不同龄组杉木生态公益林土壤肥力综合评价

不同龄组杉木生态公益林土壤肥力综合评价
孙宇;李际平;曹小玉;徐占勇
【摘要】为了研究不同龄组杉木生态公益林经过改造与未改造林分的土壤肥力情况,以湖南省福寿国有林场幼、中、近熟林3个龄组杉木林为研究对象,采用层次分析法对不同龄组经营样地与对照样地的土壤肥力进行评价.结果表明,福寿林场杉木生态公益林土壤肥力评价的3个准则层因子权重分别为:土壤环境条件(0.1062)、土壤物理性状(0.2065)、土壤养分(0.6333),18块样地中土壤肥力等级为差的样地有9个,9个样地均为对照样地,中等的样地8个,均为经营样地,等级为良的样地1个,无极差和优的样地,差、中等和良的样地所占比例分别为50％,44.4％和5.6％.3个龄组中土壤肥力得分为中龄林>近熟林>幼龄林,各龄组对照样地和经营样地得分情况差异显著,经营样地土壤肥力得分高于对照样地,说明通过间伐抚育,补植乡土树种能够提高土壤肥力.
【期刊名称】《林业资源管理》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】6页(P57-62)
【关键词】杉木;生态公益林;土壤肥力;综合评价;层次分析法
【作者】孙宇;李际平;曹小玉;徐占勇
【作者单位】中南林业科技大学林学院,长沙410004;中南林业科技大学林学院,长沙410004;中南林业科技大学林学院,长沙410004;中南林业科技大学林学院,长沙410004
【正文语种】中文
【中图分类】S718.55
杉木是我国南方最主要的造林树种,处在生态区位重要地段的杉木人工林被划为公益林,其林分结构简单、功能单一、土壤退化、生产力低下[1]。

如何提高杉木生态公益林生态功能已成为林业发展的重要问题。

大量的科学研究表明,优化树种结构是恢复和提高森林功能的重要途径,森林土壤作为森林生态过程的载体和森林植物生长的基质,是衡量森林生态功能恢复和维持的最重要指标,土壤肥力评价已成为评价森林经营和林分改造效果的有效方法[2]。

土壤肥力的评价方法很多,近年来,许多学者对土壤肥力进行了综合评价[3]。

肖慈英等[4]运用灰色关联评价法对土壤肥力进行了评价,分析结果较可靠；覃其云等[5]运用灰色关联分析方法分析了马尾松人工幼林土壤肥力变化并进行了综合评价；纪浩等[6]通过运用改进层次分析法对改造后的林地土壤肥力进行了综合评价,为低质林林分改造和实现林地高效经营利用提供了理论依据；毛波等[7]运用主成分分析方法对改造后的低质山杨林的土壤肥力进行了综合评价。

已有的研究大多数是评价林分某一时期的土壤肥力,而对于林分改造与未改造的土壤肥力间的差异评价的研究较少。

本文以福寿林场为研究区域,将杉木生态公益林按龄组划为幼龄林、中龄林和近熟林,采用层次分析法对杉木不同龄组的土壤肥力进行评价。

根据样地实测数据对杉木生态公益林不同龄组经营样地和对照样地的土壤肥力进行评价,根据评价结果,分析不同龄组经营样地与对照样地的土壤肥力的差异,为杉木生态公益林提供经营措施。

1 研究区概况
福寿林场地处湖南平江县(28°41′15″～28°32′30″N,113°41′15″～113°41′00″E),
总面积1 274.9hm2,海拔835～1 573.2 m,平均坡度22～27°,地处中亚热带向北
亚热带过渡的气候带,属湿润的大陆性季风气候,年平均气温12.1℃,年平均降水量2 100～2 300mm,森林覆盖率93%。

林场内海拔800m以下的土壤为山地黄壤；800～1 400m为山地黄棕壤；海拔1 400m以上的山顶、山脊有小块草甸土。

该区植被属中亚热带常绿阔叶林植被区。

2 数据来源及方法
2.1 样地的设置
2012年对杉木生态公益林实地踏查,选取杉木幼、中、近熟林3个不同龄组中立地条件基本一致、海拔相差不大,生长基本一致的林分作为研究区域。

在幼、中、近
熟林3个龄组内分别设置6块大小为20m×30m样地,土壤类型均为黄棕壤。

2013年上半年对福寿林场杉木生态公益林3个龄组经营样地进行树种结构改造,对照样地不作任何改造,对幼龄林中1,2,3号样地抚育间伐,伐除部分生长不良或密度
过大的杉木,间伐强度为30%左右,并补植栾树和马褂木,1,2,3号为幼龄林经营样地,4,5,6号为幼龄林对照样地；对中龄林7,10,12号样地抚育间伐后补植栾树和深山含笑,8,9,11为中龄林对照样地；对近熟林15,16,18号样地只在林下补植红豆杉,15,16,18号样地为经营样地,13,14,17号为近熟林对照样地。

实施间伐补植前各龄组经营样地与对照样地未实施过施肥灌溉等措施,林分相似、立地条件大致相同、土壤理化性质相近。

通过外业调查,得出各样地2012年和2017年的基本情况见表1,除了改造当年对经营样地进行了树种结构改造,在此之后均未对经营样地和对照
样地进行人工施肥或其他人为干扰。

表1 不同龄组标准地基本状况Tab.1 Basic conditions of standard ages of different age groups年份龄组林分类型样地号林龄/a坡位坡度/(°)树种组成平均胸径/cm平均树高/m20122017幼龄林中龄林近熟林幼龄林中龄林近熟林经营对
照经营对照经营对照经营对照经营对照经营对照16中部49杉1柳4.33.326中下
部247杉3柳4.13.436山顶57杉3柳3.62.846山顶257杉3柳3.12.556中部329杉1柳2.82.566下部48杉2柳3.23713中部3210杉+柳11.56.91013中下部1010杉+柳12.381213中部509杉1柳10.77.1813中部489杉1柳
9.66.8913中部409杉1柳9.37.31113中部5010杉+苦+柳10.16.21523中部509杉1毛12.4101623中部509杉1毛16.612.81823下部429杉1毛
16.111.71323中部6510杉+毛+苦11.481423山顶4010杉+苦13.010.11723下部4010杉+毛15.112.2111中部45杉4栾1柳+马9.696.24211中下部245杉3栾2柳+马10.136.31311山顶55杉3栾2柳+马9.515.82411山顶257杉3柳8.555.05511中部329杉1柳8.864.89611下部48杉2柳9.044.66718中部325杉3栾2深15.999.381018中下部105杉3栾2深16.149.231218中部505杉3栾2深16.289.81818中部489杉1柳14.619.01918中部409杉1柳14.198.91118中部5010杉+苦+柳14.928.821528中部509杉1毛+红
14.6910.871628中部509杉1毛+红17.1013.421828下部429杉1毛+红16.9312.961328中部6510杉+毛+苦12.579.451428山顶4010杉+苦
14.4510.291728下部4010杉+毛16.9712.86
2017年7月在各样地中,选择具有代表性的地方挖取剖面。

在各样地不同位置挖掘3次,每次4个剖面。

对土壤物理性质的测定必须保持采原状样品。

用体积为
100cm3的小铝盒和环刀分别在0～15cm,15～30cm,30～45cm和45～60cm 处取原状土。

取土位置在每层的中间,避免层次之间的过渡现象,保证样品具有代表性,每层取2个重复样品,将原状土带回实验室按照常规实验方法测定土壤的物理性质。

同时每层从下至上采足1kg,装入塑料袋贴上标签,带回实验室风干,分检,研磨,进行化学性质分析,取到土样后逐层回填到表格。

标明土样地点、名称、植被、层次、地形、深度、采集人等内容,同时记入笔记本内,已备事后可供查阅。

2.2 研究方法
2.2.1 土壤肥力指标体系的构建方法
根据科学性、客观性和可操作性原则[8],采用头脑风暴法、Delphi和会内会外法相结合的方式对杉木生态公益林土壤肥力评价指标进行筛选。

通过筛选确定3个准
则层指标为土壤环境条件、土壤物理性状和土壤养分。

在各准则层筛选能体现土壤肥力状况的指标作为措施层指标,通过筛选确定坡位、坡度、pH值、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤持水量、土壤有机质含量、全N、全K和全P作为措施层指标。

2.2.2 指标权重的确定方法
对构建的土壤肥力评价指标体系,运用层次分析法,对各个指标重要性采用1～9及
倒数的标度方法进行比较判断,构建判断矩阵[9]。

然后对判断矩阵进行计算,得出各层次的权重值,通过一致性检验,最终得到各项评价指标的权重。

2.2.3 各指标评分标准
根据全国第二次土壤普查推荐的土壤肥力分级,构建土壤肥力评价评分标准。

评分
采用十分制,将各指标分为优、良、差3个等级,赋予各等级一定的分值。

2.2.4 土壤肥力指标的计算方法
①pH值:采取电位法；
②土壤持水量%
(1)
式中:W0表示土壤毛管持水量(%)；Pt表示环刀内湿土质量(g)；P0表示环刀内干土质量(g)。

③土壤毛管孔隙度P1=W0Y
(2)
式中:P1表示土壤毛管孔隙度(%)。

④土壤容重
(3)
式中:Y表示土壤容重(g/cm3),g表示环刀内湿样质量(g),V表示环刀内容积
(cm3),W表示样品含水百分数(%)。

⑤有机质:重铬酸钾容量法—释热法。

⑥全N:用凯氏定氮仪测量。

⑦全P:采取氢氧化钠熔一铝锑抗比色法。

⑧全K:采取氢氧化钠熔一火焰光度法。

3 结果与分析
3.1 构建土壤肥力评价指标体系
运用头脑风暴法、Delphi和会内会外法综合筛选方法,确定3个准则层因子为土壤环境条件(B1)、土壤物理性状(B2)、土壤养分(B3)。

在各准则层选取2个或2个以上能体现土壤肥力情况的因子作为指标层因子,最后选取坡位(C1)、坡度(C2)、pH 值(C3)、土壤持水量(C4)、土壤总孔隙度(C5)、土壤容重(C6)、土壤有机质含量(C7)、土壤全N含量(C8)、土壤全P含量(C9)、土壤全K含量(C10)10个因子为指标层因子,建立的杉木生态公益林土壤肥力评价指标体系(图1)。

图1 杉木生态公益林土壤肥力评价指标体系Fig.1 Soil fertility evaluation index system ofCunninghamia lanceolata ecological public welfare forest
3.2 杉木生态公益林土壤肥力的评价结果
3.2.1 土壤肥力各指标权重的确定
运用层次分析法,计算出福寿林场杉木生态公益林土壤肥力评价的3个准则层因子权重分别为:土壤环境条件(0.106 2)、土壤物理性状(0.206 5)、土壤养分(0.633 3),准则层因子权重见表2。

各项指标在杉木生态公益林土壤肥力评价体系中得权重W,各矩阵CR<0.1,表明该矩阵有较好的一致性,打分矩阵有效。

经过一致性检验,专家组的打分全部都是有效的。

运用层次分析法中指标权重的计算方法,得出杉木生态公益林土壤肥力评价指
标权重,具体见表3。

表2 判断矩阵A元素的权重Tab.2 Determines The Weight of the matrix A elementsAB1B2B3WiB111/31/50.1062B2311/30.2065B35310.6333
注:CR=0.0372,λmax=3.0387。

表3 土壤肥力评价指标权重Tab.3 Soil fertility evaluation index weigh一级指标权重二级指标权重土壤环境条件(B1)0.1062土壤物理性状(B2)0.2065土壤养分(B3)0.6333坡位(C1)0.0331坡度(C2)0.0210PH值(C3)0.0521土壤持水量(C4)0.0277土壤总孔隙度(C5)0.1650土壤容重(C6)0.0679有机质含量
(C7)0.3167土壤全N含量(C8)0.1056土壤全P含量(C9)0.1056土壤全K含量(C10)0.1056
由表3可看出:在土壤肥力评价方面,土壤养分对杉木生态公益林土壤肥力的影响最大,也就是说土壤养分更能体现出一个地区土壤肥力的好坏。

各指标层因子中土壤有机质含量所占权重最大,是因为有机质是土壤肥力的重要标志,其含量的多少决定着土壤肥力的好坏,土壤有机质含量可以调节土壤的理化性状,是衡量土壤养分的重要指标。

其次,土壤全N,P,K含量所占权重也较大,对土壤肥力有重要影响。

3.2.2 指标层各因子的评分值
根据下表4的评分标准,将指标层各因子分为优、良、差3个等级,对各因子的计算值标赋予一定的分值,以便对杉木生态公益林的土壤肥力指标进行计算。

3.2.3 评价结果
土壤肥力评价指标体系评价模型为:
A=
(4)
式中:A为不同龄组杉木生态公益林各样地土壤肥力得分；Wi≥0,∑Wi=1;B1,B2,B3,分别为土壤环境条件、土壤物理性状、土壤养分评价得分。

通过土壤肥力评价指标体系模型,计算得出福寿林场杉木生态公益林18块样地的土壤肥力综合评价得分如表5。

表4 土壤肥力评价指标评分等级Tab.4 Soil fertility evaluation index rating评价指标等级分值坡位坡度/(°)pH值土壤持水量/%土壤总孔隙度/%土壤容重
/(g/cm3)有机质含量/(g/kg)土壤全N含量/(g/kg)土壤全P含量/(g/kg)土壤全K 含量/(g/kg)优(下部)7～10良(中部)4～7差(山顶)1～4优(0～30)7～10良(30～60)4～7差(60～90)1～4优(5.0～5.3)7～10良(5.3～6)4～7差(4.5～5)1～4优(59～67)7～10良(50～59)4～7差(50以下)1～4优(55以上)7～10良(50～55)4～7差(47～50)1～4优(0.87～0.99)7～10良(0.99～1.12)4～7差(1.12～1.24)1～4优(25以上)7～10良(20～25)4～7差(20以下)1～4优(2以上)7～10良(1.5～2)4～7差(1.5以下)1～4优(0.4以上)7～10良(0.3～0.4)4～7差(0.3以下)1～4优(5.5以上)7～10良(4.5～5.5)4～7差(4.5以下)1～4
采用等距划分法,对福寿林场不同龄组杉木生态公益林土壤肥力进行评价，得分结果划分为5个等级。

通过对18块样地评价得分的计算,具体结果见表6,杉木生态公益林土壤肥力等级为差的样地有9个,9个样地均为对照样地,中等的样地8个,均为经营样地,等级为良的样地1个,即10号样地,无极差和优的样地,差、中等和良的样地所占比例分别为50%，44.4%和5.6%。

通过表6可以看出,3个龄组中土壤肥力得分为中龄林>近熟林>幼龄林,各龄组对照样地和经营样地得分情况差异显著,经营样地土壤肥力得分高于对照样地,说明经营样地土壤肥力状况得到改善。

表5 18块样地土壤肥力综合评价得分Tab.5 Comprehensive evaluation scores of soil fertility in 18 plots龄组经营类型样地号土壤肥力总分幼龄林中龄林近熟林经营对照经营对照经营对照
15.0425.6635.0242.8852.9462.9775.66106.13125.4883.0593.08113.02154.93 165.02185.16133.00143.23173.45
表6 杉木生态公益林土壤肥力等级分布情况Tab.6 Distribution of soil fertility levels inCunninghamia lanceolata ecological public welfare forests土壤肥力等级样地个数百分比/%极差(A<2.0)00.0差(2.0≤A<4.0)950.0中等
(4.0≤A<6.0)844.4良(6.0≤A<8.0)15.6优(A≥8.0)00.0
4 结论与讨论
3个龄组中土壤肥力得分为中龄林>近熟林>幼龄林,各龄组对照样地和经营样地得分情况差异显著,经营样地土壤肥力得分高于对照样地,说明经营样地土壤肥力状况得到改善。

这是由于经营样地进行了林分改造,间伐掉生长不良的林木,改变了林木的空间分布格局,林木分布更加均匀,林木能够更加合理地吸收土壤养分,土壤中的微生物变得更加活跃,使土壤通透性增加,土壤结构得到改善。

经过改造的林分,充分利用了林地,同时增强了林分凋落物和腐殖质,提高了土壤肥力。

结果说明，对人工针叶纯林补植补种阔叶树种是改善人工针叶纯林土壤肥力的重要途径,这与王树力等[10]、傅家齐等[11]的研究结果一致。

福寿林场杉木生态公益林土壤肥力普遍不高,主要是由于海拔太高,生长环境比较恶劣,加上普遍为人工林,种植的树种单一,未能做到适地适树,且疏于管理。

经过改造了的林分,土壤肥力明显提高,在林下补植其他树种,充分利用了林地,同时增强了林分凋落物和腐殖质。

根据结果可知,要提高福寿林场杉木生态公益林土壤肥力,增强林分稳定性,就要做到适地适树,营造混交林,定期进行抚育间伐,进一步加大树种结构调整力度,同时要科学经营,以期达到杉木生态公益林的可持续发展。

研究可为杉木生态公益林的土壤肥力提升提供理论依据。

参考文献:
【相关文献】
[1] 马祥庆,黄宝龙.人工林地力衰退研究综述[J].南京林业大学学报,1997(2):79-84.
[2] 曹小玉,李际平,闫文德.杉木林改造前后的土壤肥力对比分析及综合评价[J].土壤通
报,2016,47(5):1231-1237.
[3] 黄馨,刘君昂,周国英，等.海南省土沉香人工林土壤肥力评价研究[J].中南林业科技大学学
报,2014,34(8):64-68.
[4] 肖慈英,阮宏华,屠六邦.下蜀主要森林土壤肥力的灰色关联分析与评价[J].南京林业大学学报:自然科学版,2000(S1):59-63.
[5] 覃其云,曹继钊,李军，等.马尾松人工幼林土壤肥力变化及其综合评价研究[J].中南林业科技大学学报,2013,33(3):64-69.
[6] 纪浩,董希斌.大兴安岭低质林改造后土壤肥力综合评价[J].林业科学,2012,48(11):117-123.
[7] 毛波,董希斌,宋启亮，等.低质山杨林生态改造后土壤肥力综合评价[J].福建林业科
技,2015,42(2):40-45.
[8] 臧润国,朱春全,雷静品，等.可持续经营框架下阔叶红松林区生物多样性间接评价体系的研究[J].生物多样性,1999,7(3):189-196.
[9] 谢肖昀.南方杉木生态公益林多功能评价研究[D].长沙:中南林业科技大学,2015.
[10] 王树力,沈海燕,孙悦,等.长白落叶松纯林改造对林地土壤性质的影响[J].中国水土保持科
学,2009,7(6):98-103.
[11] 傅家齐.马尾松疏林地套种木荷对林分生长和土壤性质的影响[J].安徽农学通
报,2012,18(13):126-127.。