%，变量的变异程度为中等；变异系数大于100%，变量的变异程度较强烈。由表5可知，土壤物理性质变异系数变化范围为12.6%～60.1%，没有较强烈和较弱的变异性，非毛管孔隙度变异系数最大，偏向于较强变异性，反映了不同区域红锥成熟林的非毛管孔隙度具有较大的差异性，可能与不同区域土壤结构差异有关；土壤总孔隙度、容重、毛管孔隙度的变异系数变化范围为12.6%～13.1%，接近较弱变异程度，说明不同区域红锥成熟林的土壤总孔隙度、容重、毛管孔隙度差异性不大；土壤持水性质的变异系数变化范围为19.2%～23.8%，偏向较弱变异性，表明不同区域红锥成熟林的土壤持水性质有一定的差异性，但差异不大。土壤化学性质的变异系数变化范围较大，从7.5%～100.3%，土壤pH值变异系数最小，只有7.5%，属于较弱变异程度，变幅为3.4～5.0，反映了不同区域红锥成熟林均为酸性土壤，差异不大；红锥成熟林土壤有效氮变异系数大于100%，达到较强烈变异程度，表明土壤有效氮在不同的区域有较大的差异性，含量最大的是横州市，比最少的六万林场多了70.4 mg·kg-1；不同区域红锥成熟林其他土壤养分变异系数在38.4%～80.2%，属于中等变异程度，其中土壤速效钾含量变异强度相对较大，达80.2%，接近于较强烈变异程度，含量最大的是横州市，比最少的博白县多了50.7 mg·kg-1，反映了不同区域红锥成熟林土壤速效钾变化也较大。

表5 土壤理化性质变异状况Table 5 Statistics of soil properties

2.4 不同区域红锥成熟林的土壤质量综合评价

本研究采用土壤理化特征指标的总数据集进行主成分分析，结果表明（表6），特征值大于1的前4个主成分解释了理化指标对土壤质量影响的90.7%，表明这4个主成分能够充分解释原始数据。公因子方差分析结果显示，除自然含水率只能解释69.7%的差异外，其他土壤理化指标均能解释80%以上的差异，特别是土壤容重等10个指标的解释90%以上的差异，说明各个指标都能被很好地表达。第1主成分与最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、全氮和速效磷有较大的正相关，与全磷有较大的负相关；第2主成分与有效氮和速效钾有较大的正相关；第3主成分与自然含水率和总孔隙度有较大的正相关；第4主成分与全钾有较大的正相关。

表6 土壤指标主成分分析的结果及公因子方差及权重Table 6 Results of principal component analysis of the soil indicators and their norm value and weight

从表7可知，红锥成熟林各区域的土壤质量指数（SQI）在0.328～0.662。参照袁星明等[19]土壤质量分级并结合红锥成熟林土壤质量状况，按土壤质量指数大小将土壤质量划分为优（0.8～1.0）、良（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）和差（0～0.4）4个等级。本研究中没有一个区域的红锥成熟林土壤为优水平，处于良水平有凭祥市和浦北县的红锥成熟林土壤，有30%区域的红锥成熟林土壤处于差水平，有50% 区域的红锥成熟林土壤处于中等水平。

表7 红锥成熟林各区域土壤质量指数Table 7 Soil quality index of each region in C.hystrix mature forest

3 讨 论

3.1 红锥成熟林土壤物理特性在不同区域中的表现

研究表明，土壤容重在1.0～1.3 g·cm-3时，总孔隙度在50%，且毛管、非毛管孔隙同时存在；非毛管孔隙占20%～40%时，表明毛管孔隙和非毛管孔隙搭配合理、土壤容重适当，这时的土壤透水性、通气性和持水能力比较协调，可以满足植物对空气和水分条件的需要[17]。通过对广西不同区域台湾桤木人工林土壤物理性状进行分析发现，广西不同区域红锥成熟林土壤容重均值在1.1～1.5，总孔隙度在36.2%～46.3%，且毛管、非毛管孔隙同时存在。虽然非毛管孔隙度没有达到20%，但从整体上看，广西不同区域红锥成熟林土壤的透水性、通气性和持水能力比较协调。土壤由于受到地形地貌、气候、植被等因素的干扰，其物理性质空间异质性较强[20]。研究表明，红锥成熟林土壤物理性质受到区域显著影响，土壤物理性质在广西各地表现不一，凭祥市最大持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均显著大于其他区域；东兰县自然含水率显著高于其他区域；六万林场的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度均最小；横州市土壤容重较高，其最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度处于较低的水平；三门江林场的最大持水量、毛管持水量和非毛管孔隙度较高，土壤容重较低。虽然土壤物理性质在不同区域表现有差异，但是变异系数只在12.6%～60.1%，均处于中等变异性，且除了非毛管孔隙度的变异系数为60.1%外，其他均在25%以下，偏向于较弱变异性。红锥成熟林最大持水量、毛管持水量分别在179.90～523.30 g·kg-1（653.67～732.59 t·hm-2）、148.90～429.40 g·kg-1（653.67～732.59 t·hm-2），与山西交城县国有林场主要林分类型土壤层最大持水量（672.82～690.28 t·hm-2）基本一致[20]，表明红锥成熟林具有较重要的生态功能，在水源涵养方面有着重要的作用。进一步分析发现，红锥成熟林土壤物理性质受到土层深度显著影响，随着土层深度增加，土壤最大持水量、毛管持水量和毛管孔隙度大部分呈降低趋势，土壤容重呈增加的趋势，这一结果与已有的研究结果[20-21]基本一致，这可能是表层根系聚集和凋落物分解改善了土壤物理性质。

3.2 红锥成熟林土壤化学特性在不同区域中的表现

土壤化学性质受成土母质、植被、气候等多种因素影响[22]，生境的高异质性导致红锥成熟林的土壤化学性质具有很强的空间异质性，致使各化学指标在各区域的表现不一致。土壤有机质较高出现在凭祥市和浦北县，全氮和速效磷较高出现在三门江林场，全钾和pH值最大出现在博白县，有效氮和速效钾较高出现在横州市，全磷最高出现在浦北县；土壤pH值在不同区域的分布相对来说较为均匀，均呈酸性至强酸性，这可能与成土母质相关[23]。土壤化学性质差异性分析表明，它们的变异系数变化较大，在7.5%～100.4%之间，变异程度较弱为土壤pH值，变异程度较强烈为有效氮，这与成土母质、地形、植被有关，各区域的成土母质存在着差异，导致有效氮也存在差异，同时因有效氮可以被植物吸收，高盖度植被需要从土壤中吸收的有效氮多，有效氮不能及时得到补充，土壤中的有效氮相对来说就少[17,24]；其他土壤化学性质变异系数在38.4%～80.2%，变异程度中等，其中土壤速效钾和速效磷的变异程度较高，偏向于较强变异程度，这与地形、成土母质等结构性因子有关，磷素与钾素的主要来源均为成土母质，具有较强的空间异质性[24]。研究结果显示，同一区域不同土层间的红锥成熟林的土壤有机质、全氮、速效钾、有效氮和速效磷均存在显著差异。土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾大部分的区域随着土层加深而降低，养分“表聚性”明显，这与袁星明等[19]研究结果基本一致，因为上层土壤容易接受凋落物分解的养分，而随着土层深度的增加，地表养分通过淋溶淀积作用从地表向土壤内部输送养分的量则会逐渐减少，所以表层土壤养分高于深层[4]。

红锥成熟林土壤养分与土壤养分分级标准[18]进行对比得知，土壤全氮含量处于丰富以上，可能与树种有关。红锥是高碳汇能力的多用途高效树种[13]，枝叶浓密，枯枝落叶多，回归养分大；其他土壤养分处于大部分缺乏或缺乏状态，可能与土壤养分性质和林木生长有关。磷、钾的主要来源均为成土母质，同时红锥林木高大，生长过程中所需的养分多，凋落物分解回归有限，满足不了其生长所需，造成土壤养分缺乏。怎样有效调控土壤养分来维持红锥的持续生长，这有待进一步研究。

3.3 不同区域红锥成熟林土壤质量评价

土壤质量指数可有效体现土壤维持植物健康生长环境的能力，通过综合评价土壤理化性质等获得[19]，指数越高越有利于作物的生长[4]。结果表明，红锥成熟林土壤质量在不同区域中处于中等水平的占比50%，处于良水平的占比20%，处于差水平的占比30%，处于差水平的3个区域的土壤质量指数均在0.32以上，接近于中等水平。总体来说，土壤质量指数由桂东向桂南递增，红锥成熟林土壤质量整体上处于中等水平，结果与秦岭山区典型人工林[24]和黄河南岸灌区[25]土壤质量基本一致，优于广西柳州33年生的木荷Schima superba、杉木Cunninghamialanceolata、蓝果树Nyssasinensis、米老排Mytilarialaosensis的人工林土壤质量[20]，表明广西区域种植红锥能很好地稳定土壤质量和土壤肥力。

影响土壤质量的因子很多，综合指标评价可更有效地评价土壤质量总体情况，但是至今仍未形成一个统一的评价标准，根据评价的目的，选用的指标以及评价方法亦有差异[4,20]。本研究以土壤理化性质为评价指标，采用主成分分析法来评价红锥成熟林土壤质量，可以初步了解广西各区域红锥成熟林的土壤质量状况，但结果有一定的局限性。在未来研究中，应充分考虑研究区的气候、生物、成土母质、地形、林下更新、林分经营措施等因素对林地土壤质量的影响，使得土壤综合质量评价的结果更客观。

4 结 论

1）不同区域对土壤物理性质的影响差异显著。各区域的物理性质表现不一，横州市土壤容重显著高于其他区域；凭祥市最大持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均显著大于其他区域；东兰县自然含水率显著高于其他区域；三门江林场毛管持水量显著大于其他区域；六万林场的自然含水率、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度均最小。土壤容重、最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度均受到土层深度显著影响，随着土层加深，土壤容重递增，最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度大部分表现为递减，自然含水率、非毛管孔隙度和总孔隙度没有明显规律性。区域和土层深度的交互作用对土壤容重、最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度有显著影响。红锥成熟林土壤物理性质均处于中等变异程度。总体上，各区域红锥成熟林土壤的透水性、通气性和持水能力比较协调。

2）不同区域对土壤化学性质的影响差异显著。各区域的化学性质表现不一，凭祥市和浦北县的土壤有机质较高；三门江林场的全氮和速效磷显著大于其他区域；博白县的全钾和pH值最大；横州市的有效氮和速效钾均显著高于其他区域；浦北县的全磷显著高于除三门江林场外的其他区域；东兰县的有机质和凭祥市的全钾均最小。土壤有机质、全氮、速效钾、有效氮、速效磷均受到土层深度显著影响，随着土层加深，大部分区域的土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾递减，全钾、全磷、速效氮、pH值变化规律不一。土壤pH值变异程度较弱，有效氮变异程度较强烈，其他土壤养分变异程度中等。除了土壤全氮外，其他养分均处于缺乏状态。

3）通过对红锥成熟林土壤质量进行综合评价，约50%区域的红锥成熟林土壤质量处于中等水平，约20%区域处于良水平，约30%区域处于差水平。总体来说，土壤质量指数由桂东向桂南递增的趋势，红锥成熟林土壤质量整体处于中等水平。广西地区种植红锥能很好地稳定土壤质量和土壤肥力。