文章信息
- 范少辉, 赵建诚, 苏文会, 余林, 严彦
- Fan Shaohui, Zhao Jiancheng, Su Wenhui, Yu Lin, Yan Yan
- 不同密度毛竹林土壤质量综合评价
- Comprehensive Evaluation of Soil Quality in Phyllostachys edulis Stands of Different Stocking Stocking Densities
- 林业科学, 2015, 51(10): 1-9
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(10): 1-9.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20151001
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文章历史
- 收稿日期:2014-09-22
- 修回日期:2015-09-03
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作者相关文章
2. 江西省林业科学院 南昌 330032
2. Jiangxi Academy of Forestry Nanchang 330032
森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分,是生态学研究的核心内容之一(Worrell et al., 1997)。土壤质量是指在生态系统范围内,土壤维持生物生产力、保护环境及促进动植物健康的能力(汪媛媛等,2011;罗文敏等,2014),是土壤理化和生物学性质的综合表现,单一因子研究不能有效反映不同条件土壤质量的总体差异。随着土壤科学的不断发展,越来越多的土壤质量研究方法得到应用(汪媛媛等,2011;胡月明等,2001;张华等,2001;Schoenholtz et al., 1998;王建国等,2001;Kandeler et al., 1999;Wardle,1998;刘崇洪,1996;孙波等,1999;吴玉红等,2012)。由于陆地生态系统的复杂性,这些方法对不同的林地类型有着各自的适宜性,评价指标的选择也不尽相同。目前,土壤质量评价指标的选择还没有形成统一适宜的体系与标准(Nortcliff,2002;Zalidis et al., 2002),以往研究主要强调以土壤理化特性为主的土壤质量表征指标,生物学性质方面主要关注土壤酶活性等,但占的比重仍然较少。
毛竹(Phyllostachys edulis)是我国森林资源的重要组成部分,具有很高的经济、生态和社会价值。近年来,随着竹产业的发展和竹林经营效益的提升,毛竹林集约化管理程度越来越高,虽然高强度的人为干预在一定时间内提高了竹林蓄积量,但过度经营已导致竹林地力呈现衰退趋势(楼一平,1998;楼一平等,1999;刘广路,2009)。密度是影响林分生产力的第二重要因子,仅次于立地质量。密度过大,树木竞争效应增强,地力下降快;密度过小又会造成土地资源的浪费,而合理的林分密度可把竞争引起的能量消耗转化为有效生产力。由于毛竹年年发笋长竹,密度始终处于动态变化中,不同的人为干预(如采伐强度)对林分密度影响很大,从而导致了林分不同的生产力水平。近年来关于竹林密度的研究已开展较多,主要针对毛竹林密度与林分生产力(产量)的关系,并建立了一些密度效应模型(洪伟等,1998;陈存及等,1992;冯加生等,2012;潘金灿,2000),而密度变化对林分生产力的影响过程及作用机制尚不清楚。有研究发现,竹林产量与林地理化性质及酶活性指标关系密切(郑郁善等,1998a;罗治建等,2003;徐秋芳等,1998),但不同密度时土壤理化性质及生物活性如何变化及对林地土壤质量的综合影响还缺乏系统分析,开展这样的研究有助于进一步了解密度生产力效应的内在规律。本研究基于前人相关研究,选择长期采用不同采伐强度而形成的4个毛竹林密度梯度的典型林分,监测分析其土壤物理性质、酸碱度、养分含量及酶活性等18个土壤质量指标,借助模糊数学和多元统计分析方法,通过综合指数核算,评价林分密度对毛竹林土壤综合质量的影响,旨在揭示密度影响毛竹林持续生产力的原因及机制,为其合理经营提供参考。
1 研究区概况研究区位于安徽省黄山市黄山区(118°14′—118°21′ E,32°4′—32°10′ N),是我国毛竹主要分布区之一。该地区属亚热带湿润性季风气候,雨量充沛,四季分明。年均气温15.3 ℃,全年无霜期220天,年日照时数1 752.7 h,年均降水量1 500 mm,相对湿度在80%以上。研究地点位于黄山区黄山公益林场试验林内,成土母岩为千枚岩和部分花岗岩,土壤为山地黄壤。试验林为成片毛竹纯林,以材用为主,兼顾笋用,大小年明显。该试验林从2001年起开始分类抚育经营,技术措施为除草和隔年(小年冬季)采伐,根据不同留养密度,以“砍老留新、砍密留疏、砍弱留强”为原则,主伐Ⅲ度以上竹株。研究区未进行施肥、垦复等集约管理。由于较长时间(12年)的采伐强度差异,形成了较明显的密度梯度。
2 研究方法 2.1 样地设置研究于2012年(出笋大年)10月份开展,该阶段新竹基本长成,林相和土壤条件较稳定。在对研究区域毛竹生长与经营状况进行整体踏查后,选择1 200,1 800,2 400和3 000株·hm-2 4个密度梯度的林分,每个密度梯度林分中分散设置3块20 m×15 m的标准样地,共12块样地,每样地四周设3 m宽缓冲带。测定样地的坡向、坡度、海拔,同时对样地内毛竹进行每木调查,记录年龄、胸径和秆高等生长指标。样地概况见表 1。
各标准样地内,采用五点取样法设置取样点,即先确定样地对角线的中点作为中心取样点,再在对角线上选择4个与中心取样点距离相等的点作为样点。为避免降水等外界条件的影响,在连续2周未降雨的条件下,于2012年10月12,13日完成土壤样品的采集。每个取样点挖取1个60 cm深的土壤剖面,分3层(0~20,20~40和40~60 cm)用环刀取原状土,带回实验室,测定其土壤密度、含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度;然后用塑料袋分3层取样,去除石块、根系等杂质,用四分法取1.0 kg土样作为本样点该土层的测试样品,自然风干、过筛后进行养分含量指标测定。酶活性所需土样的采集方法与养分含量土样相同,但采集后置于便携式保温箱内带回实验室,4 ℃冰箱中保存并尽快测定。
土壤pH值及养分含量的测定采用《土壤农化分析》(鲍士旦,2005)中的方法: pH值采用电位法测定,有机质含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定,全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷含量采用碱熔—钼锑抗比色法测定,全钾含量采用火焰光度法测定,速效氮含量采用碱解—扩散法测定,速效磷含量采用氟化铵—盐酸浸提法测定,速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。土壤酶活性测定采用周礼恺(1987)和关松荫(1986)的相关方法:脲酶活性采用靛酚比色法测定,蔗糖酶活性采用 3,5-二硝基水杨酸比色法测定,蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定,过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定,酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。
2.3 数据处理利用SAS 9.0软件,采用单因素分析(ANOVA)和最小显著性检验(LSD)进行多重比较,运用主成分分析方法计算各密度毛竹林的土壤质量综合指数。
2.3.1 数据标准化由于土壤质量指标多样、指标属性和量纲各异,因此对各密度毛竹林土壤质量指标测定值必须先处理后方可进行综合评价。数据标准化是统计学中对不同量纲、不同类型集合指标进行比较的一种方法,该方法遵循同一指标内部数据相对差距不变、不同指标之间的相对差距不变和标准化后极大值相等3个原则,将数据按比例缩放,使之落入一个小的特定区间,去除数据单位限制,转化为无量纲的纯数值,使得不同单位或量级指标能进行加权与比较。
本研究中,首先对土壤物理性质、酸碱度、养分含量和酶活性等指标进行标准化处理,将其转变为0~1之间的无量纲值,实现对指标的量纲归一化。18项指标为:土壤含水率(X1)、土壤密度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、总孔隙度(X5)、pH值(X6)、有机质含量(X7)、全氮含量(X8)、全磷含量(X9)、全钾含量(X10)、速效氮含量(X11)、速效磷含量(X12)、速效钾含量(X13)、脲酶活性(X14)、蔗糖酶活性(X15)、蛋白酶活性(X16)、过氧化氢酶活性(X17)和酸性磷酸酶活性(X18)。
数据标准化处理中,数据分正、负效应2种。本研究中,除土壤密度(X2)外,其他指标 F(Xi)均为正效应指标。正、负效应指标分别选用公式(1)和(2)进行计算。
$ F\left({{X_i}} \right)= \left({{X_{i\max }} - {X_{ij}}} \right)/\left({{X_{i\max }} - {X_{i\min }}} \right) $ | (1) |
$ F\left({{X_i}} \right)= \left({{X_{ij}} - {X_{i\min }}} \right)/\left({{X_{i\max }} - {X_{i\min }}} \right) $ | (2) |
式中: F(Xi)为各土壤因子的隶属度值,反映各评价指标的优劣 ;Xij为第i项因子的实测样品平均值;Ximax为第i项因子中的最大值;Ximin为第i项因子中的最小值。
2.3.2 土壤质量综合指数计算由于各因子重要性有差异,即对土壤质量的影响程度不同,需予以不同权重。本研究运用统计软件对18项指标的标准化数据进行主成分分析,计算各因子的贡献率和累积贡献率。通过公因子旋转得到载荷矩阵,核算土壤质量指标的公因子方差,表示其对土壤质量总体变异的贡献。将各指标公因子方差占总公因子方差的比例作为各指标权重。
在评价指标因子隶属度和权重确定的基础上,运用加权综合法和模糊数学中的加乘法则,用公式(3)对不同密度毛竹林土壤质量综合指数进行计算。
$ F = \sum {{W_i} \times F\left({{X_i}} \right)} $ | (3) |
式中:F为土壤质量综合指数;Wi为各土壤因子的权重,反映各评价指标的重要性。
3 结果与分析 3.1 不同密度毛竹林的土壤质量指标 3.1.1 土壤物理性质测定分析了4种密度下毛竹林土壤的物理性质,发现土壤性质指标存在一定的立竹密度差异,测定结果见表 2。
一定降水条件下,土壤水分含量及空间分布很大程度上受土壤结构与性质的影响。4种密度下,2 400株·hm-2林分土壤含水率最大,达18.0%,3 000株·hm-2林分最小;土层深度对含水率也有一定影响,其中2 400和3 000株·hm-2林分以0~20 cm土层含水率最高,而1 200和1 800株·hm-2林分以20~40 cm土层最高。密度是土壤质量的重要指标之一,不同密度林分其林下植被、凋落物及根系状况有一定差异,从而对土壤密度和孔隙状况产生了影响。研究表明,土壤密度以1 800株·hm-2林分最大,达1.28 g·cm-3,1 200和3 000株·hm-2相对较小;相同林分密度下土壤密度随土层深度增加而增大。土壤孔隙由毛管和非毛管孔隙组成,各密度林分土壤总孔隙度表现为 2 400株·hm-2> 3 000株·hm-2>1 200株·hm-2>1 800株·hm-2,且各密度林分土壤总孔隙度均随土层深度增加呈逐渐减小趋势。
3.1.2 土壤酸碱度及养分含量土壤pH值对养分元素有效性、微生物及酶活性等有重要影响。研究发现,研究区为酸性土壤,pH值为4.39~4.64,同密度林分不同土层或不同密度下相同土层土壤pH值差异不显著(表 3)。土壤各养分元素含量在不同密度林分间有一定差异,其中,全氮含量以1 200株·hm-2林分最低,随林分密度增大而逐渐增加;有机质含量、全磷含量、全钾含量、速效氮含量、速效钾含量和速效磷含量则随林分密度的增大呈先上升而后下降的趋势,均以2 400株·hm-2林分的相应值最大(表 3)。同密度下,土壤养分含量与土层深度亦有一定相关性,其中,有机质含量、全磷含量、速效氮含量、速效钾含量和速效磷含量随土层深度增加呈现降低趋势,而土壤全氮含量和全钾含量则表现为0~20 cm>40~60 cm>20~40 cm。
林分密度对土壤酶活性有一定影响,不同类型酶的活性随密度的变化亦有差别,其中土壤脲酶和蔗糖酶活性随毛竹林立竹密度增大而逐渐增大,当立竹密度升至 2 400株·hm-2时增至最大,分别达0.125和0.084 mg·g-1,而后基本趋于稳定(表 4)。蛋白酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性与脲酶和蔗糖酶略有不同,随林分密度增大呈现先增加后降低的变化趋势,但亦表现为 2 400株·hm-2林分活性最高,而当密度增至3 000株·hm-2时,3种酶活均有所降低(表 4)。各类土壤酶活性随土层深度的变化规律相似,均表现为随土层深度增加而降低;相同密度下,0~20 cm土层土壤酶活性与20~40和40~60 cm土层差异显著(表 4)。
选用公式(1)和(2)对18项土壤质量指标数据进行标准化处理,然后运用统计软件对其进行主成分分析,计算各因子的贡献率和累积贡献率。通过公因子旋转得到载荷矩阵,核算土壤质量指标的公因子方差,并计算权重。18个土壤质量指标主成分分析和权重核算结果见表 5。
由表 5可知,第一主成分的特征值为11.40,解释了总变异量的63.33%。提取的4个主成分因子的累计贡献率为91.73%,几乎包含了原始数据的全部信息量,符合主成分分析累积贡献率≥80%的条件。通过因子负荷矩阵筛选得出对毛竹林土壤质量影响最大的11个因子为:有机质含量(X7)、全磷含量(X9)、全钾含量(X10)、速效氮含量(X11)、速效磷含量(X12)、速效钾含量(X13)、脲酶活性(X14)、蔗糖酶活性(X15)、蛋白酶活性(X16)、过氧化氢酶活性(X17)和酸性磷酸酶活性(X18)。
3.2.2 土壤质量综合指数在评价指标因子隶属度和权重确定的基础上,运用加权综合法和模糊数学中的加乘法则,对不同密度毛竹林土壤质量综合指数进行计算,方法见式(3)。研究区毛竹林土壤质量的密度效应及土壤质量综合指数随土层的变化趋势如图 1,2所示。
土壤质量与毛竹林分密度有较大关系。各密度毛竹林土壤质量综合指数表现为2 400株·hm-2(0.585 3)>3 000株·hm-2(0.456 9)>1 800株·hm-2(0.456 5)>1 200株·hm-2(0.319 3)。自立竹度1 200株·hm-2起,随着立竹密度增大,土壤质量逐渐提高,当密度达2 400株·hm-2时,土壤质量最优,之后随密度再增大呈降低趋势;0~20和40~60 cm两土层土壤质量的密度效应亦表现为相同的变化规律,即2 400株·hm-2林分土壤质量最优,3 000株·hm-2林分略好于1 800株·hm-2林分,1 200株·hm-2林分较差,而20~40 cm土层土壤质量随立竹度变化规律稍有不同,土壤质量综合指数表现为为2 400株·hm-2(0.445 9)>1 800株·hm-2(0.395 9)>3 000株·hm-2(0.367 5)>1 200株·hm-2(0.284 9),这一差异可能跟根系分布有密切关系,对毛竹而言,20~30 cm土层是其鞭根分布最为集中的地方,在鞭根生长与代谢的影响下,所在土层尤其是根围土壤环境变化较大,因此该土层土壤质量尤其值得关注。
相同密度下,不同土层间土壤质量也有一定差异,受表层枯落物及土壤温、湿、气等条件的多重影响,0~20 cm土层土壤质量明显优于其他两层,而20~40和40~60 cm之间的差异在不同密度条件下有所不同,其中2 400株·hm-2林分2土层的土壤质量变异较小,而1 200,1 800和3 000株·hm-2林分的20~40 cm土壤质量明显好于40~60 cm,说明毛竹林的适宜密度对改善土壤质量异质性亦有一定影响。
4 结论与讨论土壤质量变化是一个长期过程,受气候、林木生长、人为经营等多因素影响。林分密度调控作为森林管理的重要措施,必然对土壤质量产生一定影响。合理的经营密度能够优化林分结构,促进对森林生态系统环境要素的充分利用和林下植被、枯落物及养分循环过程的改善(李国雷等,2007; 李国雷,2007)。
本研究分析了重要经济林种毛竹的土壤质量状况及与林分密度的关系,发现长期的不同密度结构经营使得林分土壤质量发生了差异,并呈现一定规律性。在1 200~3 000株·hm-2的密度范围内,土壤质量综合指数随林分密度增大呈先升高后降低的变化趋势,以2 400株·hm-2竹林最大,达0.585 3,1 800和3 000株·hm-2林分的土壤质量状况相当,1 200株·hm-2竹林最差,说明经营密度对土壤质量有一定影响,是造成林分生产力差异的内因之一。
从土壤物理性质指标看,3 000株·hm-2竹林土壤密度最小,含水率也最低,这一现象应该跟毛竹鞭根对土壤质地的改变有关,并受林下植被状况的双重影响。随着立竹密度增大,鞭根密度也相应增加,四通八达的竹鞭生长穿行疏松了土壤,孔隙度增大,水分散失程度加强,但同时由于立竹度增加,林下植被覆盖度相对减少,蒸腾作用降低,又减弱了水分散失。土壤化学性质随林分密度变化规律较明显,其中pH值和全氮含量随林分密度增大而逐渐增大,而有机质含量、全磷含量、全钾含量、有效氮含量、有效磷含量和有效钾含量则随林分密度增大先逐渐增大后又略有下降。有学者对油松(Pinus tabulaeformis)、大叶相思(Acacia auriculiformis)和杉木(Cunninghamia lanceolata)等树种林分的密度效应进行研究,发现土壤养分含量随林分密度增加而下降,低中密度林分的土壤理化性质优于高密度林分(林开敏等,1996;许松葵等,2008;刘勇等,2008)。这一差异应该与毛竹生长特性与作业特点有关,毛竹一般为全竹利用,枯落物归还量较少,另外竹子为浅根系植物,鞭根主要分布在0~30 cm土层(周建夷等,1985;周本智等,2004;郑郁善等,1998b),而山地林分坡度较大,较小的林分密度可能加速土壤侵蚀与养分流失。
以土壤综合质量指标衡量时,毛竹林2 400株·hm-2的密度经营效果较好。关于竹林密度效应,多以生产力进行衡量。郑郁善等(1998c)分析闽西北毛竹分布区丰产林的合理密度时提出笋用林、材用林和笋竹两用林的合理密度分别为1 650~2 250,4 050~4 950和2 100~2 700株·hm-2;洪伟等(1998)采用2因子2次回归正交旋转组合设计方法得出毛竹材用丰产林的最佳竹林密度为4 283株·hm-2;陈存及(1992)综合考虑毛竹林立竹密度对平均胸径、竹高、蓄积以及新竹产量等方面的作用后提出福建毛竹最适区一般经营毛竹林(不钩梢)的最适立竹密度为2 700~ 3 000株·hm-2;冯加生等(2012)认为2 550~2 850株·hm-2为湖南湘潭市一般经营水平下毛竹林的合理立竹密度。综合前人研究结果,受研究区域气候、立地条件和经营目标的影响,不同学者提出的毛竹林合理密度有所不同,但均在一定程度上揭示了密度对林分的影响,但还缺乏对密度效应的内在原因与作用机理的研究。本研究分析评价了长期以不同密度经营的毛竹林土壤质量的差异,将对探索密度影响林分生产力的机制有一定帮助。
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