葉紹明,溫遠(yuǎn)光,張慧東

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西南寧530004;2.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院,遼寧沈陽110032)

我國是世界上人工林最多的國家,近20 a來桉樹人工林得到了十分迅猛的發(fā)展,發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大,已產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-2]。桉樹(Eucalyptus spp)具有生長快,輪伐周期短,病蟲害少,經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn),是我國緩解木材和林產(chǎn)品供需矛盾的主要栽培樹種之一。然而,隨著桉樹人工林的大發(fā)展,桉樹人工林的生態(tài)環(huán)境問題也成為了社會(huì)和學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)[3-9]。森林的形成與生長過程,也是森林與土壤相互影響和相互作用的過程,森林群落的變化也總是與土壤性質(zhì)的演化相關(guān)聯(lián),土壤性質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致植被的變化,而植被變化的同時(shí)也影響著土壤的發(fā)育。目前,國內(nèi)對(duì)人工林連栽的研究主要集中于杉木人工林土壤的養(yǎng)分研究[10-22]。本文擬通過對(duì)不同連栽代次的桉樹人工林土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分變化等進(jìn)行分析,從土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況的角度為桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)為廣西國有東門林場,地處北緯22°17′—22°30′,東經(jīng) 107°14′—108°00′。實(shí)驗(yàn)區(qū)地勢平緩,以低丘、臺(tái)地為主,海拔為 100～300 m,坡度一般為5°～10°。實(shí)驗(yàn)區(qū)地處南亞熱帶,太陽輻射強(qiáng),光熱充足,季風(fēng)氣候明顯。年均氣溫21.20°C～22.31°C,≥10°C的年積溫7 190°C～7 762°C,極端最高氣溫38°C～41°C,極端最低氣溫-4°C～1.9°C。年降雨量1 100～1 300 mm,年蒸發(fā)量1 192～1 704 mm,相對(duì)濕度為74%～83%。實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤為赤紅壤,土層深厚,pH值在4.5～6.0之間,土壤肥力較低,有機(jī)質(zhì)含量為13～37 g/kg,多數(shù)是在20 g/kg以下。原生地帶性植被為季雨林,由于受人類長期活動(dòng)的影響,原生植被已不存在,退化為以桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、余甘子(Phyllanthus emblica)、三叉苦(Euodia lepta)、野香茅(Cymbopogon tortilis)、野古草(Arundinella anomala)、白茅(Imperata cylindrica)等為主的熱帶性灌草叢植被。隨著人工林的發(fā)展,桉樹(Eucalyptus spp)、馬尾松(Pinus massoniana)和濕地松(Pinuselliottii)等已成為實(shí)驗(yàn)區(qū)主要的森林植被。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)地位于東門林場雷卡分場,包括第1代、第2代、第3代種植桉樹的林地。第1代林地造林前為1974年?duì)I造的杉木人工林;第2代林地實(shí)驗(yàn)前在1990年種植了第1代桉樹(尾葉桉),第3代林地在1990年種植了第2代桉樹(尾巨桉)。第1代與第2代林地彼此相連,第3代林地與第1和第2代林地相距約2 km。林地坡度為 8°～15°,土壤種類為赤紅壤,土層厚度＞100 cm,除了種植桉樹的代次及連栽效應(yīng)存在差異外,其它實(shí)驗(yàn)條件基本相同。

實(shí)驗(yàn)林地確定后,于1997年7月進(jìn)行林木采伐,同年12月份進(jìn)行林地清理、煉山,1998年3月進(jìn)行機(jī)耕全墾整地,整地深度為35～40 cm,整地后采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)方法,區(qū)組面積為40 m×40 m,不同代次林地重復(fù)3次。不同代次林地采用相同苗木及造林方式,1998年4月進(jìn)行穴植造林,規(guī)格為40 cm×40 cm×30 cm,株行距為3.4 m×1.7 m,采用尾巨桉無性系造林,苗期為60 d,平均高30 cm。造林時(shí)施基肥0.5 kg/株,連續(xù)追肥2 a,每1 a施肥2次,總施肥量N 為200 kg/hm2,P為150 kg/hm2,K 為100 kg/hm2,追肥結(jié)合擴(kuò)坎撫育進(jìn)行,擴(kuò)坎標(biāo)準(zhǔn)為30 cm×20 cm。

2.2 樣地調(diào)查及土壤樣品分析

(1)樣地調(diào)查。在各代林地的不同區(qū)組中設(shè)置30 m×20 m的固定標(biāo)準(zhǔn)地,調(diào)查并記錄林分環(huán)境因子。同時(shí)分別在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對(duì)角線隨機(jī)布點(diǎn)(3點(diǎn))挖取土壤剖面,分別將0—20 cm,20—40 cm 層土混勻取樣帶回室內(nèi)分析。土壤水分物理性質(zhì)、土壤持水量和土壤滲透能力用環(huán)刀法測定。

(2)土壤化學(xué)性質(zhì)分析。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定;全N用半微量凱氏法測定;水解N用堿解擴(kuò)散法測定;全P用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定;有效P用HCl—H2SO4浸提,鉬銻抗比色法測定;全K用氫氧化鈉堿熔—火焰光度計(jì)法測定;速效K用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測定;交換性Ca,Mg用乙酸銨浸提,原子吸收光譜法測定;pH值采用電位法測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 9.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,并進(jìn)行主分量分析。

3 結(jié)果分析

3.1 桉樹人工林土壤肥力主分量分析

對(duì)所有代次的桉樹人工林0—20 cm和20—40 cm土壤的 pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、容積濕度、通氣度、土壤貯水量等影響土壤性質(zhì)的20個(gè)物理、化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行主分量分析,分析結(jié)果見表1。

從表1可以看出,0—20 cm和20—40 cm土層第1—12主分量特征值和貢獻(xiàn)率存在一定的差異。第1主分量在0—20 cm和20—40 cm土層的特征值和貢獻(xiàn)率分別14.528%,13.173%,72.640%,65.870%,0—20 cm土層的特征值和貢獻(xiàn)率比20—40 cm土層的特征值和貢獻(xiàn)率分別高出1.335%和6.770%。這2個(gè)土層的前3個(gè)主分量的累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)到88.44%和84.52%,即土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮這3個(gè)主分量占全部主分量貢獻(xiàn)率的80%以上,第1—12主分量累積貢獻(xiàn)率已達(dá)100%,即土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、土壤容重、總孔隙度是影響土壤肥力狀況的因子,其中土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮是影響土壤肥力的主要因子。因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中,可選取這3個(gè)主分量來評(píng)價(jià)連栽對(duì)桉樹人工林土壤質(zhì)量狀況的影響。

3.2 桉樹人工林土壤肥力主分量負(fù)荷量分析

由表2可以看出,連栽桉樹人工林對(duì)0—20 cm土層土壤肥力的影響主要表現(xiàn)在土壤的物理性質(zhì)方面,土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、容積濕度、通氣度、土壤貯水量等物理指標(biāo)對(duì)第1主分量的影響較大。這些因子均為土壤重要的物理性質(zhì),顯然良好的土壤物理性質(zhì)有利于形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),增強(qiáng)保水保肥能力,有益于微生物活動(dòng),促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,從而維持和提高土壤肥力。

表1 連栽桉樹人工林土壤主分量特征根、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表2 連栽桉樹人工林林地土壤變量對(duì)前3個(gè)主分量的負(fù)荷量

同時(shí),作為人工林,人為的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)對(duì)表層土壤的物理性質(zhì)的影響更為明顯。因此在第1主分量中,土壤的物理性質(zhì)具有較大的負(fù)荷量,表明連栽對(duì)桉樹人工林土壤表層的物理性質(zhì)有較大的影響,這與錢亦兵[23]研究結(jié)果“土壤物理性質(zhì)的變化是土壤退化的重要因素”的結(jié)論相吻合,同時(shí)也與盛偉彤[24]、許利群[25]、孫啟武[26]等的研究結(jié)果相一致。其次土壤中的全氮、全磷和全鉀等在第1主分量中的負(fù)荷量也較大,土壤的全氮主要以有機(jī)氮、有機(jī)磷等有機(jī)形式存在于土壤的動(dòng)物、微生物中,是表層土壤肥力狀況的重要因子。因此,隨著桉樹人工林連栽代次的增加,土壤通透性和容蓄能力下降,加之酸性化學(xué)肥料的連續(xù)使用及桉樹根系分泌物在林地的積累導(dǎo)致土壤酸度的增加,土壤中的動(dòng)物、微生物的數(shù)量發(fā)生了改變,使得土壤中的有機(jī)氮、磷發(fā)生變化,表現(xiàn)出對(duì)第1主分量的較大負(fù)荷量。因此,將第1主分量確定為土壤物理性質(zhì)和3大營養(yǎng)元素綜合因子。

20—40 cm土層除有機(jī)質(zhì)對(duì)主分量的負(fù)荷量較0—20 cm的較高外,其它因子對(duì)第1主分量的影響與0—20 cm土層的結(jié)果基本相同。

0—20 cm林地土壤的第2主分量主要負(fù)荷量為交換性Ca2+和交換性Mg2+,因此第2主分量主要確定為交換性離子因子。由于交換性陽離子主要是調(diào)節(jié)土壤的pH值,故將第2主分量作為pH值和交換性陽離子因子。而20—40 cm土壤表現(xiàn)出的主要負(fù)荷量由pH值、有機(jī)質(zhì)、交換性Ca2+和交換性Mg2+構(gòu)成。

0—20 cm土層的第3主分量的負(fù)荷量主要包括速效P和速效K,20—40 cm土層的第3主分量主要包括有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效P和速效K等,因此,將第3主分量歸類為速效養(yǎng)分因子。

3.3 連栽桉樹人工林土壤狀況分析

為了清晰地反映連栽桉樹人工林土壤綜合肥力變化狀況,根據(jù)所選的3個(gè)主分量計(jì)算每一塊樣地得分進(jìn)行排序。從表2可以看出,0—20 cm,20—40 cm土層的前3個(gè)主分量的特征值分別為13.1733,2.279 9,1.449 8和14.528 0,2.078 6,1.082 4,同時(shí)求得3個(gè)主分量的權(quán)重分別為0.779 3,0.134 9,0.085 8和0.821 3,0.117 5,0.061 2,然后將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)代入主分量方程,對(duì)每一塊試驗(yàn)地進(jìn)行加權(quán)求和,比較不同連栽代次桉樹人工林土壤的肥力狀況,結(jié)果見表3。

由表3可以看出,桉樹人工林經(jīng)過3代的連栽后,0—20 cm表層土壤的肥力有較明顯的下降,尤其是到第3代后,表層土壤的肥力狀況出現(xiàn)明顯的下降。通過對(duì)主分量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,影響桉樹人工林表層土壤的主分量是土壤的物理性質(zhì)和土壤全N,全P,全K等植物所需的3大營養(yǎng)元素。20—40 cm土壤雖然在桉樹的經(jīng)營活動(dòng)中也受到影響,但是其土壤物理性質(zhì)受影響的程度較表層土壤小,在桉樹連栽的過程中,土壤綜合肥力狀況得分第Ⅱ代還略優(yōu)于第Ⅰ代,但到第Ⅲ代后,該層土壤的綜合肥力狀況較第1代也發(fā)生明顯的下降。由上述結(jié)果可以看出,桉樹人工林在經(jīng)過3代的連栽后,0—40 cm土壤的綜合肥力較第Ⅰ代均有明顯的退化。

表3 不同連栽代次土壤肥力狀況得分比較

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用主分量分析法篩選出評(píng)價(jià)連栽桉樹人工林土壤綜合肥力的影響因子。結(jié)果表明,連栽桉樹人工林土壤主分量可分為3個(gè)綜合影響因子,即土壤物理性質(zhì)和N,P,K綜合影響因子,pH值、交換性Ca2+,交換性Mg2+綜合影響因子和有機(jī)質(zhì),水解N,速效P和速效K綜合影響因子。土壤物理性質(zhì)及其3大營養(yǎng)元素是影響桉樹人工林土壤綜合肥力狀況的主要因子,因此在桉樹人工林連栽過程中應(yīng)注意改善土壤物理結(jié)構(gòu)并及時(shí)為林地土壤追肥,為桉樹人工林的生長提供最適的土壤環(huán)境。并且在多代連栽桉樹人工林林地?fù)嵊^程中應(yīng)盡量減少對(duì)林下植被的破壞,并改善土壤的物理、化學(xué)環(huán)境,以獲得較高的林地生產(chǎn)力和達(dá)到良好的生態(tài)穩(wěn)定性。

(2)通過對(duì)3代連栽桉樹人工林土壤綜合肥力狀況進(jìn)行分析的結(jié)果表明,隨著連栽代次的增加土壤綜合肥力下降。在土壤物理性質(zhì)方面,隨連栽代次的增加,土壤容重、土壤孔隙度、通氣度、最大持水量下降;在土壤化學(xué)性質(zhì)方面,不同連栽代次桉樹人工林林地土壤的pH 值,土壤有機(jī)質(zhì),全 N,全 P,全K,水解N均隨連栽代次的增加而減少?？梢?連栽代次增加導(dǎo)致理化性質(zhì)惡化,土壤變得較為緊實(shí),通氣和容蓄能力下降,從而影響到桉樹根系的生長、伸展、呼吸、吸收水分和養(yǎng)分的能力;同時(shí),連栽使土壤中養(yǎng)分單一消耗,而酸性化學(xué)肥料的連續(xù)使用及桉樹根系分泌物在林地的積累會(huì)導(dǎo)致土壤酸度的增加和有機(jī)質(zhì)含量的下降,進(jìn)一步使養(yǎng)分元素的有效性降低,最終導(dǎo)致土壤綜合肥力下降。這與對(duì)杉木、落葉松[22-26]等人工林連栽產(chǎn)生的土壤綜合肥力下降結(jié)果相似。因此,加強(qiáng)連栽人工林林地長期地力的維持機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)研究,是實(shí)現(xiàn)人工林可持續(xù)經(jīng)理的基礎(chǔ)。

(3)國內(nèi)有些研究是通過土壤的有效微量元素對(duì)林地的綜合肥力狀況進(jìn)行評(píng)估,本研究中未涉及土壤的有效微量元素,今后應(yīng)增加這一領(lǐng)域的研究。

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