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土壤养分影响树木的健康生长和生态系统的稳定,因此土壤性质是评价土壤质量的重要指标[1]。植物结构元素:碳与限制元素:氮、磷相互作用调节植物生长[2]。微量元素是自然界中广泛存在的低含量的化学元素,也是植物生长发育所必需的[3]。了解土壤养分特性不仅能避免土壤养分失衡,还有助于保持土壤肥力水平从而提高作物品质和产量[4]。因此,对人工林土壤养分的研究,有利于理解人工林土壤养分和组成对人工林生长的促进和限制作用,以及人工林地力维持机制,为森林质量精准提升和可持续经营提供重要的理论和实践基础。
桢楠(Phoebe zhennan)是我国特有的珍贵用材树种,其材质坚硬致密、香味清雅,素有“木中金子”之称,位居四大名木之首,是建筑、高档家具和雕刻艺术品的绝佳用料[5, 6]。由于历代砍伐利用,致使桢楠天然林资源近于枯竭,目前市场上的桢楠木材主要源于“四旁”和枯死的桢楠林木[7, 8]。近年来,随着市场对珍贵木材需求的不断增加,桢楠人工林规模逐年增加。但是,在桢楠人工林快速发展的过程中,由于立地选择不当、经营管理粗放等诸多问题,导致大量的桢楠人工林生产力不高。尽管影响人工林生产力的因素复杂多样,但林地土壤养分状况无疑是一个至关重要的因素[9]。四川省是桢楠最适生区域和栽培面积最大的地区之一,本研究以桢楠人工林为研究对象,通过设置典型样地开展土壤养分测定,分析不同地区、龄组对桢楠人工林土壤养分的影响,探讨区域尺度上桢楠人工林的土壤养分特征,为桢楠人工林立地质量精准评价和可持续经营提供理论依据。
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研究区位于我国西南地区的四川省,处于26°03′ N—34°19′ N,97°21′ E—108°12′ E之间,分属三大气候,分别为四川盆地中亚热带湿润气候,川西南山地亚热带半湿润气候,川西北高山高原高寒气候,年均温16~18 ℃。四川省降水量的区域分布多寡差异显著,年降水量最多的区域达1 700 mm以上,最少雨区却不足400 mm。四川地貌复杂,以山地为主要特色,具有山地、丘陵、平原和高原4种地貌类型,土壤类型丰富,东西部明显分异,有25个土类,主要有赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、黄褐土等。
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考虑到不同林龄、坡向、坡位等因素,在四川桢楠人工林保存较好的11个县(区)内分别设置3个20×20 m的典型样地,并进行海拔、林龄、坡向等立地因子调查。林分年龄为4~400 a,共有幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林4个龄组。各样地的分布、地形因子和林分年龄见表1和图1。
样地
Plot样地数
Plot No.林龄
Age/a海拔
Altitude/m坡向
SA坡度
SG/°QLbhs 3 20 554 / 0 YCjfs 3 350 782 E 10 EMzfs 3 100 757 E 5 EMfhs 3 100 581 / 0 LSjj 3 4 434 W 20 DJYpzs 3 300 689 W 2 CZgsgs 3 100 592 WN 4 DJYlys 3 45 770 ES 14 DYgts 3 200 655 WN 14.5 YJyfs 3 400 1011 W 5 LZkqx 3 7 443 / 0 注:SA、SG分别表示坡向和坡度。QLbhs:邛崃市白鹤山,Ycjfs:雅安市雨城区金凤寺,EMzfs:峨眉山中峰寺,EMfhs:峨眉山伏虎寺,LSjj:乐山市夹江县,DJYpzs:都江堰市普照寺,CZgsgs:崇州市高山古寺,DJYlys:都江堰市灵岩山林场,DYgts:大邑县高堂寺,YJyfs:荥经县云峰寺,LZkqx:乐至县国家林业科技示范园
Note: SA, SG represent slope aspect and slope gradient. QLbhs: Baihe mountain, Qionglai city; Ycjfs: Jinfeng temple, Yucheng district, Ya'an city; EMzfs: E'meishan Zhongfeng temple; EMfhs: E'meishan Fuhu temple; LSjj: Jiajiang county, Leshan city; DJYpzs: Puzhao temple, Dujiangyan city; CZgsgs: Chongzhou city, Gaoshan ancient temple; DJYlys: Lingyanshan forest farm, Dujiangyan city; DYgts: Dayi countyTable 1. General information of sample plots in P. zhennan plantation
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采用S形取样法分别采集每个20×20 m样地内5点的0~20 cm、20~40 cm土层土壤,同一土层土壤均匀混合,装入土壤袋,风干过100目筛后进行土壤化学性质分析(表2)。土壤化学性质按国家林业局土壤养分分析标准测定土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、钙(Ca)和镁(Mg)的含量[10]。
土壤指标Soil index 单位Unit 测定方法Determination method SOC % 重铬酸钾-外加热法 TN g/kg 半微量凯氏定氮法 TP g/kg 酸溶-钼锑抗比色法 TK k/kg 氢氧化钠碱溶-火焰光度法 Ca g/kg 火焰光度法 Mg g/kg 火焰光度法 Table 2. Soil index and determination method
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以测定的SOC、TN和TP等6个指标为因变量,采用一般线性模型,分析不同龄组、林地、土层间土壤性质差异,若存在显著性差异,则进行S-N-K多重比较分析。以测定的6项土壤指标为对象,采用Pearson系数进行土壤性质之间的相关性分析。
对不同地区的土壤性质进行主成分分析,计算得到特征值和贡献率,然后计算某一地区的综合得分,结合全国第二次普查养分分级标准进行土壤养分分级和土壤质量评价。主成分综合评价模型为:
$ F=\sum {W}_{i}\times F\left(Xi\right) $ ,式中,F为综合评价得分,Wi为各土壤因子的权重,反映各评价指标的重要性。前期数据处理在Excel中进行,后期主要采用一般线性模型分析、多因素方差分析、相关性分析和主成分分析法在SPSS和Origin软件中进行。
1.1. 研究区概况
1.2. 样地设置
1.3. 土壤取样与测定
1.4. 数据处理
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由一般线性模型分析可知(见表3):四川不同地区桢楠人工林土壤在全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、钙(Ca)和镁(Mg)5项指标上差异显著(P<0.05),有机碳(SOC)差异不显著。由数据对比分析可知(见图2),荥经县桢楠人工林土壤TN和TK含量显著高于其他地区,邛崃市桢楠人工林土壤Ca、Mg含量显著高于其他地区。按照《全国第二次土壤普查养分分级标准》,所有样地SOC含量均较高,为第1级(>4%)。TN含量处于1级(YJyfs)~5级(QLbhs)之间,TP含量为3级(QLbhs、EMzfs和YJyfs)~5级(CZgsgs、DJYlys和DYgts)之间。所有样地土壤TK含量均低于0.30 g/kg,属极低水平。
变异来源
Source指标
IndexⅢ类平方和 Type
Ⅲ sums of squares自由度
df均方
Mean squareF 地点
SiteSOC 1988.221 9 220.913 1.551 TN 12.162 10 1.216 3.765** TP 1.337 9 0.149 5.149** TK 0.013 10 0.001 5.309** Ca 356.500 10 35.650 6.446** Mg 1.190 10 0.119 3.944** 误差
ErrorSOC 7120.619 50 142.412 TN 17.765 55 0.323 TP 1.442 50 0.029 TK 0.014 55 0.000 Ca 304.174 55 5.530 Mg 1.660 55 0.030 总计
TotalSOC 9108.841 60 TN 29.927 66 TP 2.779 60 TK 0.027 66 Ca 660.674 66 Mg 2.850 66 注:SOC有机碳,TN全氮,TP全磷,TK全钾,**表示0.01水平差异极显著
Note: SOC: soil organic carbon; TN: total Nitrogen; TP: total phosphorus; TK: total potassium, ** means significantly difference at the level of 0.01.Table 3. General linear model analysis result of soil nutrients difference of P. zhennan plantation in different regions
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SOC和TN含量由幼龄林至过熟林阶段呈逐渐增加的趋势,分别为20.42%~32.31%和1.18~1.67 g/kg;Ca含量呈先增加后减少的趋势,为2.99~5.88 g/kg;其余养分指标在各龄组间无明显变化趋势。由多因素的一般线性模型分析可知,桢楠人工林所有6个土壤养分指标在幼龄林、中龄林、成熟林和过熟之间均无显著性差异(见表4)。
变异来源
Source指标
IndexIII类平方和 Type
Ⅲ sums of squares自由度
df均方
Mean squareF 龄级 Age SOC 101.120 3 33.707 0.508 TN 0.396 3 0.132 0.387 TP 0.029 3 0.010 0.200 TK 0.001 3 0.000 5.563 Ca 17.067 3 5.689 0.456 Mg 0.035 3 0.012 0.457 重复 Rep SOC 53.765 3 17.922 0.270 TN 0.226 3 0.075 0.221 TP 0.067 3 0.022 0.463 TK 0.001 3 0.000 4.750 Ca 3.190 3 1.063 0.085 Mg 0.103 3 0.034 1.355 误差 Error SOC 199.072 3 66.357 TN 1.024 3 0.341 TP 0.145 3 0.048 TK 0.000 3 0.000 Ca 37.395 3 12.465 Mg 0.076 3 0.025 总计 Total SOC 353.957 10 TN 1.646 10 TP 0.241 10 TK 0.002 10 Ca 57.652 10 Mg 0.214 10 Table 4. General linear model analysis result of soil nutrients difference of Pheobe zhennan plantation with different age groups
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随着土层深度的增加,桢楠人工林土壤各养分含量整体上呈递减趋势,具有表聚性(见图3)。除DJYpzs、DYgts外,其余地区桢楠人工林土壤表层(0~20 cm)土壤SOC含量均显著高于风化层(20~40 cm)土层(P<0.05)。EMzfs土壤表层TP含量显著高于风化层,而EMfhs土壤表层TP含量显著低于风化层,其余地区土层间差异不显著。土壤全K、Mg含量随土层增加逐渐增加,表现出较为明显的表聚性。
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对11处桢楠不同林龄人工林土壤养分含量间进行相关性分析,不同指标相关性见表5。仅SOC和TN间呈显著的正相关关系,其余各性质指标间均不存在显著相关性。
指标Index SOC TN TP TK Ca Mg SOC 1.000 TN 0.463* 1.000 TP 0.254 0.172 1.000 TK 0.330 −0.167 0.158 1.000 TCa −0.079 −0.281 0.049 0.037 1.000 TMg 0.081 0.067 0.185 −0.316 −0.049 1.000 *表示显著相关(P<0.05)
*mean significant correlation (P<0.05)Table 5. Correlation between soil properties of P. zhennan plantation
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对桢楠人工林6项土壤因子进行主成分分析,找出影响土壤质量的主要土壤因子,并对不同地区土壤质量进行排序及评价。桢楠人工林不同地区主成分前3项的贡献率分别为35.30%、25.98%和12.67%,主成分前3项的累计贡献率达73.96%,已包含了大部分信息,因此提取前3个主成分(见图4和表6)。由表5可以看出,不同土壤养分因子对主成分的贡献与反馈特征不同,SOC、TN和TK对第1主成分的影响较大,第1主成分可以看作是这些指标的综合性因子,Ca和Mg对第2主成分的影响较大,第2主成分可以看作是Ca和Mg的综合性因子,而TP对第1和第2主成分的影响均较大。
变量
Variables主成分1
Principal component 1主成分2
Principal component 2主成分3
Principal component 3SOC 0.545 −0.071 −0.167 TN 0.530 −0.123 −0.224 TP 0.467 0.344 −0.291 TK 0.447 −0.024 0.824 TCa −0.068 0.669 0.332 TMg −0.001 0.643 −0.220 贡献率Contribution/% 35.30% 25.98% 12.67% 累计贡献率Cumulative contribution rate/% 35.30% 61.28% 73.96% Table 6. Principal component characteristic vector and cumulative contribution rate of soil nutrients of P. zhennan plantation
主成分分析可以反映土壤质量状况,得分越高代表土壤质量越好。由综合评价模型计算得到各区域桢楠人工林的综合得分前三位分别为YJyfs、EMzfs和YCjfs(见图5),这3个地区的土壤养分充足,最为适宜桢楠生长发育,推测雅安和乐山是发展桢楠人工林的较适宜区域。