绿肥套种对桉树人工林地力提升及林木生长的影响

2021-12-16朱孔鑫王会利覃祚玉唐健邓小军曹继钊王艮梅庄舜尧

浙江林业科技 2021年6期

朱孔鑫，王会利，覃祚玉，唐健，邓小军，曹继钊，王艮梅，庄舜尧

（1.南京林业大学林学院，江苏南京 210037；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008；3.广西林业科学研究院，广西南宁 530002）

巨尾桉Eucalyptus urophylla×E.grandis具有速生丰产、适应性强、生产周期短、用途广等特点。广西地处中国西南部，水热条件优越，适宜林木生长。巨尾桉在广西种植广泛，是广西木材战略储备的主要树种，也是广西完成全国二分之一木材产量储备和产出的最大贡献者[1]。但随着长期的单一无性系造林、多代连栽、高强度经营等原因，导致了桉树（巨尾桉）人工林的总体产量不高、地力退化严重，甚至引发一系列生态问题[2]。目前急需提升桉树人工林的土壤质量，以改善桉树人工林的可持续经营状况。

在人工林经营过程中，通常可以采用合理的施肥技术（如测土配方施肥等）、营造混交林[3]等方式提升土壤质量。但二者也存在着一定的问题，一是长期施用化肥会造成土壤酸化、环境污染等问题；二是桉树的轮伐期较短，短期内混交林收益较低，同时也会极大地增加抚育间伐等营林成本[4]。此外，程飞等[5]提出可以采用不同林地清理、整地、抚育、更新、混交以及套播绿肥6 大类营林措施，来维持桉树人工林的长期生产力。

绿肥对于提升地力、改善生态环境具有重要作用，其中豆科Fabaceae 植物，如紫云英Astragalus sinicus[6]、豇豆Vigna unguiculata[7]、田菁Sesbania cannabina[8]等，由于其根瘤菌的固氮作用，被广泛应用于农林业生产实践中。通常，豆科绿肥植物生长周期短、易大量种植，成熟后通过翻压覆土，在土壤微生物的作用下分解，逐步释放养分，可以有效改善土壤肥力状况。在农田土壤中，常用绿肥与农作物间作、套作或轮作后还田，可稳定氮素供应，实现作物高产稳产和农田可持续经营[9]。

在林业生产中，桉树林下套种绿肥的实践相对不足，尤其广西作为桉树人工林的主要种植地，相关报道更是较少。同时，绿肥的应用与其品种、树种、地点、气候环境等密切相关，如何高效利用绿肥技术还存在诸多不确定因素。因此，本研究在广西国营东门林场选用白灰毛豆Tephrosia c andida和田菁两种豆科绿肥植物进行林下套种，探究绿肥植物套种对桉树林地土壤以及林木生长的影响，为改善桉树林地土壤退化、提高桉树林木生物量以及桉树人工林可持续经营提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验林地选择在广西崇左市东门林场雷卡分场9 林班27 小班（107°55′42′′～107°55′46′′ E，22°25′15′′～22°25′17′′ N），面积为3.4 hm2。该地属于南亚热带季风气候，地势平缓，海拔为150 m，坡度≤10°，土壤为赤红壤。主栽树种为巨尾桉（品种为巨尾桉DH32-29），2017 年2 月新造林（3 年生实生苗），种植密度为1 250株·hm-2（4 m×2 m），2019 年6 月时保存率为97% 。所有处理均进行过常规施肥（东林掺混肥：养分总含量≥30%，N∶P∶K 为15∶6∶9，氮肥为尿素，磷肥为磷酸一铵，钾肥为氯化钾，东门林场肥料厂提供），于2017年4 月条施基肥，9 月追肥，10 月全砍杂灌、全喷除草剂（草甘膦）各1 次，11 月底株间全挖草灌1 次，7 月和9 月病虫害防治（杀虫双）各1 次；于2018 年4 月施放东林掺混肥，7 月割灌除草1 次，7 月底全喷除草剂（草甘膦）1 次，每次施肥量均为0.5 k g·株-1。在2019 年6 月开展试验前，进行林地调查。调查结果表明，桉树林平均树高为13.7 m，平均胸径为9.8 c m，林地肥力概况见表1，发现其林下植被主要为藿香蓟Ageratum conyzoides、飞机草Eupatorium odoratum、山菅Dianella ensifolia、木姜子Litsea pungens等。

表1 试验地土壤肥力概况Table 1 Soil fertility before experiment

1.2 试验设计

共设3 个试验处理，林下套种绿肥白灰毛豆（TC）、田菁（SC）以及不套种对照组（CK），每个处理3 次重复，合计9 个试验小区，采用随机区组设计，其中，TC 小区的面积约为0.17 hm2，SC 小区的面积约为0.18 hm2，CK 小区的面积约为0.08 hm2，如图1 所示。具体操作分两步进行：第一步：两行中间（宽约2 m）均匀铺有机肥（总养分≥5%，有效有益活菌数量≥5 亿·g-1，南宁市桂田复合肥料厂提供），有机肥投入施入量约为4 500 kg·hm-2；第二步：将林地行间的土壤和有机肥机翻打碎，试验地平整后，起畦开行，TC 和SC 分别进行条播（白灰毛豆、田菁）种子（30 kg·hm-2），CK 未播种。绿肥种子播种前进行催芽处理，以确保出苗整齐。催芽处理：在播种前将种子摊晒1～2 d，然后直接用水浸泡24 h。试验于2019 年6 月5 日开始，2020 年5 月15 日试验结束。

图1 试验布设示意图Figure 1 Experiment design

1.3 调查采样

于试验实施前（2019 年6 月）与实施后（2020 年5 月）分别对各处理试验样地进行每木检尺，测定桉树的树高及胸径，各处理样地内按S 形挖掘3～5 个标准土壤剖面，并避开绿肥根系生长区域，分层采样（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层），每个剖面土壤采集量约为2 kg，采用四分法保留0.5 kg 风干样用于样品分析。

1.4 样品分析

养分指标测定：参照鲁如坤[10]编写的《土壤农业化学分析方法》[10]分析土壤和植物样品的pH 值及有机质、氮、磷、钾N、P、K 全量及其速效养分含量。有机质含量测定采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法。pH 值测定采用电位法。全氮含量测定采用硫酸-硫酸铜消煮-凯氏定氮法，全磷含量测定采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法，全钾含量测定采用氢氧化钠碱熔-火焰分光光度计测定，氮、磷、钾的速效养分含量测定分别采用碱解扩散法、盐酸-硫酸浸提法、乙酸铵浸提-火焰分光光度计法。

1.5 数据处理

桉树材积的计算方法采用广西林业勘察设计院制定的速生桉单株材积计算公式：

式中：V为单株材积，m3；D为胸径，cm；H为树高，m；c0、c1、c2、c3、c4 均为常数，c0=1.091 541 50×10-4；c1=1.878 923 70；c2=5.691 855 03×10-3；c3=0.652 598 05；c4=7.847 535 07×10-3。

统计试验林地不同处理的所有数据，将分层测得的数值，取其平均值视为0～40 cm 土层的养分含量，分析不同措施下的土壤各养分含量的变化。

参考相关资料[11]，本研究采用有机质、速效氮、磷、钾含量作为肥力评价指标，用模糊数学法对试验前后林地土壤肥力进行评价，探究林地土壤肥力指数（IFI）的变化。

式中：wi为隶属度，通过函数（3）计算，ci为权重系数，n为指标个数，i为第1、2、3、4 个指标；a、b分别为函数最小、最大值，x为指标测定值。树高、胸径、材积增长量均为2020 年5 月15 日试验结束时测定数据减去2019 年6 月5 日试验开始时测得数据。

采用主成分分析法确定各指标权重ci，使用SPSS 17.0 统计软件作单因素ANOVA 方差统计分析，用Origin 8.5 软件制作图表，用Person 法分析各处理下的土壤肥力指数与桉树平均树高、平均胸径的相关性。

2 结果与分析

2.1 绿肥套种对桉树人工林土壤养分含量的影响

如图2 所示，随着土层深度的增加，3 种处理下的土壤有机质含量均随之递减。但桉树林下套种绿肥对增加林地土壤有机质有一定的促进作用，其中，在桉树林下套种田菁（SC）显著提高了表层土壤（0～10 cm）土层的有机质含量（P<0.05）。在0～10 cm 土层中，TC 和SC 均显著提高了土壤的速效氮含量（P<0.05）。而在10～20 cm 土层中，TC 和SC 的土壤中速效氮含量均低于CK 的，这可能与绿肥根系的主要生长区域有关。桉树林下土壤中的速效磷养分主要分布在0～10 cm 土层中，在10～20 cm 土层中，TC 显著提高了速效磷的养分含量（P<0.05）。TC、SC 桉树林下的土壤速效钾含量均有所提高，其中，TC 在表层土（0～10 cm 土层）中的作用更为显著（P<0.05）。

图2 绿肥套种对桉树人工林土壤不同土层养分含量的影响Figure 2 Effect of green manure interplanting on soil nutrient content in E.urophylla×E.grandis plantation

2.2 绿肥套种前后桉树人工林土壤养分的变化

由表2 可知，试验后各处理土壤有机质含量的增加水平不同，变化范围在0.75～3.59 g·kg-1，其中增量最大的处理是SC，其有机质含量试验后较试验前增加了3.59 g·kg-1。TC 和SC 较CK 均有所提升，有机质含量较CK分别增加了9.65%和18.44%。各处理下土壤的速效氮含量均有所增加，TC 较CK 土壤速效氮含量增加了3.75%，说明除了肥料供应的氮素外，TC 促进了氮的净矿化，这可能与其根瘤菌有关，使得林下土壤的速效氮养分含量增加。然而，SC 的林下土壤速效氮养分含量较CK 却降低了11.79%，可能是田菁生长时消耗了一部分来自土壤的氮素用于供给自身的生长。TC林下的土壤速效磷含量较CK增量增加了143.9%，而SC较CK仅增加了6.29%，说明白灰毛豆在释放土壤速效磷养分上比田菁更具有优势。TC 林下的土壤速效钾含量较CK 增加了187.5%，高于SC 较CK 增加的102.2%。这说明两种绿肥均具有一定的促进土壤速效钾释放的作用，但田菁的作用较弱于白灰毛豆的。

表2 绿肥套种前后桉树人工林土壤养分含量的比较Table 2 Soil nutrient in E.urophylla×E.grandis plantation before and after treatment

2.3 绿肥套种对桉树人工林生长的影响

由表3 可知，林下套种绿肥对桉树树高、胸径的影响与CK 相比均有明显提高，其中，TC 比CK 树高增加12.59%、胸径增加17.61%；SC 比CK 树高增加18.97%、胸径增加10.30%。

表3 绿肥套种对桉树人工林树高、胸径及材积的影响Table 3 Effect of inter-planting green manure crop on tree height,DBH and volume of E.urophylla×E.grandis

这说明林下套种绿肥有利于桉树林木的营养生长，进而有利于增加材积，提升单位面积的木材生产量。通过材积公式计算得出，TC、SC 桉树林的单位面积材积增量较CK 分别增加了46.81%、35.47%。

2.4 桉树人工林土壤肥力指数及相关性分析

如图3 所示，通过模糊数学法计算试验前后的林地土壤肥力指数（IFI），不同处理的IFI试验后的IFI较试验前均有较大幅度地提升，这可能与施肥有关。试验后TC、SC 的IFI较CK 的均有不同程度的提高，这说明林下绿肥套种具有一定的提升土壤肥力的作用。

图3 试验前后不同处理下的土壤肥力指数Figure 3 IFI of s oil under E.urophylla×E.grandis plantation before and after the treatment

由表4 可知，桉树树高与IFI呈极显著正相关（P<0.01），说明桉树的高生长受土壤肥力的影响较大，通过增施肥料补充土壤肥力进而提高林木生长，是一种可行的办法。

表4 桉树林木生长指标与土壤肥力指数的相关性分析Table 4 Correlation analysis on growth traits of E.urophylla×E.grandis plantation and IFI

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究发现套种绿肥增加了桉树林地的土壤有机质含量，这与高文杰等[12]的研究结果相类似。本试验在桉树林下种植绿肥一年后土壤有机质含量增加相对较少（TC 为9.65%和SC 为18.44%），邓小华等[13]对酸性土壤进行改良，在添加石灰+绿肥、石灰+绿肥+生物有机肥两种处理中，土壤有机质分别提高了27%与35.2%。这表明在今后的改良土壤过程中，可以考虑混合添加石灰，来进一步提高土壤有机质含量。

速效氮、磷、钾是植物可直接吸收利用的养分，速效氮有利于茎、叶的生长。本研究发现套种绿肥增加了土壤速效氮含量，这与朱小梅等[14]的研究结果相一致。还有研究表明土壤净氮矿化量与有机质呈极显著的正相关关系[15]。绿肥覆盖或翻压后能有效提高土壤的供氮能力[16]。形成这种现象的原因可能是：其一，绿肥还田后，引起土壤正激发效应，促进了土壤氮素净矿化[17]；其二，绿肥与化肥配施促进了酶活性[18]；其三，绿肥通过固氮根瘤菌，将无机态氮固定下来，具有明显的氮素保存作用[19]。在本试验中，这也可能是绿肥套种的林下土层（10～20 cm）速效氮养分含量较对照组偏低的原因：一方面是由于绿肥植物在利用土壤中的氮素用于自身生长，另一方面是由于绿肥植物根系形成的固氮根瘤菌。在收获绿肥之时，在白灰毛豆根部存在明显的共生菌根，而田菁则不明显，说明两种绿肥在固氮方面存在差异。

速效磷在植物的生长发育繁殖过程中起着重要作用。本研究发现，套种绿肥增加了土壤速效磷含量，这与杜青峰等[20]的研究结果相一致。这可能是植物从土壤获得氮素的同时调用和吸收磷素，导致了磷素循环的增加[21]。此外，绿肥可以提高土壤中酸性磷酸酶的活性，进而促进土壤中磷素的活化，使得土壤中速效磷含量上升[22]。本研究发现套种田菁的桉树林下的土壤速效磷含量较低于套种白灰毛豆的，但两种处理的林下土壤速效磷含量都高于对照。这可能与田菁自身生长需要大量的磷素有关，在田菁的种植过程中往往需要添加一定量的磷肥[23]。在通过种植田菁改良土壤时，同时施用磷石膏是一种快速提升土壤肥力的有效方法[24]。

土壤中含有充足的速效钾有利于提升植物的抗性。本研究发现套种绿肥增加了土壤速效钾的含量，这与前人[25]的研究结果相类似。王立艳[26]等其研究发现种植田菁等植物后土壤速效钾含量提升了0.76%～4.30%，且绿肥+施肥对于土壤养分的改善效果要优于仅绿肥处理。本试验中林下土壤速效钾含量的增量，远高于秦俊豪等[27]的研究数据。这可能是试验前该土壤的速效钾含量偏低，而在绿肥+肥料配施的作用下，土壤中的速效钾含量增量较高。这是由于绿肥的残体在土壤中分解，形成半分解物，增加了土壤中的有机物质和无机养分，促进了微生物的生长，使得土壤中养分含量增加[28]。

在本研究中，套种2 种绿肥植物一年后，桉树的树高、胸径较对照组均有所增加。通过分析可知，套种白灰毛豆和田菁的桉树林单位面积材积增量较对照组分别增加了46.81%、35.47%。在白昌军等[29]的研究中，间作牧草后的三年时间里桉树的胸径平均增加49.70%、树高平均增加17.86%。该研究中桉树胸径与树高增量均高于本试验，其原因可能是本试验仅为期一年，时间相对较短。此外，有研究表明林木的生长指标与土壤养分存在一定的相关性[30]，而本试验发现，桉树的树高与土壤肥力指数（IFI）呈极显著（P<0.01）正相关关系，且套种绿肥措施下的土壤肥力指数高于CK 的，这说明林下套种绿肥有效促进了林下土壤速效养分的释放，进而促进了桉树的高生长。

此外，套种绿肥所消耗的成本是否少于其所能带来的林木增产的收益，这也是需要考虑到当地实际情况，来决定是否适合推广与实践的一个重要指标。本次试验的时间较短，桉树的短轮伐期在7 a 左右，本试验研究对象为3 年生桉树林，桉树正处生长高峰期，试验数据仅表明这一年内的变化，若条件允许应当对桉树一个轮伐期内的指标进行研究，这样或许能够更加直接地考虑经济效益与生态效益。