南亞熱帶不同人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響及土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

袁星明，朱寧華，郭 耆，周光益，蒙敏燕，吳尚勇，楊樂蘇

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 廣西生態(tài)職院教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，廣西 柳州 545004；3. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520)

森林土壤是維持森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和動(dòng)態(tài)平衡的重要因子，它是植物生存的基質(zhì)，也是物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、水分平衡等眾多生態(tài)活動(dòng)的載體[1]。土壤肥力是土壤理化性質(zhì)和生物性質(zhì)的綜合反映，影響植被的發(fā)生、發(fā)育和演替進(jìn)程，同時(shí)植物群落結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的凋落物以及營(yíng)造的生態(tài)環(huán)境和生物環(huán)境都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的分布和循環(huán)[2-3]。植被的凋落物和枯木的理化性質(zhì)決定了養(yǎng)分的降解速度和生物有效性，枯枝落葉分解完成后，根系會(huì)重新分配養(yǎng)分，從而決定養(yǎng)分積累的垂直和水平變化[4]，各個(gè)土壤類型在不同的植被類型中均表現(xiàn)出不同的土壤理化性質(zhì)，并隨著植被的演替而發(fā)生變化[5-6]。因此，森林土壤的肥力因植被的類型、結(jié)構(gòu)和演替年限的不同而不盡相同[7]。

近年來，人工林所引起的土壤養(yǎng)分循環(huán)受阻和生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定等諸多問題已引起廣泛關(guān)注，土壤肥力已成為人工林恢復(fù)與重建工程的關(guān)鍵所在[8]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)不同氣候帶的不同植被類型人工林土壤的理化性質(zhì)和土壤質(zhì)量的研究表明，植被恢復(fù)后，不同林分類型土壤養(yǎng)分含量差異顯著，土壤改良效果闊葉林優(yōu)于針葉林，有林地優(yōu)于荒草地[9-10]；不同植被恢復(fù)模式下，鄉(xiāng)土樹種的土壤質(zhì)量改善能力優(yōu)于外來樹種，造林時(shí)應(yīng)遵循適地適樹原則，以植被自然正向演替改良土壤質(zhì)量[11-12]；人工林土壤養(yǎng)分的吸收量和實(shí)際歸還量不均衡是導(dǎo)致土壤肥力下降重要原因，其中，針葉人工林加劇了土壤地力退化[13-14]。盡管有關(guān)植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的報(bào)道較多，但主要集中在不同的海拔、地形、成土母質(zhì)、林分起源等因素對(duì)森林土壤理化性質(zhì)的影響，而不同的立地條件可能造成森林土壤的理化性質(zhì)具有較強(qiáng)的異質(zhì)性[15]。然而，在南亞熱帶區(qū)域，針對(duì)在相同的立地條件下，不同樹種在同一時(shí)間營(yíng)造的人工純林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響卻鮮見報(bào)道。

為此，本文選取柳州市沙塘林場(chǎng)馬尾松采伐跡地上1987 年?duì)I造的木荷（Schima superbaGardn.et Champ.）、杉 木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）、藍(lán)果樹（Nyssa sinensisOliv.）、米老排（Mytilaria laosensisLec.）4 種人工純林為研究對(duì)象，以未造林灌草地為對(duì)照，旨在分析不同樹種組成的人工純林在經(jīng)過33 年生長(zhǎng)后土壤的理化性質(zhì)和化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，揭示在相同立地條件下不同人工林恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響規(guī)律，并對(duì)不同林分的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為柳州丘陵地區(qū)人工林營(yíng)造及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西柳州市沙塘林場(chǎng)（109°21′～109°28′ E，24°27′～24°34′ N），屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨熱同季，年均氣溫20.1 ℃，年均日照時(shí)間1 634.9 h，年均降水量1 200～1 500 mm，月年均蒸發(fā)量1 599.8 mm，年均相對(duì)濕度78%，年均無霜期長(zhǎng)達(dá)357 d。林場(chǎng)海拔區(qū)間150～230 m，主要地貌類型為低山丘陵，土壤為砂巖發(fā)育成的紅壤，土壤深厚且層次不明顯。造林地之前為馬尾松林分，馬尾松皆伐后，在其采伐跡地上營(yíng)造人工林，初植密度2 500 株·hm?2，現(xiàn)存人工林1 000.5 hm2，其中，木荷1.3 hm2，杉木2.1 hm2，藍(lán)果樹2.0 hm2，米老排4.7 hm2，4 種林分均為1987 年造林；灌草地則是在馬尾松采伐跡地上次生演替而來，長(zhǎng)年無人為干擾。

1.2 研究方法

2020 年8 月中旬，在馬尾松采伐跡地的連續(xù)山地選取木荷、杉木、藍(lán)果樹、米老排4 種林分，對(duì)照灌草地遵循就近原則選取，林分平均海拔160 m。在各個(gè)林分中至少間隔20 m 設(shè)置3 個(gè)代表性樣地（20 m × 20 m）。再在每個(gè)樣地內(nèi)選取3 個(gè)土壤取樣點(diǎn)，除去表面植被和凋落物，用100 cm3的土壤環(huán)刀（土鉆：型號(hào)Edelman，產(chǎn)地Germany）分別采集不同層次（0～15、15～30、30～50、50～70、70～100 cm）土樣，用于測(cè)定土壤水分物理性質(zhì)；同時(shí)取500 g 左右土樣裝入樣品袋，剔除較大的植物殘?bào)w和石渣，風(fēng)干后研磨用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。對(duì)樣方內(nèi)胸徑≥1 cm的喬木每木檢尺，記錄種名、胸徑、樹高，同時(shí)在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)布設(shè)2 個(gè)2 m × 2 m 小樣方進(jìn)行灌草調(diào)查，記錄灌草的種名、株數(shù)、蓋度、高度。各林分基本情況見表1，其中，主要灌草植被有羅傘（Brassaiopsis glomerulata(Bl.) Regel）、淡竹葉（Lophatherum gracileBrongn.）、狗脊（Cibotium barometz(L.) J.Sm）、弓果黍（Cyrtococcumpatens(L.) A. Camus）、玉葉金花（Mussaenda PubescensAit.f.）、半邊旗（Pteris semipinnataL.）、小蠟（Ligustrum sinenseLour.）、粗葉榕（Ficus hirtaVahl）等。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sample plot

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

土壤物理性質(zhì)測(cè)定：土壤密度、最大持水量、毛管孔隙度、總孔隙度參照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-森林土壤分析方法[16]。

土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定[17]：pH 值用土水比1∶2.5 pH 計(jì)法，土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀容量外加熱法，全氮含量用半微量凱氏定氮法，全磷含量用王水酸熔—鉬銻抗比色法，全鉀含量用王水酸熔—火焰光度計(jì)法，堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法，有效磷含量用鹽酸—氟化銨法，速效鉀含量用醋酸銨浸提—火焰光度法，陽(yáng)離子交換量用乙酸銨靜置交換法，土壤水溶性硫酸根離子用分光光度法。

1.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法

用模糊數(shù)學(xué)原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各土壤性質(zhì)的量綱歸一化，使得各個(gè)指標(biāo)具有可比性。當(dāng)土壤指標(biāo)對(duì)土壤功能呈正相關(guān)時(shí)，將最大持水量、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K、堿解N、有效P、速效K、陽(yáng)離子交換量、硫酸根離子分為“S”形，當(dāng)土壤指標(biāo)對(duì)土壤功能有一個(gè)最佳的適宜范圍時(shí)，將pH 值、土壤密度分為拋物線形[18-19]。其公式分別為：

式（1）中：Xi為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；X表示各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)值；Xmax和Xmin分別表示各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值和最小值。

然后，進(jìn)行KMO 和Bartlett 球形度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過主成分分析得到成分矩陣、成分得分系數(shù)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率和公因子方差。提取特征值>1 的主成分，根據(jù)成分得分系數(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，如公式（2）。最后根據(jù)各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，加權(quán)求和。

式（2）中：F為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，n為主成分?jǐn)?shù)量；ai為各個(gè)因子的得分系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

不同林分類型的土壤理化性質(zhì)采用Excle 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 26 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)、KMO 和Bartlett 球形度檢驗(yàn)以及主成分分析，用Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

由圖1(a)可知：各個(gè)林分的土壤密度隨著土層加深而增加。5 種林地的平均土壤密度從大到小依次為杉木林（1.39 g·cm?3）>藍(lán)果樹林（1.37 g·cm?3）>灌草地（1.35 g·cm?3）>木荷林（1.28 g·cm?3）>米老排林（1.25 g·cm?3），但差異不顯著（p>0.05）。杉木林每層土壤密度均高于其他林分的同層土壤，說明杉木林林地可能因枯落物少、須根多粗根少等原因，對(duì)土壤物理性質(zhì)（密度）改善不如闊葉樹種。

土壤孔隙度衡量土壤透氣和水分滲透程度，影響土壤與大氣之間的水氣交換和植物對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收。由圖1(c、d)可知：同種林分隨著土層深度的增加，毛管孔隙度和總孔隙度都整體上呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。不同林分間毛管孔隙度和總孔隙度差別明顯，闊葉林的土壤孔隙度大于針葉林，可能是闊葉林的凋落物量大，凋落物的分解有利于土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng)，并且闊葉林的根系發(fā)達(dá)，使得土壤顆粒疏松，透氣性和透水性增加；而針葉林土壤透氣保水性相對(duì)較差，這也證明了杉木林土壤密度大，含水率低。灌草地土壤孔隙度與米老排林相近，表明灌木和草本能夠改良土壤孔隙度。

注：SS：木荷；CL：杉木；NS：藍(lán)果樹；ML：米老排；GCD：灌草地。不同的小寫字母表示同一森林類型不同土層間差異顯著（p<0.05），不同大寫字母表示不同森林類型同一土層差異顯著（p<0.05）。下同。Notes: SS:Schima superba; CL:Cunninghamia lanceolata: NS:Nyssa sinensis; ML:Mytilaria laosensis; GCD: irrigated grassland. The same as below. Different lowercase letters indicate significant difference between different soil layers of the same forest type (p<0.05), and different uppercase letters indicate significant difference between the same soil layer of different forest types (p<0.05). The same below.

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2.1 土壤pH 值和有機(jī)碳含量 土壤的pH 值是由土壤母質(zhì)、氣候和林分經(jīng)營(yíng)措施綜合控制的，與微生物的活動(dòng)、土壤元素的轉(zhuǎn)移有關(guān)，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響。圖2(a)表明：不同森林類型土壤pH 值的平均變化范圍為3.94～5.12，土壤呈強(qiáng)酸性或酸性，pH 值均隨土壤深度的增加而升高。各林分的土壤pH 值無明顯差異，其中，米老排林的平均pH 值最高，為4.77，木荷林的平均pH值最低，為4.09。

圖2 5 種林分類型土壤pH 值和有機(jī)碳含量變化Fig. 2 Changes of soil pH value and organic carbon content of five stand types

土壤有機(jī)碳作為林木營(yíng)養(yǎng)的來源，直接影響和改變土壤的理化性質(zhì)和微生物特性。圖2(b)表明：不同林分的土壤有機(jī)碳具有明顯差異，且隨土壤深度的增加而逐漸減少，0～15 cm 層土壤有機(jī)碳含量明顯高于其它土層，表聚效應(yīng)明顯，其中，木荷林0～15 cm 層的土壤有機(jī)碳含量高，達(dá)18.36 g·kg?1。平均土壤有機(jī)碳含量依次為米老排林（9.70 g·kg?1）>木荷林（9.04 g·kg?1）>藍(lán)果樹林（5.51 g·kg?1）>灌草地（4.15 g·kg?1）>杉木林（3.26 g·kg?1）。與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹人工林能分別提高133.7%、117.8%、32.8%的土壤有機(jī)碳，而營(yíng)造杉木人工林對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)還不如灌草地，說明闊葉樹對(duì)土壤有機(jī)碳積累的效應(yīng)強(qiáng)于針葉樹。

2.2.2 土壤氮素 全N 是土壤N 的儲(chǔ)備指標(biāo)，說明了土壤供應(yīng)N 元素的能力，堿解N 能較好的反應(yīng)出近期土壤N 的供應(yīng)狀況和N 的釋放速率。圖3(a、b)表明：全N 含量的范圍為0.30～1.43 g·kg?1，堿 解N 含 量 的 范 圍 為17.17～163.09 mg·kg?1，土壤N 素含量差異顯著（p<0.05），N 素含量闊葉林>針葉林>灌草地，同種林分中隨土層深度的增加而減少。米老排林、木荷林、藍(lán)果樹林全N 含量和堿解N 含量在0～15 cm 層中差別明顯，全N 含量分別為1.43、1.33、0.99 g·kg?1；堿解N 含量分別為163.09、122.50、90.94 mg·kg?1，但隨著土層深度逐漸增加，3 種林分的全N 和堿解N 在土壤70～100 cm 層的差別不明顯，表明土壤N 素異質(zhì)化的過程受到植物群落組成的制約，米老排林分的N 素積累優(yōu)于其他林分。與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹、杉木人工林能分別提高117.7%、132.3%、95.4%、33.1%的土壤全N 含量。

圖3 5 種林分類型土壤氮素含量變化Fig. 3 Changes of soil nitrogen content of five stand types

2.2.3 土壤磷素 全P 是衡量土壤中各種形態(tài)P 素的總和，有效P 則衡量土壤供應(yīng)P 素水平的高低。圖4(a)表明：同種林分各土層的全P 含量差異不顯著（p>0.05），各林分平均全P 含量依次為藍(lán)果樹林（0.27 g·kg?1）>米老排林（0.24 g·kg?1）>木荷林（0.22 g·kg?1）>灌草地（0.21 g·kg?1）>杉木林（0.19 g·kg?1）。與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹人工林能分別提高12.9%、3.5%、25.5%（依據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算）的土壤全P 含量，杉木林土壤的全P 含量在所有林分中最低，杉木林生長(zhǎng)可能消耗更多的P 元素。圖4(b)表明：5 種林分土壤平均有效P 的含量為0.15～0.46 mg·kg?1，相同林分不同土層間有效P 含量存在顯著差異（p<0.05），總體上隨著土壤深度的增加而減少，表層有效P 含量明顯大于深層，各個(gè)林分0～30 cm 層有效P 含量急劇下降，隨后下降趨勢(shì)減緩，木荷林和杉木林0～15 cm 層的有效P 含量約為深層的2 倍。有林地的有效P 含量均高于灌草地，其中，藍(lán)果樹林的平均有效P 的含量最高，為0.26 mg·kg?1，而灌草地的平均有效P 含量最低，為0.19 mg·kg?1。

圖4 5 種林分類型土壤磷素含量變化Fig. 4 Variation of soil phosphorus content of five stand types

2.2.4 土壤鉀素 土壤K 素與植物生存息息相關(guān)，速效K 含量雖占比極少，但能真實(shí)反映土壤中K 含量的供應(yīng)情況。圖5(a、b)表明：土壤K 素含量在不同林分間存在顯著差異（p<0.05），同種林分間差異不顯著（p>0.05）。全K 含量隨著土層深度的增加呈上升趨勢(shì)，5 種林分土壤0～15 cm 層的全K 含量均低于土壤深層。灌草地全K 含量最高，均值為23.81 g·kg?1，藍(lán)果樹林和米老排林全K 含量相近，均值分別為17.21、19.03 g·kg?1，木荷林和杉木林土壤的全K 含量較少，均值分別為10.63、9.83 g·kg?1。米老排林、藍(lán)果樹林、灌草地林的速效K 含量在0～50 cm層呈下降趨勢(shì)，之后隨土層深度的增加緩慢上升，木荷林和杉木林總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹、杉木人工林使土壤全K 含量分別減少了20.1%、55.3%、27.7%、58.7%，速效K（除米老排林外）也有相似規(guī)律，這種變化規(guī)律暗示了人工林對(duì)K 元素的需求量較大，尤其是木荷林和杉木林，因此，在人工林經(jīng)營(yíng)過程中需要對(duì)不同樹種人工林進(jìn)行針對(duì)性的K 元素調(diào)控管理。

2.2.5 土壤陽(yáng)離子交換量、硫酸根離子 陽(yáng)離子交換量是指土壤膠體所能吸附各種陽(yáng)離子的總量，是土壤肥力形成的基礎(chǔ)，直接決定了植物產(chǎn)量和品質(zhì)。圖6(a)表明：5 種林分的陽(yáng)離子交換量變幅為6.15～11.31 cmol·kg?1，平均陽(yáng)離子交換量含量依次為藍(lán)果樹林（10.71 cmol·kg?1）>米老排林（10.56 cmol·kg?1）>灌草地（9.60 cmol·kg?1）>木荷林（7.61 cmol·kg?1）>杉木林（6.68 cmol·kg?1），藍(lán)果樹林、米老排林、灌草地的陽(yáng)離子交換量平均含量相近，木荷林、杉木林的陽(yáng)離子交換量含量明顯低于其它林分，各林分不同土層的陽(yáng)離子交換量無明顯差異。根據(jù)土壤陽(yáng)離子交換量>20 cmol·kg?1為保肥能力強(qiáng)、10～20 cmol·kg?1為中等保肥能力、<10 cmol·kg?1為 弱 保 肥 能 力 可 知[20]，藍(lán) 果樹、米老排保肥能力中等，灌草地、木荷林、杉木林保肥能力弱。

圖5 5 種林分類型土壤鉀素含量變化Fig. 5 Variation of soil potassium content of five stand types

圖6 5 種林分類型土壤陽(yáng)離子交換量和硫酸根離子含量變化Fig. 6 Changes of soil cation exchange capacity and sulfate ion content of five forest types

硫酸鹽在自然界中廣泛存在，水溶性SO42?的含量會(huì)影響土壤含鹽量，從而影響林分的生長(zhǎng)。由圖6(b)可知：平均水溶性SO42?含量依次為藍(lán)果樹林（52.49 mg·kg?1）>木荷林（48.71 mg·kg?1）>杉 木 林（47.31 mg·kg?1）>米 老 排 林（40.19 mg·kg?1）>灌草地（37.57 mg·kg?1）。有林地的水溶性SO42?含量在0～30 cm 層相近，都呈上升的趨勢(shì)，并且50～100 cm 層的SO42?含量（除米老排林50～100 cm 層外）明顯大于表層，而灌草地0～50 cm 層顯著大于50～100 cm 層的SO42?含量，說明環(huán)境對(duì)不同森林淺層土壤的SO42?含量的影響相同，林分生長(zhǎng)吸附SO42?后，經(jīng)過滲透作用富集在深層土壤中。

2.3 土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

由表2 可知：5 種林分的土壤除C:N 和C:P 比值外，其它化學(xué)計(jì)量比值存在顯著差異。C:N 比值的變化范圍為9.100～10.359，低于中國(guó)土壤C:N 的平均范圍（10～12）[21]；C:P 比值的變化范圍為25.061～31.245，低于中國(guó)土壤C:P 比均值（61）[22]；N:P比值的變化范圍為1.917～4.378，低于中國(guó)土壤N:P 比均值（5.2）[22]。5 種林分相比，木荷林（除C:N 外）土壤元素比值均最高，而闊葉林C:N、C:P、N:P 比值整體上高于針葉林，針葉林高于灌草地。

表2 不同人工林土壤化學(xué)計(jì)量特征Table 2 Soil stoichiometric characteristics of different artificial forests

2.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法在可以損失很少的信息的前提下，將不同林分類型的多個(gè)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)降維簡(jiǎn)化為幾個(gè)重要指標(biāo)，能夠很好的處理各個(gè)指標(biāo)的多重相關(guān)性而又保留獨(dú)立性[23-24]。通過KMO 和Bartlett 球形度檢驗(yàn)，KMO 值等于0.650，說明各個(gè)變量間存在較高的相關(guān)性，巴特利特球形度檢驗(yàn)的近似卡方為631.475，Sig 值為0.000，說明各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行因子降維分析，兩項(xiàng)結(jié)果檢驗(yàn)都表明該數(shù)據(jù)適用主成分分析。表3 表明：公因子方差最小為0.683，說明各個(gè)變量都能被很好的表達(dá)，按照特征值>1 的原則，提取了3 個(gè)主成分因子，其特征值分別為6.257、4.146、1.880，累積方差累積為87.733%，說明提取的3 個(gè)主成分可以解釋各個(gè)林分87.733%土壤指標(biāo)的綜合信息，其中，速效K、陽(yáng)離子交換量、最大持水量、毛管孔隙度、總孔隙度在第1 主成分發(fā)揮重要作用；土壤有機(jī)碳、全N、全K、堿解N、有效磷P 在第2 主成分發(fā)揮重要作用；全P 在第3 主成分發(fā)揮重要作用。

表3 土壤理化性質(zhì)主成分因子載荷矩陣、因子權(quán)重及公因子方差Table 3 Principal component factor load matrix, factor weight and common factor variance of soil physical and chemical properties

根據(jù)3 個(gè)主成分得分系數(shù)建立主成分模型表達(dá)式[25]，將隸屬度值代入表達(dá)式，從而求出各主成分的得分（表4），然后按照各主成分的方差百分比占總累積方差的百分率，得到各主成分的權(quán)重，最終求得土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算公式為：F=0.509 × F1 + 0.338 × F2 + 0.153 × F3。5 種林分的土壤質(zhì)量綜合得分排名為：米老排林（0.393）>藍(lán)果樹林（0.363）>木荷林（0.353）>灌草地（0.265）>杉木林（0.244）。

表4 不同林分類型土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation results of soil quality of different stand types

3 討論

森林土壤的形成和演化是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過程，受到母質(zhì)類型、地形地貌、氣候條件以及人為等因素的干擾，具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性，并且隨著植物群落的正向演替，土壤的理化性質(zhì)也會(huì)不斷的改善[26]。本研究中，同種林分內(nèi)隨著土層變深，土壤密度增加，土壤含水率、孔隙度遞減，這與前人的研究結(jié)果一致[27-28]。不同林分間的土壤物理性質(zhì)存在明顯差異，總體上闊葉林的土壤密度和孔隙度優(yōu)于針葉林。杉木林的枯枝落葉少，且根系（須根多粗根少）集中，減少了土壤有機(jī)碳的返還，土壤密度高；而闊葉林的地下根系發(fā)達(dá)且向更大范圍伸展，凋落物多且分解快，有效改善了土壤貯水功能和孔隙度。

pH 值會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)、微生物的正常活動(dòng)和土壤的肥力狀況及其他理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，不同的林分類型會(huì)導(dǎo)致土壤pH 值差異顯著[29]。本研究表明，5 種林分的土壤呈強(qiáng)酸性或酸性，比廣西憑祥的人工林土壤pH 值還要低[30]，而且5 種林分土壤的SO42?含量在表層土壤相近，有林地深層土壤的SO42?含量明顯大于表層，而灌草地則呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，并且有林地土壤的SO42?含量大于灌草地，說明林分生長(zhǎng)會(huì)吸附SO42?等酸根離子，并經(jīng)過滲透作用富集在深層土壤中[31]，這是否與柳州工業(yè)城市的酸雨污染有關(guān)還需要進(jìn)一步研究。總體看，木荷和杉木林地土壤pH 值、全K、速效K 及陽(yáng)離子交換量明顯低于其他林分和灌草地，可能是這2 種林分吸收更多的大氣酸性污染物，導(dǎo)致土壤亞系統(tǒng)釋放更多的陽(yáng)離子，陽(yáng)離子消耗與酸性物的中和[32]。

土壤養(yǎng)分（如土壤有機(jī)碳、N、P、K）由地表枯落物分解、植物根系釋放的養(yǎng)分及根系分泌物所形成，大多先進(jìn)入土壤表層，隨土壤深度增加進(jìn)入的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分量逐漸下降，因而表層土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分含量高于深層土壤[33]。本研究中，5 種林分的土壤有機(jī)碳、全N、堿解氮、有效磷隨土層變深而降低，土壤養(yǎng)分表聚效應(yīng)明顯，與大多數(shù)研究結(jié)果一致[34-36]。不同林分的土壤有機(jī)碳、N、P、K 含量闊葉林高于針葉林，主要原因是土壤養(yǎng)分來源于植物的凋落物，受到凋落物的性質(zhì)和數(shù)量的顯著影響[33]，而闊葉林凋落物量大，分解速度快，養(yǎng)分歸還量大，有利于土壤養(yǎng)分的積累[8]。本研究結(jié)果表明，與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹、杉木人工林后，對(duì)土壤有機(jī)碳、有效P、全N、堿解N 的積累具有促進(jìn)作用，這與譚秋錦等[37]對(duì)貴州峽谷型喀斯特地區(qū)不同群落類型土壤肥力的研究一致，說明人工林比灌草更能改善原來立地的土壤肥力；而對(duì)于土壤全K 來說，與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹、杉木人工林后含量顯著減少（尤其是木荷林和杉木林），速效K 也有相似規(guī)律，這種變化規(guī)律暗示了人工林對(duì)K 元素的需求量較大。鐘繼洪等[38]研究表明，在雷州半島種植桉樹40 a 后，與原本為稀疏干旱矮草的土壤相比，土壤全K 含量下降了81.7%；龍鵬等[39]對(duì)云南棕櫚研究和王清奎等[40]對(duì)福建杉木的研究都表明，人工林生長(zhǎng)與K 元素含量高度正相關(guān)，因此，在人工林施肥中注重K 肥的配比，有利于促進(jìn)人工林生長(zhǎng)及產(chǎn)量的提高。土壤N、P、K 含量與全國(guó)第二次土壤普查分類標(biāo)準(zhǔn)相比，土壤有機(jī)碳、全N、堿解N、全K 含量屬于中下水平，全P、速效K 屬于低水平，有效P 屬于極低水平，這與中國(guó)亞熱帶丘陵地區(qū)的紅壤嚴(yán)重缺P 有關(guān)。化學(xué)計(jì)量特征C:N、C:P、N:P 比值闊葉林高于針葉林，但均低于全國(guó)平均水平，林分土壤養(yǎng)分需要適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)。

土壤綜合質(zhì)量綜合得分排名為：米老排林>藍(lán)果樹林>木荷林>灌草地>杉木林。闊葉林的土壤質(zhì)量高于針葉林，闊葉林養(yǎng)分返還速率快，對(duì)提高土壤肥力，增加土壤養(yǎng)分具有顯著的意義[41]。針葉林的土壤質(zhì)量低于灌草地，可能是因?yàn)楣嗖莸亻L(zhǎng)年未人為干擾，自然演替后灌草種類和數(shù)量增多，形成結(jié)果較為穩(wěn)定的群落，植物吸收量小，土壤也沒有發(fā)生礦物元素淋失的現(xiàn)象，灌草植被自然恢復(fù)比針葉人工林改善土壤的效果更有優(yōu)勢(shì)[8]。本研究只對(duì)采伐跡地上不同人工林生長(zhǎng)和灌草自然恢復(fù)33 a 后的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，其結(jié)果可能具有一定的局限性。在今后的研究中，應(yīng)充分考慮研究區(qū)的氣候、生物、成土母質(zhì)、林下更新、林分經(jīng)營(yíng)措施等因素對(duì)林地土壤質(zhì)量的影響，使得土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果更客觀事實(shí)。

4 結(jié)論

柳州市沙塘林場(chǎng)土壤的理化性質(zhì)受到林分類型的明顯影響，5 種林地土壤的N、P、K 含量和C:N、C:P、N:P 比值都偏低，不同林分間具有明顯差異。從土壤改良角度看，闊葉林比針葉林能更有效地積累土壤有機(jī)碳、N 和P 等養(yǎng)分，并明顯地提高土壤的非毛管孔隙度和總孔隙度等。與對(duì)照灌草地相比，營(yíng)造米老排、木荷、藍(lán)果樹、杉木人工林后使土壤全K 含量明顯減少，速效K（除米老排林外）也有相似規(guī)律，這種變化規(guī)律說明了人工林（尤其是木荷林和杉木林）對(duì)K 元素的消耗量大，因此，在管理不同森林類型時(shí)應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行肥料類型的施用，尤其是K 元素調(diào)控管理。土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，闊葉林優(yōu)于針葉林與灌草地，在今后的人工林營(yíng)造和森林質(zhì)量提升管理的實(shí)踐中，應(yīng)優(yōu)先考慮鄉(xiāng)土闊葉樹種。本研究5 種林地土壤的pH 值低于廣西其他地區(qū)，并且有林地土壤的SO42?含量大于灌草地，這是否與柳州工業(yè)城市的酸雨污染有關(guān)還需要進(jìn)一步研究。