廣西地區(qū)不同林齡的馬尾松及其混交林土壤N素研究

郝中明，曾 青，明 樂(lè)，李 霞，謝明陽(yáng)

（廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004）

1 研究背景與目的

在我國(guó)南亞熱帶地區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)施杉木（Cunninghamia lanceolata）和馬尾松（Pinus massoniana）單一人工林培育模式，再加上近年來(lái)桉樹（Eucalyptus）短周期工業(yè)用材林的快速發(fā)展，導(dǎo)致土壤地力衰退和生產(chǎn)力下降等問(wèn)題，制約了林地的持續(xù)利用[1-3]。

馬尾松屬陽(yáng)性樹種，林冠稀疏，透光度大，深根發(fā)達(dá)。在林下套種合適的闊葉樹種，就能充分利用地上與地下的能量和空間，增加生物量，改善土壤理化性質(zhì)[4-5]。已有研究多集中于馬尾松林土壤理化性質(zhì)的變化與地力衰退關(guān)系、林下植被多樣性對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響以及對(duì)馬尾松林套種闊葉樹后土壤理化性質(zhì)的空間變異特征[6]及其與植物數(shù)量特征、物種多樣性的關(guān)系等。這一系列研究表明，與馬尾松純林相比較，馬尾松混交林有明顯優(yōu)勢(shì)。

本研究選擇廣西壯族自治區(qū)憑祥市的中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心為研究林地，以不同年齡馬尾松純林與其混交林為研究對(duì)象，對(duì)多種林分年齡較高的馬尾松純林及其混交林的不同土層的土壤理化性質(zhì)的進(jìn)行比較，旨在為正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估不同年齡馬尾松純林及其混交林的土壤理化性質(zhì)特征，為該地區(qū)人工林的合理經(jīng)營(yíng)及土地利用方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)研究區(qū)位于廣西憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，位于北緯22°02′～22°04′，東經(jīng)106°51′～106°53′之間；地貌類型以低山丘陵為主，海拔430～680m，地帶性土壤為山地紅壤，由花崗巖經(jīng)過(guò)風(fēng)化發(fā)育形成，土層厚度超過(guò)80cm，pH4.8至5.5之間。該地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)－濕潤(rùn)氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，降雨量充足，干濕季節(jié)明顯，10月至翌年3月為干季，4～9月為濕季。

2017年8月，分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)6 種不同林分類型進(jìn)行調(diào)查，其中包括3個(gè)馬尾松純林和3個(gè)馬尾松與其它闊葉樹種混交林。3個(gè)馬尾松純林的造林年限分別是1958年、1983年、1993年，其中59年生馬尾松純林和34年生馬尾松純林都經(jīng)歷了3次間伐，而24年生馬尾松林只經(jīng)歷1次間伐。3 種混交林分別為59年生馬尾松和34年生紅椎混交林，34年生馬尾松和紅椎混交林，24年生馬尾松和7年生紅椎香梓楠混交林。59年生馬尾松與紅椎異齡混交林，經(jīng)歷1968年、1976年、1983年3次間伐。

3 研究方法

3.1 樣品采集

每種林分類型按不同坡位（上、中、下）分別設(shè)置20m×20m的樣地1塊，在每塊樣地內(nèi)的對(duì)角線上隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，按0～20、20～40和40～60cm挖取土壤剖面，同層土壤充分混合后按四分法取土壤樣品，并將土壤樣品分兩份：一份裝入聚乙烯保鮮袋并用生物冰袋保存，一份裝入布袋；同時(shí)在各土層用環(huán)刀（容積100cm3）和鋁盒取樣。

3.2 測(cè)定方法

土壤水分、容重、孔隙度等物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測(cè)定（GB7835-87）；土壤pH采用電位法（GB7859-87）。

土壤總有機(jī)碳，采用MultiN/C 3400-HT1300有機(jī)碳總氮分析儀（Analytik Jena，Germany）測(cè)定。

土壤全N采用H2SO4-HClO4消解，使土壤中的N轉(zhuǎn)化為（NH4）SO4，消解液中的N采用SmartChem200全自動(dòng)化學(xué)元素分析儀測(cè)定。

土壤中的硝態(tài)N、銨態(tài)N均采用SmartChem200測(cè)定，其中硝態(tài)N采用0.02mol/L CaCO3浸提，水土比為5∶1；銨態(tài)N采用2mol/L KCl提取，水土比5∶1。

3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，并用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和最小差異法（LSD）檢驗(yàn)同一林分不同土層間或不同林分間土壤理化性質(zhì)的差異（P＜0.05）。

4 結(jié)果與分析

4.1 土壤物理性質(zhì)分析

4.1.1 含水率分析

由表1可比較不同林齡純林之間，不同林齡混交林之間的含水率。不同林齡的馬尾松純林含水率相比較：34年生馬尾松純林各土層＞59年生馬尾純林各土層＞24年生馬尾松純林各土層，其中24年生馬尾松純林土壤底層（40～60cm）含水率與59年生、34年生馬尾松純林底層含水率差異顯著（P＜0.05），其余各層差異不顯著。不同林齡的馬尾松混合林的34年生馬尾松與紅椎同齡混交林各土層含水率均大于其他2種混交林，其中上層、中層土壤含水率與其他2種混交林差異顯著（P＜0.05），這可能與林下植物多樣性與地上枯落物有關(guān)。34年生馬尾松與紅椎同齡混交林林下植被以及地上枯落物量明顯多于其他兩林分，枯落物有利于保持水分，抑制地表蒸發(fā)，提高地表層土壤水分的有效性[7]。通過(guò)上述分析，可以總結(jié)出，無(wú)論是純林還是混交林，土壤含水率總體是34年生馬尾松林＞59年生馬尾松林＞24年生馬尾松林。

4.1.2 土壤容重分析

土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)之一，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，能直觀地表征土壤的緊實(shí)度，通過(guò)其值大小可直接判斷土壤的通氣性、透水性和根系生長(zhǎng)的阻力狀況[8-9]。各林分中層（20～40cm）、底層（0～60cm）土壤容重大于各自表層（0～20cm）土壤容重，各土層容重差異不顯著。相比之下，表層土壤容重值最小，說(shuō)明土壤表層比較疏松，這可能與林地土壤表層枯落物積累量以及微生物對(duì)其的分解有關(guān)。

4.1.3 土壤孔隙度分析

土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，并且對(duì)土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)功能[10-11]。各林分表層（20～40cm）、底層（40～60cm）土壤孔隙度大于各自中層（20～40cm）土壤孔隙度，各土層孔隙度差異不顯著。相比之下，上層土壤孔隙度最大，說(shuō)明土壤表層比較疏松。

表1 6種林分物理性質(zhì)

4.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

4.2.1 pH分析

由表2可知，同林齡各個(gè)林分土層pH基本隨著土層的加深越來(lái)越大，這表明隨著土層的加深，土壤酸性呈降低趨勢(shì)，其中59年生馬尾松林純林林分各土層間pH差異性顯著（P＜0.05），而且59年生馬尾松混交林各層土壤pH均高于同林齡的馬尾松純林，這是由于針葉林的葉子含灰分少，且多含樹脂和單寧等物質(zhì)，有機(jī)物分解導(dǎo)致酸性增強(qiáng)，所以針葉林下的土壤酸性較高，而闊葉樹的葉子含灰分多，針葉林內(nèi)混有闊葉林可以降低土壤酸性，在本試驗(yàn)區(qū)中，馬尾松林分中混有紅椎等闊葉樹，使土壤酸性降低[12]，這意味著土壤肥力有一定程度的提高，有利于森林更新。

4.2.2 土壤有機(jī)質(zhì)分析

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，它主要來(lái)源于地上植物的凋落物及地下根系分泌物[13]，是指示土壤肥力與健康的關(guān)鍵指標(biāo)，在維持土壤結(jié)構(gòu)、供應(yīng)土壤養(yǎng)分等方面起著重要作用[14]。由表2可看出，6種林分各層土壤變化規(guī)律是一致的，即表層土壤＞中層土壤＞底層土壤，而且各土層間差異性顯著（P＜0.05），這是因?yàn)楸韺油寥垒^疏松，通氣性良好，且表層土壤中根系分布較為密集，溫度相對(duì)較高，微生物活動(dòng)頻繁，對(duì)枯落物的分解形成大量腐殖質(zhì)，因此有機(jī)質(zhì)含量較高；而隨著土層的增加，下層土經(jīng)過(guò)成土過(guò)程，枯枝落葉等動(dòng)植物殘?bào)w在該層的分布逐漸減少，其養(yǎng)分含量也隨之減少[15-16]。就同林齡比較而言，34年生馬尾松與紅椎同齡混交林、24年生馬尾松與紅椎香梓楠混交林各層有機(jī)質(zhì)含量均高于同年馬尾松純林，但是差異性不顯著，59年生的2種林分未呈現(xiàn)此規(guī)律。

不同林齡純林、混交林間的有機(jī)質(zhì)變化，各土層規(guī)律一致：34年生馬尾松林＞24年生馬尾松林＞59年生馬尾松林。

4.2.3 全N分析

各個(gè)林分的全N含量基本隨土層深度加深而減少（表1），但是24年生馬尾松純林、馬尾松與紅椎香梓楠混交林各土層全N含量差異不明顯，其余林分均表現(xiàn)出表層與中層或底層差異性顯著（P＜0.05）的規(guī)律，其中59年生馬尾松純林、34年生馬尾松與紅椎同齡混交林的中層土壤全N含量與底層差異顯著（P＜0.05），其余林分不顯著。就同齡林分的整個(gè)土層來(lái)說(shuō)，59年生以及24年生馬尾純林土壤全N含量均大于同齡混交林，34年生馬尾松與紅椎同齡混交林全N含量高于同齡純林。對(duì)馬尾松純林來(lái)說(shuō)，24年生馬尾松純林全N含量高于其他兩個(gè)年份的馬尾松純林，但差異性不顯著；混交林方面，34年生馬尾松與紅椎同齡混交林的全N含量要高于其他兩個(gè)林分，且差異性顯著（P＜0.05）。

4.2.4 NH4+-N、NO3--N含量分析

59年生馬尾松純林、馬尾松與紅椎異齡混交林以及24年生馬尾松純林不同土層間的NH4+-N含量均表現(xiàn)為隨土壤深度增加而減小趨勢(shì)（表2），且各個(gè)林分土壤上層與中下層差異性顯著（P＜0.05），中層與底層土壤速效K含量差異不顯著；34年生馬尾松與紅椎同齡混交林NH4+-N含量隨土壤深度增加而增加，且無(wú)顯著性差異。就同齡林分而言，各土層土壤NH4+-N含量大都表現(xiàn)為混交林＞純林，但是59年生與24年生馬尾松林上層規(guī)律性不明顯，且差異性不顯著。不同齡純林比較，各土層NH4+-N含量規(guī)律性明顯：59年生馬尾松林純林＞24年生馬尾松林純林＞34年生馬尾松純林，其中34年生馬尾松純林上層土與其他兩林分差異性顯著（P＜0.05），其余土層差異性不顯著；不同林齡混交林比較，各林分土層土壤速效K含量規(guī)律性不明顯，差異性不顯著。

除59年生馬尾松純林，其余林分的土壤NO3--N含量隨土層加深而增多，其中只有24年生馬尾松純林差異性顯著（P＜0.05）；59年生馬尾松純林土壤NO3--N含量隨土層加深而減少，且差異性不顯著。同齡林分比較，59年生馬尾松與紅椎異齡混交林各土層NO3--N含量均高于馬尾松純林，但顯著性不明顯；34年生馬尾松與紅椎同齡混交林各土層NO-3-N含量均低于馬尾松純林，且差異性不顯著；24年生的兩林分上中層土壤沒(méi)有明顯規(guī)律，但底層土壤NO3--N含量混交林遠(yuǎn)大于純林，且差異性顯著（P＜0.05）。不同林齡純林比較可知，24年生馬尾松純林底層土壤NO3--N含量大于其余兩個(gè)林分，且有顯著差異（P＜0.05），上層中層土壤NO3--N含量表現(xiàn)為34年生馬尾松純林＞24年生馬尾松純林＞59年生馬尾松純林，差異性不顯著；不同林齡混交林比較，整個(gè)土層（0～60 cm）的NO3--N含量表現(xiàn)為24年生馬尾松與紅椎香梓楠異齡混交林＞59年生馬尾松與紅椎異齡混交林＞34年馬生尾松與紅椎同齡混交林，但差異性不顯著。

表2 6種林分土壤化學(xué)性質(zhì)

5 討論與結(jié)論

本研究表明在土壤含水率、容重以及孔隙度等物理性質(zhì)方面，表層土壤明顯優(yōu)于中下層土壤，同林齡的馬尾松純林與混交林相比，34年生及24年生的馬尾松混交林有明顯優(yōu)于馬尾松純林的趨勢(shì)。這在一定程度上可以說(shuō)明，馬尾松混交林有利于土壤蓄水，能增加土壤的疏松程度，這是因?yàn)樵诨旖涣值匾肓思t椎，增加了物種的多樣性，而紅椎為落葉闊葉樹，每年有大量的凋落物歸還林地，且其枯落物分解良好，可以有效降低林地土壤緊實(shí)度，改善土壤孔隙狀況。凋落物分解形成的腐殖質(zhì)能夠?qū)⑼寥李w粒膠結(jié)成孔隙狀況良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[17]，足夠的水分以及疏松的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有利于動(dòng)植物的生存與發(fā)育。而馬尾松純林由于針葉林枯落物分解速率相對(duì)較慢，由此造成其土壤容重較大。因此可以初步判斷混交林在蓄水、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生的影響更有利于生物的生長(zhǎng)。

不同林齡的馬尾松純林、混交林之間，土壤物理性質(zhì)各指標(biāo)規(guī)律性較為統(tǒng)一，土壤含水率總體是34年生馬尾松林＞59年生馬尾松林＞24年生馬尾松林。研究地林分的土壤容重總體隨著林齡的增加逐漸增加，土壤孔隙度相應(yīng)隨林齡的增加逐漸減小。不同林齡林分比較時(shí)，盡管各個(gè)指標(biāo)有差異，但整體上34年生的各林分養(yǎng)分優(yōu)于其他年份，說(shuō)明該林齡的林分土壤養(yǎng)分積累較多，這是由于34年生馬尾松人工林林下灌草植物豐富度較大，該林齡的林分附近有紅椎林，馬尾松間伐后紅椎種子的入侵，使得該林分灌木以紅椎為主，后期林分郁閉度加大耐陰植物繼續(xù)入侵和定居，為一些耐陰植物的出現(xiàn)提供了良好的生境環(huán)境，因此林下多樣性豐富。此時(shí)的土壤容重下降，有機(jī)質(zhì)、全磷含量升高，土壤的通氣性和土壤肥力較高，為不同物種植被提供了良好的定植環(huán)境，所以34年生的馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)優(yōu)于其他2個(gè)年份的林分。

不同林齡林分比較時(shí)，盡管各個(gè)指標(biāo)有差異，但整體上34年生的各林分養(yǎng)分優(yōu)于其他年份，說(shuō)明該林齡的林分土壤養(yǎng)分積累較多。這是由于34年生馬尾松人工林林下灌草植物豐富度較大，該林齡的林分附近有紅椎林，馬尾松間伐后紅椎種子的入侵，使得該林分灌木以紅椎為主，后期林分郁閉度加大耐陰植物繼續(xù)入侵和定居，為一些耐陰植物的出現(xiàn)提供了良好的生境環(huán)境，因此林下多樣性豐富。此時(shí)的土壤容重下降，有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤的通氣性和土壤肥力較高，為不同物種植被提供了良好的定植環(huán)境，所以34年生的馬尾松人工林土壤理化性質(zhì)優(yōu)于其他2個(gè)年份的林分。

同林齡馬尾松純林與混交林比較，盡管未呈現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律，但土壤理化性質(zhì)大部分都顯示馬尾松混交林對(duì)土壤理化性質(zhì)有一定改善作用，馬尾松混交林較純林相比，其林下物種多樣性高，枯落物種類豐富，其養(yǎng)分分解能力及轉(zhuǎn)化速率加快，因而提高了混交林地的土壤肥力，改善了土壤結(jié)構(gòu)，更有利于混交林植物的生長(zhǎng)。馬尾松純林及其混交林土壤化學(xué)性質(zhì)的差異還有待深入研究，為準(zhǔn)確評(píng)估馬尾松混交人工林改善林地土壤肥力的效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。