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

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。

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。

从表 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。

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。

从表 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)。

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。

从表 4、5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。

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。

由表 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。

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)。

由表 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)。

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。

由表 10、11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。

由表 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。

由表 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。

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。