土壤为林木生长和发育提供所需的物质，是森林的基础。森林具有较好的水土保持功能，能够改善土壤肥力^[1]。而森林的出现也影响土壤的形成和发育^[2-3]。人工林林分对土壤肥力的影响和作用机制是森林土壤学研究的重点领域之一^[4]。长期以来，由于不合理的营林措施、人工林自身的生物学特性等诸多综合因素，导致了人工林土壤理化性质发生变化，对林地可持续发展造成影响。目前，有关人工林土壤养分特征的研究比较多，但关于相同立地条件下人工林土壤养分比较及综合地力评价仍不多。研究人工林土壤养分特征，对于了解人工林生长与土壤养分发育之间的相互关系有重要意义^[5]。森林土壤质量评价指标中，常用化学指标有pH、有机质、全N、全P、全K、NH₄⁺-N、NO₃^--N、有效P和速效K等主要组成因子，这些因子能反映土壤养分肥沃程度、稳定性高且容易调查和测定，在近自然经营的土壤调查中常被釆用^[6]。鉴于此，本研究以海南省文昌市沙壤区5种典型人工林为例，分析不同层次的土壤养分，比较综合肥力情况，探求土壤养分最佳的类型树种种植模式，旨在为文昌市人工林的发展和土壤培育及恢复提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

研究区域位于海南省文昌市，地处110°43′19″~111°58′34″E，19°34′01″~19°44′23″N，属热带海洋性季风气候，高温多雨，年平均雨日为135.9 d，全年雨量的70%~90%集中在6—10月，年平均气温23~24 ℃，年均蒸发量为1 892 mm。主要林分类型为橡胶林、椰子林、木麻黄林、桉树林、相思类林、松类林、果树类林、红树林、灌木林、次生林和原生林等。

1.2 研究方法 1.2.1 样地选择

在研究区域选择具有代表性人工林：桉树(Eucalyptus robusta)、木麻黄(Casuarina equisetifolia)、椰子(Cocos nucifera)、大叶相思(Acacia mangium)和次生林，各建立1 hm²标准样地。在标准样地内分别设置20 m×20 m小型样方各2块，采用PVC管对每个样方做标记。调查记录各标准地的土壤类型、林分树龄、经纬度、郁闭度等(表 1)，并对乔木层进行每木检尺。

1.2.2 土壤样品采集

分别在每块小样方内设置2个采样点，每个采样点按照0~20、20~40、40~60和60~100 cm剖面自上而下将土层划分为5层。把同一土层采集的样品混合后，釆用四分法取混合土壤约0.5 kg带回实验室。在实验室通风阴凉处风干、去杂、磨细、过筛，之后测定土壤化学性质。

1.2.3 土壤指标测定

参考文献[7]，土壤pH测定采用电位法，土壤有机质测定采用重铬酸K容量法，土壤全N测定采用半微量开氏法，土壤全P测定采用酸溶—钼锑抗比色法，土壤全K测定采用碱溶—火焰光度法，土壤有效P测定采用BrayⅠ提取—钼锑抗吸光光度法，土壤速效K测定采用乙酸铵浸提—火焰光度法，土壤NO₃^--N和NH₄⁺-N测定釆用1 mol·L^-1 KCl浸提—靛酚蓝吸光光度法。

1.3 统计与分析

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理。利用SPSS统计分析软件对各土壤养分进行相关性和主成分分析。对所有土壤养分指标进行标准化处理，并将众多相关性指标化为少数几个相互独立的综合独立指标，对人工林土壤养分进行综合评分，最终得到人工林土壤综合肥力水平^[8]。

2 结果与分析 2.1 土壤pH与有机质含量特征 2.1.1 pH值

由图 1A可知，海南省文昌市5种人工林0~100 cm深度的土壤pH值变幅为4.88~6.88，相思林pH值相比其他4种人工林最低，其变幅在4.5~5.5之间。土壤表层0~10 cm的pH值表现为：次生林>木麻黄林>椰子林>桉树林>相思林。从不同深度来看，次生林和椰子林分布规律均较明显，从上到下降低，次生林和椰子林变幅分别为4.88~6.88和5.14~5.90；而桉树林土壤pH则从上到下逐渐增加，变幅为5.26~5.85；木麻黄林和相思林的土层间pH变化相对较小。

2.1.2 有机质含量

由图 1B可知，5种人工林土壤有机质含量随土层0~100 cm深度变化幅度为0.34~23.63 g·kg^-1。其中，木麻黄土壤有机质变化幅度为1.11~1.96 g·kg^-1，含量最低；桉树林最高，变化幅度为4.70~23.63 g·kg^-1。5种人工林土壤有机质含量排序基本为：桉树林>相思林>椰子林>次生林>木麻黄林。总体来看，5种人工林土壤有机质从上到下均有降低的趋势，其中桉树林各土壤层之间的变幅最大，木麻黄林变幅最小。

2.2 土壤全量养分含量特征 2.2.1 全N

由图 2A可知，5种人工林土壤全N变幅为0.04~0.89 g·kg^-1。其中，木麻黄林含量最低，其变幅为0.04~0.13 g·kg^-1；而桉树林较高，其变幅为0.28~0.89 g·kg^-1。随土壤深度的增加，5种人工林土壤全N含量均呈明显的下降趋势，同时下降幅度也随之减少。

2.2.2 全P

由图 2B可知，5种人工林土壤全P含量变幅为0.014~0.032 g·kg^-1。其中，桉树林较低，变幅为0.014~0.018 g·kg^-1，而相思林含量较高，变幅为0.023~0.032 g·kg^-1。随土壤深度增加，土壤全P呈不规则变化，其中以木麻黄林下降幅度较大，而椰子林、桉树林和相思林各土层的变幅较小。

2.2.3 全K

由图 2C可知，5种人工林土壤全K含量变幅为0.019~0.167 g·kg^-1。其中，桉树林最低，变幅为0.023~0.062 g·kg^-1，而木麻黄林最高，其变幅为0.118~0.167 g·kg^-1。随土壤深度增加，除木麻黄林土壤全K含量呈下降趋势以外，其他几种人工林类型均呈提高的趋势，增幅以椰子林最大。

2.3 土壤速效养分含量特征 2.3.1 NO₃^--N

由图 3A可知，5种人工林土壤NO₃^--N变幅为0.35~2.33 mg·kg^-1。其中，木麻黄林含量最低，其变幅为0.35~0.67 mg·kg^-1，而相思林含量较高，其变幅为0.57~2.33 mg·kg^-1。5种人工林NO₃^--N含量依次为：相思林>桉树林>椰子林>次生林>木麻黄林；5种人工林土壤硝态N含量均呈明显的下降趋势，其中，以相思林变幅最大，木麻黄林变幅最小。

2.3.2 NH₄⁺-N

由图 3B可知，5种人工林土壤NH₄⁺-N变幅为2.69~10.53 mg·kg^-1，含量明显高于NO₃^--N。其中，木麻黄林含量最低，为2.69~3.25 mg·kg^-1，而椰子林含量较高，为4.15~7.84 mg·kg^-1。椰子林土壤NH₄⁺-N主要集中在20~40、40~60 cm，桉树林则主要集中在表层0~10 cm，次生林则集中在20~40 cm，木麻黄林和相思林土层之间的变异则较小。

2.3.3 有效P

由图 3C可知，5种人工林土壤有效P含量存在显著差异，变幅为3.57~113.33 mg·kg^-1，其中木麻黄林含量最高，其次为次生林，椰子林、桉树林和相思林含量均较低。随土壤深度的增加，5种人工林土壤有效P含量均呈下降趋势，其中以木麻黄林降幅最大，其次为次生林，椰子林、桉树林和相思林降幅均较小。

2.3.4 速效K

由图 3D可知，5种人工林土壤速效K变幅为0.50~34.72 mg·kg^-1，其中以木麻黄林含量(0.35~0.67 mg·kg^-1)最低，而次生林含量(16.39~34.72 mg·kg^-1)最高。5种人工林速效K含量依次为：次生林>椰子林>桉树林>相思林>木麻黄林。随土壤深度的增加，次生林土壤速效K含量呈先增加后减少之外，在40~60 cm处含量最高，其他4种人工林均呈下降趋势。

2.4 人工林土壤养分指标间的相关性分析

对5种人工林0~100 cm的土壤pH、有机质、全N、全P、全K、NO₃^--N、NH₄⁺-N、有效P和速效K进行相关性分析(表 2)。由表 2可以看出，土壤pH与有效P呈极显著正相关，相关系数为0.578(P < 0.01)；土壤有机质与全N、NO₃^--N和NH₄⁺-N均呈极显著正相关(P < 0.01)，而与土壤全K则呈显著负相关(P < 0.05)；土壤全N与NO₃^--N和NH₄⁺-N均呈极显著正相关(P < 0.01)，与有效P呈显著负相关(P < 0.05)，而与土壤全K呈极显著负相关(P < 0.01)；土壤全K与有效P呈极显著正相关(P < 0.01)；土壤全P、速效K与其他指标均无显著关系(P < 0.05)。

2.5 人工林土壤养分主成分分析及肥力质量综合评价

在进行主成分分析之前，认为各指标对土壤综合评价是同等重要。分别采用F_i(i=1，2…，9) 代表第i个养分综合指标，用X_i(i=1，2，…，9) 分别代表土壤pH、有机质、全N、全P、全K、NO₃^--N、NH₄⁺-N、有效P和速效K。5种人工林土壤养分分析及肥力质量综合评价结果见表 3~5。

由表 3可以看出，根据累计贡献率≥85%的原则可提取4个主成分，第1~第4主成分对总方差的贡献率分别为43.454%、15.447%、13.352%和12.626%，四者之和为84.879%。由此可知，利用主成分分析法探讨5种人工林0~100 cm土壤肥力差异较为可靠。由表 4可知，第1主成分(F₁)主要包含土壤全N、全K、NH₄⁺-N、有机质的数据，第2主成分(F₂)主要包含NO₃^--N和土壤全P的数据，第3主成分(F₃)主要包含土壤pH和有效P的数据，第4主成分(F₄)主要包含土壤速效K的数据。

通过表 4的因子得分矩阵，可以得到4个养分综合指标的表达式：

${F_1} = - 0.214{X_1} + 0.438{X_2} + 0.444{X_3} - 0.106{X_4} - 0.368{X_5} + 0.380{X_6} + 0.373{X_7} - 0.343{X_8} + 0.133{X_9}$

(1)

${F_2} = - 0.398{X_1} - 0.019{X_2} + 0.113{X_3} + 0.756{X_4} + 0.151{X_5} + 0.394{X_6} - 0.238{X_7} + 0.114{X_8} - 0.103{X_9}$

(2)

${F_3} = 0.474{X_1} + 0.318{X_2} + 0.255{X_3} + 0.018{X_4} + 0.254{X_5} + 0.202{X_6} + 0.275{X_7} + 0.547{X_8} - 0.358{X_9}$

(3)

${F_4} = 0.458{X_1} - 0.076{X_2} + 0.068{X_3} + 0.269{X_4} - 0.283{X_5} + 0.105{X_6} - 0.093{X_7} + 0.233{X_8} + 0.744{X_9}$

(4)

将5种人工林0~10、10~20、20~40、40~60和60~100 cm的土壤养分含量数据分别带入公式(1) ~(4) 中，计算土壤肥力质量综合得分结果(表 5)。最终得到5种人工林的肥力质量综合得分排序为：桉树林>次生林>椰子林>相思林>木麻黄林。

3 讨论

本研究表明，文昌市沙壤区土壤pH值均偏酸性，其中相思林酸性最强。除桉树林土壤表层有机质含量(23.63 g·kg^-1)外，其他林分土壤和桉树表层以下土壤的有机质含量变幅在1.11~7.56 g·kg^-1，其中木麻黄林最低，仅1.11~1.96 g·kg^-1。通常认为有机质含量是土壤肥力高低的一个重要指标，由此也印证了桉树林综合肥力最高，而木麻黄林综合肥力最低(表 5)。以往研究^[9]对有机质含量进行了分级，如有机质含量>15 g·kg^-1的土壤属于高肥力地，有机质含量5.0~10.0 g·kg^-1属于低肥力，有机质含量 < 5.0 g·kg^-1属于薄砂地。王康雄等^[10]对文昌市9种森林植被类型的林地土壤成分进行分析，结果表明，该地区林地土壤均属于低肥力区。本研究中，综合肥力最高的桉树林属于低肥力地，而其他4种林分土壤均属于薄砂地，与王康雄等^[10]研究结果相似。

白军红等^[11]研究表明，土壤全N与有机质含量呈显著相关，归因于土壤N素来源于有机质。本研究表明，土壤全N和有机质主要集中在表层土壤。林地土壤有机质主要来自枯枝落叶的分解和累积，表层土又是植物根系的集中层，因此，林地土壤有机质和全N均以表土层最高，随土层向下明显减少^[12]。相关分析表明，NO₃^--N、NH₄⁺-N与土壤有机质及全N之间均存在极显著的正相关关系(P < 0.01)，该结果与前人研究结果^[13-15]相似。森林中的有效N主要以NH₄⁺-N和NO₃^--N形式存在，而有效N的供应能力又取决于N素的矿化、固持和移动等过程。由本研究可以看到，表层土的土壤有效N较高，由此可知表层土的矿化程度较高，对林木的根系N供应起到重要作用。

本研究表明，在同一区域相似立地条件下，经过不同年份的种植，5种人工林土壤化学性质表现出明显的差异。由此说明，森林种植年限及林分类型均对土壤理化性状有较大的影响。本研究4个主成分即能够反映土壤肥力指标信息的近85%。因此，本研究采用主成分分析方法探讨人工林土壤综合肥力的差异比较可靠^[16]。不同生长年限的各林分土壤综合肥力依次为:桉树林>次生林>椰子林>相思林>木麻黄林。桉树林、次生林、椰子林、相思林和木麻黄林对应的种植年限分别为20、35、26、5和4 a。结合土壤综合肥力来看，种植时间较长的桉树林、次生林和椰子林土壤肥力仍高于种植时间较短的相思林和木麻黄林。因此，推断桉树林人工林生态系统能对林地土壤肥力的维持产生较为积极的影响，而相思林和木麻黄林人工生态系统对林地土壤肥力的维持会产生不利影响，进而可能会造成土壤综合肥力下降，不利于可持续的土地生产力。

4 小结

5种人工林土壤有机质、全N和速效养分(NO₃^--N、NH₄⁺-N、有效P、速效K)含量随土层深度由上往下呈明显减少趋势；次生林土壤全K和速效K随土层深度由上往下均呈明显递增；木麻黄林的土壤全N、NO₃^--N、速效K含量和有机质在5种人工林中最低，但其全K和有效P含量最高。土壤有机质含量、全N、NO₃^--N、NH₄⁺-N之间均呈极显著正相关。采用主成分分析对人工林土壤肥力进行综合评价，得到各林分土壤肥力大小依次为：桉树林>次生林>椰子林>相思林>木麻黄林。