台湾桤木与不同树种混交初期土壤理化性质的对比分析

彭玉华，谭长强，何琴飞，吴远媚 ，郑 威，申文辉，曹艳云，何 峰

（1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.南宁市林业科学研究所，广西 南宁 530107）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，为林木生长发育提供所需物质基础，在维护森林健康、促进森林更新中发挥着重要作用。森林通过枯枝落叶改善土壤结构，增加土壤孔隙，影响土壤的形成和发育；土壤中储存着大量的碳、氮、磷、钾等营养物质决定着植物的生长发育，决定着生态系统的结构、功能和生产力水平。因此，深入研究土壤理化性质，对于保护和提高土壤肥力以及合理调控机制，促进林业的可持续发展具有重要意义[1-2]。

台湾桤木Alnus formosana为台湾省特有种，干形通直高大，材质柔韧细密易于加工，在台湾被列为二级木[3]。其适应各种复杂地貌地形，原产地从低海拔至高3 000 m海拔均有自然分布，喜光，喜湿且耐湿，耐瘠薄，并具一定的耐干旱能力[4]。台湾桤木为非豆科根瘤固氮植物，具有培肥土壤、保持地力的作用[5-6]。且其生长快，4年生树高达11 m，胸径达12 cm，是短周期工业原料林优良造林树种，可作为速生用材树种加以推广应用[3]。21世纪初期，为满足国民对木材的大量需求，我国南方各省，特别是广西大面积的发展桉树，地力消耗及水土流失严重，森林结构单一，森林生态功能薄弱，迫切需要寻找可与桉树轮作或混交，生态功能又好的树种，台湾桤木可成为我国南方改善林木树种结构、建设生态林业的一个优良速生阔叶树种。

台湾桤木在我国长江以南部分地区引种栽培非常成功，是极有潜力的商用阔叶树种。广西在2012年开始引种，经几年的栽培研究，台湾桤木适应广西的气候，生长快速，3年生最优单株树高10 m，胸径10.10 cm。很多学者对台湾桤木引种区域试验、繁育技术、光合生理特性、生长节律、生长性状等方面进行了研究[7-12]，但对台湾桤木混交造林研究未见有报导。混交林主要是由生态学和生物学习性不同的树种进行混交种植而形成，能够最大限度的利用外部环境条件，可解决人工纯林带来的多种问题，有效提高土地利用率和单位面积效益，改善土壤理化性质，能更好地维护和提高地力；混交林林冠结构复杂，凋落物多且分解速率快，养分富集时间短，有利于生态系统物质及能量的循环，加强生态稳定性[13-16]；为此，本文以台湾桤木与红锥Castanopsis hystrix、桉树Eucalyptus grandis×Eucalyptus urophylla和 松 树Pinus massoniana混交造林为对象，研究其混交初期林地土壤物理性状与土壤养分的变化情况，为台湾桤木在广西的引种和可持续发展提供相应的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在广西南宁市林科所，地处亚热带季风气候区，光热充足，雨量充沛，夏季炎热多雨，春秋季易旱，冬季温暖少雨，偶有霜雪；107°49′～ 108°37′E，22°59′～ 23°33′N； 海 拔 约80 m；≥10 ℃积温为7 200 ℃，年均气温21.6 ℃，最热的7月份，气温平均为28.6 ℃，极端最高气温40.7 ℃；最冷的1月份，平均气温12.8 ℃，极端最低气温-0.8 ℃。全年无霜期高达360 d，年均降水量为1 100～1 700 mm，年均相对湿度为80%左右。土壤类型为砖红壤性红壤，pH值为5.0～6.0，肥力中等。

造林前作物为木薯等农作物。2015年4月，采用田间随机区组试验设计，营造了台湾桤木与马尾松、巨尾桉、红锥不同混交比例的混交试验林，台湾桤木纯林为对照，造林和管理措施采用常规的技术规程，每个处理3个重复，每个重复种植0.20 hm2。具体见表1。

表1 混交树种与混交比例详细情况Table 1 Species proportions in the treatments

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

于2017年4月，在每个处理每个重复内采集土壤样品，按S型多点用土钻取0～40 cm深的土壤，分2层（0～20 cm、20～40 cm）混合土样后用四分法缩减至250～500 g后装入塑料袋密封迅速带回室内，置于阴凉通风处晾干，擀碎，用于测定土壤养分含量。

在每个处理每个重复内，纯林在行间正中、混交林在两个树种行间正中挖取1个土壤剖面，从上至下分2层（0～20 cm、20～40 cm）采集，每层用环刀法在每个剖面分左、中、右采集3个环刀原土状，同时采集铝盒，供实验室分析使用。

1.2.2 测定方法

土壤持水性状、物理性状具体的测定及计算方法参照林业行业标准《森林土壤水分-物理性质的测定》（LY/T1215—1999）：

土壤容重（mg ⁄m3）=M环干/V；

最大持水量(g/kg)=(M24-M环干)/M环干×1 000；

毛管持水量(g/kg)=(M砂干-M环干)/M环干×1 000；

毛管孔隙度（体积%）=(0.1×毛管持水量×土壤容重)/水的密度；

总孔隙度（体积%）=毛管孔隙度+非毛管孔隙度。

式中，M铝干为铝盒内烘干土质量、M铝湿为铝盒内湿土质量、M环干为环刀内干质量、M24浸水24 h后环刀内湿质量、M砂干为在干砂上搁置2 h后环刀内湿质量、V为环刀体积。

土壤主要养分的测定：土壤有机质参照林业行业标准《森林土壤有机质的测定》（LY/T1237—1999）、全氮参照林业行业标准《森林土壤全氮的测定》（LY/T1228—1999）、水解性氮参照林业行业标准《森林土壤水解性氮的测定》（LY/T1229—1999）、有效磷参照林业行业标准《森林土壤有效磷的测定》（LY/T1233—1999）、速效钾参照林业行业标准《森林土壤速效钾的测定》（LY/T1236—1999）。

1.2.3 数据分析方法

数据运用Excel2003及SPSS19.0软件进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 台湾桤木与不同树种混交初期土壤物理性质

容重是衡量土壤紧实程度的一个重要指标，可反映土壤的松紧程度[17]。由图1可知，台湾桤木混交造林初期，在0～20 cm和20～40 cm土层，台湾桤木混交林土壤容重均低于台湾桤木纯林，表明混交林在改善土壤孔隙结构方面具有较好的作用。无论是台湾桤木混交林还是台湾桤木纯林均是20～40 cm土层的容重大于0～20 cm土层。多重比较得出：0～20 cm土层土壤容重的处理2、处理6、处理8显著低于CK，20～40 cm土层土壤容重的处理3、处理9显著低于CK。

图1 台湾桤木与不同树种混交初期土壤容重、持水性能Fig.1 Bulkdensity, water content, maximum water holding capacity and capillary water holding capacity among treat ments and CK

营造台湾桤木混交林初期的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量变化没有表现出明显差异。从图1的实测数据可以看出，无论是0～20 cm土层还是20～40 cm土层台湾桤木混交林的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均高于台湾桤木纯林；在0～20 cm土层自然含水率、最大持水量、毛管持水量均是处理8最大；20～40 cm土层处理8的自然含水率和毛管持水量最大，处理3的最大持水量最大。各处理均是20～40 cm土层的自然含水率大于0～20 cm土层。

从表2可见，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在营造台湾桤木混交林初期的变化差异不明显。从实测数据可知，营造台湾桤木混交林初期，台湾桤木混交林的总孔隙度和毛管孔隙度均大于台湾桤木纯林；在0～20 cm土层的非毛管孔隙度、20～40 cm土层的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均是处理3最大；处理9在0～20 cm土层和20～40 cm土层的非毛管孔隙度均小于CK。多重比较可知：0～20 cm土层非毛管孔隙度的处理3与处理7、处理8、处理9和CK的差异显著，20～40 cm土层总孔隙度的处理3与CK差异显著，20～40 cm土层非毛管孔隙度的处理3与处理8和处理9显著差异。

表2 土壤孔隙度†Table 2 Soil total porosity, capillary porosity and non capillary porosity of treatments %

2.2 台湾桤木与不同树种混交初期土壤化学性质

从表3、表4可知，不同处理台湾桤木混交初期0～20 cm土层有效磷有显著差异，其它处理间的主要养分差异不显著。实测数据看出：在0～20 cm土层，处理6、8和9的有机质含量、全氮含量和水解性氮含量较大；在20～40 cm土层，处理8和处理9的有机质含量和水解性氮含量较大，处理9的全氮含量最大；处理1在0～20 cm土层和20～40 cm土层的有效磷和速效钾含量均为最多。多重比较可知：在0～20 cm土层，处理1的有效磷含量与其它处理之间存在差异显著，在20～40 cm土层，处理1的有效磷含量与处理5、6、CK之间存在明显差异。无论是在0～20 cm土层还是20～40 cm土层，均有处理的主要营养养分含量低于CK，这可能与试验期短和树种的生物学特性有关。

表3 土壤主要养分（0～20 cm土层）Table 3 Soil primary nutrients (0 to 20 cm layer)

表4 土壤主要养分（20～40 cm土层）Table 4 Soil primary nutrients (20 to 40 cm layer)

台湾桤木与马尾松混交造林，混交比例为1∶2的土壤有效磷含量是混交比例1∶1的336.84%（0～20 cm土层）和275.32%（20～40 cm土层）；台湾桤木与巨尾桉混交造林，混交比例为1∶1的水解性氮含量是混交比例1∶2的122.38%（0～20 cm土层），混交比例为1∶1的速效钾含量是混交比例2∶1的151.66%（20～40 cm土层）；台湾桤木与红锥混交造林，混交比例1∶1的有机质含量是混交比例1∶2的115.61%（0～20 cm土层）和119.21%（20～40 cm土层）。表明混交造林中不同的混交比例对土壤主要养分有较大的影响。

2.3 台湾桤木与不同树种混交初期提高土壤主要养分的综合能力

主成分分析是利用多指标对供试材料进行综合评价的途径之一，可以克服仅利用少数指标进行评价的不足。通过对各处理的土壤主要养分进行主成分分析综合评价，衡量各处理提高土壤主要养分的综合能力。从表5可见，0～20 cm土层前面两个主成份累计贡献率已达89.859%，20～40 cm土层前面3个主成份累计贡献率已达89.461%，因此可根据主成份分析综合评价来说明各处理提高土壤主要养分的能力。从表6中可见，0～20 cm土层的综合评价排序：处理9＞处理6＞处理8＞处理2＞CK＞处理3＞处理4＞处理7＞处理1＞处理5；20～40 cm土层的综合评价排序：处理9＞处理7＞处理8＞处理1＞处理2＞处理6＞处理4＞CK＞处理3＞处理5。不管是0～20 cm土层还是20～40 cm土层，综合评价得分最高的均是处理9，得分最低是处理5。

表5 各项指标主成份、特征徝、贡献率及累计贡献率Table 5 Eigenvalues, percent contributions and cumulative contributions in PCA

3 结论与讨论

混交林中因各树种的生物特性差异，导致林木在生长发育过程中发挥着不同的作用，从而影响着土壤的理化性质[18-19]。有研究表明光皮桦Betulaluminifera+杉木Cunninghamialanceolata混交林土壤容重低于纯林，总孔隙度、水解性氮含量和速效钾含量明显高于纯林[20]；桉树+格木Erythrophleumfordii混交林土壤自然含水率、最大持水量、总孔隙度、通气度均较纯林大[13]。本研究结果与其基本一致，所有混交处理土壤容重均低于纯林，甚至于有些处理已达到了显著差异；所有混交处理的持水能力、总孔隙度、毛管孔隙度均大于纯林。可见营造台湾桤木混交初期比纯林更能改善土壤物理性质，这种改善主要是混交林枯枝落叶量多，成分复杂，加上根系发达，促进了微生物活动，使土壤疏松多孔、结构性良好，加速了有机物分解和养分积累，从而改善土壤物理性状[18,21]。

表6 土壤主要养分主成分分析Table 6 First and second axis scores, total scores and ranks of treatments in PCA

在混交林营造过程中，混交树种是决定土壤理化性质的重要因素之一[18]。研究结果显示，台湾桤木与红锥混交（1∶1）造林其提高土壤主要养分的综合能力在2个土层均排名第1，而台湾桤木与巨尾桉混交（2∶1）造林其提高土壤主要养分的综合能力在2个土层均排名最后。可能与各树种生物特性差异所致，红锥是阔叶常绿树种，凋落物多且易分解，具菌根菌，生长速度低于台湾桤木[22]，两者混交能合理的利用土壤中的营养物质，减少营养物质的缺失；巨尾桉是速生树种，与同是生长迅速的台湾桤木混交，需要从土壤中吸收大量的营养物质才能使其正常生长。混交比例不同其影响土壤理化特征也不同，同是台湾桤木与红锥混交造林，混交比例为1∶1提高土壤主要养分的综合能力在2个土层均排名第1，而混交比例为1∶2在0～20 cm土层排在第8、在20～40 cm土层排在第2，混交比例为1∶1在0～20 cm土层的最大持水量和毛管持水量分别是混交比例为1∶2的108.39%和110.37%；同是台湾桤木与巨尾桉混交造林，混交比例2∶1提高土壤主要养分的综合能力在2个土层均排名最后，而混交比例为1∶1在0～20 cm土层排在第2、在20～40 cm土层排在第6。这是因为不同的混交比例影响着种间关系的发展和混交效果，因此在混交造林中为了达到树种之间合理的生存关系，要根据各树种的地位和作用进行合理的混交分配比例。综上所述，对于改善土壤理化性质来说，营造台湾桤木与马尾松、巨尾桉、红锥混交林更优于台湾桤木纯林，其中，对于提高土壤持水性能尤以2台湾桤木+1红锥混交造林较好，对于提高土壤主要营养养分尤以1台湾桤木+1红锥混交造林较优。本研究仅开展了台湾桤木与3个树种的混交模式研究，混交模式较少，需深入开展台湾桤木与其它乔木、灌木或农作物的混交造林研究；同时此次研究试验林分栽植年限较短，混交各处理对土壤理化性质的影响水平差异不大，结果存在一定的局限性，需要对试验林分进行长期跟踪观察，探索台湾桤木与马尾松、巨尾桉、红锥混交造林对土壤理化性质整体水平的影响，进而为台湾桤木寻求最佳的混交树种和混交比例提供有力的技术支撑。