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土壤养分影响林木生长、林分生产力[1-2]。在土耳其地中海地区,黎巴嫩雪松(Cedrus libani Rich.)的树高与土壤pH值呈负相关,而与土壤Mn、Cu和K含量呈正相关[3];湖北江汉平原栽培的杨树,其胸径和树高生长受土壤Zn和N含量的显著影响[4]。在用材林造林决策和经营管理过程中,获取最大的立地生产力是重要的目标之一[5]。立地指数常作为评价立地生产力大小的指标[6],其受土壤养分的影响因树种而异:如无梗花栎(Quercus petraea (Mattuschka) Liebl.)的立地指数与土壤Mg、S含量以及K/P2O5和Mg/K密切相关,而与C/N相关不显著[7];韩国西海岸生长的黑松(Pinus thunbergii Parl.),其立地指数受土壤Ca-P含量的显著影响[8];西班牙西北部土壤速效K含量与辐射松(P. radiata D. Don)立地指数间呈显著正相关[9]。对于同一树种而言,影响立地指数的养分因子因栽培区域而异:如苏格兰东北部的北美云杉(Picea sitchensis (Bong.) Carrière),其立地指数受表层土壤全N和全P含量的显著影响[10];而在阿拉斯加东南部,土壤有机C含量与北美云杉立地指数间呈显著正相关[11]。研究土壤养分与立地指数间的关系对于造林决策、无林地立地生产力估算等具有重要意义[12]。
西南桦(Betula alnoides Buch.-Ham. ex D. Don)是热带、南亚热带地区的一个速生珍贵用材树种,其木材材质优良,用途广泛,市场需求大。目前,西南桦在广西、云南等省区均大规模种植,其人工林面积已逾15.0万hm2[13]。在西南桦人工林快速发展过程中,由于立地选择不当、经营管理粗放等诸多原因,造成大量西南桦林分生产力低下。尽管影响西南桦林分生产力的因素复杂多样,林地土壤养分状况无疑是一个至关重要的因素。广西大青山林区为西南桦栽培最早的地区,本研究以其西南桦人工林为研究对象,设置典型样地开展林木生长调查与土壤养分测定,系统分析其林地土壤养分状况,探讨西南桦的土壤适应性,揭示土壤养分与立地生产潜力间的关系,为西南桦造林地选择、养分管理提供参考。
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考虑不同年龄、坡向、坡位等因素,在热带林业实验中心的青山、白云和伏波3个实验场西南桦人工林内分别设置17、14、16块600 m2的典型样地,并进行海拔、坡向等立地因子调查及常规生长测定。各样地的地形因子和林分年龄见表 1。
样地号
Plot No林龄
Age/a海拔
Altitude/mSA SP SG/(°) SI b1 14 670 SHA U 28.0 20 b2 14 670 SHA U 16.0 18 b3 14 670 SHA U 28.0 18 b4 17 460 SSHA M 36.0 20 b5 17 460 SSHA M 37.0 24 b6 17 455 SSHA M 39.0 22 b7 17 564 SSUN M 14.0 20 b8 17 485 SUN M 31.0 18 b9 17 485 SUN M 32.0 16 b10 17 390 SSUN L 37.0 18 b11 17 390 SSUN L 28.0 18 b12 17 400 SUN M 22.0 16 b13 17 400 SUN L 28.0 20 b14 17 405 SUN L 34.0 22 f1 14 460 SSUN L 39.0 22 f2 14 460 SHA L 34.0 26 f3 14 460 SHA L 26.0 24 f4 14 460 SHA L 24.0 26 f7 24 600 SSUN U 36.0 22 f8 24 600 SHA U 32.0 18 f9 24 600 SHA U 42.0 20 f11 13 640 SUN U 28.0 16 f12 13 640 SUN U 31.0 20 f13 13 640 SSUN M 32.0 28 f14 13 640 SHA U 37.0 20 f15 13 640 SSHA U 34.0 22 f16 15 440 SSUN M 31.0 18 f18 15 440 SSUN M 31.0 18 f21 16 480 SHA M 28.0 20 f23 16 480 SHA M 32.0 20 q1 12 230 SHA U 14.0 18 q2 12 230 SHA U 9.0 18 q3 12 230 SHA U 23.0 18 q4 13 190 SHA U 15.0 18 q5 13 190 SHA U 22.0 20 q6 13 190 SHA U 26.0 18 q7 20 260 SSUN U 23.0 20 q8 20 240 SSUN U 21.0 18 q9 20 250 SUN U 25.0 20 q10 20 250 SUN U 21.0 20 q11 20 250 SUN U 21.0 18 q12 20 240 SUN U 18.0 18 q14 12 523 SSUN M 37.0 16 q15 12 500 SSUN M 37.0 16 q16 12 550 SSUN M 34.0 20 q17 12 550 SUN M 32.0 22 q18 12 550 SUN M 31.0 20 注:SA、SP、SG、SI分别表示坡向、坡位、坡度和立地指数;b、f、q分别表示白云、伏波和青山实验场;SUN、SSUN、SHA、SSHA分别表示阳坡、半阳坡、半阴坡和阴坡;U、M、L分别表示上、中和下坡位。
Note:SA, SP, SG, SI represent slope aspect, slope position, slope gradient and site index; b, f, and q represent Baiyun, Fubo and Qingshan Experimental Stations; SUN, SSUN, SHA and SSHA represent sunny, semi-sunny, shade and semi-shade slopes; and U, M and L represent upper, middle and lower slopes, respectively.Table 1. General situations of the plots in Betula alnoides plantations
在每个样地的对角线上设置3个5 m×5 m的样方,每个样方挖取1个土壤剖面,取030 cm土壤约1 kg带回实验室,按国家林业局土壤养分分析标准制样并测定土壤pH值及有机质、全N、全P、全K、有效N、有效P、速效K、交换性Mg、活性Al的含量[14]。
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依据全国第二次土壤普查养分分级标准进行土壤养分分级[15]。
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每个样地的立地指数来自文献[16]中的“广西热林中心西南桦人工林立地指数表”。根据样地调查资料,每个样地选取5株优势木或亚优势木求其平均高,查表获得其立地指数(表 1)。
西南桦喜温凉气候,偏低海拔立地会因为温度高而影响西南桦生长[17],由表 1亦可以看出,海拔小于300 m的11个样地,其立地指数普遍偏小。300 m以上海拔较适宜西南桦生长,因此,在分析土壤养分特征与立地生产力的关系时仅针对海拔300 m以上的样地。35个样地的立地指数介于16 m与28 m之间,其均值约为20 m。据此将立地分为两类:大于20为高产组,小于或等于20为低产组(表 2)。采用独立样本t检验比较高产组和低产组之间各土壤养分的均值及其差异显著性。数据处理与分析均采用SPSS 22.0软件进行。
立地分组
Site groups样地数
Plot number样地号
Plots code立地指数(均值SD)
SI (Mean SD)显著性
Sig.HPS 11 b5, b6, b14, f1, f2, f3, f4, f7, f13, f15, f17 23.64±2.16 LPS 24 b1, b2, b3, b4, b7, b8, b9, b10, b11, b12, b13, f8, f9, f11, f12, f14, f16, f18, f21, f23, q14, q15, q16, q18 18.50±1.59 0.000 注:HPS和LPS分别表示高产和低产立地,下同。
Note: HPS and LPS represent site with high and low productivity, respectively. The same below.Table 2. Site group division for 35 plots in Betula alnoides plantations of medium to high altitudes at Daqing Mountain, Guangxi
2.1. 样地设置及土壤样品采集与测定
2.2. 土壤养分分级标准
2.3. 立地分组及其土壤养分差异性分析
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依据全国第二次土壤普查养分分级标准,广西大青山西南桦人工林地土壤为强酸性;其有机质、有效N、全N含量高;速效K、全P、交换性Mg缺乏;有效P、全K甚缺(表 3)。各土壤化学性质指标变异系数的变化范围为0.041.02,pH值的变异性最弱,全K含量的变异性最强(表 3)。
因子
Regimes最小值
Min最大值
Max均值
Mean标准差
S.D变异系数CV pH (H2O) 3.93 4.67 4.21 0.19 0.04 OM /(g·kg-1) 16.54 89.40 37.60 13.87 0.37 AN /(mg·kg-1) 64.38 324.27 134.61 52.36 0.39 AP /(mg·kg-1) 0.78 2.24 1.38 0.36 0.28 AK/ (mg·kg-1) 6.27 89.66 44.64 21.22 0.48 TN /(g·kg-1) 0.68 2.91 1.52 0.43 0.28 TP/ (g·kg-1) 0.11 0.69 0.34 0.13 0.37 TK/ (g·kg-1) 0.76 15.78 4.58 4.65 1.02 EMg /(cmol·kg-1) 0.07 1.03 0.27 0.18 0.66 AAL/ (g·kg-1) 15.77 57.75 35.22 12.54 0.36 注:OM、AN、AP、AK、TN、TP、TK、EMg、AAL分别表示有机质、有效N、有效P、速效K、全N、全P、全K、交换性Mg和活性Al含量;下同。
Note: OM, AN, AP, AK, TN, TP, TK, EMg and AAL refer to contents of organic matter, available nitrogen, available phosphorus, available potassium, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, exchangeable magnesium and active aluminum, respectively. The same below.Table 3. Chemical properties of soils in 47 sampling plots of Betula alnoides plantations at Daqing Mountain, Guangxi
从表 3亦发现:大部分养分含量的最小值和最大值相差几倍至十几倍,仅以均值并不能全面反映出林地土壤各养分丰缺程度。进一步分析各样地土壤养分含量的分布频率(表 4)可知:90%以上样地属于强酸性土壤;绝大部分样地的土壤有机质、有效N、全N含量处于中等偏上水平;所有样地土壤有效P甚缺,全P、全K、速效K、交换性Mg含量中等偏下。
% 项目Item 丰Rich 高High 中Middle 低Low 缺Deficient 甚缺More deficient pH (H2O) (碱Alkali)0 (微碱Subalkaline)0 (中性Neutral)0 (微酸Micro acid)0 (酸Acid)8.5 (强酸Strongly acid)91.5 OM 38.3 29.8 29.8 2.1 0.0 0.0 AN 34.1 17.0 31.9 17.0 0.0 0.0 AP 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 100.0 AK 0.0 0.0 0.0 27.7 51.1 21.3 TN 6.4 42.6 42.6 6.4 2.1 0.0 TP 0.0 0.0 2.1 31.9 53.2 12.8 TK 0.0 0.0 4.3 14.9 10.6 70.2 EMg 0.0 0.0 2.1 14.9 38.3 44.7 Table 4. Frequency distribution of soil nutrients in sampling plots of Betula alnoides plantations at Daqing Mountain, Guangxi
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由表 5可知:高产和低产组两类立地间土壤有机质和全K含量呈极显著差异(P<0.01),有效N含量差异显著(P<0.05),速效K含量在0.1水平上差异显著(P=0.076),其它养分指标均差异不显著(P≥0.05)。
指标
Index立地分组
Site group均值
Mean标准差
SDt 显著性
Sig.pH(H2O) LPS
HPS4.14
4.190.18
0.19-0.825 0.416 OM/(g·kg-1) LPS
HPS31.70
45.726.51
14.673.018 0.005 AN/(mg·kg-1) LPS
HPS116.33
157.7727.49
62.282.102 0.043 AP/(mg·kg-1) LPS
HPS1.46
1.450.36
0.420.058 0.954 AK /(mg·kg-1) LPS
HPS41.18
56.9022.20
26.40-1.833 0.076 TN/(g·kg-1) LPS
HPS1.40
1.660.26
0.531.545 0.132 TP/(g·kg-1) LPS
HPS0.38
0.330.14
0.111.048 0.302 TK/(g·kg-1) LPS
HPS1.68
3.120.86
2.26-2.765 0.009 EMg/(cmol·kg-1) LPS
HPS0.21
0.200.12
0.120.168 0.868 AAL/(g·kg-1) LPS
HPS42.06
37.128.92
11.381.396 0.172 Table 5. Comparison of soil nutrient status at high and low productivity sites