全 文 ：不同森林恢复方式对我国南方红壤区
土壤质量的影响*
王摇 芸摇 欧阳志云**摇 郑摇 华摇 曾摇 静摇 陈法霖摇 张摇 凯
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085)
摘摇 要摇 2008—2009 年在我国南方红壤区,研究了 3 种典型森林恢复方式(自然恢复的天然
次生林、人工恢复的本地种马尾松人工林和引进种湿地松人工林)对林地土壤质量的影响.结
果表明: 天然次生林的土壤含水量、土壤容重、土壤粒径构成、土壤全碳、全氮、全磷、有机碳、
速效氮、速效磷、速效钾含量均优于两种人工林.综合土壤物理性状、化学性状和微生物性状
得到土壤质量综合指数.天然次生林土壤的综合质量指数(1. 20依0. 10)显著高于马尾松人工
林(0. 59依0. 03)和湿地松人工林(0. 59依0. 06),而两种人工林之间差异不显著.在我国南方红
壤区,自然恢复的天然次生林土壤质量优于人工恢复的马尾松林和湿地松林.
关键词摇 森林恢复方式摇 生态系统服务摇 土壤质量摇 主成分分析摇 红壤区
文章编号摇 1001-9332(2013)05-1335-06摇 中图分类号摇 S158. 3摇 文献标识码摇 A
Effects of different forest restoration approaches on the soil quality in red soil region of
Southern China. WANG Yun, OUYANG Zhi鄄yun, ZHENG Hua, ZENG Jing, CHEN Fa鄄lin,
ZHANG Kai (State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Envi鄄
ronmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2013,24(5): 1335-1340.
Abstract: In 2008-2009, an investigation was conducted on the effects of three typical forest resto鄄
ration approaches, i. e. , naturally restored secondary forest, artificially restored native species Pi鄄
nus massoniana plantation (Masson pine plantation), and introduced species Pinus elliottii planta鄄
tion (slash pine plantation), on the soil quality in red soil region of Southern China. The results
showed that the soil moisture content, bulk density, particle composition, and the contents of total
carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorus (P), organic C, available N, available P, and
available potassium (K) in natural secondary forest were all superior to those in artificial planta鄄
tions. The soil physical, chemical, and microbial properties were integrated into a soil quality
index, which was significantly higher (1. 20依0. 10) in natural secondary forest than in Masson pine
plantation (0. 59依0. 03) and slash pine plantation (0. 59依0. 06). Our results suggested as com鄄
pared with the restoration with native species P. massoniana and with introduced P. elliottii, natu鄄
ral restoration could be a better forest restoration approach to improve the soil quality in red soil
region of Southern China.
Key words: forest restoration approach; ecosystem services; soil quality; principal component
analysis; red soil region.
*中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄EW鄄QN406)、
“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAC09B07鄄2)、国家自然科
学基金项目(40871130)和中国博士后基金项目(2012M520406)资
助.
**通讯作者. E鄄mail: zyouyang@ rcees. ac. cn
2012鄄07鄄03 收稿,2013鄄02鄄20 接受.
摇 摇 森林恢复是一个投资大、耗时长的工程.森林恢
复方式决定了生态系统服务水平的高低,因而森林
恢复方式的选择至关重要. 土壤肥力维持功能是生
态系统功能的重要内容[1-2],合理的森林恢复方式
能够改善土壤理化性状[3-4],进而提高生态系统服
务功能[5-6] .
当前关于森林恢复对土壤肥力影响的研究多集
中于不同演替阶段[7-8],针对不同恢复方式土壤肥
力差异的研究较少[4] . 研究表明,纯林或非本地种
种植会造成森林土壤肥力的降低[4,9-10],乃至森林
生态系统服务功能的下降[10-11] .次生林的土壤质量
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 5 月摇 第 24 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2013,24(5): 1335-1340
优于人工营造的混交林[12] .自然恢复的森林生态系
统具有较高的土壤肥力[8,13],生态系统服务功能较
高[5,10-11] .而这些研究大都集中在一个较小的区域,
或者指标较少或单一.扩大研究范围,综合分析土壤
理化性质和微生物性质,可以更好地揭示森林恢复
引起的土壤质量变化.
红壤本身较高的粘粒含量及其所处的地理位
置[13],导致其易于受侵蚀,在红壤区研究森林恢复
方式对土壤质量的影响具有重要意义. 本地种马尾
松(Pinus massoniana)适应能力强,是我国分布最广
的松科植物[14];引进种湿地松(Pinus elliottii)生长
快、材质好,在我国得以大面积种植. 马尾松人工林
和湿地松人工林的面积占我国人工林总面积的
59% [15] .本文在我国南方红壤区,研究了本地种马
尾松人工林恢复、引进种湿地松人工恢复和自然恢
复 3 种森林恢复方式土壤质量的差异,旨在阐明不
同森林恢复方式对土壤肥力维持功能的影响,为我
国南方红壤区的森林恢复提供理论依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
本研究区设在我国湖南省衡阳县、江西省安福
县和广西省的桂林地区 ( 24郾 890毅—27郾 318毅 N,
110郾 150毅—114郾 549毅 E).研究区属亚热带湿润季风
气候,年均气温 18郾 4 益,最高气温 5郾 4 益,最低气温
5郾 8 益,年降水量 1452 ~ 1950 mm,降雨集中在 5—8
月,无霜期 270 d.土壤属于红壤,自然植被为亚热带
常绿阔叶林.
1郾 2摇 样地设置及土壤取样
采用单因素随机试验设计:森林恢复方式设置
3 个水平,自然恢复(天然次生林,NF)、本地种人工
恢复(马尾松人工林,MP)和引进种人工恢复(湿地
松人工林,SP).每种森林恢复方式选取 15 个样地,
所选样地的恢复时间约 20 年. 其中,天然次生林自
恢复后人为干扰较少;马尾松人工林和湿地松人工
林在最初种植的 3 ~ 4 年抚育一次,包括乔木下表土
疏松和林下植被的砍伐,以后不再进行人工管理.
每个样地选取 3 个 10 m 伊 10 m 样方,每个样
方中按“S冶形于 0 ~ 10 cm深度取 5 个土样[16],取样
孔距离优势树种主干 50 cm[17],并把土样混合为一
个样品,共取土样 135 份,放在冰盒中运回实验室.
土样过 2 mm筛后,一部分放在 4 益冰箱中,用于土
壤微生物生物量和微生物碳源代谢功能分析,另一
部分风干后,用于土壤理化性状分析.
1郾 3摇 分析方法
土壤全碳和全氮含量采用元素分析仪(Vario
EL III, Germany)完成;土壤颗粒组成用激光粒度仪
Mastersizer 2000(Malvern Instruments, Malvern, Eng鄄
land)测定[18];土壤 pH 值采用 1 颐 5 的土水比混合
后,玻璃电极测定;土壤全磷、全钾、有机质、速效氮、
速效磷和速效钾含量均采用常规方法[19] .土壤微生
物生物量碳和碳源代谢功能的测定参见文献[20].
1郾 4摇 数据处理
土壤粒级采取美国制[21],并通过土壤粒径组成
由式(1)计算土壤分形维数(D) [22] .
V( r < R i)
Vt
= (
R i
Rmax
) 3-D (1)
式中:V( r < R i)为小于某一径级 R i的土壤粒径的体
积;Vt为所有径级的土壤体积总和;Rmax为土壤径级
的最大值.
综合土壤理化性状、土壤微生物生物量碳和微
生物碳源利用丰富度和香农多样性指数,计算土壤
肥力综合质量指数(Qi) [23]:
Qi =移WiQ(xi) (2)
式中:Wi为指标权重;Q(xi)为指标的隶属度.
容重、粘粒、分形维数采用降型分布函数,其高
值通常表示土壤质量的退化[23] .
Q(xi) =
Xmax - X i
Xmax - Xmin
(3)
土壤化学性状和微生物性状采用升型分布函
数[22]:
Q(xi) =
X i - Xmin
Xmax - Xmin
(4)
式中:Xmax和 Xmin分别为土壤第 i个指标的最大值和
最小值;X i为第 i个指标的值.
土壤微生物性状包括土壤微生物生物量碳、微
生物碳源利用多样性和丰富度指数[20] .
1郾 5摇 数据处理
采用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)分析恢
复方式对土壤性状是否有显著影响(琢 = 0郾 05). 当
森林恢复方式对土壤性状影响显著时,采取 Turkey
距离进行多重比较.用主成分分析法确定因子权重.
单因素方差分析和主成分分析均通过 SPSS 16郾 0 软
件实现;采用 SigmaPlot软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同森林恢复方式的土壤物理性状
土壤粒径分布影响着土壤的肥力状况、水力特
6331 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 不同林型的土壤粒径构成
Fig. 1摇 Soil particle composition of different forest types ( n =
15, mean依SE)郾
SP:湿地松人工林 Slash pine plantation; MP:马尾松人工林 Masson
pine plantation; NF:天然次生林 Natural secondary forest. 同一指标不
同小写字母表示不同恢复方式间的差异显著(P<0郾 05) Different let鄄
ters of the same index meant significant difference between forest restora鄄
tion approaches. 下同 The same bellow. 玉:粘粒 Clay ( < 2 滋m);
域:粉粒 Silt (20 ~ 50 滋m); 芋:砂粒 Silt (50 ~ 2000 滋m)郾
性及侵蚀等,是重要的土壤物理特性之一[18] . 单因
素方差分析表明,不同森林恢复方式显著影响林地
的土壤粒径分布(图 1).引进种湿地松人工林(SP)
的土壤粘粒含量显著高于天然次生林(NF)和本地
种马尾松人工林(MP);马尾松人工林的土壤砂粒含
量高于天然次生林和湿地松人工林,其中两种人工
林之间差异显著;而土壤粉粒含量在不同森林恢复
方式之间无显著差异.
摇 摇 土壤分形维数是反映人为扰动情况下土壤粒径
分布的较好指标[18,24] . 由图 2 可以看出,恢复方式
显著影响土壤分型维数:湿地松人工林的土壤分型
维数高于马尾松人工林和天然次生林,其中湿地松
人工林与天然林之间差异显著. 天然次生林的土壤
含水量显著高于湿地松人工林和马尾松人工林,两
种人工林之间差异不显著. 天然次生林的土壤容重
显著低于湿地松人工林和马尾松人工林,两种人工
林之间差异不显著.
2郾 2摇 不同森林恢复方式的土壤化学性状
2郾 2郾 1 土壤全量养分和 pH值摇 由图 3 可以看出,天
然次生林土壤的全碳、全氮含量显著高于湿地松人
工林和马尾松人工林,两种人工林之间无显著差异;
天然次生林土壤全磷含量显著高于湿地松人工林,
其他森林恢复方式之间无显著差异;土壤全钾含量
变化范围为(7郾 9依0郾 8) ~ (8郾 9依1郾 2) mg·g-1,不同
恢复方式的土壤全钾含量无显著差异. 3 种森林类
型的土壤 pH值为(4郾 34依0郾 07) ~ (4郾 39依0郾 10),不
同森林恢复方式土壤 pH值差异不显著.
2郾 2郾 2 土壤有机质和速效养分含量摇 维持土壤有机
质含量是森林恢复的一个重要标准[25] .天然次生林
中土壤有机质含量(28郾 4依2郾 1 mg·g-1)显著高于马
尾松人工林(17郾 1 依1郾 2 mg·g-1 )和湿地松人工林
(17郾 4依1郾 1 mg·g-1),两种人工林之间无显著差异
(图 3).
天然次生林土壤速效氮含量 ( 203郾 3 依 22郾 8
mg·kg-1) 显著高于马尾松人工林 ( 83郾 5 依 6郾 6
mg· kg-1)和湿地松人工林(83郾 3依8郾 8 mg·kg-1).
土壤速效氮、速效磷和速效钾含量表现为相同的规
律,即天然次生林显著高于马尾松人工林和湿地松
人工林,两种人工林之间无显著差异.
2郾 3摇 不同森林恢复方式的土壤质量
综合以上土壤理化性状以及土壤微生物性状
(微生物生物量碳、Biolog碳源利用丰富度和碳源利
用强度),进行主成分分析. 共提取到 4 个主成分,
能解释所涉及土壤性质变异的 79郾 6% .各个指标的
权重如表 1 所示,其中速效氮权重最大,其次为速效
磷和微生物碳源利用强度.
天然次生林的土壤综合质量指数(1郾 20依0郾 10)
显著高于马尾松人工林(0郾 59依0郾 03)和湿地松人工
林( 0郾 59 依 0郾 06 ),两种人工林之间差异不显著
(图 4).
图 2摇 不同林型的土壤物理性状
Fig. 2摇 Soil physical properties of different forest types (n=15, mean依SE)郾
73315 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 芸等: 不同森林恢复方式对我国南方红壤区土壤质量的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 不同林型的土壤化学性质
Fig. 3摇 Soil chemical properties of different forest types (n=15, mean依SE)郾
表 1摇 土壤各指标权重
Table 1摇 Weight of each soil property
Clay Silt Sand FD pH TC TN TP AN SOC AP AK MBC CR CI
0郾 030 0郾 044 -0郾 027 0郾 007 0郾 087 0郾 194 0郾 207 0郾 174 0郾 221 0郾 160 0郾 215 0郾 187 0郾 177 0郾 196 0郾 209
Clay:粘粒; Silt: 粉粒; Sand:砂粒; FD:分型维数 Fractional dimension; TC:全碳 Total carbon (C); TN:全氮 Total nitrogen (N); TP:全磷 Total
phosphorus (P); AN:有效氮 Available N; SOC:有机碳 Organic C; AP:速效磷 Available P; AK:速效钾 Available potassium; MBC:微生物生物量
碳 Microbial biomass C; CR:碳源利用丰富度 C source utilization richness; CI:碳源利用强度 C source utilization intensity郾
图 4摇 不同林型的土壤质量指数
Fig. 4 摇 Soil quality index of different forest types ( n = 15,
mean依SE).
3摇 讨摇 摇 论
以往关于森林恢复方式对土壤质量影响的研究
大多在一个较小的区域内进行[3,13],没有排除由地
点所产生的生物和非生物因素的影响[5] . 本研究扩
大了研究范围,并且综合考虑了土壤理化性状和微
生物性状,更全面地反映了不同森林恢复方式对红
壤土壤质量的影响.
3郾 1摇 森林恢复方式对土壤物理性状的影响
凋落物在土壤团聚体乃至空隙的形成中起重要
作用,并且土壤容重与凋落物失重率有负相关关
系[26] .天然次生林较高的凋落物量和凋落物分解速
率[26-27],可能是其容重较低的重要原因. 天然次生
林的土壤含水量显著高于两种人工林,可能与天然
次生林较高的植被盖度[20]、较大的凋落量有
关[26-27],从而提高了天然次生林凋落物的分解速
率[26-27] .
土壤中细颗粒物质伴随着养分容易受水蚀而发
生流失,湿地松人工林较高的土壤粘粒含量导致的
侵蚀高于其他两种恢复方式. 且湿地松人工林的水
土流失量显著高于天然次生林[10] . 研究表明,土地
利用方式影响土壤分形维数[18] . 本研究中,森林恢
复方式也显著影响了土壤分形维数,湿地松人工林
的土壤分形维数显著高于马尾松人工林 郾 这可能与
湿地松人工林的粘粒含量较高有关[19,24] .
3郾 2摇 森林恢复方式对土壤化学性状和综合质量指
数的影响
本研究中天然次生林的土壤化学性状以及土壤
综合质量指数显著高于两种人工林,马尾松人工林
的土壤质量指数略高于湿地松人工林. 这与以前的
研究有相似之处:在南方亚热带地区,由于土壤物理
8331 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
性状的破坏,凋落物质量和微生物功能下降,导致人
工恢复的油茶林和湿地松林土壤肥力低于自然恢复
的天然次生林[13];在我国秦岭山系,天然次生林的
土壤理化性状优于油松(Pinus tabulaeformis)林[3];
在黄土丘陵区,人工林土壤水分及土壤养分含量相
对较低,而封禁自然恢复的植物群落土壤水分及养
分含量相对较高[8],自然恢复的灌木层因具有“肥
岛效应冶而土壤质量最高[23] .
不同森林恢复方式具有独特的自肥机制[25],森
林恢复通过根系分泌物、根系脱落物、植物残体和凋
落物的种类、数量、质量和凋落时间等因素影响土壤
质量[26-27] .本研究中,马尾松和湿地松松针具有较
高的几丁质含量、较低的氮含量和释放速率,导致其
分解速率较低[28] .天然次生林凋落物的量以及分解
速率高于湿地松人工林[27,29],马尾松松针的分解速
率高于湿地松松针的分解速率[28] . 因而,与两种人
工林相比,天然次生林的地上部分植物向土壤输入
更多的养分,马尾松人工林比湿地松人工林输入的
养分量更多,土壤微生物生物量和碳源代谢能力更
高[20],进而导致其全量养分含量更高. 天然次生林
较好的土壤理化性状和微生物性状导致其具有较高
的土壤综合质量指数.因而,天然次生林较高的凋落
物数量和质量以及根系是其维持较好土壤质量的重
要途径[26-27] .
3郾 3摇 对森林恢复的启示
在我国南方红壤区,自然恢复的土壤质量优于
人工恢复,本地种马尾松人工恢复和引进种湿地松
人工恢复的土壤质量相差不大.郑华等[13,27]基于较
小区域的长期定位试验表明,天然次生林的土壤质
量优于人工恢复林. 本研究扩大了研究范围和取样
数量,包含了更多的土壤肥力变异,更能代表区域上
森林恢复方式对土壤质量的影响,结果更具有普
适性.
本研究得出森林恢复的启示与以前自然恢复的
理念有相似之处:对弃耕地不进行干扰[30],提倡自
然恢复[10,24] . Chazdon[5]指出,自然恢复的成本最
低,见效最快,生态系统服务功能最高,本地种恢复
次之,以林产品为目标的商业化恢复最差;本地种种
植也在景观管理[31]和森林恢复[32]中被推崇,以使
生态风险最小化.还有研究指出,应采取包括自然恢
复和以本地种为主的人工恢复相结合的综合恢复措
施[32-33] . Benayas等[6]进一步指出,森林生态恢复方
式取决于土壤恢复的程度、残留的植被以及恢复目
标,即应综合考虑土壤物理条件、生物多样性的临界
水平和可提供种源的景观基底值[4,32] . 如在极度退
化的热带地区,必需实施人工辅助恢复,营造多树种
的混交林优于先锋林和光裸地[4] .
4摇 结摇 摇 论
在我国南方红壤区,天然次生林的土壤含水量、
土壤容重、土壤粒径构成、土壤全量养分、速效养分
都优于两种人工林,马尾松人工林和湿地松人工林
之间差异不显著.综合土壤物理性状、化学性状和微
生物性状,得到土壤质量综合指数.自然恢复的天然
次生林土壤综合质量指数(1郾 20依0郾 10)显著高于马
尾松人工林(0郾 59 依0郾 03)和湿地松人工林(0郾 59 依
0郾 06),两种人工林之间差异不显著. 总之,在我国
南方红壤区,自然恢复的天然次生林土壤质量显著
优于人工恢复的本地种马尾松林和引进种湿地松人
工林.
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作者简介摇 王摇 芸,女,1982 年生,博士.主要从事土壤微生
物生态学研究. E鄄mail: wangyunsd@ yahoo. cn
责任编辑摇 李凤琴
0431 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷