木麻黃純林及其混交林對(duì)土壤剖面理化性質(zhì)的影響

王小燕， 薛 楊， 宿少鋒， 林之盼， 雷湘齡， 王耀山

( 1. 海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)， ?？?571100； 2. 海南省農(nóng)業(yè)學(xué)校， ?？?571100 )

木麻黃()原產(chǎn)于澳大利亞、越南等地，自20世紀(jì)50年代被引入我國(guó)以來(lái)，已成為我國(guó)東南沿海防護(hù)林的主栽樹種，從福建至廣東、海南，其種植面積達(dá)30萬(wàn)hm(仲崇祿等，2005)。木麻黃具有生長(zhǎng)迅速、防風(fēng)固沙強(qiáng)、抗御海潮及風(fēng)暴、改善沿海生態(tài)環(huán)境、提供用材等作用，經(jīng)過(guò)多年的栽培，已顯現(xiàn)出相當(dāng)好的地域適應(yīng)性(Chen et al., 2018；楊彬和郝清玉，2020)，并且有力地推動(dòng)了沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，保障了沿海居民的穩(wěn)定生活(杜建會(huì)等，2014)。海南島位于我國(guó)南海北部，具有1 528.4 km的海岸線，其中宜林海岸線長(zhǎng)達(dá)1 105 km，約占總海岸線長(zhǎng)的72.03%(姚曉靜等，2013)。木麻黃防護(hù)林在海南島海岸線的大面積構(gòu)建，全島風(fēng)沙危害問(wèn)題基本得到了解決(劉成路等，2013)。

由于木麻黃人工林樹種組成單一化嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)配置重視不足，多代連栽和林分結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，木麻黃林逐漸出現(xiàn)了較多的生態(tài)問(wèn)題，如林帶穩(wěn)定性和生物多樣性下降、自身遺傳多樣性降低、病蟲害頻發(fā)、林地碳匯功能減弱、土壤整體地力衰退、防護(hù)效能減弱，甚至造成生態(tài)環(huán)境的惡化(Leelamanie, 2016；王璇等，2017；徐志霞等，2018)。馮劍等(2016)通過(guò)研究欖仁樹與木麻黃的混交林型，發(fā)現(xiàn)木麻黃的根系、凋落物等化感物質(zhì)均降低了欖仁樹幼苗的存活率，并影響其幼苗生長(zhǎng)發(fā)育。黃舒靜等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，木麻黃化感物質(zhì)對(duì)自身幼苗的生長(zhǎng)也有明顯的抑制作用，這種化感物質(zhì)積累、林地土壤養(yǎng)分耗竭等也是造成木麻黃自身更新困難的主要原因。Zhou等(2019)研究表明，長(zhǎng)期純林的種植模式加劇了木麻黃根際土壤的微生態(tài)失衡，并顯著降低了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，造成土壤退化。目前普遍認(rèn)為，營(yíng)造良好的混交林是提高人工林生物多樣性和生態(tài)穩(wěn)定性的有效措施，而且還在地力衰退的防治方面發(fā)揮重要作用(盛煒彤，2018；Pereira et al., 2019)。綜上所述，針對(duì)目前木麻黃林分結(jié)構(gòu)單一造成的土壤肥力衰退等問(wèn)題，本研究在海南北部海岸線選取了3種林分類型(木麻黃純林，木麻黃和瓊崖海棠混交林，木麻黃和大葉相思混交林，其中瓊崖海棠和大葉相思已被證實(shí)是具有較強(qiáng)更新潛力的樹種)，通過(guò)分析林下土壤剖面理化性質(zhì)分布特征及其林分間的差異，探討防護(hù)林結(jié)構(gòu)對(duì)土壤肥力指標(biāo)的影響，以期達(dá)到增強(qiáng)林帶穩(wěn)定性和防護(hù)功能連續(xù)性、改善土壤肥力的目的，最終為我國(guó)東南沿海木麻黃防護(hù)林體系建設(shè)提供樹種選擇和配置依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)楹Ｄ鲜『？谑徐`山鎮(zhèn)后尾村，位于海南省東北部海岸帶，地理位置為115°58′31.0″ E、40°27′35.5″ N，該區(qū)域地勢(shì)平坦，海拔高度在8～10 m之間。屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，為濕潤(rùn)氣候區(qū)，干濕季節(jié)明顯，年均降雨量為1 684 mm，多集中于5—9月，年均氣溫為23.8 ℃。土壤類型為海風(fēng)、海水搬運(yùn)后形成的砂質(zhì)磚紅壤，土壤疏松且水肥條件較差。

1.2 樣地布設(shè)、土樣采集及測(cè)定

試驗(yàn)選取該區(qū)域代表性的3種林分類型，分別為木麻黃純林(,)、木麻黃-瓊崖海棠混交林(×,×)、木麻黃-大葉相思混交林(×,×)。樣地基本概況如表1所示，林下主要草本植被類型如表2所示。采用典型取樣方法，如圖1所示，在以上3種林分中各設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m的代表性方形樣方，在每個(gè)樣方中選擇代表性的土壤調(diào)查地段，各挖取1個(gè)0～100 cm的土壤剖面，除去凋落物層后，按照O層(腐殖質(zhì)層)、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm土層分層取混合土樣，共計(jì)45個(gè)土樣，其中通過(guò)觀察確定土壤腐殖質(zhì)層(色暗、疏松)，其與表層土壤具有明顯差異。將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)篩后，用于土壤理化性狀的測(cè)定(魯如坤，2000)。分別采用電位法測(cè)定pH，重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定有機(jī)碳，半微量定氮法測(cè)定全氮，酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，堿溶-火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量，BrayⅠ提取-鉬銻抗吸光光度法測(cè)定有效磷含量，乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量，氯化鉀浸提-連續(xù)流動(dòng)分析儀法測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

表 1 樣地基本概況Table 1 Basic general situation of experimental sites

分別代表木麻黃、瓊崖海棠和大葉相思；▲代表土壤剖面采樣點(diǎn)。 indicate Casuarina equisetifolia, Calophyllum inophyllum and Acacia auriculiformis, respectively; ▲ indicates the soil profile sampling sites.圖 1 不同林分類型種植示意圖Fig. 1 Planting diagram of different plantations

表 2 樣地林下主要草本層植被類型Table 2 Herbaceous vegetation types of experimental sites under forest

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析比較3種林分類型同一土層土壤理化性質(zhì)的差異性，利用最小差異顯著性法(LSD)對(duì)各水平間的差異進(jìn)行分析，用雙因素方差分析3種林分類型、不同土層對(duì)土壤理化性質(zhì)的交互影響，用Pearson相關(guān)性對(duì)土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性進(jìn)行分析，顯著性水平設(shè)置為<0.05。統(tǒng)計(jì)圖使用Origin 8.0軟件進(jìn)行制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤pH分布特征

由圖2可知，不同林分下土壤pH隨剖面深度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林pH變幅分別為4.47～5.50、4.75～5.90、4.60～5.65。3種林分類型間pH大小順序?yàn)槟韭辄S-瓊崖海棠混交林>木麻黃-大葉相思混交林、木麻黃純林。其中，在腐殖質(zhì)層和20～40 cm土層下各林分pH間差異顯著(<0.05)；在腐殖質(zhì)層，木麻黃-瓊崖海棠混交林顯著高于其他兩種林分，較木麻黃純林高0.27個(gè)單位，增幅達(dá)6.11%，較木麻黃-大葉相思混交林高0.15個(gè)單位，增幅達(dá)3.26%；20～40 cm土層，木麻黃-瓊崖海棠混交林較木麻黃純林高0.32個(gè)單位，增幅為5.97%。通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，林分類型和剖面深度均對(duì)pH有極顯著的影響(<0.01)，林型和剖面深度的交互作用則對(duì)pH無(wú)顯著影響。

T表示林分類型; D表示土壤剖面深度。和分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。下同。T indicates plantation type; D indicates soil profile depth. and indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectivety. The same below.圖 2 不同林分類型土壤剖面pH分布特征Fig. 2 pH distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.2 土壤剖面有機(jī)碳和全氮分布特征

不同林分土壤剖面有機(jī)碳和全氮含量以及C/N分布特征如圖3所示。由圖3可知，土壤有機(jī)碳和全氮含量均隨剖面深度的增加呈顯著降低的趨勢(shì)，其中木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林土壤有機(jī)碳含量變幅分別為0.08～8.80、0.37～20.80、0.79～24.62 g·kg，全氮含量變幅分別為0.03～0.48、0.05～0.69、0.08～0.83 g·kg。3種林分類型間土壤有機(jī)碳和全氮含量的大小順序標(biāo)線為木麻黃-大葉相思混交林>木麻黃-瓊崖海棠混交林>木麻黃純林，其中，不同土層各林分間差異均達(dá)到顯著水平(<0.05)。與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林各層土壤有機(jī)碳和全氮含量增幅范圍分別為69.8%～358.3%和44.1%～160.7%，木麻黃-大葉相思混交林增幅范圍分別為90.2%～908.3%和31.4%～210.7%，有機(jī)碳含量增幅高于全氮增幅。從C/N比來(lái)看，依然為腐殖質(zhì)層高于其他土層，木麻黃-大葉相思混交林顯著高于木麻黃純林。從方差分析可以看出，林分類型、剖面深度以及二者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳含量、全氮含量以及C/N均有極顯著影響。

圖 3 不同林分類型土壤剖面有機(jī)碳含量、全氮含量和C/N分布特征Fig. 3 Soil organic carbon contents, total nitrogen contents and C/N distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.3 土壤剖面全磷和全鉀分布特征

由圖4可知，土壤全磷和全鉀含量均隨剖面深度的增加呈降低的趨勢(shì)。木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林剖面土壤全磷含量變幅分別為0.107～0.287、0.137～0.300、0.149～0.337 g·kg，全鉀含量變幅分別為0.098%～0.133%、0.112%～0.142%、0.120%～0.150%，3種林分類型間土壤全磷和全鉀含量的大小順序基本表現(xiàn)為木麻黃純林小于木麻黃-大葉相思混交林和木麻黃-瓊崖海棠混交林。就全磷含量而言，0～20 cm土層下，木麻黃-瓊崖海棠混交林顯著高于木麻黃純林和木麻黃-大葉相思混交林，增幅分別為39.6%和23.4%，而在20～100 cm各土層下木麻黃混交林均顯著高于木麻黃純林，木麻黃-瓊崖海棠混交林增幅為20.8%～28.2%，木麻黃-大葉相思混交林增幅為25.0%～39.6%；就全鉀含量而言，40～60 cm土層下，木麻黃-大葉相思混交林顯著高于木麻黃純林，增幅為20.6%。從方差分析結(jié)果來(lái)看，林分類型、剖面深度均對(duì)全磷和全鉀含量有極顯著影響，而二者交互作用均對(duì)全磷含量有極顯著影響(<0.01)。

ns表示無(wú)顯著性差異。ns indicates no significant differences. 圖 4 不同林分類型土壤剖面全磷含量和全鉀含量分布特征Fig. 4 Total phosphorus and total potassium contents distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.4 土壤剖面速效養(yǎng)分分布特征

不同林分下土壤剖面速效養(yǎng)分分布特征如圖5所示。3種林分類型有效磷含量變幅分別為木麻黃純林1.30～1.74 mg·kg、木麻黃-瓊崖海棠混交林1.66～2.09 mg·kg、木麻黃-大葉相思混交林1.29～2.21 mg·kg。其中，木麻黃純林的腐殖質(zhì)層有效磷含量低于其他土層，而兩種混交林的腐殖質(zhì)層則高于其他土層，且隨剖面深度的增加呈降低的趨勢(shì)。同時(shí)，兩種混交林腐殖質(zhì)層顯著高于木麻黃純林，增幅分別為60.5%和70.2%，然而較深層次(20～100 cm)土壤下，木麻黃-大葉相思混交林有效磷含量相對(duì)于其他兩種林型較低。方差分析表明，林分類型、剖面深度以及二者交互作用均對(duì)有效磷含量有極顯著影響(<0.01)。

圖 5 不同林分類型土壤剖面有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分布特征Fig. 5 Available phosphorus, available potassium, nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents distribution characteristics of soil profile in different plantations

隨剖面深度的增加，各林分速效鉀含量均呈降低的趨勢(shì)。3種林分類型土壤速效鉀含量變幅為木麻黃純林2.05～13.58 mg·kg、木麻黃-瓊崖海棠混交林2.47～14.23 mg·kg、木麻黃-大葉相思混交林3.70～16.22 mg·kg；各土層速效鉀含量均表現(xiàn)為木麻黃-大葉相思混交林>木麻黃-瓊崖海棠混交林>木麻黃純林，與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林和木麻黃-大葉相思混交林各土層速效鉀含量增幅分別為4.8%～87.2%和19.4%～98.2%。方差分析顯示，林分類型和剖面深度均對(duì)速效鉀含量有極顯著影響(<0.01)，而二者交互作用對(duì)其無(wú)顯著影響。

隨剖面深度的增加，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均呈明顯降低的趨勢(shì)，腐殖質(zhì)層顯著高于其他土層。腐殖質(zhì)層下的各林分間土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量差異顯著，其中木麻黃-大葉相思混交林均顯著高于木麻黃純林和木麻黃-瓊崖海棠混交林，硝態(tài)氮含量增幅分別為21.8%和21.0%，銨態(tài)氮含量增幅分別為162.6%和66.8%。方差分析表明，林分類型、剖面深度以及二者交互作用均對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量有極顯著影響(<0.01)。

2.5 土壤剖面理化性狀相關(guān)分析

通過(guò)分析3種林分條件下不同理化性狀之間的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)(表3)，土壤pH與有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他土壤養(yǎng)分含量間均呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中，有機(jī)碳含量與全氮、硝態(tài)氮以及銨態(tài)氮含量間的相關(guān)系數(shù)高于其他指標(biāo)。

表 3 不同林分類型土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation coefficients between soil physico-chemical properties of different plantations

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林可有效改善土壤酸度，提高各層土壤pH，而木麻黃-大葉相思混交林與木麻黃純林間無(wú)顯著差異。總的來(lái)看，混交林模式改善土壤pH的作用機(jī)制可能有以下三方面原因。第一，酚酸類是土壤最具化感潛力的化學(xué)物質(zhì)之一，純林根系分泌物中各類酚酸物質(zhì)的含量均顯著高于混交林，而酚酸含量又與土壤pH呈負(fù)相關(guān)，因此，與純林相比，混交林根系間的相互作用減弱了根系分泌物的酚酸物質(zhì)含量，進(jìn)而改善土壤pH(柴旭光，2016)；第二，混交林枯落物產(chǎn)量和豐富度高于純林(趙燕波等，2015)，從而產(chǎn)生更多的中間產(chǎn)物和腐殖質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)中的酸性基團(tuán)(-COOH)提供了大量的陽(yáng)離子交換位點(diǎn)，枯落物物通過(guò)釋放更多的陽(yáng)離子，進(jìn)而中和土壤氫離子，減緩?fù)寥赖乃峄?汪思龍和陳楚瑩，1992)；第三，有學(xué)者認(rèn)為混交林種植會(huì)通過(guò)提升土壤pH進(jìn)而抑制土壤鋁有效性，對(duì)緩解植物鋁毒有改善作用(雷波等，2014)。綜上所述，合理的混交林模式在一定程度上可以減緩木麻黃林地土壤的酸化。

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量森林土壤肥力的重要指標(biāo)，其主要來(lái)源于植物地上枯落物和地下根系的輸入，是指示土壤肥力與健康的關(guān)鍵指標(biāo)(楊承棟，2016)。本研究表明，不同木麻黃林分類型土壤有機(jī)碳和全氮含量總體隨土層加深呈下降趨勢(shì)，腐殖質(zhì)層有機(jī)碳和全氮含量明顯高于其他各層土壤，表現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象，且瓊崖海棠、大葉相思與木麻黃混交林的這種現(xiàn)象較木麻黃純林更明顯。一方面，森林枯落物歸還到土壤中后，主要覆蓋在地表，而枯落物中主要成分為碳，其次為氮，二者在地表逐年富集進(jìn)而造成了明顯的層次性；另一方面，混交林與純林相比，混合枯落物的非加和效應(yīng)加速了其分解和轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而有效提升了土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)林地容蓄能力，更有利于混交林植物的生長(zhǎng)和林分的穩(wěn)定(熊勇等，2012)。兩種混交林相比，木麻黃-大葉相思混交林的層次性更明顯，一方面與大葉相思混交林枯落物產(chǎn)量高于瓊崖海棠混交林有關(guān)(薛楊等，2014)；另一方面可能是由于大葉相思的根瘤菌固定氮?dú)?，?duì)土壤的增氮效果和改土效果較好(唐國(guó)勇等，2012)。以往研究表明，大葉相思人工林的樹冠較高，葉面積大，枯落物產(chǎn)量高且分解快，養(yǎng)分元素能夠較快地進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，維持土壤肥力，同時(shí)還可有效降低風(fēng)速，削弱強(qiáng)風(fēng)影響，提高林分防護(hù)功能(高成杰等，2014)。生產(chǎn)中值得注意的是，大葉相思樹冠開展，在木麻黃和大葉相思混交造林時(shí)，最好將兩個(gè)樹種交接行的行距適當(dāng)加大，以避免木麻黃受到庇蔭而影響生長(zhǎng)，或者在生長(zhǎng)后期對(duì)大葉相思做適當(dāng)修剪，減少種間樹冠過(guò)度重疊(陳德旺，2003)。

本研究發(fā)現(xiàn)，與木麻黃純林相比，兩種混交林對(duì)土壤全磷含量的改善效果均較好，對(duì)全鉀含量亦有一定的提升作用。主要由于濱海沙地保水保肥能力差，加之降雨量集中且大，造成土壤中鉀離子徑流、淋洗損失嚴(yán)重(丁效東等，2016)，通過(guò)混交林種植可以增加植被覆蓋度，起到抗侵蝕作用；另外，還可通過(guò)產(chǎn)生大量枯落物增加輸入到土壤中的磷和鉀含量，進(jìn)而提高土壤全磷和全鉀貯量。從土壤速效養(yǎng)分來(lái)看，速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量在不同林分類型下均表現(xiàn)出明顯的“表聚”現(xiàn)象，主要原因?yàn)楦迟|(zhì)層和上層土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，降低了速效養(yǎng)分隨降雨向下層土壤淋洗。通過(guò)分析土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，土壤pH與有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀以及速效養(yǎng)分含量均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而土壤養(yǎng)分間均呈顯著或極顯著正相關(guān)。以往研究認(rèn)為，在適當(dāng)降低土壤pH的情況下，提高養(yǎng)分含量，可以增加人工林的土壤微生物數(shù)量，進(jìn)而改善林地土壤微生態(tài)環(huán)境(梁國(guó)華等，2015)。綜上所述，木麻黃不同林分類型下的土壤理化性質(zhì)存在差異，生產(chǎn)實(shí)踐中，可以通過(guò)合理的混交林種植來(lái)改善林內(nèi)枯落物的組成及性質(zhì)，不斷提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)和土壤肥力，進(jìn)而促使濱海沙地木麻黃防風(fēng)林的可持續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展。