黃麗婷, 陳曉云, 鄧智文, 陳 乾, 林 宇, 榮俊冬, 鄭郁善, 蘇小青

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002；2.福建省長樂大鶴國有防護(hù)林場，福建 福州 350200)

土壤為植被的生長發(fā)育提供養(yǎng)分，植被凋落物的分解和根際效應(yīng)等過程促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)，形成植物-土壤動態(tài)響應(yīng)關(guān)系[1-2].林分密度調(diào)控是對森林進(jìn)行撫育管理的重要措施，通過調(diào)控林分密度，改變森林群落中光照、熱量、水分等生態(tài)因子的分配[3-4]，調(diào)節(jié)林內(nèi)微氣候環(huán)境，影響植被生長、凋落物形成、根系呼吸速率和微生物活性等[5-6]，對土壤質(zhì)量產(chǎn)生一定影響.林分密度過小，易造成土地資源的浪費；林分密度過大，樹木競爭效益增強(qiáng)，且林內(nèi)郁閉度高，光熱水等條件變差，凋落物分解速率低，影響植被和土壤養(yǎng)分循環(huán)，導(dǎo)致地力下降.而合理的林分密度可以在一定程度上改善林下土壤質(zhì)量.已有研究分析了不同林分密度下土壤質(zhì)量的差異，如毛竹、落葉松和馬尾松等[5,7-9]，但這些研究主要集中在山地和丘陵地區(qū).然而，不同立地條件和植被類型下，林分密度效應(yīng)存在一定的差異.沿海沙地自然條件較惡劣，土壤保水保肥能力差、干旱和鹽堿度高[10].為克服沿海沙質(zhì)土地退化和生產(chǎn)力低下的問題，許多竹類植物被引種到沿海地區(qū)，竹類植物纖維組織豐富，可以抵御沿海附近的強(qiáng)風(fēng)，在沿海地區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)適應(yīng)性，生長繁殖能力強(qiáng)的特點[2].Tu et al[11]研究表明沿海沙地植被覆蓋地土壤質(zhì)量高于裸地，且竹林土壤酶活性和養(yǎng)分顯著改善了土壤質(zhì)量.為了更好地利用環(huán)境資源，本文進(jìn)一步探討不同竹林密度與土壤質(zhì)量之間的關(guān)系.

米篩竹(BambusapachinensisHayata)為竹亞科簕竹屬竹種，節(jié)間長且材質(zhì)柔韌，在福建長樂和東山等沿海地區(qū)引種，并在沿海防護(hù)上發(fā)揮重要作用.本文以福建省長樂區(qū)大鶴國有防護(hù)林場內(nèi)的米篩竹林為研究對象，通過分析米篩竹林密度對沿海沙地土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，探討有利于保持沿海沙地土壤質(zhì)量的最優(yōu)米篩竹林密度，以期為沿海沙地竹林的種植密度和土壤質(zhì)量管理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大鶴國有林場位于福建省福州市長樂區(qū)，東經(jīng)119°40′～119°43′，北緯25°57′～25°59′.屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降水豐沛，年平均降雨日160 d左右，主要集中在夏季，年平均降雨量1 200 mm；夏季高溫，冬季溫和，年均溫19.2 ℃；早霜多出現(xiàn)在12月份，晚霜在2月份，霜凍害較少，全年無積雪現(xiàn)象；盛行東北風(fēng)，可達(dá)280～300 d，年平均風(fēng)速4.2 m·s-1；年平均日照時數(shù)1 837.6 h，占可照時數(shù)41.5%.海拔20～40 m，地形為沙丘，坡度6～8°，臨海具十公里多長的沙質(zhì)海灘.試驗樣地造林前為一片連續(xù)的空白沙地，區(qū)域內(nèi)成土母質(zhì)和土壤發(fā)育狀況基本相同，基礎(chǔ)土壤肥力性狀基本一致.米篩竹林于2011年種植，株行距為3 m×3 m挖坑種植，期間進(jìn)行人工補(bǔ)植，通過人工干擾的方法進(jìn)行密度調(diào)控.

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地設(shè)置 在大鶴國有防護(hù)林場選擇生長條件和經(jīng)營方式相似，經(jīng)營密度不同的米篩竹林設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地.同一密度竹林設(shè)置3個樣地(即3次重復(fù))，每個樣地面積為10 m×10 m.對各樣地內(nèi)竹子進(jìn)行每竹調(diào)查，記錄其樹高和胸徑等數(shù)據(jù)，以此計算平均樹高和平均胸徑(表1).

表1 樣地概況Table 1 Basic information of the sample plots

1.2.2 土壤采樣 采樣時間為2018年8月，利用三點混合取樣法在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地中進(jìn)行土壤樣品的采集.3個取樣點等距離設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)地對角線上，分別在每個取樣點挖1個土壤剖面，自下而上逐層地采集0～20 cm和20～40 cm土層的土壤樣品.將同一標(biāo)準(zhǔn)地3個土壤剖面同一土層土樣混合，去除土壤中的土壤動物、石塊和植物根系等雜物，然后將混合土樣分為兩部分，并分別用自封袋封裝并貼上標(biāo)簽.其中，一部分鮮土樣品置4 ℃下保存用于測定土壤酶活性；另一部分土壤樣品帶回實驗室進(jìn)行自然風(fēng)干后，研磨過2 mm(10目)篩，用于測定土壤速效養(yǎng)分，研磨過0.149 mm(100目)篩，用于測定土壤全效養(yǎng)分，最后用自封袋將研磨過篩后的土樣封裝備用.

1.2.3 樣品測定 土壤養(yǎng)分含量的測定方法，全氮含量采用硫酸—混合加速劑消煮—擴(kuò)散法測定，全磷含量采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法測定，堿解氮含量采用堿解—擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定[12].

土壤酶活性的測定方法，土壤脲酶活性采用靛藍(lán)比色法測定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[13].

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Microsoft Excel 2013對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析.不同密度米篩竹林同一土層土壤養(yǎng)分及酶活性指標(biāo)，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行顯著性檢驗，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較；土壤養(yǎng)分和土壤酶活性整體相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析法；采用主成分分析法對土壤指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，各密度米篩竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計分析方法計算.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度米篩竹林土壤養(yǎng)分

研究結(jié)果表明，不同密度米篩竹林土壤養(yǎng)分含量存在差異.在0～20 cm土層，全氮和有效磷含量隨林分密度增大呈先增加后減少的變化趨勢，均在30 000株·hm-2密度林分含量最高；堿解氮含量在40 000株·hm-2密度林分最低，其他密度林分含量差異不顯著(P>0.05)；全磷含量隨林分密度增大而逐漸減少，25 000株·hm-2密度林分含量顯著高于40 000株·hm-2密度林分(P<0.05)；全鉀含量在25 000株·hm-2密度林分最低，40 000株·hm-2密度林分含量最高；速效鉀含量在40 000株·hm-2密度林分最低，其他密度林分含量差異不顯著(P>0.05).在20～40 cm土層，全氮和全磷含量隨著竹林密度增大而減少，均在25 000株·hm-2密度林分最高；堿解氮和全鉀含量在4個密度林分下差異不顯著(P>0.05)；有效磷和速效鉀含量隨著米篩竹林密度的增大先增加后減少，均在30 000株·hm-2密度林分含量最高(表2).除了全鉀含量，土壤養(yǎng)分含量在40 000株·hm-2密度林分整體較低，可能的原因是高密度竹林不利于土壤養(yǎng)分積累，林內(nèi)立竹數(shù)多，竹子個體間資源競爭激烈，從土壤中吸收更多的養(yǎng)分供竹林生長，當(dāng)土壤中被消耗的養(yǎng)分沒有得到及時歸還時，土壤養(yǎng)分積累減少；同一密度米篩竹林，土壤養(yǎng)分含量隨著土層深度加深而減少，由于竹子屬于淺根系植被，表層土壤根系分布較密集，根系殘體和根系分泌物產(chǎn)生和積累較多營養(yǎng)元素，加上地表植被凋落物分解產(chǎn)生的營養(yǎng)元素大部分在表層土壤聚集，表層土壤養(yǎng)分含量較高.

表2 各密度米篩竹林土壤養(yǎng)分含量1)Table 2 Nutrient contents of the soil under different densities of B.pachinensis stands

2.2 不同密度米篩竹林土壤酶活性

不同密度林分土壤酶活性存在差異.在0～20 cm土層，脲酶活性在25 000株·hm-2密度林分最高；蔗糖酶和蛋白酶活性在4個密度林分下差異不顯著(P>0.05)；過氧化氫酶活性在25 000株·hm-2密度林分最高，并且顯著高于其他密度林分(P<0.05)；酸性磷酸酶活性在35 000株·hm-2密度林分最高，并且顯著高于其他密度林分(P<0.05).在20～40 cm土層，脲酶活性隨林分密度增大而逐漸增大；蔗糖酶和過氧化氫酶活性均在25 000株·hm-2密度林分最高，其他密度林分活性差異不顯著(P>0.05)；蛋白酶活性在25 000株·hm-2密度林分酶活性較低，其他密度林分間活性差異不顯著(P>0.05)；酸性磷酸酶活性在35 000株· hm-2密度林分酶活性最高，并且顯著高于其他密度林分活性(P<0.05)(表3).不同類型土壤酶對林分密度變化的響應(yīng)機(jī)制不同.總體上，不同密度林分下脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性差異較顯著，表明脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶對密度變化較敏感；同一密度林分，隨著土層深度加深，土壤酶活性降低，原因可能是因為深層土壤通氣狀況較差，土壤微生物活性較低，導(dǎo)致土壤酶活性降低.

表3 各密度米篩竹林土壤酶活性1)Table 3 Enzyme activity of the soil under different densities of B.pachinensis

2.3 米篩竹林土壤養(yǎng)分與酶活性的相關(guān)性分析

米篩竹林土壤養(yǎng)分與土壤酶活性總體相關(guān)性研究顯示，除全鉀、速效鉀和蛋白酶活性與其他土壤指標(biāo)相關(guān)性較差外，其他土壤指標(biāo)間普遍存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系.脲酶可催化有機(jī)氮類化合物向無機(jī)氮或植物有效氮類化合物轉(zhuǎn)化[14-15]，脲酶活性與全氮和堿解氮含量為極顯著正相關(guān)關(guān)系，米篩竹林下土壤脲酶活性與土壤中氮元素密切相關(guān)；蛋白酶活性與堿解氮、速效鉀和有效磷含量為顯著相關(guān)關(guān)系，與全氮、全鉀和全磷含量不具有顯著相關(guān)性，表現(xiàn)米篩竹林土壤蛋白酶活性土壤速效養(yǎng)分關(guān)系更為密切；酸性磷酸酶可促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解，其活性與土壤磷元素相關(guān)，其中與有效磷含量顯著正相關(guān)，與全磷含量相關(guān)性不顯著，表明土壤中有效磷更易分解被竹林生長所利用.

表4 米篩竹林土壤養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性分析1)Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and nutrient content in B.pachinensis forest

2.4 不同密度米篩竹林土壤質(zhì)量綜合評價

由于土壤質(zhì)量指標(biāo)眾多、指標(biāo)屬性和量綱不一致，因此需要先對土壤質(zhì)量指標(biāo)測定值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后才能對各密度米篩竹林土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價.本文先對11個土壤指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，并計算各土壤指標(biāo)的隸屬度值，以反映各土壤指標(biāo)的優(yōu)劣[7]，然后進(jìn)行主成分分析.由表5可知，第一主成分的特征值為7.09，反映了總變異量的64.47%，第二主成分的特征值為2.50，反映了總變異量的22.73%，提取的2個主成分因子累計貢獻(xiàn)率為87.20%，包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息量.根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，當(dāng)各主成分分析累計貢獻(xiàn)率大于85%時，即可用來反映系統(tǒng)的變異信息[16].

由于各土壤指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響程度有差異，需予以不同權(quán)重.本文將各土壤指標(biāo)公因子方差占總公因子方差的比例作為各指標(biāo)權(quán)重，所得各指標(biāo)權(quán)重見表5.確定了各土壤指標(biāo)隸屬度和權(quán)重，最后運(yùn)用加權(quán)綜合法和模糊數(shù)學(xué)中的加乘法則[7]，分別計算不同密度米篩竹林土壤養(yǎng)分和土壤酶活性綜合指數(shù)及土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(表6).

表5 2個主成分的載荷矩陣、各因子公因子方差及權(quán)重Table 5 Matrix, communality and weight of each indicator for 2 principal components

由表6可知，土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)在30 000株·hm-2密度林分最高，40 000株·hm-2密度林分最低.土壤酶活性綜合指數(shù)在40 000株·hm-2密度林分最高，30 000株·hm-2林分密度次之.土壤質(zhì)量綜合指數(shù)在30 000株·hm-2密度林分(0.605 7)最高，40 000株·hm-2密度林分(0.574 5)次之，25 000株·hm-2和35 000 株·hm-2密度林分較低，可見4個密度林分土壤質(zhì)量存在一定的差異，30 000株·hm-2密度林分土壤質(zhì)量狀況相對較好.

表6 不同密度林分土壤綜合指數(shù)Table 6 Comprehensive soil quality index of B.pachinensis stands under different densities

3 討論

研究結(jié)果表明，30 000株·hm-2密度竹林下土壤養(yǎng)分含量最高.可能是由于30 000株·hm-2密度林分郁閉度適中，通過冠層間隙，竹林可獲得生長所需的光熱水等進(jìn)行生長發(fā)育，竹子長勢較好，林內(nèi)凋落物增多，并在良好的光熱水等條件下，凋落物得以充分的分解，養(yǎng)分及時歸還土壤，使得竹林生長所消耗的土壤養(yǎng)分得到及時補(bǔ)充，土壤養(yǎng)分得以積累.40 000株·hm-2密度林分土壤養(yǎng)分含量最低，其原因可能是由于竹林內(nèi)立竹數(shù)較多，竹子個體間的競爭愈加激烈，高密度竹林的生長需要吸收更多的土壤養(yǎng)分[17]，導(dǎo)致土壤中被消耗的養(yǎng)分沒有得到及時歸還，養(yǎng)分積累減少.另外，由于砂質(zhì)海岸主要為無機(jī)礦物，碳含量極少[18-19]，因此，在本研究中沒有測定碳素含量，這與其他研究結(jié)果有一定的差異.

土壤養(yǎng)分與酶活性密切相關(guān).在良好的養(yǎng)分狀況下，有利于加強(qiáng)土壤酶活性對土壤養(yǎng)分元素的礦化作用，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[20].土壤酶活性的高低反映土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度[21]，脲酶和蛋白酶參與有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化[22]，蔗糖酶與土壤碳素循環(huán)有關(guān)，而酸性磷酸酶與土壤有機(jī)磷化合物轉(zhuǎn)化有關(guān)[21]，過氧化氫酶參與土壤氧化過程[23].總體上，40 000株·hm-2密度林分下土壤酶活性水平較高，30 000株·hm-2林分次之.40 000株·hm-2密度竹林土壤養(yǎng)分含量較少，會刺激土壤微生物和植物釋放更多的胞外酶來獲得生長所需的養(yǎng)分[24]，提高土壤酶的分泌量和活性.此外，Kang et al[25]研究表明，土壤養(yǎng)分不均衡和林內(nèi)凋落物增加可能是導(dǎo)致林地土壤有較高酶活性的原因，40 000株·hm-2密度竹林鞭根生物量和凋落物量較多，為土壤提供較多的分解底物，從而刺激土壤微生物對土壤胞外酶的分泌[26]，提高土壤酶活性.

綜合評價結(jié)果顯示，30 000株·hm-2密度林分土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高， 30 000株·hm-2密度林分下光照充足，溫度和水分等條件適宜，有利于林內(nèi)凋落物的分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)，使土壤養(yǎng)分含量和酶活性都處于較優(yōu)水平.竹子年年發(fā)筍長竹，密度始終處于動態(tài)變化中[7].通過將林分調(diào)控到合理的密度范圍，可能更有利于米篩竹林土壤養(yǎng)分的積累和維持較高的土壤酶活性，改善竹林土壤質(zhì)量.

沿海沙地土壤環(huán)境惡劣，土壤養(yǎng)分較貧乏[27]，不利于植被生長繁殖，需要采取合理的經(jīng)營管理措施，改善沙地土壤質(zhì)量，保證植被健康生長.本試驗地米篩竹林造林前為一片連續(xù)的空白沙地，其成土母質(zhì)和土壤發(fā)育狀況基本相同，基礎(chǔ)土壤肥力一致，土壤空間異質(zhì)性極小，經(jīng)過多年的米篩竹林密度調(diào)控，4個密度林分下土壤養(yǎng)分含量和酶活性表現(xiàn)出異質(zhì)性.綜合評價結(jié)果表明：30 000株·hm-2密度林分土壤質(zhì)量最優(yōu).可見，合理的密度經(jīng)營有助于改善沿海沙地米篩竹林土壤質(zhì)量.此外，合理的林分密度也有利于保持竹林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定并最大限度地發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能[28].今后在沿海沙地引種竹子造林過程中，不僅要注重沿海沙地適生竹種的選擇，也要注重對造林密度的科學(xué)和合理選擇，改善沿海沙地土壤質(zhì)量.同時，也要加強(qiáng)對現(xiàn)有竹林的經(jīng)營管理，通過適當(dāng)疏伐或人工補(bǔ)植等方式，調(diào)整現(xiàn)有的過密或過疏竹林密度，改善現(xiàn)有竹林的經(jīng)營狀況.

4 結(jié)論

(1)不同密度米篩竹林土壤養(yǎng)分含量存在差異，30 000株·hm-2林分養(yǎng)分含量最高，林分土壤養(yǎng)分狀況最佳.

(2)不同密度林分土壤酶活性存在差異，40 000株·hm-2密度林分下土壤酶活性水平較高，30 000株·hm-2林分次之.

(3)沿海沙地米篩竹林經(jīng)營密度的最優(yōu)密度為30 000株·hm-2，可以同時保持土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性處于較高水平.