元谋干热河谷人工林的土壤养分效应及其评价

元谋干热河谷人工林的土壤养分效应及其评价

马姜明^1,2，李昆^1,2

中国林业科学研究院资源昆虫研究所,昆明　650224； 2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100091）

摘要：研究了元谋干热河谷地区人工林重建对土壤养分的效应，并选择了土壤有机质、全N、速效N、速效P、速效K作为人工林重建对土壤养分效应的指标，运用灰色关联度进行综合评价。结果表明：（1）12 年生的桉树、苏门答腊金合欢、新银合欢类人工林土壤表层有机质、全N量其增幅高于10年生、6年生的人工林；除念珠相思林以外，人工林表层土壤有机质含量均高于所在试验点的对照地。混交林对增加土壤表层有机质含量的作用非常明显，其改良能力优于纯林；人工林土壤表层全N含量均低于1.0 g·kg^-1；（2）速效N的变化规律与全N含量基本一致，速效P含量波动较大，土壤速效K含量比较丰富，pH值的范围在4.44～6.42之间；（3）灰色关联度分析的结果为赤桉+苏门答腊金合欢混交林对土壤养分的影响相对较大，其关联系数为0.651，影响最小的为念珠相思纯林，关联度系数为0.343。

关键词:干热河谷；人工林；土壤养分；灰色关联度；元谋

具有热带“飞地”、“天然温室”雅称的元谋地处云南北部，位于金沙江畔，具有典型的干热河谷气候。该地区水土流失严重、土壤沙化、有机质含量降低，土壤板结严重，大片的“光板地”随处可见。因此,加强该地区的土壤管理研究显得尤其重要。近年来，随着“长防”、“长治”等防护林建设工程，“退耕还林还草”和“生态环境重建”等工程的实施，该地区在适宜造林树种选择、造林技术措施、树种抗旱性机理、人工林地水分输入与土壤水分动态等方面做了大量的研究工作。通过引进的合欢、相思等豆科植物以及桉树进行该地区的人工林植被重建工作，取得了初步的成效。目前，有关该地区人工林重建对土壤养分效应的研究还较少见，因此，探讨不同人工林重建过程的土壤养分效应及其评价可对现有的人工林进行生态系统管理提供科学依据。

1　试验地概况

元谋县位于云南省滇中高原北部，金沙江中游一级支流龙川江下游。地理坐标为25º25¹～26º07′ N，101º35′ ～102º15′ E；该区气候炎热，干湿季分明，年平均气温为21.9 ℃，最冷月（12月）月均温为14.9℃，最热月（5月）月均温为27.1 ℃，年平均降雨量为630.7 mm，雨季（5 ～10月）降雨量占年降雨量的90%以上；年均蒸发量为3 426.3 mm,为年均降雨量的5.4倍；年均相对湿度为55.8 %，年均日照时数为2 630.4 h,无霜期为350 ～365 d。其气候与热带稀树草原（Savanna）气候相似。植被为以扭黄茅(Heteropogon contortus (L.) P )为主，杂以灌木坡柳(Dodonaea visoosa Jacg.)的稀树灌草丛^[1]。在小横山、岭庄、磨诃、苴林等4个试验点选择立地条件一致的地段，按不同的树种组成人工林建立样地，进行群落学调查，各样地的基本情况见表1。在各试验点与人工林相邻的地段选择荒地作为对照样地。2研究方法

2.1　土壤取样及分析

于2003年5月，在已建立的每种人工林类型标准地的4个角和中心点挖取土壤表层样品，深度为0 ～25 cm，将5次重复的土样去除植物根系和石块，充分混匀混合并用四分法取大约500 g土样带回实验室进行分析。每种类型人工林重复取土样3次,共取样品42份。分析项目为土壤有机质、全N、速效N、速效P、速效K、土壤pH值。具体分析方法分别是：土壤有机质采用K²Cr²O⁷法；全N采用酸溶-开氏法；速效N采用扩散皿法；速效P采用Olsen法；速效K采用原子吸收法；土壤pH值采用电位法测定。

2.2　土壤养分综合评价^[2～4]

灰色关联度分析是灰色系统理论中因子分析及关系分析的主要方法。可以分析因子间的影响程度或评价各因子对主行为的贡献程度。能对多个因子与土壤养分状况间的关系进行综合评价。具体方法为先对原始数据进行标准化处理，使标准化后的数值在0～1之间。选择各因子达理想状态时的数值为参考点，为因子数，计算差值序列。然后求算△^ij的最小值△^min和最大值△^max；根据公式L^ij(p)=(△^min+0.5△^max)/(△^ij+0.5△^max)计算关联系数序列，根据R^ij=∑L^ij(p)/m计算关联度。关联度越大说明因子间的变化态势越与理想状态接近，其相互关系越密切。具体在本研究中，评价土壤养分效应的关联度越大，说明土壤肥力状况越好。本研究选择林地表层土壤全N、速效N、速效P、速效K、土壤有机质作为综合评价人工林重建土壤养分效应的指标。

表1　不同人工林基本情况

3　结果分析

3.1　人工林重建对土壤有机质的影响

土壤有机质是林木生长营养的重要来源，影响着一系列的土壤物理、化学和生物性质^[5]。它在改善土壤的物理性质、提高土壤的保肥能力以及缓冲性等方面具有重要的意义^[6～7]。对土壤有机质含量，有两种不同的结论，如王洪君等在研究落叶松人工林时发现落叶松人工林地土壤有机质含量明显低于对照地^[8]。而周厚诚等研究认为植被恢复过程中土壤有机质含量有明显地提高^[7]。根据Chiarucii et al.的研究，认为在贫瘠退化的生态系统里引种外来植物会使土壤的有机质增加^[9]。

从表2可以看出，除了念珠相思林以外（其土壤养分指标均比对照样地低），其他人工林表层土壤有机质含量均比对照样地明显增高。12年生的人工林表层土壤有机质含量平均为12.5 g·kg^-1，比对照样地增加了197.6%，10 年生的相思林、6 年生的印楝林和相思林分别增加了101.8%、29.2%、15.1%。按林分年龄及混交林类型来比较土壤表层有机质含量的增幅，其排序为：12 年生的混交林（211.9%）＞12 年生的苏门答腊金合欢和新银合欢纯林（170.2%）＞10年生的相思纯林（101.8%）＞12 年生的桉树纯林（100%）＞6年生的印楝纯林（29.2%）＞6 年生的相思纯林（15.1%）。可以看出，混交林对增加土壤表层有机质含量的作用非常明显，其改良能力好于纯林，显示了混交林的优越性。可以看出，元谋干热河谷通过引进桉树、相思、苏门答腊金合欢、新银合欢、印楝等外来树种进行生态重建，对土壤改良起到重要的作用。这与广东南澳岛植被恢复过程中群落土壤有机质有明显增高的趋势相一致^[7]。

注：CK₁：小横山对照样地；CK₂：岭庄对照样地；CK₃：磨诃对照样地；CK₄：苴林对照样地.

3.2　人工林重建对土壤全N的影响

从表2可以看出，在元谋干热河谷地区植被恢复过程中人工林土壤含N量逐步增加。12 年生桉树、苏门答腊金合欢、新银合欢人工林土壤表层全N量平均为0.73 g·kg^-1，与对照样地相比，增幅为108.6%，增幅远远高于其它人工林；10 年生相思林平均全N量为0.71 g·kg^-1，增幅为45.9%；6年生印楝林全N量为0.59 g·kg^-1，增幅为31.1%；6 年生相思林平均全N量为0.60 g·kg^-1，增幅为6.7%。从我国其它各地的情况来看，一般立地条件较差的荒山表土，全N量多处于1.0 g·kg^-1以下，而在森林覆盖下的土壤全N量则较高^[5]。元谋干热河谷地区虽然引进了许多固氮植物种，其土壤表层全N含量还是低于1.0 g·kg^-1，该地区土壤贫瘠的程度可想而知。据报道，苏门答腊金合欢、新银合欢、大叶相思等相思类植物都具有根瘤菌，能起到固氮改良土壤的作用^[10-13]。这些树种根瘤固氮酶活性因昼夜和季节而变化，昼夜变化与固氮能源的供应有关，受光照、温度影响较大，夏秋高，冬季和早春低，根瘤固氮酶活性主要受温度、光照强度、降雨量等因素的影响^[14-17]。有研究认为像马占相思这样的固氮植物其新结瘤在4～ 5月份形成^[17]，而元谋干热河谷那时正值高温、干旱的最严重时期，所以对新根瘤的形成起了很大的抑制作用。因而使得该地区的固氮植物没有充分发挥其固氮作用，这可能是导致该地区人工林N含量低的重要原因。

3.3　人工林重建对土壤速效N、速效P、速效K的影响

树种、生长速度、造林时间的长短、枯落物量及其营养元素含量的不同，都会影响土壤养分的回归和利用，使得不同的人工林土壤速效N、速效P、速效K含量不同^[18]。速效N是土壤全N中能被植物直接吸收利用的部分。从表2可看出，其变化规律与全N含量基本一致。土壤表层速效N含量最高的是新银合欢林，为71.38 mg·kg^-1，最低的是念珠相思林，为12.85 mg·kg^-1。土壤表层速效N含量总平均为37.20 mg·kg^-1，对照样地为29.42 mg·kg^-1。从总体来看，人工林地土壤表层速效N含量有比对照样地增加的趋势。但念珠相思林、台湾相思林和印楝林表层土壤速效N含量明显低于对照样地。土壤中的速效P是成土母质和一部分有机质矿化的产物。P元素在生态系统中的循环速度不如N素强烈。不同人工林土壤表层速效P含量变化范围在0.37～1.20 mg·kg^-1之间。赤桉纯林、柠檬桉纯林、新银合欢纯林、苏门答腊金合欢纯林速效P含量规律不明显。土壤速效K含量在很多土壤中其都比较丰富，植物从土壤中摄取的K，除了N以外一般都比任何其他营养元素要多^[19]。从表2看出，林地表层土壤速效K含量最高为不易发生淋溶，从而导致速效态K聚积的缘故。从表中还可看出，不同人工林类型土壤各层速效K含量均高于土壤各层速效N含量。据中科院成都山地所分析，发现该地区燥红壤的干热变性土（膨胀土）中K含量每100 g土高达50 mg以上。

3.4　人工林重建对土壤pH值的影响

3.5　人工林重建对土壤养分效应的综合评价

试验地pH值的范围在4.44～ 6.42之间，根据土壤酸度分级，属弱酸到中等程度的酸性土壤。酸性相对较强的新银合欢纯林，土壤pH值为4.44。酸性相对较弱的为绢毛相思纯林，土壤pH值为6.42。可以看出，林分年龄越大，土壤pH值有降低趋势。一方面可能是由于土壤上层枯落物的增加为土壤真菌活动提供了丰富的资源，在酸性条件下，随土壤温度的增高真菌的活动进一步增强，加速了枯落物的分解，导致更多有机酸的释放，相继盐基又从矿质土壤表层淋失，致使其土壤酸度增强；另一方面，这可能与树种分泌的诸如酚类等化学物质有关。

运用灰色关联度评价了不同人工林重建的土壤养分效应，1～14号样地的关联系数见表3。从评价的结果可以看出，赤桉苏门答腊金合欢混交林的关联系数为0.651，在所研究的林分类型中关联度最大，说明该类型林分改善土壤的效果最明显，土壤综合肥力最高。苏门答腊金合欢、新银合欢两树种也表现出较好的改良土壤能力。10 年生的相思林均比6年生的相思林的土壤肥力状况略好，念珠相思纯林的关联度系数最小，为0.343。从前面的分析可知土壤肥力比对照样地还低，表现出地力衰退现象。同时，从评价结果也看出，造林时间的长短对土壤改良效果的影响也较明显。

4　结论与讨论

(1) 12 年生的桉树、苏门答腊金合欢、新银合欢类人工林土壤表层有机质、全N量及其增幅高于10年生的相思林，6 年生的相思林和印楝林。除念珠相思林以外，人工林表层土壤有机质含量均高于所在试验点的对照样地。混交林对增加土壤表层有机质含量的作用非常明显，其改良能力优于纯林。元谋干热河谷通过引进桉树、相思、苏门答腊金合欢、新银合欢、印楝等外来树种进行生态重建，对土壤改良起到重要的作用。

(2) 速效N的变化规律与全N含量的变化规律基本一致，速效P含量波动较大，土壤速效K含量比较丰富，pH值的范围在4.44～6.42之间。

(3) 灰色关联度分析结果表明12 年生的赤桉+苏门答腊金合欢混交林对土壤养分的影响相对较大，其关联系数为0.651，影响最小的为6 年生的念珠相思纯林，关联度系数为0.343。排列顺序为：12 年赤桉纯林＞12年生的苏门答腊金合欢纯林＞12 年生的柠檬桉+新银合欢混交林＞12 年生的柠檬桉纯林＞6年生的印楝纯林＞10 年生的大叶相思纯林＞10 年生的马占相思纯林＞6 年生的纹荚相思纯林＞6 年生的绢毛相思纯林＞6 年生的台湾相思纯林＞6年生的念珠相思纯林。

(4) 通过该研究可知，元谋干热河谷地区人工林地土壤养分极度贫乏，应通过整地和适当施肥，改善土壤的物理性状，可以增加土壤的通透性增强某些微生物的活性从而加快林地枯枝落叶的分解，进而改善土壤肥力，促进林木生长。另外，枯枝落叶确保留在林内，避免被当地群众收集，以保证人工林生态系统养分平衡和人工林生态系统物质循环和能量流动的畅通性，防止人工林地力衰退。

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Effects of Plantation on Soil Nutrient and Evaluation in Yuanmou Dry-hot Valley

MA Jiang-ming^1,2,LI Kun¹

(1.Research Institute of Resource Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming, Yunnna 650224, China； 2.Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China) Abstract: This paper selected surface soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, phosphorus and potassium contents to study the effects of plantation rehabilitation on soil nutrient in Yuanmou Dry-hot Valley, then evaluated with grey relational analysis. Results are as below: (1) Surface soil organic matter and total nitrogen contents of 12-year old of Eucalyptus, Acacia glauca, Leucaena leucacephala increased much more than that of other 10-year old and 6-year old plantations. Surface soil organic matter contents of each plantation was higher than that of the control plot. Mixed forests could increase surface soil organic matter contents much more than that of pure forests. Surface soil organic matter contents of all plantations was under 0.1%. (2) The variation of available nitrogen was accordant with total nitrogen content. Available phosphorus content fluctuated much, available potassium content was abundant, pH value ranged from 4.44～6.42. (3) Through grey relational analysis, the E. camaldulensis + A. glauca mixed forest had the most effect on the soil nutrient most with the association coefficient of 0.651.The A. torulosa pure forest got the least with the association coefficient of 0.343.

Key words: Dry-hot valley； plantation； soil nutrient； grey relational analysis； Yuanmou