30年生馬尾松純林混交改造對土壤養(yǎng)分的影響

中圖分類號：S756 文獻標識碼：Adoi：10.13601/j. issn.1005—5215.2025.04.003

Effects of Mixed Transformation of 3O-year-old Pinus massoniana Pure Forest on Soil Nutrients

Wang Sirong，Yan Yanbing，Ding Xinlan，Guo Yujie，F(xiàn)u Xiyi （Baisha State-owned Forest Farm，Shanghang County，F(xiàn)ujian Province，Longyan 3642O5，China）

AbstractTo provide scientific basis for the transformation and management of Pinus massoniana artificial pure forest.Eight kindsofconiferous and broad-leaved mixed forests of Pinus massoniana were planted in Baisha Stateowned Forest Farm in Shanghang County of Fujian Province. The pure forest of Pinus masoniana was used as the control. The mass fraction of soil pH and organic matter，total nitrogen（N），hydrolyzed nitrogen（N），total phosphorus（P） and available ΔP in each plot were measured. The characteristics of soil nutrient changes in Pinus massoniana pure forest and mixed forest were analyzed and compared.The results showed that there was a significant difference in the mass fraction of soil nutrient between the mixed forest and the pure forest after transformation （ Plt;0.05） 。 Compared with the pure forest of Pinus massoniana，the mass fraction of total Nand hydrolyzed N in the mixed forest increased by 25.5% and 23.8% ，respectively. The mass fraction of total P and available P in the soil increased by 14.4% and 42.3% ，respectively，and the mass fraction of soil organic matter increased by 48.9% . The mixed forest of Castanopsis fissa ，Liquidambar formosana and Michelia maudiae was significantly beter than the pure forest of Pinus massoniana on the improvement of the mass fraction of soil nutrient.There was no significant change in soil pH of different mixed forest types，which was 4.45-4.93 ，and higher than that of Pinus massoniana pure forest.Through the comparative analysis of different mixed forest stands，Castanopsis fiss，Liquidambar formosana and Michelia maudiae are preliminarily selected as understory mixed tree species in the short term，which is conducive to the restoration of soilfertilityin forest landand creates favorableconditions forimproving thecarbon sequestration and sink capacity of Pinus massoniana pure forest.

Key words Pinus massoniana ;multi-layered mixing;native tree species;soil nutrient馬尾松（Pinusmassoniana）廣泛分布于中國熱 帶和亞熱帶區(qū)域，具有速生、材質較優(yōu)、適應性較強及用途廣等優(yōu)點[1]。我國人工林面積大約為8000萬 hm^2[2] ，其中，馬尾松人工林占全國人工林面積的4.4%^[3] ，福建省馬尾松林面積占福建省喬木林總面積的比例為 13.97%^[4] 。但由于長期進行純林經營，使得馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)變得脆弱，水土流失嚴重，群落結構簡單，易受到病蟲侵害，存在地力衰退和生產力下降等問題，嚴重威脅著林地的可持續(xù)經營[5-6]。針闊林下復層混交改造作為當今國內公認的一種森林經營發(fā)展模式，目前在中國已被大范圍推廣應用，為提升馬尾松人工純林的生態(tài)效益和經濟效益，研究其針闊林下復層混交改造具有重要意義。

間伐和套種是人工純林近自然化改造最基本的手段，這些措施對林分生長和養(yǎng)分循環(huán)具有顯著成效。研究表明，適當強度的間伐，按一定的比例選用優(yōu)樹套種，可改善林分生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗逆性，提高抗病蟲害能力，豐富物種多樣性[8-9]。近年來，國內外對馬尾松人工純林針闊混交改造后林分質量及土壤肥力恢復模式方面已有不少研究：白云星等[10]探討不同闊葉樹種引人對馬尾松人工林凋落物的影響，其林分凋落物數量、現(xiàn)存量及土壤有機質質量分數均優(yōu)于馬尾松純林；譚玲等[11]通過對南亞熱帶紅椎（Castanopsishystrix）、馬尾松純林及其混交林的土壤理化性質的比較發(fā)現(xiàn)，紅椎 + 馬尾松混交林對土壤養(yǎng)分的增加高于馬尾松純林和紅椎純林。這些研究結果表明，對馬尾松純林進行林下復層針闊混交改造，既可以充分利用地力，又可改善林分養(yǎng)分狀況和生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性[12-13]

如何對馬尾松純林進行科學改造，提高土壤肥力，成為關注熱點。國家和各地政府近年來積極鼓勵林業(yè)部門進行樹種結構調整，營造混交林以增加人工林樹種多樣性，這對提高森林生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性十分必要。鑒于此，本研究選取30年生馬尾松純林和8個不同混交林作為研究對象，測定不同林分類型土壤養(yǎng)分質量分數及 pH ，研究分析不同復層混交類型對林地土壤養(yǎng)分狀況的影響，篩選出 2～3 個短期內適宜馬尾松復層混交的樹種，為該研究區(qū)馬尾松人工林固碳增匯及可持續(xù)經營提供科學依據。

試驗地概況

研究區(qū)域位于食水井管護站121林班2大班8小班和120林班2大班7小班，處于武夷山脈南段的低山丘陵地段，海拔450～500m ，坡度 20^°～25^° 。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，2015—2023年均氣溫 20°C ，年平均降水量1 645. 3mm ，年日照時數 1555.3h ，無霜期295d左右，光照充足，四季分明，雨量充裕。試驗地前茬為杉木人工林，地形開闊，土壤為山地紅壤，腐殖質層較厚，土層厚度在 60cm 以上。

2試驗方法

2.1 試驗設計

本研究選取1990年營造的馬尾松純林（PP）、1990年馬尾松 +2020 年米老排（Mytilarialaosen-sis）異齡混交林（MP1）、1990年馬尾松 +2020 年木荷（Schimasuperba）異齡混交林（MP2）、1990 年馬尾松 +2020 年福建柏（Fokieniahodginsii）異齡混交林（MP3）、1990年馬尾松 +2020 年楓香（Liquid-ambarformosana）異齡混交林（MP4）1990年馬尾松 +2020 年閩粵栲（Castanopsisfissa）異齡混交林（MP5）、1990年馬尾松 +2020 年紅椎異齡混交林（MP6）、1990年馬尾松 +2020 年深山含笑（Mich-eliamaudiae）異齡混交林（MP7）、1990年馬尾松 + 2020年火力楠（Micheliamacclurei）異齡混交林（MP8）為研究對象，每個樣地類型位置相近，具有相似的立地條件、土壤類型、撫育措施和林分密度等，見表1。

表1馬尾松復層混交試驗設計

8種混交林為1990年種植、2011年第1次間伐的馬尾松純林（保留密度為1200株 ?hm^-2 ）于2020年第2次間伐后分別種植8種鄉(xiāng)土幼樹形成的異齡復層混交林，行間距為 2m×2m ，混交方式為行間混交；而PP則為1990年種植的馬尾松純林，于2011年第1次間伐，保留密度為1200 株 ?hm^-2 ，2020年第2次間伐后沒有進行套種的林分。本試驗采用完全隨機區(qū)組設計，每個混交方式重復4次，共36個試驗樣方（包括馬尾松純林PP），樣方規(guī)格均為 20m×20m ，各樣方間距 20m 以上。目前，被改造的林分已經郁閉，已演替成具有明顯復層結構的針闊異齡混交林，每年5月、9月對改造林分進行劈雜撫育。2024年對樣方內所有植株胸徑（地徑）、樹高（苗高）進行調查，記錄樣地名、胸徑、高度等信息，見表2。

表2馬尾松及幼樹林分生長狀況

注：同列不同小寫字母表示不同樣地間差異顯著 Plt;0.05） 。

2.2 土壤養(yǎng)分測定

在馬尾松樣地的坡向、坡度、坡位和海拔等立地條件基本一致且林齡變化不大（30年生左右）的前提下，選取具有代表性的馬尾松純林和馬尾松混交林樣地進行土壤樣品的采集。在每個小區(qū)內使用直徑 3.5cm 的土鉆沿對角線等距離鉆取 0～10cm 土層土壤樣品，重復5次。同一小區(qū)內的土壤樣品均勻混合作為代表樣品裝入聚乙烯自封袋中，放入保溫盒（內有冰盒）并盡快帶回實驗室。帶回實驗室后準確稱取各小區(qū)通過100目篩子的風干土樣0.25g ，作為測定土壤有機質、全氮和全磷的待測樣。稱取 3.00g 過 2mm 篩子風干土樣作為測定土壤速效磷、pH的待測樣。稱取 2.00g 過 1mm 篩子風干土樣作為測定水解氮的待測樣。

土壤化學性質測定方法[14]如下：

土壤 pH 用電位法測定，土壤全氮用元素分析儀（VarioEL，ElEcMentar，IIHanau，德國）測定，水解氮用堿解擴散法測定，土壤全磷使用連續(xù)流動分析儀（ ΔSAN⁺⁺ ，Skalar，Breda，荷蘭）測定，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化一水合加熱法測定。

2.3 數據分析與處理

采用單因素方差分析（ANOVA）和新復極差法（LSD）對不同混交林土壤 pH 、全氮、水解氮、 C/N 、全磷、速效磷和土壤有機質等養(yǎng)分的差異性進行分析，具體線性模型為

X_ij=u+t_i+e_ij

式中： X_ij 為實際觀測值； u 為總體平均數； t_i 為樹種效應； e_ij 為隨機誤差。具體數據分析均采用R4.3.2進行。

3結果與分析

3.1不同混交套種樹種對土壤養(yǎng)分質量分數的影響

由圖1（a）可知，不同混交林間及與對照間土壤有機質質量分數存在顯著差異（ ，變化范圍為 3.79%～5.34% 。其中表現(xiàn)最優(yōu)林分為閩粵栲 + 馬尾松、楓香 + 馬尾松和米老排 + 馬尾松混交林，顯著比馬尾松純林分別提高了 67.3%.67.1% 和 64.3% ，并與其他林分間差異顯著；其次為福建柏 + 馬尾松、深山含笑 + 馬尾松混交林，則較馬尾松純林分別提高了 61.1%.46.7% ；最低為火力楠 + 馬尾松。

由圖1（b）可看出，不同混交林間及與對照間土壤全氮質量分數具有顯著差異（ Plt;0.05 ），變幅為1.73～2.12g?kg^-1 。從高到低排在前3位是深山含笑 + 馬尾松、福建柏 + 馬尾松、閩粵栲 + 馬尾松混交林，顯著高于馬尾松純林，比純林分別提高了38.5%.36.6% 和 30.1% ，與紅椎 + 馬尾松、木荷 + 馬尾松、火力楠十馬尾松混交林差異顯著；其次為米老排 + 馬尾松、楓香十馬尾松混交林，則與純林對照分別相差 28.7%.24.8% ；最低為火力楠十馬尾松。

由圖1（c）可看出，不同林分間的土壤水解氮質量分數變化范圍為 184.07～222.31mg?kg^-1 。從高到低排在前3位的林分為閩粵栲 + 馬尾松、深山含笑 + 馬尾松和楓香十馬尾松混交林，比馬尾松純林分別提高了 40.5%.29.74% 和 22.1% ;其次為米老排 + 馬尾松、福建柏 + 馬尾松混交林，與馬尾松純林相比分別提高了 23.3%.21.0% ；表現(xiàn)最低為火力楠 + 馬尾松。

由圖1（d）可看出，土壤全磷質量分數變化范圍為 254.9～296.6mg?kg^-1 ，從高到低排在前3位的林分類型為閩粵栲 + 馬尾松、楓香 + 馬尾松、米老排 + 馬尾松混交林，顯著高于純林，比純林分別提高了 19.6%.18.8% 和 17.5% ;其次為火力楠 + 馬尾松、紅椎 + 馬尾松混交林，比純林分別提高了17.0%.14.5% ；表現(xiàn)最低的為木荷 + 馬尾松混交林，與純林差異不顯著（ ?Pgt;0.05） 。

由圖1（e）可看出，速效磷質量分數變化范圍為1.55～4.97mg?kg^-1 ，表現(xiàn)最高的為深山含笑 + 馬尾松混交林，比純林提高了5.62倍，與其他林分差異顯著（ Plt;0.05） ；其次為楓香 + 馬尾松、火力楠 + 馬尾松混交林；表現(xiàn)最低的為閩粵栲 + 馬尾松和米老排 + 馬尾松混交林。

3.2 不同混交套種樹種對土壤pH和碳氮比（C/N）的影響

由圖2（a）可知，土壤 pH 在各林分間無顯著變 化規(guī)律，楓香 + 馬尾松、閩粵栲 + 馬尾松、深山含笑 + 馬尾松混交林顯著高于馬尾松純林（ （Plt;0.05） ： 其次為福建柏 + 馬尾松、紅椎十馬尾松混交林，與純 林相比差異顯著；表現(xiàn)最低的為火力楠 + 馬尾松混交林。

圖1不同混交林分類型土壤養(yǎng)分質量分數比較

由圖2（b）可知，不同林型間的C/N差異顯著。閩粵栲 + 馬尾松混交林顯著高于其他林分類型0 ?Plt;0. 05 ），且與純林差異顯著；其次為米老排 + 馬尾松、楓香 + 馬尾松、紅椎 + 馬尾松混交林；表現(xiàn)較低的為火力楠十馬尾松。

4討論

森林土壤養(yǎng)分狀況是衡量土壤肥力質量的主要因素，其養(yǎng)分一方面來源于土壤自身經過微生物酶活性及礦化作用獲得養(yǎng)分，另一方面來源林地表闊葉樹凋落物現(xiàn)存量及根系[15]。一般植物的根系和林地的凋落物主要集中在土壤表層，這些枯落物經過腐殖化過程能夠釋放大量的營養(yǎng)元素，導致表層土壤有機質積累較多。本研究混交林中土壤有機質質量分數比馬尾松純林高 48.9% ，這主要由于馬尾松混交林中增加了不同闊葉樹種，生物群落較豐富，凋落物量較大，養(yǎng)分循環(huán)迅速，有利于維持土壤養(yǎng)分平衡和穩(wěn)定，能有效減少土壤肥力退化而致[16]。而馬尾松純林連作后，林分結構單一，林下植被少，馬尾松針葉較硬，纖維素質量分數高，表皮覆蓋蠟質層，且蓄水保土能力差，凋落物養(yǎng)分歸還量少，導致凋落物分解速率慢，氮歸還量較低，從而影響土壤有機質積累[17]。本研究套種閩粵栲、楓香和米老排后形成的復層混交林中土壤有機質質量分數較高，這與魏重和[18對杉木一閩粵栲混交林生產力及凋落物動態(tài)研究結果相類似。主要由于閩粵栲速生，凋落葉大，細根組織密度高，通過增加凋落葉氮質量分數顯著增加凋落物氮歸還量，更有利于土壤養(yǎng)分的積累[19]。而楓香和米老排為落葉樹種，每年有大量凋落物歸還林地，枯落物經土壤微生物分解形成腐殖質，可有效改善土壤板結狀況，逐步提高土壤肥力并改良土壤性質，有利于林分的穩(wěn)定[20]

王壤全氮和水解氮作為被植物直接吸收利用的有效養(yǎng)分，其質量分數的高低反映了土壤養(yǎng)分的供給能力[21]。森林土壤氮素主要來源于凋落物的分解和養(yǎng)分歸還[22]。本研究混交林土壤全氮、水解氮質量分數分別比馬尾松純林高 25.5% 和 23.8% ，其中套種閩粵栲、楓香和深山含笑的馬尾松林地土壤氮素質量分數最高，表明了不同混交林地的凋落物數量和氮素質量分數水平有所區(qū)別，導致林地土壤速效氮質量分數有較大差異?？傊寥赖厮侥芨镁S持馬尾松針闊混交林的土壤地力，也促進了馬尾松及闊葉樹的生長[23]

王壤酸堿度作為土壤中重要的化學性質指標，其大小可控制和影響土壤微生物區(qū)系的改變[24]已有研究表明，土壤微生物活動的適宜 pH 為 6.5～ 7.5，連作針葉純林，導致土壤 pH 下降，土壤酸化會抑制土壤微生物活動，致土壤板結，從而破壞土壤質地，影響土壤肥力，因此，在土壤酸化嚴重時，應采取相應的措施對其 pH 進行調節(jié)[25]。在本研究中，8種混交林的 pH 范圍在 4.45～4.93 ，不同林型間pH 均未達到顯著差異，其中馬尾松林下套種閩粵栲、楓香和深山含笑后的林地土壤pH較高，這表明馬尾松純林套種闊葉樹，在混交4a后，林下凋落物數量有所增加，土壤孔隙度得到改善，凋落物分解速率加快，使更多養(yǎng)分歸還于土壤，從而使混交林地的土壤酸性下降。8種混交林土壤pH均高于馬尾松純林，這也進一步說明單一種植馬尾松純林會導致土壤酸化，而套種不同鄉(xiāng)土樹種后能有效改善土壤酸化。其原因主要是馬尾松針葉含有大量單寧、樹脂等，分解后易產生大量的有機酸，可導致土壤pH降低[26]

磷素有利于土壤根系的形成和生長，提高植物對外界環(huán)境的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，不同混交林間王壤速效磷和全磷差異并不顯著，整個林分的速效磷質量分數低于 5mg?kg^-1 ，屬于虧缺狀態(tài)[27]。這主要由于福建土壤為紅壤，呈酸性至強酸性，使磷素易與土壤中 Fe³⁺ 、 Al³⁺ 結合，形成磷酸鐵和磷酸鋁沉淀，從而不能被植物吸收利用[28]。林地速效養(yǎng)分主要受凋落物影響較大，所以，本研究得出：混交林分土壤速效磷和全磷質量分數分別比馬尾松純林高42.3% 和 14.4% ，與楓香、閩粵栲和深山含笑混交后，土壤全磷和速效磷質量分數最高，說明在馬尾松林下套種闊葉樹后大大改善有效磷的供應。這與樊后保等[29]的研究結果相類似，可能因為不同樹種的功能特性、生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質及凋落物養(yǎng)分質量分數的差異性所致[30]

5結論

通過對30年生馬尾松純林帶狀改造后的針闊混交林進行初步分析得出，土壤有機質、全氮、水解氮、全磷和速效磷質量分數顯著高于馬尾松純林，混交林土壤 pH 范圍在 4.45～4.93 ，且優(yōu)于馬尾松純林；綜合比較分析，篩選出閩粵栲、楓香和深山含笑作為短期內馬尾松復層混交改造的樹種，表明在南方地區(qū)種植先鋒樹種馬尾松時，應通過增加不同樹種多樣性，營造針闊混交林來改善土壤肥力，進而提高馬尾松人工林的可持續(xù)經營及生產。但本研究的試驗時間較短，套種的不同樹種林齡較小，因此，針闊混交改造對馬尾松純林的影響可能會隨著林齡的增長而發(fā)生變化，還需要更長時間的觀測。

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