南亚热带杉木林皆伐迹地不同植被恢复方式对土壤理化性质的影响

南亚热带杉木林皆伐迹地不同植被恢复方式对土壤理化性质的影响

桉树是桃金娘科桉属植物的总称。它具有快速生长、高度成熟和高品质的特点。已成为中国南方快速生长和丰富的林业战略树种。大面积种植桉树导致土壤地力衰退、林分产量下降,维持桉树人工林长期稳定的可持续发展已成为国内外关注的焦点。土壤是影响植物群落生存、结构和功能的重要环境因子之一,而土壤理化性质直接影响植物的生长状况。目前,有关桉树研究主要集中在桉树林土壤养分、植物多样性、生物量和碳储量及桉树水文效应等。在杉木林皆伐迹地采用桉树和阔叶树进行人工植被恢复对土壤理化性质的影响比较研究较少。本研究分析了我国南亚热带地区杉木林皆伐迹地不同人工植被恢复方式下(桉树1代、桉树第2代、不同林龄针阔混交林)土壤理化性质的差异,旨在为该区人工林营建中的树种选择、土壤养分评价及人工林持续经营措施的制定提供理论指导和科学依据。1材料和方法1.1桉树林抚育模式调查区位于广东省佛山市高明区云勇林场(11240′E、22°43′N)属于南亚热带湿润季风气候,年平均气温、最高气温和最低气温分别为22.0、34.5、3.5℃,雨量充沛,年降水量平均达2000mm,集中在4~8月。地势属丘陵地带,土壤为花岗岩发育的酸性赤红壤,土层深厚。2002—2003年和2007—2008年,在杉木皆伐迹地,选用桉树和阔叶树进行造林,造林抚育措施基本一致,即造林后前3年进行水平阶带状除草,种植穴施肥抚育,施肥量保持一致,桉树林抚育去除了杉木萌芽条,而阔叶林抚育只保留了单株杉木萌芽条。试验样地概况见表1。1.2样地的设置2013年8~10月,选择地形地貌、海拔、母岩、土壤类型等相同或相近,且基本相连10~11年生针阔混交林(简称针阔林Ⅰ)、第2代萌芽桉树林(简称桉树林Ⅱ)、5~7年生针阔混交林(简称针阔林Ⅲ)和第1代桉树林(简称桉树林Ⅳ)作为试验样地,在每个试验样地内分别设计3个土壤调查样地。1.2.1土壤容重测定在每个土壤调查样地内选择有代表性的部位,分别挖取3个土壤剖面,按照0~25、25~50、50~75、75~100cm土壤深度用100cm3环刀取样测定土壤容重,同时取土壤样品,每层3次重复,同层土壤取混合样约200g,分别装入自封袋中并做好标记。1.2.2测定指标与方法参考LY/T1215-1999《森林土壤水分-物理性质的测定》,由环刀法计算得到土壤容重、自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管空隙度、土壤通气性。将样品风干、碾磨、过筛后,分别测试土壤pH值、全氮、全磷、全钾,水解性氮、有效磷和速效钾,其中,pH值测定采用电位测定法;有机质用重铬酸钾氧化外加热法测定;全氮用氨气敏电极法测定;全磷用氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法测定;全钾用氢氧化钠碱熔火焰光度计法测定;水解性氮用碱解扩散法测定;有效磷用双酸浸提钼锑抗比色法测定;速效钾用乙酸铵浸提火焰光度计法测定。1.2.3单因素方差和主成分分析运用Excel将数据进行整理和预处理,利用SPSS16.0进行单因素方差(one-wayANOVA)和主成分分析。采用Duncan新复极差法比较各指标在各观测样地的差异性。采用双变量相关分析法计算各项理化指标两两之间的Pearson相关系数。2结果与分析2.1土壤理化性质与结构土壤物理性质是土壤肥力的重要因素。其好坏直接或间接地影响着土壤的水、肥、气、热等状况。土壤容重反映土壤的松紧程度及孔隙状况,反映土壤透水性、通气性和根系伸展时阻力的大小。由图1可知,不同试验林,土壤容重介于1.34~1.41g/cm3之间,其大小依次为针阔林Ⅰ>桉树林Ⅱ>针阔林Ⅲ>桉树林Ⅳ,在0~75cm土层,4种试验林土壤容重随土层深度的增加呈上升趋势随着土层深度的继续增加呈现下降趋势。在0~25、50~75、75~100cm的土层,4种试验林间土壤容重间差异不显著,而25~50cm与0~100cm土层4种试验林土壤容重变化趋势一致。4种试验林土壤自然含水量大小表现为针阔林Ⅰ>针阔林Ⅲ>桉树林Ⅳ>桉树林Ⅱ,表明桉树种植使土壤含水量减少,对水分消耗增加。土壤孔隙度的大小、数量及分配是土壤物理性质的基础,也是评价土壤结构特征的重要指标。由图2可知,4种试验林土壤总孔隙度介于42.48%~46.98%之间,0~100cm土层内4种试验林间土壤总孔隙度差异不显著,但针阔混交林土壤总孔隙度高于桉树林。土壤毛管孔隙度介于38.21~44.38%之间,在0~100cm土层内,针阔混交林土壤毛管孔隙度显著高于桉树林,表明桉树林土壤中有效水的贮存容量变小,吸持水分维持自身生长发育的能力降低,保水性能变差。由图3可知,在0~25cm土壤表层,桉树林土壤非毛管孔隙度显著高于针阔林,说明桉树接纳降水量和减少地表径流量的能力优于中幼龄针阔混交林,在一定程度上具有涵养水源和削减洪水的作用,在25~50、50~75、75~100cm土层,4种试验林间土壤非毛管孔隙度差异不显著;土壤非毛管孔隙度大小表现为桉树林Ⅱ>桉树林Ⅳ>针阔林Ⅲ>针阔林Ⅰ。土壤通气性大小表现为针阔林Ⅲ>桉树林Ⅱ>桉树林Ⅳ>针阔林Ⅰ,说明10~11年林龄的针阔混交林土壤通透性好于其他3种林分。相关性分析(表2和表3)可知,针阔混交林土壤容重与土壤自然含水量、有机质含量、全氮含量和水解氮含量呈极显著负相关,土壤容重与有机质含量相关系数最高,土壤容重受有机质含量影响最大。土壤自然含水量与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关,土壤自然含水量受土壤毛管孔隙度影响最大,而与土壤通气性呈极显著负相关,土壤非毛管孔隙度与土壤通气性呈极显著正相关。桉树林土壤容重与土壤自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通气性、土壤有机质含量、全氮、全磷、水解氮和速效钾存在极显著负相关,其中土壤容重与土壤通气性和有机质含量相关性最高,桉树林土壤容重受土壤通气性和有机质含量影响最大。土壤自然含水量与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关,且与毛管孔隙度相关系数最高,自然含水量受土壤毛管孔隙度影响最大。2.2土壤有机质提高与土壤全氮、水解氮含量关系由图4可知,4种试验林土壤pH值介于4.03~4.5之间,呈强酸性,研究发现,桉树林土壤pH值显著高于针阔林,说明针阔混交林土壤酸性强于桉树林。4种试验林0~25cm土层土壤有机质含量最高,并随土壤深度的增加呈下降的趋势,各试验林间土壤有机质含量差异不显著,但与中幼龄针阔混交林相比,桉树林土壤有机质含量低于针阔混交林,其中桉树第2代对土壤有机质消耗最大。相关性分析(表2和表3)可知,桉树林和针阔混交林土壤有机质与全氮、水解氮和有效磷呈极显著和显著正相关,有机质与全氮和水解氮相关性最高,说明土壤中绝大部分氮素以有机态存在,故有机质对全氮和水解氮含量具有重要影响。由图5可知,4种试验林表层土壤全氮和水解氮含量最高,随土层深度的增加,土壤全氮和有效氮含量逐渐下降,其变化趋势与土壤有机质变化趋势一致。在0~25cm土层不同试验林间土壤全氮和水解氮差异不显著,这主要与土壤表层有机质含量有关。土壤全氮含量表现为针阔林Ⅲ>针阔林Ⅰ>桉树林Ⅳ>桉树林Ⅱ,而土壤有效氮含量表现为针阔林Ⅰ>针阔林Ⅲ>桉树林Ⅳ>桉树林Ⅱ,研究表明,针阔混交林土壤全氮和有效氮含量均高于桉树林,桉树第2代呈现出最低的全氮和有效氮。由图6可知,不同土壤层次针阔林Ⅰ土壤全磷含量显著高于其他林分,而桉树林Ⅱ、针阔林Ⅲ和桉树林Ⅳ间土壤全磷含量差异不显著,针阔混交林土壤全磷氮量明显高于桉树林。在0~100cm土层,土壤有效磷含量随土壤深度的增加呈下降的趋势,4种试验林分间土壤有效磷含量差异不显著,其大小表现为桉树林Ⅱ>针阔林Ⅲ>针阔林Ⅰ>桉树林Ⅳ。相关性分析(表2和表3)可知,土壤有效磷含量与土壤通气性、土壤有机质含量、全氮和水解氮呈极显著或显著正相关,而与土壤全磷含量相关性不显著。由图7可知,不同土层深度和不同试验林分间土壤全钾含量差异不显著,说明土层深度和试验林分对土壤全钾含量影响不大。在0~100cm土层,桉树林土壤速效钾含量显著高于针阔混交林。2.3主成分的提取由于影响土壤理化性质的因素很多,且诸多因素存在一定的相关性,致使反映土壤理化状况的若干指标信息发生较大的重叠。主成分分析方法可在复杂的土壤理化指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标,这些综合指标能反映出原来全部指标所提供的大部分信息。本研究选取容重、自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通气性、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、速效磷和速效钾14个因子(依次用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14表示),运用主成分分析法对针阔混交林和桉树林土壤理化性质的影响进行了综合评价。为避免计算结果受变量量纲和数量级不同的影响,保证其客观性和科学性,需先对原始数据矩阵进行标准化处理,由SPSS软件进一步求出矩阵的特征值、特征向量、贡献率和累积贡献率(表4)。根据特征值≥1的原则,提取了4个主成分。由表4可以看出,第1主成分对于总方差的贡献率为41.295%,第2主成分贡献率为18.920%,第3主成分贡献率为14.210%,第4主成分贡献率为10.760%,4者之和为85.185%,即前4个主成分能把土壤理化性质指标提供信息的85%反映出来。第1个主成分因子荷载量较大的指标有土壤自然含水量和全磷;第2个主成分因子荷载量较大的指标有土壤速效钾和土壤pH值;第3个主成分因子荷载量较大的指标有容重和有机质;第4个主成分因子荷载量较大的指标有速效P和全K。主成分是原p个指标的线性组合,各指标的权数为特征向量rij,它能代表各单项指标对于主成分的重要程度并决定了该主成分的实际意义。根据主成分计算公式,可得到4个主成分与原14项指标的线性组合如下:把标准化的数据代入上式,可得到12个调查样地分别在4个主成分上的得分。依据F=b1Z1+b2Z2+b3Z3+b4Z4+…bkZk,得F=0.4130Z1+0.1892Z2+0.1421Z3+0.1076Z4,从而求得综合得分F。表5是各个主成分的得分及综合得分。从表5可知,土壤肥力表现为针阔混交林Ⅰ>针阔混交林Ⅲ>桉树林Ⅱ>桉树林Ⅳ。3土壤理化性质与桉树1代相比,桉树第2代土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤通气性均有不同程度的上升,但桉树1代和2代土壤物理指标间差异不显著,桉树2代土壤有机质、全氮、全磷、全钾和水解氮均有不同程度下降,而土壤pH值、有效磷和速效钾则呈上升的趋势,桉树1代和2代土壤养分指标间差异不显著。与针阔混交林相比,桉树土壤容重、自然含水量、总孔隙度、毛管孔隙度均低于针阔混交林,表明桉树林土壤中有效水的贮存容量变小,吸持水分维持自身生长发育的能力降低,保水性能变差。而土壤非毛管空隙度和土壤通气性高于针阔混交林,说明桉树接纳降水量和减少地表径流量的能力优于中幼龄针阔混交林,在一定程度上具有涵养水源和削减洪水的作用桉树土壤有机质、全氮、全磷和水解氮含量均低于针阔混交林,而桉树土壤pH值高于针阔混交林。相关性分析表明,4种试验林土壤容重与土壤自然含水量、有机质含量、全氮和水解氮存在极显著负相关,土壤自然含水量与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关,且与毛管孔隙度相关系数最高,自然含水量主要受土壤毛管孔隙度的影响。4种试验林土壤有机质与全氮、水解氮和有效磷呈极显著和显著正相关,有机质与全氮和水解氮相关性最高,说明土壤中绝大部分氮素以有机态存在