不同林龄杉木千年桐混交林与纯林土壤理化性质特征比较

陈欣凡 林国伟 洪滔 陈建忠 苏少川 洪伟 吴承祯 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土壤层为研究对象，探讨幼龄期杉木纯林和杉桐混交林的土壤理化性质变化规律，旨在为杉阔混交林的营造以及持续健康经营提供科学依据。结果表明：幼龄期各林龄杉桐混交林在土壤容重和总孔隙度方面显著优于杉木纯林，说明营造杉木千年桐混交林能有效改善土壤的物理性质。纯林各林分pH值介于4.22～4.53，混交林各林分pH值介于4.41～4.85，杉桐混交林缓和了土壤的酸度。不同林龄的杉木纯林和杉桐混交林的土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾基本呈现明显的“表聚”现象。其中，杉桐混交林土壤有机质含量显著高于杉木纯林，除4年生杉桐混交林的水解氮、全钾、速效钾含量低于纯林，3、5年生的混交林水解氮、全钾、速效钾含量均高于纯林，幼龄期杉桐混交林的全氮、全磷、有效磷含量高于纯林。整体来看，杉木千年桐混交林土壤养分相较杉木纯林大体上有一定程度的提高。

关键词 杉木；千年桐；混交林；土壤理化性质

中图分类号 S15 文献标识码 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）是中国南方重要的造林树种。然而大面积人工栽培营造杉木纯林造成的针叶化严重、林分结构单一、土地力衰退、土壤结构破坏、土壤肥力降低、病虫害易发生等问题已有诸多报道，这严重阻碍了杉木的可持续经营[1-3]。实践证明，针叶树种和阔叶树种的混交林模式，能够更好的利用空间结构和维持地力，改善土壤的理化性质[4-5]。为此，许多学者开始寻找与杉木混交的阔叶树种，杉木与毛竹、观光木、米老排、南酸枣等混交模式的可行性已得到验证[6-9]。然而，构建杉阔混交模式时，发现部分阔叶树种与杉木混交后会产生一些不利影响，例如杉木与火力楠混交模式，其林地质量不高，相比杉木纯林生物量和持水量反而有所下降[10]；杉木与巨尾桉混交后，土壤肥力降低等[11]。因此，选择恰当的阔叶混交树种是实现营造理想的杉阔混交林效果的重要方面。

千年桐（Aleurites montana）是我国南方的油料阔叶树种。由于千年桐凋落物归还量大、自我更新能力强、有利于维护地力，作为生态公益林的更新补植树种已在我国南方林区大力推广[12]。本项目前期研究发现，杉桐混交幼龄林种间关系相对协调，通过Hegyi单木竞争指数模型预测，随着林龄以及杉木胸径的增加竞争强度趋缓[13]。由此可知，千年桐适宜作为杉木的伴生树种，将其与杉木混交，可实现林木木质利用和非木质利用相结合的经营目的，从而提高林分的经济效益及生态效益。然而，针对杉桐混交林对土壤地力的改良效果鲜见报道，并且这种混交模式对地力的影响是否随着林龄增长而异尚不明确。因此，本文以3～5年生的杉木纯林和杉木千年桐混交林为研究对象，探讨了幼龄期杉木純林和杉桐混交林土壤物理性质和养分的年际变化，旨在为进一步揭示杉木不同林分类型对森林土壤养分生态系统的影响规律及生态差异提供理论参考，同时为杉木人工林的可持续经营和发展提供理想的伴生树种。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区域地处福建省北部的建阳市，位于北纬27°06′～27°43′，东经117°31′～118°38′之间，属中亚热带季风湿润气候区，年平均温度18.1 ℃，年降水量丰富，气候温和。杉木千年桐混交试验林位于建阳市溪东国有林场，共28.5 hm2混交林采用行间混交，混交比例1 ∶ 1，株行距为1.5 m×2 m（表1）。

1.2 方法

1.2.1 土壤样品的采集与处理 选取立地条件相对一致、具有代表性的3、4、5 a的杉木纯林和杉木千年桐混交林样地各3块，样地大小为20 m×30 m。并在每块样地内按“对角线”型布点法，挖取3个土壤剖面，分别以0～10、10～20、20～30 cm分层取样，去除须根后分别装入标记好的自封袋带回实验室自然风干，风干后将同一样地同一土层的土壤混合均匀后用于土壤化学指标的分析。同时，对每个土壤剖面用环刀取样并标记，用于土壤物理性质的测定。

1.2.2 土壤样品的测定 土壤物理性质：容重、总孔隙度采用100 mm3不锈钢环刀法测定。

土壤化学性质：土壤pH值采用pH酸度计电位法；有机质采用重铬酸钾-硫酸亚铁还原滴定法；全氮采用半微量凯氏蒸馏法；水解性氮采用碱解-扩散法测定；全磷采用碱熔-钼锑抗比色法；有效磷采用盐酸和硫酸溶液浸提法；全钾采用碱熔-火焰光度计法；速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法[14]。

1.2.3 数据处理与分析 实验所得数据运用Excel软件进行统计整理，通过SPSS17.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同林龄杉木纯林及杉桐混交林土壤物理性质分析

研究结果表明，两种林分类型均表现为0～10 cm土层土壤容重最小，且随着土层深度增加而增大。0～30 cm土层中杉桐混交林各土层土壤容重均低于纯林（图1），其中3～5 a纯林的容重间无显著差异，3年生和4年生的混交林土壤容重与5年生混交林之间差异显著（p<0.05）。比较相同林龄不同类型的林分发现，3年生的混交林土壤容重比纯林降低了5.30%，4年生的降低3.23%，5年生的降低10.51%。整体来看，幼龄期混交林的土壤容重显著小于纯林（p<0.05）。

与土壤容重的变化相反，纯林和混交林0～30 cm土层的土壤孔隙度均呈现随土层深度的增加而降低的趋势（图2）。同林龄的混交林土壤孔隙度高于纯林，其中5年生混交林与纯林差异最大，达到10.12%。

2.2 不同林龄杉木纯林及杉桐混交林土壤化学性质分析

2.2.1 土壤pH值和有机质含量 由图3可知，各个林龄的纯林和混交林土壤pH值均呈现随着土层深度的增加逐渐增加的趋势。各林龄间混交林土壤pH值均高于纯林，其中3～5 a混交林0～10 cm土层土壤pH值比同林龄纯林分别高出5.92%、8.01%、8.09%。

不同林龄的混交林和纯林均表现为表层有机质含量最高，随着土壤深度的增加，有机质含量逐渐降低，且降幅趋缓（图4）。混交林各土层土壤有机质含量显著高于同龄纯林，3～5 a生杉桐混交林0～30 cm土层有机质含量分别为同林龄杉木纯林的1.65、1.30和1.64倍。各林龄纯林和混交林土壤有机质含量差异极显著（p<0.01）。

2.2.2 土壤全氮和水解氮含量 根据研究结果可知，无论纯林还是混交林，土壤全氮含量最高值均出现在0～10 cm土层（图5），且各林分土壤全氮含量随着土层深度的增加而减少。就0～30 cm土层土壤全氮含量而言，3年生纯林与4、5年生纯林间差异显著（p<0.05），3、5年生混交林与4年生混交林间差异显著（p<0.05）；3年生纯林和混交林之间差异显著（p<0.05）。

不同林分类型土壤水解氮含量的变化与全氮相似，呈现随土层深度的增加而减少的趋势（图6）。其中，3、5 a混交林的0～10和10～20土层与20～30 cm土层之间差异显著（p<0.05），其余林分土层之间的水解氮含量变化均无显著差异。就0～30 cm土层水解氮均值而言，纯林不同林龄间差异显著（p<0.05），4年生纯林与同龄混交林土壤水解氮之间差异显著（p<0.05）。

2.2.3 土壤全磷和有效磷含量 不同林龄杉木纯林和混交林其土壤全磷含量大体随土层深度的增加而降低（图7），土层间的全磷含量差异未达到显著水平。各林龄0～30 cm土层混交林全磷含量均值均高于同龄纯林，分别高出32.10%，13.96%和42.73%，其中3和5年生混交林全磷含量显著高于纯林（p<0.05）。

与全磷含量变化规律一致，土壤有效磷含量大体随着土层深度的增加而减少（图8）。随着林分林龄的增加，0～10 cm土层有效磷含量基本呈现递增趋势，在混交林中表现得更为明显。相较其他林龄，5年生纯林和混交林0～10 cm土层与其他土层的差异最大。

2.2.4 土壤全钾和速效钾 根据研究结果（图9），3～5年生纯林均表现为土壤表层（0～10 cm）全钾含量最高，并其含量随着土壤深度的增加而递减；混交林的土壤全钾与土层的变化规律不明显。

由图10可知，不同林龄混交林和纯林在0～30 cm土壤垂直剖面上速效钾含量位于13.26～24.09和14.82～20.31 mg/kg之间，均值分别为17.91和16.55 mg/kg。混交林整体速效钾含量比纯林高8.24%。不同林分速效钾含量随着土壤深度的增加而减少。

3 讨论

土壤的物理性质因不同林分类型而有所差异。土壤容重影响着林木水分、湿气和热量的流通、贮存与分配。容重小表示土壤质地疏松，结构性良好。反之，则土壤紧实，缺乏团粒结构[15]。本研究发現，3～5年生杉木纯林和杉桐混交林土壤容重均随土壤深度的增加而增加，这与前人研究一致[16]。杉木纯林树种单一，凋落物分解较慢，土壤变得紧实，不利于林地的长久利用；而千年桐为阔叶落叶树种，凋落物易分解，且分解的过程中微生物群落的活性作用能降低土壤的紧实程度[17-19]，使林地土壤变得疏松，通气状况变好，这可能是造成3～5年生两种林分土壤容重差异的主要原因。土壤孔隙度是土壤通气和水分渗透的一个重要指数。本研究表明，同林龄杉桐混交林的土壤孔隙度均高于杉木纯林。杉桐混交林改善了土壤的通气透水能力以及抗冲刷和抗侵蚀的能力，是一种能够提高林分透气透水能力的树种组合。

对不同林分的土壤pH分析发现，3～5年生的杉桐混交林不同土层的土壤pH值均高于同龄纯林，因为与立地条件基本一致的同林龄纯林相比，阔叶树种千年桐提供了大量的凋落物，在一定程度缓和了土壤的酸性。有机质是土壤肥力高低的一个重要指标，也是各营养元素特别是氮素、磷素的主要来源。它既能有效地协调水肥气热状况，又可能缓冲土壤酸碱及有毒物质，很大程度上影响土壤渗透性、持水性、保肥性和养分循环[20]。本研究中，4年生林分的土壤有机质显著高于其他纯林林分。前人研究发现，新造杉木其生长新形成的有机质含量大于对土壤中原有有机质的分解利用，养分回归较快而进入速生阶段后，林分需要消耗大量的林地养分，这可能是5年生杉木纯林有机质含量低于4年生纯林的原因[21]。杉木千年桐混交后，林下植被与凋落物变得丰富，经过微生物活动分解，能较大幅度提高有机质含量，故而杉桐混交林有机质含量显著高于纯林。

通常情况下森林植物的凋落物主要分布于土壤表层，在土壤表层释放了大量的营养元素，随着土层深度的增加，凋落物越来越少，因此呈现出大多数土壤养分随着土层深度的增加而降低的趋势。本研究中各林分土壤全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾都表现出聚表现象。幼龄期不同林分的土壤全氮、水解氮趋势与有机质基本一致。根据前人研究[22-23]，南方土壤的磷供应整体不足，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土层全磷和有效磷含量均高于同龄杉木纯林，其中两种林分在0～10 cm土层的差异尤为明显。相比前人关于杉木混交巨尾桉、火力楠等阔叶树种后土壤全磷含量有所降低[7]，营造杉木千年桐混交林能在一定程度上缓解磷的不足。5年生杉桐混交林速效钾含量显著高于杉木纯林，说明生长到一定年限的杉桐混交模式相比杉木纯林能改善土壤的速效钾含量。因此应该充分利用混交林养分归还速度快的特点，同时保护林下植被的多样性，提高林分的自肥能力。

本研究发现，幼龄期杉木千年桐混交模式能在一定程度上改善土壤物理性质，提高土壤肥力。杉阔混交模式受到生长时期、外部环境等因素的影响，因此论证其可行性是一个长期的过程。项目后期跟踪研究将继续进行，以验证杉木千年桐混交模式的效果，为杉木人工混交林的可持续经营和实现“以短养长”经营模式提供优良的伴生树种。

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