桂北地区3种人工林土壤质量评价

梁惠子,潘会彪,蒋 燚,邓玉华,曹顺平,张泽尧*

(1.广西壮族自治区林业科学研究院,广西南宁 530002;2.广西壮族自治区国有黄冕林场,广西鹿寨 545600)

森林土壤承载着生态系统物质循环和能量流动等生态活动,影响植物的生存[1]。森林土壤肥力是土壤物理、化学和生物性质的综合反映[2],反映供给植物生长所需养分的能力。土壤肥力与林业可持续发展密不可分,因此,客观评价土壤肥力质量,是充分保护和高效培育森林资源的前提条件,对科学推进森林经营具有重要意义[3]。众多学者对人工纯林地、混交林地、不同植被恢复区和不同森林生态系统土壤质量开展了研究。如人工阔叶林土壤质量综合得分高于针叶林[4];常绿阔叶林地土壤肥力质量大于针阔混交林和针叶林[5];不同林分类型下,阔叶混交林地土壤肥力由阔叶混交林、杉木林、马尾松林、相思林和桉树林依次减小[6],上述研究为深入研究不同林分类型的土壤质量状况提供了科学依据,但不同阔叶混交林之间的土壤质量差异情况却鲜见报道。然而,土壤质量评价尚缺乏统一的评价方法体系,常用的评价分析方法为主成分分析法[6]、模糊综合评价法[7]、模型评价法[8]和最小数据集法[9]等。此外,目前对于人工林地和混交林地的土壤质量评价研究主要集中于采用单种评价方法[4-5],同时采用多种评价方法的研究较为鲜见。不同评价方法采用的指标和标准不同,评价结果反映的意义也存在差异。因此,有必要研究不同评价方法对土壤质量综合评价的影响,利于从不同角度分析土壤质量状况。

广西国有黄冕林场属于亚热带常绿阔叶针叶林区,人工植被主要树种有桉树(Eucalyptusrobusta)、木荷(Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurel)等,针叶林主要代表植物有马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等[10]。为评估黄冕林场的林地土壤质量,助力森林资源高质量发展,笔者以木荷+马尾松混交林、木荷+桉树+火力楠混交林、木荷+桉树+米老排(Mytilarialaosensis)+大叶栎(Quercusgriffithii)3种混交林为研究对象,采用模糊综合评价法和主成分分析法对各林分类型的土壤质量进行量化评价,分析土壤养分含量和肥力质量变化状况,以期为林地资源的可持续经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究地位于广西国有黄冕林场的波寨分场(109°43′46″～109°58′18″E,24°37′25″～24°52′11″N),处于广西柳州鹿寨县与桂林永福县交界处。地处北回归线以北,属于中亚热带气候,受到季风气候影响,温暖多雨,水热同期,年平均气温19 ℃,年降水量1 750～2 000 mm。土壤主要为砂岩、砂页岩和夹泥岩发育而成的山地黄红壤、红壤。

1.2 研究方法

1.2.1样地设置和取样。选取经营管理措施一致的22年生木荷+马尾松混交林(Ⅰ)、6年生木荷+桉树+火力楠混交林(Ⅱ)与8年生木荷+桉树+米老排+大叶栎混交林(Ⅲ)为研究对象(表1),在每种林分类型中各选择3个面积为400 m2的固定样地,沿着每个样地的对角线按上坡、中坡和下坡选取3个土壤剖面,每个土壤剖面分为0～20、20～40 cm。去除根系和石块等杂物后,分别采集土样约1 kg装入自封袋中,带回实验室,9个样地共采集54份样品。同个林分类型同一土层土样混合均匀后,采用四分法取适量样品进行试验测定。在固定样地内进行每木检尺,测定并记录乔木胸径、树高、冠幅等因子。

表1 样地基本概况Table 1 Basic information of the plot

1.2.2土壤化学性质测定。pH采用酸度计电位法测定,有机质(SOM)含量采用重铬酸钾法测定,总氮(TN)含量采用凯式定氮法测定,速效氮(AN)含量采用碱解扩散法测定,总磷(TP)含量采用NaOH湿法消化测定,速效磷(AP)含量采用钼蓝比色法测定,全钾(TK)含量采用火焰光度计法测定[11]。

1.2.3土壤养分库综合指数法。选取土壤SOM、TN、AN、TP、AP和TK建立指标评价体系,采用综合指数法[7]定量评价不同林分类型土壤养分库。选取《全国第二次土壤普查养分分级标准》中等级别的下限值作为土壤养分含量的临界值[12]。

土壤养分单项指数(y)计算公式为:

式中,X、M分别为各指标的实测值和土壤养分含量临界值。

土壤养分综合指数(I)计算公式如下:

式中:yij为第i种类型第j个指标值;i为类型;n为土壤养分指标。

1.2.4内梅罗综合指数法。采用内梅罗综合指数法综合评价不同林分类型的土壤肥力质量[13-14],参照《全国第二次土壤普查养分分级标准》(表2)对SOM、TN、AN、TP、AP、TK共6个指标进行标准化处理,以消除各参数间的量纲差别。方法如下:

式中:Fi为土壤各分肥力系数;ci为该测定数值;xa、xp、xc为设置的分级标准(表3)。修正的内梅罗计算公式如下:

表2 全国第二次土壤普查养分分级标准Table 2 Nutrient grading standards for the second national soil census

表3 内梅罗综合指数法中土壤各指标的分级标准Table 3 Grading criteria for soil properties in the Nemero assessment method

表4 土壤综合肥力等级Table 4 Soil comprehensive fertility grade

1.2.5主成分分析法。参考袁星明等[4,16]的方法,将7个指标进行标准化处理。当土壤指标与土壤质量呈正相关时,SOM、TN、AN、TP、AP、TK呈“S型”,反之则为抛物线形,计算公式分别为

式中:Xij为各指标的隶属度值;X为原始数值;Xmax和Xmin为各指标的最大值和最小值。主成分分析选择特征值>1的主成分,构建各主成分的数学模型。以各主成分的方差贡献率与累计方差贡献率占比为权重,通过如下公式计算土壤质量评价指数F(SQI)。

式中:F(SQI)为土壤质量综合指数;n为主成分数量;ai为主成分各因子得分系数。

1.3 数据处理采用Excel(2016)统计各项指标均值、标准误,采用SPSS 26.0单因素方差分析(one-way ANOVA)的LSD法比较同一土层不同林分类型各土壤指标的差异显著性,独立样本T-检验比较同一林分类型不同土层同一土壤指标的差异显著性,利用KMO、Bartlett球形检验及主成分分析法进行土壤质量评价。以土壤pH、SOM、TN、AN、TP、AP、TK土壤指标为自变量,土壤质量综合评价指数为因变量进行逐步回归分析。以上统计分析显著性水平均设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤pH及养分指标

2.1.1土壤pH及SOM含量。由图1可知,3种类型土壤pH为6.45～7.85,其中类型 Ⅰ、Ⅱ土壤pH偏酸性,类型Ⅲ土壤偏碱性,不同类型土壤pH在同一土层的变化无显著差异,随着土壤深度增加未发生显著性改变。

土壤SOM随着土层下降其含量显著降低(P<0.05),表明表层土壤SOM含量高。不同土层中,类型 Ⅰ、Ⅱ土壤SOM含量均显著高于类型Ⅲ(P<0.05)。对照全国第二次土壤普查SOM含量分级标准(表2),0～20 cm土层类型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM含量均值含量达2级,类型Ⅲ土壤达3级;20～40 cm土层类型 Ⅰ、Ⅱ的土壤SOM均值含量达3级,类型Ⅲ土壤达4级。

2.1.2土壤氮素。由图1可知,同一土层不同类型之间土壤TN含量无显著差异(P>0.05),但随着土层深度增加,TN含量显著降低(P<0.05)。对照表2,0～20 cm土层类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量达2级,20～40 cm土层类型 Ⅰ土壤TN含量均值含量达3级,类型Ⅱ、Ⅲ土壤TN含量均值含量达2级。

0～20 cm土层不同类型土壤AN含量显著高于20～40 cm土层(P<0.05),20～40 cm土层类型 Ⅰ、Ⅱ土壤AN含量显著高于类型Ⅲ(P<0.05)。0～20 cm土层类型Ⅱ土壤AN含量显著高于类型 Ⅰ、Ⅲ(P<0.05),类型Ⅲ土壤AN含量显著低于类型 Ⅰ、Ⅱ(P<0.05)。对照表2,在0～20 cm土层类型 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤AN含量均值达2级及以上,20～40 cm土层类型 Ⅰ、Ⅱ的AN含量均值达3级,类型Ⅲ达4级,表明土壤AN含量随土壤加深而减小。

2.1.3土壤磷素。由图1可知,在0～20 cm土层不同类型的TP含量显著高于20～40 cm土层(P<0.05),对照表2,0～20 cm土层3种类型的土壤TP含量均值均达1级(很高水平),20～40 cm土层类型 Ⅰ、Ⅲ达2级,类型 Ⅱ 达3级。

在0～20 cm土层不同类型土壤AP含量显著高于20～40 cm土层(P<0.05),且0～20 cm土层类型Ⅲ>类型Ⅱ>类型Ⅰ(P<0.05)。对照表2,0～20 cm土层3种类型、20～40 cm土层Ⅲ类型土壤AP含量均值均达1级(很高水平)。这表明阔叶树种增多显著增加0～20 cm土层范围TP、AP含量,对土壤P含量产生显著影响。

2.1.4土壤钾素。由图1可知,0～20 cm土层不同类型土壤TK含量显著高于20～40 cm(P<0.05)。0～40 cm土层类型 Ⅰ显著小于类型 Ⅱ、Ⅲ(P<0.05),表明不同类型对土壤TK含量有明显影响。对照表2,0～20 cm土层不同类型土壤TK含量均值达2级,20～40 cm土层不同类型土壤TK含量均值达3级。

2.2 土壤养分库综合指数土壤养分库综合指数越高,表明土壤养分含量越大。不同类型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK单项指数均大于1,表明各指标含量高,20～40 cm土层TK单项指数均小于1,表明TK含量缺乏。0～20 cm土层土壤养分库综合指数以类型 Ⅱ 和 Ⅲ 显著高于类型 Ⅰ(P<0.05),表明类型 Ⅱ、Ⅲ土壤养分含量最高。20～40 cm土层土壤养分库综合指数显著小于0～20 cm土层(表5、6)。

表5 土壤养分含量均值及临界值

表6 土壤养分指标单项指数与综合指数Table 6 Individual indices and composite indices of soil nutrient indicators of different plantations

2.3 土壤肥力评价土壤肥力水平影响着土壤质量与植物长势,对各类型0～20和20～40 cm土层土壤肥力进行定量化综合评价,结果见表7。由表7可知,0～20 cm土层3种类型土壤综合肥力系数为1.99～2.26,属于土壤综合肥力等级的2等,土壤肥沃;20～40 cm土层各类型土壤综合肥力等级为3级,土壤肥力一般。

表7 土壤分肥力系数与综合肥力Table 7 Soil fertility coefficient and comprehensive fertility of different plantations

2.4 土壤质量综合评价对土壤指标进行KMO检验,结果为0.668,Bartlett检验结果P<0.01,符合主成分分析条件。主成分分析结果显示(表8),前2个主成分的方差累计贡献率为92.431%,可较为完整地解释不同林分类型土壤原始数据的全部信息量。第1主成分的特征值为5.131,主要综合了SOM、TN、AN、TP、AP、TK,第2主成分特征值为1.339,主要为pH。根据2个主成分得分系数,建立各主成分(F1、F2)数学模型表达式,带入隶属度值后求得各主成分得分。以各主成分的方差百分比占累计方差的比例作为权重值,通过加权计算出土壤质量综合评价函数F(SQI)(表9),计算公式如下:

F1= (-0.540×pH) + (0.159×SOM) + (0.188×TN) + (0.161×AN) + (0.187×TP) + (0.197×AP) + (0.186×TK)

F2=(0.737×pH) + (0.274×SOM) + (-0.070×TN) + (0.260×AN) + (-0.119×TP) + (-0.172×AP) + (-0.930×TK)

F(SQI)= 0.793×F1+ 0.207×F2

表8 土壤质量指标主成分分析Table 8 Principal component analysis of soil quality indicators of different plantations

0～20 cm土层3种类型的土壤质量综合评价排名为:类型 Ⅱ(0.880)>类型 Ⅰ(0.765)>类型 Ⅲ(0.738);3种林分土壤质量综合评价得分随土层加深而减小,表现为类型 Ⅱ(0.318)>类型 Ⅰ(0.245)>类型 Ⅲ(0.191)(表9)。

表9 土壤质量综合指数Table 9 Composite soil quality index

逐步回归分析结果表明,指标AN能单独解释土壤质量指数变异的93.1%,具有较高解释度;指标AN、AP、SOM、TN及pH能共同解释土壤质量指数变异的99.9%,表明AN、AP、SOM、TN及pH对土壤质量均有较强的影响(表10)。

表10 土壤指标与土壤质量指数的逐步回归分析Table 10 Stepwise regression analysis of soil indicators and soil quality index

3 讨论与结论

3.1 讨论该研究发现,在0～40 cm土层范围内,3种林分类型的土壤SOM、TN、AN、TP、AP、TK含量均随土层加深而显著减小(P<0.05),这与前人[17-18]研究结果一致。这是由于累积于地表的凋落物和动物的排泄物、分泌物和残体为土壤表层提供了大量有机质来源[4,8],随着土层加深,有机质和养分含量逐渐下降,因此0～20 cm土层范围的土壤养分含量高于20～40 cm。

在自然条件下,由于不同植被类型的凋落物不同,凋落物的分解速率和土壤微生物作用存在差异,其土壤养分含量也不同[6,19]。在0～20 cm土层范围内,类型 Ⅰ 土壤各养分含量参照全国土壤养分分级标准均达到中上水平,且各养分因子单项指数(y)均大于1,表明类型 Ⅰ 土壤养分含量较高,但土壤TK含量显著小于其他类型,且TK土壤养分单项指数(y)较小,可能是类型 Ⅰ 人工林对钾元素具有较高的需求量[4]。后期在经营管理措施中应进行动态监测,及时补充钾元素。此外,类型Ⅱ、Ⅲ的土壤TK含量显著高于类型 Ⅰ(P<0.05),表明阔叶混交林模式相比针阔混交林,更有利于增加土壤养分。该研究结果显示,类型Ⅲ土壤SOM和AN含量显著低于其他类型(P<0.05),落叶阔叶树种增多,有机质却随之减少,出现这一现象可能与微生物的种类和数量、酶的活性和数量有关[19]。落叶阔叶树种增多,易分解软质的枯落物也增多,利于凋落物养分归还不利于有机质积累[20]。也有可能与土壤pH有关,pH升高提高了微生物活性,使得机质加快分解速率,导致有机质含量降低[21]。土壤有机质是土壤N重要的营养库,是有效N的主要来源[22],SOM含量降低可能导致AN含量减少。

该研究采用的3种土壤质量评价方法结论不尽一致。土壤养分库综合指数法的评价结果表明,落叶阔叶树种增多,土壤表面易积累较多的凋落物,使得凋落物有较早归还养分和增加土壤肥力的能力[23],因此土壤养分含量由类型Ⅲ、类型Ⅱ和类型Ⅰ依次减小。采用内梅罗综合指数法的评价结果表明,3种林分类型的土壤肥力状况均肥沃,结合土壤肥力综合系数来看,2种阔叶混交林相比针阔混交林更有利于提升土壤肥力,由于内梅罗综合指数法采用标准化处理后数值之间较为接近,因此造成各林分类型综合肥力系数差异不大[6]。主成分分析法侧重统计权重,能从众多指标中提取对土壤质量具有重要影响的因素,结合逐步回归分析表明AN是影响土壤质量最主要的因子之一,类型Ⅲ土壤AN含量显著低于其他类型,由此造成了不同类型土壤质量差异。这表明需及时监测类型Ⅲ的土壤有效氮素含量情况,以防止土壤养分缺失。

3.2 结论该研究采用3种土壤质量评价方法,由于评价方法的侧重点不同,评价结果不尽一致。土壤养分库综合指数法表明,土壤养分含量表现为类型Ⅲ>类型Ⅱ>类型 Ⅰ;土壤肥力综合评价法表明0～20 cm土层范围内所有类型土壤肥力等级均为肥沃。主成分分析法的评价结果表明,土壤质量表现为类型Ⅱ>类型 Ⅰ>类型Ⅲ,这主要由于土壤AN含量是影响土壤质量最主要的限制因子之一,由此造成了不同林分土壤质量的差异。因此,在进行不同林分土壤质量科学评价的过程中,应根据评价体系中的指标数量和类型确定合适的评价方法。