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不同发育阶段杉木人工林土壤肥力分析

李惠通 张芸 魏志超 贾代东 刘雨晖 刘爱琴

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不同发育阶段杉木人工林土壤肥力分析

    作者简介: 李惠通(1992-), 男, 重庆涪陵, 硕士研究生, 研究方向: 自然资源管理。E-mail: huitongli1314@163.com.
    通讯作者: 刘爱琴, fjlaq@126.com
  • 基金项目:

    福建农林大学科技创新专项基金项目 KF2015034

    国家科技支撑计划项目 2015BAD09B010102

    国家重点研发计划 2016YFD0600301

  • 中图分类号: S791.27

Evaluation on Soil Fertility of Chinese Fir Plantations in Different Development Stages

    Corresponding author: LIU Ai-qin, fjlaq@126.com
  • CLC number: S791.27

  • 摘要: 目的 研究不同发育阶段(幼龄林、中龄林、成熟林)对杉木人工林土壤肥力的影响,为揭示杉木地力衰退的原因提供依据。 方法 通过对南方杉木中心产区不同发育阶段杉木人工林土壤理化性质的测定,利用数学模糊评价和主成分分析2种方法,综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力。 结果 不同发育阶段对人工林土壤物理、化学性质均有显著影响。在同一发育阶段中,杉木人工林表层土与底层土之间存在差异(p<0.001);土壤质量含水量对土壤物理性质具有显著指示作用,有机质、pH值与土壤养分指标呈显著相关;主成分分析和模糊评价方法均得出不同发育阶段杉木林土壤肥力呈现幼龄林>成熟林>中龄林的规律。 结论 随着杉木栽植时间的增长,需要采取施肥、间伐等人工干预恢复地力,进而满足杉木速生需求。
  • 表 1  不同发育阶段杉木人工林样地概况

    Table 1.  Situation of the sites of Chinese fir in different development

    发育阶段
    Stand
    平均胸径
    DBH/cm
    平均树高
    Height/m
    林分密度
    Density/(n·hm-2)
    海拔
    Altitude/m
    灌木层主要物种
    Shrub layer dominant species
    草本层主要物种
    Herbaceous layer dominant species
    幼龄林
    Juvenile
    7.17 5.57 2 267 230 山苍子(Litsea cubeba (Lour.) Pers.) 枇杷叶紫株(Callicarpa kochiana Makino.)
    楤木(Aralia chinensis L.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.)
    东南野桐(Mallotus lianus Croiz.) 五节芒(Miscanthus floridulus (Labill.) Warb.)
    中龄林
    Medium
    15.52 12.52 1 375 229 杜茎山(Maesa japonica (Thunb.) Moritzi.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.)
    箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.)
    粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.)
    成熟林
    Mature
    20.99 20.62 1 225 226 箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.)
    粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 华山姜(Alpinia chinensis (Retz.) Rosc.)
    细圆藤(Pericampylus glaucus (Lam.) Merr.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.)
    注: 表中幼龄林林龄为5年,中龄林林龄为15年,成熟林林龄为24年,均按采样时间计算。
    Note: In the table, the Juvenile age is 5, the Medium age is 15, the Mature age is 24, and the calculation according to the sampling time.
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    表 2  不同发育阶段杉木人工林土壤水分物理性质

    Table 2.  Soil physical properties of Chinese fir plantation at different stages

    发育阶段
    Stage
    土层Layer 最大持水量MWH 田间持水量FWH 总孔隙度SP 毛管孔隙度CSP 土壤密度BD 质量含水量QWH
    cm (g·kg-1) % (g*cm-3) %
    幼龄林Juvenile 0~20 579.84±80.08Aa 449.76±16.67Aa 55.23±2.40Aa 41.22±2.97Aa 0.98±0.12Bb 31.57±4.01Aa
    20~40 468.12±34.93Ab 345.47±16.87Ab 51.45±1.26Ab 40.84±2.60Aa 1.11±0.08Aa 29.03±2.70Aa
    40~60 427.35±41.84Ab 332.38±26.31Ab 49.85±2.50Ab 41.46±2.71Ba 1.17±0.08Ba 28.04±3.66Ba
    中龄林Medium 0~20 479.93±66.66Ba 351.73±23.05Aa 53.93±2.98Aa 43.10±1.91Aa 1.26±0.09Aa 29.58±2.33Aa
    20~40 409.04±40.89Bb 323.07±30.23Ab 50.48±2.25Aab 42.86±3.11Aa 1.24±0.20Aab 29.51±2.53Aa
    40~60 376.09±58.68Bc 319.04±49.31Ab 48.98±2.56Ab 44.19±3.85ABa 1.21±0.10ABb 30.26±5.04ABa
    成熟林Mature 0~20 493.19±63.60Ba 359.00±33.16Aa 54.72±2.93Aa 43.41±2.03Aa 1.14±0.10Ab 33.55±3.27Aa
    20~40 440.31±38.60ABb 338.62±15.26Ab 52.59±1.93Ab 43.71±1.99Aa 1.20±0.09Aa 32.10±2.46Aa
    40~60 418.88±25.37Ab 347.16±14.93Ab 51.64±1.63Ab 45.43±1.72Aa 1.24±0.20Aa 32.77±1.70Aa
    F 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11*
    注: 表中数据为平均值±标准差,**表示在0.01水平差异显著,*表示在0.05水平差异显著。小写字母表示同一发育阶段不同土层间的差异显著水平,大写字母表示同一土层不同发育阶段土壤各指标的差异显著水平(P<0. 05),F值反映了林龄因素对土壤各指标的显著水平, n=9。
    Note: Data in the table as mean ± standard deviation, **Shows significantly differences at P=0.01, *Shows significantly differences at P=0.05, Small letters represent the same stage of development differences among the significant level of soil, Big letters indicate differences in the same layer of soil at different developmental stages of each index significant (P<0.05). F values reflect the significant level forest age factor of soil each index, n= 9.
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    表 3  不同发育阶段杉木人工林土壤化学性质

    Table 3.  Soil chemical properties of Chinese fir plantation at different stages

    发育阶段
    Stage
    土层
    Layer
    有机质SOM 全氮TN 铵态氮
    (NH4+)N
    硝态氮
    (NO3-)N
    全磷TP 有效磷AP 全钾TK pH
    cm (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) H2O
    幼龄林Juvenile 0~20 29.54±4.40Aa 1.59±0.16Ba 3.75±0.86Aa 0.28±0.08Ba 0.53±0.10Ba 3.35±1.06Aa 19.03±3.04Bc 4.43±0.17Aa
    20~40 16.18±5.0ABb 1.14±0.22Bb 3.36±0.69Aa 0.24±0.05Cb 0.45±0.07Ba 2.68±0.83Aa 19.54±3.67Cb 4.41±0.14Aa
    40~60 10.55±2.30Ab 1.01±0.24Bb 2.75±0.75Aa 0.23±0.05Bb 0.41±0.09Ba 2.15±0.86Aa 20.68±4.56Ca 4.45±0.07Aa
    中龄林Medium 0~20 24.91±3.52Aa 1.83±0.2ABa 3.15±0.32Aa 0.68±0.12Aa 0.32±0.12Ca 8.10±1.53Aa 26.83±2.51Ab 4.05±0.42Ba
    20~40 13.35±3.00Bb 1.42±0.22Aa 2.87±0.18Aa 0.50±0.09Aa 0.28±0.10Ca 7.29±8.09Aa 29.37±2.33Ab 4.26±0.17Ba
    40~60 10.65±2.01Ab 1.36±0.13Aa 2.44±0.15Ab 0.42±0.06Ab 0.26±0.10Ca 3.32±3.42Ab 32.74±2.06Aa 4.20±0.23Ba
    成熟林Mature 0~20 31.36±8.20Aa 1.97±0.36Aa 3.44±1.38Aa 0.62±0.18Aa 0.69±0.18Aa 2.55±0.63Aa 24.57±2.55Aa 4.20±0.1ABa
    20~40 19.53±5.08Ab 1.60±0.14Ab 2.63±1.31Aa 0.39±0.03Bb 0.60±0.10Aa 1.93±0.59Aa 26.08±1.56Ba 4.22±0.06Ba
    40~60 15.62±7.60Ab 1.51±0.31Ab 2.36±1.15Aa 0.36±0.02Ab 0.54±0.09Aa 1.27±0.78Ab 26.44±4.59Ba 4.23±0.05Ba
    F 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11* 0.41 2.13
    注: 同上。
    Note: The same as table 2
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    表 4  土壤肥力因子的相关系数

    Table 4.  The correlation coefficient of soil fertility factor

    项目
    Items
    最大持水量
    MWH
    田间持水量
    FWH
    总孔隙度
    SP
    毛管孔隙度
    CSP
    土壤密度
    BD
    质量含水量
    QWH
    有机质
    SOM
    全氮
    TN
    铵态氮(NH4+)
    N
    硝态氮(NO3-)
    N
    全磷
    TP
    有效磷
    AP
    全钾
    TK
    田间持水量FWH 0.76**
    总孔隙度SP 0.82** 0.73**
    毛管孔隙度CSP -0.17 0.21 0.10
    土壤密度BD -0.77** -0.69** -0.63** 0.09
    质量含水量QWH 0.39** 0.56** 0.47** 0.48** -0.32**
    有机质SOM 0.62** 0.52** 0.67** -0.03 -0.45** 0.20
    全氮TN 0.33** 0.35** 0.49** 0.14 -0.20 0.27* 0.80**
    铵态氮(NH4+)N -0.36* 0.33* 0.29 0.02 -0.25 0.21 0.38* 0.09
    硝态氮(NO3-)N -0.19 -0.05 0.10 0.16 0.24 -0.09 0.32* 0.58** 0.09
    全磷TP 0.28* 0.30** 0.28* 0.05 -0.29** 0.20 0.44** 0.35** 0.22 -0.04
    有效磷AP -0.08 -0.08 -0.08 -0.02 0.06 -0.15 -0.01 -0.01 -0.01 0.24 -0.20
    全钾TK -0.46** -0.28* -0.29** 0.31** 0.48** 0.11 -0.30** 0.21 -0.18 0.39** -0.22 0.07
    pH 0.21 0.05 0.07 -0.13 -0.16 0.04 -0.08 -0.34** 0.10 -0.43** 0.05 -0.34** -0.33**
    注:*表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上显著相关。n=8
    Note: *Shows significantly differences at P =0.05, **Shows significantly differences at P=0.01, n=8.
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    表 5  各变量的特征根及相应的贡献率

    Table 5.  Characteristic roots of the variables and the corresponding contribution rate

    成分
    Ingredient
    初始特征值
    Initial eigenvalues
    提取平方和载入
    Extract the sum of square
    合计
    Total
    方差的百分比
    Variance/%
    累积的百分比
    Accumulation/%
    合计
    Total
    方差的百分比
    Variance/%
    累积的百分比
    Accumulation/%
    1 5.44 38.86 38.86 5.44 38.86 38.86
    2 2.93 20.93 59.78 2.93 20.93 59.78
    3 1.43 10.24 70.02 1.43 10.24 70.02
    4 1.17 8.36 78.38 1.17 8.36 78.38
    5 1.01 7.21 85.59 1.01 7.21 85.59
    6 0.76 5.44 91.03
    7 0.55 3.91 94.94
    8 0.42 3.02 97.96
    9 0.15 1.04 98.99
    10 0.09 0.67 99.67
    11 0.03 0.19 99.86
    12 0.02 0.12 99.98
    13 0.00 0.01 99.99
    14 0.00 0.00 100.00
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    表 6  5个主成分的特征向量

    Table 6.  The feature vector of five main components

    因子Factors 成份Ingredient
    1 2 3 4 5
    最大持水量MWH(x1) 0.95 -0.17 -0.11 0.11 0.01
    田间持水量FWH(x2) 0.20 -0.65 0.07 -0.53 0.45
    总孔隙度SP(x3) 0.90 -0.01 -0.04 0.13 -0.11
    毛管孔隙度CSP(x4) 0.01 -0.41 0.76 -0.20 -0.26
    土壤密度BD(x5) -0.90 0.13 0.33 -0.14 0.07
    质量含水量QWH(x6) 0.59 -0.17 -0.57 0.17 -0.03
    有机质SOM(x7) 0.48 0.81 0.18 0.13 0.11
    全氮TN(x8) -0.27 0.86 0.12 -0.10 0.06
    铵态氮NH4+N(x9) 0.23 0.10 0.41 0.52 0.63
    硝态氮NO3-N(x10) -0.75 0.28 0.20 0.24 -0.29
    全磷TP(x11) 0.34 0.74 0.07 0.38 -0.09
    有效磷AP(x12) -0.46 -0.45 -0.12 0.52 -0.21
    全钾TK(x13) -0.83 -0.17 0.24 -0.06 0.08
    pH(x14) 0.75 -0.07 0.28 -0.07 -0.41
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    表 7  不同发育阶段土壤肥力综合得分

    Table 7.  Comprehensive scores of soil fertility quality in different age

    发育阶段Stage f1 f2 f3 f4 f5 综合得分
    Score
    幼龄林Juvenile 3.80 0.05 0.48 0.63 0.55 1.90
    中龄林Medium -3.10 -0.02 1.38 0.33 -0.54 -1.26
    成熟林Mature 0.50 1.97 1.36 0.74 -0.25 0.92
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    表 8  土壤肥力指标的隶属度、相关系数均值、权重及最后得分

    Table 8.  Membership, the average correlation coefficient, the weight and the final score of soil fertility

    因子
    Factors
    幼龄林
    Juvenile
    中龄林
    Medium
    成熟林
    Mature
    相关系数均值
    Correlation coefficient
    权重
    Weights
    最大持水量MWH(x1) 1.00 0.01 0.56 0.16 0.13
    田间持水量FWH(x2) 1.00 0.02 0.62 0.21 0.17
    总孔隙度SP(x3) 0.57 0.54 1.00 0.23 0.19
    毛管孔隙度CSP(x4) 0.24 0.73 1.00 0.05 0.04
    土壤密度BD(x5) 0.55 1.00 1.00 -0.22 -0.18
    质量含水量QWH(x6) 0.31 0.23 1.00 0.18 0.15
    有机质SOM(x7) 0.63 0.54 0.74 0.24 0.19
    全氮TN(x8) 0.50 0.62 0.68 0.24 0.19
    铵态氮NH4+N(x9) 0.22 0.19 0.19 0.13 0.10
    硝态氮NO3-N(x10) 0.13 0.26 0.23 0.10 0.08
    全磷TP(x11) 0.93 0.57 1.00 0.11 0.09
    有效磷AP(x12) 0.27 0.62 0.19 -0.05 -0.04
    全钾TK(x13) 0.56 0.85 0.74 -0.04 -0.03
    pH(x14) 0.10 0.10 0.10 -0.10 -0.08
    SFI 0.73 0.24 0.66
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-07-28
  • 刊出日期:  2017-04-01

不同发育阶段杉木人工林土壤肥力分析

    通讯作者: 刘爱琴, fjlaq@126.com
    作者简介: 李惠通(1992-), 男, 重庆涪陵, 硕士研究生, 研究方向: 自然资源管理。E-mail: huitongli1314@163.com
  • 1. 福建农林大学林学院, 福建 福州 350002
  • 2. 国家林业局杉木工程技术研究中心, 福建 福州 350002
  • 3. 福建农林大学莘口教学林场, 福建 三明 365002
基金项目:  福建农林大学科技创新专项基金项目 KF2015034国家科技支撑计划项目 2015BAD09B010102国家重点研发计划 2016YFD0600301

摘要:  目的 研究不同发育阶段(幼龄林、中龄林、成熟林)对杉木人工林土壤肥力的影响,为揭示杉木地力衰退的原因提供依据。 方法 通过对南方杉木中心产区不同发育阶段杉木人工林土壤理化性质的测定,利用数学模糊评价和主成分分析2种方法,综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力。 结果 不同发育阶段对人工林土壤物理、化学性质均有显著影响。在同一发育阶段中,杉木人工林表层土与底层土之间存在差异(p<0.001);土壤质量含水量对土壤物理性质具有显著指示作用,有机质、pH值与土壤养分指标呈显著相关;主成分分析和模糊评价方法均得出不同发育阶段杉木林土壤肥力呈现幼龄林>成熟林>中龄林的规律。 结论 随着杉木栽植时间的增长,需要采取施肥、间伐等人工干预恢复地力,进而满足杉木速生需求。

English Abstract

  • 杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook)是我国南方特有的速生用材树种,具生长快、材质好、用途广等特点,目前栽植面积占全国人工林面积的30%以上[1-2],大量研究表明,杉木人工林生产力下降和地力衰退现象明显,连栽[3-4]、不合理经营措施[5-7]、短轮伐期[8-9]、杉木自身生物学特性[10]等均可能是引起地力衰退的原因。但由于研究地区和研究对象空间异质性以及林业研究的长期性,目前国内外对导致杉木地力衰退的原因还没有完全弄清,因此进一步开展杉木人工林土壤肥力的规律研究,为揭示杉木地力衰退的原因提供科学依据显得极为必要。

    人工林的不同发育阶段贯穿林木生长的整个生命周期,了解林木不同发育阶段土壤肥力及林木的需肥特性对人工林经营具重要生态学意义[11]。王宏星[12]、崔宁洁[13]和衣晓丹[14]等对日本落叶松(Larix kaempferi Carr.)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)和杉木等人工林不同发育阶段的土壤理化性质进行过探讨,表明在林木整个生长发育过程中,由于生长环境不断变化,不可避免的对土壤肥力状况产生影响,导致不同发育阶段土壤肥力间存在差异。

    土壤肥力评价能够揭示土壤利用和功能有关的土壤内在属性之间的异同,科学的确定森林土壤肥力指标并进行评价,对立地生产力和多目标森林经营的研究也具有重要价值[15]。虽然目前已有不少杉木人工林土壤肥力评价方面的研究[16-17],但运用多种合理的数学分析方法在相同条件下不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合比较研究相对较少[18]。有鉴于此,本研究选择位于全国杉木中心产区的福建农林大学莘口教学林场不同发育阶段的杉木人工林(幼龄林、中龄林、成熟林)为研究对象,研究测定不同发育阶段杉木人工林土壤肥力指标,在分析不同发育阶段和不同土层土壤肥力指标基础上,采用数学模糊评价[19]和主成分分析[20]2种方法,综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力,揭示土壤肥力随林分生长和土层深度的变化规律,为进一步揭示杉木人工林地力衰退提供科学依据。

    • 试验地位于福建省三明市福建农林大学莘口教学林场(26°7′~26°12′N,117°25′~117°32′E),为低山丘陵地貌,属典型亚热带季风气候,年平均气温19.1℃,年平均降水量1 749 mm,为粉砂岩发育的山地红壤,土层厚度1 m以上。试验地均为二代经营的杉木人工林,造林前经炼山整地,造林后除草抚育6次,每年2次,并且没有经过人工施肥,中龄林和成熟林分别在2011和2004年进行间伐,样地基本情况见表 1

      表 1  不同发育阶段杉木人工林样地概况

      Table 1.  Situation of the sites of Chinese fir in different development

      发育阶段
      Stand
      平均胸径
      DBH/cm
      平均树高
      Height/m
      林分密度
      Density/(n·hm-2)
      海拔
      Altitude/m
      灌木层主要物种
      Shrub layer dominant species
      草本层主要物种
      Herbaceous layer dominant species
      幼龄林
      Juvenile
      7.17 5.57 2 267 230 山苍子(Litsea cubeba (Lour.) Pers.) 枇杷叶紫株(Callicarpa kochiana Makino.)
      楤木(Aralia chinensis L.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.)
      东南野桐(Mallotus lianus Croiz.) 五节芒(Miscanthus floridulus (Labill.) Warb.)
      中龄林
      Medium
      15.52 12.52 1 375 229 杜茎山(Maesa japonica (Thunb.) Moritzi.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.)
      箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.)
      粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.)
      成熟林
      Mature
      20.99 20.62 1 225 226 箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.)
      粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 华山姜(Alpinia chinensis (Retz.) Rosc.)
      细圆藤(Pericampylus glaucus (Lam.) Merr.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.)
      注: 表中幼龄林林龄为5年,中龄林林龄为15年,成熟林林龄为24年,均按采样时间计算。
      Note: In the table, the Juvenile age is 5, the Medium age is 15, the Mature age is 24, and the calculation according to the sampling time.
    • 2015年1月,在福建三明莘口教学林场内,选择海拔、母岩、立地等条件相近的杉木幼龄林(2010年造林)、中龄林(2000年造林)和成熟林(1991年造林)为试验林分,在每个发育阶段的杉木林中设20 m×20 m标准地9个,共设27个标准地。

    • 在每个标准地内按S型挖取5个土壤剖面,分别按0~20、20~40、40~60 cm土层采集1 kg土样,相同土层混合均匀后,去除石砾和植物根系,取一部分新鲜土样置于4℃冰箱保存,用于无机态氮测定。另取1 kg混合均匀的土壤,风干后过筛,测定土壤化学性质指标;同时在每个标准地内用环刀取原状土测定土壤水分物理性质指标。

    • 采用环刀法测定土壤密度、质量含水量、孔隙度、持水量等水分物理性质指标。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质。土壤总氮用碳氮元素分析仪(德国Elementar)测定,铵态氮和硝态氮用AA3型双通道流动分析仪(德国Seal)测定,全磷、有效磷采用钼锑抗比色法测定,全钾采用火焰光度法测定,pH值采用电位法(土:水=1:2.5)测定[21]

    • 利用主成分分析法和模糊评判法,选用0~20 cm表土层土壤理化指标对不同发育阶段的杉木林土壤肥力进行综合评价。采用SPSS 19、Excel和Origin Pro 8处理图表。

    • 主成分分析(PCA)[22]的综合评价模型为:

      $ F=\sum\limits_{i=1}^{n}\left(\lambda_{i} / \sum \lambda\right) \times f_{i} $

      其中,F为综合评价值,λ为特征值,f为主成分值。

    • 模糊数学综合评判法是在确定各因子隶属函数前提下,确定各层次的模糊矩阵,最后自下而上逐层进行模糊综合评价的方法。

      土壤肥力综合评价值(SFI)是把各肥力指标的权重和隶属度,利用加乘法则进行合成,进而评价土壤肥力优良的一种方法。计算公式为:

      $ SFI = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} {P_i} $

      其中,WiPi分别是第i项肥力指标的权重和隶属度;n表示总肥力指标数。

    • 表 2看出,土壤物理性质指标随着发育过程表现出显著的变化规律。幼龄林与成熟林0~20 cm土层的最大持水量、田间持水量、总孔隙度和土壤密度与20~40 cm、40~60 cm土层差异达显著水平。随着土层的增加,最大持水量、田间持水量和总孔隙度减少,土壤密度则增加。中龄林不同层次土壤最大持水量均存在显著差异,而毛管孔隙度与质量含水量在同一发育阶段不同土层之间无显著差异。

      表 2  不同发育阶段杉木人工林土壤水分物理性质

      Table 2.  Soil physical properties of Chinese fir plantation at different stages

      发育阶段
      Stage
      土层Layer 最大持水量MWH 田间持水量FWH 总孔隙度SP 毛管孔隙度CSP 土壤密度BD 质量含水量QWH
      cm (g·kg-1) % (g*cm-3) %
      幼龄林Juvenile 0~20 579.84±80.08Aa 449.76±16.67Aa 55.23±2.40Aa 41.22±2.97Aa 0.98±0.12Bb 31.57±4.01Aa
      20~40 468.12±34.93Ab 345.47±16.87Ab 51.45±1.26Ab 40.84±2.60Aa 1.11±0.08Aa 29.03±2.70Aa
      40~60 427.35±41.84Ab 332.38±26.31Ab 49.85±2.50Ab 41.46±2.71Ba 1.17±0.08Ba 28.04±3.66Ba
      中龄林Medium 0~20 479.93±66.66Ba 351.73±23.05Aa 53.93±2.98Aa 43.10±1.91Aa 1.26±0.09Aa 29.58±2.33Aa
      20~40 409.04±40.89Bb 323.07±30.23Ab 50.48±2.25Aab 42.86±3.11Aa 1.24±0.20Aab 29.51±2.53Aa
      40~60 376.09±58.68Bc 319.04±49.31Ab 48.98±2.56Ab 44.19±3.85ABa 1.21±0.10ABb 30.26±5.04ABa
      成熟林Mature 0~20 493.19±63.60Ba 359.00±33.16Aa 54.72±2.93Aa 43.41±2.03Aa 1.14±0.10Ab 33.55±3.27Aa
      20~40 440.31±38.60ABb 338.62±15.26Ab 52.59±1.93Ab 43.71±1.99Aa 1.20±0.09Aa 32.10±2.46Aa
      40~60 418.88±25.37Ab 347.16±14.93Ab 51.64±1.63Ab 45.43±1.72Aa 1.24±0.20Aa 32.77±1.70Aa
      F 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11*
      注: 表中数据为平均值±标准差,**表示在0.01水平差异显著,*表示在0.05水平差异显著。小写字母表示同一发育阶段不同土层间的差异显著水平,大写字母表示同一土层不同发育阶段土壤各指标的差异显著水平(P<0. 05),F值反映了林龄因素对土壤各指标的显著水平, n=9。
      Note: Data in the table as mean ± standard deviation, **Shows significantly differences at P=0.01, *Shows significantly differences at P=0.05, Small letters represent the same stage of development differences among the significant level of soil, Big letters indicate differences in the same layer of soil at different developmental stages of each index significant (P<0.05). F values reflect the significant level forest age factor of soil each index, n= 9.

      不同土层土壤水分物理指标随发育阶段的增加呈先减少后增加的趋势。0~20 cm土层的最大持水量和土壤密度表现出幼龄林分别与成熟林和中龄林存在显著差异,最大持水量在幼龄林最高,到中龄林时降到最低,成熟林有所上升,而土壤密度与之相反,其余指标未达显著水平。在20~40 cm土层,除了最大持水量之外,其余指标差异均不显著。在40~60 cm土层,毛管孔隙度、土壤密度和质量含水量,幼龄林与成熟林存在显著差异,均表现出成熟林大于中龄林和幼龄林,而最大持水量则表现出幼龄林和成熟林大于中龄林。

    • 表 3看出,幼龄林与成熟林0~20 cm土层有机质、全氮和硝态氮均显著高于20~40 cm和40~60 cm土层。幼龄林不同层次的全钾均有显著差异,并且逐层递增。中龄林土壤有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷表现为0~20 cm和20~40 cm土层显著高于40~60 cm土层,全磷出现相反显著趋势,而0~20 cm与20~40 cm土层间差异仅有机质表现出显著差异。

      表 3  不同发育阶段杉木人工林土壤化学性质

      Table 3.  Soil chemical properties of Chinese fir plantation at different stages

      发育阶段
      Stage
      土层
      Layer
      有机质SOM 全氮TN 铵态氮
      (NH4+)N
      硝态氮
      (NO3-)N
      全磷TP 有效磷AP 全钾TK pH
      cm (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) H2O
      幼龄林Juvenile 0~20 29.54±4.40Aa 1.59±0.16Ba 3.75±0.86Aa 0.28±0.08Ba 0.53±0.10Ba 3.35±1.06Aa 19.03±3.04Bc 4.43±0.17Aa
      20~40 16.18±5.0ABb 1.14±0.22Bb 3.36±0.69Aa 0.24±0.05Cb 0.45±0.07Ba 2.68±0.83Aa 19.54±3.67Cb 4.41±0.14Aa
      40~60 10.55±2.30Ab 1.01±0.24Bb 2.75±0.75Aa 0.23±0.05Bb 0.41±0.09Ba 2.15±0.86Aa 20.68±4.56Ca 4.45±0.07Aa
      中龄林Medium 0~20 24.91±3.52Aa 1.83±0.2ABa 3.15±0.32Aa 0.68±0.12Aa 0.32±0.12Ca 8.10±1.53Aa 26.83±2.51Ab 4.05±0.42Ba
      20~40 13.35±3.00Bb 1.42±0.22Aa 2.87±0.18Aa 0.50±0.09Aa 0.28±0.10Ca 7.29±8.09Aa 29.37±2.33Ab 4.26±0.17Ba
      40~60 10.65±2.01Ab 1.36±0.13Aa 2.44±0.15Ab 0.42±0.06Ab 0.26±0.10Ca 3.32±3.42Ab 32.74±2.06Aa 4.20±0.23Ba
      成熟林Mature 0~20 31.36±8.20Aa 1.97±0.36Aa 3.44±1.38Aa 0.62±0.18Aa 0.69±0.18Aa 2.55±0.63Aa 24.57±2.55Aa 4.20±0.1ABa
      20~40 19.53±5.08Ab 1.60±0.14Ab 2.63±1.31Aa 0.39±0.03Bb 0.60±0.10Aa 1.93±0.59Aa 26.08±1.56Ba 4.22±0.06Ba
      40~60 15.62±7.60Ab 1.51±0.31Ab 2.36±1.15Aa 0.36±0.02Ab 0.54±0.09Aa 1.27±0.78Ab 26.44±4.59Ba 4.23±0.05Ba
      F 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11* 0.41 2.13
      注: 同上。
      Note: The same as table 2

      从同一土层看,成熟林0~20 cm土层全氮、全磷均显著高于中龄林和幼龄林。中龄林硝态氮、有效磷和全钾高于幼龄林和中龄林,其中硝态氮和全钾显著高于幼龄林。幼龄林的铵态氮和pH值高于中龄林和成熟林,pH值达显著水平。20~40 cm土层与0~20 cm土层差异不大。不同发育阶段杉木林40~60 cm土层有机质、铵态氮和有效磷差异不显著。成熟林全氮、硝态氮和全磷均高于幼龄林与中龄林,其中全磷成熟林达显著水平。中龄林全钾显著高于成熟林和幼龄林。

    • 表 4可见,不同发育阶段杉木人工林各个土壤肥力因子之间关系较为密切。其中,土壤水分物理性质各指标间的相关性较为显著。质量含水量除与土壤密度呈显著负相关外,与其他土壤物理指标均呈显著正相关,说明质量含水量对土壤水分物理性质具有明显指示作用。土壤有机质除与有效磷和pH值无关,与其他化学性质指标均表现出显著正相关,而且pH值与全氮、硝态氮、有效磷和全钾也表现出显著负相关,说明有机质与pH值对土壤化学性质具有明显的指示作用。

      表 4  土壤肥力因子的相关系数

      Table 4.  The correlation coefficient of soil fertility factor

      项目
      Items
      最大持水量
      MWH
      田间持水量
      FWH
      总孔隙度
      SP
      毛管孔隙度
      CSP
      土壤密度
      BD
      质量含水量
      QWH
      有机质
      SOM
      全氮
      TN
      铵态氮(NH4+)
      N
      硝态氮(NO3-)
      N
      全磷
      TP
      有效磷
      AP
      全钾
      TK
      田间持水量FWH 0.76**
      总孔隙度SP 0.82** 0.73**
      毛管孔隙度CSP -0.17 0.21 0.10
      土壤密度BD -0.77** -0.69** -0.63** 0.09
      质量含水量QWH 0.39** 0.56** 0.47** 0.48** -0.32**
      有机质SOM 0.62** 0.52** 0.67** -0.03 -0.45** 0.20
      全氮TN 0.33** 0.35** 0.49** 0.14 -0.20 0.27* 0.80**
      铵态氮(NH4+)N -0.36* 0.33* 0.29 0.02 -0.25 0.21 0.38* 0.09
      硝态氮(NO3-)N -0.19 -0.05 0.10 0.16 0.24 -0.09 0.32* 0.58** 0.09
      全磷TP 0.28* 0.30** 0.28* 0.05 -0.29** 0.20 0.44** 0.35** 0.22 -0.04
      有效磷AP -0.08 -0.08 -0.08 -0.02 0.06 -0.15 -0.01 -0.01 -0.01 0.24 -0.20
      全钾TK -0.46** -0.28* -0.29** 0.31** 0.48** 0.11 -0.30** 0.21 -0.18 0.39** -0.22 0.07
      pH 0.21 0.05 0.07 -0.13 -0.16 0.04 -0.08 -0.34** 0.10 -0.43** 0.05 -0.34** -0.33**
      注:*表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上显著相关。n=8
      Note: *Shows significantly differences at P =0.05, **Shows significantly differences at P=0.01, n=8.
    • 选择表层土壤最大持水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度、质量含水量、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、有效磷、全钾和pH值组成该区域的土壤肥力评价指标体系,进行主成分分析。设置特征值大于1的抽取方法,得出表 5中前5个主成分,第一主成分的方差贡献率最大,为38.86%,第二、三、四主成分的方差贡献率分别为20.93%、10.24%和8.36%,第五主成分的方差贡献率相对最小,为7.206%,并且抽取出的主成分累积方差贡献率为85.59%(>85%),证明可以基本反映土壤肥力系统的变异程度[23]

      表 5  各变量的特征根及相应的贡献率

      Table 5.  Characteristic roots of the variables and the corresponding contribution rate

      成分
      Ingredient
      初始特征值
      Initial eigenvalues
      提取平方和载入
      Extract the sum of square
      合计
      Total
      方差的百分比
      Variance/%
      累积的百分比
      Accumulation/%
      合计
      Total
      方差的百分比
      Variance/%
      累积的百分比
      Accumulation/%
      1 5.44 38.86 38.86 5.44 38.86 38.86
      2 2.93 20.93 59.78 2.93 20.93 59.78
      3 1.43 10.24 70.02 1.43 10.24 70.02
      4 1.17 8.36 78.38 1.17 8.36 78.38
      5 1.01 7.21 85.59 1.01 7.21 85.59
      6 0.76 5.44 91.03
      7 0.55 3.91 94.94
      8 0.42 3.02 97.96
      9 0.15 1.04 98.99
      10 0.09 0.67 99.67
      11 0.03 0.19 99.86
      12 0.02 0.12 99.98
      13 0.00 0.01 99.99
      14 0.00 0.00 100.00

      表 6为5个主成分的特征向量值,可看出不同土壤肥力因子对该主成分的贡献与反馈特征。

      表 6  5个主成分的特征向量

      Table 6.  The feature vector of five main components

      因子Factors 成份Ingredient
      1 2 3 4 5
      最大持水量MWH(x1) 0.95 -0.17 -0.11 0.11 0.01
      田间持水量FWH(x2) 0.20 -0.65 0.07 -0.53 0.45
      总孔隙度SP(x3) 0.90 -0.01 -0.04 0.13 -0.11
      毛管孔隙度CSP(x4) 0.01 -0.41 0.76 -0.20 -0.26
      土壤密度BD(x5) -0.90 0.13 0.33 -0.14 0.07
      质量含水量QWH(x6) 0.59 -0.17 -0.57 0.17 -0.03
      有机质SOM(x7) 0.48 0.81 0.18 0.13 0.11
      全氮TN(x8) -0.27 0.86 0.12 -0.10 0.06
      铵态氮NH4+N(x9) 0.23 0.10 0.41 0.52 0.63
      硝态氮NO3-N(x10) -0.75 0.28 0.20 0.24 -0.29
      全磷TP(x11) 0.34 0.74 0.07 0.38 -0.09
      有效磷AP(x12) -0.46 -0.45 -0.12 0.52 -0.21
      全钾TK(x13) -0.83 -0.17 0.24 -0.06 0.08
      pH(x14) 0.75 -0.07 0.28 -0.07 -0.41

      运用主成分分析综合评价模型,得到不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分。从表 7看出,不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分分别为1.90、0.92、-1.26,其中以杉木幼龄林土壤肥力较高,随后中龄林土壤肥力下降,到成熟林阶段土壤肥力又有所恢复。

      表 7  不同发育阶段土壤肥力综合得分

      Table 7.  Comprehensive scores of soil fertility quality in different age

      发育阶段Stage f1 f2 f3 f4 f5 综合得分
      Score
      幼龄林Juvenile 3.80 0.05 0.48 0.63 0.55 1.90
      中龄林Medium -3.10 -0.02 1.38 0.33 -0.54 -1.26
      成熟林Mature 0.50 1.97 1.36 0.74 -0.25 0.92
    • 根据前人研究[24-28], 利用各评价指标与植物生长效应确定隶属度函数。由于不同肥力指标对土壤的贡献不同,应赋予不同权重。为避免主观因素影响,采用相关系数法来计算。即首先根据之前各土壤因子的相关性分析分别求出各单项指标与其余指标的相关系数平均值,再以该单项指标占所有指标相关系数平均值总和的百分比,作为该单项肥力指标的权重。

      表 8得出,不同发育阶段杉木人工林的土壤肥力综合评价指数(SFI)分别是0.73、0.66和0.24,以幼龄林最高,成熟林其次,中龄林最低。

      表 8  土壤肥力指标的隶属度、相关系数均值、权重及最后得分

      Table 8.  Membership, the average correlation coefficient, the weight and the final score of soil fertility

      因子
      Factors
      幼龄林
      Juvenile
      中龄林
      Medium
      成熟林
      Mature
      相关系数均值
      Correlation coefficient
      权重
      Weights
      最大持水量MWH(x1) 1.00 0.01 0.56 0.16 0.13
      田间持水量FWH(x2) 1.00 0.02 0.62 0.21 0.17
      总孔隙度SP(x3) 0.57 0.54 1.00 0.23 0.19
      毛管孔隙度CSP(x4) 0.24 0.73 1.00 0.05 0.04
      土壤密度BD(x5) 0.55 1.00 1.00 -0.22 -0.18
      质量含水量QWH(x6) 0.31 0.23 1.00 0.18 0.15
      有机质SOM(x7) 0.63 0.54 0.74 0.24 0.19
      全氮TN(x8) 0.50 0.62 0.68 0.24 0.19
      铵态氮NH4+N(x9) 0.22 0.19 0.19 0.13 0.10
      硝态氮NO3-N(x10) 0.13 0.26 0.23 0.10 0.08
      全磷TP(x11) 0.93 0.57 1.00 0.11 0.09
      有效磷AP(x12) 0.27 0.62 0.19 -0.05 -0.04
      全钾TK(x13) 0.56 0.85 0.74 -0.04 -0.03
      pH(x14) 0.10 0.10 0.10 -0.10 -0.08
      SFI 0.73 0.24 0.66
    • 不同发育阶段对杉木人工林土壤物理和化学性质有显著影响。随发育阶段的增加,土壤密度先增大后减少,而土壤总孔隙度先减少后增加。说明随着杉木的生长,在幼龄林至中龄林阶段,林分郁闭度增加,林下光线愈发不足,使土壤水分条件下降,土壤密度和土壤总孔隙度朝恶化方向发展。但在中龄林至老龄林阶段,土壤物理性质又得到了好转。这与王宏星[12]对日本落叶松人工林不同发育阶段土壤理化性质变化研究所得结果一致。土壤有机质、总氮和全磷含量均以成熟林为最大,铵态氮和pH以幼龄林最大,硝态氮、有效磷和全钾以中龄林最大。说明在不同林龄下土壤化学性质都会因为林下植被、微生物数量和人为活动等因素影响。因此,在林业经营过程中,可以根据土壤具体条件来适当添加肥料,保持杉木持续速生。

      在同一发育阶段中,杉木人工林表层土与底层土之间存在差异;随着土层的加深,土壤密度逐渐增大,土壤含水率和孔隙度指标呈递减趋势。除全钾外,其余化学性质指标均随着层次的加深而减少,0~20 cm土层和其下土层的差异显著,说明土壤肥力指标具有明显的表聚效应,这与周德明[29]、吴永铃[17]、衣晓丹[14]等研究结论一致。另外,土壤质量含水量对土壤水分物理性质具有显著指示作用,有机质、pH值与土壤养分指标呈显著相关,与李沛霖[30]的研究结果不完全相同,说明在不同环境、不同发育阶段、不同立地条件下土壤的理化性质相关性存在空间异质性。因此,要进一步揭示杉木不同发育阶段土壤因子之间的关系,还需更深入的研究。

      利用主成分分析法和模糊评价法对不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合评价表明,不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的优劣排序为:幼龄林>成熟林>中龄林。这可能与不同发育阶段杉木的经营措施有关。杉木幼龄林虽有进行幼林抚育,但林分郁闭前林下植被较多,土壤肥力较好;中龄林后随杉木生长和林分郁闭,林下光照不足,林下植被少,杉木生长消耗了土壤大量养分,导致其土壤肥力下降;当杉木进入成熟后,通过间伐和自然整枝等,林下光照条件改善,林下植被发育较快,其土壤肥力得到一定改善。这与张昌顺[31]、马祥庆[32]等研究结论一致。此外为逐步恢复杉木人工林地土壤条件,可根据不同发育阶段的土壤肥力状况采取测土配方施肥技术,对人工林进行集约化管理,充分发挥闽北地区森林资源优势,彰显杉木人工林的生态—经济效益。

    • (1) 不同发育阶段、同一发育阶段不同土层之间人工林土壤物理、化学性质均存在差异。

      (2) 土壤质量含水量对土壤水分物理性质具有显著指示作用,而有机质、pH值对土壤养分指标有显著指示作用。

      (3) 通过主成分分析和模糊数学评价两种方法,均得出幼龄林土壤肥力最好,其次是成熟林,中龄林土壤肥力较差。建议在杉木生长达中龄时适当进行施肥、间伐等人工干预,增加杉木人工林的经济—生态效益。

参考文献 (32)

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