杉木林短期轮作与杉木连栽的土壤质量评价研究

时间：2024-05-18

邱建华

(福建省长汀楼子坝国有林场，福建龙岩 366300)

1 引言

速生丰产林具有生长快、轮伐期短、成材早、林质优良、产量高等特点[1]。杉木是我国特有的一类速生商品林树种，有很好的经济效益和生态价值，一直在我国人工林中占据重要地位。但是随着杉木经营的不断发展，杉木栽培中肥力逐渐下降的现象日渐突出，特别是速生丰产林，多代连续栽培导致杉木林地肥力降低[2，3]，杉木林间的生物多样性严重下降，影响了杉木人工林的持续高产和持续经营[4，5]。

以杉木轮作马尾松之后的土壤作为参照，通过对比两种不同土地利用方式(杉木连栽、杉木-马尾松-杉木轮作)对土壤质量的影响，通过土壤理化性质的分析，来探讨杉木轮作对杉木人工林地土壤肥力的影响。同时综合评价两种土地利用方式下土壤的质量。本研究可以补充和丰富前人对于杉木林短期轮作的研究，对该区域杉木人工林的栽培制度也有一定的借鉴作用，同时为改善土壤退化和土壤肥力衰退的研究提供理论依据。

2 研究区域概况

试验区选在福建省长汀楼子坝国有林场，林场位于武夷山南段的低山丘陵地带，海拔450～700 m，年均气温15～19 ℃，无霜期年均为260 d，年均降水量为1737 mm，年均蒸发量为1444 mm。土壤类型较多，包括红壤、黄壤、紫色土、草甸土、水稻土等，其中红壤面积最广，其次是水稻土和黄壤。林场创建于1958年，总面积7165 hm2。原生植被为亚热带常绿阔叶树，现有森林植被大部分为人工林和次生林，常见的有马尾松、杉木、毛竹、樟树、柳杉等，灌木有杜鹃、油茶、黄瑞木等，草本有蕨类、五节芒、芒萁骨等。

3 材料与方法

3.1 现场调查与样品采集

以福建省长汀楼子坝国有林场为研究区域，选取生态环境相近、树种栽培方式不同(对照组CK：杉木-13年马尾松；实验组M1：杉木-3年杉木；实验组M2：杉木-10年马尾松-3年杉木)的林地作为试验地，林木行间距为1.8 m×2 m，初始密度为2250株/hm2。据后期实地调查，栽培密度为1775株/hm2。

在不同试验地设置多个采样点，每个采样点均采集表层土样(0～20 cm)，5 ℃保存带回实验室。样品分为两部分，一部分用于土壤含水量和pH值的测定，另一部分自然风干，剔除土壤样品中的植物根系、石砾，研磨过筛，备测。此外，采用环刀法采集土壤，以便测定土壤容重。

3.2 样品分析

①土壤容重—环刀法;②碳、氮—元素分析仪;③有效磷—盐酸-硫酸浸提法;④速效钾—火焰光度法;⑤pH值—pH计。

3.3 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 16.0数据处理软件进行相关统计分析，采用OriginPro 8软件作图。

4 结果分析

4.1 对土壤理化性质的影响

土壤容重是土壤物理性质的重要指标之一，土壤的通气性、透水性，植物根系伸展的阻力状况均可以通过土壤容重的大小来反映[6]。如果土壤容重值偏高，则表明土壤存在退化问题[7]。同时，土壤容重也可以用来衡量土壤紧实度和土壤疏松程度。图1A及方差分析结果显示，不同栽培方式林地中土壤容重存在显著差异(p<0.05)，实验组M1高于对照组CK，而实验组M2低于对照组CK。

一般来说，土壤养分(氮、磷、钾等)能直接供应植物的生长发育。杉木、马尾松人工林在林木生长期间需要大量的养分，但是在人工林经营期间一些林地经营措施的实施会对土壤产生一定的干扰，显著响土壤养分的储存和供应。土地管理、土地利用方式、植被特点等均显著影响土壤中有机质的输入和输出[8]。图1B及方差分析结果显示，不同栽培方式林地中有机质含量存在显著差异(p<0.05)，实验组M1高于对照组CK，而实验组M2低于对照组CK。氮素是植物生长、发育所必需的营养元素之一，土壤是植物氮素吸收的主要来源之一[9]，而土壤氮素的总体供应水平一般用全氮含量来表征。不同栽培方式林地中总氮含量的对比显示，实验组M1、M2总氮含量均低于对照组CK，但是实验组之间总氮含量没有明显差异(图1C)。磷是植物生长所必需的大量营养元素之一，有效磷则是土壤磷供应水平的指标，在反映土壤肥力方面有一定的影响[10]。图1D及方差分析结果显示，不同栽培方式林地中有效磷含量存在显著差异(p<0.05)，实验组M1、M2均低于对照组，分别低了0.6 mg/kg、0.5 mg/kg。钾是植物必需的营养元素，土壤是植物钾素的主要来源之一，土壤对钾素的潜在供应能力一般用全钾含量来表征，而土壤钾素的现实供应指标则是速效钾[11]。土壤速效钾可以反映土壤供钾能力和供应程度，同时在一定程度上也是土壤质量综合评价的重要指标之一[12]。图1E及方差分析结果显示，不同栽培方式林地中土壤速效钾含量差异达到显著水平(p<0.05)，实验组M1显著高于对照组CK，实验组M2略低于对照组。

图1 土壤理化性质比较

土壤pH是反映土壤化学性质的重要指标之一，土壤pH值高低直接影响着植物的生长发育，同时对土壤中有机质的分解、土壤微生物的活动等也有显著影响。图1F及方差分析结果显示，不同栽培方式林地中土壤pH值没有显著差异(p>0.05)，实验组M1、M2均高于对照组CK，但是两个实验组之间pH值差异不显著。

4.2 土壤质量综合评价

土壤质量是各土壤因素共同作用的结果，综合评价两种不同栽培方式下(杉木-杉木连栽以及杉木-马尾松-杉木轮作)表层土壤的土壤质量。第一步通过主成分分析，得到主成分的综合模型；第二步，运用模型算出一系列的综合主成分值，进而进行排序，即可对两种不同栽培方式下的土壤质量进行综合评价。

利用主成分分析对本文理化性质指标进行分析，提取出3个主成分，来反映全部指标的信息。根据分析结果，计算出主成分的综合模型，根据此模型计算出主成分值，并且进行排序。结果如表1所示。

表1 综合成分值

由表1可以看出，实验组M2的土壤质量综合主成分得分高于实验组M1。通过主成分值的高低，可以大致了解土壤理化性质指标对土壤质量状况的影响程度。通常主成分值越高，表明土壤理化性质指标的含量越高，代表土壤质量越好。因此，杉木-马尾松-杉木轮作的土壤质量相对较好，轮作对土壤质量有一定的改善作用，是一种比较可靠的栽培方式。

然而，本文主要分析的是马尾松的短期轮作，可以对土壤质量进行比较有效的改善。此外，马尾松不同于杉木的特性，一代马尾松林不如二代马尾松生长好，对土壤的影响会议差异等。对土壤质量进行综合评价时，采用主成分分析法，仅分析了部分理化性质指标，对土壤微量元素和生物学性质没有进行分析。因此，本文研究在栽培方式、试验地、分析指标、分析方法的选择等方法还可以进一步深入探究，为治理杉木连栽导致的土壤退化而制定和实施一系列措施提供科学依据和理论支撑，进而更好地改善杉木人工林的土壤质量。