湖南不同混交模式林分土壤化學(xué)性質(zhì)的差異

劉振華，李 貴，陳 瑞，吳 敏，童 琪，童方平

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004）

土壤是陸地表面能夠生長植物的疏松表層，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一，在其物質(zhì)循環(huán)方面起重要的作用[1]。由于純林的栽植、經(jīng)營和采伐成本較低[2]，加之目前混交林中一些闊葉樹種尚未得到有效的開發(fā)，導(dǎo)致混交林的營建難以推廣。實踐證明，長期營建純林會引起林地地力的衰退等一系列問題[3]。趙忠等[4]認為油松Pinus tabuliformis、 側(cè) 柏Platycladus orientalis混交林不同混交模式對林木的生長及養(yǎng)分、地力改善狀況存在差異。郭琦等[5]對不同混交模式杉木Cunninghamia lanceolata人工林林下土壤物理性質(zhì)進行了研究，結(jié)果表明混交林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于純林。林瑞余等[6]對27年生杉木、觀光木Tsoongiodendron odorum混交林及杉木同齡純林進行研究，結(jié)果表明混交林具有較強的培肥土壤的功能。代鳳貴[7]對不同混交比例的巨尾桉Eucalyptus grandis×E.urophylla、杉木混交林研究表明混交林能夠提高土壤養(yǎng)分歸還量和循環(huán)速率。還有大量的研究報道表明，混交林相對于純林，具有改良土壤、提高養(yǎng)分利用及循環(huán)速度的優(yōu)勢[8-10]。

雖然目前已有一些對混交林模式的研究與評價，但是目前已經(jīng)確認的成功的混交林模式還不多，本研究旨在通過對不同地貌的不同混交林模式的土壤化學(xué)性質(zhì)進行分析，篩選出林分生產(chǎn)力高、地力維護較好的混交林模式，為我國營林提供更多的成熟造林模式。

1 試驗地概況

試驗地Ⅰ位于湖南省安化縣馬路口鎮(zhèn)謝家溪村 林 場（ 28°25′29.21″N，110°59′32.15″E）， 屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫16.2 ℃，無霜期275 d，日照1 335.8 h，年降水量為1 500～1 700 mm。海拔在150～270 m之間，為低山丘陵區(qū)，砂巖發(fā)育的紅壤，土層厚度為75 cm。喬木主要為杉木、紅櫸Zelkova serrata、閩楠Phoebe bournei、 南 酸 棗Choerospondias axillaris， 均為人工種植，林下植被以鐵芒萁Dicranopteris dichotoma為主。

試驗地Ⅱ位于湖南省新寧縣國有東嶺林場（26°15′22″N，110°45′00″E），屬于亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫15.6 ℃，無霜期262 d，日照1 465.6 h，年降水量在1 350～1 650 mm之間。海拔在500～800 m之間，為山地中下部，花崗巖發(fā)育的紅壤，土層厚度為80 cm。喬木主要為杉木和馬褂木Liriodendron chinense，均為人工種植，林下植被以鐵芒萁為主。

試驗地Ⅲ位于湖南省永州市國有金洞林場（26°13′28″N，111°15′38″E），屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為16.3～17.7 ℃，無霜期265 d，日照1 452.2 h，年均降水量為1 600～1 900 mm，海拔在400～600 m之間，為山地下部，板頁巖發(fā)育的紅壤，土層厚度90 cm。喬木主要為杉木、閩楠、木荷Schima superba，均為人工種植，林下植被以鐵芒萁和冬茅為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

3個試驗地均選擇了空間上地域相鄰、樹齡相近、環(huán)境條件（母巖、土壤）基本一致的混交模式進行研究。安化縣馬路口鎮(zhèn)謝家溪村林場選擇5種混交模式（①M1，7杉木2紅櫸閩楠；②M2，3杉木2馬尾松Pinus massoniana3閩楠2紅櫸；③M3，6杉木2紅櫸2南酸棗；④純紅櫸林（CK1）；⑤純杉木林（CK2）。株間混交，造林時間為2003年春，株行距為2 m×2.5 m；新寧縣東嶺林場2種混交模式（①M4，8杉木2馬褂木；②純杉木林（CK）。株間混交，造林時間為2003年春，株行距為2 m×2.5 m）；永州市國有金洞林場選擇2種混交模式（①M5，6.5杉木2.5閩楠1木荷；②純杉木林（CK）。株間混交，造林時間為2001年春，株行距為2 m×3 m）。在每種混交模式森林內(nèi)分別建立了面積均為20 m×20 m的固定樣地，3次重復(fù)。

2.2 樣品采集

于2015年12月到2016年3月期間在不同造林模式類型的林分內(nèi)分別按照上坡、中坡和下坡3個不同坡位進行采樣，每個坡位采集3個平行樣，每個采集地去除枯枝落葉層，分別按0～20、20～40、40～60 cm 3個不同土層深度采集土壤樣品。樣品帶回實驗室風干，按照不同測定項目的要求分別通過不同孔徑的土壤篩，去掉其中的石塊及植物根系，盡量磨碎土壤顆粒，混合均勻，按照圓錐四分法進行分樣。將樣品分別裝入玻璃制的廣口瓶里，置于4 ℃冰箱保存待測。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)的測定

用半微量凱氏法測定全氮；用堿解擴散法測定水解性氮；全磷和全鉀采用硝化法測定；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色；速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel、 SPSS、DPS等軟件進行各類數(shù)據(jù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同混交模式土壤的化學(xué)性質(zhì)

根據(jù)安化縣5種不同的混交模式林分土壤化學(xué)性質(zhì)結(jié)果進行方差分析，分析結(jié)果見表1。

從表1可知，在0～20 cm土層，不同的混交模式之間土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量之間均存在極顯著差異；在20～40 cm土層，除土壤全氮含量沒有顯著差異外，全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量之間存在極顯著差異；在40～60 cm土層，除土壤全氮含量各混交模式之間存在顯著差異外，全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量之間存在極顯著差異。這表明在丘陵區(qū)的安化縣不同混交模式之間林分的土壤化學(xué)性質(zhì)除個別指標外其余的均有顯著差異。

表1 安化縣不同混交模式林分土壤化學(xué)性質(zhì)方差分析?Table1 Variance analysis of soil chemical properties of difference mixed forest in Anhua county

由于試驗地Ⅱ和試驗地Ⅲ都只有2個模式，所以對其進行兩獨立樣本T檢驗，檢驗結(jié)果見表2。

表2 東嶺林場和金洞林場不同混交模式土壤化學(xué)性質(zhì)T檢驗?Table2 The T-test of soil chemical properties of difference mixed forest in Dongling forest farm and Jingdong forest farm

根據(jù)表2的分析結(jié)果，在新寧東嶺林場試驗林0～20 cm土層中，林分土壤的全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和有機質(zhì)在不同的林分類型中差異顯著，速效鉀在不同混交模式中無顯著差異；在20～40 cm土層中，林分土壤的全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和有機質(zhì)在不同的混交模式中差異顯著，僅速效鉀無顯著差異；在40～60 cm土層中，不同混交模式之間的差異性與20～40 cm土層規(guī)律相同，也只有速效鉀無顯著差異。分析結(jié)果（見表2）表明：在新寧東嶺林場試驗地，不同混交模式之間、林分不同土層的土壤化學(xué)性質(zhì)之間絕大部分指標都存在顯著差異。

在試驗Ⅲ金洞林場試驗林0～20 cm土層中，土壤全氮、水解氮、有效磷、有機質(zhì)在不同的混交模式中有顯著差異，土壤全磷、全鉀、速效鉀在不同的模式中差異不顯著；在20～40 cm土層中，林分土壤的水解氮、速效鉀和有效磷在不同的混交模式中有顯著差異，土壤全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)在不同的模式中差異不顯著；在不同混交模式之間的差異性與20～40 cm土層規(guī)律相同，林分土壤的水解氮、速效鉀和有效磷在不同的混交模式中有顯著差異，土壤全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)在不同的模式中差異不顯著。在金洞林場試驗地，不同混交模式中土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)的規(guī)律與新寧地稍有差異，在金洞林場試驗林土壤養(yǎng)分主要在有效養(yǎng)分指標（水解氮、速效鉀和有效磷）之間存在顯著差異，而其他土壤養(yǎng)分指標之間無顯著差異。

3.2 不同模式土壤的養(yǎng)分含量

根據(jù)表3結(jié)果可知，安化縣所有的模式中都表現(xiàn)出土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)等指標存在以下規(guī)律：上層（0～20 cm）＞中層（20～40 cm）＞下層（40～60 cm）；土壤pH值除M3模型外，不同土壤層pH值基本一致，也基本上存在上層（0～20 cm）＞中層（20～40 cm）＞下層（40～60 cm）的規(guī)律。這表明上層土壤由于林木的枯落物的腐爛分解增加了表層土壤肥力，土層越深受枯落物影響越小。按照林分0～60 cm土層整體肥力情況分析，混交林類型之間表現(xiàn)出如下規(guī)律：土壤全氮含量，M3＞M2＞M1＞櫸木純林＞杉木純林，其中M3、M2、M1分別高出櫸木純林10.3%、6.5%、5.6%，高出杉木純林11.3%、7.5%、6.6%；土壤全磷含量，M2＞M3＞M1＞櫸木純林＞杉木純林，其中M2、M3、M1分別高出櫸木純林90.9%、36.3%、22.7%，高出杉木純林110%、50%、35%；土壤全鉀含量，M2＞M1＞M3＞櫸木純林＞杉木純林，其中M2、M1、M3分別高出櫸木純林67.9%、23.2%、18.0%，高出杉木純林84.1%、35.0%、29.4%；土壤水解氮含量，M2＞M1＞M3＞櫸木純林＞杉木純林，其中M2、M1、M3分別高出櫸木純林28.4%、16.5%、11.2%，高出杉木純林96.5%、78.2%、70.2%；土壤速效鉀含量，M3＞M2＞櫸木純林＞ M1＞杉木純林，其中M3、M2分別高出櫸木純林45.5%、24.0%，高出杉木純林99.1%、69.7%，M1高出杉木純林17.7%；土壤有效磷含量，M1＞M2＞M3＞杉木純林＞櫸木純林，其中M1、M2、M3分別高出櫸木純林211.9%、210.9%、98.2%，高出杉木純林84.3%、83.8%、17.1%；土壤有機質(zhì)含量，M2＞M1＞M3＞杉木純林＞櫸木純林，其中M2、M1、M3分別高出櫸木純林123.1%、110.3%、98.1%，高出杉木純林35.0%、27.2%、19.8%。

表3 安化縣不同混交模式土壤的化學(xué)性質(zhì)Table3 Soil chemical properties of difference mixed forest in Anhua county

所有混交模式中，除土壤速效鉀含量中櫸木純林＞ M1外，其余所有土壤養(yǎng)分指標均為混交林大于杉木純林和櫸木純林。

從表4可知，新寧縣東嶺林場杉木與馬褂木混交林土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)等指標均表現(xiàn)為混交林高于純林，在不同土壤層中也與安化呈現(xiàn)的規(guī)律一樣：上層（0～20 cm）＞中層（20～40 cm）＞下層（40～60 cm）?；旖涣滞寥乐腥?、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量比杉木純林分別高45.9%、31.8%、27.0%、38.7%、2.8%、75.5% 和74.2%。

表4 東嶺林場、金洞林場不同混交模式土壤的化學(xué)性質(zhì)Table4 Soil chemical properties of difference mixed forest in Dongling forest farm and Jingdong forest farm

從表4可知，金洞林場杉木、閩楠與木荷混交林土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)等指標均顯現(xiàn)出混交林高于純林，在不同土壤層中也與安化、新寧東嶺林場呈現(xiàn)的規(guī)律一樣：上層（0～20 cm）＞中層（20～40 cm）＞下層（40～60 cm）?；旖涣滞寥廊⑷?、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量比杉木純林分別高13.2%、19.0%、14.3%、59.2%、24.8%、74.5%和18.9%。

在丘陵地混交樹種林分中土壤全磷含量、全鉀含量、水解性氮含量和有機質(zhì)含量最高的模式為M2；林分土壤全氮含量、速效鉀含量最高的模式為M3。

在丘陵地通過營造3杉木2馬尾松3閩楠2紅櫸混交林，相對于杉木純林，混交林林分土壤全磷含量提高了110%，全鉀含量提高了 84.1%，水解性氮含量提高了96.5%，有機質(zhì)含量提高了35%；通過營造6杉木2紅櫸2南酸棗混交林，相對于杉木純林，混交林林分土壤全氮、速效鉀含量分別提高了10.3%、99.1%。

在山地通過營造8杉木2馬褂木混交林，與杉木純林比較，混交林土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)含量分別高45.9%、31.8%、27.0%、38.7%、2.8%、75.5% 和74.2%。

3.3 不同混交模式土壤pH值的差異

由圖1可知，3個試驗地中單個試驗地不同混交模式林地土壤pH值差別不大，但在不同試驗地之間，林地土壤pH值差別較大，安化點的pH值高于新寧東嶺林場點，其中金洞林場林分土壤的pH值最低，3個試驗地均成酸性。安化試驗地混交林分土壤pH值均高于杉木純林，但是M2（杉木+馬尾松+閩楠+紅櫸）和M3（杉木+紅櫸+南酸棗）的pH值低于櫸木純林；新寧東嶺林場和金洞林場兩試驗地均是混交林林分土壤pH值高于杉木純林，這說明闊葉樹混交后能在一定程度上降低土壤的酸性，而土壤酸性的增加意味著土壤肥力得到提高，這有利于森林更新。

圖1 不同混交模式土壤pH值Fig.1 The pH of soil in difference mixed forests

3.4 林分土壤養(yǎng)分與生長量之間的相關(guān)性

植物利用土壤中的速效養(yǎng)分進行生長，速效養(yǎng)分的含量直接影響植物的生長，而有機質(zhì)則是養(yǎng)分的主要來源。從表5可知，安化試驗地林分的水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)均與林分的年均生物量和林分蓄積呈正相關(guān)，其中水解氮和有機質(zhì)含量與林分的年均生物量呈顯著正相關(guān)。

表5 安化縣試驗地林分土壤化學(xué)性質(zhì)與生長量之間的相關(guān)性分析?Table5 The correlation analysis between soil chemical properties and growth in Anhua test-forest

4 討論與結(jié)論

不同針葉樹與珍貴闊葉樹混交造林，對混交林分土壤養(yǎng)分的含量有顯著影響。在丘陵區(qū)，安化縣不同混交模式之間林分的土壤化學(xué)性質(zhì)除土壤全氮含量外，其余的土壤化學(xué)性質(zhì)均有顯著差異。在山區(qū)，新寧東嶺林場試驗地不同混交模式之間，林分不同土層的土壤化學(xué)性質(zhì)除速效鉀含量外，其余的土壤化學(xué)性質(zhì)均有顯著差異。在金洞林場混交林分土壤水解氮、速效鉀和有效磷之間也存在顯著差異。

所有混交模式中，混交林林分土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、有效磷和有機質(zhì)等指標均顯現(xiàn)出混交林高于純林，在不同土壤層中呈現(xiàn)的規(guī)律為：上層（0～20 cm）＞中層（20～40 cm）＞下層（(40～60 cm）。王家彬等[11]對不同林分類型的不同土層養(yǎng)分進行了分析，研究表明表土層的養(yǎng)分明顯高于下層土壤，并且隨著土層厚度的增加不斷遞減，最后趨于穩(wěn)定，這與曹裕等[12]的研究結(jié)果一致。

通過林分對土壤的改善情況來看，本研究結(jié)果表明在丘陵地3杉木2馬尾松3閩楠2紅櫸混交為較好的混交模式；在山地8杉木2馬褂木混交為較好的混交模式。郭東強等[13]對馬尾松純林、桉樹純林和3 種不同模式混交林土壤養(yǎng)分進行了綜合評價，結(jié)果為桉樹純林＞混交林A＞混交林C＞混交林B＞馬尾松純林，馬尾松純林土壤養(yǎng)分在5種模式中最低，這與本研究結(jié)果一致。這與馬尾松和杉木等一般針葉樹含單寧物質(zhì)較多、并且凋落物緊密、造成分解較慢等原因有關(guān)[14]。而桉樹純林土壤養(yǎng)分高于混交林[13]，這與本研究結(jié)果不一致，原因可能是桉樹生長旺盛，枝葉較多，造成的凋落物多，并且桉樹葉容易被分解，而本研究中的櫸木等闊葉樹生長較慢，產(chǎn)生的凋落物較少，造成土壤肥力的恢復(fù)較慢。本研究混交林中其他的樹種如馬褂木、閩楠等樹種的引入增加了林地的凋落物，因為不同的樹種混交使林分形成了不同的林層，加速了樹木的自然整枝作用，這可能在一定程度上加速了林地肥力的恢復(fù)。諸多研究表明林地的土壤養(yǎng)分特征與樹種的生長特性和凋落物養(yǎng)分歸還能力有關(guān)[15-17]。

土壤中的養(yǎng)分元素被植物根系所吸收，通過以凋落物等形式歸還至地表，然后通過微生物等分解作用釋放至土壤，從而實現(xiàn)其在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)[18]。由于在山地地貌中，目前能夠選擇的中齡、近熟林和成熟林的混交模式少，選擇的范圍較少，近年來營造了大量針闊、闊闊混交林，由于這些混交林目前還處于幼林期，林分的功能尚未完全發(fā)揮，因此在今后的混交林林分土壤地力評價中還需要投入大量的研究并做長期的定位觀測。通過營造針葉和珍貴闊葉樹種混交林，林分的土壤化學(xué)性質(zhì)得到改善，土壤肥力得到提高，這有利于提高林分的生長量和減少水土流失。湖南省乃至我國南方地區(qū)長期以來營造人工純林，每年均有大量的采伐跡地和需改造的人工純林，如何選擇造林樹種，采取怎樣的混交模式既可以獲得較高的生產(chǎn)力，又能實現(xiàn)林地的可持續(xù)經(jīng)營，發(fā)揮森林的多功能效應(yīng)，將是我國林業(yè)資源培育面臨的一個重要問題，營造混交林將是解決這個問題的重要途徑之一，因此針對不同地貌開展不同的混交林模式研究將會是今后林業(yè)研究的重點和熱點。