馬尾松、桉樹及其混交林土壤養(yǎng)分變化特征及評價

郭東強(qiáng)，黃曉露，任世奇，盧翠香，黃錦芬，陳健波，項東云

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馬尾松、桉樹及其混交林土壤養(yǎng)分變化特征及評價

郭東強(qiáng)1,2,3，黃曉露1,2,3，任世奇1,2,3，盧翠香1,2,3，黃錦芬4，陳健波1,2,3，項東云1,2,3＊

(1. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530001；2. 國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530001；3. 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530001；4. 廣西國營渠黎華僑林場，廣西 扶綏 532103)

研究馬尾松純林、桉樹純林和3種不同模式混交林土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律，并對其土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行主成分綜合排序。結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、水解N、速效P和速效K皆表現(xiàn)為隨土壤深度增加而減少，全K則表現(xiàn)相反；在各林分中，桉樹純林的土壤有機(jī)質(zhì)、速效P含量最高，混交林次之?；旖涣謩t土壤全N、全P和速效N含量總體上大于純林。馬尾松純林除在淺層土中速效P含量最高外，其他養(yǎng)分指標(biāo)都低于桉樹純林和混交林。土壤養(yǎng)分綜合評價為桉樹純林＞混交林A＞混交林C＞混交林B＞馬尾松純林，表現(xiàn)為桉樹純林養(yǎng)分狀況最好，馬尾松純林最差，與針闊樹種的生長特性和凋落物養(yǎng)分歸還能力有關(guān)?；旖涣种蟹N植密度較大的混交林A養(yǎng)分狀況相對較好，表明其養(yǎng)分儲存能力較好，消耗較少。而相同種植密度下，混交林C的林分土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)于混交林B。

馬尾松；桉樹；混交林；土壤養(yǎng)分

馬尾松()和桉樹()為我國南方地區(qū)重要的造林樹種，在林業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。由于長期大面積營造馬尾松和桉樹的純林，導(dǎo)致了林分樹種單一，生物多樣性降低，立地環(huán)境衰退，生產(chǎn)力下降，病蟲害頻發(fā)等環(huán)境問題，嚴(yán)重制約了林業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。改變純林現(xiàn)狀，營造混交林，是從根本上改善林分的生態(tài)環(huán)境，減少自然災(zāi)害，提高林分生產(chǎn)力的有效措施之一[4-6]。譚玲[7]、樊后保[[2,8]、何紅娟[9]和王炳志[10]等研究發(fā)現(xiàn)馬尾松與闊葉樹混交林土壤物理性質(zhì)、土壤養(yǎng)分儲量上明顯高于馬尾松純林，且在一定程度上降低土壤活性酸度。馬尾松與杉木混交則有效遏制病蟲害蔓延，增強(qiáng)土壤自我調(diào)節(jié)功能[11]。姚慶瑞[12]、湯松林[13]和何茂盛[14]等研究發(fā)現(xiàn)桉樹與闊葉樹混交，土壤養(yǎng)分高于桉樹純林，且經(jīng)濟(jì)效益顯著增大，巨尾桉與杉木混交則有效改善林分小氣候，提高土壤肥力。

馬尾松和桉樹混交是人工造林模式的新嘗試，兩者生長習(xí)性相似，對立地條件的要求互補(bǔ)。其混交不僅可以充分利用土地資源，發(fā)揮生態(tài)效益，也可根據(jù)用材需求合理采伐經(jīng)營，提高經(jīng)濟(jì)效益[15]。本文通過對馬尾松純林、桉樹純林及其不同造林模式混交林的土壤養(yǎng)分研究分析，以探索合理的造林模式和密度，為馬尾松和桉樹人工林經(jīng)營模式發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗地概況與試驗設(shè)計

國有派陽山林場位于廣西西南部寧明縣境內(nèi)，坐標(biāo)為東經(jīng)106°30′ ~ 107°34′，北緯21°46′~22°3′，以低山為主，有部分丘陵和中山，海拔范圍500 ~ 800 m。屬北熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為21.8℃，全年日照時數(shù)1 650.3 h，年蒸發(fā)量1 423.3 mm。林場水、熱條件優(yōu)越，是種植馬尾松、桉樹的理想?yún)^(qū)域。

試驗地設(shè)于派陽山林場公武分場與那賴分場。試驗地土壤類型為赤紅壤，以厚層土(≥80 cm)為主，土壤腐殖質(zhì)厚度為2 ~ 5 cm，石礫含量小于20%。試驗地的林分類型為馬尾松純林、巨尾桉(×)純林和馬尾松、巨尾桉不同種植模式的混交林。各林分施肥水平一致，皆為基肥0.5 kg·株-1，追肥3 a，每次0.5 kg·株-1，N:P:K比為15:7:8。試驗林地基本情況見表1。

表1 試驗林地基本情況

1.2 采樣及測定方法

土壤采樣和樣品處理方法參照《(LY/T 1210―1999)森林土壤樣品的采集與制備》[16]，于2014年4月在不同造林模式類型的林分內(nèi)分別設(shè)置3塊20 m × 20 m的樣地，每個樣地設(shè)置土壤剖面，按土壤深度0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm 3個層次分別采集土壤樣品，樣品采集后密封于樣品袋中，帶回實驗室立刻進(jìn)行風(fēng)干、研磨、過篩等處理，并于4℃下保存。

于同年10月測定土壤樣品的有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K及速效N、速效P和速效K。其中有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法；全N含量采用半微量凱氏法；速效N含量采用堿性擴(kuò)散法；全P和速效P采用鉬銻抗比色法；全K和速效K含量采用火焰光度計法[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Execl做基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計，DPS對試驗結(jié)果進(jìn)行LSD多重比較，SPSS分別對有機(jī)質(zhì)(X1)、全N質(zhì)(X2)、全P(X3)、全K(X4)、速效N(X5)、速效P(X6)、速效K(X7)等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并依據(jù)主成分分析結(jié)果對林分土壤進(jìn)行綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖1可知，各類型林分土層間有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢是隨著土壤深度的增加而減少，變化范圍為8.78 ~ 40.56 g·kg-1。各層次土壤中，0 ~ 20 cm的有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為巨尾桉純林＞混交林C＞混交林A＞馬尾松純林＞混交林B，差異達(dá)到極顯著水平(＜0.01)，20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm表現(xiàn)為巨尾桉純林＞混交林A＞混交林C＞馬尾松純林＞混交林B，差異達(dá)到顯著水平(＜0.05)。由此可知在同一土層中，不同林分類型對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響較明顯。其中桉樹純林0 ~ 20cm的有機(jī)質(zhì)含量最高(40.56 g·kg-1)，比同一土層的馬尾松純林(25.82 g·kg-1)高57.09%，比混交林A(30.23 g·kg-1)、混交林B(20.17 g·kg-1)、混交林C(34.42 g·kg-1)分別高34.19%、101.12%和17.84%。

注：不同小寫字母表示不同林分同一土層之間差異達(dá)到顯著水平(<0.05)，不同大寫字母表示差異達(dá)到極顯著水平(<0.01)，下同。

2.2 對土壤全量養(yǎng)分含量的影響

全量養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分變化比較緩慢的指標(biāo)[18]。由表2可知，各林分類型全N、全P總體表現(xiàn)為隨土層深度增加而減少，變化范圍分別為0.78~1.68 g·kg-1、0.43 ~0.53 g·kg-1，但差異并不十分顯著。全K則表現(xiàn)為隨土層深度增加而增加，變化范圍為6.72~ 23.29 g·kg-1。

土壤全N在各土層中總體趨勢為混交林C＞桉樹純林＞混交林A＞混交林B＞馬尾松純林，其中混交林C 0 ~ 20 cm含量最高(1.68 g·kg-1)，比同一土層桉樹純林(1.62 g·kg-1)和馬尾松純林(1.15 g·kg-1)分別高3.82%和46.09%，比混交林A(1.32 g·kg-1)和混交林B(1.19 g·kg-1)分別高26.95%和41.18%。全P表現(xiàn)為混交林C＞混交林B＞混交林A＞桉樹純林＞馬尾松純林，混交林高于純林，其中混交林C 0 ~ 20 cm含量最高(0.59 g·kg-1)，分別比同一土層桉樹純林(0.55 g·kg-1)和馬尾松純林(0.43 g·kg-1)高6.63%和36.15%，分別比混交林A(1.32 g·kg-1)和混交林B(1.19 g·kg-1)高26.95%和41.18%。混交林C是3種混交模式中土壤全N、全P儲存能力最優(yōu)，消耗最小。全K則表現(xiàn)為混交林C＞混交林B＞桉樹純林＞馬尾松純林＞混交林A，其中混交林C 40 ~ 60 cm含量最高(23.29 g·kg-1)，比同一土層桉樹純林(14.18 g·kg-1)和馬尾松純林(11.88 g·kg-1)分別高64.28%和95.99%，比混交林A(8.84 g·kg-1)和混交林B(16.77 g·kg-1)分別高163.56%和38.91%。可見混交林A模式全K含量相對缺乏，而混交林C的全K保持能力最優(yōu)，消耗最少。

表2 土壤全量養(yǎng)分含量的變化規(guī)律

2.3 對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

土壤速效養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分含量變化最為顯著和復(fù)雜的指標(biāo)，其與植物生長特性、生長季節(jié)和土壤酶活性等有密切的聯(lián)系[18-19]。各林分類型水解N、速效P和速效K總體表現(xiàn)為隨土層深度增加而減少，僅混交林A的水解N、速效K和馬尾松的速效K含量表現(xiàn)為40 ~ 60 cm高于20 ~ 40 cm。變化范圍分別為127.13 ~273.47 mg·kg-1、1.00~ 4.30 mg·kg-1和46.23 ~ 113.73 mg·kg-1。

在各土層中(表3)，水解N總體表現(xiàn)為混交林A＞混交林C＞桉樹純林＞馬尾松純林＞混交林B，其中混交林A 0 ~ 20 cm含量最高(273.47 mg·kg-1)，分別比同一土層的桉樹純林(195.50 mg·kg-1)和馬尾松純林(163.37 mg·kg-1)高39.88%和67.40%，比混交林B(177.63 mg·kg-1)和混交林C(217.87 mg·kg-1)高53.95%和25.52%。水解N含量受到全N含量的影響較大，總體表現(xiàn)為混交林高于純林，其中混交林A的水解N供給量最好。

速效P在土壤中含量普遍較低，P在酸性土壤中極易與游離態(tài)的Fe3+、Al3+結(jié)合沉淀，故有效P的分布，與土壤酸度和陽離子含量高低有關(guān)[8]。各土層中，有效P總體表現(xiàn)為桉樹純林＞混交林A＞混交林B＞混交林C＞馬尾松純林，僅在0 ~ 20 cm馬尾松純林高于混交林C，但差異性并不顯著。其中桉樹純林0 ~ 20 cm含量最高(4.30 mg·kg-1)，比同一土層馬尾松純林(2.4 mg·kg-1)高79.17%，比混交林A(3.10 mg·kg-1)、混交林B(2.50 mg·kg-1)、混交林C(2.17 mg·kg-1)分別高38.71%、72.00%和98.46%，總體表現(xiàn)為桉樹純林的速效K供給量最好，其次為混交林A。

速效K則表現(xiàn)較為復(fù)雜，在0 ~ 20 cm表現(xiàn)為馬尾松純林＞巨尾桉純林＞混交林C＞混交林A＞混交林B，純林高于混交林，但在20 ~ 40 cm表現(xiàn)為混交林C＞混交林A＞桉樹純林＞混交林B＞馬尾松純林，40 ~ 60 cm表現(xiàn)為混交林A＞混交林B＞混交林C＞桉樹純林＞馬尾松純林，混交林高于純林，但差異并不十分顯著。其中馬尾松純林0 ~ 20 cm含量最高(113.73 mg·kg-1)，比同一土層桉樹純林(95.80 mg·kg-1)高18.72%，比混交林A(84.30 mg·kg-1)、混交林B(80.13 mg·kg-1)、混交林C(95.33 mg·kg-1)分別高34.91%、41.93%和19.30%。表現(xiàn)為純林尤其是馬尾松純林淺層土速效K含量較高，而混交林深層土速效K較高。

表3 土壤速效養(yǎng)分含量的變化規(guī)律

2.4 不同造林密度土壤養(yǎng)分綜合效益評價

采用主成分分析法對5個林分類型的土壤養(yǎng)分效應(yīng)進(jìn)行綜合評價[20-22]。計算各樣地所測各土層的平均值(表4)，并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將5個林分類型的7項指標(biāo)轉(zhuǎn)化為7個成分。由表5可以看出，前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為91.614%，且特征值皆大于1，為1.043 ~ 3.051(表5)。因此，前3個成分可較好地反映出各指標(biāo)所包含的綜合信息。根據(jù)方差貢獻(xiàn)率相關(guān)矩陣的特征向量(表6)構(gòu)造土壤養(yǎng)分效應(yīng)評價函數(shù)，3個主成分的作為權(quán)重(1為0.476，2為0.362，3為0.162)，5個林分類型的綜合得分和排序如表7所示。

由表7可知，不同林分類型土壤養(yǎng)分效應(yīng)評價值表現(xiàn)為桉樹純林(0.852)＞混交林A(0.250)＞混交林C(0.084)＞混交林B(?0.595)＞馬尾松純林(?0.596)，總體表現(xiàn)為桉樹純林土壤養(yǎng)分狀況最好，其次為混交林，馬尾松純林最差，且在混交林中，桉樹種植比例越大，土壤養(yǎng)分評分越高。這首先與桉樹作為闊葉樹種，其枯枝落葉的養(yǎng)分分解和歸還的速率高于馬尾松有關(guān)[24-25]，其次因栽植密度不同，施肥的單位面積總儲量存在差異，密度大的林分相比密度小的林分養(yǎng)分水平高。

表4 林分土壤各養(yǎng)分指標(biāo)平均值

表5 主成分的方差貢獻(xiàn)率和累計方差貢獻(xiàn)率

表6 相關(guān)矩陣的特征向量

表7 主成分分值及綜合排序

3 結(jié)論與討論

凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的主要來源，凋落物分解所形成的有機(jī)質(zhì)首先進(jìn)入土壤表層，并隨著土壤淋溶和消解在各土層中變化[8]，研究結(jié)果表明各林分土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全N、全P皆隨著土層深度的增加而減少，表聚效益十分明顯。而全K含量隨著土壤深度增加而增加，主要與成土母巖的礦物質(zhì)風(fēng)化有關(guān)[8,23]。而水解N、速效P、速效K含量受到全量養(yǎng)分含量影響，有機(jī)質(zhì)分解和土壤酶、微生物活化等因素，也表現(xiàn)出隨著土壤深度的增加而減少。

不同類型林分中，桉樹純林土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，其次為混交林，馬尾松純林含量最低，主要原因為一般針葉樹種含單寧物質(zhì)較多，凋落物緊密，比闊葉樹分解較慢[24-25]，所以表面土層桉樹純林的有機(jī)質(zhì)含量較其他林分類型高。另一方面，混交林凋落物的組合比例，也通過改變土壤溫度、濕度和微生物群落等條件，從而影響土壤和凋落物呼吸分解[26]，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量差異，表現(xiàn)為混交林C有機(jī)質(zhì)儲存能力最高，混交林B消耗能力最高。

由于闊葉樹凋落物中N和P的含量普遍高于凋落物[27]，表現(xiàn)出桉樹純林土壤全N、全P、水解N和速效P皆高于馬尾松純林，而各混交林的全N、全P和速效N含量總體上大于純林，可見營造混交林有養(yǎng)分回歸速率較快，水土流失較少，土壤養(yǎng)分含量下降速度比相對較慢，這與姚慶瑞[12]、樊后保[8]等試驗結(jié)果相同。土壤速效鉀含量則與礦物質(zhì)的分解能力與土壤膠體吸附能力有關(guān)[23]。研究表明，淺層土表現(xiàn)為馬尾松純林高于桉樹純林和混交林，而深層土則相反，可見馬尾松純林較利于淺層土速效K的釋放，而混交林較利于深層土速效K的釋放，但另一方面也表明混交林對淺層土的速效K消耗能力比純林快，混交林撫育中需增加鉀素補(bǔ)給。

5種不同類型林分中綜合排序表明，桉樹純林整體土壤養(yǎng)分狀況最好，馬尾松純林最差，這與樹種生長吸收消耗和養(yǎng)分歸還能力有關(guān)。混交林中，混交林A土壤養(yǎng)分狀況最好，可能與其種植密度大，桉樹比例大，養(yǎng)分歸還和分解速率快，養(yǎng)分消耗較少有關(guān)。雖然混交林B和混交林C種植密度和混交比例相同，但混交林C的種植布局更有利于土壤養(yǎng)分的儲存。

本研究結(jié)果僅能表明松、桉混交林模式的土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)于馬尾松純林，以及在全量養(yǎng)分和部分速效指標(biāo)中略優(yōu)于桉樹純林，但并不能表明在整體水平上優(yōu)于桉樹純林。且由于種植密度的影響，單位面積施肥量對土壤養(yǎng)分的影響存在差異，因施肥而產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)暫不明確，所以兩者混交經(jīng)營是否同時滿足經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的要求，需要在今后的試驗中進(jìn)一步結(jié)合林分生長量、出材量及土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行分析。

試驗林營造時間為2011年，栽植年限較短，混交效應(yīng)對土壤養(yǎng)分整體水平的影響尚不明確，在今后的試驗中需對試驗林進(jìn)行長期跟蹤觀測，從養(yǎng)分歸還、土壤呼吸、水土流失和經(jīng)營措施影響等方面深入探討不同混交模式與土壤養(yǎng)分間的相互關(guān)系。

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Characteristics and Evaluation of Soil Nutrients of,and Mixed Plantations

GUO Dong-qiang1,2,3, HUANG Xiao-lu1,2,3, REN Shi-qi1,2,3, LU Cui-xiang1,2,3, HUANG Jin-fen4, CHEN Jian-bo1,2,3, XIANG Dong-yun1,2,3

(1.,530001,,; 2.,530001,,; 3.,530001,,; 4.,,532103,)

Soil nutrients underplantations,plantations and 3 mixed species plantations were examined in this study using principal component analysis (PCA). Results showed that soil organic matter, total N, total P, hydrolysis N, available P and available K all decreased as soil depth increased while total K showed the opposite trend. The highest percentages of soil organic matter and available P were found in soils under the pureplantations with those in the soils under mixed forests ranking second. The total N, total P and available N content of soils under mixed forests were generally greater than of those under pure species plantations. Soils underplantations generally had the highest available P contents, whilst other nutrient indicators in these soils were lower than either pureor mixed species plantations. For overall soil nutrient status the forest types were ranked in the following order: pureplantations > Mixed A> Mixed C> Mixed B> pureplantations. That pureplantations had superior soil nutrient status whilst pureplantation had the poorest soil nutrient status was related to differences in conifer and broadleaf species growth characteristics and litter nutrient return ability. Mixed A, which had a higher tree density, appeared to have better soil nutrient storage capacity, whilst Mixed C had better soil nutrient status than Mixed B despite having the same planting density.

;; mixed forests; soil nutrient

S725.2

A

2015-08-11

廣西科技廳基本科研業(yè)務(wù)費項目(林科201412號)；廣西林業(yè)科技項目(桂林科字[2014]第12號).

郭東強(qiáng)(1986— )，男，助理工程師，主要從事桉樹栽培研究.E-mail:n-one-y@163.com

項東云(1960— )，男，教授級高工，主要從事林木遺傳育種研究.E-mail:xiang_dongyun@aliyun.com