杉木×觀光木異齡復(fù)層混交對(duì)林木生長及土壤理化性質(zhì)的影響

劉 濤，王家妍，李萬年，莫雅芳，楊 梅*

(1.廣西國有高峰林場(chǎng)，廣西 南寧 530001；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的亞熱帶地區(qū)重要的人工用材林樹種，人工林種植面積占我國人工林面積的18%[1]。經(jīng)營實(shí)踐證明，長期營造杉木純林存在樹種結(jié)構(gòu)單一、多樣性下降、森林生態(tài)系統(tǒng)脆弱、林木生產(chǎn)力和立地質(zhì)量下降等問題[2]。相關(guān)研究表明，營建混交林能有效改善土壤養(yǎng)分，促進(jìn)林木生長，提高林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增加物種多樣性，改善林內(nèi)生態(tài)環(huán)境[3-4]等,孫思怡等[5]研究指出，杉木林下套種闊葉樹能明顯改善土壤養(yǎng)分、微生物量、生態(tài)酶活性以及生態(tài)酶化學(xué)計(jì)量比。黃鈺輝等[6]研究指出,南亞熱帶杉闊混交林在土壤pH、速效N和速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面均有效升高，土壤改良作用明顯。曾翼等[7]對(duì)杉木人工林間伐后套種闊葉樹種生長進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)大葉櫟(Quercusgriffithii)在杉木林下生長速度最快，林下光環(huán)境直接影響套種樹種選擇?？迪ｎ５萚8]研究表明，構(gòu)建密度適宜的杉木-檫木(Sassafrastzumu)-櫟屬樹種中度混交林能提高林下更新潛力，增加群落的物種豐富度，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)。因此，營建杉木混交林，是解決杉木人工純林主要問題和維持杉木可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

觀光木(Tsoongiodenodorum)是木蘭科觀光木屬的常綠喬木，木材性質(zhì)優(yōu)良，樹皮、樹根等器官含有抗癌藥效成分，樹葉、樹枝可以用于提煉香精和香茶等，因曾遭受嚴(yán)重破壞，致使其野生資源極度稀少和種群數(shù)量不斷減少，被列為國家珍稀瀕危二級(jí)保護(hù)植物[9-10]。因此，為了保護(hù)觀光木，擴(kuò)大其種群數(shù)量，同時(shí)提高杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，增加物種多樣性，對(duì)杉木人工純林進(jìn)行改造試驗(yàn)，合理利用杉木成熟林的生長環(huán)境和觀光木在幼齡林時(shí)期比較耐蔭的生物學(xué)特性，在杉木人工林中引入觀光木，構(gòu)建杉×闊異齡復(fù)層混交林，充分利用2個(gè)樹種在垂直空間上的互補(bǔ)生態(tài)位資源、高效利用自然資源、促進(jìn)觀光木的生長、改善立地條件，維持林地土壤肥力和生產(chǎn)力等。本研究通過分析杉木純林、觀光木純林和杉木×觀光木異齡復(fù)層混交林3種林分類型的林木生長指標(biāo)、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比特征，探索不同營林模式下觀光木和杉木的生長狀況及林地土壤環(huán)境的變化規(guī)律。以了解不同林冠組成下杉木林和觀光木的土壤養(yǎng)分限制狀況，達(dá)到促進(jìn)林木生長、提質(zhì)增效，有效保護(hù)珍稀瀕危樹種等多重效益。對(duì)綜合評(píng)價(jià)杉木和觀光木人工林土壤肥力特征以及林木養(yǎng)分利用效率具有參考價(jià)值，也為退化土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和人工林持續(xù)經(jīng)營管理，建立樹種多樣、結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、長期穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西現(xiàn)代林業(yè)科技示范園優(yōu)良樹種展示區(qū)(108°07′-109°21′E， 22°50′-23°33′N)，低丘陵山地地貌，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21.0 ℃，年降水量1 200～1 500 mm，年日照時(shí)數(shù)1 450～1 650 h，相對(duì)濕度大于80%[11]。成土母質(zhì)以砂頁巖為主，土壤為酸性赤紅壤，質(zhì)地中壤至輕黏，土層厚度60～90 cm，表土層厚度20 cm，平均pH值為4.0～5.0，肥力中等。展示區(qū)內(nèi)森林覆蓋率91.77%，林下常見植被有野漆(Toxicodendronsuccedaneum)、三叉苦(Evodialepta)、山倉子(Litseacubeba)、東方烏毛蕨(Blechnumorientale)、鐵芒箕(Dicranopterisdichotoma)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflabellulatum)等。

1.2 試驗(yàn)林營造

試驗(yàn)林地于1995年種植杉木純林，苗木為廣西區(qū)內(nèi)1年生裸根苗，初植密度2 500株·hm-2，2003、2008、2013年對(duì)杉木進(jìn)行間伐。2013年間伐后林地保留杉木600株·hm-2，同年按照750株·hm-2的密度在杉木林下套種觀光木，套種后杉木與觀光木樹種比例為4∶5；皆伐林地按照1 350株·hm-2營造觀光木純林，觀光木均為1年生實(shí)生苗(平均苗高30 cm)。造林后，對(duì)觀光木撫育3 a，每年擴(kuò)坎施肥1次，全林分割草撫育2次 。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣地設(shè)置和林木調(diào)查 2017年7月，在杉木純林、觀光木純林和杉木×觀光木異齡復(fù)層林3種林地內(nèi)，選擇林木生長均勻的地段，遵循垂直等高線原則分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣方。對(duì)樣方內(nèi)的林木進(jìn)行每木調(diào)查，包括林木的胸徑、樹高、冠幅、地徑、單株生物量等。

1.3.2 土壤采樣 在每一個(gè)樣地內(nèi)選擇未受人為干擾、植被結(jié)構(gòu)和土壤具有代表性的地段，采取對(duì)角線法[12]，按照上、中、下坡位設(shè)置3個(gè)土壤樣點(diǎn)，按照0～20(A層)、20～40 cm(B層)從下而上分層采樣，采用環(huán)刀法采集土壤樣品用于測(cè)定土壤密度、總孔隙度等物理性質(zhì)。同時(shí)使用土壤取樣器分層采集土壤樣品，并寫好標(biāo)簽，做好標(biāo)記后裝到無菌塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，室溫下風(fēng)干，除去植物根系、石礫等雜質(zhì)，研磨過60目篩后將同一樣地同一土壤層樣品混合均勻，按四分法選取后用于化學(xué)分析測(cè)定。

1.3.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 參照GB 7848-7858-78《森林土壤養(yǎng)分分析》處理土壤樣品。用pH計(jì)測(cè)定土壤的pH，土壤有機(jī)碳(SOC)采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法進(jìn)行測(cè)定，土壤中全N(TN)采用凱氏定氮法測(cè)定，水解N采用苯酚-次氯酸鹽比色法測(cè)定，全P(TP)用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效P用雙酸浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定，全K(TK)用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效K用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用SPSS 19.0進(jìn)行T-檢驗(yàn)、單因素方差分析、Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長情況

從表1可以看出，造林4 a后，異齡復(fù)層林中杉木樹高遠(yuǎn)大于林中的觀光木，形成明顯異齡復(fù)層林分結(jié)構(gòu)。異齡復(fù)層林中杉木樹高和胸徑分別為18.56 m、20.19 cm，分別比杉木純林高出25.15%、9.79%。異齡復(fù)層林與純林觀光木的保存率分別為87.24%和76.67%，說明觀光木早期生長更能適應(yīng)杉木林下環(huán)境。觀光木純林平均樹高、胸徑、冠幅分別為5.3 m、2.52 cm、1.55 m，觀光木×杉木異齡復(fù)層林平均樹高、胸徑、冠幅分別為5.4 m、2.7 cm、1.60 m。經(jīng)T-檢驗(yàn)分析比較，異齡復(fù)層林中杉木和觀光木胸徑、樹高均顯著高于純林(P<0.05),綜合以上指標(biāo)，杉木×觀光木異齡復(fù)層混交經(jīng)營模式有利于杉木和觀光木的生長。

林分直徑分布是林分內(nèi)不同直徑林木按一定徑階排列的分布狀態(tài)，以2 cm為1個(gè)徑階，2種林分內(nèi)觀光木各徑階分布株數(shù)見圖1?；旖缓蟮闹陻?shù)徑階主要集中在4～8 cm，而純林在6徑階的分布明顯高于純林的其他徑階，約占純林林分的55%，相對(duì)來說，混交林中觀光木的徑階分布范圍較廣，純林內(nèi)徑階分布范圍更集中。

2.2 土壤分析

2.2.1 不同林分土壤物理性質(zhì)分析 由表2可知，異齡復(fù)層林各層土壤密度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度與觀光木、杉木純林均存在顯著差異(P<0.05)，異齡復(fù)層林物理性質(zhì)均比純林有不同程度的改善。3種林分土壤密度為1.18～1.52 g·cm-3，土壤密度隨著土層加深而增加。異齡復(fù)層林0～20、20～40 cm土層土壤密度分別為1.18、1.27 g·cm-3，分別比觀光木純林下降11.94%和10.56%，比杉木純林下降4.84%、5.93%。在同層土壤的孔隙度比較中，異齡復(fù)層林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均大于觀光木和杉木純林，相比純林分別增加10.29%～22.27%。杉木林下套種觀光木后土壤密度減少，孔隙度增加，表明異齡復(fù)層林有利于改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，土壤結(jié)構(gòu)更加疏松，透氣性更好，有利于土壤養(yǎng)分和水分輸送。

從表2可知，異齡復(fù)層林0～20 cm土壤層的最大持水量、毛管持水量和田間持水量分別比觀光木純林提高34.54%、25.23%、33.01%，比杉木純林提高8.62%、8.32%、12.11%；20～40 cm土壤層最大持水量、毛管持水量和田間持水量分別比觀光木純林增加14.46%、18.26%、18.35%，比杉木純林提高6.99%、4.00%、16.01%，表明杉木林林下套種觀光木后較觀光木、杉木純林的土壤持水量有所增加。

表2 不同林分土壤物理性質(zhì)比較

2.2.2 不同林分土壤化學(xué)性質(zhì)分析 由表3可知，異齡復(fù)層林土壤pH較純林有所提高，各層土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K及速效養(yǎng)分與觀光木、杉木純林均存在顯著差異(P<0.05)，土壤養(yǎng)分含量隨著土層加深而遞減。3種林分土壤有機(jī)碳、全N、全P平均含量分別為27.79、1.52、0.41 mg·g-1，其中異齡復(fù)層林表層土壤(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、速效P、速效K比觀光木純林提高34.63%、68.31%、58.97%、21.99%、59.88%、70.72%、28.73%，比杉木純林提高20.75%、44.98%、67.57%、20.87%、39.52%、61.28%、18.94%；異齡復(fù)層林20～40 cm土壤層有機(jī)質(zhì)分別比杉木和觀光木純林提高29.00%、35.06%，各養(yǎng)分含量分別比杉木、觀光木純林高出7.87%～41.31%、14.32～53.57%，說明異齡復(fù)層林對(duì)表層土壤的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的影響更為強(qiáng)烈，對(duì)表層土壤(0～20 cm)影響超過更深層次(20～40 cm)的土壤。各層土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量由大到小呈現(xiàn)為：異齡復(fù)層林、杉木純林、觀光木純林。

表3 不同林分土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量比較

3 結(jié)論與討論

劉金熾等[13]研究發(fā)現(xiàn)，觀光木幼樹耐蔭，生長需要一定的蔭蔽條件，適度遮陰有利于觀光木的生長。聶穎[14]開展杉木林冠下套種4個(gè)樹種試驗(yàn)結(jié)果顯示，觀光木對(duì)Ⅱ立地級(jí)、郁閉度0.6的杉木林下條件適應(yīng)能力最強(qiáng)。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果基本一致，異齡復(fù)層林中觀光木胸徑、樹高、單株生物量分別比純林增加3.21%、8.73%、18.52%，并且復(fù)層林中杉木胸徑、樹高分別比杉木純林提高25.15%、9.79%。在杉木×觀光木異齡復(fù)層林中，杉木形成上層林分結(jié)構(gòu)，為觀光木生長提供良好的遮陰環(huán)境，2種樹種形成生態(tài)位互補(bǔ)，提高空間和資源的利用率，促進(jìn)樹種生長。

杉木等一般針葉樹凋落物落物緊密、含單寧物質(zhì)較多，不利于養(yǎng)分分解和歸還[15]。劉濤等[16]研究表明，在杉木林下套種華蓋木、亮葉木蓮、紅豆后，整體上改善原杉木純林的土壤理化性質(zhì)，木蘭科樹種與杉木異齡混交表現(xiàn)為相互促進(jìn)的種間關(guān)系。樂興釗[17]在杉木林下套種閩粵栲，林分土壤肥力提高19.05%。本研究在杉木林下套種觀光木后，增加不同土壤層次中根系的分布，根系分布空間更加復(fù)雜，凋落物種類和數(shù)量增多，分解速率和養(yǎng)分歸還加快，土壤密度變小，利于土壤孔隙和持水狀況改善，土壤結(jié)構(gòu)變得更加疏松，土壤養(yǎng)分含量增加，促進(jìn)杉木和觀光木林木生長。觀光木純林是在原杉木林皆伐后種植的，受到人工整地、撫育等管理活動(dòng)影響，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，且林分處于幼林期，凋落物減少，腐化程度降低，導(dǎo)致在3種林分理化性質(zhì)表現(xiàn)中觀光木純林表現(xiàn)最差。

土壤中有機(jī)碳和營養(yǎng)元素主要來源于林分的凋落物分解，后隨著雨水向下淋溶，因此本研究中土壤有機(jī)碳和營養(yǎng)元素隨著土層加深而遞減，出現(xiàn)表聚效應(yīng)，這與茍麗暉等[18]的研究結(jié)果一致。C、N、P是植物生長必須的大量元素，土壤中有機(jī)碳、N、P直接影響植物生長、群落的結(jié)構(gòu)和功能[19-21]。杉木×觀光木異齡復(fù)層林土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、水解N、速效P、速效K含量均高于杉木、觀光木純林，說明異齡混交能顯著提高土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量。本研究中3種林分土壤有機(jī)碳、全N、全P平均含量分別為27.79、1.52、0.41 mg·g-1，有機(jī)碳、全N高于全國水平(11.12、1.06 mg·g-1)，全P含量低于全國水平(0.65 mg·g-1)[22]，說明本研究試驗(yàn)地中土壤P元素嚴(yán)重缺乏。可能是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，處于低緯度地區(qū)，雨熱同期，土壤淋溶作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤移動(dòng)性較強(qiáng)的有效P含量減少；另外，研究區(qū)域土壤為典型的酸性赤紅壤，土壤中鐵、鋁活性較強(qiáng)，與有效P形成固定態(tài)鐵磷和鋁磷，難以被植物吸收。

土壤化學(xué)計(jì)量比是反映土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分有效性的重要指標(biāo)，比如土壤中C∶N、C∶P是判斷土壤C、N、P礦化和固持作用的重要表征，一般認(rèn)為C∶N、C∶P比值越小，微生物轉(zhuǎn)化速率越快，土壤礦化和固持作用越好[23-24]。本研究中異齡復(fù)層林中C∶N、C∶P平均值分別為16.62、61.46，均低于杉木和觀光木純林，說明在杉木林中套種觀光木能加快土壤微生物的轉(zhuǎn)化和礦化作用，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)分解速率和N、P有效釋放。