杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是我国南方特有的重要速生用材树种，人工林面积超过7×10⁶ hm²，约占全国人工林面积的24%，在我国森林蓄积量和木材生产中占有极其重要的地位^[1-2]。杉木也是湖北省低山丘陵地区主要造林树种和重要针叶用材树种，主要分布于鄂西山区和鄂东南低山丘陵区。湖北省是我国杉木分布北部边缘产区(Ⅱ类区)，适合开展以中小径材为经营目标的人工林培育^[3]，已形成一种以小径材为培育目标、造林密度4 000~6 000株·hm^-2、主伐年龄9~12 a的短周期定向经营模式，能有效提升本区域杉木人工林经济效益^[4]。

土壤是森林存在和发展的物质基础，也是林地生产力及其丰产的基础^[5-7]。土壤质量是土壤内在属性和外部动力学作用的综合，许多土壤质量指标同时受土壤类型和利用方式的影响^[8]，而人类活动干扰成为气候一致的特定研究区域内土壤性质的主要影响因素^[9]。随着杉木速生丰产林的快速发展，土壤肥力呈下降趋势并造成林地生产力的退化^[10]，杉木中龄林发育阶段的土壤肥力状况出现明显恶化现象，而近成熟林阶段开始出现明显恢复^[11]，8~15 a生林地土壤N、P、K、有机质含量及阳离子交换量均随林龄增长而降低^[12]，而间伐抚育、杉阔混交均能有效提高土壤肥力^[13-14]，这些研究对如何维持和提高杉木林地土壤肥力、保持人工林可持续高效经营提供了技术支撑。

然而，目前大多数研究的研究对象为常规经营模式的杉木人工林，而对于以高密度、短轮伐期为关键技术要素的小径材定向培育和高度集约经营模式的杉木人工林土壤肥力研究尚为空白，该栽培模式是否可能导致林地土壤的过度消耗而出现退化现象，以及如何长期维持林地土壤肥力及其生产力等，均是急需解决的关键性技术问题。本研究通过比较分析该栽培模式不同林龄及不同土层土壤肥力指标的变化情况，并采用改进后的Nemerow法对其土壤肥力进行综合评价，探讨该模式不同生长发育阶段林地土壤肥力状况及地力衰退趋势，为其立地选择、土壤管理等经营措施提供数据支持和技术参考。

研究区位于湖北省咸宁市咸安区贺胜桥镇(114°16′~114°29′E，29°57′~30°02′N)，为幕阜山脉向江汉平原过渡地带，地势由东南向西北减缓，东南部为中山区，中部至西北大部分地区为低山丘陵区及江汉湖积冲积平原区，最高海拔1 656.7 m，最低海拔18.0 m。该地属北亚热带季风气候，年平均气温16.8 ℃，1月平均气温4.0 ℃，7月平均气温29.2 ℃，≥10 ℃活动积温5 345.4 ℃，无霜期255~263 d。土壤垂直分布明显，海拔800 m以下的低山丘陵区以棕红壤、黄红壤等居多，海拔800~1 200 m区域为棕黄壤，海拔1 200 m以上区域为草甸土。森林植被属于亚热带常绿阔叶林区-东部(湿润)常绿阔叶林亚区。

采取典型抽样方式，选取有代表性、集中成片的短周期小径材培育模式林分，设置面积为600 m²(20 m×30 m)的临时样地，考虑该培育模式的经营周期一般为10 a左右，为了研究其整个经营周期内林地土壤肥力的变化情况，选取5个林龄的林分共设置22个标准样地(表 1)。为了保证立地条件基本一致，所有样地均设置在同一乡村，但受分布位置及面积大小限制，2和11 a两种林分仅设置了4和3个标准地。所有样地均为低丘平缓坡地，红壤壤土，造林前机械全垦整地，1年生实生苗造林，造林密度4 000~6 000株·hm^-2，幼林间作花生(Arachis hypogaea Linn.)、西瓜[Citrullus lanatus (Thunb.) Matsum. et Nakai]等。

在每个样地中沿对角线按上中下设置3个样点，开挖深度1 m左右的标准土壤剖面，分别按10 cm分层采取各层土样，按四分法保留各样点各土层土样不少于80 g，将3个土壤剖面相同土层的土样混合，混合土样不少于200 g，挂好标牌带回室内自然风干，用于测定各土层的土壤肥力指标。土壤检测参数包括pH值、有机质(organic matter，OM)、全氮(total nitrogen，TN)、全钾(total potassium，TK)、全磷(total phosphorus，TP)、水解性氮(available nitrogen，AN)、速效钾(available potassium，AK)、有效磷(available phosphorus，AP)、交换性钙(exchangeable calcium，ECa)、交换性镁(exchangeable magnesium，EMg)和有效铁(available iron，AFe)含量。各项指标检测在国家林业和草原局经济林产品质量检验检测中心(杭州)进行，检测方法按相关标准执行，其中，pH值、有机质含量的执行标准分别为LY/T 1239—1999^[15]和LY/T 1237—1999^[16]，全钾和速效钾含量的执行标准为LY/T 1234—2015^[17]，全氮和有效氮含量的执行标准为LY/T 1228—2015^[18]，全磷和有效磷含量的执行标准为LY/T 1232—2015^[19]，交换性钙、交换性镁含量的执行标准为LY/T 1245—1999^[20]，有效铁含量的执行标准为NY/T 890—2004^[21]。

采用改进后的Nemerow法，并参照《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》^[22]、邓小军等^[7]土壤肥力单项与综合指数法确定各指标参考标准值，分别按式(1)、(2)计算各单项肥力指数和综合肥力指数^{[7, 22]}：

式中：P_i为土壤指标i的单项肥力指数；C_i和S_i分别为土壤指标i的实测值和参考标准值(参照NY/T 1749—2009附录C^[22])。

式中：P_综为土壤指标i的综合肥力指数; pH值的单项肥力指数P_i分别取值1.0(pH值≤5.0)或1.5(5.0＜pH值≤5.5)。P和P_min分别为土壤各指标单项肥力指标的平均值和最小值；n为土壤指标个数；当P_i＞3时，以P_i=3计。

所有数据经过Excel 2007软件整理并作图，利用SPSS 16.0软件进行方差分析及相关分析。

从各土壤肥力指标统计结果(表 2)来看，土壤pH值变异系数最小(5.5%)，平均值为4.63，为较强酸性；有机质、有效磷和交换性钙含量的变动幅度最大，全土层的变异系数(coefficient of variation, C_v)均超过70.00%，其中有机质含量极差最大，最大值是最小值的579.4倍；其次是水解性氮、交换性镁、全氮、有效铁和速效钾含量的变动幅度较大(29.18%~54.70%)，最大值是最小值的3.9~17.0倍；全钾和全磷含量变动幅度较小，变异系数分别为15.10%和21.90%。

除pH值、全钾和交换性钙含量外，表土层中的其他土壤肥力指标均高于全土层，且表土层的有机质、全氮、水解性氮、速效钾和有效磷含量明显高于全土层，说明土壤有机质和氮磷钾养分有明显的表聚现象，大部分养分主要集中于表土层^[23-24]，并随着土层的加深养分含量递减。

方差分析结果表明(表 3)，除全钾、交换性钙、交换性镁和有效铁含量外，其它肥力指标在不同土层间均存在显著或极显著差异，其中，有机质、全氮、全磷、水解性氮、速效钾和有效磷含量随土层加深而降低，不同土层间差异极显著(P≤0.001)，pH值随土层加深而增大，且差异显著，其它指标变异趋势不明显。

全土层各指标方差分析结果表明(表 3)，除pH值外，其它各指标在不同林龄间均存在显著或极显著差异。表土层各肥力指标在不同林龄间均不存在显著差异(P＝0.08~0.53)，可能与土壤肥力的表聚现象有关。从表土层各肥力指标的变化趋势(图 1、表 4)看，pH值、有机质以及氮磷肥含量总体趋势均随林龄增大而降低，其中有机质、水解氮、速效磷逐年降低，而有效磷的降幅最大(72.69%)，其次为水解性氮(42.07%)和有机质(30.02%)；钾肥指标、交换性镁和有效铁随林龄增加而增大，其中交换性镁不同林龄增幅均超过50%。与8 a各肥力指标的变化幅度相比，11 a时土壤明显酸化(表 4)，而有机质、全氮含量的降幅较小，这可能与林分开始自然整枝导致枯落物增加有关。水解性氮和有效磷含量在8~11 a时降幅均超过40%，说明此时土壤养分的消耗最大。尽管钾肥含量均表现为增加趋势，但速效钾含量在11 a时增幅仅为8 a时的1/25。交换性钙、交换性镁含量的变化波动较大，11 a时增幅分别为8 a时的0.6倍和3.9倍，这也是导致11 a时土壤pH值降低的原因之一。综合来看，随着林龄增大，林木生长对土壤有机质和氮磷肥的消耗越明显。

	图 1 表土层不同肥力指标随林龄的变化趋势 Fig. 1 Soil fertility index change trend of surface soil layer along with the change in stand age
图选项

杉木根系大多分布于表土层，而林地表土层中养分含量较高(表 2)，对林木养分吸收及其生长意义重大。选择表土层各检测参数值作为土壤肥力评价指标，计算各样点各单项肥力指数P_i(表 5)，单项肥力指数范围为0.016~2.113，有5个指标的单项肥力指数平均值大于1，从大到小依次为有机质含量、水解性氮含量、全氮含量、pH值和速效钾含量，单项肥力指数最小的为交换性钙和交换性镁含量。相比较而言，土壤有机质和氮肥含量较高、肥力较高，而交换性阳离子(钙、镁)则极度贫乏。从不同林龄土壤单项肥力指数变化看，除pH值的肥力指数基本不变外，有机质、全氮、全磷、水解性氮和有效磷含量总体趋势表现为随林龄增大而递减，其中，有机质、全氮、水解性氮含量为波浪式递减，而有效磷含量为逐年递减；全钾、速效钾、交换性镁和有效铁含量均随林龄增大而呈波动式递增趋势, 但不同林龄间各单项肥力指数均无显著性差异(P＝0.083~0.530)。

按(2)式计算不同林龄土壤肥力综合指数为0.412~0.530(表 5)，总体平均值0.471，林龄为4 a的样地变异系数最大(31.458%)，其次为8年生林分(21.226%)，其他各林龄样地的变异系数在10.377%~15.048%。土壤肥力综合指数随林龄的增大而波动式递减，11 a时降幅为22.26%，但不同林龄综合指数差异不显著(P＝0.451)。参照《南方地区耕地土壤肥力诊断与评价》^[22]、邓小军等^[7]土壤肥力等级划分标准，各样地各林龄及总体土壤肥力等级均为Ⅲ级(P_综＜0.9)，土壤肥力偏低。

将土壤综合肥力指数与各样地11项肥力指标及林龄进行多元线性回归分析(R²＝0.998 3，P=0)(表 6)，各肥力指标中有机质、水解性氮、速效钾、有效磷含量与土壤肥力综合指数的偏相关系数均在0.8以上，且均达极显著相关(P＜0.01)，是影响土壤肥力综合指数的主要因子。从单一因子的影响来看(图 2)，有机质、全氮、水解性氮、有效磷、全磷含量与土壤综合肥力指数为极显著相关(P＜0.01)，速效钾含量为显著相关(P＝0.02)。由此可见，有机质、氮、磷、钾含量对土壤肥力影响较大，有必要通过增加有机质和氮、磷、钾含量以提高土壤肥力，防止土壤肥力及林地生产力衰退。

	图 2 综合肥力指数与主要肥力指标、林龄的线性关系 Fig. 2 Linear relationship between soil comprehensive fertility index, stand age, and individual fertility index
图选项

本研究区杉木林地土壤酸性较强，pH值在所有指标中变化幅度最小(变异系数5.50%)，而其余肥力指标均存在较大幅度变化，其中，有机质、有效磷、交换性钙含量的变异系数均超过70.00%。绝大多数肥力指标在不同土层或不同林龄间存在显著或极显著差异，其中，有机质、全氮、水解性氮、速效钾和有效磷含量在不同土层和不同林龄间均存在极显著差异(P＜0.01)，土壤养分主要集中在0~20 cm的表土层，与邓小军等^[7]、余明等^[23]、田大伦等^[24]的研究结果较为一致。吴永铃等^[11]研究认为，杉木人工林土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量等表现为幼龄林较高，中龄林最低，而成熟林阶段开始恢复增加，本研究对象的经营周期较短，在幼龄期同样表现出随林龄增加而降低的变化趋势，特别是土壤有机质、氮磷肥含量消耗最大(降幅超过30%)。

各林地表土层各单项肥力指数范围为0.016~2.113，其中，有机质和水解性氮含量平均单项肥力指数较高(分别为1.729、1.151)，而交换性钙和交换性镁含量单项肥力指数最低(分别为0.059、0.026)，土壤中有机质和氮肥含量较充足，而交换性阳离子极为贫乏，这可能与土壤特性有关，也可能是导致土壤偏酸的主要因素。土壤肥力综合指数范围为0.412~0.530，土壤肥力等级为Ⅲ级(P_综＜0.9)，土壤肥力较低。本研究结果低于邓小军等^[7]对大桂山林场杉木林地肥力的综合评价，可能与肥力评价指标不一致、地理位置及土壤特性不同有关。在本研究选取的土壤各肥力指标中，有机质、速效钾、水解性氮、有效磷含量与土壤肥力综合指数呈极显著正相关(R²_偏>0.8)，是影响土壤肥力的主要因子，与吴永铃等^[11]的研究结果较为一致。总体上，各土壤肥力综合指数随林龄增大而递减，主伐时(11 a)比造林时(2 a)土壤肥力综合指数降低22.26%，一定程度反映出林龄对人工林土壤化学性质的显著影响，与不同林龄华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr)人工林土壤肥力随着林龄的增加呈现降低趋势^[25]、中幼期杉木人工林的养分供需矛盾加剧^[26]等结论一致。

本研究结果与前期对湖北省主要杉木分布区(包括本研究区)林地土壤肥力的综合评价相比，尽管土壤肥力均为Ⅲ级，但明显低于一般分布区常规造林模式近40%，这种高密度、中幼龄的杉木人工林因对碳、氮、磷养分需求量大而引起土壤养分供应不足^[26]，从而导致其土壤肥力较低。吴永铃等^[11]研究认为, 杉木人工林在中龄林阶段(16 a)土壤肥力状况表现出明显恶化现象，成熟期有所缓解，尽管本研究对象在其超短经营周期内土壤肥力有所下降(20%左右)，但林地表土层各肥力指标及肥力指数在不同林龄间均不存在显著差异，说明林地土壤可基本维持经营期内对林木生长的养分供给，并未造成土壤肥力过度消耗而出现明显退化现象，但有必要通过增加有机质含量，适度增施氮、磷、钾肥进一步保证林地地力维持，促进林木生长和林地生产力。我国目前还没有形成一个合适的土壤质量指标选择体系和标准^[27]，pH值、有机质、氮磷钾含量等指标是土壤肥力评价中使用频率较高的主要因子，综合指数法因其简单便捷而应用较多，但不同的评价标准和方法会得到不同的评价结果，有必要进一步增加土壤物理及生物学指标，探讨更适合本区域林地土壤的评价方法，更完善和精确地综合评价土壤肥力。