毛竹林內(nèi)套種浙江楠和南方紅豆杉對林地土壤質(zhì)量的影響1)

趙建誠 王波 楊振亞 伊理孝 林曉越 李琴

(浙江省林業(yè)科學研究院，杭州，310023) (龍游縣林業(yè)水利局) (龍游縣溪口林場) (浙江省林業(yè)科學研究院)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我國重要經(jīng)濟竹種，具有分布廣、生長快、可持續(xù)經(jīng)營等特點[1-3]。近年來，隨著勞動力成本的增加以及竹材價格的持續(xù)下跌，毛竹林經(jīng)濟效益顯著下降，嚴重影響竹農(nóng)經(jīng)營毛竹林的積極性，致使不少地區(qū)的毛竹林出現(xiàn)拋荒棄管現(xiàn)象[4]。另外，高度集約經(jīng)營的毛竹純林，結構單一、生態(tài)功能脆弱問題突出。建立復層林是解決毛竹純林經(jīng)濟效益低、生態(tài)功能弱的重要措施[5-6]，可以有效利用下層森林空間，發(fā)展成為混交林，能夠顯著提高竹材和竹筍的產(chǎn)量[7-8]。

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量交換的載體，為植物生長提供了必需的水分和養(yǎng)分[9]。土壤質(zhì)量是土壤物理、化學、生物學性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，是抵抗外界環(huán)境變化的具體體現(xiàn)[10-11]。土壤質(zhì)量與地上植被的生長密切相關[12-13]，森林類型的變化影響著生態(tài)系統(tǒng)的植物組成、種群結構、生產(chǎn)力水平；森林凋落物、根系分泌物、土壤微生物群落的變化影響土壤發(fā)育及養(yǎng)分有效性[14-17]。

已有研究表明，毛竹入侵闊葉林或針葉林后，土壤質(zhì)量發(fā)生了明顯變化[18-19]。但在毛竹林中，也已廣泛種植浙江楠(Phoebechekiangensis)、南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)。為探索毛竹林中套種2樹種后毛竹林地土壤質(zhì)量的變化，本研究于2019年10月份，在浙江省衢州市龍游縣溪口林場選擇2012年林下套種浙江楠、南方紅豆杉的毛竹林為研究對象，選擇與研究對象立地條件一致的毛竹純林為對照，在3種林型內(nèi)分別建立3塊20 m×20 m標準樣地，用環(huán)刀按照不同土層(h)0

1 研究區(qū)概況

試驗地位于浙江省衢州市龍游縣溪口林場(119°19′36″E，28°85′74″N)，屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.1 ℃，年均降水量1 603 mm，相對濕度79%。土壤為紅壤，土層厚度中等。研究區(qū)毛竹林資源豐富，以材用為主，兼顧筍用，大小年明顯，平均立竹密度為2 537株·hm-2。

2 研究方法

2.1 樣地設置

浙江楠(Phoebechekiangensis)、南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)于2012年種植，種植前通過砍伐調(diào)整竹林結構，立竹密度保持在1 500株·hm-2。2019年10月份，選擇林下套種浙江楠、南方紅豆杉的毛竹林地為試驗地，并選擇與套種2樹種的毛竹林立地條件一致的毛竹純林為對照，在3種林型內(nèi)分別建立3塊20 m×20 m標準樣地，共9塊樣地。測定樣地的坡向、坡度、海拔，對樣地內(nèi)毛竹進行每竹調(diào)查，記錄竹齡、胸徑、干高等生長指標(見表1)。

表1 3種竹林類型概況

2.2 樣品采集與評價指標測定

在標準樣地內(nèi)，以S型隨機布置3個取樣點，用環(huán)刀按照不同土層(h)0

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用SAS 9.4軟件進行單因素方差分析、最小顯著性檢驗，運用主成分分析法計算不同套種模式毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。

數(shù)據(jù)標準化：為消除數(shù)據(jù)單位限制，首先對土壤理化性質(zhì)、酶活性以及微生物特征等20個土壤質(zhì)量指標進行標準化處理，參照文獻[10]的方法，采用公式F(Xi)=(Xij-Xi(min))/(Xi(max)-Xi(min))進行計算；Xij為第i項因子平均值、Xi(max)為第i項因子中的最大值、Xi(min)為第i項因子中的最小值。

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計算：運用SAS 9.4軟件對20項指標的標準化數(shù)據(jù)進行主成分分析，得出各因子的貢獻率和累計貢獻率，計算土壤質(zhì)量指標的公因子方差；然后計算各指標公因子方差占總公因子方差的比例，即權重，表示各因子對土壤質(zhì)量的影響程度。運用加權綜合法和模糊數(shù)學中的加乘法則，采用公式計算不同套種模式毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(F)，F(xiàn)=∑[Wi×F(Xi)]。Wi為各土壤因子的權重，反映各評價指標的重要性；F(Xi)為各土壤因子的隸屬度值，反映各評價指標的優(yōu)劣；i為評價指標的個數(shù)。

3 結果與分析

3.1 不同套種模式對毛竹林土壤物理性質(zhì)的影響

由表2可見：不同套種模式毛竹林土壤各物理性質(zhì)指標存在一定差異。3種套種模式，毛竹林下套種浙江楠林分土壤含水率最大(平均為17.24%)、毛竹林下套種南方紅豆杉林分土壤含水率次之、毛竹純林土壤含水率最??；土層深度對土壤含水率也有一定影響，隨著土壤深度的增加，土壤含水率呈逐漸增加趨勢，但差異不顯著。土壤密度，以毛竹純林土壤密度最大(平均為1.06 g·cm-3)、毛竹林下套種浙江楠林分和毛竹林下套種南方紅豆杉林分土壤密度相對較小，說明套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹林土壤密度降低；同一套種模式，土壤密度隨土層深度增加而增大，其中，毛竹林下套種南方紅豆杉林分和毛竹純林0

表2 不同套種模式的毛竹林土壤物理性質(zhì)

3.2 不同套種模式對毛竹林土壤化學性質(zhì)的影響

由表3可見：研究區(qū)為酸性土壤，pH為4.86～5.16，同一套種模式不同土層土壤pH差異不顯著。土壤各養(yǎng)分元素質(zhì)量分數(shù)，在不同套種模式林分間有一定差異；毛竹純林土壤的有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分數(shù)，均小于毛竹林下套種浙江楠林分土壤的、毛竹林下套種南方紅豆杉林分土壤的，其中，毛竹林下套種浙江楠林分土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分數(shù)最高，毛竹林下套種南方紅豆杉林分土壤的速效氮、速效磷質(zhì)量分數(shù)最高。同一套種模式，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與土層深度也有一定的相關性，土壤的有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分數(shù)，均隨土層深度增加呈降低趨勢。

表3 不同套種模式的毛竹林土壤化學性質(zhì)

竹林類型土層(h)/cm全磷質(zhì)量分數(shù)/g·kg-1速效磷質(zhì)量分數(shù)/mg·kg-1全鉀質(zhì)量分數(shù)/g·kg-1速效鉀質(zhì)量分數(shù)/mg·kg-1BPC0

3.3 不同套種模式對毛竹林土壤酶活性的影響

由表4可見：套種浙江楠、南方紅豆杉對毛竹林土壤酶活性有一定影響，套種2樹種后土壤酶活性均有所增加。毛竹林下套種浙江楠林分的土壤脲酶、蛋白酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性最高，顯著高于毛竹純林土壤的(P<0.05)；而毛竹林下套種南方紅豆杉林分的土壤蔗糖酶活性最高，且顯著高于毛竹純林土壤的(P<0.05)。各類土壤酶活性隨土層深度的變化規(guī)律相似，均隨著土層深度的增加而降低；同一套種模式，0

表4 不同套種模式的毛竹林土壤酶活性

3.4 不同套種模式對毛竹林土壤微生物特征的影響

由表5可見：套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹林土壤微生物量碳、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)均有所增加。0

表5 不同套種模式的毛竹林土壤微生物量碳氮質(zhì)量分數(shù)

3.5 不同套種模式毛竹林土壤質(zhì)量的綜合評價

由20個土壤質(zhì)量指標主成分分析和權重計算結果(見表6)、主成分貢獻率(見表7)可見：提取的4個主成分因子的累計貢獻率為97.97%，幾乎包含了原始數(shù)據(jù)的全部信息量，符合主成分分析累計貢獻率≥80%的條件。第1主成分的特征值為15.38，主要綜合了土壤密度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全氮質(zhì)量分數(shù)、全磷質(zhì)量分數(shù)、全鉀質(zhì)量分數(shù)、速效氮質(zhì)量分數(shù)、速效磷質(zhì)量分數(shù)、速效鉀質(zhì)量分數(shù)、脲酶活性、蔗糖酶活性、蛋白酶活性、過氧化氫酶活性、酸性磷酸酶活性、微生物量碳質(zhì)量分數(shù)、微生物量氮質(zhì)量分數(shù)，對總變異量的貢獻率為76.90%。

表6 不同套種模式的毛竹林土壤質(zhì)量指標的主成分因子載荷、公因子方差及權重

表7 不同套種模式的毛竹林土壤質(zhì)量指標的4個主成分貢獻率

由表8可見：土壤質(zhì)量與毛竹林下套種樹種種類有較大關系，各套種模式的毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，由大到小依次為毛竹林下套種南方紅豆杉(0.606)、毛竹林下套種浙江楠(0.519)、毛竹純林(0.269)，毛竹林下套種浙江楠、南方紅豆杉可以顯著提高毛竹林土壤質(zhì)量。同一套種模式時，不同土層間土壤質(zhì)量也有一定差異。隨著土層深度的增加，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)呈逐漸降低趨勢，0

表8 不同套種模式的毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

4 討論與結論

土壤質(zhì)量及其指標的變化是復雜的地球生物化學過程，受氣候、植物生長、土壤性質(zhì)以及人為活動等眾多因素的影響[10]。土壤質(zhì)量與地上植被的生長密切相關；本研究中，毛竹林下套種浙江楠、南方紅豆杉，使毛竹林由純林向混交林發(fā)展，改變了凋落物和根系分泌物，從而影響土壤質(zhì)量。目前，混交林土壤質(zhì)量評價，主要從土壤理化性質(zhì)、酶活性、微生物特征3個方面開展。

本研究表明，毛竹林下套種浙江楠的林分、套種南方紅豆杉的林分，土壤理化性質(zhì)存在顯著差異。套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹林的土壤含水率、孔隙度升高，而土壤密度降低。浙江楠、南方紅豆杉引入后，與毛竹林形成混交林，林下植被、凋落物數(shù)量、細根周轉速率增加，凋落物的組成和分解狀況顯著影響土壤物理性質(zhì)，還可以向土壤輸入更多的有機質(zhì)。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加，為土壤動物和微生物提供了更多的食物，提高了其生理活動，有利于土壤疏松[11]。浙江楠、南方紅豆杉根系伸展以及毛竹地下鞭根的生長，進一步疏松土壤，從而降低土壤密度、增加土壤孔隙度和含水率。套種浙江楠、南方紅豆杉對毛竹林土壤化學性質(zhì)影響顯著。套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹林土壤pH升高，說明套種浙江楠、南方紅豆杉有利于緩解毛竹林土壤酸化。毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，均高于毛竹純林，這與混合凋落物的養(yǎng)分歸還特征有關。混合凋落物分解存在促進效應，從而促進了養(yǎng)分元素的釋放[22]。毛竹純林凋落物較少，而毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林的凋落物量明顯高于毛竹純林，為凋落物分解及養(yǎng)分歸還創(chuàng)造了條件。

土壤酶來源于土壤中動植物和微生物細胞的分泌物及其殘體的分解物[23]，其活性影響土壤養(yǎng)分轉化過程，是重要的土壤質(zhì)量指標。土壤脲酶和蛋白酶直接參與土壤氮循環(huán)，蔗糖酶參與土壤碳循環(huán)，過氧化氫酶可以表征土壤生物活性，酸性磷酸酶參與土壤磷循環(huán)[24-25]。本研究中，套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林的5種土壤酶活性均高于毛竹純林，說明毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林土壤養(yǎng)分元素循環(huán)強度大于毛竹純林，能夠促進林地C、N、P元素的釋放。

土壤生物學特征是影響土壤質(zhì)量的重要指標之一。植物物種對土壤微生物的數(shù)量和組成具有一定的影響[26]。本研究中，毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林兩種林分的土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮，與毛竹純林土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮，差異顯著；套種浙江楠、南方紅豆杉，顯著提高了毛竹林土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮質(zhì)量分數(shù)。套種浙江楠、南方紅豆杉后，毛竹浙江楠混交林、毛竹南方紅豆杉混交林兩種林分的凋落物數(shù)量和根系分泌物增加，為微生物的生長繁殖提供了有利條件。

通過對土壤理化性質(zhì)、酶活性、微生物特征的綜合分析，套種浙江楠、南方紅豆杉的毛竹林，土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.25～0.73之間；毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(綜合評價結果)，由大到小依次為毛竹林下套種南方紅豆杉(0.606)、毛竹林下套種浙江楠(0.519)、毛竹純林(0.269)；說明套種浙江楠、南方紅豆杉顯著提高了毛竹林土壤質(zhì)量，且套種南方紅豆杉的毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)高于套種浙江楠的毛竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。然而，本研究是在毛竹林中種植浙江楠、南方紅豆杉后的短時間內(nèi)進行的，不能充分反映林型轉化對土壤質(zhì)量的長期影響。因此，在毛竹林中套種浙江楠、南方紅豆杉對土壤質(zhì)量的長期影響有待進一步研究。