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杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook)是我国南方特有的速生用材树种,具生长快、材质好、用途广等特点,目前栽植面积占全国人工林面积的30%以上[1-2],大量研究表明,杉木人工林生产力下降和地力衰退现象明显,连栽[3-4]、不合理经营措施[5-7]、短轮伐期[8-9]、杉木自身生物学特性[10]等均可能是引起地力衰退的原因。但由于研究地区和研究对象空间异质性以及林业研究的长期性,目前国内外对导致杉木地力衰退的原因还没有完全弄清,因此进一步开展杉木人工林土壤肥力的规律研究,为揭示杉木地力衰退的原因提供科学依据显得极为必要。
人工林的不同发育阶段贯穿林木生长的整个生命周期,了解林木不同发育阶段土壤肥力及林木的需肥特性对人工林经营具重要生态学意义[11]。王宏星[12]、崔宁洁[13]和衣晓丹[14]等对日本落叶松(Larix kaempferi Carr.)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)和杉木等人工林不同发育阶段的土壤理化性质进行过探讨,表明在林木整个生长发育过程中,由于生长环境不断变化,不可避免的对土壤肥力状况产生影响,导致不同发育阶段土壤肥力间存在差异。
土壤肥力评价能够揭示土壤利用和功能有关的土壤内在属性之间的异同,科学的确定森林土壤肥力指标并进行评价,对立地生产力和多目标森林经营的研究也具有重要价值[15]。虽然目前已有不少杉木人工林土壤肥力评价方面的研究[16-17],但运用多种合理的数学分析方法在相同条件下不同发育阶段杉木人工林土壤肥力的综合比较研究相对较少[18]。有鉴于此,本研究选择位于全国杉木中心产区的福建农林大学莘口教学林场不同发育阶段的杉木人工林(幼龄林、中龄林、成熟林)为研究对象,研究测定不同发育阶段杉木人工林土壤肥力指标,在分析不同发育阶段和不同土层土壤肥力指标基础上,采用数学模糊评价[19]和主成分分析[20]2种方法,综合比较不同发育阶段杉木人工林土壤肥力,揭示土壤肥力随林分生长和土层深度的变化规律,为进一步揭示杉木人工林地力衰退提供科学依据。
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试验地位于福建省三明市福建农林大学莘口教学林场(26°7′~26°12′N,117°25′~117°32′E),为低山丘陵地貌,属典型亚热带季风气候,年平均气温19.1℃,年平均降水量1 749 mm,为粉砂岩发育的山地红壤,土层厚度1 m以上。试验地均为二代经营的杉木人工林,造林前经炼山整地,造林后除草抚育6次,每年2次,并且没有经过人工施肥,中龄林和成熟林分别在2011和2004年进行间伐,样地基本情况见表 1。
发育阶段
Stand平均胸径
DBH/cm平均树高
Height/m林分密度
Density/(n·hm-2)海拔
Altitude/m灌木层主要物种
Shrub layer dominant species草本层主要物种
Herbaceous layer dominant species幼龄林
Juvenile7.17 5.57 2 267 230 山苍子(Litsea cubeba (Lour.) Pers.) 枇杷叶紫株(Callicarpa kochiana Makino.) 楤木(Aralia chinensis L.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.) 东南野桐(Mallotus lianus Croiz.) 五节芒(Miscanthus floridulus (Labill.) Warb.) 中龄林
Medium15.52 12.52 1 375 229 杜茎山(Maesa japonica (Thunb.) Moritzi.) 乌毛蕨(Lechnum orientale L.) 箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.) 粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.) 成熟林
Mature20.99 20.62 1 225 226 箬竹(Indocalamus tessellatus (Munro) Keng f.) 金毛狗(Cibotium barometz (L.) J. Sm.) 粗叶榕(Ficus hirta Vahl.) 华山姜(Alpinia chinensis (Retz.) Rosc.) 细圆藤(Pericampylus glaucus (Lam.) Merr.) 福建莲座蕨(Angiopteris fokiensis Hieron.) 注: 表中幼龄林林龄为5年,中龄林林龄为15年,成熟林林龄为24年,均按采样时间计算。
Note: In the table, the Juvenile age is 5, the Medium age is 15, the Mature age is 24, and the calculation according to the sampling time.Table 1. Situation of the sites of Chinese fir in different development
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表 2看出,土壤物理性质指标随着发育过程表现出显著的变化规律。幼龄林与成熟林0~20 cm土层的最大持水量、田间持水量、总孔隙度和土壤密度与20~40 cm、40~60 cm土层差异达显著水平。随着土层的增加,最大持水量、田间持水量和总孔隙度减少,土壤密度则增加。中龄林不同层次土壤最大持水量均存在显著差异,而毛管孔隙度与质量含水量在同一发育阶段不同土层之间无显著差异。
发育阶段
Stage土层Layer 最大持水量MWH 田间持水量FWH 总孔隙度SP 毛管孔隙度CSP 土壤密度BD 质量含水量QWH cm (g·kg-1) % (g*cm-3) % 幼龄林Juvenile 0~20 579.84±80.08Aa 449.76±16.67Aa 55.23±2.40Aa 41.22±2.97Aa 0.98±0.12Bb 31.57±4.01Aa 20~40 468.12±34.93Ab 345.47±16.87Ab 51.45±1.26Ab 40.84±2.60Aa 1.11±0.08Aa 29.03±2.70Aa 40~60 427.35±41.84Ab 332.38±26.31Ab 49.85±2.50Ab 41.46±2.71Ba 1.17±0.08Ba 28.04±3.66Ba 中龄林Medium 0~20 479.93±66.66Ba 351.73±23.05Aa 53.93±2.98Aa 43.10±1.91Aa 1.26±0.09Aa 29.58±2.33Aa 20~40 409.04±40.89Bb 323.07±30.23Ab 50.48±2.25Aab 42.86±3.11Aa 1.24±0.20Aab 29.51±2.53Aa 40~60 376.09±58.68Bc 319.04±49.31Ab 48.98±2.56Ab 44.19±3.85ABa 1.21±0.10ABb 30.26±5.04ABa 成熟林Mature 0~20 493.19±63.60Ba 359.00±33.16Aa 54.72±2.93Aa 43.41±2.03Aa 1.14±0.10Ab 33.55±3.27Aa 20~40 440.31±38.60ABb 338.62±15.26Ab 52.59±1.93Ab 43.71±1.99Aa 1.20±0.09Aa 32.10±2.46Aa 40~60 418.88±25.37Ab 347.16±14.93Ab 51.64±1.63Ab 45.43±1.72Aa 1.24±0.20Aa 32.77±1.70Aa F值 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11* 注: 表中数据为平均值±标准差,**表示在0.01水平差异显著,*表示在0.05水平差异显著。小写字母表示同一发育阶段不同土层间的差异显著水平,大写字母表示同一土层不同发育阶段土壤各指标的差异显著水平(P<0. 05),F值反映了林龄因素对土壤各指标的显著水平, n=9。
Note: Data in the table as mean ± standard deviation, **Shows significantly differences at P=0.01, *Shows significantly differences at P=0.05, Small letters represent the same stage of development differences among the significant level of soil, Big letters indicate differences in the same layer of soil at different developmental stages of each index significant (P<0.05). F values reflect the significant level forest age factor of soil each index, n= 9.Table 2. Soil physical properties of Chinese fir plantation at different stages
不同土层土壤水分物理指标随发育阶段的增加呈先减少后增加的趋势。0~20 cm土层的最大持水量和土壤密度表现出幼龄林分别与成熟林和中龄林存在显著差异,最大持水量在幼龄林最高,到中龄林时降到最低,成熟林有所上升,而土壤密度与之相反,其余指标未达显著水平。在20~40 cm土层,除了最大持水量之外,其余指标差异均不显著。在40~60 cm土层,毛管孔隙度、土壤密度和质量含水量,幼龄林与成熟林存在显著差异,均表现出成熟林大于中龄林和幼龄林,而最大持水量则表现出幼龄林和成熟林大于中龄林。
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表 3看出,幼龄林与成熟林0~20 cm土层有机质、全氮和硝态氮均显著高于20~40 cm和40~60 cm土层。幼龄林不同层次的全钾均有显著差异,并且逐层递增。中龄林土壤有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷表现为0~20 cm和20~40 cm土层显著高于40~60 cm土层,全磷出现相反显著趋势,而0~20 cm与20~40 cm土层间差异仅有机质表现出显著差异。
发育阶段
Stage土层
Layer有机质SOM 全氮TN 铵态氮
(NH4+)N硝态氮
(NO3-)N全磷TP 有效磷AP 全钾TK pH cm (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) (mg·L-1) (g·kg-1) H2O 幼龄林Juvenile 0~20 29.54±4.40Aa 1.59±0.16Ba 3.75±0.86Aa 0.28±0.08Ba 0.53±0.10Ba 3.35±1.06Aa 19.03±3.04Bc 4.43±0.17Aa 20~40 16.18±5.0ABb 1.14±0.22Bb 3.36±0.69Aa 0.24±0.05Cb 0.45±0.07Ba 2.68±0.83Aa 19.54±3.67Cb 4.41±0.14Aa 40~60 10.55±2.30Ab 1.01±0.24Bb 2.75±0.75Aa 0.23±0.05Bb 0.41±0.09Ba 2.15±0.86Aa 20.68±4.56Ca 4.45±0.07Aa 中龄林Medium 0~20 24.91±3.52Aa 1.83±0.2ABa 3.15±0.32Aa 0.68±0.12Aa 0.32±0.12Ca 8.10±1.53Aa 26.83±2.51Ab 4.05±0.42Ba 20~40 13.35±3.00Bb 1.42±0.22Aa 2.87±0.18Aa 0.50±0.09Aa 0.28±0.10Ca 7.29±8.09Aa 29.37±2.33Ab 4.26±0.17Ba 40~60 10.65±2.01Ab 1.36±0.13Aa 2.44±0.15Ab 0.42±0.06Ab 0.26±0.10Ca 3.32±3.42Ab 32.74±2.06Aa 4.20±0.23Ba 成熟林Mature 0~20 31.36±8.20Aa 1.97±0.36Aa 3.44±1.38Aa 0.62±0.18Aa 0.69±0.18Aa 2.55±0.63Aa 24.57±2.55Aa 4.20±0.1ABa 20~40 19.53±5.08Ab 1.60±0.14Ab 2.63±1.31Aa 0.39±0.03Bb 0.60±0.10Aa 1.93±0.59Aa 26.08±1.56Ba 4.22±0.06Ba 40~60 15.62±7.60Ab 1.51±0.31Ab 2.36±1.15Aa 0.36±0.02Ab 0.54±0.09Aa 1.27±0.78Ab 26.44±4.59Ba 4.23±0.05Ba F值 3.42* 0.83 6.09** 18.96** 7.43** 12.11* 0.41 2.13 注: 同上。
Note: The same as table 2Table 3. Soil chemical properties of Chinese fir plantation at different stages
从同一土层看,成熟林0~20 cm土层全氮、全磷均显著高于中龄林和幼龄林。中龄林硝态氮、有效磷和全钾高于幼龄林和中龄林,其中硝态氮和全钾显著高于幼龄林。幼龄林的铵态氮和pH值高于中龄林和成熟林,pH值达显著水平。20~40 cm土层与0~20 cm土层差异不大。不同发育阶段杉木林40~60 cm土层有机质、铵态氮和有效磷差异不显著。成熟林全氮、硝态氮和全磷均高于幼龄林与中龄林,其中全磷成熟林达显著水平。中龄林全钾显著高于成熟林和幼龄林。
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表 4可见,不同发育阶段杉木人工林各个土壤肥力因子之间关系较为密切。其中,土壤水分物理性质各指标间的相关性较为显著。质量含水量除与土壤密度呈显著负相关外,与其他土壤物理指标均呈显著正相关,说明质量含水量对土壤水分物理性质具有明显指示作用。土壤有机质除与有效磷和pH值无关,与其他化学性质指标均表现出显著正相关,而且pH值与全氮、硝态氮、有效磷和全钾也表现出显著负相关,说明有机质与pH值对土壤化学性质具有明显的指示作用。
项目
Items最大持水量
MWH田间持水量
FWH总孔隙度
SP毛管孔隙度
CSP土壤密度
BD质量含水量
QWH有机质
SOM全氮
TN铵态氮(NH4+)
N硝态氮(NO3-)
N全磷
TP有效磷
AP全钾
TK田间持水量FWH 0.76** 总孔隙度SP 0.82** 0.73** 毛管孔隙度CSP -0.17 0.21 0.10 土壤密度BD -0.77** -0.69** -0.63** 0.09 质量含水量QWH 0.39** 0.56** 0.47** 0.48** -0.32** 有机质SOM 0.62** 0.52** 0.67** -0.03 -0.45** 0.20 全氮TN 0.33** 0.35** 0.49** 0.14 -0.20 0.27* 0.80** 铵态氮(NH4+)N -0.36* 0.33* 0.29 0.02 -0.25 0.21 0.38* 0.09 硝态氮(NO3-)N -0.19 -0.05 0.10 0.16 0.24 -0.09 0.32* 0.58** 0.09 全磷TP 0.28* 0.30** 0.28* 0.05 -0.29** 0.20 0.44** 0.35** 0.22 -0.04 有效磷AP -0.08 -0.08 -0.08 -0.02 0.06 -0.15 -0.01 -0.01 -0.01 0.24 -0.20 全钾TK -0.46** -0.28* -0.29** 0.31** 0.48** 0.11 -0.30** 0.21 -0.18 0.39** -0.22 0.07 pH 0.21 0.05 0.07 -0.13 -0.16 0.04 -0.08 -0.34** 0.10 -0.43** 0.05 -0.34** -0.33** 注:*表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上显著相关。n=8
Note: *Shows significantly differences at P =0.05, **Shows significantly differences at P=0.01, n=8.Table 4. The correlation coefficient of soil fertility factor
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选择表层土壤最大持水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤密度、质量含水量、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、有效磷、全钾和pH值组成该区域的土壤肥力评价指标体系,进行主成分分析。设置特征值大于1的抽取方法,得出表 5中前5个主成分,第一主成分的方差贡献率最大,为38.86%,第二、三、四主成分的方差贡献率分别为20.93%、10.24%和8.36%,第五主成分的方差贡献率相对最小,为7.206%,并且抽取出的主成分累积方差贡献率为85.59%(>85%),证明可以基本反映土壤肥力系统的变异程度[23]。
成分
Ingredient初始特征值
Initial eigenvalues提取平方和载入
Extract the sum of square合计
Total方差的百分比
Variance/%累积的百分比
Accumulation/%合计
Total方差的百分比
Variance/%累积的百分比
Accumulation/%1 5.44 38.86 38.86 5.44 38.86 38.86 2 2.93 20.93 59.78 2.93 20.93 59.78 3 1.43 10.24 70.02 1.43 10.24 70.02 4 1.17 8.36 78.38 1.17 8.36 78.38 5 1.01 7.21 85.59 1.01 7.21 85.59 6 0.76 5.44 91.03 7 0.55 3.91 94.94 8 0.42 3.02 97.96 9 0.15 1.04 98.99 10 0.09 0.67 99.67 11 0.03 0.19 99.86 12 0.02 0.12 99.98 13 0.00 0.01 99.99 14 0.00 0.00 100.00 Table 5. Characteristic roots of the variables and the corresponding contribution rate
表 6为5个主成分的特征向量值,可看出不同土壤肥力因子对该主成分的贡献与反馈特征。
因子Factors 成份Ingredient 1 2 3 4 5 最大持水量MWH(x1) 0.95 -0.17 -0.11 0.11 0.01 田间持水量FWH(x2) 0.20 -0.65 0.07 -0.53 0.45 总孔隙度SP(x3) 0.90 -0.01 -0.04 0.13 -0.11 毛管孔隙度CSP(x4) 0.01 -0.41 0.76 -0.20 -0.26 土壤密度BD(x5) -0.90 0.13 0.33 -0.14 0.07 质量含水量QWH(x6) 0.59 -0.17 -0.57 0.17 -0.03 有机质SOM(x7) 0.48 0.81 0.18 0.13 0.11 全氮TN(x8) -0.27 0.86 0.12 -0.10 0.06 铵态氮NH4+N(x9) 0.23 0.10 0.41 0.52 0.63 硝态氮NO3-N(x10) -0.75 0.28 0.20 0.24 -0.29 全磷TP(x11) 0.34 0.74 0.07 0.38 -0.09 有效磷AP(x12) -0.46 -0.45 -0.12 0.52 -0.21 全钾TK(x13) -0.83 -0.17 0.24 -0.06 0.08 pH(x14) 0.75 -0.07 0.28 -0.07 -0.41 Table 6. The feature vector of five main components
运用主成分分析综合评价模型,得到不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分。从表 7看出,不同发育阶段杉木林土壤肥力的综合得分分别为1.90、0.92、-1.26,其中以杉木幼龄林土壤肥力较高,随后中龄林土壤肥力下降,到成熟林阶段土壤肥力又有所恢复。
发育阶段Stage f1 f2 f3 f4 f5 综合得分
Score幼龄林Juvenile 3.80 0.05 0.48 0.63 0.55 1.90 中龄林Medium -3.10 -0.02 1.38 0.33 -0.54 -1.26 成熟林Mature 0.50 1.97 1.36 0.74 -0.25 0.92 Table 7. Comprehensive scores of soil fertility quality in different age
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根据前人研究[24-28], 利用各评价指标与植物生长效应确定隶属度函数。由于不同肥力指标对土壤的贡献不同,应赋予不同权重。为避免主观因素影响,采用相关系数法来计算。即首先根据之前各土壤因子的相关性分析分别求出各单项指标与其余指标的相关系数平均值,再以该单项指标占所有指标相关系数平均值总和的百分比,作为该单项肥力指标的权重。
由表 8得出,不同发育阶段杉木人工林的土壤肥力综合评价指数(SFI)分别是0.73、0.66和0.24,以幼龄林最高,成熟林其次,中龄林最低。
因子
Factors幼龄林
Juvenile中龄林
Medium成熟林
Mature相关系数均值
Correlation coefficient权重
Weights最大持水量MWH(x1) 1.00 0.01 0.56 0.16 0.13 田间持水量FWH(x2) 1.00 0.02 0.62 0.21 0.17 总孔隙度SP(x3) 0.57 0.54 1.00 0.23 0.19 毛管孔隙度CSP(x4) 0.24 0.73 1.00 0.05 0.04 土壤密度BD(x5) 0.55 1.00 1.00 -0.22 -0.18 质量含水量QWH(x6) 0.31 0.23 1.00 0.18 0.15 有机质SOM(x7) 0.63 0.54 0.74 0.24 0.19 全氮TN(x8) 0.50 0.62 0.68 0.24 0.19 铵态氮NH4+N(x9) 0.22 0.19 0.19 0.13 0.10 硝态氮NO3-N(x10) 0.13 0.26 0.23 0.10 0.08 全磷TP(x11) 0.93 0.57 1.00 0.11 0.09 有效磷AP(x12) 0.27 0.62 0.19 -0.05 -0.04 全钾TK(x13) 0.56 0.85 0.74 -0.04 -0.03 pH(x14) 0.10 0.10 0.10 -0.10 -0.08 SFI 0.73 0.24 0.66 Table 8. Membership, the average correlation coefficient, the weight and the final score of soil fertility