滨海沙地不同竹林土壤理化性质与综合评价

李 磊，柳佳莹，徐艳萍，荣俊冬，施成坤，郑郁善*

1.福建农林大学林学院，福建福州 350002；
2.福建省东山赤山国有防护林场，福建东山 363400

沿海沙地地区生态环境恶劣，土壤贫瘠，沿海防护林的建设和经营尤为重要。森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，是森林生态系统主要功能可以有效发挥作用的重要物质支撑[1-2]。森林土壤对于森林植被的生长和发育以及森林生态系统的营养元素转化和森林健康可持续发展起着关键作用[3]。森林植被类型与土壤养分紧密关联，一方面林木生长从土壤中吸收养分，植物的生长和分布受土壤养分高低的影响，另一方面森林植物以凋落物的形式向土壤归还有机质和养分，进而对土壤养分含量造成影响[4]。由于不同林地类型凋落物数量和性质的差异，养分归还量的不同，根系分泌物的差异均会导致不同林地间土壤养分含量存在差异[5-6]。近年来，有许多学者对不同地区森林类型对土壤理化性质和土壤质量做了广泛的研究，如库布齐沙漠[7]、南泥湾湿地[8]、湘中丘陵区[9]、西北地区[10]，杨晓娟等[11]对东北低山丘陵区4种林分类型林地土壤肥力也做了相关研究，学者们发现不同森林类型对土壤养分具有显著影响作用。而在沿海沙地地区，徐馨等[12]通过对不同林龄木麻黄土壤养分状况研究发现，土壤养分是滨海沙地植物生长发育的主要限制因素，ZHENG等[13]研究发现适当的花吊丝竹林分密度对土壤质量具有改良效果。随着对滨海防护林的建设和保护，人为生产活动逐渐减少，沙地肥力逐渐降低，森林自肥能力不强[14]。竹子作为耐干旱、贫瘠，适应性强的植物材料，繁殖能力强，根系发达，鞭根交错，能较好地在沿海沙地地区发挥防风固沙，保水保肥等作用[15-16]。竹类植物改善土壤质量的研究主要集中在不同竹林培育措施对于土壤质量的影响[9,17]，而不同种竹类植物对土壤理化性质的影响研究鲜有报道。鉴于此，本研究以8种滨海沙地适生竹种为研究对象，借助模糊数学和多元统计分析方法，通过综合指数计算，分析比较不同竹林的土壤理化性质特征，并采用主成分分析方法进行综合评价，通过对不同竹林土壤质量综合得分比较的角度，探讨沿海沙地地区不同竹类植物对土壤肥力质量的影响作用，旨在为滨海沙地地区防护林经营和土壤养分管理提供参考。

1.1 研究区概况

研究区在福建省漳州市东山县赤山国有防护林场，23°38′N，117°24′E。属南亚热带海洋性季风气候，干湿季节明显，多年年均降雨量1103 mm，多年平均蒸发量2027.9 mm，雨季主要集中在5—9月，雨量占全年降雨量的61%。年平均气温为20.8℃，极端高温一般出现在7—8月，为36.6℃，极端低温一般出现在12月和1月，为3.8℃，终年无霜冻；
该地多发自然灾害有台风和干旱，台风多发于每年7—8月。土壤类型主要为滨海风积沙土，结构疏松，厚度 80~100 cm，保水保肥能力差。研究区天然植被稀少，主要防护林树种以木麻黄（Casuarinaequiseti folia)、湿地松（Pinus elliottii）等适应性和抗性较强树种为主，林下常见植物有马樱丹（Lantana）、龙舌兰（Agave americana）、蔓荆（Vitex trifolia）、鼠刺（Itea chinensis）等灌木和零星或小块状分布的草木。沙地地形较为平缓，坡度为2~10°，海拔为5~10 m。

1.2 方法

1.2.1 样地设置 2021年6月通过对东山县赤山林场全面踏查后，为保证立地条件基本一致，在相同原始土壤发育条件及离岸距离相同的条件下，根据植被分布现状和数量，筛选出8种在沿海沙地成功引种的竹种，分别为：Ⅰ.福建茶秆竹（Pseudosasa amabilisvar.convexa）、Ⅱ.鼓节竹（Bambusa tuldoides‘Swollenintrnode’）、Ⅲ.花吊丝竹（Dendrocalamus minorvar.amoenus）、Ⅳ.绿竹（Bambusa oldhamii）、Ⅴ.青丝黄竹（Bambusa eutuldoidesvar.viridi-vittata）、Ⅵ.实肚竹（Phyllostachys nidulariaf.farcata）、Ⅶ.矢竹（Pseudosasa japonica）、Ⅷ.四季竹（Oligostachyum lubricum）作为研究对象，这些竹种在林下呈块状或片状分布，引种时间均在5 a以上，自引种以来均未采取人工抚育措施，在滨海沙地的适应性相对较强，长势良好，能自然发展，生长面积相对较大，能满足研究采样要求。同一竹林分别设置3个10 m×10 m样地，共24个样地。8个竹种的竹林样地基本情况见表1，采用“S”型5点采样法在每个样地内设置5个采样点，用土钻采集0~20 cm层土壤，去除土壤中根系和石块等杂质后用四分法取1.0 kg土样，分别装入对应编号的自封袋内，带回实验室风干过筛后用于土壤理化性质的测定。

表1 样地基本情况Tab.1 Situation of bamboo forests

1.2.2 土壤理化性质测试 采用环刀法测定8个竹种的土壤含水率、土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度等物理性质；
采用5∶1水土质量比电位法测定土壤pH；
采用重铬酸钾硫酸氧化-硫酸亚铁滴定法测定土壤有机质；
采用半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量；
采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；
采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定土壤全钾含量；
采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；
采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；
采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量[18]。

1.2.3 土壤理化性质综合评价 选择0~20 cm土层各土壤理化因子指标，包括土壤含水率（X1），土壤密度（X2），毛管孔隙度（X3），非毛管孔隙度（X4），总孔隙度（X5），pH（X6），土壤有机质（X7），电导率（X8），全氮（X9），全磷（X10），全钾（X11），碱解氮（X12），有效磷（X13），速效钾（X14），将以上不同量纲数据指标首先进行标准化处理，使各指标间具有可比性。

数据标准化处理过程中，各个指标分为正、负2种效应，本研究中土壤密度（X2）、电导率（X8）为负效应指标，其余指标均为正效应指标。正、负效应分别选用式（1）和（2）计算。

式中，W(Xi)表示第i项土壤肥力评价指标的隶属度值；
Xij表示第i项土壤肥力指标测定平均值；
Ximax为第i项指标中的最大值；
Ximin为第i项指标中的最小值。

因各指标的重要性存在差异，对土壤肥力的影响程度不同，需通过权重系数反映各指标的重要程度。本研究通过主成分分析对14项指标进行处理，计算得出各指标的公因子方差、方差贡献率和累积方差贡献率，并将各指标公因子方差占总公因子方差的比重作为各指标的权重（式3）。

式中，Qi表示第i项土壤肥力评价指标的权重；
Ci为第i项土壤肥力评价指标的公因子方差。

最后，在各评价指标隶属度值和权重确定的基础上，用公式（4）对不同竹林的土壤肥力综合指数进行计算。

式中，H为土壤综合肥力指数。

1.3 数据处理

采用Excel 2010软件对数据进行整理，利用隶属度函数对原始数据进行标准化处理，使用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（ANOVA），利用最小显著性检验（LSD）进行多重比较，运用主成分分析方法计算各竹林土壤综合质量。

2.1 不同竹林土壤物理特性

四季竹土壤物理性质相较于其他 7种竹林具有显著差异（表2），其中土壤含水率最高，为22.88%，土壤密度以青丝黄竹和绿竹土壤密度最大，四季竹土壤密度最小。土壤密度与土壤孔隙度存在显著负相关关系，不同竹种间土壤总孔隙度差异以四季竹最大，福建茶秆竹最小，毛管孔隙度与非毛管孔隙度分布规律相类似。

表2 不同竹林土壤物理性质Tab.2 Soil physical properties of different bamboo woodlands

2.2 不同竹林土壤化学性质

由不同竹林地土壤化学性质（表3）可知，各竹林pH平均值变化范围为5.01~7.36，除绿竹土壤pH偏中性外，其他竹种的土壤pH均呈弱酸性。土壤有机质平均变化范围为 4.43~11.06 g/kg，速效钾平均变化范围为0.78~43.11 mg/kg，变化幅度较大，其中福建茶秆竹的土壤有机质含量和速效钾含量最低，仅为4.43 g/kg和0.78 mg/kg。绿竹土壤的水解氮、有效磷和电导率相对较高，分别为153.88 mg/kg、90.80 g/kg、157.83 μS/cm。各竹林地土壤全氮和全磷平均变化范围分别为 0.47~2.42 g/kg和0.09~0.37 g/kg，实肚竹和矢竹的全氮和全磷含量相对其他竹种较低。绿竹的碱解氮含量相对较高，花吊丝竹的速效钾含量为43.11 mg/kg，相对其他竹种含量较高。

表3 不同竹林地土壤化学性质Tab.3 Soil chemical properties of different bamboo woodlands

2.3 不同竹林土壤肥力综合评价

2.3.1 指标权重确定 对8种竹种土壤14项指标标准化处理后，运用统计软件对其进行主成分分析，得出各主成分特征值、公因子方差、贡献率和权重。根据主成分分析累积贡献率≥80%的原则，提取了前5个主成分因子，其特征值分别为3.936、2.952、2.311、1.765、1.441，累积方差贡献率达 88.608%（表4），5个主成分因子几乎包括了原始数据的全部信息量，能够解释系统的变异性信息。其中，非毛管孔隙度（X4）、pH（X6）、全氮（X9）、碱解氮（X12）在第 1主成分中发挥了重要作用，土壤密度（X2）、总孔隙度（X5）、有效磷（X13）在第2主成分中发挥了重要作用，毛管孔隙度（X3）、全钾（X11）在第 3主成分中发挥了重要作用，土壤有机质（X7）在第4主成分中发挥了重要作用，土壤含水率（X1）在第 5主成分中具有重要作用。

表4 正交旋转后前5个主成分的载荷矩阵、公因子方差、权重Tab.4 Rotated principal component matrix, communality and weight of each indicator

2.3.2 土壤肥力质量综合得分 从图1可知，不同竹林土壤肥力质量指数介于0.4490~0.5708之间，其大小顺序为矢竹（0.5708）＞四季竹（0.5231）＞实肚竹（0.5202）＞绿竹（0.4942）＞花吊丝竹（0.4910）＞鼓节竹（0.4874）＞青丝黄竹（0.4867）＞福建茶秆竹（0.4490），矢竹林土壤肥力优于其他林分，其次为四季竹、青丝黄竹，福建茶秆竹土壤肥力明显低于其他7种竹种。

图1 各竹种土壤肥力质量综合得分Fig.1 Comprehensive score of soil fertility quality of bamboo species

植物生长所需养分主要来自土壤，另一方面土壤养分也受到植物的反作用，不同类型竹林由于根际效应的差别、凋落物储量及分解程度、土壤动物等因素均存在差异，进而导致土壤理化性质的差异[19-20]。本研究中，滨海沙地8种竹林土壤含水量普遍偏低，远低于内陆山地地区毛竹林地土壤含水率[9,21]，这与滨海地区的气候和土质有密切关系，滨海沙地土壤以沙质结构为主，保水保肥能力差，同时由于沿海沙地地区季节性干旱严重，土壤温度高，水分蒸发，土壤呼吸加剧，从而进一步导致土壤含水量减少。土壤密度、孔隙度及土壤含水率等土壤物理指标是影响土壤肥力的重要因素[22]，有研究表明，土壤密度、孔隙度对土壤持水能力有直接影响作用，土质越疏松，土壤密度越低，土壤含水量越高，土壤透气性和水分有效性更加协调[11]。本研究发现，四季竹的土壤密度显著低于其他7种竹林地，孔隙度高于其他7种竹林地，这直接导致四季竹的土壤持水能力优于其他竹林地。土壤密度和土壤孔隙度都是反映土壤持水能力的敏感性指标，土壤密度反映的是土壤紧实程度，它与土壤自身的结构、质地和有机质含量有关[23]，土壤孔隙度决定着土壤的持水能力，土壤孔隙度的不同会导致土壤对水分和空气的容纳程度不同[24]。在本研究中，8种竹种土壤密度平均值为1.38 g/cm3，密度相较于湖北幕阜山区毛竹林地[25]和四川盆地[26]竹林地土壤密度更高，这可能也是导致沙地地区土壤透气性和水分含量偏低的原因。FENG等[27]研究发现，土壤含水量与土壤有机质间存在强烈耦合作用，竹林地土壤有机质含量偏低可能也是造成土壤含水量低的原因之一。本研究中8种竹林土壤物理性质与徐馨等[12]对滨海沙地木麻黄土壤养分状况研究结果相一致，这表明滨海沙地地区土壤养分相较于内陆山地地区更加匮乏，但相比于沙地母质土壤养分含量，土壤肥力有明显提升，这意味着竹林防护林建设对土壤质量有一定的改善作用，竹林防护林经营尤为重要。

土壤有机质作为限制土壤肥力的关键因素之一，是植物生长的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源[28]。本研究中，土壤有机质含量普遍偏低，均值在8.58 g/kg左右，处于匮乏水平，这与ZHENG等[13]对沿海沙地花吊丝竹竹林土壤有机质的研究结果相同。森林土壤有机质含量高低主要由有机物的输入和输出决定，森林植被凋落物的积累和分解会对有机物的输入造成影响[2,6]，本研究中竹林地土壤均为沙质土壤，母质条件基本一致，土壤养分的主要生物质来源是植被凋落物和根系分泌的有机质。8种竹林地郁闭度总体水平不高，林下凋落物较少、分解程度不高，这是造成滨海竹林地土壤有机质含量及养分元素偏低的重要原因。另一方面土壤有机质含量与土壤中氮、磷、钾等养分元素含量有密切关系[19]，本研究中沙地土壤养分匮乏，相较于其他内陆地区[8-10]养分含量偏低。相较于其他7种竹种，矢竹对水分要求较高，在受干旱胁迫的影响下，会导致出笋周期慢，不出笋及叶片脱落甚至死亡的现象[29]。在季节性干旱时期，矢竹叶片大量卷曲脱落，林下凋落物积累量大，分解程度更高，这可能导致矢竹林下土壤有机质相较于其他竹种含量更多。

土壤 pH是土壤化学性质的综合反映，其与土壤养分元素存在的不同形式、土壤微生物活动状态、土壤养分含量多少有着十分密切的关系。滨海沙地土壤 pH平均值为 5.86，除绿竹的土壤偏中性外，其他竹种的土壤均呈弱酸性，这可能与滨海沙地土质主要以沙质土壤有关，同时森林地表枯落物分解所产生的的酸性物质通过雨水对土壤进行淋溶也会使土壤 pH呈酸性[23]。滨海沙地土壤盐渍化严重[24]，而姜林等[10]研究表明，土壤盐渍化对土壤 pH也可能存在一定影响作用，导致沙地土壤呈弱酸性。8种竹种土壤pH除绿竹较高外，其他竹种间土壤 pH差异不显著，由此可以看出，不同竹林地土壤由于初始的土壤条件相同，竹子种植时间较短，土壤 pH受竹种类型的影响较小。

在自然状态下，不同林分间土壤的养分含量主要取决于凋落物厚度及分解状态、根系分泌物的多少和土壤动物及微生物的残体差异等[6]。土壤全量养分特征分析土壤中的全氮、全磷、全钾含量能够反映土壤“营养库”中养分总储量水平[30]，不同竹种在滨海沙地种植，由于适应性强弱、群落结构及枯落物分解存在差异，从而可能导致不同竹种土壤全量养分含量差异显著。氮素是植物能从土壤中吸收的最大量元素，植物土壤全氮含量可以用来衡量土壤氮素的基础肥力，碱解氮含量高低影响着植物的生长状况[27]。在本研究中，主成分分析揭示氮元素是限制滨海沙地土壤养分的主要因素，滨海沙地土壤氮素水平相对较低，进而导致土壤基础肥力质量较差。通过对8种竹林地土壤养分含量分析比较，绿竹的土壤全氮含量和碱解氮含量在8种竹类植物中最高，种植绿竹后对于土壤肥力有较好的改善作用。这可能是因为绿竹作为丛生竹，根系发达，对于干旱盐碱有一定耐受程度[31]，能使其在一定程度上更加适应滨海沙地地区生态环境，改善土壤质量。参照全国第二次土壤普查的土壤养分分极标准，8种竹林地土壤全磷和全钾含量都属于低水平，这是因为在偏酸性的沙地土壤中，磷元素易与铁、铝的氢氧化物及其离子形成不溶性的磷化物沉淀，导致沙地土壤磷含量普遍偏低[4]。郑翔等[32]研究表明，土壤钾元素的来源主要是含钾元素矿物的风化，土壤表层的速效钾含量对植物的生长起着决定性作用。本研究中竹林土壤磷钾元素一定程度上受到竹类植物根系分布及吸收的影响，但总体影响较小，这与刘永贤等[5]的研究结果一致。

本研究分析滨海沙地 8种适生竹林的土壤理化性质特征并综合评价土壤质量，结果表明，不同竹林对土壤理化性质影响差异显著，从而导致不同竹林间土壤质量的异质性。沿海沙地不同竹林土壤含水率偏低，最高为22.88%，四季竹土壤密度及孔隙度与其他竹种间存在显著差异，但其他7种竹种土壤密度及孔隙度差异不显著。竹林土壤pH平均变化范围为5.01~7.36，除绿竹土壤pH偏中性，其他竹林土壤呈弱酸性。不同竹林间土壤有机质平均变化范围为 4.43~11.06 g/kg，土壤全钾和速效钾平均变化范围分别为 4.59~79.33 g/kg和0.78~43.11 mg/kg，土壤全氮和全磷平均变化范围分别为 0.47~2.42 g/kg和 0.09~0.37 g/kg，土壤主要化学性质在不同竹林间差异显著。不同竹林类型土壤质量综合评价指数排序如下：矢竹＞四季竹＞实肚竹＞绿竹＞花吊丝竹＞鼓节竹＞青丝黄竹＞福建茶秆竹。本研究通过土壤质量指数法，对福建省赤山国有防护林场8种滨海沙地竹种进行土壤肥力质量评价的探讨，揭示滨海沙地地区竹林防护林土壤肥力质量状况，表明在沙地种植竹子能够在一定程度上提高土壤肥力及改善沙地土壤恶劣生态环境，对于滨海沙地防护林生态系统的可持续经营管理具有重要实际意义。本研究发现，土壤水分也是限制沙地土壤肥力的一大重要因素，在今后的研究中，可以对滨海沙地土壤水分效应进行进一步深入探讨，为滨海沙地防护林建设和经营提供更有力指导。

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