黃 笑,李際平,趙春燕,曹小玉,石 樂(lè)
(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
不同林分類(lèi)型閩楠人工林土壤養(yǎng)分對(duì)比分析
黃 笑,李際平,趙春燕,曹小玉,石 樂(lè)
(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
為了研究不同林分類(lèi)型閩楠人工林土壤氮、磷、鉀元素含量以及其隨土壤層次分布的變化規(guī)律。以湖南省金洞林場(chǎng)14年生閩楠-木荷混交林、14年生閩楠純林、杉木林下補(bǔ)植4年生閩楠-木荷混交林,4年生閩楠純林為研究對(duì)象,對(duì)4層深度(0~20、20~30、30~45、45~60 cm)土壤的氮、磷、鉀等養(yǎng)分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果如下:氮、全鉀元素含量在整個(gè)土層(0~60 cm)中、速效磷元素含量在20~60 cm土層中14年生閩楠—木荷混交林較14年生閩楠純林多28.15%、23.82%、11.49%,全磷及速效鉀元素含量14年生純林較混交林多65.97%、26.95%。林下補(bǔ)植4年生閩楠混交林林分土壤中表層和底層速效氮較4年生閩楠純林多21.31%、16.22%;磷及速效鉀元素含量在整個(gè)土層(0~60 cm)中較4年生閩楠純林多92.53%、16.11%,4年生閩楠純林土壤中全氮及全鉀含量較林下補(bǔ)植混交林多8.74%、23.90%。這些結(jié)果表明14年生閩楠—木荷混交林土壤養(yǎng)分水平較14年生閩楠純林高,杉木林下補(bǔ)植4年生閩楠混交林分土壤速效元素含量比4年生閩楠純林多,營(yíng)造閩楠—木荷混交林可以改善由于杉木連載造成的地力衰退,為閩楠人工林近自然經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。
閩楠;土壤養(yǎng)分;近自然經(jīng)營(yíng)
土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是植物群落發(fā)生和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),植物群落又反過(guò)來(lái)影響著土壤性質(zhì)和肥力狀況[1]。土壤養(yǎng)分是林木生長(zhǎng)發(fā)育所必需的物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也是土壤因子中易于被控制和調(diào)節(jié)的因子[2]。彭龍福對(duì)福建順昌縣埔上國(guó)有林場(chǎng)37年生不同立地條件楠木林研究發(fā)現(xiàn)各養(yǎng)分元素含量除銅元素外均隨林分立地質(zhì)量的下降而減小[3]。
閩楠是珍貴闊葉樹(shù)種,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,但閩楠天然林少,并長(zhǎng)期受到過(guò)度砍伐,人工林生長(zhǎng)緩慢,所以閩楠資源越來(lái)越少。目前對(duì)于閩楠研究也較少,吳載璋在福建省尤溪國(guó)有林場(chǎng)進(jìn)行楠木與杉木混交林試驗(yàn),表明楠木與杉木混交對(duì)林木生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,混交林中楠木的胸徑、樹(shù)高、單株材積和林分蓄積均明顯高于楠木純林[4]。衣曉丹對(duì)杉木純林以及杉木分別與馬尾松、毛竹、火力楠、木荷、油桐構(gòu)成的混交林下的土壤養(yǎng)分進(jìn)行了對(duì)比,并對(duì)土壤養(yǎng)分和杉木生長(zhǎng)因子進(jìn)行相關(guān)分析[5]。由于金洞林場(chǎng)長(zhǎng)期以來(lái)主要以種植杉木人工林為主,近年來(lái)由于樹(shù)種結(jié)構(gòu)不合理,連載造成地力退化[6],開(kāi)始進(jìn)行杉木人工林近自然化改造種植閩楠人工林,且目前關(guān)于閩楠人工林林下土壤養(yǎng)分方面的研究較少,本論文通過(guò)分析金洞林場(chǎng)閩楠純林、混交林土壤養(yǎng)分的差異,以期為合理保護(hù)和利用金洞林場(chǎng)閩楠森林資源,發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能并為閩楠近自然森林經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)地金洞林場(chǎng)位于湖南省永州市祁陽(yáng)縣南部金洞管理區(qū)(26°2′10″~ 26°21′37″N,110°53′43″~ 112°13′37″E),東西寬約 33 km,南北長(zhǎng)約36 km,總面積635 km2。金洞國(guó)有林場(chǎng)屬中亞熱帶東南季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū),年平均氣溫18℃,極端最高氣溫40℃,極端最低氣溫-8℃,年降水量1 600~1 890 mm,森林覆蓋率達(dá)到75.18%。近年來(lái),金洞林場(chǎng)開(kāi)始推廣種植以閩楠為主的鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種,目前被評(píng)為楠木之鄉(xiāng)。該區(qū)土壤以黃紅壤和黃壤為主,海拔1 000 m以上的主要為黃棕壤,丘陵地區(qū)以紅壤為主,土層厚度一般在60 cm以上,土壤較疏松,通氣良好,質(zhì)地輕至中壤,石礫含量一般在20%~30%,土壤呈酸性。土壤微生物小循環(huán)非常明顯,有利于形成樹(shù)木生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。
2015年8月,在湖南省永州市金洞林場(chǎng)選擇立地條件基本一致4種林分類(lèi)型為研究對(duì)象:14年生閩楠純林、14年生閩楠木荷混交林、杉木林下補(bǔ)植的4年生閩楠木荷混交林和4年生閩楠純林,在4種林分類(lèi)型中分別隨機(jī)選擇設(shè)置3塊面積為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地,共12塊。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置“品”字形土壤坡面3個(gè),于0~20 cm、20~30 cm、30~45 cm以及45~60 cm四層,分別用環(huán)刀(100 cm3)取土壤,用于測(cè)定土壤的容重、持水量和孔隙度等物理性質(zhì)。同時(shí)再將分層取的土樣按不同的樣地混合后拿回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì),一共48個(gè)土樣,樣地物理性質(zhì)基本情況見(jiàn)表1。
表1 調(diào)查樣地基本情況表?Table 1 Basic situation of sampling plots
(1)土壤毛管持水量
式中:W0為土壤持水量(%);Pt為環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g);P0為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)。
(2)土壤容重
式中:Y為土壤容重(g/cm3);g為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量(g);V為環(huán)刀體積(cm3);W為樣品含水百分?jǐn)?shù)(%)。
(3)土壤孔隙度
式中:P1為土壤毛管孔隙度(%);Y為土壤容重(g/cm3);W0為土壤持水量(%)。
將取得的48個(gè)土樣風(fēng)干后過(guò)0.25 mm和0.149 mm篩,以測(cè)定土壤全氮,全磷,全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀有機(jī)質(zhì)以及pH值。全氮采用半微量凱氏法,全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法,全鉀采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法,速效氮采用氯化鈉浸提蒸餾法,速效磷采用鹽酸—氟化銨法,速效鉀采用中性醋酸銨浸提、火焰光度法,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)、pH值采用pH酸度計(jì)法測(cè)定[7]。
采用軟件Excel(2007)和SPSS(19.0)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。其中,閩楠土壤物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行單因素ANOVA方差分析,并用LSD(最小顯著差數(shù)法)多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析。
森林土壤中氮元素含量的變化與有機(jī)質(zhì)含量的變化基本一致,主要取決于有機(jī)質(zhì)的積累和分解的速度,土壤微生物的活動(dòng)對(duì)土壤氮元素含量也有較大影響。方差分析表明,14年生閩楠純林20~30 cm土層全氮含量顯著高于其他三個(gè)土層(P<0.05),14年生閩楠混交林0~20 cm、20~30 cm土層土壤全氮含量顯著高于其他兩層(P<0.05)。從圖1可以得到閩楠混交林全氮的含量在整個(gè)土層(0~60 cm)均大于純林,分別高于純林20.99%、6.44%、15.48%、12.73%,表現(xiàn)出隨著土層深度增加而降低的趨勢(shì),說(shuō)明混交林對(duì)于土壤全氮含量的影響隨著土層的增加而減少。土壤中速效氮主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在,是易淋失和被植物吸收的。方差分析表明,純林上中下土層土壤速效氮含量存在顯著差異(P<0.05),而混交林表層土壤速效氮含量顯著高于其他各層(P<0.05)。閩楠混交林速效氮的含量在整個(gè)土層(0~60 cm)也均大于純林,這與全氮的規(guī)律一致。分別高于純林59.99%、53.99%、0.20%、55.39%,表現(xiàn)出隨著土層加深而下降的趨勢(shì),說(shuō)明閩楠混交林具有比閩楠純林更高的生物歸還量,從而提高土壤氮元素的含量,并且閩楠混交林土壤表層腐殖質(zhì)較多,微生物活動(dòng)更加頻繁,土壤中植物可直接利用的速效氮更多。
圖1 不同林分類(lèi)型土壤氮元素含量Fig.1 Soil nitrogen contents of different forest types
土壤中的磷是植物生理、生化過(guò)程中不可缺少的元素,磷素形成可分為有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷,其中以有機(jī)磷占多數(shù)。一般全磷量小于0.8~1.0 g/kg以下時(shí)土壤出現(xiàn)磷素供應(yīng)不足。圖2顯示閩楠純林和混交林均表現(xiàn)出磷素供應(yīng)不足的現(xiàn)象。閩楠純林全磷含量在整個(gè)土層(0~60 cm)中均比混交林高,其中20~30 cm、45~60 cm土層純林比混交林高35.73%、34.37%,這與楠木凋落物P的釋放率比木荷凋落物P的釋放率高有關(guān)[8]。方差分析表明,純林各土層土壤全磷含量間不存在顯著差異(P<0.05),混交林表層土壤全磷顯著高于其他各層(P<0.05)。土壤中速效磷含量是衡量土壤磷素供應(yīng)狀況的較好指標(biāo),較全磷相比,閩楠純林土壤速效磷含量只在0~20 cm土層中比混交林多313.01%,其他土層混交林均比純林多,其中30~45cm土層閩楠混交林較純林多21.82%。方差分析表明,0~20 cm土層土壤速效磷含量顯著高于其他各層(P<0.05),說(shuō)明閩楠純林在土壤表層富集較多的速效磷,而隨著土層加深,混交林表現(xiàn)出更強(qiáng)的分解釋放速效磷能力。
圖2 不同林分類(lèi)型土壤磷元素含量Fig.2 Soil phosphorus contents of different forest types
鉀能加速植物對(duì)CO2的同化過(guò)程,能促進(jìn)碳水化合物的轉(zhuǎn)移、蛋白質(zhì)的合成和細(xì)胞的分裂。在整個(gè)土層(0~60 cm)閩楠混交林土壤全鉀含量均高于純林(見(jiàn)圖3),分別高于純林14.65%、18.47%、32.33%、29.56%,其中純林土壤全鉀含量表現(xiàn)出隨土深增加而減少的趨勢(shì),混交林土壤全鉀含量在四個(gè)土層中基本一致,表明混交林對(duì)土壤下層全鉀含量影響較大,能促進(jìn)土壤下層微生物分解釋放鉀元素。土壤中的速效鉀包括土壤溶液中的鉀和吸收在土壤膠體表面的代換性鉀,是土壤鉀素的現(xiàn)實(shí)供應(yīng)指標(biāo),其含量不僅受成土母質(zhì)的影響,而且還與植物和土壤水分的淋洗狀況有關(guān)[9]。速效鉀與全鉀變化規(guī)律相反,表現(xiàn)出純林土壤速效鉀含量較混交林多。方差分析表明,14年生閩楠純林不同土層間速效磷含量差異不顯著(P<0.05),14年生混交林0~20 cm、20~30 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于其他兩層(P<0.05)純林土壤速效鉀含量在不同土層中基本一致,而混交林速效鉀含量隨土層深度增加表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),表明混交林較純林具有較少的植物和土壤水分的淋洗,從而速效鉀元素富集于土壤表層。
方差分析表明,4年生純林與林下補(bǔ)植混交林均呈現(xiàn)表層土壤全氮含量顯著高于底下各層(P<0.05)。由圖4所示,4年生閩楠混交林和純林土壤全氮含量均隨著土壤深度增加而逐漸降低,符合土壤氮元素的變化規(guī)律,4年生閩楠純林林分土壤全氮含量在整個(gè)土層中(0~60 cm)均較混交林高,在20~30 cm土層中純林比林下補(bǔ)植多14.37%,這與4年生閩楠混交林類(lèi)型是在杉木林下補(bǔ)植有關(guān),由于杉木連載土壤中的N 含量會(huì)下降且杉木凋落物初始N含量(6.19 g/kg)較閩楠(7.61 g/kg)低,杉木凋落物分解速率較閩楠慢[8]。而土壤速效氮含量在20~30 cm和45~60 cm土層中,林下補(bǔ)植混交林較全光生長(zhǎng)純林高,且高出21.31%、16.22%。說(shuō)明林下補(bǔ)植混交林較全光造純林可被植物直接利用的速效氮在某些土層多,且可能隨著補(bǔ)植時(shí)間的增加效果越明顯。
圖3 不同林分類(lèi)型土壤鉀元素含量Fig.3 Soil potassium contents of different forest types
圖4 不同林分類(lèi)型土壤氮元素含量Fig.4 Soil nitrogen contents of different forest types
由圖5可以看出,土壤全磷含量在兩種林分類(lèi)型中均表現(xiàn)出缺乏的現(xiàn)象。在整個(gè)土層(0~60 cm)中,林下補(bǔ)植4年生混交林分土壤全磷含量均較純林高,主要是由于杉木林下補(bǔ)植混交林在各個(gè)土層(0~60 cm)pH值均較純林低,林下補(bǔ)植混交林分土壤的酸性對(duì)土壤全磷有較強(qiáng)的活化能力。土壤速效磷表現(xiàn)出和全磷相同的規(guī)律,林下補(bǔ)植混交林在整個(gè)土層(0~60 cm)中均較純林多,分別高于純林132.84%、125.52%、193.24%、198.08%。林下補(bǔ)植混交林和純林土壤速效磷含量均表現(xiàn)出隨著土層加深而減少的趨勢(shì)。林下補(bǔ)植混交林分土壤0~20 cm層全磷含量0.657 mg/kg小于20~30 cm層全磷含量0.660 mg/kg,而速效磷含量卻表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象,主要是由于杉木林下補(bǔ)植混交造林磷素的礦化、解吸和釋放作用更強(qiáng)[9],對(duì)土壤表層速效磷含量影響較明顯。
圖5 不同林分類(lèi)型土壤磷元素含量Fig.5 Soil phosphorus contents of different forest types
圖6 不同林分類(lèi)型土壤鉀元素含量Fig.6 Soil potassium contents of different forest types
土壤全鉀元素含量在林下補(bǔ)植4年生混交林和純林林分中表現(xiàn)出純林高(見(jiàn)圖6)。方差分析表明林下補(bǔ)植混交林各土層全鉀含量存在顯著差異(P<0.05),表現(xiàn)出隨土層深度增加而增加的趨勢(shì),4年生純林在0~20 cm表層土壤中全鉀含量最高,較林下補(bǔ)植混交林高33.81%,說(shuō)明林下補(bǔ)植混交林分對(duì)土壤全磷含量的影響從土壤底層開(kāi)始。土壤速效鉀含量表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象,林下補(bǔ)植混交林較純林高。方差分析表明,4年生純林各土層土壤速效鉀含量差異顯著(P<0.05),林下補(bǔ)植4年生混交林0~20 cm、20~30 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于底下兩層(P<0.05),林下補(bǔ)植混交林和純林均表現(xiàn)出隨著土層深度增加而下降的趨勢(shì),林下補(bǔ)植混交林分速效鉀含量較全光造純林隨土層多0.35%、28.42%、20.82%、14.84%,可以推斷林下補(bǔ)植混交林目前土壤中可利用鉀元素較多。
(1) 14年生閩楠混交林較純林能有效改良土壤
14年生閩楠混交林土壤全氮和速效氮的含量均多于純林,并且表現(xiàn)出混交林對(duì)于土壤全氮元素的影響隨著土層深度增加而增加,對(duì)于速效氮元素含量的影響則表現(xiàn)出隨著土層深度增加而下降的趨勢(shì),且混交林和純林土壤中氮元素含量基本均呈現(xiàn)出隨著土層加深而下降的規(guī)律,原因可能是土壤表層有豐富的動(dòng)物及微生物種群及密集的植物根系,隨著土層加深,土壤的環(huán)境變差,不利于土壤動(dòng)物、微生物生存以及植物根系生長(zhǎng),導(dǎo)致土壤從表層到更深層有機(jī)質(zhì)來(lái)源減少、生物固氮能力也逐漸減弱,從而使土壤中氮元素含量逐漸減少;閩楠純林全磷含量比混交林高,20~30 cm土層純林比混交林高35.73%,這與楠木凋落物P的釋放率比木荷凋落物P的釋放率高有關(guān),中下土層(20~60 cm)混交林速效磷含量比純林多,說(shuō)明雖然純林全磷較混交林含量多,但混交林土壤中可被植物直接吸收利用的速效磷較多,但總體表現(xiàn)出土壤磷素供應(yīng)不足的現(xiàn)象[10],這可能是限制閩楠林分生長(zhǎng)的因素;全鉀與速效鉀變化規(guī)律相反,土壤全鉀含量混交林較純林多,土壤速效鉀含量純林較混交林多,但純林土壤中速效鉀含量在不同土層中基本一致,而混交林速效鉀含量隨土層深度增加表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),表明混交林較純林具有較少的植物和土壤水分的淋洗,從而速效鉀元素富集于土壤表層,這是由于混交林林下灌草植被較純林豐富,體現(xiàn)了閩楠混交林林分較閩楠純林對(duì)土壤具有更好的水土保持能力。14年生閩楠—木荷混交林土壤中氮、速效磷、全鉀元素含量比閩楠純林多,說(shuō)明混交林較純林土壤養(yǎng)分更豐富,并能有效改良土壤,但在今后閩楠近自然經(jīng)營(yíng)改造中可以補(bǔ)植凋落物富含磷以及凋落物中鉀元素釋放率高的鄉(xiāng)土樹(shù)種。
(2)4年生閩楠混交林較純林能有效提升土壤速效養(yǎng)分含量
閩楠4年生純林林分土壤全氮含量較林下補(bǔ)植混交林多,而土壤速效氮含量在20~30 cm和45~60 cm土層中,林下補(bǔ)植混交林較純林高,且高出21.31%、16.22%,這可能是由于杉木連載土壤中的氮元素含量會(huì)下降且杉木凋落物分解速率較閩楠凋落物分解速率慢,但可被植物直接利用的速效氮在某些土層林下補(bǔ)植混交林較純林多,且可能隨著補(bǔ)植時(shí)間的增加效果越明顯;林下補(bǔ)植4年生混交林林分土壤全磷與速效磷含量均較4年生純林高,而14年生閩楠混交林土壤速效磷只在中下層土壤較閩楠純林高,說(shuō)明隨著閩楠年齡的增長(zhǎng),樹(shù)種的混交對(duì)土壤表層速效磷的含量影響越?。煌寥廊浐吭谌庠旒兞趾土窒卵a(bǔ)植混交林林分中表現(xiàn)出全光造純林高,林下補(bǔ)植林分全鉀含量表現(xiàn)出隨土層增加而增加的趨勢(shì),土壤速效鉀含量表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象。杉木林下補(bǔ)植閩楠混交林分土壤速效養(yǎng)分水平較全光造林好,且閩楠幼樹(shù)耐蔭,在杉木林下長(zhǎng)勢(shì)更好,隨著補(bǔ)植時(shí)間的增加,上層杉木經(jīng)過(guò)成熟采伐,留下的混交林也是一種很好的經(jīng)營(yíng)方式。
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Contrastive analysis of soil nutrients of Phoebe bournei plantation with different forest types
HUANG Xiao, LI Jiping, ZHAO Chunyan, CAO Xiaoyu, SHI Le
(College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)
Study on nitrogen,phosphorus and potassium’s nutrient status in soils of the mixed forest of Phoebe bournei-Schima superb and pure forest of phoebe bournei and changes of these elements along soil pro fi le were investigated in these plantations. The research objects of the study are 14 years old Phoebe bournei-Schima superba mixed forest, 14 years Phoebe bournei pure forest, Chinese fi r forest undergrowth 4 years old of Phoebe bournei-Schima superba mixed forest and Phoebe bournei pure forest in JingDong forest farm of Hunan Province. By comparatively analyzing the test data of the nutrient status of soil nitrogen,phosphorus, potassium and other nutrients at four different layers depth (0~20, 20~30, 30~45, 45~60cm), it is found that the average contents of N, total K in the whole soil layer (0~60cm) and available P at 20~60cm layers in Phoebe bournei-Schima superba mixed forest soil was about 28.15%、23.82% and 11.94% higher than the soil of pure forest of Phoebe, while pure forest’s soil available K was 65.97% more than in mixed forest’s soil.The net content of available N in surface layer and bottom layer in 4 years undergrowth mixed forest was more 21.31%, 16.22% than 4 years pure forest, available K and total P of undergrowth replating mixed forest was more 92.53%, 16.11% than 4 years pure forest. On the other hand, total N and total P of pure forest was more 8.74%、23.90% than undergrown replating mixed forest Those results suggested that 14 years Phoebe bournei mixed forest has better nutrient than pure forest of phoebe bournei, and Chinese fi r forest undergrowth of 4 years Phoebe bournei-Schima mixed forest has more available elements than 4 years pure forest.Building Phoebe bournei - Schima superb can improve soil fertility decline due to Chinese fi r serial,it has offered theory evidence for the close to nature forest management of the arti fi cial Phoebe bournei forest.
Phoebe bournei; soil nutrient; close-to-nature management
S714.8
A
1673-923X(2017)07-0036-07
10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.005
2016-06-03
全國(guó)森林經(jīng)營(yíng)科技支撐科研專(zhuān)項(xiàng)(169201531-6)
黃 笑,碩士研究生
李際平,教授,博導(dǎo);E-mail:lijiping@vip.163.com
黃 笑,李際平,趙春燕,等. 不同林分類(lèi)型閩楠人工林土壤養(yǎng)分對(duì)比分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,37(7):36-42.
[本文編校:吳 毅]