土壤为作物提供必需的生长条件，是植物生长的主要供体^[1]。保持和提高森林土壤肥力是充分发挥土壤功能的先决条件^[2]。土壤肥力能间接反映土壤质量的高低^[3]，同时对林地林木发挥生态功能起着关键作用。目前，对人工林土壤肥力的研究多集中在不同林分密度、不同林分类型、不同林龄、不同营林措施等^[4-7]，鲜少有对同一树种整个生长阶段的土壤肥力进行研究，而研究林分土壤肥力在整个不同生长阶段的变化规律，有助于了解森林土壤的形成、结构和作用，以及林木生长与土壤的关系^[8]，可为林木的合理经营和林地土壤肥力的提高提供科学依据。

柳杉[Cryptomeria fortunei (Lamb.) Hook.]是中国东部亚热带中山地区的一种常见针叶林，它分布广、生长快、树形通直，是中国南方快速生长和高产的木材之一^[9]。随着柳杉的迅速发展，且大多是纯林，其地力问题引起了广泛关注。目前，对柳杉的研究多集中在生长规律、病虫害、生物量、碳氮储量分配、林窗、群落结构、经济效益评价等^[10-15]，且研究区大多集中在福建、四川和广西东南部。在柳杉人工林广泛种植的黔中地区，尤其在整个生长期内，对土壤肥力的研究尚有不足，而这对准确评价柳杉人工林土壤肥力以及制定合理的经营措施十分重要。因此，以贵州省安顺市平坝区大坡林场柳杉人工林为研究对象，对不同龄组的柳杉人工林土壤肥力进行了研究，探讨土壤肥力随林龄增加的变化规律，以期了解柳杉人工林在不同生长阶段对土壤肥力的需求，为该地区柳杉的可持续经营和管理提供科学依据。

研究区位于贵州省安顺市平坝区大坡林场，地处平坝西北部，东经105°59′~106°34′，北纬25°15′~26°37′，海拔1 350~1 600 m，地形呈南北走向。该地区全年气候温润，年平均气温18.1 ℃，年平均降水量1 300 mm，相对湿度83%，属亚热带湿润季风气候。土壤类型主要是黄壤、黄棕壤，土壤母质以沉积岩为主，主要类型为页岩、砂页岩，土壤呈酸性，pH值4~7，水肥条件好，比较适宜柳杉、华山松(Pinus armandii Franch.)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)及各种阔叶乔木树种的生长。研究区与十字乡、齐伯乡、乐平乡接壤，经营林木总面积680 hm²，平坝区国营大坡林场植被主要为人工栽植，人工植被主要有柳杉[Cryptomeria fortunei (Lamb.) Hook.]、杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]、马尾松、华山松、竹林(Bamboo)等。

平坝区大坡林场总面积680 hm²，林地面积663.19 hm²，森林覆盖率达92.30%，主要栽植柳杉、杉木、华山松和马尾松，公益林面积213.71 hm²，商品林面积456.67 hm²，分别占林地面积的31.14%和68.86%，非林地面积16.81 hm²，占2.47%。大坡林场立地条件较好，森林资源丰富，林木蓄积量118 620.4 m³，林木平均产量178.86 m³·hm^-2。其中以柳杉为主的优势树种面积233.52 hm²，蓄积量32 858.8 m³，分别占林地的35.21%和27.70%。

通过平坝林业部门获取研究区的地形图、影像数据及林场林班数据库，在野外详细调查的基础上，选择相邻分布，立地条件接近相同的柳杉人工林，在幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林5个龄组设置样地，样地大小为20 m×30 m。每个龄组设置3组重复，总共15个样地。5个龄组的柳杉人工林造林前均是荒地，且未经过抚育间伐、施肥等管理措施，土壤类型均为黄棕壤。在每个样地沿对角线开挖3个断面，土壤样品按0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm分层采集。将每一样地3个剖面的每一层土样混合，去除石块、根系等杂质，每一样地每一土层取1份土样，共计45份样品。土壤样品及时送回实验室，阴凉放置1个月，筛选、分析土壤样品的化学性质，并对样地内林木的林龄、坡向、坡度、胸径、树高、冠幅进行调查。样地基本情况见表 1。

采取环刀法测定土壤物理性质；油浴加热-重铬酸钾氧化法测定土壤样品有机质含量；电位法测定pH值(V_土:V_水=1:2.5)；碱解-扩散法测定土壤全氮和有效氮；消煮液+钼锑抗比色法测定土壤全磷；碳酸氢钠浸提+钼锑抗比色法测定有效磷；乙酸铵浸提液+火焰光度法测定速效钾；消煮液+火焰光度法测定全钾^[16]。

通过Excel 2016软件进行数据的初步处理，用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，并进行主成分分析。

土壤容重可以间接表征土壤的密实度^[17]。不同龄组柳杉人工林土壤物理性质如图 1所示。从图 1(a)可看出，不同龄组土壤容重存在显著差异(P＜0.05)，柳杉人工林(0~10 cm)表层的容重比其它土层小，不同龄组的容重随土层加深而增加。在同一土层不同龄组间，幼龄林的土壤容重最大。随着林木的生长，土壤容重减小，生长到过熟林又略有增长。各龄组在同一土层的分布有相似规律，表明林龄对土壤容重影响较大。方差分析(表 2)表明龄组对土壤容重有显著影响，而土层深度和龄组及土层的交互作用对柳杉人工林土壤容重无显著影响。

注：图中不同大写字母表示同一土层不同林龄间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示同一林龄不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different capital letters in the same field indicate significant differences among different forest age groups in the same soil layer (P < 0.05), and different lowercase letters in the same field indicate significant differences among different soil layers in the same forest age group (P < 0.05). 图 1 不同龄组柳杉人工林土壤物理性质 Fig. 1 Soil physical properties of Cryptomeria fortunei plantations in different age groups

图选项

土壤含水量是植物水分的供体，是制约植物生长发育的关键因素，土壤含水量多少直接决定着植物的生长状况^[18]。从图 1(b)可看出，随着林龄的增加，同一土层的含水量变化较大。0~10 cm层的土壤含水量随林龄增长而升高，10~30 cm层的土壤含水量由高到低依次为过熟林>成熟林>中林龄>近熟林>幼龄林，过熟林的持水能力最佳。在垂直面上，不同龄组0~10 cm层的土壤含水量高于10~20 cm层。土壤含水量在不同龄组和土层间均存在显著差异，但龄组和土层的交互作用对土壤的含水量没有显著影响(表 2)。土壤孔隙度是反映土壤物理性质的重要指标。从图 1(c、d、e)可看出，随着柳杉林龄的增加，不同土层的土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度呈现先增大后减小的趋势，在过熟林阶段，土壤的孔隙度均减小。在垂直剖面上，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均随土层的加深而减小。龄组和土层对土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度的影响显著，龄组和土层的交互作用对三者均无显著影响(表 2)。

土壤有机质是植物生长发育的重要营养来源之一，能够改善土体的物理特性，提高土体保肥性^[19]。不同龄组柳杉人工林的土壤有机质含量和pH值如图 2所示。由图 2(a)可以看出，柳杉人工林有机质含量为38.73~60.68 g·kg^-1。随着林龄的增加，不同土层土壤有机质含量增加，过熟林最高。在垂直剖面上，随着土层的加深，有机质含量降低，表层最高。同一土层不同龄组间，土壤有机质含量差异较大，在同一龄组不同土层间亦存在显著差异。有机质含量受龄组、土层深度和龄组及土层的交互作用影响显著(表 3)。

注：图中不同大写字母表示同一土层不同林龄间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示同一林龄不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different capital letters in the same field indicate significant differences among different forest age groups in the same soil layer(P < 0.05), and different lowercase letters in the same field indicate significant differences among different soil layers in the same forest age group(P < 0.05). 图 2 不同龄组柳杉人工林的土壤有机质含量和pH值 Fig. 2 Soil organic matter and pH of Cryptomeria fortunei plantation in different age groups

图选项

土壤pH值是衡量土壤酸碱反应强弱的关键指标，它将影响土壤中养分的有效性^[20]。从图 2(b)可以看出，不同龄组和土层的土壤pH值分布在5.9~6.8，属于酸性土壤。随着林龄的增长，不同龄组土壤pH值在同一土层减小，且存在显著性差异。随着土层加深，5个龄组的pH值变化不明显。龄组和龄组及土层的交互作用对土壤pH值影响显著，而土层深度对其影响不显著(表 3)。

不同龄组柳杉人工林土壤全量养分含量如图 3所示。从图 3(a)可看出，柳杉人工林土壤全氮含量为1.01~2.02 g·kg^-1。随着柳杉的生长发育，不同土层土壤全氮含量呈上升趋势，且差异性显著。不同龄组全氮含量随土层的加深而下降。全氮含量受龄组、土层深度、龄组及土层的交互作用影响显著(表 3)。

注：图中不同大写字母表示同一土层不同林龄间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示同一林龄不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different capital letters in the same field indicate significant differences among different forest age groups in the same soil layer (P < 0.05), and different lowercase letters in the same field indicate significant differences among different soil layers in the same forest age group(P < 0.05). 图 3 不同龄组柳杉人工林土壤全量养分含量 Fig. 3 Soil total nutrient content of Cryptomeria fortunei plantation in different age groups

图选项

从图 3(b)可看出，土壤全磷含量为0.31~0.70 g·kg^-1。不同龄组柳杉人工林有显著性差异，其中过熟林最高，近熟林最低。全磷含量随着林木的生长而表现出先减后增的趋势。在垂直剖面上，随着土层的加深，各龄组全磷含量均减少。全磷含量受龄组、土层深度、龄组及土层的交互作用影响显著(表 3)。

土壤全钾含量为30.66~93.53 g·kg^-1[图 3(c)]。随着林龄的增加，不同土层的全钾含量增加，且存在明显差异。5个龄组柳杉人工林的全钾含量随土层的加深而减少，呈现出表聚现象。全钾含量受龄组、土层深度、龄组及土层的交互作用影响较大(表 3)。

不同龄组柳杉人工林土壤速效养分含量如图 4所示。土壤速效氮含量为13.21~26.35 mg·kg^-1[图 4(a)]，不同龄组及土层间存在显著差异。在不同土层速效氮含量均随林龄的增加而增加，过熟林的速效氮含量最高，在不同龄组速效氮含量均随土层的加深而呈下降趋势。速效氮含量在不同龄组和土层间有显著差异，但龄组及土层的交互作用对其没有较大影响(表 3)。

注：图中不同大写字母表示同一土层不同林龄间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示同一林龄不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different capital letters in the same field indicate significant differences among different forest age groups in the same soil layer (P < 0.05), and different lowercase letters in the same field indicate significant differences among different soil layers in the same forest age group(P < 0.05). 图 4 不同龄组柳杉人工林土壤速效养分含量 Fig. 4 Soil available nutrient content of Cryptomeria fortunei plantation in different age groups

图选项

土壤速效磷含量为43.51~60.33 mg·kg^-1[图 4(b)]，有效磷含量随林木生长先降低后升高。其中幼龄林含量最高，近熟林含量最低。在垂直分布上，随土层加深，5个龄组的速效磷含量减少。速效磷含量受龄组和土层深度影响显著，但龄组及土层的交互作用对其无显著性影响(表 3)。

土壤速效钾含量为82.59~236.92 mg·kg^-1[图 4(c)]，不同龄组及土层间差异显著。随着柳杉的生长，不同土层的速效钾含量依次为过熟林>近熟林>中龄林>幼龄林>成熟林。在垂直方向上，随着土层加深，速效钾含量减少。龄组、土层深度、龄组及土层的交互作用均对速效钾含量影响显著(表 3)。

土壤肥力因子间存在不同程度的相关性(表 4)。土壤总孔隙度与含水量、有机质、全氮、全钾、速效氮呈显著或极显著正相关；土壤含水量与有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮呈极显著正相关；土壤容重与有机质和全钾呈显著负相关；有机质与全氮、全磷、全钾、速效氮、速效钾呈极显著正相关；全氮与全磷、全钾、速效氮呈极显著正相关；全磷与全钾、速效氮、速效磷、速效钾呈显著或极显著正相关；全钾与速效氮、速效钾呈极显著正相关；速效氮与速效钾呈极显著正相关；pH值与速效氮、全钾、全氮、有机质、含水量呈极显著负相关。由此可见，土壤中各种养分指标之间是有密切联系的。

采用主成分分析法对不同龄组柳杉人工林土壤肥力进行了评价，综合得分通过加权各主要成分的贡献率并计算评价指标得到^[21]。以土壤容重、含水量、总孔隙度、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、pH值、有机质11个指标组成土壤肥力评价指标体系。土壤肥力因子主成分分析(表 5)表明, 前3个主成分的累积贡献率达87.36%，前3个主成分能较好地反映土壤肥力因子的变化和土壤肥力质量的综合情况。计算5个龄组的各个样地土壤养分的综合分数(表 6)，得出过熟林、成熟林、近熟林、中龄林、幼龄林5个龄组的综合得分依次为-5.47、-3.33、-0.66、3.16和6.41。土壤肥力从高到低依次为过熟林、成熟林、近熟林、中龄林、幼龄林。

随着柳杉的生长，土壤容重先减小后增大。一方面可能是因为随着林龄的增加，林内枯落物堆积，有机质在森林中积累，从而降低了土壤容重^[22]。而成熟林和过熟林容重升高，可能与林龄过大，林木老龄化，凋落物减少有关。另一方面是因为随着柳杉的生长，会产生越来越多的根系，从而降低土壤容重。土壤容重随着土层的加深而升高，这与刘杰等^[23]的研究结果一致。大量凋落物积聚在土壤表层，随着土层加深，土壤有机质含量减小，土壤紧实度增加，所以随土层加深土壤容重升高。不同龄组柳杉人工林土壤容重差异较大，但不同土层的土壤容重没有较大差异，可能与柳杉属于根深蒂固的树种，本研究仅对0~30 cm层进行了研究有关。

随着林龄的增加，土壤含水量升高，杨志训等^[24]和LÜ et al^[25]亦得出相同结论。这可能是因为随着林龄增加，林分的冠幅变大，有机质的积累增多和根系壮大，土壤的持水能力也随之增强，导致了土壤含水量升高。随着土层加深，土壤含水量先降低后升高，主要是因为地表积累了大量凋落物，表层比下层孔隙度大，且蒸发作用散失的水分少。而20~30 cm层的含水量比表层的高，是因为根系分布在这一层，土壤的保水能力得到了增强。

随着林龄的增加，土壤孔隙度先增大后减小，这与邱新彩等^[20]的研究结果一致。可能是因为随着林龄的增加，柳杉根系发达，使土壤的通气透水能力增强，而林木生长到过熟林阶段，其代谢能力减缓，枯落物较成熟林减少。随着土层加深，土壤孔隙度总体上减小，是因为土壤表层枯落物多，土壤疏松，而土壤深层透气性变差，紧实度加强。

随着柳杉的生长，土壤有机质含量呈上升趋势。邱新彩等^[20]研究发现，随着林龄增加，林下的枯枝落叶积累越来越多，现存量和生物量都在逐渐增大，与本研究结果一致。有机质含量随着土层的加深而减少，李永涛等^[26]亦得出相似结论。表层积累了许多凋落物，微生物活动频繁，促进了凋落物的分解，使得土壤表层的有机质含量比深层高。

随着林龄的增加，土壤pH值减小。有研究发现，随着林龄的增加，针叶林的pH值呈下降趋势，导致土壤酸化^[27]。这与本研究结果相似，可能是因为柳杉人工林为纯林，且其凋落物在分解过程中产生了大量的酸性物质。随着土层的加深，土壤pH值变化不大，可能是因为研究的土层只有0~30 cm，差异不显著。

本研究中，全氮和速效氮含量随着林龄和土壤深度的增加而变化的趋势与有机质相一致，宋贤冲等^[28]研究发现有机质是土壤氮素重要来源。全磷和速效磷含量随着林龄增加而先降低后升高，随着土层加深而减少，主要是因为磷元素在土壤中的迁移转化有扩散、吸附、解吸、沉积、矿化等过程，降低了磷元素在垂直方向的流动性^[29]。全钾和速效钾含量有表聚现象，与张泽辉等^[30]的研究结果一致。随着柳杉的生长，全钾含量增加，与有机质变化趋势一致。速效钾含量随着林龄的增加表现出过熟林>近熟林>中龄林>幼龄林>成熟林，可能与人为干扰及钾的循环特征有关。

土壤肥力指标之间存在密切联系，说明各肥力指标之间相互制约^[31]。柳杉人工林的土壤肥力综合评价结果表明，土壤肥力从高到低依次为过熟林>成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林。不同龄组土壤肥力不同的原因在于：在造林初期，林地土壤贫瘠，且凋落物少导致有机质积累较少，且根系发达需消耗大量养分，所以幼林龄的肥力较低。随着林龄的增加，凋落枯枝落叶积累量增加，枯枝落叶腐质化积累大量有机质，养分回归量增加，从而提高了土壤养分含量。