毛竹-多花黃精復合經營模式對土壤理化特性的影響

王勤, 孫夢瑤, 遆建航, 曹小青, 徐小牛

毛竹-多花黃精復合經營模式對土壤理化特性的影響

王勤, 孫夢瑤, 遆建航, 曹小青, 徐小牛*

安徽農業大學林學與園林學院, 合肥 230036

復合經營是提高毛竹林經營效益及其生態功能的有效途徑, 為了探討毛竹()–多花黃精()不同復合模式對土壤理化特性的影響, 在安徽金寨縣建立了不同立竹密度(M1: 1639株·hm–2; M2: 2095株·hm–2; M3: 2553株·hm–2; CK: 2870株·hm–2)的毛竹-多花黃精復合模式試驗林, 進行比較分析。研究結果表明, 復合模式的土壤容重顯著降低, 非毛管孔隙度、初滲速率和穩滲速率均顯著提高。復合模式土壤0—30 cm土層有機碳含量平均高于對照13.2%, 兩者間差異顯著(<0.05), 而土壤全氮含量沒有顯著差異; 復合模式土壤有效氮、有效磷、交換性鎂平均分別高于對照32.6%、31.4%和35.1% (<0.05)。然而交換性鉀表聚性明顯, 0—30 cm土層平均含量低于對照14.7%; 土壤交換性鈣含量, 復合模式與對照之間沒有顯著差異, 表聚性不明顯。綜合各項指標可以看出, 不同復合模式效應存在一定差異, 其中復合模式M2在改善土壤肥力方面的效果明顯優于其它模式和對照, 生產上可推廣應用。

毛竹; 多花黃精; 立竹密度; 復合模式; 土壤肥力

0 前言

林藥復合經營是利用林下有效資源, 套種藥用植物, 實現藥用植物仿野生栽培, 在保障森林經營目標的基礎上, 兼顧藥用植物高效利用, 可顯著提高經營效益, 達到以短養長, 促進林業可持續發展[1-3]。已有研究表明, 復合經營模式有助于改善土壤肥力條件, 土壤容重、孔隙度、水分和養分有效性等指標都明顯優于單一經營模式[4-5]。因此, 林藥復合經營深受林農歡迎, 已成為山區鄉村經濟振興、改善民生的有效途徑。

毛竹()屬禾本科竹亞科木本植物, 廣泛分布于我國亞熱帶地區, 其生長迅速, 用途多樣, 不僅可以生產竹材、竹筍等直接經濟產品, 還大量用于園林觀賞, 并具有良好的水土保持、調節氣候、凈化空氣等生態服務功能[6]。根據第8次全國森林資源清查, 我國竹林面積超過600萬hm2, 其中毛竹林面積達443萬hm2, 占竹林總面積的74%, 在林業產業建設和山村經濟振興中發揮著重要作用[7]。然而, 目前我國大多數毛竹林以材用為主, 單一經營, 經濟效益低下, 尤其是近年來竹材加工業低迷[7], 嚴重影響了林農經營竹林的積極性。因此, 開展毛竹復合經營, 發展林下經濟, 為毛竹產業振興提供了新的可行途徑[1]。

多花黃精()為百合科黃精屬的多年生草本植物, 具有補氣養陰、健脾、潤肺、益腎等功效[8], 作為中藥材的經濟價值較高。多花黃精喜溫暖濕潤, 耐蔭, 也是毛竹林中常見的林下植物[9]。因此, 多花黃精非常適于毛竹林下復合經營。為了更好地發揮毛竹–黃精復合經營效應, 針對不同復合模式林地土壤理化性質變化進行了調查分析, 為構建毛竹–黃精復合經營高效培育技術體系提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究地自然概況

本研究是在安徽省金寨縣青山(31°27'32.70" N, 115°55'21.12" E)進行的。該地屬亞熱帶北部濕潤季風氣候, 年均降雨量1480 mm, 主要集中在4–9月份; 年均氣溫15.4°C。土壤系片麻巖風化物上發育的山地黃棕壤, 土層厚度多在60—80 cm, 土壤質地為沙壤, 呈弱酸性。研究區地處大別山腹地, 森林覆蓋率高達90%, 毛竹資源豐富, 集中成片, 主要分布在海拔800 m以下的中下坡, 竹產業已成為當地山村經濟發展的支柱產業。

1.2 調查方法

于2018年10月, 在踏查基礎上, 基于毛竹立竹密度不同設置調查樣地(表1), 分析不同立竹密度下毛竹-黃精復合林分土壤特性的變化。試驗林分于2015底在調整立竹密度的基礎上進行全面墾復, 隨后按照行距50 cm、株距30 cm, 在林下穴播多花黃精塊莖。調查樣地面積均為20 m×20 m, 每個模式設置3個重復樣地, 調查樣地內毛竹生長狀況, 實測毛竹胸徑(cm)和稈高(m), 統計立竹數量。隨后在樣地內機械隨機設置4個2 m×2 m樣方, 調查林下黃精生長情況, 測定黃精株高、株數及其蓋度。

在每個樣地中, 沿對角線機械隨機設置3點, 各挖掘一個土壤剖面, 采用環刀法分別0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層測定土壤容重及其含水量。此外, 在每個調查樣方中選擇3點, 利用土鉆分別0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層采集土壤樣品, 各土層分別混合形成一個混合土樣。混合土樣帶回實驗室, 經自然風干后, 揀去雜物, 研磨過2 mm篩裝袋, 用于養分指標測定。

1.3 土壤理化性質指標測定

測定的土壤理化指標主要包括: 土壤容重、孔隙度、最大持水量、初滲速率、穩滲速率、有機碳、全氮、有效氮(包括銨態氮和硝態氮)、有效磷、交換性鉀鈣鎂、pH等。土壤有機碳和全氮采用元素分析儀(EA3000, Italy)測定; 銨態氮和硝態氮含量采用2 mol·L–1的KCl浸提, 使用自動流動注射分析儀測定(FOSS FIA Star 5000)。其它指標按照常規分析方法測定[10]。

表1 毛竹-黃精不同復合模式林分結構及立地狀況

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據整理, SPSS 19.0軟件進行統計分析, 采樣檢驗進行不同模式間差異性分析, Duncan多重比較, 顯著性水平設置為< 0.05。

2 結果與分析

2.1 不同復合模式土壤物理特性

不同毛竹復合模式下, 林地土壤物理特性指標存在一定差異(表2)。林下套種多花黃精后, 表層土壤容重(模式M1和M2)顯著低于CK (< 0.05)。土壤容重變化對其孔隙狀況及持水特性產生影響, 復合模式土壤非毛管孔隙度顯著高于對照, 0—30 cm土層平均提高9.7%, 而毛管孔隙度僅提高4.1%; 初滲速率和穩滲速率分別提高43.7%和24.1%。由于土壤水分滲透狀況的改善, 提高了土壤自然含水率, 復合模式平均高于對照7.6%。綜合土壤物理性各相關指標可以看出, 復合模式M2整體上優于M1、M3和對照。

2.2 不同復合模式土壤化學特性

不同毛竹復合模式下土壤化學特性差異明顯(表3), 復合模式土壤0—10 cm和10—20 cm土層pH平均值分別為5.02和5.12, 顯著高于對照的毛竹純林(< 0.05)。0—30 cm土壤有機碳含量復合模式平均為23.26g·kg–1, 比對照提高了13.2%, 兩者間差異顯著(< 0.05)。雖然復合模式M1的土壤全氮含量顯著高于對照, 但是整體上來看, 復合模式與對照之間各土層全氮含量沒有顯著差異。

從土壤有效養分來看, 除了土壤交換性K+和Ca2+, 復合模式下土壤有效N、有效P、交換性Mg2+都顯著高于對照(表3), 其中有效N和P, 0—30 cm土層平均分別高于對照32.6%和31.4%, 尤其是10—20 cm土層有效N和P的平均增幅高達50.7%和48.4%; 交換性Mg2+平均高于對照35.1%。然而, 與其它有效養分元素相比, 土壤交換性Ca2+含量隨土層的變化較小, 而且復合模式各土層交換性Ca2+的平均含量與對照沒有顯著差異, 特別是20—30 cm土層, 復合模式平均低于對照3.7%。交換性K+含量變化呈現隨土層降低的趨勢, 0—30 cm土層平均含量比對照降低14.7%。綜合各項指標可以看出, 復合模式M2要優于M1、M3和對照。

表2 不同復合模式土壤物理特性

注: 同一列不同小寫字母表示同一土層不同處理間存在顯著差異。

表3 不同復合模式土壤化學特性

3 討論與結論

很多研究顯示, 復合經營模式在改善林地土壤理化特性如土壤孔隙度狀況、水分和養分條件及生物學特性等諸多方面, 都要優于單一經營模式[3-5,11-12]。Yang等[11]研究發現杉木()林下栽植藥用植物砂仁()后, 土壤孔隙度和持水能力提高, 同時提高土壤酶活性和土壤微生物生物量, 有機質、全氮、全磷、速效磷和鉀含量均有不同程度的增加。復合模式土壤肥力狀況的改善可能原因主要包括兩方面: 一是不同植物對土壤養分的需求會存在一定差異, 這樣合理搭配植物組成, 在養分利用過程中就可能發揮互補效應, 提高林地養分利用效率[13-14]。二是林分結構變化必然引起林內環境變化[15], 特別是復合經營林分中上層林木密度適度降低, 可使林內光照增強、溫度提高, 從而能夠促進土壤微生物活性, 有助于凋落物分解, 加速養分循環[16-17]。由于森林生態系統主要養分元素多是以凋落物(包括細根周轉)為載體的再循環而歸還土壤之中, 因此森林凋落物成為森林生態系統養分循環的中心環節, 凋落物量增加[16-17], 其分解加快, 不僅增加土壤養分, 而且促進土壤團聚體形成和穩定, 使土壤綜合肥力狀況得到改善[4-5, 11]。可見, 復合經營模式生態效應的產生是建立在不同植物之間相互作用的基礎上, 因此復合模式中植物選擇尤為重要。李晨晨等[3]比較分析了杉木林下套植不同藥用植物的生態效益, 發現不同復合模式對表層土壤的改良作用差異顯著。韋鑠星等[2]和劉偉瑋等[5]也得出類似研究結果。充分說明構建合理的復合經營模式是提高生態系統穩定性和生態效益的基礎。

本研究結果顯示, 多數土壤理化指標的垂直變化明顯。在物理指標方面, 土壤容重、非毛管孔隙度和穩滲速率呈現隨土層深度的增加顯著遞減的規律。這與森林地表凋落物富集、分解, 土壤有機質含量高, 團粒結構發達密切相關[18]。多花黃精是多年生草本植物, 每年秋末地上部枯死歸還土壤, 因此毛竹復合經營林分中枯落物產量和質量要高于毛竹純林。由于不同模式毛竹立竹密度顯著差異, 多花黃精種植密度不同, 其生長亦有差異, 歸還土壤的有機質數量存在差異, 這可能是造成復合模式表層土壤有機碳含量顯著高于毛竹純林以及不同復合模式土壤有機碳含量之間差異的主要原因。有研究顯示土壤有機碳含量與容重顯著負相關[19-21], 土壤有機碳含量提高, 會引起其容重降低。在土壤養分方面, 表層富集效應顯著, 特別是有效氮、交換性K+和Mg2+, 其次是土壤全氮、有效磷和有機碳, 而交換性Ca2+含量雖然表層高于下層土壤, 但是不同土層間的差異不大, 表明土壤交換性Ca2+的表聚性不強。這與姜林等的研究結果一致[22]。土壤Ca2+主要來源于成土母質, 在土壤形成過程中, 膠體表面的吸附和交換特性[23]、生物循環[24]以及淋溶作用[25]等會對Ca2+分布產生顯著影響。本研究中, 復合模式20–30 cm土層中交換性Ca2+平均含量略低于對照的毛竹單一經營林分, 與闊葉樹種相比較, 毛竹對Ca的吸收消耗較少[26], 因此這種變化可能與林下黃精的生長吸收有關。王海明等[27]研究發現杉木-黑麥草()復合經營中出現Ca競爭, 引起土壤養分平衡破壞和Ca垂直分布的變化。其它養分元素如氮、磷、鉀、鎂, 還包括有機碳主要依賴生物循環過程, 即主要是通過森林凋落物的再循環過程, 因此其表聚性較強[28]。與毛竹落葉相比, 枯死的黃精地上部有機物氮磷含量較高, 較易分解, 從而加速了復合模式林分的生物循環過程, 導致土壤有效氮顯著高于毛竹純林。毛竹復合經營模式下土壤交換性K+平均含量明顯低于單一經營, 表明復合模式中林下多花黃精的生長增加了林地土壤K的消耗。本研究林地土壤有效磷含量都在5.0g·kg–1以下, 說明土壤磷素比較匱乏。在亞熱帶地區由于高溫高濕, 土壤風化強烈, 鹽基離子易于流失[29], 土壤酸化, 磷酸根離子易被吸附固定, 導致有效磷含量很低[30-31], 可能成為植物生長的限制性養分元素。因此, 在毛竹林復合經營過程中, 適當配施磷鉀肥是必要的。

綜上所述, 毛竹-多花黃精復合經營模式對林地土壤、特別是表層土壤理化特性有著顯著的影響, 但是不同復合模式的影響作用存在一定差異, 這種差異性主要是立竹密度的影響, 綜合土壤理化特性指標, 本研究結果顯示以立竹密度在2100株·hm–2時為最佳, 可在生產中推廣應用。同時, 由于不同復合模式因經營周期變化而引起林分結構的改變, 因此在經營過程中需要加強立竹密度的調控, 才能保障復合模式的穩定性和長效性。

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Effects of different–intercropping models on soil physicochemical properties

WANG Qin, SUN Mengyao, DI Jianhang, CAO Xiaoqing, XU Xiaoniu*

School of Forestry & Landscape Architecture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China

Moso bamboo () agroforestry is an effective way to improve its management benefits and ecological functioning. In order to reveal the effects of different intercropping models on soil property, an experimental forest of-was established with three different bamboo densities including M1, 1639 culms·hm–2; M2, 2095 culms·hm–2; M3, 2553 culms·hm–2; and the control stand (CK) was 2870 culms·hm–2in December 2015 in Jinzhai, Anhui Province. An investigation was conducted in October 2018 for analysis of the effects of those models on soil physicochemical properties. The results showed that soil bulk density significantly decreased in intercropping models than in CK. The non-capillary porosity, initial infiltration rate, and stable infiltration rate of soils were significantly increased by intercropping. In 0-30cm soil layer, the mean concentration of soil organic carbon was 13.2% higher in the intercropping models than in CK (<0.05), while there was no significant difference in soil total nitrogen between intercropping model and CK. With comparison to CK, soil available nitrogen increased by 32.6%, and available phosphorus by 31.4%, exchangeable K+by 26.0% and Mg2+by 35.1% in the intercropping models. However, there was no significant difference in soil exchangeable Ca2+between intercropping model and CK. It is clear that there exist somewhat differences in ecological benefits among the different models based on the abovementioned soil parameters. In those models, M2 was the best one in improvement of soil fertility, and suitable for application and extension.

;; bamboo density; intercropping model; soil fertility

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.008

S714.2

A

1008-8873(2020)06-054-06

2019-10-10;

2019-12-03基金項目:國家重點研發計劃(2018YFD0600105), 安徽省重點研究和開發計劃(1804h07020154)

王勤(1962—), 女, 江蘇漣水人, 高級實驗師, 主要從事森林土壤及生態學研究, E-mail: qlsforest@ahau.edu.cn

徐小牛, 教授, 博士生導師, 主要從事森林培育學及森林生態研究, E-mail: xnxu6162@163.com

王勤, 孫夢瑤, 遆建航,等. 毛竹-多花黃精復合經營模式對土壤理化特性的影響[J]. 生態科學, 2020, 39(6): 54–59.

WANG Qin, SUN Mengyao, DI Jianhang, et al. Effects of different–intercropping models on soil physicochemical properties[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 54–59.