文昌市低效木麻黄林近自然化改造对土壤理化性质的影响

林之盼，薛杨，王小燕，宿少锋，林日武

（海南省林业科学研究所，海南海口 571100）

木麻黄(Casuarina equisetifolia) 是文昌市沿海防护林主要树种，自20 世纪50 年代该树种引入该市沿海地区以来, 在防风固沙和改善海岸带生态环境方面具有突出的作用[1]，近年来，由于长期的纯林经营，存在着生产力低下、病虫害严重、生态系统脆弱等问题，出现低效木麻黄林分。其中地力衰退是普遍存在的问题，特别是树种连栽后，会引起让土壤生物和理化性质的发展不平衡，严重时会导致森林土壤退化[2]。如何采取有效措施，保持良好的生态环境和较高的土壤肥力，是林业生产亟待解决的重要问题。

近自然森林经营是以乡土树种为主，不同树龄、多个层次、多个树种、多样品种组成的近自然化多功能森林为目标[3]，通过结合人工经营处理措施与自然结构和生长优势的积极作用，实现具有生物多样性、稳定性、多功能性的综合高效近自然森林生态系统的经营模式[4]，在中欧国家有着百年成功经验的经营模式。宁金魁等[5]介绍北京51 年生的油松人工林出现了物种多样性降低、生长量降低、肥力下降等问题，在近自然森林经营理念和技术指导下，进行人工更新种植大叶白蜡、栓皮栋、构树及栾树等天然乡土树种的近自然改造措施，结果表明相比于人工纯林，改造过的油松生长量提高，能有效改良土壤，提高肥力，增加多样性。

根据前人研究成功经验，该项目组前期开展文昌市低效木麻黄林近自然化多树种混交套种试验，取得了初步研究成果，在此基础上研究木麻黄近自然化改造初期对土壤理化性质的影响，分析各模式土壤理化性质动态及模式间差异变化，为低效林近自然改造提供土壤方面的科学依据。

1 试验地概况

试验地位于文昌市岛东林场东风作业区，地处110°36′～110°01′E，19°40′～20°06′N，属于沿海平原地带，土壤类型为滨海沉积物沙壤土。热带海洋性季风气候，日照充足，气候温和，太阳总辐射强，年均气温22.5～23.8℃，年均降雨量1808mm，相对湿度70%。

1.1 试验设计

岛东林场东风作业区低效木麻黄纯林于2017年3 月开展套种多树种的近自然化改造试验，设计了3 种多树种混交套种模式：①木麻黄+非洲楝+花梨+檀香紫檀（T1）；②木麻黄+大叶相思+黄槿+琼崖海棠+伊朗紫硬胶(T2)；③木麻黄+麻楝+母生+山竹(T3)。该试验以3 种木麻黄混交模式林地为研究对象，并设置原低效木麻黄纯林地为对照模式（CK），采用完全随机区组设计，在每一个模式中建立20m×30m 标准地，每种模式3 次重复。

1.2 土壤采样及测定方法

分别在2017 年11 月和2018 年8 月进行不同模式林地土壤取样。在每个样地内，在样地对角线上选择3 个具有代表性的土壤剖面，按0～20cm 和20～40cm 两个土层取环刀样品3 个，用于测定土壤物理性质。同时采集各层土壤装进自封袋中,带回室内进行养分测定。

土壤理化性质采用《中华人民共和国林业行业标准》[6]中的方法。用环刀法测定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、孔隙度。

土壤养分指标按《土壤农业化学分析方法》执行，其中土壤pH 采用电位法测定；土壤有机质采用络酸氧还滴定法测定；土壤全氮采用半微量凯氏法测定；土壤全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用碱溶-火焰光度法测定；土壤有效磷采用Bray I 提取—钼锑抗吸光光度法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。

1.3 数据处理

运用excel 对数据进行整理及制图,采用SPSS对数据进行统计。

2 结果与分析

2.1 不同模式初期对土壤物理性质变化的影响

根系可以改善土壤结构、孔隙度和通透性等物理形状，有助于土壤形成团粒结构[7]。从表1 可以看出，0～20cm 土层，各套种模式的土壤容重均随时间推移呈减小趋势，且在不同时期各模式间土壤容重大小均表现为CK＞T1＞T3＞T2，其中第二年T2 模式变化明显，比对照模式CK 降低了0.14g/cm3。各套种模式的最大持水率、毛管持水率、非毛管孔隙度、土壤总孔隙度均随时间推移呈增加趋势，且在第二年均高于对照模式，表现为T2＞T3＞T1＞CK，其中模式T2 的最大持水率、总孔隙度变化最为明显，分别比对照模式CK 提高了8.08%，8.21%。可见，短期内套种模式能降低土壤表层容重，改良土壤结构，增加土壤持水能力。20～40cm 土层土壤物理性质各指标无明显变化，说明套种模式初期对该土层影响较弱。

表1 不同模式木麻黄林不同土层土壤物理性质Table 1 The physical properties of soil in different soil layers in different model casuarina forests

2.2 不同模式初期对土壤化学性质变化的影响

2.2.1 土壤pH 值和有机质含量的变化

土壤pH 值的变化直接影响着土壤中离子的状态、交换、运动、迁移和转化，且还能影响土壤物质转化、微生物活动、养分元素有效性及土壤性状，从而在土壤肥力形成和土壤质量演变过程中起着重要作用[8]。从图1 可知，不同模式pH 值在各土层随着时间推移呈下降的趋势。其中0～20cm，第一年表现为CK＞T2＞T1＞T3，第二年T2 模式下降较快，下降幅度为22.8%，表现为：CK＞T3＞T1＞T2；20～40cm，第一年表现为T2＞T1＞T3＞CK，T2 模式在第二年下降最快，下降幅度为8.3%，表现为T1＞CK＞T3＞T2。各模式土壤pH 值在6.99～9.17 之间，均属于碱性土壤（pH＞5）。

图1 不同模式土壤pH 含量Figure 1 pH content of soil in different models

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，是微生物生命活动的重要能源，土壤有机质含量的高低是直接关系到植物生长发育的土体环境好坏和生物量，是土壤肥力的一项重要的标志[9]。从图2 可知，各模式各土层土壤的有机质含量随时间推移呈增加趋势，其中套种模式提高幅度56%～83%之间。0～20cm，第一年表现为T2＞T3＞CK＞T4，第二年表现为T2＞T1＞CK＞T3；20～40cm，第一年时对照模式土壤有机质含量明显高于各套种模式，表现为：CK＞T3＞T1＞T2；但在第二年T3 土壤有机质含量大幅度提升，超过对照模式，表现为：T3＞CK＞T2＞T1。不同时期各套种模式与对照模式差异不明显，可见各套种模式短期内对土壤有机质影响较弱。

图2 不同模式土壤有机质含量Figure 2 Soil organic matter contents in different models

2.2.2 土壤全量养分含量的变化

土壤全N、全P、全K 的含量是反映土壤长期肥力水平的重要指标[10]。从图3 可知，0～20cm，T2、T3 模式土壤全N 含量随着时间的推移有略微下降趋势，T1、CK 模式呈上升趋势，第一年表现为T2＞T3＞T1＞CK，第二年表现为T1＞CK＞T3＞T2；20～40cm，T1、T2、T3 套种模式含量随着时间的推移呈上升趋势，CK 对照模式呈下降趋势，第一年表现为CK＞T1＞T3＞T2，第二年表现为T1＞T3＞T2＞CK；从图4 可知，0～20cm，除T2 模式土壤全P 含量随着时间的推移呈下降趋势，其它模式都有上升趋势，第一年和第二年均表现为T2 ＞CK ＞T1 ＞T3；20 ～40cm，T1、T2、T3 套种模式含量随着时间的推移呈上升趋势，CK 对照模式呈下降趋势，第一年表现为CK＞T2＞T3＞T1，第二年为CK＞T3＞T2＞T1；从图5可知，除T2 模式(0～20cm)土壤全K 含量随着时间推移呈下降，各模式其余土层的土壤的全K 含量均比第一年有上升的趋势。0～20cm，第一年表现为T2＞CK＞T1＞T3，第二年为CK＞T1＞T3＞T2；20～40cm，第一年表现为T2＞T1＞T3＞CK，第二年为CK＞T2＞T1＞T3。综合以上对比分析，各套种模式土壤全量养分含量变化趋势不同，多数呈现上升趋势，且与对照模式土壤全量养分含量差异不大，说明套种模式对土壤全量养分含量影响较弱。0～20cm，模式T2 土壤全量养分含量整体效果最好；20～40cm，土壤全量养分含量大小在不同模式表现不同。

图3 不同模式土壤全氮含量Figure 3 Soil total nitrogen content in different models

图4 不同模式土壤全磷含量Figure 4. Soil total phosphorus content in different models

图5 不同模式土壤全钾含量Figure 5 Total potassium content in different soil models

2.2.3 土壤速效养分含量

从图6 可知，0～20cm，除T2 模式土壤有效磷含量随时间推移呈增加趋势，其它模式呈下降的趋势，其中CK 对照模式下降较快，下降幅度为84.7%，第一年表现为：T2＞T1＞T3＞CK，第二年表现为：T2＞T3＞T1＞CK。20～40cm，T2、T3 模式有效磷含量随时间推移呈增加趋势，T1、CK 模式呈下降趋势，其中CK模式下降明显，下降幅度为98.28%，第一年表现为：CK＞T3＞T1＞T2，第二年表现为：T3＞T1＞T2＞CK。从图7 可知，0～20cm，除T1 模式土壤速效钾含量随时间推移呈增加趋势，其它模式呈下降趋势，第一年表现为：T3＞T1＞CK＞T2，第二年表现为：T1＞T3＞CK＞T2；20～40cm，T1、T2 模式土壤速效钾含量随时间推移呈增加趋势，T3、CK 模式呈下降趋势，第一年表现为CK＞T3＞T1＞T2，第二年表现为T1＞CK＞T3＞T2；综合以上对比分析，对照模式CK 在土壤速效养分含量第二年比第一年不同程度的降低，说明对照模式CK 第二年对林木生长消耗速效养分的能力强于第一年，而各套种模式中短期内对林木生长消耗的速效养分能力无明显规律。

图6 不同模式土壤有效磷含量Figure6 Soil available p content in different models

图7 不同模式土壤速效磷含量Figure 7. Contents of available potassium in different soil types

2.2.4 土壤养分指标间的相关性分析

为研究pH、有机质、全量以及速效养分之间的相关关系，对不同模式林下0～40cm 的土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾进行了相关性分析。由表2 可以看出，土壤有机质与全钾均呈显著正相关（P＜0.05），相关系数为0.531；而与土壤pH 呈显著负相关，相关系数为-0.545（P＜0.05）；土壤全磷与土壤全氮呈显著正相关，相关系数为0.5（P＜0.05）；土壤全钾与有效磷呈极显著负相关（P＜0.01），相关系数为-0.623，土壤速效钾与其它指标均无显著关系。

表2 不同模式林下土壤各指标的相关系数矩阵

3 结果与讨论

（1）土壤物理性质结果表明，0～20cm，各套种模式均比对照模式土壤容重降低，土壤持水量上升，土壤保水能力增强，孔隙度增多，土壤渗透性和透气性得到改善；20～40cm，各模式土壤物理性质各指标无明显差异变化，说明在短期内套种对土壤（0～20cm）物理性质影响效果较好。主要因为短期内套种树种根系主要集中在0～20cm 土层中，根系的穿插作用下,使表层土壤变得疏松多孔,土壤的结构性得到改善，改造后的土壤更有利于植被生长，进而提高林地的涵养水源功能。因此近自然改造改变了植物群落结构，从而进一步影响森林土壤的物理性质。尤其模式T2 土壤物理性质表现最好。

（2）土壤化学性质结果表明，各套种模式土壤pH 值呈碱性，土壤有机质、土壤全量养分含量在短期不同土层变化趋势不同，多数呈现上升趋势，与对照模式差异不明显以及对林木生长土壤速效养分能力在不同土层均比对照模式差，说明短期内套种对土壤化学性质的影响较弱。这可能套种模式树种还处在幼林时期，根系活动能力不强，产生分泌物不多，以及凋落物也相对较少，分解时间长，其养分归还速率慢和归还量也较少，土壤养分短期内显示不出来。参照全国第二次土壤普查分级标准对土壤养分状况进行分级评价［11］，改造后林地土壤有机质、全氮含量、全磷含量、全钾含量、有效磷含量、速效钾含量还处在较低和极低水平，制约了林木的生长，应在后期的森林抚育加强施肥管理提高土壤养分水平。

（3）综合上述可知，木麻黄低效林近自然化植被恢复过程中，随着时间的推移，套种模式对土壤物理和化学性质基本上是向良性方向发展, 且在测定时期各套种模式对土壤(0～20cm)土壤物理性质影响较大，而对化学性质影响较弱。这研究结果与颜耀[12]对土壤侵蚀区马尾松林下套种阔叶树种对土壤土壤理化性质的影响类似。这可能是套种时间较短，林地植被尚未恢复到常态，对土壤改良效果则需要较长的时间才能体现。因此建议继续对土壤理化性质的跟踪调查，间隔两年调查一次，会更加有效地为文昌市低效木麻黄经营措施的选择与研究提供参考。