異齡混交對馬尾松林分生長及林地生態(tài)因子的影響

梁廷熙

(廣東省德慶縣林業(yè)局，廣東 德慶 526600)

1 引言

馬尾松(Pinusmassoniana)屬松科松屬針葉樹種，其不僅是優(yōu)良的建筑用材，還是優(yōu)良的造紙及人造纖維板原料，此外還可用于生產(chǎn)松香、松節(jié)油等化工產(chǎn)品，在廣東、廣西、江西、安徽、福建、浙江等我國南方17個省(區(qū))均有分布。馬尾松利用價值高，用途廣泛，目前已成為我國南方主要造林樹種[1，2]。然而，長期單一樹種純林模式研究，導(dǎo)致立地衰退、林地生產(chǎn)力下降[3，4]。同時，大面積馬尾松純林極易遭受病蟲害[5，6]，尤其近年來日趨嚴(yán)重的松材線蟲病[7]，致使全國多地實施了“限松令”，松樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展遭受了明顯的遏制。馬尾松作為優(yōu)良的脂材兩用樹種，在水源涵養(yǎng)、水土保持、地力維護(hù)等生態(tài)功能方面效益顯著。在當(dāng)下林業(yè)發(fā)展堅持綠水青山就是金山銀山和生態(tài)優(yōu)先的理念下，提升森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及林分質(zhì)量是推進(jìn)馬尾松產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提與保障。

與純林相比，混交林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，生態(tài)功能強(qiáng)大[8，9]。以往研究表明，馬尾松作為高氮需求樹種，與闊葉樹特別是與枯落物豐富、氮歸還量高、耐蔭能力較強(qiáng)的闊葉樹種混交，其不僅有效提升了林分養(yǎng)分歸還和水源涵養(yǎng)能力，增加了土壤肥力，同時有效提升了林分生長量[10，12]。因此，進(jìn)行混交林營造是解決馬尾松林分生態(tài)系統(tǒng)脆弱、林分質(zhì)量不高問題的關(guān)鍵，而將現(xiàn)有馬尾松純林改造成異齡混交林則更為實際與亟需。基于此，本文以紅錐為混交樹種，通過設(shè)置不同比例馬尾松林下異齡混交模式，分析了馬尾松林分生長及相關(guān)林地生態(tài)因子的變化，以期為將馬尾松純林改造為混交林提供科學(xué)參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省德慶縣，地理位置位于111°41′10″E，23°8′42″N，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候類型，年平均氣溫21 ℃，年降水量1500 mm，年平均相對濕度81%。試驗林地海拔為200～250 m，坡度20～25°，土壤為黃棕壤，土層厚度40～60 cm。林下植被以灌木、草本為主，主要有山烏桕(Sapiumdiscolor)、菝葜(Smilaxchina)、三叉苦(Evodialepta)、粽葉蘆(Thysanolaenamaxima)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)等。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗林改造

研究區(qū)馬尾松純林為2012年營建的馬尾松實生苗植苗林，株行距2 m×2 m，種植密度167株/畝。待馬尾松林分形成整齊林相時，在保留木空間位置均勻的前提下，于2017年采用下層疏伐法進(jìn)行林分間伐，去弱留強(qiáng)，設(shè)置4種保留密度：120、100、80、60株/畝。間伐后清理砍伐剩余物，在穴狀整地后以一年生紅錐容器苗進(jìn)行馬尾松林下紅錐套種，套種密度為0、20、40、60株/畝。最終形成4種混交比例的馬尾松×紅錐異齡混交林，即紅錐混交比例0、1/6、1/3、1/2，林分密度均為120株/畝。套種后連續(xù)3年，每年進(jìn)行砍灌割草、追肥(復(fù)合肥250 g/株，N∶P∶K=15∶15∶15)各1次。

2.2.2 數(shù)據(jù)收集

以馬尾松純林為對照(CK，P0)，1/6(P1)、1/3(P2)、1/2(P3)為馬尾松×紅錐混交林試驗處理，各林分中分別設(shè)置3個20 m×25 m大小固定樣地。2021年底采用每木檢尺進(jìn)行各樣地樹高、胸徑調(diào)查，用完全隨機(jī)方式，以樣地中高徑生長量與平均值相差10%以內(nèi)的植株作為采樣目標(biāo)樹種，將距離樹干基部50 cm處上坡位作為取樣區(qū)。每個樣地設(shè)5個取樣區(qū)，在每個取樣區(qū)內(nèi)設(shè)置30 cm×30 cm小樣方，采用環(huán)刀采集小樣方內(nèi)0～20 cm土壤樣品1 kg左右。將各林分每個樣地中5個取樣區(qū)中土壤樣品混勻后分成2份帶回實驗室，一份貯存于4 ℃冰箱用于微生物多樣性分析，另一份用于土壤持水性及養(yǎng)分含量分析。

2.2.3 指標(biāo)測定

微生物多樣性測定。參照鮑佳書等[13]方法，采用Biolog-ECO微平板培養(yǎng)10 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算林地中微生物多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)。

土壤持水性測定。以采環(huán)刀浸泡法，用100 cm3環(huán)刀從上至下分層采集樣品，在室內(nèi)環(huán)刀浸泡，參照羅斯生[14]等方法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水量。

土壤養(yǎng)分含量測定。全氮用凱氏定氮法測定，全磷及有效磷用鉬銻抗比色法測定，全鉀用火焰原子吸收分光光度法測定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定，速效鉀用醋酸銨浸提火焰光度法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行制圖，用SPSS19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD法(p<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 對林分生長的影響

由圖1可以看出，不同比例馬尾松×紅錐異齡混交對馬尾松樹高、胸徑生長量影響差異顯著。與馬尾松純林(P0)相比，1/6紅錐混交比例(P1)試驗林中馬尾松樹高、胸徑無顯著增加，而1/3(P2)和1/2(P3)紅錐混交比例林分中馬尾松高徑生長量均明顯增加，分別較馬尾松純林的樹高、胸徑增加了20.4%～24.5%和18.7%～21.3%。這說明，以1/3～1/2紅錐混交比例能顯著提升馬尾松樹高、胸徑生長量。

注：圖中不同小寫字母表示不同混交比例林分間達(dá)差異顯著水平(p<0.05)，下同

3.2 對林地微生物多樣性的影響

微生物是林地生態(tài)系統(tǒng)中重要生態(tài)因子，參與枯落物分解，改變土壤理化性質(zhì)。研究證明，微生物多樣性直接反映了微生物群落穩(wěn)定性及土壤質(zhì)量[13,15]。由圖2可知，隨著紅錐混交比例增大，林地微生物多樣性指數(shù)與豐富度指數(shù)均呈線性增加的趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，林地微生物多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)與紅錐混交比例均為極顯著的正相關(guān)線性關(guān)系(R2=0.99)。這表明，馬尾松與紅錐異齡混交顯著增加了林地微生物群落的穩(wěn)定性。

圖2 不同比例馬尾松×紅錐異齡混交對林地微生物多樣性的影響

3.3 對林地土壤持水性的影響

水是一切生命活動的基礎(chǔ)，土壤持水能力是衡量森林生態(tài)功能的一個關(guān)鍵因素。土壤容重反映土壤緊實度，容重越大，土壤越緊實，土壤越板結(jié)嚴(yán)重，持水性越差，不利于植物生長。土壤孔隙度與土壤貯水能力有關(guān)。通常，土壤孔隙度越大，貯水能力越強(qiáng)。土壤持水量則直接代表土壤持水能力[14,16]。從表1可以看出，隨著紅錐混交比例增大，土壤容重逐漸減小，而土壤孔隙度和土壤持水量逐漸增大。結(jié)果表明，在供試4種試驗林中，以1/2紅錐混交比例林分中土壤持水能力最強(qiáng)，說明與紅錐混交能有效改善林地土壤持水性，且混交比例越大效果越好。

表1 不同比例馬尾松×紅錐異齡混交對林地土壤持水性的影響

3.4 對林地土壤養(yǎng)分含量的影響

氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育中三大主要營養(yǎng)元素，土壤中氮、磷、鉀元素的含量反映了林地養(yǎng)分供給能力，即土壤肥力情況。不同紅錐混交比例林分中，林地土壤氮磷鉀元素含量差異顯著(表2)。從各林分元素含量大小來看，全氮、堿解氮表現(xiàn)為：P3>P2>P1>P0，全磷、全鉀為：P3≈P2>P1≈P0，有效磷、速效鉀為：P3≈P2>P1>P0。整體上，以1/3～1/2紅錐混交比例林地土壤中氮磷鉀元素含量明顯偏高。這說明，馬尾松與紅錐異齡混交能有效提升林地土壤肥力。

表2 不同比例馬尾松×紅錐異齡混交對林地土壤養(yǎng)分含量的影響

4 結(jié)論與討論

馬尾松是我國南方生態(tài)建設(shè)和造林用材主要樹種，人工林面積發(fā)展迅速[2]，其經(jīng)營模式主要以純林為主。由于長期的馬尾松人工純林營建，病蟲害問題極為突出，尤其近幾年爆發(fā)的松材線蟲病，傳染性強(qiáng)，防治效果不明顯，被稱為松樹癌癥[7]。為阻止該病害的進(jìn)一步傳播，多個省區(qū)已明令禁止馬尾松的種植。松樹產(chǎn)業(yè)在我國林業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有舉足輕重的地位，提升林分生態(tài)穩(wěn)定性，增強(qiáng)林分抗性，是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。國內(nèi)外大量研究證實，通過混交能有效提升森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗逆能力。目前有關(guān)馬尾松混交方面的研究大多關(guān)于同齡混交，而將現(xiàn)有馬尾松林分改造為異齡混交林方面研究仍鮮少見。馬尾松為強(qiáng)陽性速生樹種，但早期生長較為緩慢[1]，具有“三年不見樹，五年不見人”的生長習(xí)性。本試驗以剛郁閉、林相較為整齊的5年生馬尾松林分為改造對象，以經(jīng)濟(jì)價值高、土壤改良效果好的鄉(xiāng)土闊葉樹種紅錐為異齡混交樹種，在混交林改建4年后探索了不同混交比例馬尾松生長及林地生態(tài)因子的變化。研究發(fā)現(xiàn)，以1/3～1/2紅錐混交比例，馬尾松高徑生長量顯著提升，林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，說明今后可選擇以紅錐為混交樹種進(jìn)行馬尾松純林的改造。

在林地生態(tài)系統(tǒng)中，微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)恢復(fù)與重建的重要參與者[17]。微生物影響著有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)和植物養(yǎng)分利用過程，微生物參數(shù)被認(rèn)為是土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)之一。微生物多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)被視為最關(guān)鍵的兩個參數(shù)，其中多樣性指數(shù)表明土壤中微生物群落的多樣性，而豐富度指數(shù)反映了微生物利用碳源種類數(shù)的不同，表明土壤微生物功能的多樣性，以多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)可表征林地土壤微生物的多樣性。林地微生物依賴于植被發(fā)育，植被通過根系、地上和地下等生物過程影響土壤微生物多樣性。本試驗研究結(jié)果表明，紅錐混交比例與林地微生物多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均呈顯著的正相關(guān)線性關(guān)系，其R2值均達(dá)0.99。從微生物群落多樣性的區(qū)域格局來看，土壤微生物群落多樣性與覆蓋于土壤上的植物群落多樣性呈正相關(guān)[17]。這表明，相較馬尾松純林，馬尾松×紅錐混交林更利于微生物群落的發(fā)展。紅錐為高氮歸還樹種[18]，而馬尾松對氮素需求較高[19]，一方面通過枯落物養(yǎng)分歸還，增加林地氮儲量促進(jìn)馬尾松生長，另一方面相較馬尾松枯落物，紅錐凋落物易分解且氮含量高，利于增加微生物多樣性，是一種優(yōu)良的馬尾松混交樹種，這與以往有關(guān)凋落物對馬尾松生長影響方面的研究結(jié)果是相似的[20]。

土壤持水性與養(yǎng)分含量是反映森林生態(tài)功能最為重要的兩個指標(biāo)[19,21]。筆者發(fā)現(xiàn)，紅錐混交比例與土壤持水能力、氮含量變化趨勢一致，即紅錐混交比例越大，土壤持水能力越強(qiáng)，氮含量越高。這顯示紅錐在改良土壤持水性與氮儲量方面功能顯著。然而，值得一提的是，馬尾松生長量并未隨著紅錐混交比例增大而增大，在紅錐混交比例為1/3和1/2時，并未發(fā)現(xiàn)馬尾松高徑生長量在統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異。從土壤中磷、鉀養(yǎng)分含量變化來看，在紅錐混交比例為1/3和1/2時，全磷/有效磷、全鉀/速效鉀含量均無顯著差異。這暗示了磷、鉀可能是進(jìn)一步提升馬尾松生長質(zhì)量的關(guān)鍵，今后進(jìn)行馬尾松×紅錐的混交林改造時，可適當(dāng)補(bǔ)充一定的磷鉀肥以促進(jìn)馬尾松生長。