1993—2018年廣西桉樹主產(chǎn)區(qū)土壤肥力演變特征分析

唐 健，趙雋宇，覃祚玉，王會(huì)利，覃其云，趙澤洪

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，南寧 530002）

0 引言

桉樹(Eucalyptus robusta)作為三大速豐樹種之一，對(duì)于國(guó)內(nèi)木材儲(chǔ)備、木材安全具有重大的戰(zhàn)略性意義[1]。廣西桉樹種植歷史悠久、規(guī)模較大[2]。1980年桉樹人工林開始大規(guī)模推廣，截至2018年廣西桉樹人工林面積達(dá)到266.67萬(wàn)hm2，占廣西人工林總面積的36.35%[3]，每年對(duì)外提供超過3000萬(wàn)m3的木材。華南地區(qū)約50%～60%的人工林地采取短輪伐期（5～7年）、高強(qiáng)度連栽的經(jīng)營(yíng)方式[4]，導(dǎo)致林分生產(chǎn)力下降、土壤肥力衰退、水土流失、生物多樣性下降等一系列制約桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的生態(tài)環(huán)境問題[5-6]。溫遠(yuǎn)光[7]、葉紹明等[8]對(duì)東門林場(chǎng)連栽1～3代的桉樹林分的植物多樣性開展研究，證明連栽導(dǎo)致植物的物種豐富度、土壤養(yǎng)分元素含量顯著降低。郭琦[9]、唐健[10]等的研究表明，土壤肥力質(zhì)量隨著樹種連栽代數(shù)的增加呈現(xiàn)先減少后略微增加的趨勢(shì)，但低代次人工林土壤肥力顯著高于多代次人工林地。Parfitt等[11]對(duì)新西蘭20年松樹人工林的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期連栽下土壤碳氮比增加，碳流失顯著高于氮流失的速率，通常土壤中碳損失量為4 mg/hm2。已有研究證實(shí)[12-13]，長(zhǎng)期高強(qiáng)度純林連栽還會(huì)帶來(lái)土壤物理性質(zhì)退化、土壤酸化等一系列地力衰退問題。

土壤系統(tǒng)是森林生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，是承載植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，土壤肥力的高低直接影響植物生長(zhǎng)，提高土壤肥力質(zhì)量有助于解決高強(qiáng)度連栽帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問題[14-15]。目前多代連栽人工林土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究多以林分尺度或空間代替時(shí)間的方法為主[16]。史進(jìn)納等[17]以廣西國(guó)營(yíng)東門林場(chǎng)雷卡分場(chǎng)內(nèi)不同連栽代次桉樹人工林為試驗(yàn)地，馬尾松人工林為對(duì)照，研究多代經(jīng)營(yíng)桉樹人工林土壤有機(jī)碳演變特征。龔珊珊[18]對(duì)比研究永安國(guó)有林場(chǎng)長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)桉樹人工林與天然林，結(jié)果表明桉樹人工林經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量顯著下降、陽(yáng)離子交換量下降、土壤容重升高。這些研究方法適用性強(qiáng)，有利于針對(duì)性解決高強(qiáng)度連栽造成的區(qū)域性土壤地力衰退問題，但缺乏長(zhǎng)期、充分的定點(diǎn)定量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并未涉及宏觀、大尺度的區(qū)域性研究。

廣西桉樹人工林經(jīng)營(yíng)強(qiáng)度高、種植時(shí)間長(zhǎng)，但由于數(shù)據(jù)不充分，涉及廣西桉樹人工林主要種植區(qū)域整體土壤肥力狀況的研究較少。本研究基于大數(shù)據(jù)分析廣西桉樹人工林主產(chǎn)區(qū)1993—2018年土壤養(yǎng)分歷史數(shù)據(jù)，使用Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)，摸清廣西整體桉樹人工林土壤肥力狀況，旨在為制定廣西桉樹人工林合理經(jīng)營(yíng)模式，保障桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)研究區(qū)域?yàn)閺V西壯族自治區(qū)，是國(guó)內(nèi)桉樹人工林種植的主要區(qū)域，造林范圍覆蓋整個(gè)自治區(qū)。廣西地處低緯度(104°28′—112°04′E，20°54′—26°24′N)，北回歸線橫貫中部，南臨熱帶海洋，北接南嶺山地，西延云貴高原，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫暖，雨水豐沛，光照充足，各地年平均氣溫17.5～23.5℃，年平均降水量841.2～3387.5 mm。海拔100～400 m，屬典型的低山丘陵地貌。本次研究選取桉樹造林時(shí)間較長(zhǎng)（種植3代或15年以上）、造林面積較大的13個(gè)市、34縣（市、區(qū)），如表1所示。研究區(qū)均為典型的高強(qiáng)度連栽的桉樹人工林，造林樹種主要有巨桉(Eucalyptus grandis)、尾葉桉(Eucalyptus urophylla)，根據(jù)中國(guó)土壤分類學(xué)分類，研究區(qū)土壤以第四紀(jì)沉積物、巖漿巖發(fā)育而來(lái)的紅壤、赤紅壤、黃壤、黃紅壤為主。

表1 采樣地區(qū)分布

1.2 資料收集與土壤樣品采集

以廣西林業(yè)科學(xué)研究院檢測(cè)中心自1993年對(duì)廣西各國(guó)有、區(qū)直林場(chǎng)土壤普查數(shù)據(jù)為主要來(lái)源，輔以CNKI查找公開發(fā)表文獻(xiàn)相關(guān)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)[19-22]。選取廣西壯族自治區(qū)內(nèi)13個(gè)市、34個(gè)縣（區(qū)）區(qū)直林場(chǎng)、縣級(jí)林場(chǎng)等共計(jì)948個(gè)樣點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)為1993—2018年間共計(jì)25年的數(shù)據(jù)，以每5年一次選取土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行研究分析。土壤樣品采集參照測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)程，采用網(wǎng)格化方法確定采樣點(diǎn)，每年6—9月采集土壤樣品，“S”形取樣法采集5～8個(gè)樣點(diǎn)的0～20 cm土壤，挑除植物根系、石礫后將土壤均勻混合，用四分法選取1 kg土壤裝入自封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、過60目篩用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。

1.3 土壤肥力指標(biāo)測(cè)定方法

土壤pH采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。全氮、堿解氮采用半微量凱氏定氮法，全磷含量硝化后用全自動(dòng)間斷分析儀測(cè)定，有效磷含量采用Mehlich-3溶液浸提后用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定，全鉀含量用堿溶-火焰光度法測(cè)定，速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[23]。

1.4 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)，它是衡量土壤提供作物生長(zhǎng)所需各種養(yǎng)分的能力。本研究評(píng)價(jià)土壤肥力的方法是模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法[24]。（1）選取肥力指標(biāo)與隸屬度函數(shù)，本研究選取的隸屬度函數(shù)有戒上形函數(shù)（指標(biāo)越大越好，式(1)）與梯形函數(shù)（指標(biāo)在一定范圍內(nèi)最好，式(2)）2種[25]；（2）確定隸屬度函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)；（3）根據(jù)肥力指標(biāo)計(jì)算隸屬度值；（4）確定土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重；根據(jù)式(3)計(jì)算土壤肥力綜合得分，得到土壤肥力指數(shù)(integrated fertility index，IFI)。

式中，a為函數(shù)的最小值，b為函數(shù)的最大值，c和d為函數(shù)的最優(yōu)值，x為指標(biāo)測(cè)定值。Wi和Ci分別表示第i種肥力指標(biāo)的隸屬度值和相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析、描述性統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)分析，Excel 2016制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學(xué)指標(biāo)演變特征

1993—2018年廣西桉樹人工林土壤肥力指標(biāo)變化如表2所示。土壤酸堿度是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其大小制約著土壤養(yǎng)分元素的含量及有效性，經(jīng)過25年長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)后，廣西桉樹人工林土壤呈現(xiàn)酸化的趨勢(shì)，變化范圍在pH 4.48～4.83之間。2018年土壤pH 4.63，與1993年相比，下降了4.14%。1993、1998、2003年土壤pH顯著高于其他3個(gè)年份(P＜0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著桉樹人工林種植年限的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，變化規(guī)律不明顯。在2018年，土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最小值(17.98 g/kg)，顯著低于其他5個(gè)年份，與1993年桉樹人工林發(fā)展初期的土壤有機(jī)質(zhì)含量23.41 g/kg相比，顯著下降了23.19%(P＜0.05)。土壤全氮含量隨著年限增長(zhǎng)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，1993年全氮含量為最大值2.11 g/kg，1998年全氮含量為最小值(1.12 g/kg)，之后的年份里全氮含量有所回升，在2018年達(dá)到1.98 g/kg。土壤全磷含量最大值為2003年(1.41 g/kg)，之后的3個(gè)年份里全磷含量顯著降低(P＜0.05)，2018年全磷含量為0.75 g/kg，與2003年相比下降了46.81%。土壤全鉀含量隨著人工林種植年限增長(zhǎng)的變化規(guī)律不明顯，1993、2018年土壤全鉀含量顯著低于其他年份，分別為7.73、9.27 g/kg(P＜0.05)。土壤有效養(yǎng)分含量中，土壤堿解氮、速效鉀含量隨著人工林種植時(shí)間增長(zhǎng)顯著降低(P＜0.05)，2018年土壤堿解氮、速效鉀含量均顯著低于1993年。土壤有效磷含量隨著時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，2018年有效磷含量達(dá)到最大值(5.62 mg/kg)，顯著高于其他年份(P＜0.05)。

2.2 土壤肥力質(zhì)量演變特征

2.2.1 指標(biāo)隸屬度值 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)隸屬度值計(jì)算依據(jù)隸屬度公式，其中轉(zhuǎn)折點(diǎn)a、b值分別為各指標(biāo)中的極小值、極大值，各年份土壤肥力指標(biāo)隸屬度值如圖1所示，雷達(dá)圖可以反映出各肥力指標(biāo)及不同年份肥力的整體狀況，坐標(biāo)軸上的點(diǎn)離雷達(dá)圖原點(diǎn)越近隸屬度值越小，反之則隸屬度值越大，各點(diǎn)圍成的多邊形面積大小能充分反映評(píng)價(jià)對(duì)象的整體狀況。各年份土壤肥力指標(biāo)隸屬度多邊形面積由大到小排序?yàn)?993年＞1998年＞2003年＞2013年＞2018年＞2008年。

表2 桉樹人工林土壤化學(xué)指標(biāo)演變特征

2.2.2 各年份土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià) 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)中的各指標(biāo)權(quán)重由評(píng)價(jià)因子的公因子方差計(jì)算確定，如表3所示。經(jīng)土壤肥力指數(shù)公式計(jì)算得到土壤肥力指數(shù)如表4所示。采集的所有土壤樣本土壤肥力指數(shù)平均值為0.521。所有年份土壤肥力指數(shù)由大到小為1993年＞1998年＞2018年＞2003年＞2013年＞2008年，土壤肥力指數(shù)整體變化趨勢(shì)為先減小后增大。除1993、1998、2018年外，其余3個(gè)年份土壤肥力指數(shù)均在平均值以下。土壤肥力質(zhì)量指數(shù)整體偏低，與1993年桉樹人工林大規(guī)模種植開始時(shí)相比，所有年份的土壤肥力指數(shù)都有不同程度的下降。2008年廣西土壤肥力指數(shù)為最低值(0.475)，與1993年相比下降了22.51%；在此之后的15年間，土壤肥力指數(shù)有小幅增長(zhǎng)，在2018年廣西土壤肥力指數(shù)為0.528，與2008年相比增長(zhǎng)了9.37%。

表3 土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重

圖1 不同年份土壤肥力指標(biāo)隸屬度值

3 結(jié)論

長(zhǎng)期的、高強(qiáng)度、粗放式桉樹人工林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)廣西人工林土壤肥力的演變具有明顯的負(fù)效應(yīng)。連續(xù)種植桉樹20年（萌芽3代）以上土壤酸化趨勢(shì)明顯，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀等養(yǎng)分元素含量顯著下降。全磷、有效磷的含量隨種植時(shí)間的增長(zhǎng)雖然未表現(xiàn)出顯著的規(guī)律性，但在部分年份（2008、2013年）已表現(xiàn)出磷元素含量極度缺乏的現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)積極開展測(cè)土配方施肥工作，采用有機(jī)、無(wú)機(jī)相結(jié)合的施肥方式合理施肥，提升土壤地力。同時(shí)，改變營(yíng)林方式，適當(dāng)延長(zhǎng)輪伐期至8～12年，培育大徑材，提倡生態(tài)營(yíng)林，實(shí)現(xiàn)廣西桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

4 討論

廣西桉樹人工林土壤酸堿度隨著種植時(shí)間的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，依據(jù)國(guó)家耕地地力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26]，2008、2013、2018年土壤酸堿度等級(jí)為中等偏下。Berthrong[27]研究表明，由連栽松屬人工林植物根際土壤pH顯著下降可以推斷，造成廣西桉樹人工林主產(chǎn)區(qū)2003年之后土壤逐漸酸化的原因可能是長(zhǎng)期連栽桉樹根系分泌有機(jī)酸在土壤中富集導(dǎo)致的，另外可能的原因是由于氮肥施放不合理[28]以及陰離子對(duì)陽(yáng)離子的過量吸收[29]。廣西桉樹人工林土壤有機(jī)質(zhì)在2008年之后逐年下降，與多代連栽的經(jīng)營(yíng)模式有關(guān)[21]，高強(qiáng)度的連栽一方面會(huì)降低林分生產(chǎn)力，凋落物還林量減少[30]，另一方面由于土壤趨于酸化，降低了微生物、土壤酶活性，進(jìn)而抑制了有機(jī)質(zhì)的合成。土壤養(yǎng)分元素含量方面，不同年限下土壤養(yǎng)分元素差異性較為顯著(P＜0.05)，2018年土壤全磷含量較1993年相比下降了49.33%。廣西屬亞熱帶紅壤地帶，本底土壤多為缺磷富鋁的酸性土[31]，磷素在酸性土壤中易形成PO43-造成磷元素流失，導(dǎo)致土壤全磷含量顯著下降。有效養(yǎng)分含量除有效磷外，其余2種養(yǎng)分含量隨著時(shí)間增長(zhǎng)顯著下降(P＜0.05)，表明在長(zhǎng)期連栽過程中鉀、氮等有效養(yǎng)分流失較為嚴(yán)重，造成這一結(jié)果的原因是連栽過程中要經(jīng)常對(duì)林地進(jìn)行清理，林地土壤缺少植被覆蓋，雨水沖刷以及地表徑流作用使有效養(yǎng)分元素大量流失[32]。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)注重桉樹速生期（1～2年）的追肥、保肥措施[33]，避免養(yǎng)分元素供應(yīng)不足影響桉樹生長(zhǎng)狀況。同時(shí)，推廣免煉山的經(jīng)營(yíng)模式，替代煉山、皆伐等不合理的采伐剩余物清理方式[34]，促進(jìn)采伐剩余物回歸土壤，保證人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分良性循環(huán)。

表4 各年份土壤肥力指數(shù)

筆者通過廣西土壤普查數(shù)據(jù)、CNKI公開發(fā)表文獻(xiàn)土壤數(shù)據(jù)以及廣西林業(yè)科學(xué)研究院25年土壤樣本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)廣西全區(qū)桉樹人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并不能完整準(zhǔn)確地反映市、縣（區(qū)）的土壤肥力狀況，某些土壤肥力貧瘠的區(qū)域（不適宜桉樹生長(zhǎng)）或一些交通狀況較差的山區(qū)、丘陵區(qū)域的土壤樣品并未采集，所以本研究有一定的片面性[35-36]。但在宏觀尺度上，一方面了解25年間廣西桉樹人工林主產(chǎn)區(qū)土壤肥力質(zhì)量演變特征及演變方向，為制定桉樹人工林合理經(jīng)營(yíng)模式提供理論依據(jù)；另一方面為后續(xù)建立更全面、更完善的土壤數(shù)據(jù)庫(kù)打下基礎(chǔ)。在土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)的選取上，由于時(shí)間間隔較長(zhǎng)，早期廣西土壤普查數(shù)據(jù)與廣西林科院土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并未測(cè)定生物學(xué)性質(zhì)，如土壤酶活性[37]，微生物量碳、氮、磷、微生物群落多樣性等，土壤肥力評(píng)價(jià)方面僅針對(duì)化學(xué)性質(zhì)。目前，筆者正在對(duì)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)改造，目的是為了監(jiān)測(cè)更為全面的土壤肥力指標(biāo)，如土壤微量金屬元素，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為全面、客觀。