不同林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)杉木生態(tài)公益林土壤理化性質(zhì)的改良效果

李晨晨，周再知，梁坤南，黃桂華，楊 光

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州510520；2.廣東省廣州市白江湖森林公園 管理處，廣東 廣州 511390）

杉木Cunninghamia lanceolata是中國(guó)特有的速生用材樹(shù)種，分布廣，栽培歷史悠久，但大面積的純林經(jīng)營(yíng)及連栽，導(dǎo)致杉木人工林地力嚴(yán)重衰退［1－3］。20世紀(jì)末，南方地區(qū)大面積杉木人工林被劃為生態(tài)公益林，其中絕大部分林分經(jīng)過(guò)多代經(jīng)營(yíng)后，現(xiàn)存林分的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)效益十分低下，生態(tài)公益林改造成為亟待解決的問(wèn)題。林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式是將適宜林下生長(zhǎng)的藥用植物重新引種到自然環(huán)境下進(jìn)行野生化栽培，在充分利用林地資源的同時(shí)，使野生藥用植物資源得到恢復(fù)，是科學(xué)合理的栽植模式［4］。杉木和藥用植物復(fù)合經(jīng)營(yíng)一方面能夠考慮到復(fù)合經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤的改良作用，另一方面兼顧藥用植物帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，逐漸受到人們重視。早期也有少許相關(guān)研究，YANG等［5］和張鼎華等［6］研究發(fā)現(xiàn)：杉木林下栽植砂仁Amomum villosum后，土壤容重降低，土壤孔隙度和持水能力、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀含量均有不同程度的增加，各種土壤酶活性提高，土壤微生物含量增加。選擇合適的林藥種類是構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式的關(guān)鍵所在。盧玉鵬等［7］研究發(fā)現(xiàn)：秦嶺山區(qū)太白楊Populus purdomii林下栽植蒲公英Taraxacum mongolicum，薄荷Mentha haplocalyx以及魚(yú)腥草Houttuynia cordata會(huì)對(duì)凋落物分解過(guò)程中的養(yǎng)分釋放和土壤酶活性產(chǎn)生顯著的抑制作用，出現(xiàn)間作劣勢(shì)。因此，開(kāi)展林下適宜栽植的藥材品種篩選試驗(yàn)十分有必要。為此，本試驗(yàn)選取適宜南方地區(qū)生長(zhǎng)且具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的8種藥用植物，構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式，探究不同復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)退化杉木林地土壤理化性質(zhì)的影響，篩選有利于土壤改良的林藥經(jīng)營(yíng)模式，為南方生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)、高效林藥培育體系的建立及林下經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地位于廣東省惠州市惠東縣梁化林場(chǎng)內(nèi)（23°08′13″～23°13′34″N， 114°42′25″～114°51′05″E）， 屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為22.0℃，年平均最低氣溫為2.9℃，最高氣溫為36.4℃，全年降水量為1 889.4 mm，全年平均相對(duì)濕度81%。植被類型為南亞熱帶常綠闊葉林。喬木種類最多的科為樟科Lauraceae，殼斗科Fagaceae和山茶科Theaceae。據(jù)調(diào)查，試驗(yàn)地于1956年砍伐掉原生植被開(kāi)始栽植杉木，隔20～25 a砍伐1次，上次砍伐是在2001年?？撤ズ蟛扇∶妊扛?，2006年被劃分為省級(jí)生態(tài)公益林?，F(xiàn)存林分郁閉度為0.45～0.50，平均樹(shù)高為8.1 m，平均胸徑為11.2 cm。試驗(yàn)地成土母質(zhì)是為花崗巖，土壤屬南亞熱帶赤紅壤。坡度為5°～8°，坡向?yàn)殛?yáng)坡，坡位為中坡。所選試驗(yàn)地分布為鄰近地區(qū)，土壤性質(zhì)基本保持一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用的8種藥用植物分別為膽木Nauclea officinalis，石筆木Tutcheria championi，紅豆杉Taxus chinensis，梅葉冬青 Ilex asprella，金花茶 Camellia nitidissima，裸花紫珠 Callicarpa nudiflora，草豆蔻Alpinia katsumadai和土沉香Aquilaria sinensis。于2013年4月，在杉木萌芽更新林分中構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式。試驗(yàn)設(shè)9個(gè)處理，即杉木+膽木（SD），杉木+石筆木（SS），杉木+紅豆杉（SH），杉木+梅葉冬青（SM）， 杉木+金花茶（SJ）， 杉木+裸花紫珠（SL）， 杉木+草豆蔻（SC）， 杉木+土沉香（ST）及對(duì)照（杉木純林）。采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積240 m2（20 m×12 m），按1.5 m×2.0 m株行距栽植70株。小區(qū)之間設(shè)置3 m寬的隔離帶。所有小區(qū)常規(guī)化管理，每年的2－3月除草1次，所除雜草就地覆蓋。 施肥 2 次·a－1， 采用撒施的方式。 施用的肥料為氮磷鉀復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15］， 施肥量為 730 kg·hm－2·a－1， 所有小區(qū)的施肥量和施肥方式均一致。

1.3 土壤取樣方法

2016年8 月，在栽植小區(qū)內(nèi)沿對(duì)角線，在兩頭和中間位置，距藥用植物根部40 cm范圍處，挖取土壤剖面，用環(huán)刀法采集0～20 cm和20～40 cm的土樣，3次重復(fù)，用于土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。同時(shí)用土鉆，多點(diǎn)采集相應(yīng)深度的土樣，充分混合，經(jīng)自然分干后，揀去雜物，研磨過(guò)篩裝袋，3次重復(fù)，用于養(yǎng)分特性測(cè)定。

1.4 土壤理化性質(zhì)分析

土壤物理指標(biāo)的測(cè)定參見(jiàn)LY/T 1215-1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定》。土壤pH值采用電位法測(cè)定，全氮采用凱氏消煮-擴(kuò)散法測(cè)定，有效氮采用堿解-擴(kuò)散法，全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷采用0.050 mol·L－1鹽酸-0.025 mol·L－1硫酸浸提法測(cè)定，全鉀采用氫氧化鈉堿液-火焰光度法測(cè)定，速效鉀采用1.000 mol·L－1乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，陽(yáng)離子交換量采用1.000 mol·L－1乙酸銨交換法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan多重比較。應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論的原理和方法［8－9］，對(duì)不同復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式土壤理化性質(zhì)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析及排序。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，數(shù)據(jù)分為正負(fù)效應(yīng)2種，其中土壤容重為負(fù)效應(yīng)，取倒數(shù)做正相關(guān)處理，采用極差正規(guī)化法。

其中：tij表示第i種模式的第j個(gè)指標(biāo)，i=1，2，3，…，9；j=1，2，3，…，15。Xij表示標(biāo)準(zhǔn)化后的第i種模式的第j個(gè)指標(biāo)。

然后構(gòu)建參考數(shù)列： X0={X01， X02， X03， …， X0j}和 Xi={Xi1， Xi2， Xi3， …， Xij}。 其中： X0為各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的最大值組成的數(shù)列，X0j表示不同模式各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后第j個(gè)指標(biāo)的最大值，j=1，2，3，…，15。Xi表示第i種模式各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后構(gòu)成的數(shù)列。

計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中：ε（k）為第i種模式第j個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。關(guān)聯(lián)度：

2 結(jié)果與分析

2.1 林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 林藥經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤水分和物理性質(zhì)的影響 由圖1可知：8種林藥經(jīng)營(yíng)模式2個(gè)土層的土壤質(zhì)量含水量和田間持水量均大幅度提高，不同模式之間的差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），且隨土層深度的增加而減?。?～20 cm土層，均是以杉木+梅葉冬青（SM）模式最大，分別是對(duì)照的1.5和2.0倍；20～40 cm土層，以杉木+膽木（SD）模式最大，分別是對(duì)照的1.6和1.8倍。相同土層，不同林藥模式之間，土壤容重差異顯著（P＜0.05）。與對(duì)照相比，8種林藥模式的土壤容重均呈不同程度下降，且隨土層深度的增加而增加。0～20 cm土層的土壤容重顯著降低的模式有杉木+膽木、杉木+紅豆杉和杉木+膽木，降幅為15.7%～22.3%；20～40 cm土層中除了杉木+金花茶和杉木+裸花紫珠模式外其余模式均顯著降低，降幅為12.7%～17.7%。

圖1 林藥模式下土壤水分、容重比較Figure 1 Comparison of soil moisture,bulk density in different patterns

由表1可知：土壤非毛管孔隙度各模式2個(gè)土層之間差異均未達(dá)到顯著水平。與對(duì)照相比，2個(gè)土層的毛管孔隙度和總孔隙度之間差異顯著（P＜0.05），且隨土層深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。0～20 cm土層，毛管孔隙度以杉木+梅葉冬青（SM）模式最大，杉木+裸花紫珠（SL）模式最小，但分別比對(duì)照提高44.9%和21.4%。總孔隙度以杉木+膽木（SD）模式最大，杉木+裸花紫珠（SL）模式最小，最大值是最小值的1.2倍；20～40 cm土層，各模式毛管孔隙度和總孔隙度均以杉木+膽木（SD）模式最大，分別比對(duì)照提高43.4%和43.5%。

表1 林藥模式下土壤孔隙度的比較Table 1 Comparison of soil porosity in different patterns

2.1.2 林藥經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 由圖2可以看出：0～20 cm土層中，土壤有效氮、有效磷、速效鉀不同模式之間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)各模式差別較大，除杉木+石筆木（SS）模式和杉木+裸花紫珠 （SL）模式低于對(duì)照外，其他模式比對(duì)照均有不同程度的提高，增幅2.1%～35.1%；土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)各模式均顯著高于對(duì)照（P＜0.05），以杉木+裸花紫珠（SL）模式最高，是對(duì)照的2.1倍；杉木+草豆蔻（SC）模式的速效鉀最高，比對(duì)照提高了108.1%。

圖2 不同模式土壤速效養(yǎng)分比較Figure 2 Comparison of soil available N,P,K in different patterns

全量養(yǎng)分方面，0～20 cm土層中，全氮、全磷、全鉀不同模式之間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）（圖3）。土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)以杉木+膽木（SD）模式最高，比對(duì)照顯著增加了32.1%，其次是杉木+草豆蔻（SC）模式、杉木+紅豆杉（SH）模式，分別增加27.3%和23.5%；土壤全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照相比，除了杉木+金花茶（SJ）模式下降外，其余各模式都顯著增加，且均以杉木+草豆蔻（SC）模式最高，分別是對(duì)照的1.4和1.3倍。

由表2可知：在0～20 cm土層中，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)各模式的之間差異未達(dá)到顯著水平，但與對(duì)照相比，呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，以杉木+草豆蔻（SC）模式最高，杉木+膽木（SD）模式次之，分別比對(duì)照增加41.8%和31.4%；土壤pH值和陽(yáng)離子交換量，不同模式之間差異顯著（P＜0.05），其中：杉木+裸花紫珠（SL）模式的pH值最大，比對(duì)照提高了4.3%；陽(yáng)離子交換量各模式之間差異顯著，在杉木+金花茶（SJ）模式下達(dá)到最大，比對(duì)照提高了52.0%。林藥模式對(duì)20～40 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)影響程度要小于0～20 cm土層，9個(gè)化學(xué)指標(biāo)中，僅速效鉀、全磷、全鉀在各模式之間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.2 林藥復(fù)合模式土壤理化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分析

為了定量評(píng)價(jià)杉木林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，選擇0～20 cm土壤容重（x1），土壤含水量（x2）， 田間持水量（x3）， 非毛管孔隙度（x4）， 毛管孔隙度（x5）， 總孔隙度（x6）， pH 值（x7）， 有機(jī)質(zhì)（x8）， 全氮（x9）， 全磷（x10）， 全鉀（x11）， 有效氮（x12）， 有效磷（x13）， 速效鉀（x14）和陽(yáng)離子交換量（x15）， 共15個(gè)指標(biāo)。各模式各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表3。由表3可知：各模式土壤理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)度即對(duì)土壤改良能力大小排序?yàn)樯寄?草豆蔻（SC）（0.676 9）＞杉木+膽木（SD）（0.672 8）＞杉木+梅葉冬青（SM）（0.604 3）＞杉木+紅豆杉（SH）（0.597 3）＞杉木+石筆木（SS）（0.583 8）＞杉木+裸花紫珠（SL）（0.500 5）＞杉木+土沉香（ST）（0.498 4）＞杉木+金花茶（SJ）（0.458 7）＞對(duì)照（ck）（0.379 9）。

圖3 不同模式土壤全量養(yǎng)分比較Figure 3 Comparison of soil total N,P,K in different patterns

表2 林藥模式下土壤pH值和有機(jī)質(zhì)陽(yáng)離子交換量比較Table 2 Comparison of soil pH,organic matter,and cation exchange capacity in different patterns

3 討論

大量研究表明，復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式的土壤容重、孔隙度、水分條件和養(yǎng)分條件要優(yōu)于單一的模式［10－12］。但是前人對(duì)此解釋的很少，多數(shù)為報(bào)道性，重應(yīng)用而輕原理。本研究發(fā)現(xiàn)：8種林藥模式對(duì)土壤水分-物理?xiàng)l件和養(yǎng)分條件都有不同程度的改善。主要考慮以下原因：林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式相對(duì)于純林，凋落物量更大，凋落物種類增加，有助于提高土壤酶活性［13］，從而有利于凋落物的分解，使土壤中可利用養(yǎng)分動(dòng)態(tài)循環(huán)量增加［14－15］。前人研究還發(fā)現(xiàn)：在一些森林生態(tài)系統(tǒng)中，有超過(guò)90%的氮和磷以及超過(guò)60%的其他營(yíng)養(yǎng)元素是通過(guò)養(yǎng)分循環(huán)從植物體中進(jìn)入到土壤中的［16］。凋落物分解產(chǎn)生的大量有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)優(yōu)質(zhì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有助于土壤通氣保水［17］。另外，復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式各土層土壤的根系量要大于純林模式，根系的一些翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和穿插運(yùn)動(dòng)，使得土壤更加疏松多孔隙，同時(shí)根系的死亡，也能夠提高土壤養(yǎng)分的歸還量。也有研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，樹(shù)木根系能夠重新獲取深土層中被淋溶作用流失的超過(guò)作物根系吸收范圍的養(yǎng)分，通過(guò)凋落物和根系的翻轉(zhuǎn)作用重新加入養(yǎng)分循環(huán)，供給植物生長(zhǎng)需要［18］。復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式相對(duì)于純林來(lái)說(shuō)，植被覆蓋度大，遮光程度要高，能夠很好地改變林地表面微環(huán)境，起到降溫保濕的作用［19－20］。同時(shí)，本試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年降水量在1 800 mm以上，水分條件良好，能夠很好地滿足植物生長(zhǎng)的水分需求，因此，植物對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)程度應(yīng)該是較小的?？梢?jiàn)，復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式是一個(gè)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，組分之間是有 “交流”的，它的土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特性要優(yōu)于純林。

表3 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度Table 4 Relation coefficients and degrees of soil physical and chemical properties indexes

研究發(fā)現(xiàn)：不同的林藥模式之間也存在明顯的土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的差異，這主要是因?yàn)榉N植的品種不同而引起的差異［21］。韋鑠星等［22］對(duì)桉樹(shù) Eucalyptus robusta林下扶芳藤 Euonymus fortunei， 金銀花Lonicera japonica和雞骨草Abrus cantoniensis模式研究發(fā)現(xiàn)，桉樹(shù)下以2 m×3 m模式種植雞骨草其生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益最佳。劉偉瑋等［23］對(duì)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式研究發(fā)現(xiàn)，林分類型特征和種植年限對(duì)土壤質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生不同程度影響。不同林藥模式間土壤水分-物理?xiàng)l件和養(yǎng)分條件均存在差異，這主要可能是不同藥材品種引起的地上部分凋落物量、根系量、根系分泌物、生化特性等之間存在差異，造成的土壤改良效果不同。這與葛樂(lè)等［24］對(duì)杉木林下套種紅茴香Illicium henryi和紅豆杉等以及WANG等［25］對(duì)不同銀杏Ginkgo biloba復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式的研究結(jié)果相似。至于在20～40 cm土層中，大部分養(yǎng)分指標(biāo)差異不顯著，可能與植物栽植時(shí)間較短，根系生長(zhǎng)慢，分布較淺，短期內(nèi)凋落物分解量對(duì)較深土層影響程度較小有關(guān)。合理構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)加快人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和地力維護(hù)具有重要的意義。

灰色關(guān)聯(lián)分析表明：杉木+草豆蔻模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的綜合改良效果最好，與對(duì)照相比各化學(xué)指標(biāo)均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。這與張鼎華等［6］對(duì)杉木+砂仁模式的研究結(jié)果相似，但李娟等［26］對(duì)成齡膠園下間作草豆蔻研究發(fā)現(xiàn)，橡膠Hevea brasiliensis+草豆蔻模式雖增加了0～20 cm土層銨態(tài)氮、全鉀和速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但降低了有機(jī)質(zhì)、全磷、 速效磷、 全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與本研究的結(jié)論是不太一致的。分析原因可能是試驗(yàn)維持時(shí)間長(zhǎng)度不一樣，橡膠+草豆蔻模式試驗(yàn)期僅在7個(gè)月，再加上人工干擾較多，對(duì)土壤的理化性質(zhì)的增益效果很小，甚至降低。本試驗(yàn)試驗(yàn)期較長(zhǎng)，又屬于生態(tài)公益林，人為干擾少，足以對(duì)土壤產(chǎn)生很好的改良效益。

本研究主要從土壤理化性質(zhì)變化角度，評(píng)價(jià)不同林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)退化杉木生態(tài)公益林林地土壤的改良效果。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，尚需從藥用植物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式對(duì)退化杉木生態(tài)林林地土壤具有顯著的改良作用，尤其是對(duì)表層土壤。但不同模式對(duì)土壤的改良程度存在明顯差異，其中以杉木+草豆蔻模式綜合改良效果最佳，可以考慮推廣應(yīng)用，為杉木生態(tài)公益林的改造與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供新思路。

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