石門國家森林公園典型杉木林土壤理化特性分析

莫志安，賴武婷，李俊杰，連人豪，胡彩麗，張慧琳，袁富堅

（1.廣州市石門國家森林公園管理中心，廣東 廣州 510976；2.廣州碳匯林業有限公司，廣東 廣州 510650）

【研究意義】森林公園是以森林自然環境為依托，具有優美的環境和科學教育、游覽休閑價值的地域，經科學保護和適度建設，為人們提供旅游、觀光、休閑和科學文化活動的特定場所［1］。近年來，隨著國有林場業務的轉型，越來越多的國有林場向森林公園方向建設發展。以森林公園為依托，研究熱點主要集中在森林旅游資源、森林康養旅游、游客體驗與需求等方面［2］。據世界衛生組織健康狀況調查顯示，全球范圍內符合真正健康標準的人僅占5%，而在非健康狀態人群中，經醫院診斷患各種疾病的占20%，處于亞健康狀態占75%［3］。森林康養作為輔助亞健康治療的一種重要方式，越來越受到人們的青睞［4］。有研究表明，針葉樹種葉片中植物精氣的相對含量較高，如杉木針葉中重要精氣單萜烯含量可達81.84%［5］，是當前森林康養中的重要林分類型。石門國家森林公園位于廣東省廣州市，擁有典型的南亞熱帶杉木純林和混交林，但長期以來受人為活動干擾較大，林地土壤肥力質量下降，導致林分質量下降等問題，影響了杉木康養林功能發揮。土壤肥力評價能夠揭示土壤利用和功能有關的內在屬性之間的異同，科學確定森林土壤肥力指標并進行肥力質量評價，對立地生產力和多目標森林經營的研究有著重要意義［6-7］。研究杉木林土壤肥力及其理化特性是實現杉木林分生態效能的重要方面。【前人研究進展】當前我國對南亞熱帶杉木土壤理化性質的研究大多集中在不同林齡、不同林分密度或不同林分結構間土壤養分對比［8-10］，對杉木施肥的研究主要在杉木苗期階段［11-12］，有專門針對林木或杉木人工林的施肥研究［13-15］，但均未提出有針對性的測土施肥的方法。【本研究切入點】由于土壤質量與土壤的物理、化學性質特性緊密相關［16］，本研究重點對石門國家森林公園典型杉木林土壤理化性質進行系統測評，根據現有土壤養分含量測算杉木施肥用量。【擬解決的關鍵問題】通過測土施肥，探索適宜石門國家森林公園杉木林的施肥配方，解決石門國家森林公園杉木林的土壤肥力質量下降、林分質量下降等問題，同時也為南亞熱帶森林公園杉木林經營的地力維護研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 調查地概況

調查區位于廣東省廣州市石門國家森林公園（23°36′～ 23°39′N，113°46′～ 113°49′E），北回歸線北側，屬南亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫21 ℃，極端高溫39.2 ℃，極端低溫為-1.5 ℃，年平均降雨量在2 100 mm以上，主要降水季節集中在5—8月份，相對濕度在80%以上。土壤以赤紅壤為主，土層深厚，利于各種植物生長。

1.2 標準地設定與土壤取樣

根據杉木林分分布與生長情況，選擇有代表性的3個工區共計6個小班的杉木林分中設置標準地，具體為：石灶工區10、11、12、23小班，白茫潭工區22小班，塘仔工區3小班，每個小班布設3個標準地（白茫潭工區22小班因面積過小、地形狹長，只設了一個標準地），標準地大小為400 m2，在每個標準地對角線位置的上、中、下位置分別設土壤取樣點。每個樣點分別在0～20、20～40、40～60 cm土層取樣，采用多點取樣，同層次混合，取土壤各層次混合樣品，風干，除石礫、植物根系及碎屑，經2.000、0.149 mm土壤篩篩選后儲于密封的塑料自封袋中，隨后用于土壤化學性質測定（pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀等）。 采用環刀在垂直剖面的 0～20、20～40、40～60 cm 土層自上而下逐層從中心典型部位取土樣，分別用密封袋裝起來，并貼上標簽，帶回實驗室，測定其物理性質，包括土壤容重、總孔隙度等。

1.3 土壤理化性質測定方法

土壤pH值采用電位法測定，容重、孔隙度采用環刀法測定，有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，全氮采用凱氏法測定，全磷采用硫酸—高氯酸酸溶鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定，水解性氮采用堿解—擴散法測定，有效磷采用鹽酸—硫酸浸提法測定，速效鉀采用1mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法測定［17］。

試驗數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS 26.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 杉木林土壤物理性質測評

從表1可以看出，調查區各工區各小班土壤容重和總孔隙度在A層（土壤垂直剖面的0～20 cm）、B層（土壤垂直剖面的20～40 cm）、C層（土壤垂直剖面的40～60 cm）間差異不顯著，表明調查區杉木林土壤容重和總孔隙度水平層次特性較為一致。但從土層層間看，土壤容重從A層到C層大體呈遞增的趨勢，總孔隙度從A層到C層呈遞減趨勢，說明土壤越往下越緊實。土層A與B、C的容重存在顯著差異，土層B與C的容重差異不顯著。另外，土層A與C的總孔隙度存在顯著差異，土層B與A、C的總孔隙度差異不顯著。

2.2 杉木林土壤化學性質分析

調查區土壤化學性質分析結果見表2，調查區內的土壤多是坡積物母質發育形成的赤紅壤。調查結果顯示，所有土壤均屬于酸性，pH值介于4.60（石灶12小班）～4.87（塘仔3小班）間，塘仔3小班與石灶10、12、23小班之間存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。而調查區內各小班土壤有機質平均含量在25.83～55.32 g/kg之間，塘仔3小班與石灶12小班有機質含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。另外，調查區內各小班土壤全氮平均含量在1.09～2.09 g/kg之間，塘仔3小班與石灶12小班全氮含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。各林地類型土壤堿解氮平均含量在93.42～174.98 mg/kg之間，塘仔3小班與石灶11、12小班的堿解氮含量存在顯著差異，其他各小班之間差異不大。各小班堿解氮含量與全氮含量情況基本一致。此外，調查區內各小班土壤全磷平均含量介于0.08～0.32 g/kg之間，石灶10小班最大，白茫潭22小班最小，最大值是最小值的4倍，白茫潭22小班全磷含量與石灶10、11、23小班以及塘仔3小班存在顯著差異；石灶12小班與石灶10小班以及塘仔3小班存在顯著差異。各小班土壤有效磷平均含量在0.32～1.29 mg/kg之間，石灶12小班有效磷含量與石灶10、11小班以及塘仔3小班存在顯著差異。在鉀含量方面，調查區內各小班土壤全鉀平均含量在5.49～13.45 g/kg之間，石灶10小班全鉀含量與石灶12、23小班以及白芒潭22小班、塘仔3小班都存在顯著差異；塘仔3小班全鉀含量與石灶各小班均存在顯著差異；白芒潭22小班全鉀含量與石灶各小班均存在顯著差異。各小班土壤速效鉀平均含量在19.54～79.50 mg/kg之間，白茫潭22小班速效鉀含量與其他小班存在顯著差異；石灶10小班與12小班也存在顯著差異。

表1 不同工區小班土壤物理性質Table 1 Soil physical properties of sub-compartments in different work areas

表2 不同工區小班土壤化學性質Table 2 Soil chemical properties of sub-compartments in different work areas

2.3 杉木林土壤養分含量分級

土壤養分含量分級情況見表3。將調查區土壤養分含量與全國第二次土壤普查養分分級標準進行對比，以確定調查區土壤養分肥缺狀況。比對結果表明，調查區內各林地類型土壤有機質平均值均在三級及以上標準，含量中等偏上，石灶的11、12、23小班有機質含量均達到一級標準，土壤有機質含量較為豐富。而調查區內各林地類型土壤全氮、堿解氮平均值均在三級及以上標準，含量中等偏上，石灶11、12、23小班氮元素含量均達到二級標準，石灶工區10小班堿解氮含量也達到二級標準。由此可見，整體來看調查區內土壤氮元素含量較為豐富，其中石灶工區的土壤氮元素又較白茫潭工區和塘仔工區含量更為豐富。另外，調查區內各林地類型土壤全磷平均值均在五級及以下標準，含量偏低；有效磷平均值均在六級水平，含量很低。由此可知，調查區內土壤嚴重缺乏磷元素，其中白茫潭工區的磷元素含量是最低的。此外，調查區內各林地類型土壤全鉀平均值均在四級及以下標準，含量偏低；速效鉀平均值除了白茫潭工區22小班為四級以外，其他小班均在四級以下標準，含量很低。調查區內土壤普遍缺乏鉀元素。

表3 不同工區小班土壤養分含量分級情況Table 3 Classification of soil nutrient contents of sub-compartments in different work areas

2.4 杉木林土壤化學指標間相關性分析

由表4可知，土壤pH值與有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀均呈現負相關，其中與有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀極顯著相關。有機質與全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關，其中有機質與全氮相關系數高達0.995，與堿解氮相關系數也高達0.982，可見土壤有機質與氮元素的相關性是極為顯著的。土壤氮磷鉀含量中，只有全氮與堿解氮呈現極顯著的正相關，全磷與有效磷、全鉀與速效鉀之間均沒有顯著相關性。

表4 土壤化學性質相關系數Table 4 Correlation coefficients of soil chemical properties

3 討論

就土壤酸堿性及物理性質而言，位于南亞熱帶的石門國家森林公園土壤均呈酸性（pH值介于4.60～4.87間）。針葉純林和針闊混交林中的針葉樹種凋落葉的灰分少，含樹脂、單寧等酸性物質，可能是引起土壤酸性增加的重要原因［18］。根據美國農業部自然資源保護局土壤質量研究所1999年編撰的《Soil quality test kit guide》，壤土理想的土壤容重＜1.40 g/cm3，影響植物生長的容重為1.63 g/cm3，限制植物生長的容重＞ 1.80 g/cm3［19］。一般土壤孔隙度在35%～65%之間，適于植物生長發育的土壤總孔隙度為50～60%［20］。調查區土壤為赤紅壤，土壤容重平均值在0.98～1.35 g/cm3之間，屬理想的土壤容重范疇。土壤總孔隙度平均值在30.46%～50.25%之間，除了石灶工區11小班0～20 cm土層土壤總孔隙度之外，其他小班各土層的總孔隙度均未在適宜植物生長發育范圍內，說明調查區土壤總孔隙度對植物根系可能有一定影響，在撫育時應進行適當的松土。

從土壤化學性質尤其是營養含量看，位于南亞熱帶的石門國家森林公園土壤有機質含量中等偏上，較為豐富，對植物生長有利；土壤氮素含量與《全國第二次土壤普查養分分級標準》相比，均處于三級及以上標準，含量中等偏上，說明調查區內土壤氮元素含量較為豐富，不缺乏氮素；磷素、鉀素含量與《全國第二次土壤普查養分分級標準》相比，均處于四級及以下水平，含量偏低，說明調查區土壤嚴重缺乏磷素和鉀素。速效鉀含量低的原因可能與土壤全鉀含量低及廣州雨量大，林地土壤酸性強，造成鉀離子被淋失有關［18］。

土壤化學性質相關性分析表明，位于南亞熱帶的石門國家森林公園土壤pH值顯著影響有機質、氮、磷、鉀的含量，pH值通過影響土壤中微生物活動從而影響土壤有機質含量。有研究表明，土壤的酸堿性會影響土壤養分的有效性，土壤中磷的有效性明顯受酸堿性的影響，在pH低于6時，磷酸鈣或磷酸鐵、磷酸鋁形成遲效態，使有效性降低，鉀在酸性土壤中既易代換也易淋失［21］。可見，土壤酸性過大是引起土壤中有效磷、速效鉀含量較低的原因之一。土壤有機質與全氮和有效氮、磷、鉀呈極顯著正相關，這是因為土壤有機質是土壤中各種營養元素特別是氮、磷的重要來源［22］。土壤氮素大部分來自于有機質，較高的土壤有機質含量為土壤堿解氮提供了較豐富的來源［23］。張啟新等［24］通過大量的實驗數據，分析土壤有機質與全氮的相關性，證明土壤有機質和全氮在人類活動影響較小的區域存在極顯著相關性。土壤有機質可以提供豐富的磷庫，還可以通過減少土壤對磷的固定、促進土壤沉淀態磷的溶解等機制提高土壤磷的有效性［25］。有機質與速效鉀也呈極顯著正相關，這可能是因為鉀在土壤中主要是以無機態存在，土壤中有機質的存在能夠幫助固定鉀，促進土壤養分利用效率，所以會與速效鉀含量呈現極顯著相關性［22］。

蘇木榮等［8］對南亞熱帶不同林齡杉木針闊混交林土壤理化性質分析數據顯示土壤養分含量中除了全鉀以外，其他養分含量均在四級及以下水平，含量偏低，尤其是有效磷和速效鉀的含量很低。肖石紅等［10］研究南亞熱帶杉木和紅錐林及其混交林的土壤肥力，結果表明杉木純林土壤肥力較差。黃志宏等［26］研究中亞熱帶地區廣東南嶺常綠闊葉林、針闊混交林、毛竹林、馬尾松林、杉木林5種不同林分類型土壤養分狀況，結果表明杉木林在所有研究的林分中土壤肥力是最差的，K含量屬于較低水平，尤其缺乏P元素，全N含量中等。張偉紅等［27］對中亞熱帶南嶺山區杉木土壤調查研究表明，南嶺山區杉木土壤有機質和氮元素在不同的林齡的林地含量不同，但各林齡林地均普遍缺乏磷元素和速效鉀。可見，不管是在南亞熱帶還是中亞熱帶地區，杉木林土壤的養分含量均不高，尤其缺乏磷元素和鉀元素。

李惠通等［11］研究發現，杉木對鉀肥的需求量最大，其次是磷肥、氮肥。劉躍鈞等［28］研究表明平衡施肥可以有效增加杉木徑生長。任麗娜等［14］研究表明，土壤堿解氮＜50 mg/kg、有效磷＜5 mg/kg、速效鉀＜66 mg/kg時，即三要素供給水平較低，施肥就有明顯增產效果，有效養分含量愈高，施肥效果愈差。據我國土壤農化界13位著名土壤農化專家、中國科學院和中國工程院院士向國家有關部委提交的“我國化肥面臨的突出問題及建議”的報告（1997）中指出，我國化肥當季利用率氮約為30%～35%，磷約為10%～20%，鉀約為35%～50%。根據上述試驗結果，調查區堿解氮平均含量134.6 mg/kg遠遠大于平衡施肥的堿解氮上限50 mg/kg，因此下一步平衡施肥需選用磷肥、鉀肥或者磷、鉀復混肥等進行追肥。調查區有效磷和速效鉀的平均含量分別為0.65 mg/kg和38.08 mg/kg，遠低于平衡施肥的上限值5 mg/kg和66 mg/kg。按照磷15%、鉀42.5%的利用率計算，則調查區平衡施肥有效磷和速效鉀的施用量最大值為29 mg/kg和65.69 mg/kg。

常規化學肥料施入土壤中，肥料的利用率很低，肥效時間僅能維持3～4個月，肥料淋溶流失、浪費嚴重［29］。有研究表明，緩釋肥因其肥料釋放量的可控性及施肥操作的便利性，更適宜多年生林木的施肥需求，通過多層精確包膜技術，可實現養分的精密控制釋放［31］。因此，在后續的撫育施肥中，建議施用緩釋肥，可有效解決傳統化肥養分流失快、肥料利用率低、易對環境造成污染等問題。

4 結論

石門國家森林公園各工區土壤容重和總孔隙 度 在 0～20、20～40、40～60 cm 土 層 間 差 異不顯著，水平層次特性一致，土壤pH值介于4.60～4.87之間，屬酸性土壤，土壤有機質含量介于25.83～55.32 g/kg間，在全國第二次土壤普查養分分級標準中屬于三級及以上標準，含量中等偏上；全氮含量在1.09～2.09 g/kg間，堿解氮含量在93.42～174.98 mg/kg間，氮元素含量在三級及以上標準，含量中等偏上；全磷含量介于0.08～0.32 g/kg間，有效磷含量在0.32～1.29 mg/kg間，磷元素含量在五級及以下標準，含量偏低；全鉀含量在5.49～13.45 g/kg間，速效鉀含量在19.54～79.50 mg/kg間，鉀元素含量在四級及以下標準，含量偏低。調查區土壤氮元素含量較為豐富，缺乏磷素和鉀素，下一步平衡施肥需選用磷肥、鉀肥或者磷、鉀復混肥等進行追肥。