广西国有派阳山林场桉树人工林土壤肥力质量评价

2022-12-05黄彩枝魏国余

西南农业学报 2022年9期

张智，安冰，付军，黄彩枝，陈虎，魏国余

(1.广西国有派阳山林场，广西宁明 532502；2.广西林业科学研究院国家林业局马尾松工程技术研究中心/广西马尾松工程技术研究中心,南宁 530002)

【研究意义】土壤是林业生产的基础[1]，在大面积速生人工林培育过程中由于掠夺式经营和不合理使用农药和化肥，已导致林地土壤酸化、沙化、退化和污染，且其地力逐年下降，致使林地生产力难以维持[2]。广西国有派阳山林场(以下简称派阳山林场)地处广西十万大山余脉，属于桂南南亚热带赤红壤地带，现有林地经营面积3.5×104hm2，森林蓄积量289.0×104m3，森林覆盖率88.1%；2013—2019年，速生桉更新造林累计10479.20 hm2，现有桉树人工林14527.62 hm2，蓄积量约146.3×104m3，分别占用材林总量的47.3%和46.2%。大面积桉树人工林培育是否引起土壤退化和土壤肥力下降已受到高度关注，因此全面调查分析派阳山林场森林的土壤肥力水平和养分丰缺状况，对广西各林区合理利用林地资源及充分发挥地区资源优势具有重要意义。【前人研究进展】建立森林土壤养分数据库，监测和分析森林土壤基础数据与空间数据[3]，探究人工林培育过程中的肥力需求状况，研发及推广专用配方肥[4]，进一步改善人工林地力，充分发挥林地生产力并为林地的可持续发展提供科学依据[5]，是当前林业发展迫在眉睫的研究课题。精准施肥是桉树精细化种植的核心内容之一，目标是实现经济、环境和资源等综合效益最大化[6-7]。目前，应用较广泛的土壤肥力评价方法包括灰色关联度法、主成分分析(PCA)法和内梅罗指数法等[8]。其中，主成分分析法是一种合理、实用、科学的土壤肥力评价方法，其优势是能客观确定变量权数，避免主观随意性[9]，在环境脆弱性评价、水土保持功能评价和土壤肥力质量评价等方面应用广泛且评价结果合理[10]。唐健等[11]研究表明，桉树长期连栽使得广西桉树人工林土壤呈酸化趋势，土壤pH下降4.14%，有机质、碱解氮、全磷和速效钾含量均显著下降。黄海娟[12]研究结果显示，桉树人工林土壤肥力质量整体不高，管理与施肥过程中应注意磷、钾、铜和硼元素的补充。石媛媛等[13]研究发现，广西南亚热带地区土壤黏重板结，土壤养分含量低，林木粗放经营会加剧水土流失和土地生产力下降。赵隽宇等[14]研究表明，人工林长期连栽易导致土壤中部分养分元素严重缺失，而探究人工林土壤肥力演变和测土配方施肥技术，对解决广西人工林地力衰退、林分生产力下降、病虫害增多等实际生产经营问题具有重要意义。孙树晴等[15]研究认为，橡胶林施入足够的肥料辅与科学的田间管理措施，才能促进微生物活动将土壤养分转化为橡胶树生长发育所需营养。明雪等[16]研究指出，广西南亚热带地区雨热同季，淋溶作用强，导致土壤pH持续升高，且土壤pH与有机质含量呈极显著正相关。【本研究切入点】目前，针对广西南亚热带赤红壤地带桉树人工林土壤肥力评价和演变的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用2019—2021年派阳山林场土壤数据库的土壤调查数据，分析其8个分场桉树人工林的土壤容重、pH及有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和微量元素有效铜、有效锌、有效锰、有效铁、有效硼含量等丰缺状况，并利用主成分分析法综合评价不同区域桉树人工林的土壤肥力等级，为桉树人工林的精准施肥提供数据支撑，为广西全区尤其是大型国有林场合理利用林地资源及充分发挥地区资源优势提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

派阳山林场地处桂南南亚热带赤红壤地带，境内多低丘和高丘，一般海拔在200～600 m，林地土壤主要成土母岩为砂岩、砂页岩、泥岩和紫色页(砂)岩，地带性代表土壤为砖红壤性红壤(赤红壤)，在垂直带上分布有山地红壤(包括黄红壤)和山地黄壤。林地土壤质地多为壤土和粘壤土，土层厚度以厚层土(>80 cm)为主，占92.0%；受气候和环境条件影响，林地多数土壤也表现出富铝化土壤成土过程的特征。

全场8个分场林地经营面积2.8万hm2的地域内的土壤分为赤红壤(砖红壤性红壤)、山地红壤(含黄红壤)、山地黄壤和紫色土4种土壤类型。其中，赤红壤是林场的主要土壤类型，各分场均有分布，面积占比较大，其表土层(腐殖质层)呈紫棕和灰棕色，心土层(淀积层)呈黄棕和棕红色，土壤结构为粒状和小块状，层次过度明显，土体较紧实，质地为中壤至重壤土，土壤养分中等；山地红壤(含黄红壤)主要分布在鸿鸪、公武和岑勒等分场，土层深厚，表土层(腐殖质层)呈棕色、灰棕色，心土层呈棕红色；山地黄壤仅见于南部公武分场的公母山和东部墨格岭海拔800 m以上区域，约占全场林地总面积的1.24%，其表土层较浅薄，颜色呈暗棕色或黑棕色，心土层呈黄色或淡棕黄色，土壤结构为粒状和块状，质地为中壤至轻粘土，林木生长困难；紫色土主要分布于那赖、念克、公武分场，海拔均在500 m以下，占全场林地总面积的0.95%，以紫色为基本色调，土壤剖面上下呈色较均一，土层较浅薄，厚度为薄至中土，多为团状或块状结构、质地松至稍紧，为中壤至重壤，土壤肥力总体较低。

1.2 数据来源

从广西林业科学研究院新型肥料研发中心开发的“广西国有派阳山林场林地土壤数据库”中提取2019—2021年派阳山林场桉树人工林土壤数据，共350个样点，4000个养分指标。该数据库建设于2014年，采用网格化布点方法在派阳山林场共布设土壤样点450个，采集样品6368个。其土样为以S形取样法采集的0～20和20～40 cm土壤，釆集时剔除侵入物，土样混合后经四分法收集1.0 kg土壤自然风干，做好标记后装入密封袋备检[12]。气象数据从中国科学院资源科学与数据中心下载，利用反向距离加权平均法，内插出全区空间分辨率为500 m×500 m的空间分布数据集，采用其年均降水量(mm)、气温(℃)和>10 ℃积温(℃)数据。

1.3 分析项目及方法

主要肥力评价指标包括土壤容重、土壤总孔隙度和土壤毛管持水量3项物理性质指标和土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾和交换性钙、镁、硼、铜、锌含量等13项化学性质指标，均参照全国第二次土壤普查养分分级标准[13]的评价指标进行评价。

1.4 统计分析

采用Excel 2016进行数据整理和制表，以SPSS 17.0 进行方差分析和主成分分析，使用ArcGIS 10.2制图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质分析

土壤检测结果(表1)表明，派阳山林场桉树人工林的土壤容重平均为1.37 g/cm3，土壤总孔隙度平均为46.72%，土壤毛管持水量平均为17.64%～54.95%。土壤pH为3.80～5.98，平均为4.77，呈酸性；有机质含量平均为20.07 g/kg，属三级水平；全氮含量平均为0.82 g/kg，碱解氮含量平均为69.09 mg/kg，均属于四级水平；全磷含量平均为0.21 g/kg，有效磷含量平均为3.98 mg/kg，分别属于四级和五级水平；全钾含量平均为8.29 g/kg，速效钾含量平均为61.88 mg/kg，均属于四级水平。全氮、全钾、全磷、碱解氮和速效钾含量均低于三级中等水平，属于较缺乏等级，有效磷含量属于缺乏等级。

表1 派阳山林场桉树人工林的土壤养分情况

2.2 派阳山林场桉树人工林土壤养分综合质量评价

中国科学院资源科学与数据中心气象数据提取结果显示，派阳山林场年均气温21.92 ℃、>10 ℃积温7892.36 ℃，年均降水量1656.45 mm，气候类型结合土壤类型表现出高温、高湿、高酸及中肥特性。从表1可看出，林场桉树人工林土壤总体偏紧实，透水性、透气性、导热性和紧实度中等，多数林地土壤具有较强的持水性能；除有机质和有效铜含量处于三级水平、有效磷和有效硼含量处于五级缺乏水平外，其他养分含量均处于四级较缺乏水平。

2.3 派阳山林场辖属分场桉树人工林的土壤养分等级划分

相关分析结果(表2)表明，有机质、全氮和碱解氮含量间的相关系数均大于0.750，相互间呈极显著正相关(P<0.01，下同)；速效磷含量与其他指标间均呈负相关，其中与有机质、全氮和碱解氮含量呈极显著负相关，与全钾含量呈显著负相关(P<0.05)，说明通过调整有机质、全氮和碱解氮含量可有效调控速效磷含量。

表2 派阳山林场桉树人工林主要土壤养分含量的相关系数矩阵

根据派阳山林场的分场区划，分别提取各分场2019—2021年桉树中小径材工业原料林主要土壤养分含量均值(表3)进行主成分分析。经巴特利特(Bartlett)检验，KMO检验(Kaiser-Meyer-Olkin)值为0.783，说明该数据较适合用于主成分分析。

表3 派阳山林场各分场桉树人工林主要土壤养分含量的平均值对比

根据主成分分析结果(表4)，按照特征值>1.000为提取主成分最有利原则提取的2个主成分特征根λ1=3.954、λ2=1.245，其方差贡献率分别为65.903%和20.745%，累积贡献率为86.647%，说明提取的2个主成分包括了原始数据86.647%的信息，可代表原始数据信息。各主成分的线性函数表达式为：

F1=0.245X1+0.239X2+0.225X3-0.045X4-0.223X5+0.182X6

F2=-0.090X1+0.180X2+0.024X3+0.758X4-0.293X5-0.318X6

将标准化处理的土壤养分指标数据代入上式，计算各区域得分(F1和F2)，再根据公式获得函数表达式(F综)，求得各分场土壤肥力的综合得分F综(表5)。

公式F=ΣzjFj=z1F1+z2F2+z3F3+…+zkFk(z为贡献率，k表示F1、F2、......，直到第n个F)

表达式F综=0.65903F1+0.20745F2

从表5可以看出，派阳山林场各分场桉树中小径材工业原料林的土壤肥力综合得分排序为浦城分场>公武分场>岑勒分场>北山分场>念克分场>鸿鸪分场>大王山分场>那赖分场；与表1中全场桉树人工林土壤养分指标平均值对比，浦城分场的有机质、全氮和碱解氮含量较高，公武分场的全氮和全磷含量较高，岑勒分场的各项指标与全场桉树人工林相应指标的平均值持平，其他分场的各项指标均低于全场桉树人工林相应指标的平均值。

表4 解释的总方差及各主成分得分

表5 派阳山林场不同分场土壤养分的主成分得分及综合得分

在2021年派阳山林场的各分场中，公武分场、那赖分场和鸿鸪分场的桉树中小径材工业原料林培育面积和蓄积量排名前三位(表6)，其中，该3个分场的桉树中小径材工业原料林培育面积分别占全场总培育面积的30.55%、16.59%和14.32%，蓄积量分别占全场总蓄积量的28.00%、18.67%和16.08%，土壤等级分别为第2、第8和第6，而大王山分场的桉树中小径材工业原料林培育面积和蓄积量均最低，仅分别占全场培育面积和蓄积量总量的2.51%和2.99%，土壤等级为第7。说明桉树中小径材工业原料林培育未科学考量土壤养分情况，没有依从适地适树的培育原则。

表6 派阳山林场不同分场桉树中小径材工业原料林培育面积和蓄积量比较

此外，除土壤肥力排名前三位的浦城、公武和岑勒分场(表5)外，其他5个分场桉树中小径材工业原料林培育面积和蓄积量分别占全场50.06%和53.07%(表6)，其主要土壤肥力指标均低于表1中的全场桉树人工林相应指标的平均值，说明以培育小径材为主的纸浆材林和人造板原料林的土壤主要养分含量均较低，其中全磷含量低于或等于0.20 g/kg(表3)，根据全国第二次土壤普查养分分级标准处于六级最低等次，为极度缺磷水平。说明桉树速生阶段对土壤肥力要求高，中小径材培育模式更易引起土壤肥力衰退。

3 讨论

本研究结果表明，派阳山林场主要土壤质地为黏壤土和壤土，林地土体较紧实，透水性、透气性、导热性中等，呈酸性至强酸性，有机质和有效铜含量属三级(中等)水平，全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、交换性镁和交换性钙含量均属于四级(中等)水平，有效磷和有效硼含量属于五级(较低)水平，土壤类型结合气候类型表现出高温、高湿、高酸及中肥特性。

根据唐健等[11]的研究结果，土壤pH低于6.0时，磷酸和钙或铁、铝形成迟效态，有效性降低，导致土壤养分中的钙、镁和钾易代换和易淋失；土壤微生物适宜的pH为6.5～7.5，酸性会抑制土壤微生物活动，从而影响氮素及其他养分的转化和供应。明雪等[16]、曹丹等[17]研究表明，土壤pH与有机质含量呈显著负相关，有效调整土壤pH对防治土壤逐年酸化具有重要意义。除了受母质类型影响外，在强酸性的林地土壤中，较多的铁、铝离子经过与磷结合后容易形成难溶的磷酸铁、磷酸铝，从而导致磷素失去有效性。本研究中，派阳山林场所在地雨热同季、高温多雨的气候特征使得其土壤淋溶作用强烈，盐基离子易被氢离子取代形成盐基不饱和土壤，导致土壤呈酸性甚至强酸性。针对本研究中桉树人工林的气候特征和土壤特性，加大有机肥投入，提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质，可减少其交换性铝离子含量，缓解土壤酸化，有效减少养分流失，提升林地土壤肥力[18-20]。刘永贤等[21]研究表明，全氮含量取决于有机质的生物积累和水解作用，碱解氮含量取决于有机质含量和质量，有机质含量越丰富，熟化程度越高，全氮和碱解氮含量就越高，反之则越低。唐健等[11]研究表明，长期高强度的桉树人工林粗放经营方式对广西桉树主产区土壤肥力演变具有明显的负效应，土壤酸化趋势明显，有机质、碱解氮和速效钾等养分含量显著下降，磷含量出现极度缺乏的现象。因此，在桉树人工林经营中重视利用测土配方施肥技术培育桉树大径材林，是实现桉树可持续经营的有效途径。

本研究中，派阳山林场中小径材工业原料林面积占桉树人工林总面积的大部分，中小径材工业原料林土壤主要养分含量总体上较桉树人工林土壤明显下降，磷元素含量出现极度缺乏现象，与刘永贤等[20]对广西其他工业林主产区土壤肥力演变特征的研究结果一致。赵隽宇等[14]研究认为，在亚热带红壤地带缺磷富铝的酸性土壤中，磷以Al-P、Fe-P和Ca-P 等无机形态为主，桉树可吸收利用的有效态偏少，中小径材林培育模式下磷含量不足进一步加剧。刘永贤等[21]、许宇星等[22]研究结果表明，桂南地区雨季时间长，暴雨较多，土壤有机质积累缓慢，土壤养分流失速度快，本研究也得到相似的结果。谭宏伟等[23]研究认为，桉树速生阶段对土壤肥力要求高，中小径材培育模式更容易引起土壤肥力衰退，本研究结果与其相似。

本研究仅依据测定的16项理化性质指标进行桉树人工林土壤质量评价，缺乏对生物学和生态学指标的评价内容，也未将微生物群落多样性、酶活性、人工林地中的林下植被多样性等纳入评价体系，因此存在一定的局限性[24-26]。在今后的研究中，应进一步探究派阳山林场各区域其他主要造林树种、乡土树种及不同栽培模式对土壤肥力的影响，从而得到更准确的土壤肥力演变特征和质量评价结果。