费裕翀 黄樱 刘丽 路锦 蔡培菁 张元明 曹世江 曹光球

(福建农林大学，福州，350002) (福建省宁化县林业局) (福建农林大学)

紫色土是以中生代紫色岩层为母岩母质发育形成的一类土壤，主要分布于我国四川、云南、广西、广东、福建等省区，面积约有2 000万hm2[1]。紫色土具有矿质养分丰富、土质偏壤性、自然肥力高等特点，是我国特有的一类具有重要农业潜力的土壤资源[2]。然而紫色土土质普遍偏轻，土层浅薄甚至母岩裸露，加之主要分布于热带、亚热带的山地丘陵地区，水土流失现象严重，紫色土区生态系统具有明显的脆弱性。近年来，由于不合理的土壤利用方式以及人为作用下的自然植被破坏，使得紫色土区土壤退化现象日益严重，因此加强有关紫色土退化的防治研究显得十分必要。

为防治土壤退化，恢复紫色土丘陵区生态系统正常功能，基于人工植被重建的生态恢复是该区域最为关键的土壤管理措施之一。目前许多研究者围绕不同人工植被类型对土壤特性的影响作了深入探讨，文志等[3]的研究发现在热带地区，天然林遭到破坏转为橡胶(Heveabrasiliensis)和槟榔(Arecacatechu)林后，土壤质量出现显著下降；董扬红等[4]的研究表明，黄土丘陵区的辽东栎(Quercuswutaishansea)、丁香(Syzygiumaromaticum)、侧柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和三角槭(Acerbuergerianum)5种林分类型中，刺槐林土壤腐殖化度和聚合度最高，而丁香林土壤微生物量碳和有机碳最高。已有的研究表明，即使在同一类型土壤中，不同的植被类型覆盖下的土壤理化性质同样具有显著差异。由于森林植被恢复工程投资大、耗时长，人工林植被类型的选择对于紫色土区的土壤防护尤为重要。目前中亚热带紫色土丘陵区所实施的植树造林工程已取得了一定的成效，关于紫色土区土壤改良与修护的研究也有较多报道，但此类研究普遍集中在植物修复[5-6]、改土培肥[7]及水土流失治理[8-9]等方面，且对于紫色土特性的研究普遍集中于某几个或某一类指标，但对紫色土区不同人工林类型土壤综合评价分析[10]却鲜有报道。土壤质量是物理、化学、微生物等诸多特性的综合反映，对土壤质量的评估实际上就是评价土壤实现其功能的程度，目前虽没有一个较为全面系统的土壤质量评价体系，但多以土壤物理特性、化学特性和生物学特性为构建土壤质量评价体系的指标。其中土壤生物学特性常使用土壤微生物生物量、微生物群落多样性以及酶活性等指标作为表征土壤质量的主要参数。而土壤酶作为土壤生物化学过程的积极参与者，直接参与土壤的物质迁移转化与养分的固定释放，其活性受土壤理化性质、植被类型和微生物多样性等诸多因素的影响，被视为一种比土壤微生物区系、土壤微生物生物量以及土壤呼吸等更为敏感、可靠的生物活性指标[11]。已有大量学者将土壤酶活性作为土壤肥力的经验指标进行了探索，并将其作为参数之一对土壤质量进行评估[12-13]。因此本研究在前人工作基础上[14-15]，选取土壤物理和化学指标，并结合土壤生物学指标-土壤酶活性，采用主成分分析方法直观定量地研究了中亚热带紫色土丘陵区几种典型人工林类型的土壤质量，旨在从综合分析土壤质量的角度探讨适宜的人工林植被模式，为紫色土丘陵区的生态恢复与管理提供科学依据。

1 研究区概况

试验地位于福建省三明市宁化县淮土镇(26°14′28″～26°14′33″，116°25′42″～116°25′45″E)，属于中亚热带气候，平均气温17.5 ℃，极端最高温度为38.3 ℃，最低气温-8.3 ℃，年日照时间为1 900 h，平均年降水量为1 633.6 mm，年平均陆面蒸发量730 mm，水面蒸发890 mm，相对湿度81%，无霜期214～218 d，坡度25°～30°，海拔300～400 m，属低山丘陵地带，土壤类型为紫色页岩发育而成的酸性紫色页岩土，土壤结构疏松，侵蚀作用强烈。该区域是福建省内面积最大、流失最严重、最集中的紫色土流失区，生态环境极其脆弱。近20年来，当地各部门及广大干群积极植树造林，开展生态修复，植被状况得到明显改善，水土流失已得到有效控制[16]。

2 研究方法

2.1 样地选择及取样

于2016年7月份对研究区人工林类型进行资料查询和踏查，根据立地条件一致的原则，选取区内具有可比性、典型性的油茶(Camelliaoleifera)、马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)3种人工林以及阔叶林共4种森林类型开展研究，其中阔叶林为水土流失区自然演化形成的次生阔叶林。由于不同林龄林分间的土壤特性存在差异，为更全面探讨不同类型人工林土壤质量差异，按树种的数量、成熟期在每种森林类型中选取幼龄林、中龄林和成熟林3种林龄林分。但由于紫色土不适宜杉木生长，该研究区近年未新造杉木人工林，因而选取油茶幼龄林、油茶中龄林、油茶成熟林、马尾松幼龄林、马尾松中龄林、马尾松成熟林、杉木中龄林、杉木成熟林和阔叶林，共9种林分类型作为研究对象，样地基本情况见表1。其中天然次生阔叶林自恢复时间约为20年，自然恢复后人为干扰较少。油茶、马尾松和杉木人工林研究样地在人工林栽培前水土流失严重，土壤裸露，只具有零星草本覆盖，经全垦方式整地后挖穴造林，由于人力成本较高，除种植当年进行开沟施肥和间伐作业外，没有进行其他有效的管理。由于该区域生态建设以及紫色土区裸地母岩裸露，本研究未采用草地或裸地土壤作为研究对照样本。

表1 中亚热带紫色土丘陵区样地基本情况

在每种林分类型内设置3块20 m×20 m样地，每个样地内以对角线布设5个采样点，每样点用土壤环刀(容积100 cm3)采集3个样品用于测定土壤物理性质，同时采集0～20 cm土层深度的土样3个，剔除石砾和植物残根等杂物后充分混合成1个待测土壤样品。土壤样品分成2份：1份过2 mm筛混匀后置于4 ℃保存，用于测定土壤酶活性；另1份土样自然风干过筛后，供土壤化学性质测定。

2.2 测定方法

土壤自然含水率、土壤密度、总孔隙度和最大持水量等土壤物理性质采用常规方法测定[17]，除全碳、全氮质量分数采用Vario Max CNS全量碳氮仪测量外，土壤有机质质量分数、pH值、全磷质量分数、全钾质量分数等土壤化学性质以及蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶等土壤酶活性的测定和计算亦采用常规方法[18-19]。其中蔗糖酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量(以mg计)表示；脲酶活性用24 h后1 g土壤中NH3-N的质量(以mg计)表示；过氧化氢酶活性以每小时内1 g土壤分解的过氧化氢的质量(以mg计)表示；酸性磷酸酶活性以每小时内1 g土壤中的对硝基苯酚的质量(以mg计)表示。

2.3 数据处理

采用SPSS 23单因素方差分析方法检验土壤指标在不同林分类型间的差异显著性，显著性水平均设定为P=0.05；运用Pearson相关系数法检验各土壤指标间的相关性；运用主成分分析法提取可以反映原来多个指标的综合性指标，计算土壤质量综合指数。以土壤自然含水率、最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度等18项因子作为中亚热带紫色土区不同林分类型土壤质量评价的基本指标。由于这些评价指标没有统一量纲，其数值差异较大，因此在进行主成分分析前对原始数据进行标准化预处理。通过主成分分析，得到各样地的主成分得分，采用加权法计算土壤质量综合指数(Q)，其表达式为[20]：

Q=∑Wi×Fi。

式中：Wi为各主成分贡献率；Fi为各样地的主成分得分。若得分为正，表明该林分的土壤综合指数在平均水平之上，反之则表明在平均水平以下。

3 结果与分析

3.1 土壤物理特性

由表2可知，对比各人工林类型，相同林龄林分土壤自然含水率总体以杉木林最高，油茶林其次，马尾松各林龄林分土壤自然含水量均较低，其中马尾松中龄林和成熟林土壤自然含水量均显著低于其他林分。土壤最大持水量为(292.26±23.71)～(196.71±11.15)mm，油茶林土壤最大持水量普遍高于其他相同林龄的人工林，其次为杉木林，最低为马尾松林。土壤密度总体以马尾松林最高，其次为杉木林，油茶林最低。9种林分中以马尾松幼龄林土壤密度最高，为0.891 g·cm-3，相比于其他林分提升了2.17%～7.34%，且与其他林分差异显著。就不同林龄林分间的土壤密度差异而言，总体随着林龄的增长而递减，表明林木的生长发育改善了土壤结构。各林分土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙分别为48.50%～63.74%、44.55%～7.48%和4.51%～9.94%，非毛管孔隙均低于总孔隙度的20 %，可知该区域土壤主要以大孔隙为主，透水通气性能较差，属于耐旱性较差的紫色土的典型特征。综上所述，油茶林和阔叶林土壤物理特性相对较好，其次为杉木林，马尾松则处于较低水平。

表2 中亚热带紫色土丘陵区不同林分类型土壤物理性质

3.2 土壤全量养分和pH值

由表3可知，9种林分土壤全碳、全氮、全磷和全钾质量分数变化分别为(7.41±1.00)～(17.09±2.84)、(0.43±0.03)～(1.32±0.14)、(0.053±0.004)～(0.221±0.018)、(29.00±9.52)～(86.43±1.03)g·kg-1。油茶林土壤全碳、全氮和全钾质量分数普遍高于其他相同林龄人工林类型，其中油茶中龄林土壤全碳和全氮质量分数相比其他林分类型提高幅度分别为12.80 %～126.58 %、17.85%～206.97 %，油茶幼龄林土壤全钾质量分数相比其他林分提高幅度为6.58 %～198.03 %，且显著高于除阔叶林外的其他林分。土壤全磷质量分数则以马尾松中龄林最高，相比其他林分类型提高了1.44 %～316.98 %，且马尾松林土壤全磷质量分数普遍高于其他相同林龄人工林。阔叶林土壤全碳质量分数偏低，全氮、全磷和全钾质量分数总体保持较高水平，表明阔叶林生态系统养分循环周期较快，具有较高的养分积累能力。就不同林龄林分间的全量养分差异而言，除油茶幼龄林土壤全钾质量分数高于油茶中龄林和油茶成熟林，土壤全量养分均以中龄林最高。土壤pH值为(4.62±0.02)～(5.03±0.12)，pH值均小于7，为酸性土壤。其中马尾松土壤pH值均高于其他相同林龄人工林类型，可能是由于马尾松林地表枯落物较少、腐殖酸积累缓慢致使土壤pH值较高。

表3 中亚热带紫色土丘陵区不同林分类型土壤化学性质

3.3 土壤有机质和速效养分质量分数

由表3可知，9种林分土壤的有机质、速效磷和速效钾质量分数分别为(8.29±1.30)～(32.25±3.74)g·kg-1、(0.89±0.05)～(3.45±0.56)mg·kg-1、(38.96±3.28)～(68.55±3.82)mg·kg-1。油茶林土壤有机质质量分数普遍高于其他相同林龄人工林，其中油茶中龄林土壤有机质质量分数相比其他林分提高了13.11 %～289.02 %。土壤有效磷质量分数则以马尾松中龄林最高，马尾松幼龄林最低。马尾松中龄林土壤有效磷质量分数相比其他林分提高了49.35 %～287.64 %，且显著高于其他林分。土壤速效钾质量分数以阔叶林最高，且显著高于其他林分。与土壤全量养分在同一人工林类型的不同林龄林分间的差异规律相似，土壤有机质和有效磷质量分数均以中龄林最高，而速效钾质量分数则基本以幼龄林最高。

3.4 土壤酶活性

由表4可知，在9种林分中，马尾松成熟林土壤蔗糖酶活性最高，相比其他林分提高了18.98%～396.47%，除阔叶林和油茶中龄林，均显著高于其他林分。相同人工林类型的不同林龄林分间的土壤蔗糖酶活性基本具有显著差异，这表明不同林龄林分中碳代谢强度差异较大。土壤脲酶活性以阔叶林最高，其次为油茶林中龄林、油茶成熟林和油茶幼龄林，油茶林脲酶活性为(16.12±0.83)～(17.98±2.45)mg·g-1·d-1，三者之间差异不显著，但均显著高于除阔叶林外的其他林分。酸性磷酸酶活性的提高有利于提升磷的有效性，对于普遍缺磷的紫色土尤为重要，与脲酶活性类似，油茶林土壤酸性磷酸酶活性普遍较高，杉木林其次，马尾松林最低。过氧化氢酶在各人工林类型间的差异规律不明显，其活性以阔叶林最高，相比其他林分提高了9.09%～236.00%，除油茶成熟林、杉木中龄林和马尾松成熟林，与其他林分间的差异均达到显著水平。可见物种相对丰富、结构相对复杂的阔叶林更有利于土壤中某些有毒物质转化和土壤腐殖质形成。

表4 中亚热带紫色土丘陵区不同林分类型土壤酶活性

3.5 不同林分土壤肥力因子的相关性

由表5可知，除自然含水率和过氧化氢酶与其他土壤肥力因子相关性较差外，其他土壤因子间普遍具有显著或极显著相关性。土壤密度与全碳质量分数为正相关关系，与其他因子均为负相关，表明土壤密度的提升导致了土壤质量的下降。有机质和全氮质量分数与自然含水率不具有显著相关性，与其他土壤因子的相关性总体达到极显著水平，可知在该区域中有机质和全氮质量分数与其他土壤因子具有密切关系。

3.6 土壤质量的主成分分析

3.6.1 土壤养分库有效性评价

按照特征值>1且累积贡献率>85%的原则抽取了4个主成分(表6)，其特征值分别为 6.444、4.311、2.322和1.498，且累积贡献率达到86.971%，已提供了全部指标85%以上的信息，表明因子分析用于评价土壤质量是可靠的。从方差贡献率和特征值看，各主成分评价土壤质量的影响力依次为PC1、PC2、PC3、PC4。一般认为，因子负荷绝对值越大，变量在相应主成分中的权重就越大，其中正负只表征影响效应。PC1具有多个高权重变量，分别为土壤密度、毛管孔隙度、总孔隙度、酸性磷酸酶活性、最大持水量、全氮质量分数、自然持水量、有机质质量分数和脲酶活性，PC1可能与土壤物理性质和供氮水平密切相关。PC2高权重变量为全磷质量分数、有效磷质量分数、有机质质量分数、蔗糖酶活性、pH和全碳质量分数。PC3高权重变量为全钾和速效钾质量分数，表明碳、氮、磷和钾是土壤中最为重要的元素，反映着土壤质量。PC4高权重变量仅为过氧化氢酶活性，这与过氧化氢酶活性与其他土壤指标相关性较低有关，为避免信息丢失导致高权重变量为过氧化氢酶。其中土壤密度在4个主成分上均为负载荷，表明土壤密度增加会导致土壤质量降低。

3.6.2 土壤质量综合指数

选择各个主要的单项指标，运用因子分析以各样地的主成分因子得分和方差贡献率加权计算得到土壤质量综合指数，其得分由大到小依次为油茶中龄林(0.389)、阔叶林(0.358)、马尾松中龄林(0.215)、油茶成熟林(0.174)、杉木中龄林(0.095)、油茶幼龄林(0.002)、马尾松成熟林(-0.113)、杉木成熟林(-0.432)、马尾松幼龄林(-0.689)，可见不同林分间的土壤质量综合指数差异较大。阔叶林土壤质量综合指数较高，除油茶中龄林外相比其他林分提升了66.88 %～152.02 %。油茶人工林各林龄林分土壤质量综合指数均为正值，且普遍高于其他相同林龄人工林类型。马尾松和杉木人工林质量综合指数处于较低水平，由于缺少杉木幼龄林数据，仅从中龄林和成熟林看，马尾松人工林土壤质量综合指数高于杉木人工林，而杉木的确存在不适宜在该区域生长的现象。综上所述，杉木人工林并非该区域适宜种植的人工林植被类型，油茶和阔叶树的植被类型更有利于当地土壤质量的恢复和提升。就林龄差异看，各人工林类型均以中龄林土壤质量综合指数最高，其次为成熟林，幼龄林最低。9种林分中马尾松幼龄林土壤质量综合指数最低，相比阔叶林下降了152.02 %。

4 讨论

4.1 紫色土丘陵区不同林龄林分间土壤质量的差异

从本研究结果可见，就同一森林类型而言，土壤质量总体以中龄林最佳，林龄对于土壤特性的影响较为显著。造成不同林龄林分间的土壤质量分异规律的原因可能有：一是由于幼龄林时期和成熟林时期林下植被较少。大量研究表明，林下植被作为森林生态系统的重要组成部分，对于促进人工林的养分循环与改善土壤性状起着极其重要的作用[21-22]。林下植被普遍具有较发达的根系，能显著降低土壤密度，提升土壤孔隙度[23-24]，促进紫色土团粒或团聚结构的发育，同时避免林地直接遭受降雨的打击和地表径流的冲蚀，减少了保土保肥能力较弱的紫色土丘陵区的养分流失。另一方面林下植被的存在使得凋落物组成和数量发生变化，且往往当年就能以植物残体的形式将养分回归土壤，同时林下植被生长发育过程当中不断向土壤分泌包括糖类、氢基酸、有机酸、酶类等小分子有机物[25]，加速了成土时间较短的紫色土区养分的有效化，从而使得土壤肥力保持较高水平。而林业生产普遍对幼龄林林下植被进行全面割除，以避免其与上层乔木竞争，成熟林阶段则由于林地趋于郁闭，光照不足，林下植被生长较差。二是由于杉木和马尾松属于速生树种，幼龄林和成熟林时期对林地养分可能消耗较多，土壤养分处于耗竭状态，导致土壤质量的下降[26-27]。

4.2 紫色土丘陵区不同人工林类型间土壤质量的差异

植被与土壤相互耦合、相互发展，不同的植被类型对土壤质量具有不同的影响作用[28-29]。本研究结果表明，除自然含水率外，土壤最大持水量、密度、总孔隙度等土壤物理指标与其他土壤因子普遍具有显著或极显著相关性，可知土壤的物理性质与林地土壤质量状况有密切的联系。综合而言，油茶林土壤物理性质较好，其次为杉木林，马尾松林则较差，这与郑华[30]和陈冬林[31]在南方红壤区的研究结果一致，表明油茶林在该区域的确具有较强的土壤改善作用。土壤密度是反映土壤紧实度的一个敏感性指标，与土壤结构密切相关，由表5可知，土壤密度直接影响着土壤最大持水量以及孔隙的结构和数量，而土壤密度的高低很大程度上取决于土壤有机质质量分数高低状况。油茶林生态系统中具有繁殖较快的草本植物芒萁有利于有机质的积累，加之根系穿插生长改善了土壤结构，而马尾松林生态系统凋落物的分解归还较少以及林下植被稀疏，这可能是导致人工林类型间土壤物理特性差异的原因。

从土壤化学性质差异看，油茶林土壤各养分质量分数处于相对较高的水平，杉木林其次，马尾松林较差。紫色土固氮的能力较差，土壤氮素主要存在于有机质中[32]。本研究表明，土壤有机质与全氮质量分数间存在着极显著的正相关性，可知土壤氮素质量分数的高低大体取决于有机质的积累状况。从本研究结果看，各人工林类型全氮质量分数变化规律与有机质质量分数变化规律相似，均以油茶林最高、杉木林次之、马尾松林较低。相比于紫色土区草坡、灌草等群落类型[33]，本研究区紫色土的有机质和全氮质量分数均有所提高，表明人工林建设的确对土壤氮素有所提升。但紫色土土层发育浅，易受侵蚀，有机质难以在土壤中积累，所以本研究区紫色土的全氮质量分数仍普遍偏低。全磷和速效磷质量分数则以马尾松林土壤最高，油茶林其次，杉木林较差。紫色土壤中的磷主要来源于其母岩，主要以矿物态存在，需要经过进一步矿化才能转变为有效态。在酸性土壤中，磷多被铁、铝氧化物所固定，故pH较高的马尾松林土壤全磷和有效磷质量分数较高。但本研究区各林分土壤pH值均小于5，速效磷质量分数为(0.89±0.05)～(3.45±0.56)mg·kg-1，即使在磷质量分数普遍较低的紫色土中也属于较低水平，属于磷素缺乏较为严重的土壤。人工林中土壤全钾和速效钾质量分数总体以油茶林最高，杉木林其次，马尾松林较差，阔叶林显著高于3类人工林。阔叶林树种丰富，林木根系以及土壤微生物不断向土壤分泌各类有机酸、酚和酶，促进着紫色土中具有丰富钾元素的次生黏土矿物不断分解风化，加速了无效态钾释放转化为有效态钾。值得注意的是，大量研究表明，阔叶林具有较强的养分循环和富集功能，对于土壤改良作用更佳[34-35]，但本研究中的阔叶林土壤质量并不优于油茶林，可能是由于阔叶林结构复杂，生长旺盛，从而消耗更多养分。此外，陈冬林[31]的研究发现，油茶林林下具有大量的芒萁形成植物篱笆，在防止土壤侵蚀和养分流失等方面效果强于次生阔叶林[36-37]，对于易受侵蚀、养分冲刷强烈的紫色土丘陵地区而言，这可能是导致油茶林土壤质量高于阔叶林的另一原因。

土壤酶是土壤物质和能量转移过程的直接参与者，其活性高低反映着土壤养分的转化代谢强度，其中土壤蔗糖酶直接参与土壤碳素循环，而脲酶和酸性磷酸酶则直接参与土壤中氮磷有机化合物的转化。从表5可知，土壤氮磷钾质量分数均与蔗糖酶活性具有显著相关性，可知人工林土壤养分的运转均需借助碳素作为载体。4种酶活性与土壤有机质质量分数均呈极显著正相关，具有较高有机质积累的土壤能够为酶促反应提供充足的基质来源。

5 结论

本研究中，土壤质量得分排序由高到低为油茶中龄林(0.389)、阔叶林(0.358)、马尾松中龄林(0.215)、油茶成熟林(0.174)、杉木中龄林(0.095)、油茶幼龄林(0.002)、马尾松成熟林(-0.113)、杉木成熟林(-0.432)、马尾松幼龄林(-0.689)，可见油茶林土壤质量较高。油茶林是紫色土区山地最重要的经济林树种之一，耐瘠薄性强，成林后可显著提高地表覆盖率，减少水土流失。就本研究结果看，可将油茶作为中亚热带紫色土丘陵区的主要人工林造林树种，以达到经济与生态双赢的效果。杉木和马尾松人工林树种单一，具有相同的营养结构和养分吸收特性，凋落物分解缓慢，不利于养分的矿化和积累。紫色土丘陵区人工林营造或改造现存林分时，应充分考虑土壤质量，推广桤木(Alnuscremastogyne)、台湾相思(Acaciaconfusa)等固氮树种，适当移针补阔，营造混交林模式。同时注重林下植被的抚育，形成乔-灌-草的复合人工林结构，从而改善整体的土壤质量状况。此外该区域土壤结构差，保水保肥能力弱，紫色土土层单薄，应避免深翻造成更为严重地水土流失，宜采用增加植被覆盖度，施加肥料等土壤管理措施改善土壤结构。本研究区的人工林植被对于土壤氮质量分数均有着提升效果，但该区域紫色土氮质量分数仍普遍偏低，而磷更是制约该区域土壤质量提升的重要因素。本研究表明，土壤质量与有机质质量分数密切相关，因此选择施肥类型时应以施有机肥、补充氮磷元素为主。同时由于林分进入成熟期时土壤质量有所下降，还应适时追肥。