不同林分类型闽楠人工林土壤养分对比分析

黄 笑，李际平，赵春燕，曹小玉，石 乐

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

不同林分类型闽楠人工林土壤养分对比分析

黄 笑，李际平，赵春燕，曹小玉，石 乐

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

为了研究不同林分类型闽楠人工林土壤氮、磷、钾元素含量以及其随土壤层次分布的变化规律。以湖南省金洞林场14年生闽楠-木荷混交林、14年生闽楠纯林、杉木林下补植4年生闽楠-木荷混交林，4年生闽楠纯林为研究对象，对4层深度(0～20、20～30、30～45、45～60 cm)土壤的氮、磷、钾等养分实测数据进行对比分析。结果如下：氮、全钾元素含量在整个土层(0～60 cm)中、速效磷元素含量在20～60 cm土层中14年生闽楠—木荷混交林较14年生闽楠纯林多28.15%、23.82%、11.49%，全磷及速效钾元素含量14年生纯林较混交林多65.97%、26.95%。林下补植4年生闽楠混交林林分土壤中表层和底层速效氮较4年生闽楠纯林多21.31%、16.22%；磷及速效钾元素含量在整个土层(0～60 cm)中较4年生闽楠纯林多92.53%、16.11%，4年生闽楠纯林土壤中全氮及全钾含量较林下补植混交林多8.74%、23.90%。这些结果表明14年生闽楠—木荷混交林土壤养分水平较14年生闽楠纯林高，杉木林下补植4年生闽楠混交林分土壤速效元素含量比4年生闽楠纯林多，营造闽楠—木荷混交林可以改善由于杉木连载造成的地力衰退，为闽楠人工林近自然经营提供理论依据。

闽楠；土壤养分；近自然经营

土壤是森林生态系统的重要组成部分，是植物群落发生和发展的物质基础，植物群落又反过来影响着土壤性质和肥力状况[1]。土壤养分是林木生长发育所必需的物质基础，同时也是土壤因子中易于被控制和调节的因子[2]。彭龙福对福建顺昌县埔上国有林场37年生不同立地条件楠木林研究发现各养分元素含量除铜元素外均随林分立地质量的下降而减小[3]。

闽楠是珍贵阔叶树种，经济价值高，但闽楠天然林少，并长期受到过度砍伐，人工林生长缓慢，所以闽楠资源越来越少。目前对于闽楠研究也较少，吴载璋在福建省尤溪国有林场进行楠木与杉木混交林试验，表明楠木与杉木混交对林木生长有促进作用，混交林中楠木的胸径、树高、单株材积和林分蓄积均明显高于楠木纯林[4]。衣晓丹对杉木纯林以及杉木分别与马尾松、毛竹、火力楠、木荷、油桐构成的混交林下的土壤养分进行了对比，并对土壤养分和杉木生长因子进行相关分析[5]。由于金洞林场长期以来主要以种植杉木人工林为主，近年来由于树种结构不合理，连载造成地力退化[6]，开始进行杉木人工林近自然化改造种植闽楠人工林，且目前关于闽楠人工林林下土壤养分方面的研究较少，本论文通过分析金洞林场闽楠纯林、混交林土壤养分的差异，以期为合理保护和利用金洞林场闽楠森林资源，发挥其水源涵养功能并为闽楠近自然森林经营提供理论依据。

1 研究地概况

试验地金洞林场位于湖南省永州市祁阳县南部金洞管理区（26°2′10″～ 26°21′37″N，110°53′43″～ 112°13′37″E），东西宽约 33 km，南北长约36 km，总面积635 km2。金洞国有林场属中亚热带东南季风湿润气候区，年平均气温18℃，极端最高气温40℃，极端最低气温-8℃，年降水量1 600～1 890 mm，森林覆盖率达到75.18%。近年来，金洞林场开始推广种植以闽楠为主的乡土阔叶树种，目前被评为楠木之乡。该区土壤以黄红壤和黄壤为主，海拔1 000 m以上的主要为黄棕壤，丘陵地区以红壤为主，土层厚度一般在60 cm以上，土壤较疏松，通气良好，质地轻至中壤，石砾含量一般在20%～30%，土壤呈酸性。土壤微生物小循环非常明显，有利于形成树木生长所需的养分。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

2015年8月，在湖南省永州市金洞林场选择立地条件基本一致4种林分类型为研究对象：14年生闽楠纯林、14年生闽楠木荷混交林、杉木林下补植的4年生闽楠木荷混交林和4年生闽楠纯林，在4种林分类型中分别随机选择设置3块面积为20 m×30 m的标准地，共12块。在每块标准地内随机设置“品”字形土壤坡面3个，于0～20 cm、20～30 cm、30～45 cm以及45～60 cm四层，分别用环刀（100 cm3）取土壤，用于测定土壤的容重、持水量和孔隙度等物理性质。同时再将分层取的土样按不同的样地混合后拿回实验室测定土壤化学性质，一共48个土样，样地物理性质基本情况见表1。

表1 调查样地基本情况表†Table 1 Basic situation of sampling plots

2.2 土壤物理性质计算方法

（1）土壤毛管持水量

式中：W0为土壤持水量（%）；Pt为环刀内湿土质量（g）；P0为环刀内干土质量（g）。

（2）土壤容重

式中：Y为土壤容重(g/cm3)；g为环刀内湿样质量(g)；V为环刀体积(cm3)；W为样品含水百分数(%)。

（3）土壤孔隙度

式中：P1为土壤毛管孔隙度（%）；Y为土壤容重（g/cm3）；W0为土壤持水量（%）。

2.3 土壤养分测定方法

将取得的48个土样风干后过0.25 mm和0.149 mm筛，以测定土壤全氮，全磷，全钾、速效氮、速效磷、速效钾有机质以及pH值。全氮采用半微量凯氏法，全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠碱熔—火焰光度法，速效氮采用氯化钠浸提蒸馏法，速效磷采用盐酸—氟化铵法，速效钾采用中性醋酸铵浸提、火焰光度法，有机质采用重铬酸钾容量法（外加热法）、pH值采用pH酸度计法测定[7]。

2.4 数据处理及分析

采用软件Excel（2007）和SPSS（19.0）进行数据分析和图表处理。其中，闽楠土壤物理、化学性质进行单因素ANOVA方差分析，并用LSD（最小显著差数法）多重比较法进行差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 14年生闽楠-木荷混交林与14年生闽楠纯林土壤养分分析

森林土壤中氮元素含量的变化与有机质含量的变化基本一致，主要取决于有机质的积累和分解的速度，土壤微生物的活动对土壤氮元素含量也有较大影响。方差分析表明，14年生闽楠纯林20～30 cm土层全氮含量显著高于其他三个土层（P＜0.05），14年生闽楠混交林0～20 cm、20～30 cm土层土壤全氮含量显著高于其他两层（P＜0.05）。从图1可以得到闽楠混交林全氮的含量在整个土层（0～60 cm）均大于纯林，分别高于纯林20.99%、6.44%、15.48%、12.73%，表现出随着土层深度增加而降低的趋势，说明混交林对于土壤全氮含量的影响随着土层的增加而减少。土壤中速效氮主要以铵态氮和硝态氮的形式存在，是易淋失和被植物吸收的。方差分析表明，纯林上中下土层土壤速效氮含量存在显著差异（P＜0.05），而混交林表层土壤速效氮含量显著高于其他各层（P＜0.05）。闽楠混交林速效氮的含量在整个土层（0～60 cm）也均大于纯林，这与全氮的规律一致。分别高于纯林59.99%、53.99%、0.20%、55.39%，表现出随着土层加深而下降的趋势，说明闽楠混交林具有比闽楠纯林更高的生物归还量，从而提高土壤氮元素的含量，并且闽楠混交林土壤表层腐殖质较多，微生物活动更加频繁，土壤中植物可直接利用的速效氮更多。

图1 不同林分类型土壤氮元素含量Fig.1 Soil nitrogen contents of different forest types

土壤中的磷是植物生理、生化过程中不可缺少的元素，磷素形成可分为有机磷和无机磷，其中以有机磷占多数。一般全磷量小于0.8～1.0 g/kg以下时土壤出现磷素供应不足。图2显示闽楠纯林和混交林均表现出磷素供应不足的现象。闽楠纯林全磷含量在整个土层（0～60 cm）中均比混交林高，其中20～30 cm、45～60 cm土层纯林比混交林高35.73%、34.37%，这与楠木凋落物P的释放率比木荷凋落物P的释放率高有关[8]。方差分析表明，纯林各土层土壤全磷含量间不存在显著差异（P＜0.05），混交林表层土壤全磷显著高于其他各层（P＜0.05）。土壤中速效磷含量是衡量土壤磷素供应状况的较好指标，较全磷相比，闽楠纯林土壤速效磷含量只在0～20 cm土层中比混交林多313.01%，其他土层混交林均比纯林多，其中30～45cm土层闽楠混交林较纯林多21.82%。方差分析表明，0～20 cm土层土壤速效磷含量显著高于其他各层（P＜0.05），说明闽楠纯林在土壤表层富集较多的速效磷，而随着土层加深，混交林表现出更强的分解释放速效磷能力。

图2 不同林分类型土壤磷元素含量Fig.2 Soil phosphorus contents of different forest types

钾能加速植物对CO2的同化过程，能促进碳水化合物的转移、蛋白质的合成和细胞的分裂。在整个土层（0～60 cm）闽楠混交林土壤全钾含量均高于纯林（见图3），分别高于纯林14.65%、18.47%、32.33%、29.56%，其中纯林土壤全钾含量表现出随土深增加而减少的趋势，混交林土壤全钾含量在四个土层中基本一致，表明混交林对土壤下层全钾含量影响较大，能促进土壤下层微生物分解释放钾元素。土壤中的速效钾包括土壤溶液中的钾和吸收在土壤胶体表面的代换性钾，是土壤钾素的现实供应指标，其含量不仅受成土母质的影响，而且还与植物和土壤水分的淋洗状况有关[9]。速效钾与全钾变化规律相反，表现出纯林土壤速效钾含量较混交林多。方差分析表明，14年生闽楠纯林不同土层间速效磷含量差异不显著（P＜0.05），14年生混交林0～20 cm、20～30 cm土层土壤速效钾含量显著高于其他两层（P＜0.05）纯林土壤速效钾含量在不同土层中基本一致，而混交林速效钾含量随土层深度增加表现出逐渐下降的趋势，表明混交林较纯林具有较少的植物和土壤水分的淋洗，从而速效钾元素富集于土壤表层。

3.2 杉木林下补植4年生闽楠-木荷混交林与4年生闽楠纯林土壤养分分析

方差分析表明，4年生纯林与林下补植混交林均呈现表层土壤全氮含量显著高于底下各层（P＜0.05）。由图4所示，4年生闽楠混交林和纯林土壤全氮含量均随着土壤深度增加而逐渐降低，符合土壤氮元素的变化规律，4年生闽楠纯林林分土壤全氮含量在整个土层中（0～60 cm）均较混交林高，在20～30 cm土层中纯林比林下补植多14.37%，这与4年生闽楠混交林类型是在杉木林下补植有关，由于杉木连载土壤中的N 含量会下降且杉木凋落物初始N含量（6.19 g/kg）较闽楠（7.61 g/kg）低，杉木凋落物分解速率较闽楠慢[8]。而土壤速效氮含量在20～30 cm和45～60 cm土层中，林下补植混交林较全光生长纯林高，且高出21.31%、16.22%。说明林下补植混交林较全光造纯林可被植物直接利用的速效氮在某些土层多，且可能随着补植时间的增加效果越明显。

图3 不同林分类型土壤钾元素含量Fig.3 Soil potassium contents of different forest types

图4 不同林分类型土壤氮元素含量Fig.4 Soil nitrogen contents of different forest types

由图5可以看出，土壤全磷含量在两种林分类型中均表现出缺乏的现象。在整个土层（0～60 cm）中，林下补植4年生混交林分土壤全磷含量均较纯林高，主要是由于杉木林下补植混交林在各个土层（0～60 cm）pH值均较纯林低，林下补植混交林分土壤的酸性对土壤全磷有较强的活化能力。土壤速效磷表现出和全磷相同的规律，林下补植混交林在整个土层（0～60 cm）中均较纯林多，分别高于纯林132.84%、125.52%、193.24%、198.08%。林下补植混交林和纯林土壤速效磷含量均表现出随着土层加深而减少的趋势。林下补植混交林分土壤0～20 cm层全磷含量0.657 mg/kg小于20～30 cm层全磷含量0.660 mg/kg，而速效磷含量却表现出相反的现象，主要是由于杉木林下补植混交造林磷素的矿化、解吸和释放作用更强[9]，对土壤表层速效磷含量影响较明显。

图5 不同林分类型土壤磷元素含量Fig.5 Soil phosphorus contents of different forest types

图6 不同林分类型土壤钾元素含量Fig.6 Soil potassium contents of different forest types

土壤全钾元素含量在林下补植4年生混交林和纯林林分中表现出纯林高（见图6）。方差分析表明林下补植混交林各土层全钾含量存在显著差异（P＜0.05），表现出随土层深度增加而增加的趋势，4年生纯林在0～20 cm表层土壤中全钾含量最高，较林下补植混交林高33.81%，说明林下补植混交林分对土壤全磷含量的影响从土壤底层开始。土壤速效钾含量表现出相反的现象，林下补植混交林较纯林高。方差分析表明，4年生纯林各土层土壤速效钾含量差异显著（P＜0.05），林下补植4年生混交林0～20 cm、20～30 cm土层土壤速效钾含量显著高于底下两层（P＜0.05），林下补植混交林和纯林均表现出随着土层深度增加而下降的趋势，林下补植混交林分速效钾含量较全光造纯林随土层多0.35%、28.42%、20.82%、14.84%，可以推断林下补植混交林目前土壤中可利用钾元素较多。

4 结论与讨论

(1) 14年生闽楠混交林较纯林能有效改良土壤

14年生闽楠混交林土壤全氮和速效氮的含量均多于纯林，并且表现出混交林对于土壤全氮元素的影响随着土层深度增加而增加，对于速效氮元素含量的影响则表现出随着土层深度增加而下降的趋势，且混交林和纯林土壤中氮元素含量基本均呈现出随着土层加深而下降的规律，原因可能是土壤表层有丰富的动物及微生物种群及密集的植物根系，随着土层加深，土壤的环境变差，不利于土壤动物、微生物生存以及植物根系生长，导致土壤从表层到更深层有机质来源减少、生物固氮能力也逐渐减弱，从而使土壤中氮元素含量逐渐减少；闽楠纯林全磷含量比混交林高，20～30 cm土层纯林比混交林高35.73%，这与楠木凋落物P的释放率比木荷凋落物P的释放率高有关，中下土层（20～60 cm）混交林速效磷含量比纯林多，说明虽然纯林全磷较混交林含量多，但混交林土壤中可被植物直接吸收利用的速效磷较多，但总体表现出土壤磷素供应不足的现象[10]，这可能是限制闽楠林分生长的因素；全钾与速效钾变化规律相反，土壤全钾含量混交林较纯林多，土壤速效钾含量纯林较混交林多，但纯林土壤中速效钾含量在不同土层中基本一致，而混交林速效钾含量随土层深度增加表现出逐渐下降的趋势，表明混交林较纯林具有较少的植物和土壤水分的淋洗，从而速效钾元素富集于土壤表层，这是由于混交林林下灌草植被较纯林丰富，体现了闽楠混交林林分较闽楠纯林对土壤具有更好的水土保持能力。14年生闽楠—木荷混交林土壤中氮、速效磷、全钾元素含量比闽楠纯林多，说明混交林较纯林土壤养分更丰富，并能有效改良土壤，但在今后闽楠近自然经营改造中可以补植凋落物富含磷以及凋落物中钾元素释放率高的乡土树种。

（2）4年生闽楠混交林较纯林能有效提升土壤速效养分含量

闽楠4年生纯林林分土壤全氮含量较林下补植混交林多，而土壤速效氮含量在20～30 cm和45～60 cm土层中，林下补植混交林较纯林高，且高出21.31%、16.22%，这可能是由于杉木连载土壤中的氮元素含量会下降且杉木凋落物分解速率较闽楠凋落物分解速率慢，但可被植物直接利用的速效氮在某些土层林下补植混交林较纯林多，且可能随着补植时间的增加效果越明显；林下补植4年生混交林林分土壤全磷与速效磷含量均较4年生纯林高，而14年生闽楠混交林土壤速效磷只在中下层土壤较闽楠纯林高，说明随着闽楠年龄的增长，树种的混交对土壤表层速效磷的含量影响越小；土壤全钾含量在全光造纯林和林下补植混交林林分中表现出全光造纯林高，林下补植林分全钾含量表现出随土层增加而增加的趋势，土壤速效钾含量表现出相反的现象。杉木林下补植闽楠混交林分土壤速效养分水平较全光造林好，且闽楠幼树耐荫，在杉木林下长势更好，随着补植时间的增加，上层杉木经过成熟采伐，留下的混交林也是一种很好的经营方式。

[1]中国林业科学研究院林业研究所.中国森林土壤[M].北京:科学出版社,1986.

[2]孙向阳.土壤学[M]北京:中国林业出版社,2004:244.

[3]彭龙福.不同立地条件楠木人工林养分研究[J].福建林业科技,2008,35(2):10-15.

[4]吴载璋.楠木杉木混交林生长效应研究[J].福建林学院学报,2005,25(2):142-146.

[5]衣晓丹,王新杰.杉木人工纯林与混交林下几种土壤养分对比及与生长的关系[J].中南林业科技大学学报,2013,33(2):34-38.

[6]赵均嵘.杉木林生态系统转换对土壤磷形态的影响及其机制[D]. 福州: 福建农林大学, 2012.

[7]国家林业局.森林土壤分析方法[M].北京:中国标准出版社,1999:91-273.

[8]林开敏,章志琴,叶发茂,等.杉木人工林下杉木、楠木和木荷叶凋落物分解特征及营养元素含量变化的动态分析[J].植物资源与环境学报,2010,19(2):34-39.

[9]秦嘉海,金自学,王 进,等.祁连山不同林地类型对土壤理化性质和水源涵养功能的影响[J].水土保持学报,2007,21(1):92-95.

[10]曹 娟,闫文德,项文化,等.湖南会同不同年龄杉木人工林土壤磷素特征[J].生态学报,2014,34(22):6519-6527.

Contrastive analysis of soil nutrients of Phoebe bournei plantation with different forest types

HUANG Xiao, LI Jiping, ZHAO Chunyan, CAO Xiaoyu, SHI Le
(College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Study on nitrogen,phosphorus and potassium’s nutrient status in soils of the mixed forest of Phoebe bournei-Schima superb and pure forest of phoebe bournei and changes of these elements along soil pro fi le were investigated in these plantations. The research objects of the study are 14 years old Phoebe bournei-Schima superba mixed forest, 14 years Phoebe bournei pure forest, Chinese fi r forest undergrowth 4 years old of Phoebe bournei-Schima superba mixed forest and Phoebe bournei pure forest in JingDong forest farm of Hunan Province. By comparatively analyzing the test data of the nutrient status of soil nitrogen,phosphorus, potassium and other nutrients at four different layers depth (0～20, 20～30, 30～45, 45～60cm), it is found that the average contents of N, total K in the whole soil layer (0～60cm) and available P at 20～60cm layers in Phoebe bournei-Schima superba mixed forest soil was about 28.15%、23.82% and 11.94% higher than the soil of pure forest of Phoebe, while pure forest’s soil available K was 65.97% more than in mixed forest’s soil.The net content of available N in surface layer and bottom layer in 4 years undergrowth mixed forest was more 21.31%, 16.22% than 4 years pure forest, available K and total P of undergrowth replating mixed forest was more 92.53%, 16.11% than 4 years pure forest. On the other hand, total N and total P of pure forest was more 8.74%、23.90% than undergrown replating mixed forest Those results suggested that 14 years Phoebe bournei mixed forest has better nutrient than pure forest of phoebe bournei, and Chinese fi r forest undergrowth of 4 years Phoebe bournei-Schima mixed forest has more available elements than 4 years pure forest.Building Phoebe bournei - Schima superb can improve soil fertility decline due to Chinese fi r serial,it has offered theory evidence for the close to nature forest management of the arti fi cial Phoebe bournei forest.

Phoebe bournei; soil nutrient; close-to-nature management

S714.8

A

1673-923X(2017)07-0036-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.005

2016-06-03

全国森林经营科技支撑科研专项（169201531-6）

黄 笑，硕士研究生

李际平，教授，博导；E-mail：lijiping@vip.163.com

黄 笑，李际平，赵春燕，等. 不同林分类型闽楠人工林土壤养分对比分析[J].中南林业科技大学学报，2017,37(7):36-42.

[本文编校：吴 毅]