不同林齡杉木千年桐混交林與純林土壤理化性質特征比較

陳欣凡 林國偉 洪滔 陳建忠 蘇少川 洪偉 吳承禎 林晗

摘 要 以3～5年生的杉木千年桐混交林和杉木純林的0～30 cm土壤層為研究對象，探討幼齡期杉木純林和杉桐混交林的土壤理化性質變化規(guī)律，旨在為杉闊混交林的營造以及持續(xù)健康經(jīng)營提供科學依據(jù)。結果表明：幼齡期各林齡杉桐混交林在土壤容重和總孔隙度方面顯著優(yōu)于杉木純林，說明營造杉木千年桐混交林能有效改善土壤的物理性質。純林各林分pH值介于4.22～4.53，混交林各林分pH值介于4.41～4.85，杉桐混交林緩和了土壤的酸度。不同林齡的杉木純林和杉桐混交林的土壤有機質、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀基本呈現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象。其中，杉桐混交林土壤有機質含量顯著高于杉木純林，除4年生杉桐混交林的水解氮、全鉀、速效鉀含量低于純林，3、5年生的混交林水解氮、全鉀、速效鉀含量均高于純林，幼齡期杉桐混交林的全氮、全磷、有效磷含量高于純林。整體來看，杉木千年桐混交林土壤養(yǎng)分相較杉木純林大體上有一定程度的提高。

關鍵詞 杉木；千年桐；混交林；土壤理化性質

中圖分類號 S15 文獻標識碼 A

Soil Physical and Chemical Properties of Cunninghamia

lanceolata - Aleurites Montana Mixed Forestand

Cunninghamia lanceolata Pure Forest

with Different Age

CHEN Xinfan1，2， LIN Guowei1，2， HONG Tao1，2， CHEN Jianzhong3， SU Shaochuan3，

HONG Wei1，2， WU Chengzhen4， LIN Han1，2 *

1 Forestry College， Fujian Agriculture and ForestryUniversity， Fuzhou， Fujian 350002， China

2 Key Laboratory of Fujian Universities for Forest Ecological System Process and Management， Fuzhou， Fujian 350002， China

3 Jianyang Forestry Adiministration， Jianyang， Fujian 354200， China

4 Ecology and Environment School， Wuyi College， Wuyishan， Fujian 354300， China

Abstract Soil physical and chemical properties in the depth of 0-60 cm layers under C. lanceolata - A. Montana mixed forest and C. lanceolata pure forest 3-5 aged were studied on the basis of field sampling and laboratory test. The results showed that： The bulk density and moisture capacity of C. lanceolata - A. Montana mixed forest were significantly higher than that of C. lanceolata pure forest in juvenile， it meanet the mixed stands of C. lanceolata and A. Montana improved soil physical properties. The pH value of different forest was 4.22-4.53 for C. lanceolata pure forest， 4.41-4.85 for the C. lanceolata - A. Montana mixed forest. Mixed stand of C. lanceolata and A. Montana assuaged soil acidification. The soil nutritions would be concentrated in the surface layer in C. lanceolata - A. Montana mixed forest and C. lanceolata pure forest. There was significant difference in organic matter content of the pure and mixed forest. In addition to some soil chemical properties including hydrolysis nitrogen， total potassium content， available potassium content of mixed stand of C. lanceolata and A. Montana were lower than C. lanceolata pure forest aged 4， total nitrogen， Total phosphorus content and available phosphorus content of C. lanceolata - A. Montana mixed forest were higher than that of Cu. lanceolata pure forest， but significant difference were not found. Therefore， in the mixed plantation， soil nutrients were further improved.

Key words Cunninghamia lanceolata； Aleurites montana； mixed forest； soil physical and chemical properties

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.09.013

杉木（Cunninghamia lanceolata）是中國南方重要的造林樹種。然而大面積人工栽培營造杉木純林造成的針葉化嚴重、林分結構單一、土地力衰退、土壤結構破壞、土壤肥力降低、病蟲害易發(fā)生等問題已有諸多報道，這嚴重阻礙了杉木的可持續(xù)經(jīng)營[1-3]。實踐證明，針葉樹種和闊葉樹種的混交林模式，能夠更好的利用空間結構和維持地力，改善土壤的理化性質[4-5]。為此，許多學者開始尋找與杉木混交的闊葉樹種，杉木與毛竹、觀光木、米老排、南酸棗等混交模式的可行性已得到驗證[6-9]。然而，構建杉闊混交模式時，發(fā)現(xiàn)部分闊葉樹種與杉木混交后會產(chǎn)生一些不利影響，例如杉木與火力楠混交模式，其林地質量不高，相比杉木純林生物量和持水量反而有所下降[10]；杉木與巨尾桉混交后，土壤肥力降低等[11]。因此，選擇恰當?shù)拈熑~混交樹種是實現(xiàn)營造理想的杉闊混交林效果的重要方面。

千年桐（Aleurites montana）是我國南方的油料闊葉樹種。由于千年桐凋落物歸還量大、自我更新能力強、有利于維護地力，作為生態(tài)公益林的更新補植樹種已在我國南方林區(qū)大力推廣[12]。本項目前期研究發(fā)現(xiàn)，杉桐混交幼齡林種間關系相對協(xié)調，通過Hegyi單木競爭指數(shù)模型預測，隨著林齡以及杉木胸徑的增加競爭強度趨緩[13]。由此可知，千年桐適宜作為杉木的伴生樹種，將其與杉木混交，可實現(xiàn)林木木質利用和非木質利用相結合的經(jīng)營目的，從而提高林分的經(jīng)濟效益及生態(tài)效益。然而，針對杉桐混交林對土壤地力的改良效果鮮見報道，并且這種混交模式對地力的影響是否隨著林齡增長而異尚不明確。因此，本文以3～5年生的杉木純林和杉木千年桐混交林為研究對象，探討了幼齡期杉木純林和杉桐混交林土壤物理性質和養(yǎng)分的年際變化，旨在為進一步揭示杉木不同林分類型對森林土壤養(yǎng)分生態(tài)系統(tǒng)的影響規(guī)律及生態(tài)差異提供理論參考，同時為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展提供理想的伴生樹種。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)域地處福建省北部的建陽市，位于北緯27°06′～27°43′，東經(jīng)117°31′～118°38′之間，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均溫度18.1 ℃，年降水量豐富，氣候溫和。杉木千年桐混交試驗林位于建陽市溪東國有林場，共28.5 hm2混交林采用行間混交，混交比例1 ∶ 1，株行距為1.5 m×2 m（表1）。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品的采集與處理 選取立地條件相對一致、具有代表性的3、4、5 a的杉木純林和杉木千年桐混交林樣地各3塊，樣地大小為20 m×30 m。并在每塊樣地內(nèi)按“對角線”型布點法，挖取3個土壤剖面，分別以0～10、10～20、20～30 cm分層取樣，去除須根后分別裝入標記好的自封袋帶回實驗室自然風干，風干后將同一樣地同一土層的土壤混合均勻后用于土壤化學指標的分析。同時，對每個土壤剖面用環(huán)刀取樣并標記，用于土壤物理性質的測定。

1.2.2 土壤樣品的測定 土壤物理性質：容重、總孔隙度采用100 mm3不銹鋼環(huán)刀法測定。

土壤化學性質：土壤pH值采用pH酸度計電位法；有機質采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵還原滴定法；全氮采用半微量凱氏蒸餾法；水解性氮采用堿解-擴散法測定；全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法；有效磷采用鹽酸和硫酸溶液浸提法；全鉀采用堿熔-火焰光度計法；速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法[14]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 實驗所得數(shù)據(jù)運用Excel軟件進行統(tǒng)計整理，通過SPSS17.0進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 不同林齡杉木純林及杉桐混交林土壤物理性質分析

研究結果表明，兩種林分類型均表現(xiàn)為0～10 cm土層土壤容重最小，且隨著土層深度增加而增大。0～30 cm土層中杉桐混交林各土層土壤容重均低于純林（圖1），其中3～5 a純林的容重間無顯著差異，3年生和4年生的混交林土壤容重與5年生混交林之間差異顯著（p<0.05）。比較相同林齡不同類型的林分發(fā)現(xiàn)，3年生的混交林土壤容重比純林降低了5.30%，4年生的降低3.23%，5年生的降低10.51%。整體來看，幼齡期混交林的土壤容重顯著小于純林（p<0.05）。

與土壤容重的變化相反，純林和混交林0～30 cm土層的土壤孔隙度均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而降低的趨勢（圖2）。同林齡的混交林土壤孔隙度高于純林，其中5年生混交林與純林差異最大，達到10.12%。

2.2 不同林齡杉木純林及杉桐混交林土壤化學性質分析

2.2.1 土壤pH值和有機質含量 由圖3可知，各個林齡的純林和混交林土壤pH值均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加逐漸增加的趨勢。各林齡間混交林土壤pH值均高于純林，其中3～5 a混交林0～10 cm土層土壤pH值比同林齡純林分別高出5.92%、8.01%、8.09%。

不同林齡的混交林和純林均表現(xiàn)為表層有機質含量最高，隨著土壤深度的增加，有機質含量逐漸降低，且降幅趨緩（圖4）?；旖涣指魍翆油寥烙袡C質含量顯著高于同齡純林，3～5 a生杉桐混交林0～30 cm土層有機質含量分別為同林齡杉木純林的1.65、1.30和1.64倍。各林齡純林和混交林土壤有機質含量差異極顯著（p<0.01）。

2.2.2 土壤全氮和水解氮含量 根據(jù)研究結果可知，無論純林還是混交林，土壤全氮含量最高值均出現(xiàn)在0～10 cm土層（圖5），且各林分土壤全氮含量隨著土層深度的增加而減少。就0～30 cm土層土壤全氮含量而言，3年生純林與4、5年生純林間差異顯著（p<0.05），3、5年生混交林與4年生混交林間差異顯著（p<0.05）；3年生純林和混交林之間差異顯著（p<0.05）。

不同林分類型土壤水解氮含量的變化與全氮相似，呈現(xiàn)隨土層深度的增加而減少的趨勢（圖6）。其中，3、5 a混交林的0～10和10～20土層與20～30 cm土層之間差異顯著（p<0.05），其余林分土層之間的水解氮含量變化均無顯著差異。就0～30 cm土層水解氮均值而言，純林不同林齡間差異顯著（p<0.05），4年生純林與同齡混交林土壤水解氮之間差異顯著（p<0.05）。

2.2.3 土壤全磷和有效磷含量 不同林齡杉木純林和混交林其土壤全磷含量大體隨土層深度的增加而降低（圖7），土層間的全磷含量差異未達到顯著水平。各林齡0～30 cm土層混交林全磷含量均值均高于同齡純林，分別高出32.10%，13.96%和42.73%，其中3和5年生混交林全磷含量顯著高于純林（p<0.05）。

與全磷含量變化規(guī)律一致，土壤有效磷含量大體隨著土層深度的增加而減少（圖8）。隨著林分林齡的增加，0～10 cm土層有效磷含量基本呈現(xiàn)遞增趨勢，在混交林中表現(xiàn)得更為明顯。相較其他林齡，5年生純林和混交林0～10 cm土層與其他土層的差異最大。

2.2.4 土壤全鉀和速效鉀 根據(jù)研究結果（圖9），3～5年生純林均表現(xiàn)為土壤表層（0～10 cm）全鉀含量最高，并其含量隨著土壤深度的增加而遞減；混交林的土壤全鉀與土層的變化規(guī)律不明顯。

由圖10可知，不同林齡混交林和純林在0～30 cm土壤垂直剖面上速效鉀含量位于13.26～24.09和14.82～20.31 mg/kg之間，均值分別為17.91和16.55 mg/kg。混交林整體速效鉀含量比純林高8.24%。不同林分速效鉀含量隨著土壤深度的增加而減少。

3 討論

土壤的物理性質因不同林分類型而有所差異。土壤容重影響著林木水分、濕氣和熱量的流通、貯存與分配。容重小表示土壤質地疏松，結構性良好。反之，則土壤緊實，缺乏團粒結構[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，3～5年生杉木純林和杉桐混交林土壤容重均隨土壤深度的增加而增加，這與前人研究一致[16]。杉木純林樹種單一，凋落物分解較慢，土壤變得緊實，不利于林地的長久利用；而千年桐為闊葉落葉樹種，凋落物易分解，且分解的過程中微生物群落的活性作用能降低土壤的緊實程度[17-19]，使林地土壤變得疏松，通氣狀況變好，這可能是造成3～5年生兩種林分土壤容重差異的主要原因。土壤孔隙度是土壤通氣和水分滲透的一個重要指數(shù)。本研究表明，同林齡杉桐混交林的土壤孔隙度均高于杉木純林。杉桐混交林改善了土壤的通氣透水能力以及抗沖刷和抗侵蝕的能力，是一種能夠提高林分透氣透水能力的樹種組合。

對不同林分的土壤pH分析發(fā)現(xiàn)，3～5年生的杉桐混交林不同土層的土壤pH值均高于同齡純林，因為與立地條件基本一致的同林齡純林相比，闊葉樹種千年桐提供了大量的凋落物，在一定程度緩和了土壤的酸性。有機質是土壤肥力高低的一個重要指標，也是各營養(yǎng)元素特別是氮素、磷素的主要來源。它既能有效地協(xié)調水肥氣熱狀況，又可能緩沖土壤酸堿及有毒物質，很大程度上影響土壤滲透性、持水性、保肥性和養(yǎng)分循環(huán)[20]。本研究中，4年生林分的土壤有機質顯著高于其他純林林分。前人研究發(fā)現(xiàn)，新造杉木其生長新形成的有機質含量大于對土壤中原有有機質的分解利用，養(yǎng)分回歸較快而進入速生階段后，林分需要消耗大量的林地養(yǎng)分，這可能是5年生杉木純林有機質含量低于4年生純林的原因[21]。杉木千年桐混交后，林下植被與凋落物變得豐富，經(jīng)過微生物活動分解，能較大幅度提高有機質含量，故而杉桐混交林有機質含量顯著高于純林。

通常情況下森林植物的凋落物主要分布于土壤表層，在土壤表層釋放了大量的營養(yǎng)元素，隨著土層深度的增加，凋落物越來越少，因此呈現(xiàn)出大多數(shù)土壤養(yǎng)分隨著土層深度的增加而降低的趨勢。本研究中各林分土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀都表現(xiàn)出聚表現(xiàn)象。幼齡期不同林分的土壤全氮、水解氮趨勢與有機質基本一致。根據(jù)前人研究[22-23]，南方土壤的磷供應整體不足，本研究中全磷的含量均低于0.8 g/kg，3～5年生杉桐混交林0～30 cm土層全磷和有效磷含量均高于同齡杉木純林，其中兩種林分在0～10 cm土層的差異尤為明顯。相比前人關于杉木混交巨尾桉、火力楠等闊葉樹種后土壤全磷含量有所降低[7]，營造杉木千年桐混交林能在一定程度上緩解磷的不足。5年生杉桐混交林速效鉀含量顯著高于杉木純林，說明生長到一定年限的杉桐混交模式相比杉木純林能改善土壤的速效鉀含量。因此應該充分利用混交林養(yǎng)分歸還速度快的特點，同時保護林下植被的多樣性，提高林分的自肥能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，幼齡期杉木千年桐混交模式能在一定程度上改善土壤物理性質，提高土壤肥力。杉闊混交模式受到生長時期、外部環(huán)境等因素的影響，因此論證其可行性是一個長期的過程。項目后期跟蹤研究將繼續(xù)進行，以驗證杉木千年桐混交模式的效果，為杉木人工混交林的可持續(xù)經(jīng)營和實現(xiàn)“以短養(yǎng)長”經(jīng)營模式提供優(yōu)良的伴生樹種。

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