不同混交模式对桉树林分生长、凋落物量和土壤养分的影响

2021-03-09庞圣江杨保国刘士玲贾宏炎陈健波郭东强

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2021年2期

张培，庞圣江，杨保国，刘士玲，贾宏炎,2，陈健波，郭东强

(1 中国林业科学研究院热带林业实验中心,广西凭祥 532600;2 广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站,广西凭祥 532600；3 广西林业科学研究院,广西南宁 530001)

桉树(Eucalyptusspp.)为桃金娘科桉属树种的统称，具有生长迅速、经营周期短和投资收益快的优点，已成为我国南亚热带地区重要的造林树种[1]。近年来，随着桉树种植业的规模化发展，其造林面积持续增长，已逾500万hm2[2]，极大地促进了当地经济发展。然而，人们仅关注桉树人工林的经济收益，却忽视了长期人工纯林的种植模式及不合理经营造成的林地土壤酸化、生物多样性锐减和林地生产力下降等问题[3-5]。研究表明，桉树混交造林不仅有利于增加林木种类组成与林地凋落物，而且可以改善土壤环境。郭祥泉[6]研究发现，桉树与马尾松(Pinusmassoniana)适宜的混交配比有利于桉树胸径、树高和材积生长以及地力恢复。Bristow等[7]研究表明，桉树与金合欢树(Acaciaperegrina)混交，树种的种间协调和生态互补性更强，可提高林分稳定性。邓海燕等[8]研究显示，桉树与团花(Neolamarckiacadamba)混交造林，有利于改善林地的土壤结构，提高土壤养分水平。Santos等[9]研究表明，桉树与马占相思(Acaciamangium)混交有利于凋落物积累，且凋落物的分解加速，提高了土壤肥力，并可有效防止地力衰退和维持林地生产力。总体而言，目前关于桉树混交试验研究较多，而对于桉树与乡土珍贵树种混交后林分质量和产量变化方面的研究却鲜见报道。桉树和乡土珍贵树种混交造林可有效利用有限的土地资源、优化树种结构、改善林地土壤肥力、降低病虫害、提升森林整体质量，是实现桉树种植业可持续发展急需解决的重要课题。

本研究在广西西南部林区，选取巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)纯林及其分别与降香黄檀(Dalbergiaodorifera)、望天树(Parashoreachinensis)、格木(Erythrophleumfordii)和红椎(Castanopsishystrix)混交的试验林为研究对象，比较不同混交模式下巨尾桉林分生长状况、凋落物现存量和土壤养分方面的差异，探讨巨尾桉与乡土珍贵树种混交的林分稳定性、林地质量与维持地力的能力，为探寻桉树种植业的可持续经营模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站热林中心林区(22°04′-22°16′ N，106°41′-106°48′ E)，该地属于南亚热带季风气候区，干湿季有明显差异，雨季主要集中于4-10月，年均降雨量1 450 mm，年均气温22 ℃；土壤类型以赤红壤土为主，土层厚度1 m以上。

营林生产资料显示，造林地为马尾松采伐迹地，马尾松皆伐后进行采伐迹地清理，采取免炼山处理，将采伐剩余物和杂灌木进行带状清理，以避免水土流失。2012年3月开始新造林，在种植带内挖种植穴，规格为50 cm×50 cm×30 cm，带内株行距为2 m×2 m；巨尾桉植穴不施基肥，4种珍贵树种每个植穴施复合肥0.5 kg。采用纯林与行状混交(2行巨尾桉+1行珍贵树种)造林模式，各设置3个重复。巨尾桉采用3个月优良无性系组培苗，4种珍贵树种用1年生实生苗，纯林与混交林的初植密度均为2 500株/hm2。造林后1～3年，每年采用块状铲草与割灌除草结合的方式抚育2次，共抚育6次。2018年10月调查试验林地的基本情况，样地信息详见表1。

表1 不同混交模式桉树人工林样地的基本信息Table 1 Basic information of Eucalyptus plantation sample plots with different mixing patterns

1.2 调查取样

2018年10-11月，采用典型样地的调查方法，在每种混交模式的试验地，各设置面积为600 m2(20 m×30 m)的重复样地6个，共计调查30个样地。林木胸径(D)检尺采用测树钢围尺测量，树高(H)和枝下高采用超声波测高仪(瑞典Vertex IV超声波测高仪)测量，冠幅用皮尺测量各树种的南北和东西方向树冠宽度取平均值。各树种的单株材积(V)分别采用以下公式[10-14]计算：

V巨尾桉=0.628 76×10-4D1.821 621H0.964 36；

V降香黄檀=0.587 704 2×10-4D1.969 983 1H0.896 461 57；

V望天树=0.656 71×10-4D1.694 12H1.069 769；

V格木=0.667 054×10-4D1.847 954 0H0.966 575 09；

V红椎=0.527 64×10-4D1.882 16H1.009 31。

林分蓄积量=每株平均木蓄积量×单位面积保留株数。

在每个样地内再设置3个1 m × 1 m小样方进行凋落物取样，将小样方内所有凋落物按半分解层和未分解层收集标记并分别称质量。同时，采用均匀布点的方法,顺坡在样地上、中、下位置选取3个样点，采集0～20 cm表层土壤均匀混合，取1.00 kg土壤样品装自封袋编号，带回实验室风干，用于土壤理化性质测定。土壤样品分析过程中，土壤pH值采用酸度计测定，有机质含量采用K2Cr2O7氧化-外加热法测定，速效N用碱解扩散法测定，速效P用HCl-H2SO4浸提-钼锑抗比色法测定，速效K用CH3COONH4浸提-火焰光度计法测定，全N采用浓H2SO4-HClO4消化法-自动凯氏定氮仪(KDY-9830，KETUO)测定，全P采用NaOH熔融-钼锑抗比色-紫外分光光度法测定，全K采用NaOH熔融-火焰光度计法测定，所有的土壤样品上述指标均重复测定3次，结果取平均值[15]。

1.3 数据分析

采用Excel 2007进行调查数据初步处理；使用SPSS 20.0软件对各树种生长指标、凋落物量和土壤养分数据进行单因素(One-way ANOVA)方差分析。同时，利用最小显著性差异法 (least-significant difference，LSD)对有显著差异的数据进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同混交模式对桉树林木生长的影响

从表2可以看出，混交林中巨尾桉的胸径、树高、枝下高、冠幅和单株材积均大于纯林中巨尾桉。纯林中巨尾桉的胸径、枝下高、冠幅和单株材积分别仅为14.32 cm、8.58 m、2.89 m和0.123 1 m3，而4种混交林中巨尾桉这4个生长指标的平均值较纯林中巨尾桉分别提高了9.28%,5.59%,18.68%和5.28%。由于各树种生长特性不同，与巨尾桉混交的4种珍贵树种生长亦存在一定差异，这些混交树种的胸径、树高、枝下高、冠幅和单株材积等生长指标大小均表现为红椎>望天树>格木>降香黄檀。

表2 不同混交模式桉树人工林的生长状况Table 2 Growth of tree species in Eucalyptus plantations with different mixing patterns

方差分析表明，混交林中巨尾桉的胸径(除巨尾桉+降香黄檀混交林外)、枝下高(除巨尾桉+降香黄檀混交林外)、冠幅和单株材积均显著高于纯林中巨尾桉(P<0.05)，但各林分间树高生长差异性不显著(P>0.05)。巨尾桉与4种珍贵树种混交造林，前者作为速生树种能够迅速占据林冠层上方，后者则处于林冠层下方，这种复层林分结构既充分利用林地空间和光照资源，林分稳定性强，更有利于林木的生长。

2.2 不同混交模式对桉树林分蓄积量的影响

由图1可知，不同混交模式中，巨尾桉蓄积量表现为巨尾桉纯林(126.89 m3/hm2)>巨尾桉+红椎混交林(114.02 m3/hm2)>巨尾桉+格木混交林(111.06 m3/hm2)>巨尾桉+望天树混交林(109.82 m3/hm2)>巨尾桉+降香黄檀混交林(107.23 m3/hm2)。混交树种的蓄积量表现为红椎(25.72 m3/hm2)>望天树(19.01 m3/hm2)>格木(14.85 m3/hm2)>降香黄檀(9.35 m3/hm2)，这可能与混交树种生长速度不同有关。从林分总蓄积量来看，巨尾桉+红椎混交林最高(139.74 m3/hm2)，比巨尾桉纯林多12.85 m3/hm2；巨尾桉+望天树混交林(128.83 m3/hm2)次之，比巨尾桉纯林多1.94 m3/hm2；第三为巨尾桉+格木混交林(125.91 m3/hm2)，比巨尾桉纯林多0.98 m3/hm2；巨尾桉+降香黄檀混交林最小，仅116.58 m3/hm2，比巨尾桉纯林少10.31 m3/hm2，说明林分总蓄积量受巨尾桉配植比例和混交树种生长速度的共同影响。

图1 不同混交模式桉树人工林的林分蓄积量差异Fig.1 Stand volumes of single and mixed species Eucalyptus plantations with different mixing patterns

综上所述，混交林巨尾桉配植比例的减少，造成巨尾桉蓄积量和出材量有所下降。但巨尾桉与望天树、格木和红椎混交林的林分总蓄积量均高于巨尾桉纯林，而巨尾桉与降香黄檀混交林则略低于巨尾桉纯林，说明巨尾桉与适量的珍贵树种混交造林，前期以经营桉树为主，后期培育高价值的珍贵树种，巨尾桉与珍贵树种以及林下植被形成多层次、更稳定的混交林，最终会收获较大的生态和经济效益。

2.3 不同混交模式对桉树林分凋落物量的影响

表3显示，混交林地的凋落物总存量显著高于巨尾桉纯林(P<0.05)，其大小表现为巨尾桉+红椎混交林(7 729.28 kg/hm2)>巨尾桉+望天树混交林(7 271.21 kg/hm2)>巨尾桉+格木混交林(6 558.35 kg/hm2)>巨尾桉+降香黄檀混交林(6 214.74 kg/hm2)>巨尾桉纯林(4 154.91 kg/hm2)。试验林地的凋落物中，半分解层和未分解层所占比例有所差异，其中混交林的半分解层凋落物存量均大于未分解层，而巨尾桉纯林的半分解层凋落物存量小于未分解层。

表3 不同混交模式桉树人工林凋落物的现存量Table 3 Existing litter in Eucalyptus plantations with different mixing patterns

2.4 不同混交模式对桉树林分土壤养分的影响

从表4可以看出，混交林地(除Ⅱ号样地外)表层(0～20 cm)土壤pH值与巨尾桉纯林相比差异显著；巨尾桉纯林的土壤pH值最低，仅为4.77，巨尾桉+降香黄檀、巨尾桉+望天树、巨尾桉+格木和巨尾桉+红椎混交林的土壤pH值较巨尾桉纯林地分别提高了4.82%，10.27%，9.64%和10.90%。由此可见，桉树纯林的种植模式会造成林地土壤的酸化，树种混交有助于减缓土壤酸化。

从土壤有机质含量来看，巨尾桉混交林的表层土壤有机质含量均显著高于巨尾桉纯林(P<0.05)，表现为巨尾桉+红椎混交林(27.58 g/kg)>巨尾桉+望天树混交林(24.27 g/kg)>巨尾桉+格木混交林(22.81 g/kg)>巨尾桉+降香黄檀混交林(20.24 g/kg)>巨尾桉纯林(16.18 g/kg)(表4)。

表4 不同混交模式桉树人工林的土壤养分特征Table 4 Soil nutrient characteristics of Eucalyptus plantations with different mixing patterns

从土壤养分含量来看，混交林地表层(0～20 cm)土壤速效N、速效P、速效K、全N、全P和全K含量均高于巨尾桉纯林。巨尾桉+红椎混交林表层土壤的速效N和全N含量均最高，巨尾桉+望天树混交林略低于巨尾桉+格木混交林，而稍高于巨尾桉+降香黄檀混交林。其他土壤养分含量大小均表现为巨尾桉+红椎混交林>巨尾桉+望天树混交林>巨尾桉+格木混交林>巨尾桉+降香黄檀混交林>巨尾桉纯林。方差分析显示，各林分间土壤速效P含量差异不显著，其他养分含量均存在显著差异(P<0.05)。总体来看，巨尾桉纯林的种植模式会造成土壤质量下降，树种混交有利于长期维持土壤质量。

3 讨论

本试验研究表明，混交林中巨尾桉的胸径、枝下高、冠幅以及单株材积均显著高于纯林中巨尾桉，这与前人研究结果[16-18]相似。巨尾桉属于速生树种，与其他树种混义时其长期处于林冠层上方，且造林密度降低，个体间的竞争减弱，加上侧光增强，导致其在资源获取方面有着巨大优势，因而长势较纯林好。各林分间的巨尾桉树高生长差异不显著，究其原因：其一，巨尾桉林龄增长到一定阶段后，树体的呼吸消耗增加，树高生长所需养分供给减少[19]；其二，桉树林分生长过程中，可利用的土壤养分降低，最终限制了树高生长。这说明巨尾桉树高生长受其生物学特性和林地肥力的共同影响。

尽管混交林中巨尾桉的配植比例减少，其蓄积量有所下降。但从林分总蓄积量来看，巨尾桉+红椎混交林>巨尾桉+望天树混交林>巨尾桉+格木混交林>巨尾桉纯林>巨尾桉+降香黄檀混交林。巨尾桉与4种珍贵树种混交造林时，红椎生长表现最优，这与营造混交林能促进红椎生长的研究结果[20]一致，是巨尾桉理想的混交树种。

本研究中，混交林的凋落物总存量显著高于巨尾桉纯林，这与桉树+红椿(ToonaciliataRoem)混交林的研究结论相似，但与桉树+檫木(Sassafrastzumu)、桉树+台湾桤木(Alnusformosana)混交林的研究结果[21]不同，这可能与混交树种生长特性、生境对林地凋落物的影响较大有关。混交林半分解层凋落物存量均大于未分解层，巨尾桉纯林则相反，表明混交林提高了凋落物积累量及其分解速率，而纯林的化感作用会抑制微生物对凋落物的分解[22]。调查亦发现，巨尾桉纯林的种植模式在一定程度上会造成林地土壤酸化，混交林有助于减缓土壤酸化，这与其他学者的研究结论[20,23]基本一致。有学者研究发现，桉树的次生代谢产物——酚酸类物质是造成土壤酸化的主要原因，使得植物生长受到抑制和土壤微生物多样性减少[24-25]。

本研究结果显示，混交林表层土壤有机质含量显著高于巨尾桉纯林，这与桉树+台湾桤木混交林提高了土壤有机质含量的研究结论[26]基本一致，即凋落物总存量越大，越有利于提高林地土壤有机质。不同混交模式中，巨尾桉+红椎混交林的土壤速效N和全N含量最高，土壤pH值和其他土壤养分含量，总体表现为巨尾桉+红椎混交林>巨尾桉+望天树混交林>巨尾桉+格木混交林>巨尾桉+降香黄檀混交林>巨尾桉纯林，但各林分间土壤速效P含量差异不显著，这可能与我国南方林区土壤普遍缺P有关。可见，巨尾桉+红椎混交林最有利于提高林地土壤肥力。