不同林齡杉木千年桐混交林與純林土壤理化性質(zhì)特征比較

陳欣凡 林國(guó)偉 洪滔 陳建忠 蘇少川 洪偉 吳承禎 林晗

摘 要 以3～5年生的杉木千年桐混交林和杉木純林的0～30 cm土壤層為研究對(duì)象，探討幼齡期杉木純林和杉桐混交林的土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律，旨在為杉闊混交林的營(yíng)造以及持續(xù)健康經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：幼齡期各林齡杉桐混交林在土壤容重和總孔隙度方面顯著優(yōu)于杉木純林，說(shuō)明營(yíng)造杉木千年桐混交林能有效改善土壤的物理性質(zhì)。純林各林分pH值介于4.22～4.53，混交林各林分pH值介于4.41～4.85，杉桐混交林緩和了土壤的酸度。不同林齡的杉木純林和杉桐混交林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀基本呈現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象。其中，杉桐混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于杉木純林，除4年生杉桐混交林的水解氮、全鉀、速效鉀含量低于純林，3、5年生的混交林水解氮、全鉀、速效鉀含量均高于純林，幼齡期杉桐混交林的全氮、全磷、有效磷含量高于純林。整體來(lái)看，杉木千年桐混交林土壤養(yǎng)分相較杉木純林大體上有一定程度的提高。

關(guān)鍵詞 杉木；千年桐；混交林；土壤理化性質(zhì)

中圖分類號(hào) S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Soil Physical and Chemical Properties of Cunninghamia

lanceolata - Aleurites Montana Mixed Forestand

Cunninghamia lanceolata Pure Forest

with Different Age

CHEN Xinfan1，2， LIN Guowei1，2， HONG Tao1，2， CHEN Jianzhong3， SU Shaochuan3，

HONG Wei1，2， WU Chengzhen4， LIN Han1，2 *

1 Forestry College， Fujian Agriculture and ForestryUniversity， Fuzhou， Fujian 350002， China

2 Key Laboratory of Fujian Universities for Forest Ecological System Process and Management， Fuzhou， Fujian 350002， China

3 Jianyang Forestry Adiministration， Jianyang， Fujian 354200， China

4 Ecology and Environment School， Wuyi College， Wuyishan， Fujian 354300， China

Abstract Soil physical and chemical properties in the depth of 0-60 cm layers under C. lanceolata - A. Montana mixed forest and C. lanceolata pure forest 3-5 aged were studied on the basis of field sampling and laboratory test. The results showed that： The bulk density and moisture capacity of C. lanceolata - A. Montana mixed forest were significantly higher than that of C. lanceolata pure forest in juvenile， it meanet the mixed stands of C. lanceolata and A. Montana improved soil physical properties. The pH value of different forest was 4.22-4.53 for C. lanceolata pure forest， 4.41-4.85 for the C. lanceolata - A. Montana mixed forest. Mixed stand of C. lanceolata and A. Montana assuaged soil acidification. The soil nutritions would be concentrated in the surface layer in C. lanceolata - A. Montana mixed forest and C. lanceolata pure forest. There was significant difference in organic matter content of the pure and mixed forest. In addition to some soil chemical properties including hydrolysis nitrogen， total potassium content， available potassium content of mixed stand of C. lanceolata and A. Montana were lower than C. lanceolata pure forest aged 4， total nitrogen， Total phosphorus content and available phosphorus content of C. lanceolata - A. Montana mixed forest were higher than that of Cu. lanceolata pure forest， but significant difference were not found. Therefore， in the mixed plantation， soil nutrients were further improved.

Key words Cunninghamia lanceolata； Aleurites montana； mixed forest； soil physical and chemical properties

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.09.013

杉木（Cunninghamia lanceolata）是中國(guó)南方重要的造林樹(shù)種。然而大面積人工栽培營(yíng)造杉木純林造成的針葉化嚴(yán)重、林分結(jié)構(gòu)單一、土地力衰退、土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤肥力降低、病蟲(chóng)害易發(fā)生等問(wèn)題已有諸多報(bào)道，這嚴(yán)重阻礙了杉木的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[1-3]。實(shí)踐證明，針葉樹(shù)種和闊葉樹(shù)種的混交林模式，能夠更好的利用空間結(jié)構(gòu)和維持地力，改善土壤的理化性質(zhì)[4-5]。為此，許多學(xué)者開(kāi)始尋找與杉木混交的闊葉樹(shù)種，杉木與毛竹、觀光木、米老排、南酸棗等混交模式的可行性已得到驗(yàn)證[6-9]。然而，構(gòu)建杉闊混交模式時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分闊葉樹(shù)種與杉木混交后會(huì)產(chǎn)生一些不利影響，例如杉木與火力楠混交模式，其林地質(zhì)量不高，相比杉木純林生物量和持水量反而有所下降[10]；杉木與巨尾桉混交后，土壤肥力降低等[11]。因此，選擇恰當(dāng)?shù)拈熑~混交樹(shù)種是實(shí)現(xiàn)營(yíng)造理想的杉闊混交林效果的重要方面。

千年桐（Aleurites montana）是我國(guó)南方的油料闊葉樹(shù)種。由于千年桐凋落物歸還量大、自我更新能力強(qiáng)、有利于維護(hù)地力，作為生態(tài)公益林的更新補(bǔ)植樹(shù)種已在我國(guó)南方林區(qū)大力推廣[12]。本項(xiàng)目前期研究發(fā)現(xiàn)，杉桐混交幼齡林種間關(guān)系相對(duì)協(xié)調(diào)，通過(guò)Hegyi單木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)模型預(yù)測(cè)，隨著林齡以及杉木胸徑的增加競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度趨緩[13]。由此可知，千年桐適宜作為杉木的伴生樹(shù)種，將其與杉木混交，可實(shí)現(xiàn)林木木質(zhì)利用和非木質(zhì)利用相結(jié)合的經(jīng)營(yíng)目的，從而提高林分的經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。然而，針對(duì)杉桐混交林對(duì)土壤地力的改良效果鮮見(jiàn)報(bào)道，并且這種混交模式對(duì)地力的影響是否隨著林齡增長(zhǎng)而異尚不明確。因此，本文以3～5年生的杉木純林和杉木千年桐混交林為研究對(duì)象，探討了幼齡期杉木純林和杉桐混交林土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分的年際變化，旨在為進(jìn)一步揭示杉木不同林分類型對(duì)森林土壤養(yǎng)分生態(tài)系統(tǒng)的影響規(guī)律及生態(tài)差異提供理論參考，同時(shí)為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和發(fā)展提供理想的伴生樹(shù)種。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)域地處福建省北部的建陽(yáng)市，位于北緯27°06′～27°43′，東經(jīng)117°31′～118°38′之間，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均溫度18.1 ℃，年降水量豐富，氣候溫和。杉木千年桐混交試驗(yàn)林位于建陽(yáng)市溪東國(guó)有林場(chǎng)，共28.5 hm2混交林采用行間混交，混交比例1 ∶ 1，株行距為1.5 m×2 m（表1）。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品的采集與處理 選取立地條件相對(duì)一致、具有代表性的3、4、5 a的杉木純林和杉木千年桐混交林樣地各3塊，樣地大小為20 m×30 m。并在每塊樣地內(nèi)按“對(duì)角線”型布點(diǎn)法，挖取3個(gè)土壤剖面，分別以0～10、10～20、20～30 cm分層取樣，去除須根后分別裝入標(biāo)記好的自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，風(fēng)干后將同一樣地同一土層的土壤混合均勻后用于土壤化學(xué)指標(biāo)的分析。同時(shí)，對(duì)每個(gè)土壤剖面用環(huán)刀取樣并標(biāo)記，用于土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。

1.2.2 土壤樣品的測(cè)定 土壤物理性質(zhì)：容重、總孔隙度采用100 mm3不銹鋼環(huán)刀法測(cè)定。

土壤化學(xué)性質(zhì)：土壤pH值采用pH酸度計(jì)電位法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵還原滴定法；全氮采用半微量凱氏蒸餾法；水解性氮采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定；全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法；有效磷采用鹽酸和硫酸溶液浸提法；全鉀采用堿熔-火焰光度計(jì)法；速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法[14]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，通過(guò)SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡杉木純林及杉桐混交林土壤物理性質(zhì)分析

研究結(jié)果表明，兩種林分類型均表現(xiàn)為0～10 cm土層土壤容重最小，且隨著土層深度增加而增大。0～30 cm土層中杉桐混交林各土層土壤容重均低于純林（圖1），其中3～5 a純林的容重間無(wú)顯著差異，3年生和4年生的混交林土壤容重與5年生混交林之間差異顯著（p<0.05）。比較相同林齡不同類型的林分發(fā)現(xiàn)，3年生的混交林土壤容重比純林降低了5.30%，4年生的降低3.23%，5年生的降低10.51%。整體來(lái)看，幼齡期混交林的土壤容重顯著小于純林（p<0.05）。

與土壤容重的變化相反，純林和混交林0～30 cm土層的土壤孔隙度均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而降低的趨勢(shì)（圖2）。同林齡的混交林土壤孔隙度高于純林，其中5年生混交林與純林差異最大，達(dá)到10.12%。

2.2 不同林齡杉木純林及杉桐混交林土壤化學(xué)性質(zhì)分析

2.2.1 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量 由圖3可知，各個(gè)林齡的純林和混交林土壤pH值均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加逐漸增加的趨勢(shì)。各林齡間混交林土壤pH值均高于純林，其中3～5 a混交林0～10 cm土層土壤pH值比同林齡純林分別高出5.92%、8.01%、8.09%。

不同林齡的混交林和純林均表現(xiàn)為表層有機(jī)質(zhì)含量最高，隨著土壤深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，且降幅趨緩（圖4）。混交林各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于同齡純林，3～5 a生杉桐混交林0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別為同林齡杉木純林的1.65、1.30和1.64倍。各林齡純林和混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量差異極顯著（p<0.01）。

2.2.2 土壤全氮和水解氮含量 根據(jù)研究結(jié)果可知，無(wú)論純林還是混交林，土壤全氮含量最高值均出現(xiàn)在0～10 cm土層（圖5），且各林分土壤全氮含量隨著土層深度的增加而減少。就0～30 cm土層土壤全氮含量而言，3年生純林與4、5年生純林間差異顯著（p<0.05），3、5年生混交林與4年生混交林間差異顯著（p<0.05）；3年生純林和混交林之間差異顯著（p<0.05）。

不同林分類型土壤水解氮含量的變化與全氮相似，呈現(xiàn)隨土層深度的增加而減少的趨勢(shì)（圖6）。其中，3、5 a混交林的0～10和10～20土層與20～30 cm土層之間差異顯著（p<0.05），其余林分土層之間的水解氮含量變化均無(wú)顯著差異。就0～30 cm土層水解氮均值而言，純林不同林齡間差異顯著（p<0.05），4年生純林與同齡混交林土壤水解氮之間差異顯著（p<0.05）。

2.2.3 土壤全磷和有效磷含量 不同林齡杉木純林和混交林其土壤全磷含量大體隨土層深度的增加而降低（圖7），土層間的全磷含量差異未達(dá)到顯著水平。各林齡0～30 cm土層混交林全磷含量均值均高于同齡純林，分別高出32.10%，13.96%和42.73%，其中3和5年生混交林全磷含量顯著高于純林（p<0.05）。

與全磷含量變化規(guī)律一致，土壤有效磷含量大體隨著土層深度的增加而減少（圖8）。隨著林分林齡的增加，0～10 cm土層有效磷含量基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在混交林中表現(xiàn)得更為明顯。相較其他林齡，5年生純林和混交林0～10 cm土層與其他土層的差異最大。

2.2.4 土壤全鉀和速效鉀 根據(jù)研究結(jié)果（圖9），3～5年生純林均表現(xiàn)為土壤表層（0～10 cm）全鉀含量最高，并其含量隨著土壤深度的增加而遞減；混交林的土壤全鉀與土層的變化規(guī)律不明顯。

由圖10可知，不同林齡混交林和純林在0～30 cm土壤垂直剖面上速效鉀含量位于13.26～24.09和14.82～20.31 mg/kg之間，均值分別為17.91和16.55 mg/kg。混交林整體速效鉀含量比純林高8.24%。不同林分速效鉀含量隨著土壤深度的增加而減少。

3 討論

土壤的物理性質(zhì)因不同林分類型而有所差異。土壤容重影響著林木水分、濕氣和熱量的流通、貯存與分配。容重小表示土壤質(zhì)地疏松，結(jié)構(gòu)性良好。反之，則土壤緊實(shí)，缺乏團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，3～5年生杉木純林和杉桐混交林土壤容重均隨土壤深度的增加而增加，這與前人研究一致[16]。杉木純林樹(shù)種單一，凋落物分解較慢，土壤變得緊實(shí)，不利于林地的長(zhǎng)久利用；而千年桐為闊葉落葉樹(shù)種，凋落物易分解，且分解的過(guò)程中微生物群落的活性作用能降低土壤的緊實(shí)程度[17-19]，使林地土壤變得疏松，通氣狀況變好，這可能是造成3～5年生兩種林分土壤容重差異的主要原因。土壤孔隙度是土壤通氣和水分滲透的一個(gè)重要指數(shù)。本研究表明，同林齡杉桐混交林的土壤孔隙度均高于杉木純林。杉桐混交林改善了土壤的通氣透水能力以及抗沖刷和抗侵蝕的能力，是一種能夠提高林分透氣透水能力的樹(shù)種組合。

對(duì)不同林分的土壤pH分析發(fā)現(xiàn)，3～5年生的杉桐混交林不同土層的土壤pH值均高于同齡純林，因?yàn)榕c立地條件基本一致的同林齡純林相比，闊葉樹(shù)種千年桐提供了大量的凋落物，在一定程度緩和了土壤的酸性。有機(jī)質(zhì)是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)，也是各營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮素、磷素的主要來(lái)源。它既能有效地協(xié)調(diào)水肥氣熱狀況，又可能緩沖土壤酸堿及有毒物質(zhì)，很大程度上影響土壤滲透性、持水性、保肥性和養(yǎng)分循環(huán)[20]。本研究中，4年生林分的土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于其他純林林分。前人研究發(fā)現(xiàn)，新造杉木其生長(zhǎng)新形成的有機(jī)質(zhì)含量大于對(duì)土壤中原有有機(jī)質(zhì)的分解利用，養(yǎng)分回歸較快而進(jìn)入速生階段后，林分需要消耗大量的林地養(yǎng)分，這可能是5年生杉木純林有機(jī)質(zhì)含量低于4年生純林的原因[21]。杉木千年桐混交后，林下植被與凋落物變得豐富，經(jīng)過(guò)微生物活動(dòng)分解，能較大幅度提高有機(jī)質(zhì)含量，故而杉桐混交林有機(jī)質(zhì)含量顯著高于純林。

通常情況下森林植物的凋落物主要分布于土壤表層，在土壤表層釋放了大量的營(yíng)養(yǎng)元素，隨著土層深度的增加，凋落物越來(lái)越少，因此呈現(xiàn)出大多數(shù)土壤養(yǎng)分隨著土層深度的增加而降低的趨勢(shì)。本研究中各林分土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀都表現(xiàn)出聚表現(xiàn)象。幼齡期不同林分的土壤全氮、水解氮趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)基本一致。根據(jù)前人研究[22-23]，南方土壤的磷供應(yīng)整體不足，本研究中全磷的含量均低于0.8 g/kg，3～5年生杉桐混交林0～30 cm土層全磷和有效磷含量均高于同齡杉木純林，其中兩種林分在0～10 cm土層的差異尤為明顯。相比前人關(guān)于杉木混交巨尾桉、火力楠等闊葉樹(shù)種后土壤全磷含量有所降低[7]，營(yíng)造杉木千年桐混交林能在一定程度上緩解磷的不足。5年生杉桐混交林速效鉀含量顯著高于杉木純林，說(shuō)明生長(zhǎng)到一定年限的杉桐混交模式相比杉木純林能改善土壤的速效鉀含量。因此應(yīng)該充分利用混交林養(yǎng)分歸還速度快的特點(diǎn)，同時(shí)保護(hù)林下植被的多樣性，提高林分的自肥能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，幼齡期杉木千年桐混交模式能在一定程度上改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤肥力。杉闊混交模式受到生長(zhǎng)時(shí)期、外部環(huán)境等因素的影響，因此論證其可行性是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。項(xiàng)目后期跟蹤研究將繼續(xù)進(jìn)行，以驗(yàn)證杉木千年桐混交模式的效果，為杉木人工混交林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和實(shí)現(xiàn)“以短養(yǎng)長(zhǎng)”經(jīng)營(yíng)模式提供優(yōu)良的伴生樹(shù)種。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉 麗， 徐明愷， 汪思龍， 等. 杉木人工林土壤質(zhì)量演變過(guò)程中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2013， 33（15）： 4 692-4 706.

[2] 黃承標(biāo)， 曹繼釗， 吳慶標(biāo)， 等. 禿杉林與杉木連栽林的土壤理化性質(zhì)及林木生長(zhǎng)量比較[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2010， 46（4）： 1-7.

[3] Zhou L L， Shalom A D， Wu P F， et al. Litterfall production and nutrient return in different-aged Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantations in South China[J]. J For Res， 2015， 26（1）： 79-89.

[4] 萬(wàn)曉華， 黃志群， 何宗明， 等. 闊葉和杉木人工林對(duì)土壤碳氮庫(kù)的影響比較[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2013， 24（2）： 345-350.

[5] 王光玉. 杉木混交林水源涵養(yǎng)和土壤性質(zhì)研究[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2003， 39（S1）： 15-20.

[6] 漆良華， 范少輝， 杜滿義， 等. 湘中丘陵區(qū)毛竹純林、毛竹-杉木混交林土壤有機(jī)碳垂直分布與季節(jié)動(dòng)態(tài)[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2013， 49（3）： 17-24.

[7] 封 磊， 洪 偉， 吳承禎， 等. 杉木-觀光木人工混交林種內(nèi)和種間競(jìng)爭(zhēng)研究[J]. 西北植物學(xué)報(bào)， 2008， 28（1）： 141-146.

[8] 姚慶端. 不同杉木混交模式土壤肥力及土壤蓄水量研究[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報(bào)， 1996， 16（3）： 282-286.

[9] 何貴平， 陳益泰， 余元華， 等. 南酸棗人工林早期生長(zhǎng)特性及其與杉木混交效應(yīng)研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究， 2004， 17（2）： 206-212.

[10] 洪長(zhǎng)福. 不同杉木混交類型幼齡林水源涵養(yǎng)功能研究[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報(bào)， 1997， 17（2）： 184-188.

[11] 張 劍， 汪思龍， 王清奎， 等. 不同森林植被下土壤活性有機(jī)碳含量及其季節(jié)變化[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2009， 17（1）： 41-47.

[12] 林 晗， 洪陳潔， 洪 滔， 等. 不同內(nèi)生真菌對(duì)千年桐幼苗生長(zhǎng)及主要礦質(zhì)元素的影響[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2016， 36（09）： 1 799-1 804.

[13] 林 晗， 吳承禎， 陳 輝， 等. 杉木-千年桐人工混交林種內(nèi)種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報(bào)， 2014， 34（4）： 316-321.

[14] LY/T 1228～1239-1999. 森林土壤分析方法[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[15] 魏 強(qiáng)， 凌 雷， 柴春山， 等. 甘肅興隆山森林演替過(guò)程中的土壤理化性質(zhì)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 2012， 12（15）： 4 700-4 713.

[16] 楊會(huì)俠， 何友均， 鄭 穎， 等. 天然次生針葉林內(nèi)土壤理化性質(zhì)對(duì)不同經(jīng)營(yíng)方式的響應(yīng)[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 41（3）： 63-68.

[17] Blagodatskaya E V， Anderson T H. Interactive effects of pH andsubstrate quality on the fungal-to-bacterial ratio and qCO2 of microbial communities in forest soils[J]. Soil Biology and Biochemistry， 1998， 30（10/11）： 1 269-1 274.

[18] 林 晗， 陳 輝， 吳承禎， 等. 千年桐與毛竹凋落葉混合分解對(duì)土壤酶活性的影響[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)， 2012， 18（4）： 539-545.

[19] Lin Han， Hong Tao， Wu Chengzhen， et al. Monthly variation in litterfall and the amount of nutrients in an Aleuritesmontana plantation[J]. Forestry Studies in China， 2012， 14（1）： 30-35.

[20] 衣曉丹， 王新杰. 杉木人工純林與混交林下幾種土壤養(yǎng)分對(duì)比及與生長(zhǎng)的關(guān)系[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 33（2）： 34-38.

[21] 曹 娟， 閆文德， 項(xiàng)文化， 等. 湖南會(huì)同3個(gè)林齡杉木人工林土壤碳、 氮、 磷化學(xué)計(jì)量特征[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2015， 51（7）： 4-8.

[22] 郭 琦. 杉木人工純林凋落物及土壤養(yǎng)分循環(huán)研究[D]. 北京： 北京林業(yè)大學(xué)， 2014.

[23] Richardson A E， Barea J M， McNeill A M， et al. Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms[J]. Plant and Soil， 2009， 321： 305-309.