毛竹-多花黄精复合经营模式对土壤理化特性的影响

王勤, 孙梦瑶, 遆建航, 曹小青, 徐小牛

毛竹-多花黄精复合经营模式对土壤理化特性的影响

王勤, 孙梦瑶, 遆建航, 曹小青, 徐小牛*

安徽农业大学林学与园林学院, 合肥 230036

复合经营是提高毛竹林经营效益及其生态功能的有效途径, 为了探讨毛竹()–多花黄精()不同复合模式对土壤理化特性的影响, 在安徽金寨县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-多花黄精复合模式试验林, 进行比较分析。研究结果表明, 复合模式的土壤容重显著降低, 非毛管孔隙度、初渗速率和稳渗速率均显著提高。复合模式土壤0—30 cm土层有机碳含量平均高于对照13.2%, 两者间差异显著(<0.05), 而土壤全氮含量没有显著差异; 复合模式土壤有效氮、有效磷、交换性镁平均分别高于对照32.6%、31.4%和35.1% (<0.05)。然而交换性钾表聚性明显, 0—30 cm土层平均含量低于对照14.7%; 土壤交换性钙含量, 复合模式与对照之间没有显著差异, 表聚性不明显。综合各项指标可以看出, 不同复合模式效应存在一定差异, 其中复合模式M2在改善土壤肥力方面的效果明显优于其它模式和对照, 生产上可推广应用。

毛竹; 多花黄精; 立竹密度; 复合模式; 土壤肥力

0 前言

林药复合经营是利用林下有效资源, 套种药用植物, 实现药用植物仿野生栽培, 在保障森林经营目标的基础上, 兼顾药用植物高效利用, 可显著提高经营效益, 达到以短养长, 促进林业可持续发展[1-3]。已有研究表明, 复合经营模式有助于改善土壤肥力条件, 土壤容重、孔隙度、水分和养分有效性等指标都明显优于单一经营模式[4-5]。因此, 林药复合经营深受林农欢迎, 已成为山区乡村经济振兴、改善民生的有效途径。

毛竹()属禾本科竹亚科木本植物, 广泛分布于我国亚热带地区, 其生长迅速, 用途多样, 不仅可以生产竹材、竹笋等直接经济产品, 还大量用于园林观赏, 并具有良好的水土保持、调节气候、净化空气等生态服务功能[6]。根据第8次全国森林资源清查, 我国竹林面积超过600万hm2, 其中毛竹林面积达443万hm2, 占竹林总面积的74%, 在林业产业建设和山村经济振兴中发挥着重要作用[7]。然而, 目前我国大多数毛竹林以材用为主, 单一经营, 经济效益低下, 尤其是近年来竹材加工业低迷[7], 严重影响了林农经营竹林的积极性。因此, 开展毛竹复合经营, 发展林下经济, 为毛竹产业振兴提供了新的可行途径[1]。

多花黄精()为百合科黄精属的多年生草本植物, 具有补气养阴、健脾、润肺、益肾等功效[8], 作为中药材的经济价值较高。多花黄精喜温暖湿润, 耐荫, 也是毛竹林中常见的林下植物[9]。因此, 多花黄精非常适于毛竹林下复合经营。为了更好地发挥毛竹–黄精复合经营效应, 针对不同复合模式林地土壤理化性质变化进行了调查分析, 为构建毛竹–黄精复合经营高效培育技术体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地自然概况

本研究是在安徽省金寨县青山(31°27'32.70" N, 115°55'21.12" E)进行的。该地属亚热带北部湿润季风气候, 年均降雨量1480 mm, 主要集中在4–9月份; 年均气温15.4°C。土壤系片麻岩风化物上发育的山地黄棕壤, 土层厚度多在60—80 cm, 土壤质地为沙壤, 呈弱酸性。研究区地处大别山腹地, 森林覆盖率高达90%, 毛竹资源丰富, 集中成片, 主要分布在海拔800 m以下的中下坡, 竹产业已成为当地山村经济发展的支柱产业。

1.2 调查方法

于2018年10月, 在踏查基础上, 基于毛竹立竹密度不同设置调查样地(表1), 分析不同立竹密度下毛竹-黄精复合林分土壤特性的变化。试验林分于2015底在调整立竹密度的基础上进行全面垦复, 随后按照行距50 cm、株距30 cm, 在林下穴播多花黄精块茎。调查样地面积均为20 m×20 m, 每个模式设置3个重复样地, 调查样地内毛竹生长状况, 实测毛竹胸径(cm)和秆高(m), 统计立竹数量。随后在样地内机械随机设置4个2 m×2 m样方, 调查林下黄精生长情况, 测定黄精株高、株数及其盖度。

在每个样地中, 沿对角线机械随机设置3点, 各挖掘一个土壤剖面, 采用环刀法分别0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层测定土壤容重及其含水量。此外, 在每个调查样方中选择3点, 利用土钻分别0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层采集土壤样品, 各土层分别混合形成一个混合土样。混合土样带回实验室, 经自然风干后, 拣去杂物, 研磨过2 mm筛装袋, 用于养分指标测定。

1.3 土壤理化性质指标测定

测定的土壤理化指标主要包括: 土壤容重、孔隙度、最大持水量、初渗速率、稳渗速率、有机碳、全氮、有效氮(包括铵态氮和硝态氮)、有效磷、交换性钾钙镁、pH等。土壤有机碳和全氮采用元素分析仪(EA3000, Italy)测定; 铵态氮和硝态氮含量采用2 mol·L–1的KCl浸提, 使用自动流动注射分析仪测定(FOSS FIA Star 5000)。其它指标按照常规分析方法测定[10]。

表1 毛竹-黄精不同复合模式林分结构及立地状况

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理, SPSS 19.0软件进行统计分析, 采样检验进行不同模式间差异性分析, Duncan多重比较, 显著性水平设置为< 0.05。

2 结果与分析

2.1 不同复合模式土壤物理特性

不同毛竹复合模式下, 林地土壤物理特性指标存在一定差异(表2)。林下套种多花黄精后, 表层土壤容重(模式M1和M2)显著低于CK (< 0.05)。土壤容重变化对其孔隙状况及持水特性产生影响, 复合模式土壤非毛管孔隙度显著高于对照, 0—30 cm土层平均提高9.7%, 而毛管孔隙度仅提高4.1%; 初渗速率和稳渗速率分别提高43.7%和24.1%。由于土壤水分渗透状况的改善, 提高了土壤自然含水率, 复合模式平均高于对照7.6%。综合土壤物理性各相关指标可以看出, 复合模式M2整体上优于M1、M3和对照。

2.2 不同复合模式土壤化学特性

不同毛竹复合模式下土壤化学特性差异明显(表3), 复合模式土壤0—10 cm和10—20 cm土层pH平均值分别为5.02和5.12, 显著高于对照的毛竹纯林(< 0.05)。0—30 cm土壤有机碳含量复合模式平均为23.26g·kg–1, 比对照提高了13.2%, 两者间差异显著(< 0.05)。虽然复合模式M1的土壤全氮含量显著高于对照, 但是整体上来看, 复合模式与对照之间各土层全氮含量没有显著差异。

从土壤有效养分来看, 除了土壤交换性K+和Ca2+, 复合模式下土壤有效N、有效P、交换性Mg2+都显著高于对照(表3), 其中有效N和P, 0—30 cm土层平均分别高于对照32.6%和31.4%, 尤其是10—20 cm土层有效N和P的平均增幅高达50.7%和48.4%; 交换性Mg2+平均高于对照35.1%。然而, 与其它有效养分元素相比, 土壤交换性Ca2+含量随土层的变化较小, 而且复合模式各土层交换性Ca2+的平均含量与对照没有显著差异, 特别是20—30 cm土层, 复合模式平均低于对照3.7%。交换性K+含量变化呈现随土层降低的趋势, 0—30 cm土层平均含量比对照降低14.7%。综合各项指标可以看出, 复合模式M2要优于M1、M3和对照。

表2 不同复合模式土壤物理特性

注: 同一列不同小写字母表示同一土层不同处理间存在显著差异。

表3 不同复合模式土壤化学特性

3 讨论与结论

很多研究显示, 复合经营模式在改善林地土壤理化特性如土壤孔隙度状况、水分和养分条件及生物学特性等诸多方面, 都要优于单一经营模式[3-5,11-12]。Yang等[11]研究发现杉木()林下栽植药用植物砂仁()后, 土壤孔隙度和持水能力提高, 同时提高土壤酶活性和土壤微生物生物量, 有机质、全氮、全磷、速效磷和钾含量均有不同程度的增加。复合模式土壤肥力状况的改善可能原因主要包括两方面: 一是不同植物对土壤养分的需求会存在一定差异, 这样合理搭配植物组成, 在养分利用过程中就可能发挥互补效应, 提高林地养分利用效率[13-14]。二是林分结构变化必然引起林内环境变化[15], 特别是复合经营林分中上层林木密度适度降低, 可使林内光照增强、温度提高, 从而能够促进土壤微生物活性, 有助于凋落物分解, 加速养分循环[16-17]。由于森林生态系统主要养分元素多是以凋落物(包括细根周转)为载体的再循环而归还土壤之中, 因此森林凋落物成为森林生态系统养分循环的中心环节, 凋落物量增加[16-17], 其分解加快, 不仅增加土壤养分, 而且促进土壤团聚体形成和稳定, 使土壤综合肥力状况得到改善[4-5, 11]。可见, 复合经营模式生态效应的产生是建立在不同植物之间相互作用的基础上, 因此复合模式中植物选择尤为重要。李晨晨等[3]比较分析了杉木林下套植不同药用植物的生态效益, 发现不同复合模式对表层土壤的改良作用差异显著。韦铄星等[2]和刘伟玮等[5]也得出类似研究结果。充分说明构建合理的复合经营模式是提高生态系统稳定性和生态效益的基础。

本研究结果显示, 多数土壤理化指标的垂直变化明显。在物理指标方面, 土壤容重、非毛管孔隙度和稳渗速率呈现随土层深度的增加显著递减的规律。这与森林地表凋落物富集、分解, 土壤有机质含量高, 团粒结构发达密切相关[18]。多花黄精是多年生草本植物, 每年秋末地上部枯死归还土壤, 因此毛竹复合经营林分中枯落物产量和质量要高于毛竹纯林。由于不同模式毛竹立竹密度显著差异, 多花黄精种植密度不同, 其生长亦有差异, 归还土壤的有机质数量存在差异, 这可能是造成复合模式表层土壤有机碳含量显著高于毛竹纯林以及不同复合模式土壤有机碳含量之间差异的主要原因。有研究显示土壤有机碳含量与容重显著负相关[19-21], 土壤有机碳含量提高, 会引起其容重降低。在土壤养分方面, 表层富集效应显著, 特别是有效氮、交换性K+和Mg2+, 其次是土壤全氮、有效磷和有机碳, 而交换性Ca2+含量虽然表层高于下层土壤, 但是不同土层间的差异不大, 表明土壤交换性Ca2+的表聚性不强。这与姜林等的研究结果一致[22]。土壤Ca2+主要来源于成土母质, 在土壤形成过程中, 胶体表面的吸附和交换特性[23]、生物循环[24]以及淋溶作用[25]等会对Ca2+分布产生显著影响。本研究中, 复合模式20–30 cm土层中交换性Ca2+平均含量略低于对照的毛竹单一经营林分, 与阔叶树种相比较, 毛竹对Ca的吸收消耗较少[26], 因此这种变化可能与林下黄精的生长吸收有关。王海明等[27]研究发现杉木-黑麦草()复合经营中出现Ca竞争, 引起土壤养分平衡破坏和Ca垂直分布的变化。其它养分元素如氮、磷、钾、镁, 还包括有机碳主要依赖生物循环过程, 即主要是通过森林凋落物的再循环过程, 因此其表聚性较强[28]。与毛竹落叶相比, 枯死的黄精地上部有机物氮磷含量较高, 较易分解, 从而加速了复合模式林分的生物循环过程, 导致土壤有效氮显著高于毛竹纯林。毛竹复合经营模式下土壤交换性K+平均含量明显低于单一经营, 表明复合模式中林下多花黄精的生长增加了林地土壤K的消耗。本研究林地土壤有效磷含量都在5.0g·kg–1以下, 说明土壤磷素比较匮乏。在亚热带地区由于高温高湿, 土壤风化强烈, 盐基离子易于流失[29], 土壤酸化, 磷酸根离子易被吸附固定, 导致有效磷含量很低[30-31], 可能成为植物生长的限制性养分元素。因此, 在毛竹林复合经营过程中, 适当配施磷钾肥是必要的。

综上所述, 毛竹-多花黄精复合经营模式对林地土壤、特别是表层土壤理化特性有着显著的影响, 但是不同复合模式的影响作用存在一定差异, 这种差异性主要是立竹密度的影响, 综合土壤理化特性指标, 本研究结果显示以立竹密度在2100株·hm–2时为最佳, 可在生产中推广应用。同时, 由于不同复合模式因经营周期变化而引起林分结构的改变, 因此在经营过程中需要加强立竹密度的调控, 才能保障复合模式的稳定性和长效性。

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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基金项目:国家重点研发计划(2018YFD0600105), 安徽省重点研究和开发计划(1804h07020154)

王勤(1962—), 女, 江苏涟水人, 高级实验师, 主要从事森林土壤及生态学研究, E-mail: qlsforest@ahau.edu.cn

徐小牛, 教授, 博士生导师, 主要从事森林培育学及森林生态研究, E-mail: xnxu6162@163.com

王勤, 孙梦瑶, 遆建航,等. 毛竹-多花黄精复合经营模式对土壤理化特性的影响[J]. 生态科学, 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.