石灰性土壤是发育于石灰质岩的岩成土, 广泛分布于长江以南, 其总面积高达30万km²(叶仲节等, 1985)。石灰性土壤因其中性至微碱性的特点, 适生树种不多, 加之土壤土层薄且有效水分缺乏, 植物常受干旱胁迫, 造成多数石灰性土壤植被稀少, 特别在人为活动频繁的石灰岩山, 天然植被破坏严重, 且因破坏后自然更新困难而成为荒山。因此, 如何实施人促措施, 重建石灰岩山的林业生态体系, 恢复石灰性土壤肥力是当前必须面对的课题。

我国对退化红壤土壤质量方面已有较多研究(郑本暖等, 2002;杨玉盛等, 1998), 采用封育特别是采用造林等人促措施可明显提高土壤养分水平(姜培坤等, 2004), 改善土壤化学与生物化学肥力(姜培坤等, 2003)。国内对石灰性土壤施肥后土壤养分改变等方面也进行了不少研究(化党领等, 2005; 王经权等, 2004), 但有关石灰性荒山植物恢复方面的试验研究则鲜见报道。本文选择亚热带低山丘陵区人为干扰较大的石灰岩荒山, 布置不同林种的造林试验, 进行长期观察, 分析不同树种生长及对土壤质量的影响, 旨在探讨石灰性土壤植被恢复后土壤质量的变化规律, 为石灰岩荒山林业生态体系构造提供理论依据。

1 试验区概况

试验地位于浙江省临安市上甘乡。本区处于中亚热带, 119° 42′ E, 30° 14′ N, 年平均温度15.9 ℃, 年降水量1 424 mm, 无霜期236 d。试验地分布在海拔150 ~ 300 m的低山上, 土壤为发育于白云质的红色石灰土亚类。试验地土壤基本理化性质见表 1。

2 试验设计

1974年春, 在试验区选择土壤条件一致地块作为试验地, 试验地造林前为荒山, 无乔、灌木, 只有少许禾本科草类。试验设6个处理, 分别是对照、种刺槐(Robinia pseudoacacia)、种无患子(Sapindus mukorossi)、种南酸枣(Choerospondias axillaris)、种柏木(Cupressus funebris)、种梧桐(Firmiana simplex), 所有试验区造林密度为2 m ×3 m, 造林方式为挖穴种苗, 不进行林间翻耕。挖穴后, 每穴施入猪栏肥2 500 g, 碳酸铵50 g, 钙镁磷肥250 g, 树苗采用实生大苗。每处理小区面积为800 m², 随机区组设计, 重复5次。

3 研究方法

2006年3月在每个试验小区中“S型”多点(每区设10个点)采集0 ~ 30 cm土层土样。样品去杂过2 mm钢筛, 充分混合后分成2份, 一份鲜样供土壤微生物生物量碳、水溶性有机碳测定用; 另一份风干后, 挑净细根、枯叶, 供土壤pH值、水解氮、有效磷、速效钾、有机质、土壤全氮和土壤全磷含量测定用。土壤有机质采用重铬酸钾容量法; 土壤全氮采用克氏法; 土壤全磷采用H₂SO₄-HClO₄消化, 钼锑抗比色法; 水解氮采用碱解法; 有效磷采用Na₂CO₃浸提、钼锑抗比色法; 速效钾采用醋酸铵浸提、火焰光度法(中国土壤学会, 2000)。

土壤水溶性有机碳, 用蒸馏水25 ℃恒温振荡浸提30 min(水土比为2: 1), 后6 000 r·min^-1离心10 min, 再用0.45 μm滤膜抽滤, 滤液直接在岛津TOC-V_CPH有机碳分析仪上测定。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法(Vance et al., 1987), 熏蒸前后土壤分别用0.5 mol·L^-1K₂SO₄浸提(水土比为5: 1), 滤液在有机碳分析仪(TOC-V_CPH)上测定。熏蒸前后土壤有机碳的差值, 除以系数0.45即为土壤中所含的微生物量碳。

4 结果分析 4.1 石灰岩荒山不同树种造林后土壤养分的变化

石灰性土壤上造林32年后, 土壤全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效钾和有机质含量均有不同程度提高(表 2)。其中营造刺槐、无患子、南酸枣、柏木和梧桐的土壤全氮含量分别比对照增加了23.08 %、38.46 %、84.62 %、30.77 %和69.23 %; 全磷含量比对照相应增加了14.81 %、27.16 %、55.56 %、38.27 %和3.33 %; 水解氮比对照增加了30.32 %、58.94 %、79.20 %、27.52 %和41.44 %; 有效磷则比对照依次增加了90.91 %、109.09 %、50.91 %、196.00 %和292.73 %; 速效钾则相应增加了34.15 %、97.56 %、50.91 %、109.76 %、60.98 %和79.67 %; 有机质含量也相应比对照增加了6.61 %、63.76 %、107.67 %、4.50 %和75.40 %。综合所有养分来看, 营造南酸枣土壤养分含量增加幅度最大, 除土壤有效磷外的所测养分均明显高于(P< 0.05)其他树种; 营造无患子和梧桐对土壤肥力的改善作用仅次于南酸枣, 而土壤养分含量增加幅度相对较少的是营造刺槐与柏木处理。

植被种类、植被凋落物的数量、水土流失等是影响土壤养分含量的主要因素。江南地区雨水和光热充沛, 一般天然林能自然、良好地生长, 且对土壤肥力有促进作用, 称“生物自肥”。而石灰岩土壤因其土层薄、易冲刷, 在没有人为控制和植被恢复的情况下, 石灰岩荒山土壤肥力提高困难。通过人工造林使植被得以恢复后, 林木凋落物分解归还, 使土壤养分含量在表土层富集, 林木根系的腐殖分解也可以补充较深层次土壤养分; 同时, 地上林木恢复后形成较好的小气候, 为林下草本提供了良好生长环境, 草木的不断生长、死亡又很好地补充了土壤养分元素。因此, 通过人为营造林木恢复侵蚀型土壤肥力, 是值得提倡的技术。

本研究中南酸枣、梧桐在石灰性土壤上生长较快(表 3), 可以产生较多的凋落物, 又有庞大的根系统, 从而使这2种林木下的土壤养分含量明显提高。从32年平均来看, 营造南酸枣的土壤, 全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效钾和有机质含量比对照处理每年可相应增加2.65 %、1.74 %、2.48 %、2.31 %、1.59 %和3.36 %, 说明改土效益十分明显。而刺槐和柏木, 其凋落物数量少, 分解释放出的养分元素自然就较少, 土壤养分含量相对较低。从上面的分析可以看出, 在石灰岩荒山上营造不同的适生树种, 虽然对提高石灰性土壤养分水平、改善其土壤肥力具有明显作用, 但种植南酸枣和梧桐树的效果最好, 这一结果说明, 在石灰岩荒山上造林时选择适宜的树种非常重要。

4.2 石灰岩荒山造林后土壤活性有

机碳的变化土壤活性有机碳是指土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化, 并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机态碳, 常可用水溶性碳、微生物生物量碳和矿化态碳等来进行表征(沈宏等, 1999)。土壤活性有机碳虽然只占土壤有机碳的较小部分, 但它们可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化, 又直接参与土壤生物化学转化过程, 它们也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力(Wander et al., 1994; Coleman et al., 1983), 因而, 它们是评价土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持的重要指标。土壤水溶性有机碳作为生物活性有机碳容易被土壤微生物分解(Jandl et al., 1997), 在维持土壤养分和生物学肥力方面起着重要作用; 土壤微生物生物碳量作为土壤活性碳的表征指标, 它可以反映土壤能量循环和养分转移和运输, 同时还不受无机养分的影响(Doran, 1994)。

从表 4来看, 造林32年后, 不同处理土壤水溶性有机碳和微生物生物量碳均明显高于不造林的对照区。与土壤养分含量增加类似, 营造南酸枣处理土壤总有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量碳含量增加幅度最大, 其次是营造梧桐和无患子两处理, 而营造柏木和刺槐两处理土壤各类碳含量增加幅度均相对较低。导致以上差异的主要原因是地上植物生长情况, 生物量大归还给土壤的枯落物量以及根系分泌物的数量就多。林木凋落物或根系分泌物、根系腐烂物补充了土壤总有机碳库, 使土壤有机碳含量增加。而林木根系分泌物一般都是小分子有机物质(姜培坤等, 2000), 这些物质也刺激了土壤微生物的生长, 使微生物数量不断增加, 从而明显增加了土壤微生物生物量碳。土壤微生物数量增加, 同时又增加了微生物的代谢产物, 大量代谢产物也是可以溶解于水的有机分子, 再加上有机碳矿化的许多中间产物, 这一切都是土壤水溶性有机物的库源。因此, 总有机碳高的土壤, 土壤微生物生物量碳和土壤水溶性碳的含量也常较高, 即它们三者之间具有较好的相关性, 本研究结果也不例外。

土壤碳库的改善, 从很大意义上改善了土壤的质量。由于土壤碳是微生物能源, 又是土壤良好结构形成的基础, 同时土壤有机质矿化中可释放出植物所需的营养元素。所以, 石灰岩荒山造林后土壤质量有了很好的改善。

4.3 石灰岩荒山长期造林后土壤pH值的变化

从表 5可以看出, 石灰性荒山造林后, 土壤pH值均比不造林的对照有明显降低, 但不同林种间差异不明显。造林后导致土壤碱性下降的直接原因是土壤中氢离子的积累, 土壤有机质分解产生的有机酸的氢离子是主要来源; 另外, 因造林后发达的根系加快钙的淋失, 从而氢离子相对积累。另据资料表明, 在石灰性土壤上生长的树木, 其根系有分泌有机酸以活化土壤有效养分的作用。综合以上多种因素, 石灰性土壤上林木长期生长后, 土壤碱性渐渐下降。

5 结论与问题

石灰岩荒山目前在林业生产上还有相当面积, 如何改善这些荒山立地质量, 是值得探讨的课题。本试验证明:人为造林后可以明显增加养分含量、土壤总碳及活性碳含量, 一定程度上降低土壤pH值, 使土壤质量向良性方向发展, 有利于石灰岩荒山的林业生态体系的建设。

但是石灰岩荒山石砾含量多, 土层薄, 有的地方是地表岩石出露, 给造林成活带来了困难, 加上pH值高, 土壤有效水分缺乏, 因而造林困难。本文的成功经验是选择适宜的树种, 采用3 ~ 4年生大苗, 挖大穴, 填埋客土、基肥等措施进行造林。