臺灣榿木與不同樹種混交初期土壤理化性質(zhì)的對比分析

彭玉華，譚長強(qiáng)，何琴飛，吳遠(yuǎn)媚 ，鄭 威，申文輝，曹艷云，何 峰

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.南寧市林業(yè)科學(xué)研究所，廣西 南寧 530107）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為林木生長發(fā)育提供所需物質(zhì)基礎(chǔ)，在維護(hù)森林健康、促進(jìn)森林更新中發(fā)揮著重要作用。森林通過枯枝落葉改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙，影響土壤的形成和發(fā)育；土壤中儲存著大量的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)決定著植物的生長發(fā)育，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平。因此，深入研究土壤理化性質(zhì)，對于保護(hù)和提高土壤肥力以及合理調(diào)控機(jī)制，促進(jìn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。

臺灣榿木Alnus formosana為臺灣省特有種，干形通直高大，材質(zhì)柔韌細(xì)密易于加工，在臺灣被列為二級木[3]。其適應(yīng)各種復(fù)雜地貌地形，原產(chǎn)地從低海拔至高3 000 m海拔均有自然分布，喜光，喜濕且耐濕，耐瘠薄，并具一定的耐干旱能力[4]。臺灣榿木為非豆科根瘤固氮植物，具有培肥土壤、保持地力的作用[5-6]。且其生長快，4年生樹高達(dá)11 m，胸徑達(dá)12 cm，是短周期工業(yè)原料林優(yōu)良造林樹種，可作為速生用材樹種加以推廣應(yīng)用[3]。21世紀(jì)初期，為滿足國民對木材的大量需求，我國南方各省，特別是廣西大面積的發(fā)展桉樹，地力消耗及水土流失嚴(yán)重，森林結(jié)構(gòu)單一，森林生態(tài)功能薄弱，迫切需要尋找可與桉樹輪作或混交，生態(tài)功能又好的樹種，臺灣榿木可成為我國南方改善林木樹種結(jié)構(gòu)、建設(shè)生態(tài)林業(yè)的一個優(yōu)良速生闊葉樹種。

臺灣榿木在我國長江以南部分地區(qū)引種栽培非常成功，是極有潛力的商用闊葉樹種。廣西在2012年開始引種，經(jīng)幾年的栽培研究，臺灣榿木適應(yīng)廣西的氣候，生長快速，3年生最優(yōu)單株樹高10 m，胸徑10.10 cm。很多學(xué)者對臺灣榿木引種區(qū)域試驗(yàn)、繁育技術(shù)、光合生理特性、生長節(jié)律、生長性狀等方面進(jìn)行了研究[7-12]，但對臺灣榿木混交造林研究未見有報導(dǎo)?；旖涣种饕怯缮鷳B(tài)學(xué)和生物學(xué)習(xí)性不同的樹種進(jìn)行混交種植而形成，能夠最大限度的利用外部環(huán)境條件，可解決人工純林帶來的多種問題，有效提高土地利用率和單位面積效益，改善土壤理化性質(zhì)，能更好地維護(hù)和提高地力；混交林林冠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，凋落物多且分解速率快，養(yǎng)分富集時間短，有利于生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)及能量的循環(huán)，加強(qiáng)生態(tài)穩(wěn)定性[13-16]；為此，本文以臺灣榿木與紅錐Castanopsis hystrix、桉樹Eucalyptus grandis×Eucalyptus urophylla和 松 樹Pinus massoniana混交造林為對象，研究其混交初期林地土壤物理性狀與土壤養(yǎng)分的變化情況，為臺灣榿木在廣西的引種和可持續(xù)發(fā)展提供相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選擇在廣西南寧市林科所，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光熱充足，雨量充沛，夏季炎熱多雨，春秋季易旱，冬季溫暖少雨，偶有霜雪；107°49′～ 108°37′E，22°59′～ 23°33′N； 海 拔 約80 m；≥10 ℃積溫為7 200 ℃，年均氣溫21.6 ℃，最熱的7月份，氣溫平均為28.6 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃；最冷的1月份，平均氣溫12.8 ℃，極端最低氣溫-0.8 ℃。全年無霜期高達(dá)360 d，年均降水量為1 100～1 700 mm，年均相對濕度為80%左右。土壤類型為磚紅壤性紅壤，pH值為5.0～6.0，肥力中等。

造林前作物為木薯等農(nóng)作物。2015年4月，采用田間隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，營造了臺灣榿木與馬尾松、巨尾桉、紅錐不同混交比例的混交試驗(yàn)林，臺灣榿木純林為對照，造林和管理措施采用常規(guī)的技術(shù)規(guī)程，每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)種植0.20 hm2。具體見表1。

表1 混交樹種與混交比例詳細(xì)情況Table 1 Species proportions in the treatments

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

于2017年4月，在每個處理每個重復(fù)內(nèi)采集土壤樣品，按S型多點(diǎn)用土鉆取0～40 cm深的土壤，分2層（0～20 cm、20～40 cm）混合土樣后用四分法縮減至250～500 g后裝入塑料袋密封迅速帶回室內(nèi)，置于陰涼通風(fēng)處晾干，搟碎，用于測定土壤養(yǎng)分含量。

在每個處理每個重復(fù)內(nèi)，純林在行間正中、混交林在兩個樹種行間正中挖取1個土壤剖面，從上至下分2層（0～20 cm、20～40 cm）采集，每層用環(huán)刀法在每個剖面分左、中、右采集3個環(huán)刀原土狀，同時采集鋁盒，供實(shí)驗(yàn)室分析使用。

1.2.2 測定方法

土壤持水性狀、物理性狀具體的測定及計算方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》（LY/T1215—1999）：

土壤容重（mg ?m3）=M環(huán)干/V；

最大持水量(g/kg)=(M24-M環(huán)干)/M環(huán)干×1 000；

毛管持水量(g/kg)=(M砂干-M環(huán)干)/M環(huán)干×1 000；

毛管孔隙度（體積%）=(0.1×毛管持水量×土壤容重)/水的密度；

總孔隙度（體積%）=毛管孔隙度+非毛管孔隙度。

式中，M鋁干為鋁盒內(nèi)烘干土質(zhì)量、M鋁濕為鋁盒內(nèi)濕土質(zhì)量、M環(huán)干為環(huán)刀內(nèi)干質(zhì)量、M24浸水24 h后環(huán)刀內(nèi)濕質(zhì)量、M砂干為在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕質(zhì)量、V為環(huán)刀體積。

土壤主要養(yǎng)分的測定：土壤有機(jī)質(zhì)參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定》（LY/T1237—1999）、全氮參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤全氮的測定》（LY/T1228—1999）、水解性氮參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水解性氮的測定》（LY/T1229—1999）、有效磷參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤有效磷的測定》（LY/T1233—1999）、速效鉀參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤速效鉀的測定》（LY/T1236—1999）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel2003及SPSS19.0軟件進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺灣榿木與不同樹種混交初期土壤物理性質(zhì)

容重是衡量土壤緊實(shí)程度的一個重要指標(biāo)，可反映土壤的松緊程度[17]。由圖1可知，臺灣榿木混交造林初期，在0～20 cm和20～40 cm土層，臺灣榿木混交林土壤容重均低于臺灣榿木純林，表明混交林在改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)方面具有較好的作用。無論是臺灣榿木混交林還是臺灣榿木純林均是20～40 cm土層的容重大于0～20 cm土層。多重比較得出：0～20 cm土層土壤容重的處理2、處理6、處理8顯著低于CK，20～40 cm土層土壤容重的處理3、處理9顯著低于CK。

圖1 臺灣榿木與不同樹種混交初期土壤容重、持水性能Fig.1 Bulkdensity, water content, maximum water holding capacity and capillary water holding capacity among treat ments and CK

營造臺灣榿木混交林初期的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量變化沒有表現(xiàn)出明顯差異。從圖1的實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，無論是0～20 cm土層還是20～40 cm土層臺灣榿木混交林的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均高于臺灣榿木純林；在0～20 cm土層自然含水率、最大持水量、毛管持水量均是處理8最大；20～40 cm土層處理8的自然含水率和毛管持水量最大，處理3的最大持水量最大。各處理均是20～40 cm土層的自然含水率大于0～20 cm土層。

從表2可見，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在營造臺灣榿木混交林初期的變化差異不明顯。從實(shí)測數(shù)據(jù)可知，營造臺灣榿木混交林初期，臺灣榿木混交林的總孔隙度和毛管孔隙度均大于臺灣榿木純林；在0～20 cm土層的非毛管孔隙度、20～40 cm土層的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均是處理3最大；處理9在0～20 cm土層和20～40 cm土層的非毛管孔隙度均小于CK。多重比較可知：0～20 cm土層非毛管孔隙度的處理3與處理7、處理8、處理9和CK的差異顯著，20～40 cm土層總孔隙度的處理3與CK差異顯著，20～40 cm土層非毛管孔隙度的處理3與處理8和處理9顯著差異。

表2 土壤孔隙度?Table 2 Soil total porosity, capillary porosity and non capillary porosity of treatments %

2.2 臺灣榿木與不同樹種混交初期土壤化學(xué)性質(zhì)

從表3、表4可知，不同處理臺灣榿木混交初期0～20 cm土層有效磷有顯著差異，其它處理間的主要養(yǎng)分差異不顯著。實(shí)測數(shù)據(jù)看出：在0～20 cm土層，處理6、8和9的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和水解性氮含量較大；在20～40 cm土層，處理8和處理9的有機(jī)質(zhì)含量和水解性氮含量較大，處理9的全氮含量最大；處理1在0～20 cm土層和20～40 cm土層的有效磷和速效鉀含量均為最多。多重比較可知：在0～20 cm土層，處理1的有效磷含量與其它處理之間存在差異顯著，在20～40 cm土層，處理1的有效磷含量與處理5、6、CK之間存在明顯差異。無論是在0～20 cm土層還是20～40 cm土層，均有處理的主要營養(yǎng)養(yǎng)分含量低于CK，這可能與試驗(yàn)期短和樹種的生物學(xué)特性有關(guān)。

表3 土壤主要養(yǎng)分（0～20 cm土層）Table 3 Soil primary nutrients (0 to 20 cm layer)

表4 土壤主要養(yǎng)分（20～40 cm土層）Table 4 Soil primary nutrients (20 to 40 cm layer)

臺灣榿木與馬尾松混交造林，混交比例為1∶2的土壤有效磷含量是混交比例1∶1的336.84%（0～20 cm土層）和275.32%（20～40 cm土層）；臺灣榿木與巨尾桉混交造林，混交比例為1∶1的水解性氮含量是混交比例1∶2的122.38%（0～20 cm土層），混交比例為1∶1的速效鉀含量是混交比例2∶1的151.66%（20～40 cm土層）；臺灣榿木與紅錐混交造林，混交比例1∶1的有機(jī)質(zhì)含量是混交比例1∶2的115.61%（0～20 cm土層）和119.21%（20～40 cm土層）。表明混交造林中不同的混交比例對土壤主要養(yǎng)分有較大的影響。

2.3 臺灣榿木與不同樹種混交初期提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力

主成分分析是利用多指標(biāo)對供試材料進(jìn)行綜合評價的途徑之一，可以克服僅利用少數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價的不足。通過對各處理的土壤主要養(yǎng)分進(jìn)行主成分分析綜合評價，衡量各處理提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力。從表5可見，0～20 cm土層前面兩個主成份累計貢獻(xiàn)率已達(dá)89.859%，20～40 cm土層前面3個主成份累計貢獻(xiàn)率已達(dá)89.461%，因此可根據(jù)主成份分析綜合評價來說明各處理提高土壤主要養(yǎng)分的能力。從表6中可見，0～20 cm土層的綜合評價排序：處理9＞處理6＞處理8＞處理2＞CK＞處理3＞處理4＞處理7＞處理1＞處理5；20～40 cm土層的綜合評價排序：處理9＞處理7＞處理8＞處理1＞處理2＞處理6＞處理4＞CK＞處理3＞處理5。不管是0～20 cm土層還是20～40 cm土層，綜合評價得分最高的均是處理9，得分最低是處理5。

表5 各項(xiàng)指標(biāo)主成份、特征徝、貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvalues, percent contributions and cumulative contributions in PCA

3 結(jié)論與討論

混交林中因各樹種的生物特性差異，導(dǎo)致林木在生長發(fā)育過程中發(fā)揮著不同的作用，從而影響著土壤的理化性質(zhì)[18-19]。有研究表明光皮樺Betulaluminifera+杉木Cunninghamialanceolata混交林土壤容重低于純林，總孔隙度、水解性氮含量和速效鉀含量明顯高于純林[20]；桉樹+格木Erythrophleumfordii混交林土壤自然含水率、最大持水量、總孔隙度、通氣度均較純林大[13]。本研究結(jié)果與其基本一致，所有混交處理土壤容重均低于純林，甚至于有些處理已達(dá)到了顯著差異；所有混交處理的持水能力、總孔隙度、毛管孔隙度均大于純林?？梢姞I造臺灣榿木混交初期比純林更能改善土壤物理性質(zhì)，這種改善主要是混交林枯枝落葉量多，成分復(fù)雜，加上根系發(fā)達(dá)，促進(jìn)了微生物活動，使土壤疏松多孔、結(jié)構(gòu)性良好，加速了有機(jī)物分解和養(yǎng)分積累，從而改善土壤物理性狀[18,21]。

表6 土壤主要養(yǎng)分主成分分析Table 6 First and second axis scores, total scores and ranks of treatments in PCA

在混交林營造過程中，混交樹種是決定土壤理化性質(zhì)的重要因素之一[18]。研究結(jié)果顯示，臺灣榿木與紅錐混交（1∶1）造林其提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力在2個土層均排名第1，而臺灣榿木與巨尾桉混交（2∶1）造林其提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力在2個土層均排名最后?？赡芘c各樹種生物特性差異所致，紅錐是闊葉常綠樹種，凋落物多且易分解，具菌根菌，生長速度低于臺灣榿木[22]，兩者混交能合理的利用土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，減少營養(yǎng)物質(zhì)的缺失；巨尾桉是速生樹種，與同是生長迅速的臺灣榿木混交，需要從土壤中吸收大量的營養(yǎng)物質(zhì)才能使其正常生長。混交比例不同其影響土壤理化特征也不同，同是臺灣榿木與紅錐混交造林，混交比例為1∶1提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力在2個土層均排名第1，而混交比例為1∶2在0～20 cm土層排在第8、在20～40 cm土層排在第2，混交比例為1∶1在0～20 cm土層的最大持水量和毛管持水量分別是混交比例為1∶2的108.39%和110.37%；同是臺灣榿木與巨尾桉混交造林，混交比例2∶1提高土壤主要養(yǎng)分的綜合能力在2個土層均排名最后，而混交比例為1∶1在0～20 cm土層排在第2、在20～40 cm土層排在第6。這是因?yàn)椴煌幕旖槐壤绊懼N間關(guān)系的發(fā)展和混交效果，因此在混交造林中為了達(dá)到樹種之間合理的生存關(guān)系，要根據(jù)各樹種的地位和作用進(jìn)行合理的混交分配比例。綜上所述，對于改善土壤理化性質(zhì)來說，營造臺灣榿木與馬尾松、巨尾桉、紅錐混交林更優(yōu)于臺灣榿木純林，其中，對于提高土壤持水性能尤以2臺灣榿木+1紅錐混交造林較好，對于提高土壤主要營養(yǎng)養(yǎng)分尤以1臺灣榿木+1紅錐混交造林較優(yōu)。本研究僅開展了臺灣榿木與3個樹種的混交模式研究，混交模式較少，需深入開展臺灣榿木與其它喬木、灌木或農(nóng)作物的混交造林研究；同時此次研究試驗(yàn)林分栽植年限較短，混交各處理對土壤理化性質(zhì)的影響水平差異不大，結(jié)果存在一定的局限性，需要對試驗(yàn)林分進(jìn)行長期跟蹤觀察，探索臺灣榿木與馬尾松、巨尾桉、紅錐混交造林對土壤理化性質(zhì)整體水平的影響，進(jìn)而為臺灣榿木尋求最佳的混交樹種和混交比例提供有力的技術(shù)支撐。