香榧林下復(fù)合種植模式對(duì)皖南山區(qū)土壤養(yǎng)分保持的影響

羅毅，張雪，佘新松，莊敏，蘇敏，胡長(zhǎng)玉，田原

（黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽黃山 245041）

0 引言

山地勞動(dòng)強(qiáng)度大，進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為困難，而林木有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期可減少勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)其發(fā)達(dá)的根系也有利于水土保持，因此林木種植是山區(qū)最為常見(jiàn)的土地利用方式。但是單一的栽培模式往往不能充分利用同一立體空間中的光能、水分和土壤資源。此外，植物群落結(jié)構(gòu)的單一往往會(huì)導(dǎo)致種群退化、連作障礙、化感抑制等問(wèn)題，導(dǎo)致種植區(qū)域生態(tài)功能減弱[1-3]。已有的研究表明，林下復(fù)合種植能夠從多個(gè)方面提升生產(chǎn)效益。例如，汪貴斌等[4]對(duì)江蘇地區(qū)銀杏與桑樹(shù)、小麥和黃豆等復(fù)合種植模式研究后發(fā)現(xiàn)復(fù)合種植后土壤碳、氮、磷、鉀等元素含量均高于純林；Verma 等[5]發(fā)現(xiàn)林藥復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)有利于促進(jìn)薄荷中藥用物質(zhì)活性成分的積累。此外，林下復(fù)合種植還能夠有效地防治土壤侵蝕，起到涵養(yǎng)水源，調(diào)節(jié)地表徑流和改善水土流失的作用[6-7]。

然而，并非所有的林下復(fù)合經(jīng)營(yíng)都能獲得1+1>2的效益。Cadosoim等[8]對(duì)巴西咖啡復(fù)合種植模式的研究發(fā)現(xiàn)，咖啡單作比復(fù)合種植時(shí)的土壤磷含量高。中國(guó)蘇北地區(qū)桐楊林復(fù)合經(jīng)營(yíng)中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷等均低于對(duì)照純林[9]。這些結(jié)果表明，復(fù)合種植的效果受多種因素影響，如立地條件、植物種類(lèi)、管理措施等。因此在進(jìn)行林下復(fù)合種植時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜的進(jìn)行科學(xué)研究和論證。

香榧(Torreya grandisvar.merrilliiHu)是中國(guó)特有的珍稀經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，其果實(shí)具有制作食用油、堅(jiān)果和入藥等經(jīng)濟(jì)價(jià)值，市場(chǎng)前景十分廣闊，所以在山區(qū)發(fā)展香榧產(chǎn)業(yè)能夠有效增加山區(qū)農(nóng)民收入，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[10]。據(jù)調(diào)查，在安徽黃山及其周邊地區(qū)海拔100～1200 m的山地均有香榧樹(shù)分布，散生或成片分布的縣區(qū)有廣德、宣城、寧國(guó)、歙縣、徽州區(qū)、休寧、黟縣、祁門(mén)、石臺(tái)、涇縣、績(jī)溪、黃山區(qū)等12 個(gè)縣區(qū)[11]。這些地區(qū)山地地表切割破碎，地形起伏大，加之雨季降水量大，土壤養(yǎng)分容易淋失。值得注意的是上述地區(qū)多數(shù)是新安江、千島湖等水源地的源頭，是水土流失和環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)防治區(qū)域[12]。另一方面，土壤養(yǎng)分的保持對(duì)山區(qū)林地生產(chǎn)力又具有決定性的影響。因此，持久地保持和提高土壤肥力是林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，同時(shí)也有利于下游水源地水質(zhì)環(huán)境的保護(hù)。

鑒于此，為了提高生態(tài)效益，促進(jìn)香榧復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)的高效可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，通過(guò)研究該區(qū)域香榧林下不同的復(fù)合種植對(duì)土壤養(yǎng)分保持的影響，可為進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合經(jīng)營(yíng)種植模式、避免養(yǎng)分流失和水體富營(yíng)養(yǎng)化，發(fā)揮香榧復(fù)合林的可持續(xù)生態(tài)效益提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省黃山市休寧縣鶴城鄉(xiāng)梅溪村雜木降香榧基地山場(chǎng)(117.6677°E，29.62554°N)。低山地貌，海拔200～800 m，土壤為山地黃壤，土層厚度50～80 cm，開(kāi)闊度小，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖、濕潤(rùn)，四季分明，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑。年平均氣溫為16.2℃，年降水量1395 mm，年降水量主要集中在春夏兩季，約占全年降水的75%左右。氣候特點(diǎn)顯著，濕度較大，適宜栽培香榧。實(shí)驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選取下列作物與香榧進(jìn)行林下間作復(fù)合種植。

（1）艾蒿(Artemisia argyiLévl.et Van.)：別名黃草，菊科蒿屬多年生草本植物，分布于亞洲及歐洲地區(qū)。是一種藥用價(jià)值高、用途廣泛的菊科植物，可用于鮮食（4—5 月采摘）、養(yǎng)生保健、中藥材等行業(yè)。艾蒿生長(zhǎng)容易，氣候和土壤適應(yīng)性強(qiáng)，耐瘠薄，耐寒耐旱，更喜溫暖、濕潤(rùn)的氣候。

（2）黃精(PolygonatumsibiricumDelar.ex Redoute)：為百合科植物，分布山東、江蘇、安徽、浙江、湖北、江西、湖南、廣東、廣西、河南等地，是一種比較常見(jiàn)的補(bǔ)益藥，它的作用主要有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、健脾運(yùn)肺、補(bǔ)腎，它的功效主要包括有健脾養(yǎng)胃的作用，對(duì)于脾虛、脾胃氣虛、陰虛，黃精有滋養(yǎng)的作用。

（3）前胡(PeucedanumpraeruptorumDunn)：常用中藥材，可以疏散風(fēng)熱、去肺熱、止咳化痰，是治療感冒引起的咳嗽的一種良藥。前胡喜寒冷、涼爽、濕潤(rùn)的氣候，土層深厚、疏松、有艾草夾沙土的土壤為佳，耐高溫、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，平壩地區(qū)陰涼，排水不暢，根系生長(zhǎng)不良，粘性黃泥土和干燥貧瘠的河沙土不適宜種植。

（4）掌葉覆盆子(Rubus chingiiHu)：常用的中藥材植物，以未成熟果實(shí)入藥，其根、葉亦可藥用。掌葉覆盆子果實(shí)味甘、酸、性溫、歸腎、膀胱經(jīng)，具有益腎、固精、縮尿等功能。成熟果實(shí)富含氨基酸、維生素E、維生素C、維生素B、維生素PP、超氧化物歧化酶、礦質(zhì)元素和揮發(fā)性等成分，用于食療和保健，可作為人體良好的氨基酸源。

設(shè)置4 組處理和1 組對(duì)照如圖1 所示，分別為：香榧—掌葉覆盆子間作復(fù)合處理(T1)；香榧—黃精間作復(fù)合處理(T2)；香榧—前胡間作復(fù)合處理(T3)；香榧—艾蒿間作復(fù)合處理(T4)和香榧單種對(duì)照(CK)等。每個(gè)處理面積約2.7 hm2，種植密度參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)營(yíng)，香榧約600株/hm2，林下各作物約6000株/hm2。肥料施用：秋冬季施用復(fù)合肥N:P2O5:K2O=15:15:15，120 kg/hm2，有機(jī)肥750 kg/hm2；春季施用復(fù)合肥N:P2O5:K2O=15:15:15，120 kg/hm2實(shí)驗(yàn)布置于2019年9月，于2021年9月進(jìn)行采樣測(cè)定。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣地示意圖

1.3 樣品采集

每種復(fù)合經(jīng)營(yíng)種植模式分別在坡頂、坡腰和坡底設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)小樣方(20 m×20 m)，每個(gè)小樣方內(nèi)按“S”型布點(diǎn)取10 個(gè)0～20 cm 土樣混合，代表某一坡位處土壤。處理土壤樣品分別從樣地3個(gè)坡位土壤樣品中取樣混勻獲得。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石塊、草根等雜質(zhì)之后進(jìn)行風(fēng)干研磨后測(cè)定。同時(shí)取一定量的鮮土立即放入鋁盒，用于測(cè)定土壤含水量。

1.4 測(cè)定方法

土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；土壤pH測(cè)定采用電極電位法；土壤全氮的測(cè)定采用凱氏法；土壤堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；土壤全磷的測(cè)定采用高氯酸—硫酸消煮—鉬銻抗比色法；土壤速效磷的測(cè)定采用氟化銨鹽酸浸提—鉬銻抗比色法；土壤全鉀的測(cè)定采用堿熔—火焰光度法；土壤速效鉀的測(cè)定采用乙酸銨浸提—火焰光度法；田間持水量采用環(huán)刀—水培養(yǎng)—烘干稱(chēng)重法測(cè)定；土壤含水量采用烘干稱(chēng)重法測(cè)定[13]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 25.0 軟件做單因子方差分析(ANOVA)、皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析和聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤養(yǎng)分和水分狀況

將坡頂、坡腰和坡底采樣的土壤均勻混合后測(cè)定其養(yǎng)分、水分和pH 等。測(cè)定結(jié)果如表2 所示，各復(fù)合處理土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、有效磷、總鉀、速效鉀、含水率和pH較CK都發(fā)生了顯著變化。其中，有機(jī)質(zhì)含量比CK 低22%～31%。而土壤總氮、總磷、有效磷、總鉀、速效鉀和pH等指標(biāo)均顯示復(fù)合種植有利于這些土壤因子的保持。例如，T1 對(duì)土壤總氮、總磷、總鉀、速效鉀和pH 的影響顯著，其含量分別比CK 提高了1.2倍、0.5 倍、0.2 倍、0.3 倍和0.1 倍；T2 對(duì)土壤總磷、有效磷、總鉀、速效鉀的影響更為明顯，其含量分別比CK提高了0.4倍、2.3倍、0.2倍和0.3倍；T3對(duì)土壤速效鉀和pH 的影響更為明顯，分別比CK 提高了0.5 倍和0.1倍；T4同樣對(duì)土壤速效鉀和pH的影響更為明顯，分別比CK提高了0.2倍和0.1倍。此外，CK土壤含水率顯著高于各復(fù)合處理。

表2 不同種植模式下土壤養(yǎng)分和水分狀況

2.2 不同坡位處土壤養(yǎng)分和水分分布特征

采集各處理不同坡位處的土壤樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。在T1模式下，有機(jī)質(zhì)在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1.5:1.5；T2 模式下有機(jī)質(zhì)上述比例為1:0.7:1；T3模式下有機(jī)質(zhì)上述比例為1:0.7:0.8；T4模式下有機(jī)質(zhì)上述比例為1:0.9:1.2；CK的有機(jī)質(zhì)上述比例為1:1.1:1.3。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)分布

不同坡位處土壤總氮的分布情況如圖3所示。T1模式下，總氮在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1:1 左右；T2模式下總氮上述比例為1:0.9:1左右；T3模式下總氮上述比例為1:0.8:1左右；T4模式下總氮上述比例為1:0.9:1 左右；而CK 的總氮上述比例為1:1:1。從分布比例來(lái)看，總氮分布都較為均勻。此外，T1 處理總氮含量最高，而CK處理總氮含量最低。

圖3 土壤總氮分布

不同坡位處土壤堿解氮的分布情況如圖4 所示。T1 模式下，堿解氮在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1.4:1.6 左右；T2 模式下的上述比例為1:0.8:1 左右；T3模式下堿解氮上述比例為1:1:1 左右；T4 模式下的上述比例為1:1:0.8左右；CK的上述比例為1:1.1:1.4。從分布比例來(lái)看，T1、T3和CK處理的堿解氮可能發(fā)生了自頂而下的遷移，最后主要集中在坡腰和坡底處；不同坡位處土壤堿解氮的分布情況如圖4 所示。T1 模式下，堿解氮在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1.4:1.6左右；T2模式下的上述比例為1:0.8:1左右；T3模式下堿解氮上述比例為1:1.1:1.2左右；T4模式下堿解氮上述比例為1:1:0.8 左右；CK 的堿解氮上述比例為1:1.1:1.4。從分布比例來(lái)看，T1、T3 和CK 處理的堿解氮可能發(fā)生了自頂而下的遷移，最后主要集中在坡腰和坡底處；T2處理堿解氮含量在坡頂和坡底處含量均多于坡腰處，這種兩頭多中間少的現(xiàn)象說(shuō)明在堿解氮的遷移和流失可能主要發(fā)生在坡腰-坡底段；而T4 處理中堿解氮含量的分布比例與T1、T3 和CK 處理相反，坡頂和坡腰處的堿解氮含量均多于坡底，這說(shuō)明坡底處對(duì)速效氮的養(yǎng)分保持作用較弱，造成氮流失較多。

圖4 土壤堿解氮分布

不同坡位處土壤總磷的分布情況如圖5所示。T1模式下，總磷在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:0.8:1.3左右；T2 模式下總磷上述比例為1:1.6:1.9 左右；T3 模式下總磷上述比例為1:0.9:0.9左右；T4模式下總磷上述比例為1:0.9:1.5 左右；而CK 總磷上述比例為1:1:1.1。從分布比例來(lái)看，T1 和T4 處理的總磷含量坡腰處少于坡頂和坡底，這說(shuō)明總磷遷移在坡頂-坡腰處較少，而主要發(fā)生在坡腰-坡底段；T2處理總磷可能發(fā)生了自頂而下的遷移；T3 和CK 的總磷分布較為均衡。此外，CK總磷含量最少，表明其總磷損失較多。這種現(xiàn)象可能與地上種植物的數(shù)量有關(guān)，研究表明土壤磷含量除受母質(zhì)影響外，還主要來(lái)自動(dòng)植物殘?bào)w的礦化作用，同時(shí)降水等氣候因素引起的淋溶作用會(huì)影響土壤中磷含量[14-16]。

圖5 土壤總磷分布

不同坡位處土壤有效磷的分布情況如圖6 所示。在T1 模式下，有效磷在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:0.9:0.8左右；T2模式下的上述比例為1:0.8:7.0左右；T3 模式下的上述比例為1:0.9:1 左右；T4 模式下的上述比例為1:0.6:3.8左右；而CK的有效磷上述比例為1:0.9:1。從分布比例來(lái)看，T1、T3 和CK 處理的有效磷分布較為均衡。T2和T4處理在坡底處對(duì)有效磷的截留作用明顯，這兩個(gè)處理在坡底處有效磷含量分別是同位置CK處理的7.4倍和5.6倍。

圖6 土壤有效磷分布

不同坡位處土壤總鉀的分布情況如圖7所示。各處理土壤總鉀含量在坡頂、坡腰和坡底處的比例均為1:1:1左右。從分布比例來(lái)看土壤總鉀分布較為均衡，但CK處理總鉀含量在各位置均最低，表明CK中土壤鉀流失大于其他處理。

圖7 土壤總鉀分布

不同坡位處土壤速效鉀的分布情況如圖8 所示。T1模式下，速效鉀在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1:0.8左右；T2模式下速效鉀的上述比例為1:1:1.2左右；T3模式下速效鉀的上述比例為1:0.9:0.9左右；T4模式下速效鉀的上述比例為1:1:1.1 左右；而CK 的速效鉀的上述比例為1:0.8:1.2。從分布比例來(lái)看，T3和T4處理的速效鉀分布較為均衡，其中T3處理的速效鉀含量最高。

圖8 土壤速效鉀分布

不同坡位處土壤含水率情況如圖9 所示。在T1模式下，土壤含水率在坡頂、坡腰和坡底處的比例為1:1:0.8 左右；T2 模式下含水率的比例為1:0.9:0.8 左右；T3模式下含水率的比例為1:1.3:1.2左右；T4模式下含水率的比例為1:0.9:0.8 左右；CK 含水率的比例為1:0.9:1.1。從分布比例來(lái)看，各處理中土壤水分含量分布均較為均衡。

圖9 土壤含水率分布

不同坡位處土壤pH的分布情況如圖10所示。各處理土壤pH 在坡頂、坡腰和坡底處的比例均為1:1:1左右。從分布比例來(lái)看土壤pH 的變化幅度在各處理中均較小。

圖10 土壤pH分布

從相關(guān)性分析（表3）可以看出，土壤pH 與總磷、總鉀、速效磷和速效磷都呈顯著正相關(guān)性，且復(fù)合種植模式下土壤pH 均高于CK。此外，此時(shí)的土壤含水率除與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)外，與總磷、總鉀、速效鉀等呈極顯著負(fù)相關(guān)。這表明，在超過(guò)田間持水量的情況下，CK 土壤養(yǎng)分在土壤水的作用下淋溶流失。而與CK 相比，各復(fù)合種植模式下土壤含水率達(dá)到土壤養(yǎng)分活化和保持的狀態(tài)。

表3 相關(guān)性分析

將各處理土壤因子通過(guò)組間連接法計(jì)算的聚類(lèi)情況圖11所示。結(jié)果顯示，復(fù)合種植后使土壤性狀發(fā)生了變化，在平方歐式距離為5時(shí)，各處理可分為3個(gè)組，分別是T2、T3、T4組；T1組和CK組。這表明上述復(fù)合處理均對(duì)土壤養(yǎng)分的活化和遷移產(chǎn)生了變異作用。

圖11 聚類(lèi)分析圖

3 討論

香榧林下復(fù)合種植后，耕作更為細(xì)密，對(duì)林地土壤養(yǎng)分含量有一定的提升作用，有研究表明土壤養(yǎng)分的提升可能與其pH 提高有關(guān)[17-19]，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)不同間作模式下養(yǎng)分改良效益間存在差異[20]，這些都與本研究的結(jié)果一致。例如復(fù)合種植后土壤有機(jī)質(zhì)含量有所減少，這可能由于復(fù)合種植使得種植密度提升，作物對(duì)土壤養(yǎng)分的需求量增加，同時(shí)不同的植物根系分泌物刺激了土壤微生物的活動(dòng)，引起土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分代謝加速[21-22]。土壤含水率也有所降低的原因可能是復(fù)合種植后，植物根系對(duì)水的吸收增強(qiáng)[23]。另外，此地區(qū)土壤的田間持水量為29.5%左右，而香榧單種下土壤含水量超過(guò)30%，土壤中的水已是重力水，反而易造成養(yǎng)分淋溶流失，復(fù)合種植下的土壤含水率均小于田間持水量且正處于土壤養(yǎng)分活化和保持的合理區(qū)間[24-25]。

從分布特征來(lái)看，各處理總氮在坡頂、坡腰和坡腳處呈均勻分布的特征，其中香榧—掌葉覆盆子復(fù)合種植進(jìn)一步提高了各坡位土壤總氮的含量，這與徐陽(yáng)等[20]的研究結(jié)果一致，其研究結(jié)果顯示掌葉覆盆子間作后可顯著提高栗林土壤的總氮、堿解氮和總磷等養(yǎng)分含量。此外，各處理中土壤有效磷的分布差異較大，這可能與土壤pH和土壤微生物活動(dòng)有關(guān)，一般情況下酸性土壤和中性土壤有利于磷的活化，在酸性土壤中無(wú)機(jī)磷的水溶性增強(qiáng)使得磷的遷移性更強(qiáng)[21]，而中性土壤中有效磷的遷移能力下降，同時(shí)微生物的活性增強(qiáng)也有利于土壤有效磷保持[26-27]。相比來(lái)說(shuō)，土壤水分和鉀元素在各坡位的分布特征較為相似，這是因?yàn)橥寥浪值淖兓c速效鉀的移動(dòng)有顯著相關(guān)性[24]。

本研究的數(shù)據(jù)在黃山市休寧縣香榧種植基地的實(shí)際種植模式下獲得，對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)睾皖?lèi)似山區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃香榧與其他經(jīng)濟(jì)作物的布局，確保農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、土壤養(yǎng)分保持、肥料施用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的指導(dǎo)意義。此外，由于種植密度也會(huì)顯著影響作物生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分狀況，進(jìn)而影響施肥策略和經(jīng)濟(jì)效益，下一步需加強(qiáng)這方面的研究工作。

4 結(jié)論

（1）香榧-掌葉覆盆子復(fù)合種植后對(duì)比香榧單種，土壤總氮、總磷、總鉀、速效鉀含量分別提高了1.2倍、0.5倍、0.2倍和0.3倍，pH提高0.52。

（2）香榧-黃精復(fù)合種植對(duì)土壤總磷、有效磷、總鉀、速效鉀的影響更為明顯，其含量分別比香榧單種高0.4倍、2.3倍、0.2倍和0.3倍；

（3）香榧-前胡復(fù)合種植后土壤因子與香榧-艾蒿復(fù)合種植更為相似，兩者均對(duì)土壤速效鉀的提升作用更顯著，其含量比香榧單種分別提高0.5和0.2倍；

（4）復(fù)合種植后土壤pH 和含水率均有一致變化，這可能是土壤養(yǎng)分活化和保持的原因。