福寿林场4种典型林分的土壤肥力分析及综合评价*

庞一凡，曹小玉，李际平，赵文菲，谢政锠，孙亚萍

(中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004)

森林土壤作为森林生态过程的载体和森林植物生长的基质，是衡量森林生态功能恢复和维持的重要指标，能够为植物长期提供水分和养分，直接影响着森林的健康生长和分布状况[1-2]。土壤肥力是土壤物理、化学性质的综合反应，能够保证提供植物生长发育所需的营养物质及环境条件[3]。

不同林分因其凋落物和凋落量的性质不同，养分归还量也不同，因此对林下土壤肥力的影响有很大的差异[4-5]。大量的土壤肥力科学评价研究表明，各种森林类型中土壤的物理和化学功能性状之间差异较大，森林土壤肥力受较多环境因素影响，因此科学地评价和确定森林土壤肥力的衡量指标和措施方法，是森林土壤肥力科学评价必不可少的重要环节[6]；但土壤肥力评价涉及较多指标，确定每个土壤肥力评价指标的权重是十分必要的。当前常用的土壤肥力评价指标权重赋权法主要有两种：一是采用主观赋权法和采用客观赋权的方法[7]，主观赋权法如专家打分法、层次分析法和Delphi法等[8]；二是客观赋权法如变异系数法、灰色关联度和主成分分析法等[9-10]。由于当前主观赋权法评价受许多人为因素的直接影响，客观赋权法未充分考虑到土壤肥力指标综合评价的重要性，故解决土壤肥力评价的关键是合理确定土壤肥力评价的综合指标。杉木(Cunninghamialanceolata)纯林、杉木混交林、栎类次生林和竹林这4种林分作为湖南甚至是南方主要经营的森林类型，研究它们的林地养分规律，为当地森林资源经营调整提供科学合理的理论依据是十分有必要的。因此，本研究选取林分土壤全磷、全氮、有机质、碱解氮、pH值、速效钾、速效磷和土壤容重8个指标对它们的土壤肥力进行综合分析，基于乘除法原理确定林分土壤综合评价指数，为科学确定林分土壤肥力综合指标和科学经营福寿林场4种林分土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

福寿国有林场位于湖南省平江县南部(28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～113°45′00″E)，总面积为1 274.9 hm2。年平均气温12.1 ℃，年日照1 500 h，无霜期217 d。属中亚热带向北亚热带过渡的季风湿润地区。林场内土壤类型主要为山地黄棕壤(海拔800～1 400 m)和山地黄壤(海拔800 m以下)，山顶、山脊有小块草甸土(海拔1 400 m以上)。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与分析

通过查阅文献资料以及结合外业调查数据，选择立地条件一致的杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林和竹林为研究对象。4种林分共选取12块20 m×30 m的标准地，样地基本情况如表1所示。在各样地内采用蛇形取样法确定取样点(共5点)，使用体积100 cm3的环刀在0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm处分别对原状土进行采样。根据四分法混合土壤样本，每个样本采1 kg，用以测定土壤养分。环刀法测定土壤容重，土壤pH值采用电位法测定，K2Cr2O7氧化-外加热法测定土壤有机质，土壤全氮及全磷含量采用高氯酸-硫酸消化法测定，光电比色法测定土壤中速效磷含量，火焰光度法测定速效钾含量，土壤中碱解氮含量采用碱解蒸馏法测定。

表1 各样地基本情况

1.2.2 土壤肥力评价指数的计算和等级标准

(1)土壤肥力评价指数的计算

土壤的物理及其化学性质影响着土壤肥力水平[11]，本研究从土壤理化性质2个方面选取土壤肥力评价指数的参数。由于各个参数在影响土壤肥力水平时可能存在互相依赖和排斥的关系，导致土壤肥力水平的所有参数只能总体达到最优肥力水平，无法同时达到最优水平，因此本研究采用乘除法进行多目标规划[12-13]。

乘除法的基本计算理念x是决策向量，当在m个目标f(x1)，…f(xm)，中，有k个f(x1)，…f(xk)要求实现最大，其余f(xk+1)，…f(xm)要求实现最小，同时有f(x1),…f(xm)>0，采用评价函数Q(x)作为目标函数。

①

根据乘除法计算原理，结合中国土壤养分等级标准划分[14]，全N、有机质、速效K和速效P取大为优，土壤pH值在4.5～6.5有利于南方树种发育生长，所以最适值为5.5，土壤容重适值在1～1.25，应接近1.125。根据公式①确定土壤肥力评价指数的计算公式。

②

式中：AP(g)、AK(g)、SOM(g)、TN(g)分别为土壤速效磷、速效钾、有机质、全氮，σAP、σAK、σSOM、σTN分别为速效磷、速效钾、有机质、全氮的标准差。由于各参数的表征意义不同，并且每个参数的量级和量纲也不完全一致，因此，采用归一化处理公式③，将各参数值等量转换到[0,1]区域内。

③

(2)土壤肥力评价指数等级划分标准

根据相关学者对我国土壤肥力的综合评价研究[15-16]，划分标准见表2。

表2 土壤肥力评价指数等级划分标准

1.2.3 数据分析

采用SPSS 25.0数据分析，Excel 2010图表处理。

2 结果与分析

2.1 不同林分0～60 cm土层土壤养分含量

从表3的土壤养分统计分析结果看，杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林和竹林的土壤有机质含量介于9.52～24.9 g/kg之间，其中含量最高的是栎类次生林，最低为竹林，各林分之间土壤有机质含量差异显著(P<0.05)。

表3 0～60 cm土层平均土壤养分含量

4种林分pH值范围在4.39～4.69，呈酸性。竹林土壤pH值最大，杉木混交林土壤pH值最小，其中杉木纯林、栎类次生林和竹林3种林分土壤pH值无显著差异(P>0.05)，竹林的土壤pH值显著高于杉木混交林(P<0.05)。

对于土壤全氮含量，4种林分范围在0.62～1.18 g/kg，含量最高的是栎类次生林，最低为竹林，杉木混交林与栎类次生林土壤全氮含量无显著差异(P>0.05)。4种林分的土壤全磷含量范围为0.13～0.35 g/kg，栎类次生林含量最大，竹林含量最小；杉木纯林与栎类次生林土壤全磷含量无显著差异(P>0.05)，栎类次生林与杉木混交林、竹林差异显著(P<0.05)，杉木混交林与竹林无显著差异(P<0.05)。

4种林分的土壤碱解氮含量范围介于37.66～71.82 mg/kg之间，综合表现为栎类次生林>杉木混交林>杉木纯林>竹林，碱解氮含量在各林分之间差异显著(P<0.05)。

4种林分的土壤速效磷含量范围为0.97～2.95 mg/kg，栎类次生林显著高于其它3种林分(P<0.05)。4种林分的土壤速效钾含量范围为42.47～66.75 mg/kg，杉木纯林土壤速效钾含量与其它3种林分存在显著性差异(P<0.05)。

4种林分土壤容重范围为1.06～1.11 g/cm3，且表现为竹林>杉木纯林>杉木混交林>栎类次生林。除了次生林外，其它3种林分土壤容重差异不显著(P<0.05)。

2.2 不同林分土壤养分的剖面分布

2.2.1 不同林分土壤pH和有机质的剖面分布

不同林分土壤pH和有机质的剖面分布分析见图1。

图1 各林分类型土壤剖面层pH值、有机质含量

从图1可知，4种林分不同土壤层次pH值范围为4.30～4.77，土壤为酸性。分析表明，除杉木混交林外，其它3个林分各土层间差异不显著(P>0.05)。随着土层深度的增加，4种林分的土壤有机质含量逐渐降低，栎类次生林各土层中的有机质含量显著高于杉木纯林、杉木混交林和竹林(P<0.05)。杉木混交林和栎类次生林0～20 cm土层有机质含量分别高于20～40 cm、40～60 cm土层21.99%、30.06%和20.66%、26.05%；杉木纯林土壤有机质在不同土壤层次无显著差异(P>0.05)；竹林0～20 cm、20～40 cm显著高于40～60 cm土层(P<0.05)；不同林分相同土层比较，除杉木纯林外，其它3个林分在0～60 cm各土层间均存在显著性差异(P<0.05)。

2.2.2 不同林分土壤全量养分的剖面分布

从图2可知，随着土层深度的增加。除了杉木混交林外，其它3种林分类型其土壤全氮、全磷含量逐渐降低。杉木混交林不同土壤层次全磷的含量随土层的加深，表现为先减少后增加的趋势，0～40 cm土层减少21.43%，20～60 cm土层土壤全磷含量增加18.18%。在0～40 cm土层范围内栎类次生林土壤全氮含量减少25.87%，下降幅度较大。双因素方差分析表明，对于全氮及全磷含量，除了栎类次生林土壤表层(0～20 cm)均显著高于其它土层(P<0.05)，其它3个林分各层土壤全氮、全磷含量间差异不显著(P>0.05)。不同林分相同土壤层次比较，在0～20 cm土层，杉木纯林、杉木混交林全氮含量差异不明显(P>0.05)，栎类次生林显著高于其它3个林分(P<0.05)。在20～40 cm土层，除了栎类次生林，其它3种林分土壤全氮含量差异性显著(P<0.05)，除了竹林，其它3个林分在40～60 cm土层差异不显著(P>0.05)。对于全磷含量，杉木纯林、栎类次生林同一土壤层次无显著差异(P>0.05)，0～20 cm、40～60 cm土层杉木混交林均显著高于竹林(P<0.05)。

图2 各林分类型土壤剖面层次全量养分含量

2.2.3 不同林分土壤速效养分的剖面分布

从图3可知，其中杉木混交林在0～60 cm土层范围内随着土层的加深土壤速效钾含量表现出了先增加后减少的趋势，0～40 cm土层范围内土壤速效磷增加20.30%，20～60 cm土层范围内减少了42.62%。栎类次生林不同土壤层次的速效磷含量随着土层的加深依次减少19.85%、47.96%。双因素方差分析表明，对于速效磷含量，表现为栎类次生林0～20 cm和20～40 cm土层显著高于40～60 cm土层(P<0.05)，竹林各土层间差异显著(P<0.05)，其它2种林分各土层间无显著差异(P>0.05)。相同土层不同林分比较，杉木纯林、杉木混交林、竹林之间不存在显著性差异(P>0.05)，栎类次生林0～20 cm土层显著高于其它3个林分(P<0.05)。对于速效钾含量，表现为除了栎类次生林0～20 cm土层显著高于20～40 cm和40～60 cm(P<0.05)外，其它3种林分不同土壤层次无显著差异(P>0.05)。相同土层不同林分比较，0～20 cm土层，杉木纯林显著高于杉木混交林、栎类次生林和竹林(P<0.05)，4种林分土壤速效钾含量在20～40 cm土层差异不显著(P>0.05)，杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林在40～60 cm土层土壤速效钾含量均显著高于竹林(P<0.05)。

图3 各林分类型土壤剖面层速效养分含量

2.2.4 不同林分土壤碱解氮和容重的剖面分布

从图4可知，杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林和竹林的碱解氮含量都随着土层深度增加而降低，其中杉木混交林0～40 cm土层下降幅度较大，降低了16.98%。4种林分土壤容重均随土层深度的增加而增大，其中杉木纯林40～60 cm土壤密度呈最大，为1.17 g/cm3。双因素方差分析表明，对于碱解氮含量，除了杉木混交林土壤表层(0～20 cm)显著高于其它土层(P<0.05)，其它3个林分各土层间差异不显著(P>0.05)。相同土层不同林分比较，栎类次生林各土层碱解氮均显著高于杉木纯林和竹林(P<0.05)。对于土壤容重，杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林40～60 cm土层均显著高于0～20 cm、20～40 cm土层(P<0.05)。不同林分相同土层比较，竹林土壤容重在0～20 cm土层显著高于杉木纯林、杉木混交林和栎类次生林(P<0.05)；20～40 cm土层杉木混交林、杉木纯林和竹林的土壤容重无显著差异(P>0.05)；在40～60 cm土层杉木纯林土壤容重最高，与其它3种林分存在显著性差异(P<0.05)。

图4 各林分类型土壤剖面层碱解氮、容重含量

2.3 不同林分土壤肥力综合评价

从图5可知，研究区杉木纯林、杉木混交林、栎类次生林和竹林不同样地的土壤肥力综合评价指数为0.02～0.58，评价等级分属1、2、3级，其中：属于1级的样地分别为D10、D11、D12，占样地总数的25%；属于2级的样地分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D9，占样地总数的58%；属于3级的样地分别为D7和D8，占样地总数的17%；分属4、5级的样地没有。从林分类型看，研究区杉木纯林的土壤肥力综合评价指数为0.2～0.3，评价等级分属2级；杉木混交林的土壤肥力综合评价指数为0.22～0.29，评价等级分属2级；栎类次生林的土壤肥力综合评价指数为0.39～0.58，评价等级分属2、3级；竹林的土壤肥力综合评价指数为0.02～0.14，评价等级分属1级。总体上，4种林分土壤肥力综合评价等级为栎类次生林>杉木混交林>杉木纯林>竹林。

图5 不同样地土壤肥力综合评价指数值和评价等

3 讨论与结论

3.1 不同林分类型对土壤剖面养分分布的影响

植被的生长及演替过程等均受土壤养分、结构等多种因素的影响[17]。本研究区4种林分的pH值随着土层的加深无明显规律，pH值在4.30～4.77之间，呈酸性。究其原因，一方面研究区的类型为山地黄棕壤，这类土壤在高温多雨环境条件下肥力较高，且由于矿物加速风化，盐基不饱合及弱富铝化形成的，因此黄棕壤本身呈酸性，另一方面森林凋落物中含有大量的木质素、单宁等物质，其分解过程产生的酸性物质的释放会导致土壤酸化[18]。4种林分的土壤碱解氮及有机质含量随土层加深而减少，这是由于林地表层枯落物的分解及细根周转过程造成土壤养分具有“表聚性”特征[19-20]。其中栎类次生林各土层全氮、全磷、速效磷含量均显著高于其它2个林分，研究结果表明，树种组成复杂多样能在凋落物积累、土壤养分归还及提高林地土壤肥力等方面发挥重要作用。杉木纯林在 0～40 cm土层范围内，土壤速效钾含量下降幅度较大，减少24.04%，这是由于杉木纯林具有较少的植物种类组成以及土壤水分的淋洗，植物吸收的氮、磷、钾等养分最终以凋落物的形式归还于土壤，因此土壤表层养分含量更高，尤其以速效养分含量较为明显[21]。土壤表层受林下植被、枯落物、动物及微生物等因素的影响，导致表层土比深层土疏松，因此各林分土壤容重随土壤深度的增加而增大。

3.2 不同林分类型对0～60 cm土层土壤养分含量的影响

影响土壤肥力水平的因素有树种组成、空间结构等林分因子，不同林分类型的土壤养分通常表现出明显差异[20,22-23]。土壤有机质是土壤中的各营养元素(尤其是氮和磷)的主要来源，是影响林分土壤肥力的关键因子。本研究区土壤有机质含量表现为栎类次生林最大，混交林和杉木纯林次之，竹林最小，这与刘成刚等[24]研究结论一致。由于针叶林、竹林相对于其它两种林分，林地枯落物较为单一，且凋落物分解速率较为缓慢，次生林由于良好的先决条件，枯落物种类繁多，可以快速将各种动植物残体分解转化为有机质，土壤肥力状况良好。氮是影响植物生长的重要养分因子，碱解氮是植物实际可利用的氮元素形态[25]。研究区4种林分类型土壤碱解氮含量表现为栎类次生林高于其它3种林分，这与杨晓娟[26]研究结论一致。究其原因可能是与天然次生林其丰富的林下植被有关：植物发达的根系有助于降低土壤密度，改善土壤孔隙状态和持水能力[27]；同时，地表枯落物以及活跃的微生物活动也可能对表层土壤结构质地的改善产生积极作用[28]。

土壤中的磷是植物生化过程中不可或缺的重要元素，研究区土壤全磷含量表现为栎类次生林>杉木纯林>杉木混交林>竹林，这与邵国栋等[29]研究结果基本一致。这是由于是栎类次生林和杉木纯林土壤表层枯落物较厚，淋溶作用弱，利于磷元素富集[30]。本研究区4种林分均表现出磷含量不足(速效磷<15 mg/kg)，因此，施加磷肥有利于树木的生长。研究区杉木纯林土壤速效钾含量最大，高于杉木混交林、栎类次生林，这与龚伟等[31]研究结果基本一致，原因可能是杉木纯林林下凋落物较厚，减少了因降水造成的钾的大量流失。

通过土壤肥力综合评价指数，对4种林分类型进行了计算和排序，土壤肥力的结果显示：栎类次生林>杉木混交林>杉木纯林>竹林。研究结果表明，林分树种种类的组成、凋落物的理化性状以及分解难易程度，根的生长和分布有助于土壤生态功能的改善和土壤肥力的提高[32-33]。土壤肥力排序的结果可为科学经营福寿林场4种典型林分土壤提供数据支撑和理论参考。相对于人工杉木纯林，天然次生林和杉木混交林有利于土壤养分的积累，因此，建议对杉木纯林进行补植改造，使其人工纯林向针阔混交林方向转变。

3.3 结论

通过比较研究位于湖南省平江县福寿林场4种不同林分类型的土壤肥力状况，结果显示土壤碱解氮、有机质、速效钾含量随土层加深而降低，且不同林分类型的土壤有机质及速效养分含量差异较大，研究结果认为栎类次生林土壤肥力质量最好，竹林最差，与杉木纯林相比，天然次生林和杉木混交林土壤养分易富集。本文基于乘除法的原理确定林分土壤综合评价指数，与其它传统评价方法相比，计算量小，模型参数可根据不同的土壤系统适当增减，适用性强。为了更全面地了解研究区的土壤肥力特征以及验证该评价指数的科学性和适用性，下一步应加强土壤生物学性状方面的研究。