不同立地条件下光皮桦人工林生长及土壤理化性质分析

李松海，卢志锋，刘世男，杨 梅，韦秋思

（1.广西壮族自治区国有雅长林场，广西百色 533200；2.广西大学林学院，南宁 530004）

立地条件是造林地上与森林生长发育有关的自然环境因子的综合［1］，不同立地条件可供林木生长的资源不同，如不同土壤类型会影响土壤有机质含量及腐殖化矿化过程［2］，不同海拔、坡向和坡位等地形因素会影响太阳辐射的强弱、改变土壤的物理化学性质、林间水热条件等［3］。而立地质量与自然环境因子之间存在密切关系，对植物的生长具有重大影响［4］。龙鹏等［5］研究发现，棕榈（Trachycarpus fortunei）的高生长和产量指标会随着海拔的升高而降低，不同坡向、坡位的棕榈高生长和产量指标亦有显著差异。邵文豪等［6］研究表明，生长在阳面田地和阳面坡地的无患子（Sapindus mukorossiGaertn）主要生长指标和经济性状明显高于阴面田地和阴面坡地。庞宏东等［7］研究表明，坡位对泡桐（Paulownia）人工林的蓄积量及土壤理化性质有显著影响。由此可见，造林地上林木的生长和土壤性质存在差异，与立地条件有着重大关联。研究不同立地条件下林木的生长及土壤理化性质差异，对于林木造林地的合理选择，实现人工林优质高产具有重要意义。

光皮桦（Betula luminifera）是中国特有的优良速生用材树种，广泛分布于中国亚热带地区［8，9］。光皮桦具有适应性强、材质优良、生长速度快、用途广泛和经济价值高等特点，成为中国南方山区大力发展的用材树种［10］，国内外对光皮桦的研究主要围绕遗传改良［11］、营林抚育［12］、胁迫生理［13］和育苗技术［14］等开展，有关其人工林在不同立地条件下生长特征、土壤理化性质特征及造林地选择的研究鲜见报道。为此，本研究以广西壮族自治区国有雅长林场（以下简称“广西雅长林场”）的光皮桦人工林为研究对象，研究不同立地条件下光皮桦人工林生长及土壤理化性质特征，以期筛选出光皮桦人工林最佳的生长地段，为南方山区光皮桦的栽培推广及大径材的培育提供参考。

1 研究地概况及研究方法

1.1 研究地概况

试验地位于广西雅长林场九龙分场，地形地貌以山地和丘陵为主，土壤类型主要为黄红壤或黄壤，地带性植被以典型的亚热带常绿阔叶林为主。该研究区气候属于亚热带季风气候，年均气温16.8 ℃，历年最高气温38 ℃，最低气温-3 ℃，年均降水量1 056 mm，雨季多发生在5—10 月，平均相对湿度82%。试验林区光皮桦为13 年生人工纯林，林下植被主要有盐肤木（Rhus chinensis）、糙叶榕（Ficus irisana）、野牡丹（Melastoma candidum）、路边青（Geum aleppicum）、铁芒箕（Dicranopteris dichotoma）、臂形草（Brachiaria eruciformis）、龙须草（Juncus effuses）、五节芒（Miscanthus floridulus）等。

1.2 试验地设置与调查方法

在广西雅长林场九龙分场41 林班内依不同坡向（阳坡和阴坡）和坡位（上坡和下坡）的组合设置N1、N2、N3 和N4 共4 种不同立地条件，每种选取具有代表性的3 个20 m×20 m 标准样地。调查每块样地内活立木（胸径≥5 cm）的树高、胸径、枝下高及冠幅（东西和南北）。树高和枝下高用测高仪测定，胸径用胸径尺测量，冠幅用皮尺测量，并以两个主方向上的冠幅均值作为平均冠幅，各样地概况见表1。

表1 光皮桦人工林样地概况

1.3 土壤采集和处理方法

在每块样地的四角及中心挖取5 个剖面，分别收集0~20 cm、20~40 cm 深度的土壤，同一样地同一深度的土壤混合成1 个林间土样，并用密封袋包好标记，用冰盒临时保存，当天带回实验室，放入4 ℃冰箱保存。后续挑去土样中根、植物残体等杂质，用粉碎机磨细过20 目筛，用于各项指标的测定。

1.4 土壤指标测定方法

过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；蔗糖酶活性采用硫代硫酸钠滴定法测定；脲酶活性以靛酚蓝比色法测定；酸性磷酸酶运用磷酸苯二钠比色法测定；铵态氮含量采用纳氏试剂分光光度法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提后用火焰分光光度计测定；速效磷含量采用双酸（HCl、H2SO4）浸提法测定；全氮含量采用半微量凯氏蒸馏法测定；全钾含量采用氢氧化钠碱熔-火焰分光光度法测定；全磷含量采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定［15］。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016 软件对试验数据进行整理与制图，利用SPSS 软件19.0 对试验数据进行单因素方差分析（ANOVA）和多重比较（Duncan）。此外，用Pearson 相关系数分析光皮桦生长与土壤酶、养分的相关关系，用主成分分析（PCA）对不同立地条件下光皮桦人工林的土壤质量进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 不同立地条件下光皮桦人工林生长特征

由表2 可知，不同立地条件下光皮桦生长状况存在明显差异。各样地光皮桦的平均树高和平均胸径均表现为N2＞N1＞N4＞N3，枝下高表现为N1＞N2＞N4＞N3，平均冠幅表现为N2＞N1＞N3＞N4。在4 个样地中，光皮桦的树高、胸径和冠幅生长均以N2 样地最大，与其他样地光皮桦树高、胸径和冠幅差异显著（P＜0.05）；枝下高以N1 样地最高，其次为N2 样地，二者枝下高均显著高于N3 样地（P＜0.05）。

表2 不同立地条件下光皮桦人工林生长特征

2.2 不同立地条件对光皮桦人工林土壤酶活性的影响

如图1 所示，在0~20 cm 土层，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性在4 个样地间存在明显差异，且所测土壤酶活性在4 个样地中均以N2 最高，与其他试验样地差异显著（P＜0.05）。在20~40 cm 土层，土壤过氧化氢酶活性各样地间差异不显著，蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性各样地间差异明显，且蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均以N2最高。总体上看，不同立地条件下光皮桦人工林土壤酶活性表现为阳坡下部高于阳坡上部、阴坡下部高于阴坡上部；不同土层土壤酶活性变化趋势一致，均表现为0~20 cm 土层高于20~40 cm 土层。

图1 不同立地条件下光皮桦人工林土壤酶活性特征

2.3 不同立地条件对光皮桦人工林土壤养分的影响

由图2可知，不同样地间土壤铵态氮、速效钾、速效磷、全氮、全钾、全磷含量在0~20 cm 和20~40 cm土层均存在明显差异。其中，在0~20 cm 土层，所测土壤养分含量均以N2 样地最高，除全钾含量以外，其铵态氮、速效钾、速效磷、全氮、全磷含量与其余样地差异均显著（P＜0.05）；在20~40 cm 土层，铵态氮和速效磷含量以N1 样地最高，速效钾、全磷、全氮、全钾含量则以N2 样地最高，且N2 与其他样地的差异均达显著水平（P＜0.05）。各试验样点所测土壤养分含量变化趋势一致，均表现为0~20 cm 土层显著高于20~40 cm 土层。

图2 不同立地条件下光皮桦人工林土壤养分特征

2.4 光皮桦人工林生长与土壤酶活性、养分含量的相关性

如表3 所示，在0~20 cm 土层，除了脲酶活性外，光皮桦的树高与其他土壤酶活性、养分含量指标均高度正相关（r＞0.800），其中与速效磷、全氮、全磷的相关性达显著水平（P＜0.05）；除了脲酶、酸性磷酸酶活性以外，胸径与其他土壤酶活性、养分含量指标均高度正相关（r＞0.800），其中，与全钾含量显著相关（P＜0.05），与速效磷含量极显著相关（P＜0.01）；平均冠幅与蔗糖酶活性、速效钾、速效磷、全氮、全磷、全钾含量均高度正相关（r＞0.800），其中与速效钾含量极显著相关（P＜0.01），与全氮含量显著相关（P＜0.05）；枝下高与各土壤酶活性、养分含量没有显著的相关关系。在20~40 cm 土层，树高与蔗糖酶、酸性磷酸酶活性、全氮含量显著正相关（P＜0.05）；胸径与速效磷、全氮含量显著正相关（P＜0.05）；平均冠幅与全氮含量显著正相关（P＜0.05）；枝下高与各土壤酶活性、养分含量没有显著的相关关系。

2.5 不同立地条件下光皮桦人工林土壤质量综合评价

为客观评价不同立地条件下光皮桦人工林土壤的质量，应用主成分分析对反映土壤质量的4 种土壤酶和6 种养分指标进行降维，提取出互不相关的变量进行综合评价。如表4 所示，降维后提取了3 个主成分，其中，第一个主成分贡献了72.584%的信息，第二个主成分贡献了13.265%的信息，第三个主成分贡献了6.097%的信息，3 个主成分累计贡献率为91.946%，基本可以反映出4 种土壤酶和6 种养分指标的大部分信息。不同立地条件光皮桦人工林土壤质量由高至低依次为N2、N1、N4、N3（表5）。

表4 主成分分析的特征值、方差贡献率及累计方差贡献率

表5 不同立地条件土壤酶及养分含量的主成分综合得分

3 小结与讨论

不同坡位、坡向等小地形的差异会引起林分光照、水热条件和土壤养分的差异，进而影响植物的生长发育［16，17］。王庆红［18］研究表明，由于光照和土壤水、肥、气、热等条件较好，阳坡和半阴坡位置的刺槐（Robinia pseudoacacia）生长状况优于阴坡；龙鹏等［5］对棕榈的研究亦有相似的发现。本研究也表明不同坡向、坡位条件下光皮桦人工林树高、胸径、枝下高和冠幅有明显差异。其中，阳坡下部和阳坡上部光皮桦的树高、胸径、枝下高和冠幅均生长较好，阴坡下部和阴坡上部则生长较差。可见，坡位和坡向不同对光皮桦的生长具有较大影响，这与前人的研究结果相似。

坡向和坡位是地形要素中重要的因子，坡向会很大程度影响林木对太阳辐射的利用，坡位的变化则会引起土壤水分和肥力生态梯度的差异［19，20］。张顺平等［21］研究表明，坡位对林间土壤有机质、全氮、有效钾及有效磷的质量分数有显著影响。张国栋等［17］研究发现，随着坡位的上升，毛竹林间土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量呈下降趋势。本研究发现，不同立地条件光皮桦人工林土壤酶活性和土壤养分含量存在明显差异，总体上表现为阳坡下部高于阳坡上部、阴坡下部高于阴坡上部。表明光皮桦人工林土壤肥力会随着坡位的下降而上升，这与前人的研究结果较为相似。

相关性分析表明，除枝下高外，光皮桦人工林树高、胸径和冠幅的生长与大部分土壤酶活性及养分指标高度正相关（r＞0.800）。说明光皮桦人工林树高、胸径和冠幅的生长与土壤酶活性及养分指标在垂直空间上的变化具有一致性。基于此，所测土壤酶活性和养分指标可以用来评价光皮桦人工林土壤的质量。主成分分析表明，光皮桦人工林阳坡下部的土壤质量综合得分最高，其次为阳坡上部，阴坡下部和阴坡上部的综合得分较低。综合得分越高的地段，表明其土壤肥力更好，更适合光皮桦人工林的生长，由此可知，阳坡下部为光皮桦人工林的最佳生长地段。