Effects of Soil Physicochemical Properties on Growth and Heartwood Formation of Castanopsis hystrix Plantation

研究区域位于中国林业科学研究院热带林业实验中心哨平和伏波实验场(22°01′ N～22°06′ N，106°52′ E～106°54′ E)，海拔190～500 m，低山丘陵地貌。该地属南亚热带季风气候，年均气温19.9～21.5℃，年降水1 200～1 550 mm。土壤类型主要为山地红壤和紫色土，其成土母岩为花岗岩和紫色砂岩等。

研究区域内红锥人工林经营管理措施基本一致，采用常规经营，造林不施基肥、不追肥，初植密度为1 667株·hm⁻²。造林前3年，每年砍草抚育1～2次，经多次间伐后，中龄林林分密度为650株·hm⁻²，近熟林林分密度为300株·hm⁻²。造林地前茬为马尾松或杉木人工林。

于2013年10月选取林龄17、18、32、34年生红锥人工纯林，共布设9块20 m × 30 m样地。对于红锥林样地内的所有林木，使用胸径尺测定胸径，超声波测高器(Haglöf IV，Sweden)测定树高和枝下高，皮尺测定4个方向的冠幅。根据广西用材林林组划分标准^[18]，将这些红锥人工林划分为中龄林（17～18年生）和近熟林（32～34年生）。各样地信息见表1。

根据调查结果，每块样地内各选取2株优势木，共计18株进行树干解析。解析木标记北方向后，定向伐倒。按常规方法进行树干解析，分别于根茎处以上0.3、1.3、2 m高度处截取圆盘，此后按2 m区分段截取圆盘，圆盘厚度约5 cm，每个圆盘标明高度位置及北方向。

圆盘于室内自然干燥，逐个打磨、抛光后，标出东、西、南、北4向，采用图像扫描对比法^[19]判读心材和边材，测量每个圆盘东、西、南、北方向去皮半径和心材半径。以1.3 m处圆盘东西和南北方向上的去皮直径和心材直径的平均值作为优势木直径和心材直径，记为D和d；以解析木梢头高度作为优势木树高，记为H，以心材最后出现的圆盘高度定为心材高度，记为h。利用分段材积^[20]计算出优势木及心材的材积，结合上述测量值分别计算心材直径比、高度比和材积比，其计算公式如下：

r_d=d/D×100%；r_h=h/H×100%；r_v=v/V×100%

式中：V、D和H分别为单株材积、胸径和树高；v、d和h分别为心材材积、胸高处直径和高度；L为树段长度；SS1、SS2为树段上、下圆盘断面积；sr₁和sr₂分别为树段上、下圆盘断面的平均半径；SH1、SH2为树段上、下圆盘心材断面积；hr₁和hr₂分别为树段上、下圆盘断面心材平均半径；r_d、r_h和r_v分别为心材直径、高度和材积比。

沿样地对角线设置3个5 m × 5 m的样方，每个样方挖取深1 m的土壤剖面，用环刀分别取0～20、20～40、40～60、60～100 cm土层深度的土样，带回实验室用于土壤物理性质测定^[21]；每个土层另取1 kg土样带回实验室用于化学性质测定，采用电位法测定土壤pH值，凯氏法测定全氮含量，碱解扩散法测定水解性氮含量，碱溶法测定全磷含量，双酸法测定有效磷含量，碱熔法测定全钾含量，乙酸铵浸提法测定速效钾含量，重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量^[21]。

数据采用Microsoft Excel 2010进行统计整理，用SPSS19.0单因素方差分析对红锥人工林不同土层土壤理化性质进行统计分析。

运用灰色系统理论关联分析法分析土壤理化性质对红锥人工林生长和心材形成的影响。依据人工林生长、心材特征以及土壤理化性质构建数列为：X_i = {性状，pH，全氮，水解氮，全磷，有效磷，全钾，速效钾，有机碳，含水量，土壤容重，最大持水量，毛管持水量，最小持水量，非毛管孔隙度，毛管孔隙度，总孔隙度} = {X_i(k)|i = 0，1，2；k = 1，2，3······16}。采用均值法数列进行无量纲化处理，以X₀为参考数列，X₁，X₂··· X₁₆为比较数列，计算出参考数列和比较数列的关联系数( £_i (k))和关联度( γ_i )，其计算公式分别为^[22]：

${{{\gamma }}_{{i}}}{{ = }}\dfrac{{{1}}}{{{n}}}\displaystyle \sum \nolimits_{{{k = 1}}}^{{n}} {\text{£}_i}\left( k \right)$

式中：minmin|x₀(k)-x_i(k)|为参考数列x₀与比较数列x_i的二级最小绝对差，maxmax|x₀(k)-x_i(k)|为参考数列x₀与比较数列x_i的二级最大绝对差；x₀为参考数列，x_i为比较数列；i为生长及心材特征，k为土壤理化性质；ρ为分辨系数，其值为0.5；￡_i(k)为参考数列x₀与比较数列x_i间的关联系数，γ_i为参考数列x₀与比较数列x_i间的关联度，n为土壤理化性质总数，其值为16。

由表2可知：近熟林优势木的平均胸径、树高和材积分别比中龄林高47.63%、62.5%和93.33%，而心材直径、高度和材积分别为中龄林的2.97、1.91、9.26倍，其相应比率则分别为中龄林的2.03、1.02、2.17倍。

由表3可知：随土层深度的增加，中龄林土壤容重及近熟林土壤含水量总体表现为增加趋势，中龄林土壤的最大持水量、非毛管空隙度及近熟林土壤的非毛管孔隙度均呈递减趋势；最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度在4个土层间相近，说明这些因子在空间上变化较小。

方差分析结果（表3）表明：中龄林0～20 cm土层的土壤容重、最大持水量、毛管持水量及近熟林0～20 cm土层的非毛管孔隙度与其它3个土层间差异显著(P < 0.05)；近熟林0～20 cm土层的土壤含水量与60～100 cm土层的差异显著；最小持水量、毛管孔隙度和总孔隙度在中龄林和近熟林4个土层间均差异不显著(P > 0.05)。

表4表明：中龄林和近熟林土壤pH值、全钾含量随土层深度增加而增加，而全氮、水解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量则呈递减趋势。中龄林和近熟林0～20 cm土层的土壤全氮、水解氮以及中龄林0～20 cm土层的速效钾、有机碳含量与其他3个土层之间差异显著(P < 0.05)；中龄林和近熟林0～20 cm土层的土壤pH值均与60～100 cm土层的差异显著(P < 0.05)；全磷和全钾在中龄林和近熟林4个土层间均差异不显著(P > 0.05)。

由表5可知：中龄林内0～20 cm土层，土壤全磷含量是胸径、树高和材积的最主要影响因子；20～40 cm土层，非毛管孔隙度是胸径、树高和材积的最主要影响因子；40～60 cm土层，全磷含量是胸径的最主要影响因子，而非毛管空隙度是树高和材积的最主要影响因子；60～100 cm土层，全磷含量是胸径、材积的最主要影响因子，有机碳含量是树高的最主要影响因子。

近熟林0～20 cm土层，土壤pH值、有效磷含量和总空隙度分别是优势木胸径、树高和材积的最主要影响因子；20～40 cm土层，土壤的pH值是胸径的最主要影响因子，而总孔隙度是树高和材积的最主要影响因子；40～60 cm土层，土壤的pH值是胸径的最主要影响因子，毛管孔隙度是树高和材积的最主要影响因子；60～100 cm土层，土壤毛管孔隙度、总空隙度和含水量分别是胸径、树高和材积的最主要影响因子。

由表6可知：中龄林0～20 cm土层，土壤速效钾含量是影响心材直径和高度的最主要因子，而全磷含量是影响心材材积的最主要因子；20～40 cm土层，土壤有效磷含量是影响心材直径和高度的最主要因子，而非毛管孔隙度是影响心材材积的最主要因子；40～60 cm土层，土壤非毛管孔隙度是影响心材直径和材积的最主要因子，而有效磷含量是影响心材高度的最主要因子；60～100 cm土层，土壤速效钾含量是影响心材直径、高度的最主要因子，而全磷含量是影响心材材积的最主要因子。

近熟林0～20 cm土层，土壤全磷含量是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；20～40 cm土层，土壤含水量是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；40～60 cm土层，土壤毛管孔隙度是影响心材直径的最主要因子，而全钾含量是影响心材高度和材积的最主要因子；60～100 cm土层，土壤总孔隙度、全钾含量和有机碳含量分别是影响心材直径、高度和材积的最主要因子。

在本研究中，红锥近熟林(32、34年生)优势木平均胸径、树高和材积分别为24.89 cm、20.8 m和0.29 m³，而心材相应的直径、高度、材积分别为12.19 cm、10.53 m和0.063 m³，其心材比分别为49.33%、45.99%、14.94%，远低于广西凭祥31年生柚木^[23]和福建建瓯37年生红豆树（Ormosia hosiei Hemsl. et Wils.）^[24]。此外，近熟林心材平均高度约10 m，远不及相近年龄的柚木^[23]。由此可见，10 m以下树干是红锥心材培育的目标区段，是高价值红锥人工林定向培育的核心。

本研究发现，影响红锥人工林生长的最主要的土壤物理因子是毛管孔隙度、非毛管空隙度、总孔隙度和含水量，而中国沙棘、柚木和美洲黑杨（Populus deltoides W.Bartram ex Marshall）生长的限制性因子却是土壤质地和土壤含水量^[3、6、25]。许多研究表明，毛管孔隙度、非毛管空隙度和总孔隙度与土壤质地和土壤含水量高度相关，Seddighi等^[25]研究结果表明，土壤质地影响土壤含水量、土壤容重和孔隙度等理化性质，进而影响林木生长。本研究中，全磷和有效磷含量是影响广西凭祥红锥人工林胸径和树高生长的最主要的土壤化学因子；而对于该地西南桦（Betula alnoides Buch. -ham. ex D. Don）人工林而言，有机质、有效氮和全钾含量是影响其生长的限制性因子^[26]。Wright等^[27]研究结果表明，磷元素是热带地区林分胸径生长和木材产量的限制性因子。红锥和西南桦人工林间的这种差异，可能与西南桦对有效磷含量低的土壤具有较强的适应性有关^[26]。

土壤理化性质与红锥心材形成灰色关联分析结果表明，20～40 cm土层的土壤含水量是影响红锥近熟林心材直径的主要因子。土壤含水量可改变树体组织水分含量^[9]，尤其是边材、心材及其过度区水分含量，其分布特征是驱使心材形成的原因^[28]。水分胁迫还影响边材薄壁细胞生理活性及次生代谢反应，引起抽提物及次生代谢产物的积累^[29]，从而调控心材形成。灰色关联分析结果还表明，土壤化学性质中的全钾和速效钾含量与红锥心材形成关联系数高，这说明全钾和速效钾含量是影响红锥心材形成的主要因子，其主要原因与钾离子参与了林木多种代谢过程、调节渗透势促进离子吸收、激活酶活性、增加木质部导管体积等有关^[30]。Jeffrey等^[31]研究表明，白杉（Chamaecyparis thyoides (L.) Mills.）心材形成时，钾离子从濒死边材转移至边材，且钾离子转移数量反应了土壤养分状况，此亦侧面反映出土壤钾离子含量与心材形成之间存在着必然联系，是心材形成必不可缺少的养分。虽然如此，目前对于土壤钾离子含量对珍贵树种心材形成影响机理尚需进一步深入研究。

红锥是我国华南地区栽培面积较广的珍贵用材树种，心材是高价值红锥人工林定向培育的关键。土壤毛管孔隙度、总孔隙度和非毛管孔隙度与土壤全钾、速效钾和有效磷含量是影响红锥人工林生长和心材形成的主要的土壤因子。选择质地疏松，全钾、速效钾和有效磷含量高的土壤，并合理补施磷肥和钾肥，可加速红锥心材形成。

致谢：承蒙曾杰研究员指导研究方案和修改论文，王春胜博士指导数据处理，特致谢忱！