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南亚热带杉木人工成熟林密度对土壤养分效应研究

胡小燕 段爱国 张建国 杜海伦 张雄清 郭文福 郭光智

引用本文:
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南亚热带杉木人工成熟林密度对土壤养分效应研究

    作者简介: 胡小燕, 硕士研究生.主要研究方向:人工林定向培育.E-mail:18235444042@163.com.
    通讯作者: 段爱国, duanag@caf.ac.cn
  • 基金项目:

    国家"十二五"科技计划课题"杉木速生丰产林定向培育技术研究 2015BAD09B0101

    国家自然科学基金面上项目 31570619

    国家"十三五"重点研发计划课题"杉木速生材高效培育技术研究 2016YFD0600302

  • 中图分类号: S714; S791.27

Effect of Stand Density on Soil Nutrient of Chinese Fir Mature Plantations in South Asia Subtropical Zone

    Corresponding author: DUAN Ai-guo, duanag@caf.ac.cn ;
  • CLC number: S714; S791.27

  • 摘要: 目的 研究5种不同密度林分土壤剖面养分含量的变化规律。 方法 以广西大青山37年生杉木密度试验林为研究对象,测定了A(1 667株·hm-2)、B(3 333株·hm-2)、C(5 000株·hm-2)、D(6 667株·hm-2)、E(10 000株·hm-2)5种密度下0 100 cm土层土壤养分含量。利用单因素方差分析和多重比较判断不同密度和不同土层土壤养分含量的差异。 结果 表明:(1)杉木人工成熟林大多数土层土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效性铁含量在A、B等低密度林分中最高,并且在0~30 cm的土壤中,随密度的增加表现出总体下降的变化趋势,而土壤pH值与全钾、速效钾随密度的增加而上升,交换性钙与交换性镁含量受密度影响不明显;(2)土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁和有效性铁含量均随土层深度的增加而明显下降,0~30 cm表层土壤的降幅较大,密度对不同土壤深度养分含量的变化具有一定影响。 结论 初植密度对杉木人工成熟林土壤养分含量影响明显,低初植密度更有利于杉木人工林土壤肥力的长期维持,南亚热带杉木林密度对土壤养分的影响深度可达60 cm。
  • 表 1  杉木密度试验林样地基本情况

    Table 1.  Basic state of Chinese Fir plantations with different planting densities

    区组
    Plots
    初植密度
    Planting density/(tree·hm-2)
    林分密度
    Stand density/(tree·hm-2)
    林分年龄
    Stand age/a
    平均胸径
    Mean DBH/cm
    平均树高
    Mean tree height/m
    优势木树高
    DTH/m
    林下植被生物量
    Understory biomass/(t·hm-2)
    A 1 667 1 044 36 19.76 18.82 15.70 9.76
    B 3 333 1 428 36 17.26 18.08 15.09 13.56
    C 5 000 1 533 36 16.28 16.95 14.16 9.71
    D 6 667 1 511 36 17.61 18.93 16.01 8.11
    E 10 000 1 356 36 15.67 16.69 14.56 8.05
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    表 2  不同密度下各层土壤的pH值

    Table 2.  Soil pH in different layers under different stand densities

    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 3.54±0.19Db 3.77±0.13Ca 3.74±0.11Ca 3.80±0.07Da 3.86±0.06Ca
    10~20 3.58±0.17CDc 3.79±0.10Cab 3.75±0.11Cb 3.85±0.06CDab 3.87±0.05BCa
    20~30 3.60±0.16CDc 3.77±0.10Cb 3.77±0.10Cb 3.86±0.09CDab 3.89±0.07ABCa
    30~40 3.62±0.17CDc 3.79±0.10Cab 3.76±0.10Cb 3.85±0.08CDab 3.89±0.08ABCa
    40~50 3.63±0.18CDb 3.79±0.09Ca 3.79±0.10BCa 3.85±0.10CDa 3.90±0.09ABCa
    50~60 3.66±0.17CDb 3.83±0.07Ca 3.80±0.11BCa 3.86±0.10CDa 3.91±0.12ABCa
    60~70 3.73±0.15ABb 3.87±0.07ABCa 3.85±0.11BCa 3.92±0.13ABCDa 3.93±0.12ABCa
    70~80 3.81±0.14ABb 3.92±0.06ABab 3.89±0.10ABab 3.96±0.14ABCa 3.95±0.12ABCa
    80~90 3.84±0.17Ab 3.94±0.08ABab 3.91±0.10Aab 3.97±0.15ABa 3.97±0.11ABa
    90~100 3.82±0.15ABb 3.94±0.09Aab 3.92±0.09Aab 3.99±0.16Aa 3.99±0.12Aa
    注:表中数字为平均值±标准差;同行不同小写字母表示不同密度间差异显著(P < 0.05);同列不同大写表示不同土层间差异显著(P < 0.05);下同。
    Notes: The figures in the table are average ± standard deviation. Different lowercase letters in the same line indicated significant differences among different densities at 0.05 level, and different capital letters of the same density in the same column indicated significant differences among different soil layers at 0.05 level, The same below.
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    表 3  不同密度下各层土壤有机质含量

    Table 3.  Soil organic matter in different layers under different stand densities

    g·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 42.91±4.68Aa 41.21±4.92Aa 38.82±5.39Aa 37.17±5.23Ab 38.68±6.49Aa
    10~20 29.98±4.70Ba 32.23±7.81Ba 29.09±7.61Ba 25.75±6.99Ba 28.04±3.85Ba
    20~30 21.70±3.25Ca 22.16±5.42Ca 20.06±4.42Ca 21.11±6.78Ca 21.49±4.62Ca
    30~40 17.96±2.25Da 17.11±2.94Da 18.69±4.46Ca 15.88±4.01Da 17.09±2.06Da
    40~50 16.27±3.43Da 14.47±1.83DEa 14.13±2.10Da 14.01±2.06DEa 16.55±4.13Da
    50~60 15.49±4.70DEa 13.00±1.90DEa 14.01±2.98Da 12.61±1.49DEFa 14.26±2.66DEa
    60~70 12.61±2.39EFa 12.00±1.98Ea 13.70±4.53Da 12.12±2.03DEFa 12.43±0.80EFa
    70~80 11.95±2.37Fa 11.26±1.65Ea 11.61±1.64Da 10.86±1.60EFa 10.97±0.61Fa
    80~90 11.04±1.93Fa 9.91±0.78Eab 11.13±1.07Da 9.64±1.34Fb 10.75±1.13Fab
    90~100 10.14±1.66Fa 10.05±2.77Ea 9.98±1.14Da 10.57±1.84EFa 9.51±0.96Fa
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    表 4  不同密度下各层土壤的全氮含量

    Table 4.  Soil total N in different layers under different stand densities

    g·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 1.51±0.18Aa 1.38±0.15Aa 1.33±0.20Aa 1.35±0.19Aa 1.44±0.23Aa
    10~20 1.10±0.14Ba 1.12±0.17Ba 1.06±0.21Ba 1.00±0.19Ba 1.08±0.13Ba
    20~30 0.91±0.14Ca 0.88±0.16Ca 0.80±0.13Ca 0.84±0.18Ca 0.87±0.08Ca
    30~40 0.77±0.07Da 0.74±0.10Da 0.76±0.16DCa 0.72±0.11Da 0.75±0.06Da
    40~50 0.72±0.09DEa 0.66±0.07DEFab 0.63±0.09DEFb 0.66±0.07DEab 0.72±0.09Da
    50~60 0.72±0.13DEa 0.68±0.10DEa 0.65±0.14DEa 0.65±0.07DEa 0.70±0.07Da
    60~70 0.62±0.09EFa 0.58±0.09EFa 0.65±0.19DEa 0.64±0.07DEa 0.65±0.06DEa
    70~80 0.62±0.07EFa 0.55±0.08EFb 0.56±0.03EFab 0.61±0.08DEab 0.58±0.05Eab
    80~90 0.51±0.07Fab 0.49±0.09EFb 0.55±0.07EFab 0.59±0.07Ea 0.57±0.05Ea
    90~100 0.61±0.16EFa 0.53±0.12Fa 0.50±0.06Fa 0.60±0.07DEa 0.54±0.06Ea
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    表 5  不同密度下各层土壤的碱解氮含量

    Table 5.  Soil available N in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 145.38±15.50Aa 147.42±26.96Aa 138.07±13.16Aa 134.58±20.79Aa 135.85±12.28Aa
    1020 109.79±12.30Ba 116.33±20.57Ba 110.99±20.53Ba 103.68±17.76Ba 104.13±15.72Ba
    20~30 88.93±9.93Ca 86.20±12.00Ca 86.46±14.52Ca 87.73±20.32Ca 85.69±13.72Ca
    30~40 76.09±14.00Da 79.14±17.50CDa 75.20±7.37CDa 74.00±9.52Da 77.94±14.03CDa
    40~50 72.34±11.87DEa 69.93±8.73DEa 68.34±10.60DEa 67.77±4.75DEa 71.90±13.72DEa
    50~60 67.64±13.00DEFa 64.84±8.69DEa 64.97±11.71DEFa 60.58±3.95Ea 64.08±12.29EFa
    60~70 62.30±11.07EFa 62.55±5.88Ea 64.14±16.75DEFa 65.10±6.12DEa 61.73±7.90EFa
    70~80 58.80±8.42Fa 57.79±9.55Ea 59.76±10.33EFa 63.76±9.90DEa 56.89±10.60Fa
    80~90 60.52±13.23EFa 53.14±6.10Ea 57.15±8.07EFa 59.50±8.51Ea 55.75±8.53Fa
    90~100 58.10±5.24Fa 54.61±12.03Ea 52.32±6.83Fa 56.96±6.86Ea 51.68±8.38Fa
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    表 6  不同密度下各层土壤的全磷含量

    Table 6.  Soil total P in different layers under different stand densities

    g·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 0.30±0.02Aa 0.29±0.03Aa 0.25±0.01Abc 0.28±0.03Aab 0.26±0.03Ab
    10~20 0.26±0.03Ba 0.26±0.04ABa 0.23±0.01ABb 0.26±0.03ABa 0.23±0.01ABb
    20~30 0.25±0.03Ba 0.25±0.05ABa 0.22±0.01ABb 0.24±0.04Bab 0.21±0.02BCb
    30~40 0.25±0.02Ba 0.24±0.04Babc 0.21±0.01Bbc 0.24±0.04Bab 0.21±0.02BCc
    40~50 0.25±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.23±0.04Babc 0.21±0.02BCbc
    50~60 0.25±0.02Ba 0.24±0.04Babc 0.21±0.01Bc 0.24±0.04Bab 0.21±0.02Cbc
    60~70 0.24±0.03Ba 0.23±0.04Ba 0.23±0.09ABa 0.25±0.04ABa 0.21±0.02Ca
    70~80 0.24±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.24±0.04Ba 0.21±0.03Cbc
    80~90 0.24±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.23±0.04Bab 0.20±0.02Cbc
    90~100 0.24±0.03Ba 0.23±0.04Ba 0.20±0.01Bb 0.24±0.04Ba 0.20±0.02Cb
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    表 7  不同密度下各层土壤有效磷含量

    Table 7.  Soil available P in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 2.29±0.82Aa 1.89±0.66Aa 2.21±0.81Aa 1.58±0.70Aa 1.88±0.55Aa
    10~20 0.82±0.34Bab 1.04±0.35Bab 1.30±0.83Ba 0.73±0.35Bb 1.02±0.31Bab
    20~30 0.63±0.24Ca 0.56±0.16Ca 0.78±0.48Ca 0.49±0.26BCa 0.72±0.26Ca
    30~40 0.46±0.19CDab 0.37±0.07CDb 0.66±0.45Ca 0.38±0.16CDb 0.52±0.14CDab
    40~50 0.32±0.14Db 0.37±0.09CDab 0.53±0.26Ca 0.28±0.08CDb 0.43±0.18DEab
    50~60 0.30±0.19Db 0.26±0.08Db 0.56±0.34Ca 0.19±0.05Db 0.40±0.24DEab
    60~70 0.26±0.08Db 0.28±0.08Db 0.50±0.39Ca 0.20±0.08Db 0.32±0.08DEb
    70~80 0.21±0.09Db 0.19±0.07Db 0.44±0.25Ca 0.19±0.07Db 0.31±0.06DEb
    80~90 0.24±0.14Dab 0.18±0.05Db 0.38±0.32Ca 0.19±0.07Db 0.33±0.08DEab
    90~100 0.18±0.08Db 0.27±0.14Dab 0.39±0.34Ca 0.21±0.10Dab 0.23±0.09Eab
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    表 8  不同密度下各层土壤的全钾含量

    Table 8.  Soil total K in different layers under different stand densities

    g·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 1.26±0.13Aa 0.93±0.18BCa 1.00±0.24Aa 1.49±0.96Aa 1.62±1.08Aa
    10~20 1.16±0.25Aab 0.91±0.15Cb 0.95±0.22Ab 1.56±0.88Aab 1.64±1.12Aa
    20~30 1.27±0.23Aab 0.95±0.16ABCb 1.02±0.24Aab 1.49±0.77Aab 1.66±1.19Aa
    30~40 1.30±0.28Aab 0.98±0.20ABCb 1.16±0.22Aab 1.59±0.82Aab 1.73±1.15Aa
    40~50 1.28±0.31Aab 1.01±0.22ABCb 1.15±0.25Aab 1.59±0.80Aa 1.48±0.44Aa
    50~60 1.34±0.25Aab 1.04±0.21ABCb 1.15±0.24Aab 1.55±0.73Aa 1.45±0.40Aab
    60~70 1.42±0.27Aab 1.06±0.18ABCb 1.16±0.26Ab 1.62±0.72Aab 1.87±1.21Aa
    70~80 1.32±0.26Aab 1.09±0.18ABCb 1.20±0.23Aab 1.63±0.77Aab 1.87±1.17Aa
    80~90 1.42±0.32Aa 1.16±0.23Aa 1.19±0.28Aa 1.62±0.81Aa 1.87±1.16Aa
    90~100 1.42±0.26Aab 1.14±0.23ABb 1.20±0.17Ab 1.64±0.74Aab 1.88±1.02Aa
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    表 9  不同密度下各层土壤的速效钾含量

    Table 9.  Soil available K in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 26.41±6.19Aa 23.72±6.44Aa 28.70±7.13Aa 30.06±11.45Aa 24.59±7.25Aa
    10~20 15.38±1.81Ba 18.04±5.63Ba 20.68±8.75Ba 19.72±7.70Ba 17.18±5.20Ba
    20~30 11.88±1.56Cb 11.87±2.48Cb 14.61±5.09Cab 18.91±7.28Ba 14.57±6.60BCab
    30~40 10.70±1.75CDb 9.44±1.08CDb 12.29±3.92CDab 14.81±6.53BCa 11.74±2.06CDab
    40~50 9.54±1.89CDab 8.19±0.93DEb 10.25±2.93CDEab 13.30±7.02BCa 10.09±2.42DEab
    50~60 8.96±2.86DEFab 7.70±1.01DEb 10.06±3.35CDEab 11.69±6.46BCa 9.84±2.81DEab
    60~70 7.81±1.21EFb 6.99±0.94DEb 9.83±3.22CDEab 14.73±9.35BCa 10.28±4.90DEab
    70~80 7.24±1.00EFb 6.69±0.89DEb 7.99±1.95DEb 14.46±7.24BCa 9.46±3.82DEb
    80~90 6.59±1.32Fb 6.09±0.75Eb 7.42±2.01Eb 10.53±5.76Ca 7.41±2.10DEb
    90~100 7.09±1.19EFb 6.11±1.26Eb 7.01±1.85Eb 10.29±5.52Ca 6.91±1.53Eb
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    表 10  不同密度下各层土壤的交换性钙含量

    Table 10.  Soil exchangeable Ca in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 61.65±17.80Aa 44.34±11.08Aa 60.82±29.79Aa 52.88±15.60Aa 46.87±12.69Aa
    10~20 42.71±10.34Ba 34.82±6.01ABa 38.73±17.27Ba 40.21±8.17Ba 36.08±9.55ABa
    20~30 36.83±17.78Ba 29.22±6.16Ba 34.63±14.19Ba 40.22±15.55Ba 32.34±11.71Ba
    30~40 38.66±11.38Ba 32.25±15.94Ba 36.06±18.45Ba 31.84±11.91Ba 32.83±14.61Ba
    40~50 33.85±9.46Ba 29.85±9.65Ba 29.81±12.18Ba 32.47±7.61Ba 37.10±22.24ABa
    50~60 33.89±6.61Ba 31.93±11.82Ba 31.08±10.19Ba 28.89±5.39Ba 29.12±11.53Ba
    60~70 37.34±19.68Ba 33.60±11.19Ba 36.22±17.44Ba 39.28±19.33Ba 29.28±9.31Ba
    70~80 35.29±16.02Ba 30.79±7.59Ba 29.04±11.54Ba 35.69±11.23Ba 27.01±9.73Ba
    80~90 28.80±2.86Ba 26.34±8.11Ba 27.88±10.99Ba 30.13±9.78Ba 26.14±13.13Ba
    90~100 32.68±9.11Ba 29.30±12.75Ba 27.97±10.69Ba 32.01±10.84Ba 26.08±5.79Ba
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    表 11  不同密度下各层土壤的交换性镁含量

    Table 11.  Soil exchangeable Mg in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 7.89±1.21Aa 6.82±1.79Aa 7.77±1.36Aa 7.76±2.6Aa 6.27±1.01Aa
    10~20 5.20±1.04Ba 4.72±0.56Ba 5.60±2.14Ba 5.00±1.50Ba 4.92±2.01ABa
    20~30 4.17±1.06CDa 3.77±0.61BCa 4.41±1.15BCa 4.56±2.01Ba 3.76±1.09BCa
    30~40 4.31±0.80Ca 3.64±1.04BCa 4.48±1.87BCa 3.68±1.90Ba 4.11±2.36BCa
    40~50 3.63±0.51CDa 3.34±0.90Ca 3.87±1.21Ca 3.74±1.20Ba 3.93±1.77BCa
    50~60 3.79±0.67CDa 3.87±1.06BCa 4.43±1.25BCa 3.44±1.40Ba 4.01±1.36BCa
    60~70 3.94±1.30CDa 4.13±1.59BCa 4.82±1.74BCa 3.90±1.27Ba 3.84±1.22BCa
    70~80 3.76±0.98CDa 3.76±1.40BCa 4.23±1.44BCa 4.46±1.78Ba 3.62±1.56BCa
    80~90 3.23±0.33Da 3.11±0.90BCa 3.96±1.37Ca 3.53±1.25Ba 3.06±1.32Ca
    90~100 3.35±0.62CDa 3.35±1.57Ca 3.78±1.06Ca 3.84±1.63Ba 3.09±0.94Ca
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    表 12  不同密度下各层土壤的有效性铁含量

    Table 12.  Soil available Fe in different layers under different stand densities

    mg·kg-1
    土层
    Soil layers/cm
    初植密度Planting density/(tree·hm-2)
    A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
    0~10 108.21±19.33Aa 80.52±17.12Ab 101.91±25.01Aab 93.76±37.43Aab 80.59±25.39Ab
    10~20 65.02±15.99Ba 52.88±18.60Ba 63.68±22.51Ba 50.67±17.13Ba 49.39±21.38Ba
    20~30 30.73±13.34Ca 26.99±15.43Ca 29.17±14.31Ca 27.86±12.14Ca 28.07±15.66Ca
    30~40 16.39±8.23Da 15.43±11.35CDa 15.71±5.39Da 16.63±6.31CDa 17.31±11.24CDa
    40~50 12.14±7.41DEa 9.21±4.34Da 9.17±2.89Da 10.10±2.40Da 11.71±8.29Da
    50~60 11.09±11.83DEa 6.21±2.35Da 8.32±4.98Da 6.49±1.41Da 9.20±5.79Da
    60~70 5.50±2.36Ea 4.72±1.33Da 8.56±8.53Da 5.91±1.77Da 7.21±4.65Da
    70~80 5.32±3.10Ea 4.06±0.89Da 5.03±1.18Da 5.30±1.79Da 5.42±3.40Da
    80~90 4.12±1.85Ea 2.99±0.77Da 4.46±1.33Da 4.33±1.32Da 5.43±4.43Da
    90~100 3.50±1.14Ea 2.87±1.54Da 3.67±0.79Da 4.13±1.11Da 4.20±2.80Da
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    表 13  土壤养分与林分密度的相关性系数

    Table 13.  the correlation analysis of soil nutrition and density

    pH 有机质 全氮 全磷 全钾 碱解氮 有效磷 速效钾 交换性钙 交换性镁 有效性铁 密度 土层
    pH 1
    有机质 -0.165** 1
    全氮 -0.107* 0.959** 1
    全磷 0.049 0.409** 0.438** 1
    全钾 0.301** -0.161** -0.110* 0.169** 1
    碱解氮 -0.102* 0.935** 0.914** 0.393** -0.104* 1
    有效磷 -0.103* 0.859** 0.837** 0.292** -0.178** 0.821** 1
    速效钾 0.003 0.728** 0.737** 0.442** 0.158** 0.769** 0.660** 1
    交换性钙 -0.042 0.402** 0.387** 0.307** 0.118* 0.491** 0.318** 0.532** 1
    交换性镁 0.003 0.597** 0.595** 0.219** 0.039 0.621** 0.565** 0.594** 0.701** 1
    有效性铁 -0.219** 0.915** 0.876** 0.355** -0.150** 0.896** 0.830** 0.700** 0.451** 0.572** 1
    密度 0.335** -0.048 -0.015 -0.257** 0.294** -0.040 0.000 0.142** -0.071 -0.013 -0.032 1
    土层 0.228** -0.822** -0.796** -0.328** 0.107* -0.798** -0.653** -0.649** -0.365** -0.467** -0.755** 0.000 1
    注:表中*和**分别表示相关系数达0.05和0.01水平。
    Note:The correlation coefficients of * and * * in the table are respectively 0.05 and 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-14
  • 刊出日期:  2018-06-01

南亚热带杉木人工成熟林密度对土壤养分效应研究

    通讯作者: 段爱国, duanag@caf.ac.cn
    作者简介: 胡小燕, 硕士研究生.主要研究方向:人工林定向培育.E-mail:18235444042@163.com
  • 1. 中国林业科学研究院林业研究所, 国家林业局林木培育重点实验室, 林木遗传育种国家重点实验室, 北京 100091
  • 2. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心, 江苏 南京 210037
  • 3. 中国林业科学研究院热带林业实验中心, 广西 凭祥 532600
  • 4. 山东潍坊市林业局, 山东 潍坊 261061
基金项目:  国家"十二五"科技计划课题"杉木速生丰产林定向培育技术研究 2015BAD09B0101国家自然科学基金面上项目 31570619国家"十三五"重点研发计划课题"杉木速生材高效培育技术研究 2016YFD0600302

摘要:  目的 研究5种不同密度林分土壤剖面养分含量的变化规律。 方法 以广西大青山37年生杉木密度试验林为研究对象,测定了A(1 667株·hm-2)、B(3 333株·hm-2)、C(5 000株·hm-2)、D(6 667株·hm-2)、E(10 000株·hm-2)5种密度下0 100 cm土层土壤养分含量。利用单因素方差分析和多重比较判断不同密度和不同土层土壤养分含量的差异。 结果 表明:(1)杉木人工成熟林大多数土层土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效性铁含量在A、B等低密度林分中最高,并且在0~30 cm的土壤中,随密度的增加表现出总体下降的变化趋势,而土壤pH值与全钾、速效钾随密度的增加而上升,交换性钙与交换性镁含量受密度影响不明显;(2)土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁和有效性铁含量均随土层深度的增加而明显下降,0~30 cm表层土壤的降幅较大,密度对不同土壤深度养分含量的变化具有一定影响。 结论 初植密度对杉木人工成熟林土壤养分含量影响明显,低初植密度更有利于杉木人工林土壤肥力的长期维持,南亚热带杉木林密度对土壤养分的影响深度可达60 cm。

English Abstract

  • 土壤是林木生长发育的基质,能够提供给植物大部分生命的必需元素,同时,林下植被以及凋落物的种类、数量都会影响土壤的理化性质和养分循环。杉木是我国南方重要针叶用材树种,分布遍及整个亚热带区域。杉木人工造林面积、蓄积已分别达8.5×106 hm2、6.2×108 m3,分别占我国人工乔木林面积、蓄积的21.4%和31.6% [1-2]。杉木凋落物养分含量低、分解速度慢,且枯枝落叶存在宿存特性,使其养分很难归还土壤[3-4],逐渐导致杉木人工林土壤物理性质变劣,功能衰退,土壤肥力下降。研究杉木人工林土壤养分变化规律对杉木林可持续经营意义重大。

    目前,杉木土壤养分研究主要集中在江西、福建等中亚热带地区[5-8],研究内容集中在连栽[9-10]、间伐强度[11-12]及不同发育阶段[13-14]杉木人工林土壤养分的变化,多关注中幼龄林,且大多为临时样地。对江西和福建不同林龄和栽植代数杉木人工林土壤性质的研究发现[3],2~3代的杉木林与1代相比,土壤功能总体是下降的,从幼林龄到中龄林,土壤的各种理化性质下降,直到近熟林土壤养分才回升,且不同发育阶段对连栽的影响略有差别,杉木中龄林的土壤随栽植代数的增加变得更加紧实,通透性变差,而对其他发育阶段的土壤通透性影响不显著[9]

    除遗传、立地控制外,密度控制作为国际工业人工林高效培育的第三大控制技术,具有人为可调控性,作用于林分群体结构及竞争态势,通过影响森林群落的光、热、水分等生态因子的分配,对凋落物的形成、林下植被的覆盖度及生物量产生影响,从而影响林地的土壤养分[3]。林分密度过高,林下植被覆盖度和生物量减少,同时土壤有机质、全N、全P、水解N、速效P等含量会显著下降[15-16]。通过间伐,适当降低林分密度,能够维护土壤肥力,提高林木的生长环境[17]。广西是我国杉木著名产区之一,但长期以来缺乏该地区杉木人工林密度对土壤养分效应的研究。鉴此,本文以广西凭祥市大青山37年生杉木密度试验林固定样地为研究对象,探究5种初植密度下杉木人工成熟林土壤养分的变化规律,为区域杉木人工林长期生产力维护提供参考。

    • 试验区位于中国林业科学研究院林业研究所于国家“六·五”科技攻关初期设置于我国南亚热带广西凭祥的大青山试验林场(106°43′ E,22°06′ N),海拔500 m;地貌主要为低山,坡度25°~30°;属北热带季风气候区,湿润半湿润气候;光热条件极好,降水充沛,但夏湿冬干,10月至次年3月为干季,4—9月为湿季;年平均气温19.9℃,年降水量1 400 mm,年蒸发量1 200 mm。土壤以发育在花岗岩等母质上的红壤为主,土层厚度大于1 m。林下植被主要有大沙叶(Pavetta arenosa Lour.)、桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa (Ait.) Hassk)、金毛狗脊(Cibotium barometz (L.) J. Sm.)和铁线蕨(Adiantum capillus-veneris L.)等。

    • 大青山杉木密度试验林于1982年春采用2年生苗营造,包括5种初植密度,分别为1 667、3 333、5 000、6 667、10 000株·hm-2(株行距分别为2 m×3 m、2 m×1.5 m、2 m×1 m、1 m×1.5 m、1 m×1 m,分别记为A、B、C、D、E)。采用随机区组排列,每个密度各重复3次(Al、A2、A3;B1、B2、B3;C1、C2、C3;Dl、D2、D3;El、E2、E3),共15个样地,每个样地面积为600 m2。不同密度杉木林分基本状况见表 1

      表 1  杉木密度试验林样地基本情况

      Table 1.  Basic state of Chinese Fir plantations with different planting densities

      区组
      Plots
      初植密度
      Planting density/(tree·hm-2)
      林分密度
      Stand density/(tree·hm-2)
      林分年龄
      Stand age/a
      平均胸径
      Mean DBH/cm
      平均树高
      Mean tree height/m
      优势木树高
      DTH/m
      林下植被生物量
      Understory biomass/(t·hm-2)
      A 1 667 1 044 36 19.76 18.82 15.70 9.76
      B 3 333 1 428 36 17.26 18.08 15.09 13.56
      C 5 000 1 533 36 16.28 16.95 14.16 9.71
      D 6 667 1 511 36 17.61 18.93 16.01 8.11
      E 10 000 1 356 36 15.67 16.69 14.56 8.05
    • 于2016年秋季杉木密度试验林达37年生时,在每个小区按“S”形选择3个土壤剖面, 共挖土壤剖面45个。每个土壤剖面深度为100 cm,分0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~70、70~80、80~90、90~100 cm取样。将样品带回实验室,风干,磨碎,过筛处理后,用于土壤养分各项指标测定。pH值采用电位计法测定(水土比2.5:1);有机质采用重铬酸钾外热缘法测定;全氮和碱解氮采用凯氏定氮法和扩散吸收法测定;全磷和有效磷采用NaOH碱溶—钼锑抗比色法和NaHCO3碱溶—钼锑抗比色法测定;全钾和速效钾采用火焰光度法测定;交换性钙、镁和铁采用原子吸收分光光度计法测定[18]

    • 采用Excel 2013和SPSS 17.0进行数据统计及分析。利用单因素方差分析和多重比较判断不同密度和不同土层土壤养分含量的差异。

    • 表 2可看出:密度对土壤剖面不同土层的pH值影响明显,总体表现为高密度林分的土壤pH值比低密度林分的高,且不同土层pH值随密度的变化趋势基本一致。在0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、60~70 cm土层内,A密度的土壤pH显著低于其它4种密度(P < 0.05),而B、C、D、E 4种密度土壤的pH值变化较小。

      表 2  不同密度下各层土壤的pH值

      Table 2.  Soil pH in different layers under different stand densities

      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 3.54±0.19Db 3.77±0.13Ca 3.74±0.11Ca 3.80±0.07Da 3.86±0.06Ca
      10~20 3.58±0.17CDc 3.79±0.10Cab 3.75±0.11Cb 3.85±0.06CDab 3.87±0.05BCa
      20~30 3.60±0.16CDc 3.77±0.10Cb 3.77±0.10Cb 3.86±0.09CDab 3.89±0.07ABCa
      30~40 3.62±0.17CDc 3.79±0.10Cab 3.76±0.10Cb 3.85±0.08CDab 3.89±0.08ABCa
      40~50 3.63±0.18CDb 3.79±0.09Ca 3.79±0.10BCa 3.85±0.10CDa 3.90±0.09ABCa
      50~60 3.66±0.17CDb 3.83±0.07Ca 3.80±0.11BCa 3.86±0.10CDa 3.91±0.12ABCa
      60~70 3.73±0.15ABb 3.87±0.07ABCa 3.85±0.11BCa 3.92±0.13ABCDa 3.93±0.12ABCa
      70~80 3.81±0.14ABb 3.92±0.06ABab 3.89±0.10ABab 3.96±0.14ABCa 3.95±0.12ABCa
      80~90 3.84±0.17Ab 3.94±0.08ABab 3.91±0.10Aab 3.97±0.15ABa 3.97±0.11ABa
      90~100 3.82±0.15ABb 3.94±0.09Aab 3.92±0.09Aab 3.99±0.16Aa 3.99±0.12Aa
      注:表中数字为平均值±标准差;同行不同小写字母表示不同密度间差异显著(P < 0.05);同列不同大写表示不同土层间差异显著(P < 0.05);下同。
      Notes: The figures in the table are average ± standard deviation. Different lowercase letters in the same line indicated significant differences among different densities at 0.05 level, and different capital letters of the same density in the same column indicated significant differences among different soil layers at 0.05 level, The same below.

      15块样地1 m深土壤剖面的pH值为3.54~3.99,且随土壤深度的增加呈显著上升的趋势;不同密度下,不同土层的pH值存在一定的差异,其中,A密度下,0~60 cm各土层的pH值差异不显著,但与60 cm以下土层的pH值差异显著;B、C、D密度下,0~70 cm各土层的pH值差异不显著;E密度下,0~80 cm各土层的pH值差异不显著。高初植密度可以降低不同土层pH值的差异化。

    • 表 3以看出:密度对土壤各土层有机质含量的影响大多不显著(P>0.05),但A、B密度表层土壤(0~30 cm)的有机质含量高于其它密度,说明低密度有利于土壤有机质的积累。相比而言,D密度有机质含量较低,特别是0~10 cm土层,D密度土壤的有机质含量显著低于其它密度的(P < 0.05)。

      表 3  不同密度下各层土壤有机质含量

      Table 3.  Soil organic matter in different layers under different stand densities

      g·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 42.91±4.68Aa 41.21±4.92Aa 38.82±5.39Aa 37.17±5.23Ab 38.68±6.49Aa
      10~20 29.98±4.70Ba 32.23±7.81Ba 29.09±7.61Ba 25.75±6.99Ba 28.04±3.85Ba
      20~30 21.70±3.25Ca 22.16±5.42Ca 20.06±4.42Ca 21.11±6.78Ca 21.49±4.62Ca
      30~40 17.96±2.25Da 17.11±2.94Da 18.69±4.46Ca 15.88±4.01Da 17.09±2.06Da
      40~50 16.27±3.43Da 14.47±1.83DEa 14.13±2.10Da 14.01±2.06DEa 16.55±4.13Da
      50~60 15.49±4.70DEa 13.00±1.90DEa 14.01±2.98Da 12.61±1.49DEFa 14.26±2.66DEa
      60~70 12.61±2.39EFa 12.00±1.98Ea 13.70±4.53Da 12.12±2.03DEFa 12.43±0.80EFa
      70~80 11.95±2.37Fa 11.26±1.65Ea 11.61±1.64Da 10.86±1.60EFa 10.97±0.61Fa
      80~90 11.04±1.93Fa 9.91±0.78Eab 11.13±1.07Da 9.64±1.34Fb 10.75±1.13Fab
      90~100 10.14±1.66Fa 10.05±2.77Ea 9.98±1.14Da 10.57±1.84EFa 9.51±0.96Fa

      有机质含量随土壤深度的增加明显下降,但下降的幅度不同。与0~10 cm相比,90~100 cm土层的有机质含量降低了约4倍。除C密度外,其它林分0~30 cm土层的有机质含量明显高于30 cm以下土层的,且随土壤深度的增加降幅较大。30~60 cm土层内,有机质含量虽下降但幅度较小,而60~100 cm土层的有机质含量变化更小。

    • 表 45可看出:随密度的增加,各层土壤的全氮和碱解氮含量变化很小;0~40 cm土层,A密度的全氮含量大多比其它密度的高,但同一土层的全氮和碱解氮含量在不同密度间差异不显著。

      表 4  不同密度下各层土壤的全氮含量

      Table 4.  Soil total N in different layers under different stand densities

      g·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 1.51±0.18Aa 1.38±0.15Aa 1.33±0.20Aa 1.35±0.19Aa 1.44±0.23Aa
      10~20 1.10±0.14Ba 1.12±0.17Ba 1.06±0.21Ba 1.00±0.19Ba 1.08±0.13Ba
      20~30 0.91±0.14Ca 0.88±0.16Ca 0.80±0.13Ca 0.84±0.18Ca 0.87±0.08Ca
      30~40 0.77±0.07Da 0.74±0.10Da 0.76±0.16DCa 0.72±0.11Da 0.75±0.06Da
      40~50 0.72±0.09DEa 0.66±0.07DEFab 0.63±0.09DEFb 0.66±0.07DEab 0.72±0.09Da
      50~60 0.72±0.13DEa 0.68±0.10DEa 0.65±0.14DEa 0.65±0.07DEa 0.70±0.07Da
      60~70 0.62±0.09EFa 0.58±0.09EFa 0.65±0.19DEa 0.64±0.07DEa 0.65±0.06DEa
      70~80 0.62±0.07EFa 0.55±0.08EFb 0.56±0.03EFab 0.61±0.08DEab 0.58±0.05Eab
      80~90 0.51±0.07Fab 0.49±0.09EFb 0.55±0.07EFab 0.59±0.07Ea 0.57±0.05Ea
      90~100 0.61±0.16EFa 0.53±0.12Fa 0.50±0.06Fa 0.60±0.07DEa 0.54±0.06Ea

      表 5  不同密度下各层土壤的碱解氮含量

      Table 5.  Soil available N in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 145.38±15.50Aa 147.42±26.96Aa 138.07±13.16Aa 134.58±20.79Aa 135.85±12.28Aa
      1020 109.79±12.30Ba 116.33±20.57Ba 110.99±20.53Ba 103.68±17.76Ba 104.13±15.72Ba
      20~30 88.93±9.93Ca 86.20±12.00Ca 86.46±14.52Ca 87.73±20.32Ca 85.69±13.72Ca
      30~40 76.09±14.00Da 79.14±17.50CDa 75.20±7.37CDa 74.00±9.52Da 77.94±14.03CDa
      40~50 72.34±11.87DEa 69.93±8.73DEa 68.34±10.60DEa 67.77±4.75DEa 71.90±13.72DEa
      50~60 67.64±13.00DEFa 64.84±8.69DEa 64.97±11.71DEFa 60.58±3.95Ea 64.08±12.29EFa
      60~70 62.30±11.07EFa 62.55±5.88Ea 64.14±16.75DEFa 65.10±6.12DEa 61.73±7.90EFa
      70~80 58.80±8.42Fa 57.79±9.55Ea 59.76±10.33EFa 63.76±9.90DEa 56.89±10.60Fa
      80~90 60.52±13.23EFa 53.14±6.10Ea 57.15±8.07EFa 59.50±8.51Ea 55.75±8.53Fa
      90~100 58.10±5.24Fa 54.61±12.03Ea 52.32±6.83Fa 56.96±6.86Ea 51.68±8.38Fa

      随土壤深度的增加,林分土壤全氮与碱解氮含量总体呈下降趋势。0~20 cm土层的全氮和碱解氮含量显著高于其它土层的(P < 0.05)。0~30 cm土层内,全氮和碱解氮含量随土层的加深明显下降,而30 cm以下的土层,下降相对缓慢,其中,30~40 cm土层,A、B低密度林分的全氮与碱解氮含量显著高于60 cm以下土层,C、E相对高密度林分的全氮含量显著高于70 cm以下土层。

    • 表 6可知:林分各层土壤的全磷含量在A、B密度间差异不显著,但大多高于C、D、E密度。与全磷含量不同,10~100 cm土层的有效磷含量均表现为C密度的高于A、B、D、E密度的(表 7),且在某些土层差异显著(P < 0.05);D密度林分的有效磷含量在0~30 cm表层土壤中最低。

      表 6  不同密度下各层土壤的全磷含量

      Table 6.  Soil total P in different layers under different stand densities

      g·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 0.30±0.02Aa 0.29±0.03Aa 0.25±0.01Abc 0.28±0.03Aab 0.26±0.03Ab
      10~20 0.26±0.03Ba 0.26±0.04ABa 0.23±0.01ABb 0.26±0.03ABa 0.23±0.01ABb
      20~30 0.25±0.03Ba 0.25±0.05ABa 0.22±0.01ABb 0.24±0.04Bab 0.21±0.02BCb
      30~40 0.25±0.02Ba 0.24±0.04Babc 0.21±0.01Bbc 0.24±0.04Bab 0.21±0.02BCc
      40~50 0.25±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.23±0.04Babc 0.21±0.02BCbc
      50~60 0.25±0.02Ba 0.24±0.04Babc 0.21±0.01Bc 0.24±0.04Bab 0.21±0.02Cbc
      60~70 0.24±0.03Ba 0.23±0.04Ba 0.23±0.09ABa 0.25±0.04ABa 0.21±0.02Ca
      70~80 0.24±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.24±0.04Ba 0.21±0.03Cbc
      80~90 0.24±0.02Ba 0.23±0.04Bab 0.20±0.01Bc 0.23±0.04Bab 0.20±0.02Cbc
      90~100 0.24±0.03Ba 0.23±0.04Ba 0.20±0.01Bb 0.24±0.04Ba 0.20±0.02Cb

      表 7  不同密度下各层土壤有效磷含量

      Table 7.  Soil available P in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 2.29±0.82Aa 1.89±0.66Aa 2.21±0.81Aa 1.58±0.70Aa 1.88±0.55Aa
      10~20 0.82±0.34Bab 1.04±0.35Bab 1.30±0.83Ba 0.73±0.35Bb 1.02±0.31Bab
      20~30 0.63±0.24Ca 0.56±0.16Ca 0.78±0.48Ca 0.49±0.26BCa 0.72±0.26Ca
      30~40 0.46±0.19CDab 0.37±0.07CDb 0.66±0.45Ca 0.38±0.16CDb 0.52±0.14CDab
      40~50 0.32±0.14Db 0.37±0.09CDab 0.53±0.26Ca 0.28±0.08CDb 0.43±0.18DEab
      50~60 0.30±0.19Db 0.26±0.08Db 0.56±0.34Ca 0.19±0.05Db 0.40±0.24DEab
      60~70 0.26±0.08Db 0.28±0.08Db 0.50±0.39Ca 0.20±0.08Db 0.32±0.08DEb
      70~80 0.21±0.09Db 0.19±0.07Db 0.44±0.25Ca 0.19±0.07Db 0.31±0.06DEb
      80~90 0.24±0.14Dab 0.18±0.05Db 0.38±0.32Ca 0.19±0.07Db 0.33±0.08DEab
      90~100 0.18±0.08Db 0.27±0.14Dab 0.39±0.34Ca 0.21±0.10Dab 0.23±0.09Eab

      全磷含量随土壤深度的增加而下降,5种密度林分在0~10 cm土层中的全磷含量高于10 cm以下土层;A密度0~10 cm土层中的全磷含量与10 cm以下土层的差异显著(P < 0.05),10~100 cm土层的全磷含量变化较小;在B、E密度林分中,0~10 cm土层的全磷含量均显著高于30 cm以下土层(P < 0.05)。随土壤深度的增加,有效磷含量逐渐下降,在0~30 cm土层中,这种下降趋势比全磷更明显,且在0~20 cm土层间垂直下降趋势更明显(P < 0.05)。

    • 表 8可知:除40~50、50~60 cm土层外,各层土壤的全钾含量随密度的增加总体呈先下降后上升的趋势。D、E密度林分土壤的全钾含量高于其它3种密度,B密度林分土壤的全钾含量最低,E密度的最高,且10~20、20~30、30~40、40~50、60~70、70~80、90~100 cm土层E密度的全钾含量均显著高于B密度(P < 0.05)。这表明,高密度林分有利于土壤全钾的积累。土壤中速效钾含量随密度的增加总体呈先上升后下降的趋势(表 9),D密度林分土壤的速效钾含量最高(10~20 cm除外),并在70~80、80~90 cm土层中,显著高于其他4种密度(P < 0.05)。

      表 8  不同密度下各层土壤的全钾含量

      Table 8.  Soil total K in different layers under different stand densities

      g·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 1.26±0.13Aa 0.93±0.18BCa 1.00±0.24Aa 1.49±0.96Aa 1.62±1.08Aa
      10~20 1.16±0.25Aab 0.91±0.15Cb 0.95±0.22Ab 1.56±0.88Aab 1.64±1.12Aa
      20~30 1.27±0.23Aab 0.95±0.16ABCb 1.02±0.24Aab 1.49±0.77Aab 1.66±1.19Aa
      30~40 1.30±0.28Aab 0.98±0.20ABCb 1.16±0.22Aab 1.59±0.82Aab 1.73±1.15Aa
      40~50 1.28±0.31Aab 1.01±0.22ABCb 1.15±0.25Aab 1.59±0.80Aa 1.48±0.44Aa
      50~60 1.34±0.25Aab 1.04±0.21ABCb 1.15±0.24Aab 1.55±0.73Aa 1.45±0.40Aab
      60~70 1.42±0.27Aab 1.06±0.18ABCb 1.16±0.26Ab 1.62±0.72Aab 1.87±1.21Aa
      70~80 1.32±0.26Aab 1.09±0.18ABCb 1.20±0.23Aab 1.63±0.77Aab 1.87±1.17Aa
      80~90 1.42±0.32Aa 1.16±0.23Aa 1.19±0.28Aa 1.62±0.81Aa 1.87±1.16Aa
      90~100 1.42±0.26Aab 1.14±0.23ABb 1.20±0.17Ab 1.64±0.74Aab 1.88±1.02Aa

      表 9  不同密度下各层土壤的速效钾含量

      Table 9.  Soil available K in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 26.41±6.19Aa 23.72±6.44Aa 28.70±7.13Aa 30.06±11.45Aa 24.59±7.25Aa
      10~20 15.38±1.81Ba 18.04±5.63Ba 20.68±8.75Ba 19.72±7.70Ba 17.18±5.20Ba
      20~30 11.88±1.56Cb 11.87±2.48Cb 14.61±5.09Cab 18.91±7.28Ba 14.57±6.60BCab
      30~40 10.70±1.75CDb 9.44±1.08CDb 12.29±3.92CDab 14.81±6.53BCa 11.74±2.06CDab
      40~50 9.54±1.89CDab 8.19±0.93DEb 10.25±2.93CDEab 13.30±7.02BCa 10.09±2.42DEab
      50~60 8.96±2.86DEFab 7.70±1.01DEb 10.06±3.35CDEab 11.69±6.46BCa 9.84±2.81DEab
      60~70 7.81±1.21EFb 6.99±0.94DEb 9.83±3.22CDEab 14.73±9.35BCa 10.28±4.90DEab
      70~80 7.24±1.00EFb 6.69±0.89DEb 7.99±1.95DEb 14.46±7.24BCa 9.46±3.82DEb
      80~90 6.59±1.32Fb 6.09±0.75Eb 7.42±2.01Eb 10.53±5.76Ca 7.41±2.10DEb
      90~100 7.09±1.19EFb 6.11±1.26Eb 7.01±1.85Eb 10.29±5.52Ca 6.91±1.53Eb

      全钾含量随土壤深度的增加总体呈缓慢增加趋势,除B密度外,其它密度土壤的全钾含量在不同土层间均差异不显著;而速效钾含量随土壤深度的增加呈明显下降趋势,其中,0~30 cm土层的速效钾含量随土壤深度的增加下降较快,且0~10 cm到10~20 cm土层存在突降现象。方差分析表明:0~10 cm土层的速效钾含量显著高于10~20 cm及以下土层(P < 0.05)。此外,不同密度林分土壤的速效钾含量随土壤深度的变化不同,A密度在50~100 cm土层中的速效钾含量差异不显著,B、C密度在40~100 cm不同土层的速效钾含量差异不显著,而在D密度,这种现象出现在30~100 cm,表明相对高密度林分的土壤速效钾含量稳定层更接近表土层,而低密度林分土壤速效钾含量具有更深的变化层。

    • 表 1011可知:不同密度间各土层的交换性钙、镁含量均存在一定差异,B密度林分0~30 cm土层的交换性钙含量低于其它4种密度,但方差分析结果表明,密度对土壤交换性钙、镁含量影响不显著。随土壤深度的增加土壤交换性钙、镁含量总体呈下降的变化趋势,绝大多数密度林分0~10 cm土层的交换性钙、镁含量显著高于10~20 cm及以下土层(P < 0.05),交换性钙含量在10~100 cm各土层间差异不显著。

      表 10  不同密度下各层土壤的交换性钙含量

      Table 10.  Soil exchangeable Ca in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 61.65±17.80Aa 44.34±11.08Aa 60.82±29.79Aa 52.88±15.60Aa 46.87±12.69Aa
      10~20 42.71±10.34Ba 34.82±6.01ABa 38.73±17.27Ba 40.21±8.17Ba 36.08±9.55ABa
      20~30 36.83±17.78Ba 29.22±6.16Ba 34.63±14.19Ba 40.22±15.55Ba 32.34±11.71Ba
      30~40 38.66±11.38Ba 32.25±15.94Ba 36.06±18.45Ba 31.84±11.91Ba 32.83±14.61Ba
      40~50 33.85±9.46Ba 29.85±9.65Ba 29.81±12.18Ba 32.47±7.61Ba 37.10±22.24ABa
      50~60 33.89±6.61Ba 31.93±11.82Ba 31.08±10.19Ba 28.89±5.39Ba 29.12±11.53Ba
      60~70 37.34±19.68Ba 33.60±11.19Ba 36.22±17.44Ba 39.28±19.33Ba 29.28±9.31Ba
      70~80 35.29±16.02Ba 30.79±7.59Ba 29.04±11.54Ba 35.69±11.23Ba 27.01±9.73Ba
      80~90 28.80±2.86Ba 26.34±8.11Ba 27.88±10.99Ba 30.13±9.78Ba 26.14±13.13Ba
      90~100 32.68±9.11Ba 29.30±12.75Ba 27.97±10.69Ba 32.01±10.84Ba 26.08±5.79Ba

      表 11  不同密度下各层土壤的交换性镁含量

      Table 11.  Soil exchangeable Mg in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 7.89±1.21Aa 6.82±1.79Aa 7.77±1.36Aa 7.76±2.6Aa 6.27±1.01Aa
      10~20 5.20±1.04Ba 4.72±0.56Ba 5.60±2.14Ba 5.00±1.50Ba 4.92±2.01ABa
      20~30 4.17±1.06CDa 3.77±0.61BCa 4.41±1.15BCa 4.56±2.01Ba 3.76±1.09BCa
      30~40 4.31±0.80Ca 3.64±1.04BCa 4.48±1.87BCa 3.68±1.90Ba 4.11±2.36BCa
      40~50 3.63±0.51CDa 3.34±0.90Ca 3.87±1.21Ca 3.74±1.20Ba 3.93±1.77BCa
      50~60 3.79±0.67CDa 3.87±1.06BCa 4.43±1.25BCa 3.44±1.40Ba 4.01±1.36BCa
      60~70 3.94±1.30CDa 4.13±1.59BCa 4.82±1.74BCa 3.90±1.27Ba 3.84±1.22BCa
      70~80 3.76±0.98CDa 3.76±1.40BCa 4.23±1.44BCa 4.46±1.78Ba 3.62±1.56BCa
      80~90 3.23±0.33Da 3.11±0.90BCa 3.96±1.37Ca 3.53±1.25Ba 3.06±1.32Ca
      90~100 3.35±0.62CDa 3.35±1.57Ca 3.78±1.06Ca 3.84±1.63Ba 3.09±0.94Ca

      表 12可看出:A、C密度0~30 cm土层的有效性铁含量高于B、D、E密度的,0~10 cm土层的有效性铁含量,除A密度的显著高于B、E密度的外(P < 0.05),其它密度间均差异不显著。与交换性钙、镁相比,有效性铁随土层深度的增加而下降的趋势更明显;0~10、10~20、20~30 cm土层的有效性铁由上而下依次显著下降(P < 0.05);A、C密度在0~30 cm土层的有效性铁含量显著高于30~100 cm各土层的有效性铁含量(P < 0.05);5种密度林分40~100 cm各土层的有效性铁含量差异不显著。从下降量看,60~100 cm土层的有效性铁含量比0~10 cm土层的下降了20~30倍。

      表 12  不同密度下各层土壤的有效性铁含量

      Table 12.  Soil available Fe in different layers under different stand densities

      mg·kg-1
      土层
      Soil layers/cm
      初植密度Planting density/(tree·hm-2)
      A(1 667) B(3 333) C(5 000) D(6 667) E(10 000)
      0~10 108.21±19.33Aa 80.52±17.12Ab 101.91±25.01Aab 93.76±37.43Aab 80.59±25.39Ab
      10~20 65.02±15.99Ba 52.88±18.60Ba 63.68±22.51Ba 50.67±17.13Ba 49.39±21.38Ba
      20~30 30.73±13.34Ca 26.99±15.43Ca 29.17±14.31Ca 27.86±12.14Ca 28.07±15.66Ca
      30~40 16.39±8.23Da 15.43±11.35CDa 15.71±5.39Da 16.63±6.31CDa 17.31±11.24CDa
      40~50 12.14±7.41DEa 9.21±4.34Da 9.17±2.89Da 10.10±2.40Da 11.71±8.29Da
      50~60 11.09±11.83DEa 6.21±2.35Da 8.32±4.98Da 6.49±1.41Da 9.20±5.79Da
      60~70 5.50±2.36Ea 4.72±1.33Da 8.56±8.53Da 5.91±1.77Da 7.21±4.65Da
      70~80 5.32±3.10Ea 4.06±0.89Da 5.03±1.18Da 5.30±1.79Da 5.42±3.40Da
      80~90 4.12±1.85Ea 2.99±0.77Da 4.46±1.33Da 4.33±1.32Da 5.43±4.43Da
      90~100 3.50±1.14Ea 2.87±1.54Da 3.67±0.79Da 4.13±1.11Da 4.20±2.80Da
    • 表 13可知:从土壤养分和林分密度的相关系数看,土壤pH值、全钾、速效钾与林分密度呈极显著正相关,全磷与林分密度呈极显著负相关,其它养分与林分密度不显著相关,其中,有机质、全氮、碱解氮、交换性钙、交换性镁、有效性铁与林分密度的相关系数均为负值。从土壤养分与土层的相关系数看,土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、镁、有效性铁与土层呈极显著负相关,全钾与土层呈显著负相关,pH值与土层呈极显著正相关。

      表 13  土壤养分与林分密度的相关性系数

      Table 13.  the correlation analysis of soil nutrition and density

      pH 有机质 全氮 全磷 全钾 碱解氮 有效磷 速效钾 交换性钙 交换性镁 有效性铁 密度 土层
      pH 1
      有机质 -0.165** 1
      全氮 -0.107* 0.959** 1
      全磷 0.049 0.409** 0.438** 1
      全钾 0.301** -0.161** -0.110* 0.169** 1
      碱解氮 -0.102* 0.935** 0.914** 0.393** -0.104* 1
      有效磷 -0.103* 0.859** 0.837** 0.292** -0.178** 0.821** 1
      速效钾 0.003 0.728** 0.737** 0.442** 0.158** 0.769** 0.660** 1
      交换性钙 -0.042 0.402** 0.387** 0.307** 0.118* 0.491** 0.318** 0.532** 1
      交换性镁 0.003 0.597** 0.595** 0.219** 0.039 0.621** 0.565** 0.594** 0.701** 1
      有效性铁 -0.219** 0.915** 0.876** 0.355** -0.150** 0.896** 0.830** 0.700** 0.451** 0.572** 1
      密度 0.335** -0.048 -0.015 -0.257** 0.294** -0.040 0.000 0.142** -0.071 -0.013 -0.032 1
      土层 0.228** -0.822** -0.796** -0.328** 0.107* -0.798** -0.653** -0.649** -0.365** -0.467** -0.755** 0.000 1
      注:表中*和**分别表示相关系数达0.05和0.01水平。
      Note:The correlation coefficients of * and * * in the table are respectively 0.05 and 0.01.
    • 本研究区域土壤为酸性火山岩和花岗岩发育而成的砖红壤,故土壤pH值较低,为3.5~4.0,呈强酸性, 低于杉木生长的土壤pH值4.5~6.5[19],且pH值随林分密度和土壤深度的增加而增大,因表层土壤枯落物分解产生有机酸所致。低密度和表层土壤的pH值较低,原因是低密度下,林下植被以及凋落物丰富,加上光照充足,温度水分等条件适宜,凋落物分解迅速而产生大量的酸性物质聚集在表层土壤[20],使得表层土壤的pH值较低,酸性较强。

      土壤有机质是植物生长发育提供养分的仓库,其含量与土壤肥力水平密切相关,是评价土壤养分的重要指标之一。森林土壤有机质含量主要取决于凋落物和林下植被的生物量,根据笔者对样地林下植被的调查,A、B低密度林分下,草本和灌木植物丰富,林下植被生物量为9.76~13.56 t·hm-2,透光性强, 在这样的环境下,土壤动物、微生物及各种酶活性增加[3],凋落物分解较快,对林地土壤特别是表层土壤肥力有明显的促进作用[7],因此,表层土壤的有机质含量较高;在C、D、E中高密度条件下,林木竞争激烈,产生大量枯枝落叶,但林下植被发展缓慢,覆盖度较低,不利于凋落物分解,导致有机质含量较低。

      土壤中的全氮大部分来源于有机质,所以,二者变化趋势基本一致,随林分密度的增加缓慢下降。A、B低密度林分的碱解氮和全磷含量较高,这可能与林下植被的种类和覆盖度有关。有学者对杉木和马尾松等树种研究,同样发现低密度林分的土壤肥力优于中高密度林分[21-22]。全钾和速效钾含量随密度的增加变化不规律,E密度林分土壤的全钾含量最高,而D密度林分土壤的速效钾含量最高。土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量随土壤深度的增加显著下降,而土壤全钾含量变化趋势与前者不同,随土壤深度的增加缓慢上升,可能与成土母岩有关。这与王纪杰等[23]对不同林龄巨尾桉人工林土壤养分土层效应研究结果相似。不同土壤深度全磷含量保持稳定,由于磷的迁移率很小,不易从剖面上层淋溶下移[24]

      钙、镁和铁作为土壤中含量较高的微量元素,对植物细胞以及叶绿体的结构和功能有重要作用。A密度林分土壤中的交换性钙和有效性铁含量最高,但交换性钙、镁及有效性铁的含量与大部分土壤养分含量的变化趋势一致,随土层深度的增加,均呈明显的下降趋势。由于分解后营养元素富集在土壤表层,0~10 cm土层中的养分含量明显高于其余土层,且上层土壤的养分含量随密度变化规律性较强,很多研究也表现出相同的规律[25-28]

      从以上分析得出,杉木人工成熟林大多数土层的有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效性铁含量在A、B低密度林分土壤中最高,且在0~30 cm土层中随密度的增加总体呈下降的变化趋势。土壤有效磷含量随林分密度的增大更多地表现为先增加后减少,且在C密度(5 000株·hm-2)林分中含量最高;土壤的pH值、全钾、速效钾随林分密度的增加呈上升的变化趋势,且A密度(1 667株·hm-2)林分土壤的pH值在0~70 cm的土壤中显著低于其他4种密度(P < 0.05);交换性钙、镁含量随密度的变化较小。土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁和有效性铁含量均随土层深度的增加而明显下降,土壤pH值和全钾含量随土层深度的增加而上升,其中,交换性钙、镁在0~10 cm土层与其以下土层间存在突降现象,有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾在0~30 cm土层内急剧下降,有效性铁在0~40 cm土层内急剧下降;此外,高密度林分下,更多下层土壤的pH值、速效钾和有效性铁含量随土壤深度的增加无显著变化,密度对土壤养分含量的垂直变化有一定的影响。

    • 通过对广西大青山5种初植密度的37年生杉木成熟林不同土层土壤养分变化规律的分析,发现林分密度对杉木人工成熟林的土壤养分含量具有明显影响,低密度(1 667株· hm-2)有利于杉木在由幼龄林到成熟龄林的生长发育期内土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷以及有效性铁的积累,而中密度(5 000株·hm-2)有利于有效磷的累积,高密度则利于全钾、速效钾的累积。总体上,低密度更有利于杉木人工林土壤肥力的长期维持。不同养分元素在土壤剖面的纵向渐变规律不一,密度对杉木林土壤养分的影响深度可达60 cm。考虑到0~30 cm土层多种养分元素的剧烈变化,南亚热带杉木林土壤剖面研究至少要到40 cm深度。

参考文献 (28)

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