五指山次生林群落土壤养分特征及肥力质量评价

杜尚嘉 吴海霞 陈国德 符溶 陈彧

摘要以五指山次生林群落为研究对象，探究次生林群落土壤养分特征在不同演替阶段（幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林）的变化规律及其土壤肥力质量。结果表明：随着次生林正向演替的进程，土壤 pH呈现先上升后下降的趋势，而土壤有机质、全磷含量均呈现先下降后上升的趋势，土壤全钾含量呈逐渐上升趋势;土壤有机质含量与 pH为极显著负相关，土壤有机质含量与全氮、全磷均为极显著正相关;次生林群落不同演替阶段土壤养分综合得分排序：幼龄林>成熟林>过熟林>中龄林。

关键词五指山市;次生林群落;土壤养分;分布特征;肥力质量

中图分类号 S714.8 文献标识码 A  DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2021.12.004

Soil Nutrient Characteristics and Fertility Quality Evaluation of Secondary Forest Communities in Wuzhishan

DU  Shangjia1） WU  Haixia1） CHEN  Guode1） FU  Rong1） CHEN  Yu1 ，2）

[1 Hainan Academy of Forestry， Haikou， Hainan 571100， China;

2 Hainan Academician Workstation （Forestry）， Haikou， Hainan 571100， China]

Abstract  The soil samples in the secondary forest communities of Wuzhishan Mountains at different forest succession stages （young， middle-aged， mature and over-mature） were collected by using quadrat approach to analyze their changes in soil nutrient characteristics and their soil fertility quality. The results showed that with  the  process  of positive  succession  of the  secondary  forests  the  soil  pH  increased  first  and  then decreased， while the contents of soil organic matter and total phosphorus decreased first and then increased， and  that  the  content  of soil  total  potassium  increased  gradually. The  content  of soil  organic  matter  is significantly negatively correlated with pH， and the content of soil organic matter is positively correlated with the contents of total nitrogen and total phosphorus. The comprehensive scores of soil nutrients in the secondary forest communities at different forest succession stages are in the order of young forest > mature forest > over-mature forest > middle-aged forest.

Keywords  Wuzhishan city ; secondary forest community ; soil nutrients ; distribution characteristics ; fertility quality

土壤是森林生態系统中最基本的资源，同时也是生态系统中不可再生的资源。土壤作为森林存在和发展的物质基础，不仅为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量，还是生态系统中物质和能量交换的重要参与者和载体[1-3]。土壤养分是由土壤提供的植物生长所必须的营养元素，是林木生长发育所必须的物质基础及易于被调节的因子。研究土壤养分动态变化规律，有助于进一步掌握土壤肥力的调控原理与技术，土壤肥力质量评价是依据土壤资源调查及对土壤的要求，针对土壤的利用价值和存在潜力进行评估[4]，此二者都对防止森林土壤退化、维持土地的可持续利用具有重大意义，并且为寻找合适的森林经营方式提供科学参考和理论依据。此前已有大量相关研究，如陈立新等[5]对大兴安岭林区落叶松林地不同发育阶段土壤肥力变化进行探究，练金生等[6]对广东不同林龄桉树人工林土壤肥力进行比较研究，邓厚银等[7]对粤北地区杉木林与阔叶纯林土壤肥力特征进行比较研究。大多集中在人工林或人工林与天然林的土壤肥力时空变化的研究上，较少将次生林土壤养分时空分布特征与土壤肥力质量评价相结合。

海南岛作为我国唯一全域处于热带的岛屿省份，其森林土壤养分特征带有独特的地域性[8]，为了我国热带林业的可持续发展和生态文明建设，有必要对热带次生林土壤养分的时空变化进行探究。本研究以五指山次生林群落土壤为研究对象，揭示热带地区天然次生林保护与恢复对土壤肥力及其演变过程的变化规律，为该地区退化森林生态系统恢复与管理提供科学依据，对该地区的森林生态系统更新、恢复和重建具有现实指导意义。

1材料与方法

1.1材料

研究区域位于海南省五指山市畅好乡[9]，海拔341～471m，属热带季风气候区，兼有山区气候特点，年平均气温21℃，年平均降雨量1770 mm，年相对湿度为84%～86%;海拔750 m 以上为山地黄壤，海拔400～750 m为砂质红壤，海拔150～400 m 为砖红壤，加之历年植被的枯枝落叶腐烂，土地较为肥沃，蕴藏着海南最主要的天然林和野生动植物资源。

1.2方法

1.2.1样地设置

根据次生林自然演替过程选取土地条件相似的4个龄段（分别代表幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林4个演替阶段，幼龄林为林木树冠郁闭前的林分，中龄林为从林木郁闭到林木达到生物学成熟或工艺成熟的林分，成熟林为林木成熟达到了生物学成熟或工艺成熟，过熟林为林木生长基本停止，并开始出现心腐烂、干梢现象的林分）的低地雨林（表1）开展调查研究。对所选样地中的植物进行调查统计可知，该次生林样地中共出现植物160种，隶属45科83属（其中种类较多的大戟科7属8种，茜草科5属5种，樟科6属8种，壳斗科3属4种，夹竹桃科3属4种），分别占植被种、属的31.7%与18%。其中在发育初期夹竹桃科占据优势乔木树种，在中龄树种中大戟科占据优势乔木树种，在过熟林中樟科占据优势。次生林恢复并逐渐向过熟林阶段发展，但物种差异较大。

1.2.2样本采集

在次生林群落4个演替阶段各设置3个20 m×20 m样地，根据“S”形选点规律在每个样地中随机设5个1 m×1 m 的采样点，分别在5个1 m×1 m 的小样方内，分层（0～20、20～40、40～60 cm）采集样本，每个演替阶段各土层取样15份，再装入封口袋，贴上标签，注明样品编号、采集时间、采集地点等信息。

1.2.3项目测定

将土壤样品带回实验室后，摊开置于通风处自然晾7～10 d，按土壤化学性质测定方法的要求研磨过100目筛，将待测土壤装入密封袋，于干燥阴凉处保存。

各指标测定方法如下[10]： pH，电位法; SOM，重铬酸钾外加热法;TN，半微量凯氏定氮法;TP， NaOH熔融钼锑抗比色法;TK，火焰光度计法。

1.2.4数据处理

利用 Excel 2016对实验数据进行整理和统计，再用 SPASS 19.0对土壤养分指标进行单因素方差分析 （one-way ANOVA），并用最小显著差数法（ LSD 多重比较法）进行差异显著性分析，采用 Pearson检验法进行土壤养分指标的相关性分析。

2结果与分析

2.1次生林群落土壤 pH

由表2可知，本研究的4种演替阶段次生林群落土壤都呈酸性，在同一土层中 pH差异显著，0～20和40～60 cm 土层的中龄林与成熟林无显著性差异。其中，各土壤层都是中龄林土壤 pH 最高，过熟林 pH 最低，不同土层4个演替阶段均呈现先上升再下降的变化趋势。

2.2次生林群落土壤养分特征

2.2.1次生林群落土壤有机质

由表3可知，不同演替阶段次生林土壤（0～60 cm 土层深度）中有机质含量的变化为10.70～31.46 g/kg。0～20 cm 土层土壤中有机质的含量，成熟林与中龄林存在显著性差异，与幼林龄和过熟林无差异。20～40 cm土层土壤中有机质的含量，次生林群落随演替的进行变化不大，各演替阶段间土壤有机质含量差异均不显著。40～60 cm 土层土壤中有机质的含量，幼龄林演替阶段显著高于其他3个演替阶段。

2.2.2次生林群落土壤全氮

由表4可知，不同演替阶段次生林群落土壤（0～60 cm 土层深度）中全氮含量的變化为0.77～2.51 g/kg，4个阶段土壤全氮含量都呈先降低后升高的变化趋势;相同土层深度不同演替阶段之间土壤中全氮含量的差异均不显著，说明随着次生林的演替进程，土壤总氮含量的变化相对稳定。

2.2.3次生林群落土壤全磷

由表5可知，不同演替阶段次生林群落土壤（0～60 cm 土层深度）中全磷含量的变化在0.11～0.41 g/kg。随着次生林群落演替，0～20 cm 土层土壤中全磷的含量变化不大，各演替阶段土壤中全磷的含量差异均不显著;20～40 cm 土层土壤中全磷的含量，幼龄林、成熟林演替阶段与过熟林演替阶段差异显著;40～60 cm 土层土壤中全磷的含量波动幅度较大，成熟林演替阶段与其他各演替阶段差异显著，同时，过熟林演替阶段土壤中全磷含量与幼龄林演替阶段土壤中全磷的含量差异也显著。随着次生林的演替，0～20、20～40 cm 土层的土壤全磷含量总体呈现先下降再上升最后再下降的趋势，而40～60 cm 土层的土壤全磷含量是先下降再上升。

2.2.4次生林群落土壤全钾

由表6可知，不同演替阶段次生林群落土壤（0～60 cm 土层深度）中全钾含量的变化在25.67～48.88 g/kg，且同一土层土壤中全钾含量最低的均为幼龄林演替阶段;次生林群落幼龄林演替阶段0～20、20～40 cm 土层土壤中全钾的含量与其他3个演替阶段土壤中全钾的含量均差异显著;次生林群落40～60 cm 土层土壤中全钾的含量，幼龄林与中龄林演替阶段差异显著。

2.3次生林群落土壤养分指标间的相关性分析

对五指山市不同演替阶段次生林群落0～60 cm 土层土壤的 pH、有机质、全氮、全磷、全钾含量进行相关性分析，详见表7。由表7可知，研究区土壤 pH 与土壤有机质、土壤全氮呈极显著负相关（r=-0.431、-0.495， p<0.01）;土壤有机质与土壤全氮、全磷呈极显著正相关 （r=0.792、0.598，p<0.01）;土壤全氮与土壤全磷呈极显著正相关（r=0.563，p<0.01），而土壤全钾仅与土壤全氮呈显著正相关（r=0.338，p<0.05）。

2.4土壤养分分级评价

土壤养分的评价主要参照全国第二次土壤普查的海南省土壤养分含量分级标准[11-12]，详见表8。本研究中的次生林土壤 pH 分布于一级至三级，整体都为弱酸性，且随着演替进程土壤有酸化趋势。次生林群落土壤的有机质含量集中分布在三级和四级，仅有成熟林阶段最上层土壤（0～20 cm）的平均有机质含量达到二级水平。0～20 cm土壤层全氮含量除了中龄林阶段，其他3个演替阶段均达到一级。土壤全钾含量整体大于25 g/kg，达到一级水平。

2.5基于主成分分析法土壤肥力质量综合评价

影响次生林群落土壤肥力质量的因素有很多，本研究采用主成分分析的方法，因为主成分分析方法是将多个因子“降维”为少数几个因子的多元统计方法，并且其信息能尽可能地保留完整[13]。选取影响次生林群落土壤肥力质量的5个指标（pH、有机质、全氮、全磷、全钾）进行分析。在进行次生林群落土壤养分主成分分析前，默认土壤养分各个指标对土壤肥力综合评价同等重要，采用 Fi （i=1，2，3，4，5）代表第i个养分综合指标，用 Xi （i=1，2，3，4，5）代表 pH、有机质、全氮、全磷、全钾。由表9可知，第一、第二主成分的特征值均大于1，其方差贡献率分别为52.945%、21.563%，累计方差贡献率为74.508%。由此可知，利用主成分分析法探究次生林群落不同演替阶段0～60 cm土壤肥力差异较为可靠。

由表10可知，土壤养分指标综合表达式分别为：

由公式（1）（2）可以看出，第一主成分主要由土壤有机质、全氮、全磷的数据组成;第二主成分主要由 pH、全磷、全钾的数据组成。

将次生林群落不同演替阶段0～20、20～40、40～60 cm 的土壤养分数据分别带入土壤肥力质量评价最终表达式：

由公式（1）～（3）得出土壤肥力质量综合评价得分情况，详见表11。由表11可知，次生林群落不同演替阶段土壤养分综合得分排名依次为：幼龄林>成熟林>过熟林>中龄林。

3讨论与结论

3.1讨论

本研究区域位于海南中部地区五指山市，土壤均呈酸性。本研究中发现，五指山次生林群落土壤 pH 在演替进程初期有上升趋势，中期之后逐渐下降，有酸化趋势。在垂直分布方面，随土层深度增加 pH呈上升趋势，这与刘立武等[14-15]对海南次生林土壤的研究结果相同。而土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量均随土壤深度的增加而递减，主要是因为植物的富集作用引起。

随着次生林群落正向演替，土壤有机质、全氮、全磷含量均表现为幼龄林阶段较高，中龄林阶段降低，演替后期再上升，呈“V”字形变化，与曹小玉等[16-17]研究的结果大致相同，这主要是因为随着次生林进入中龄林阶段后，林分郁闭度增大，林内的凋落量大于分解量，与此同时林木生长所需的养分越来越多，导致养分的需求量大于归还量，使得森林土壤养分降低;而成熟林的林木生长趋于缓慢，所需养分变少，凋落物的总量增大，通过分解作用，土壤养分又逐渐开始恢复。而土壤养分在空间分布方面，同一演替阶段的次生林土壤各养分含量随土层的深度增加而下降，这与肖灵香等[18]研究结果一致，其主要原因是地表枯落物、植物根系及分泌物所形成的有机质及其经分解后释放的养分元素首先进入地面最上层土壤，随土壤深度增加进入的有机质和养分逐渐下降，因而表层土壤有机质、养分含量高于深层土壤。

经分析，研究区土壤 pH 与土壤有机质、土壤全氮呈极显著负相关（r=-0.431、-0.495， p<0.01），这与何斌等[19] 的研究结果一致，因为随着次生林的演替进程，虽促进土壤有机质的生物积累，但是伴随而来的是分解过程中有机酸的产生，从而导致土壤 pH 随演替进行而下降。土壤有机质与土壤全氮、全磷呈极显著正相关 （r=0.792、0.598，p<0.01），这与杨秋香等[20] 的研究结果相一致。土壤全氮与土壤全磷呈极显著正相关（r=0.563，p<0.01），而土壤全钾仅与土壤全氮呈显著正相关（r=0.338，p<0.05），与前两位学者的研究结果有所不同，这可能是森林土壤的背景环境和林内物种多样性组成的差异性导致的。

本研究中的次生林土壤 pH整体都小于7，为弱酸性，且随着演替进程土壤有酸化趋势。次生林群落土壤的有机质含量集中分布在三级和四级，仅有成熟林阶段表层土壤（0～20 cm）的平均有机质含量达到二级水平，说明次生林土壤有机质含量处于中等水平。土壤全氮含量除了中龄林阶段，其他3个演替阶段均达到一级，说明次生林土壤全氮含量丰富，次生林土壤有较强的养分循环和富集功能[21]。土壤全磷含量基本處于五级和六级水平，表明土壤中缺乏磷元素，这主要是由热带红壤的成土母质和地理环境导致的[22]。土壤全钾含量整体大于25 g/kg，表明土壤钾元素极为丰富，这主要是由背景环境导致。综上所述，本研究中的次生林群落土壤有机质、全氮、全磷含量的等级随着自然演替先降后升，变化趋势一致，这与相关性分析中的有机质含量与全氮、全磷为极显著正相关的结果相吻合。

主成分分析法的结果表明，次生林土壤肥力最好的演替阶段是幼龄林阶段，在演替过程中土壤肥力先降低后升高，这与卢其明等[23]研究结果不同，笔者认为是林内群落的组成及结构的差异性和土壤发育环境的异质性导致的。

3.2结论

（1）随着次生林群落的正向演替，0～60 cm土壤层 pH 到中龄林阶段有所提高，但总体呈下降趋势，土壤酸化迹象明显。

（2）通过相关性分析可知，不同演替阶段的次生林群落0～60 cm 土层的土壤有机质含量与 pH、全氮含量、全磷含量存在极显著相关，与全钾含量不存在显著相关，这体现出有机质含量对其它养分指标有很大影响，一般情况下有机质含量的多少基本上能反映出土壤肥力水平。

（3）选取土壤肥力质量的5个指标（pH、有机质、全氮、全磷、全钾），运用主成分分析法，得出次生林群落土壤肥力质量排序为：幼龄林>成熟林>过熟林>中龄林，表明随着林龄增长，土壤肥力有一定的下降趋势，但经过林木生长最耗养分的中龄林阶段后，土壤肥力又有所提高。

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（编辑排版：林海妹）