樟子松人工林凋落物不同混合模式对地力维护的影响

刘 敏，郎明翰，2，杨树军，曹怡立

（1.辽宁省沙地治理与利用研究所；2.辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站，辽宁 阜新 123000）

人工林地力衰退是由于在人工林营造和经营过程中树种选择和林分结构设计不当或者在整地和森林林分经营不合理导致森林土壤生态环境退化、林地生产力下降的现象[1]。人工林地力衰退，又称作为‘第二代效应’[2]，最早于19 世纪初由德国发现。当时德国为了提高林木的单产，将天然阔叶林改变为针叶人工林[3]。后期调查发现，连栽后导致生产力下降。1923 年，在Weidemann 的报道中[3]，下萨克森地区云杉林第二、三代的产量降低后，土地生产力出现了退化。1966 年Keeves 指出[4-5]，在澳大利亚第二代辐射松Pinus radiata的土地生产力平均下降25%。同样，人工林地力衰退在我国也普遍存在，落叶松Larix gmelinii、杉木Cunning‐hamia lanceolata、杨树Populusspp.、木麻黄Casua‐rina equisetifolia、马尾松Pinus massoniana和桉树Eucalyptus robusta等人工林都存在着不同程度的地力衰退和生产力下降的现象。冯宗炜等[6]研究发现，杉木林地土壤肥力和微生物数量随着林木林龄的增加而降低。盛炜彤[7]研究发现，随着杉木林连栽代数的增加，除多酚氧化酶外，土壤酶活性均下降了。综上所述，人工林地力衰退是一个世界性的问题[8-10]，且在我国呈日趋严重的态势。

辽宁省章古台附近分布着大面积沙丘沙地，经过治理后，大多数转化固定沙丘沙地[11]。自1953 年原辽宁省固沙造林研究所开始樟子松引种栽培以来，樟子松在三北地区广泛栽植，其人工林面积不断扩大，已成为我国三北地区的主要造林树种之一。目前三北地区的樟子松人工林面积已达11 341 hm2，为提高樟子松林分的稳定性和生产力，原辽宁省固沙造林研究所选取以辽西北樟子松引种区为典型研究试验示范区，在对已有实用技术进行组装、配套与集成的基础上，开展樟子松人工林速生丰产增效技术集成与示范研究。本项试验就是从凋落物的分解速率着手，研究樟子松纯林与针阔混交林的凋落物对地力维护的影响，以期为三北地区樟子松人工林经营提供理论依据。

1 研究区概况

试验地设在辽宁省彰武县章古台省沙地治理与利用研究所的试验林内（42º43´~42º51´N，121º53´~122º22´E），属亚湿润干旱区，年降水量480~520 mm，年均蒸发量1 700 mm，年均气温5.7 ℃，无霜期150~160 d。该地区主要分布的乔木树种有樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、云杉Picea asperata等。常见草本植物有少花蒺藜草Cenchrus pauciflorus、狗尾草Setaria viridis、披碱草Elymus dahuricus等。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2018 年10 月末，选取樟子松凋落物和7 种阔叶树种（山杏、胡枝子、皂角、丁香、杨树、榆树、五角枫）凋落物叶片，将其进行不同组合，每种组合凋落物干质量均为100 g，共15 种组合模式。组合模式分为单一树种和针阔树种凋落物质量等比混合。

2.2 方 法

2018 年10 月末，采用埋藏分解法（Burial De‐composition Method，BDM），将凋落物装入25 cm×40 cm、孔径0.5 mm 的尼龙网分解袋，分别埋在万亩林、三家子、种子园试验区所设的标准地（樟子松纯林）内，共45 袋样品。凋落物埋坑呈点状随机分布，覆土3 cm 与地面平齐。2020 年9 月中旬，取出15 种植物样本，剔除杂质后称其质量（湿质量），烘干后称干质量，计算枯落物的失重率。

式中：PW为失重率；W为烘干质量。

埋土前和埋土2 年后，分别将各植物样本放在60 ℃烘箱12 h，烘干后磨碎，对樟子松单独样本和樟子松与7 种阔叶树组合样本进行养分（有机质、全氮、全磷、全钾）含量测定。采用蒸馏法测定全N含量，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用火焰光度法测定全钾含量，采用重铬酸钾容量法测定全碳含量。计算各植物样本2 年内的养分释放率。

式中：PN为释放率；N1为埋土前植物养分含量；N2为埋土后植物养分含量。

2.3 数据处理

采用SPSS 17.0 软件进行单因素方差分析，采用Excel 2007 作图。

3 结果与分析

3.1 凋落物分解速率

从图1 可以看出，胡枝子和樟子松+胡枝子两种凋落物的含水率最高，均达到40%；含水率最低的凋落物是樟子松+丁香（7%）。经比较后发现，针叶样本的含水率显著高于阔叶样本（P＜0.05）。将针阔凋落物与单独阔叶凋落物含水率对比后可知，杨树、五角枫组合凋落物的含水率升高；榆树、胡枝子组合凋落物的含水率不变；皂角、山杏和丁香组合凋落物的含水率下降。

图1 章古台人工固沙林不同样本种类分解速率

从图1 还可以看出，樟子松+榆树组合凋落物的失重率最高84.1%；其次是樟子松+皂角组合凋落物（83.5%）；樟子松+山杏凋落物的失重率最小（29.1%）。将针阔凋落物混合后，杨树、山杏和胡枝子组合凋落物的失重率下降；榆树、皂角、丁香和五角枫组合凋落物的失重率上升。

3.2 养分释放

从表1 可以看出，在经过2 年的土埋后，凋落物的氮、磷、钾和有机质均有效地释放。将樟子松凋落物和阔叶树凋落物等比例混合后，樟子松+皂角组合凋落物氮释放率最高82.4%，是单一樟子松凋落物氮释放率的8.6 倍。樟子松+胡枝子组合凋落物的氮释放率次之，达80.4%，各组合凋落物的氮释放率均显著高于单一樟子松凋落物的氮释放率，氮的释放率均显著提高（P＜0.05）。钾释放率具有与氮相似的规律，针阔混合凋落物的钾释放率显著高于单一樟子松针叶凋落物钾的释放率（P＜0.05），其中樟子松+杨树组合凋落物的钾释放率最高71.4%，樟子松+榆树组合凋落物的钾释放率最低63.6%。

然而，磷和有机质的释放率与氮、钾不同，经过针阔混合后，五角枫、榆树和皂角3 种针阔混合凋落物的磷释放率显著增加（P＜0.05）；杨树、胡枝子和山杏3 种针阔混合凋落物的磷释放率提高得不显著（P＞0.05）；丁香+樟子松组合的磷释放率反而降低。五角枫、丁香和山杏3 种针阔混合凋落物的有机质释放率显著高于单一樟子松凋落物释放率（P＜0.05）；杨树、榆树、胡枝子和皂角4 种针阔混合凋落物的有机质释放率显著低于单一樟子松凋落物的有机质释放率（P＜0.05）。

将4 种养分的释放率综合比较后得出，钾的平均释放率最高，显著（P＜0.05）高于其他3 种养分的平均释放率（表1）。

表1 人工樟子松林凋落物养分释放率 /%

4 讨论与结论

凋落物不同组合的失重率差异显著，研究发现，除樟子松+杨树、樟子松+山杏和樟子松+胡枝子3 种组合外，针阔凋落物混合后的失重率显著提高（P＜0.05）。由于阔叶树种凋落物分解速率大于针叶树种，将针阔凋落物混合后有利于凋落物的分解和养分的释放[12-19]。宁世江[20]对杉木+火力楠Mi‐cheliam acclurei研究得出，火力楠为阔叶树种，其凋落物易分解，且凋落物多，能有效改善土壤营养状况，提高土壤肥力，从而促进林分生长。因此，若加速人工林凋落物的分解速率，可以考虑选取凋落物多、易于分解的树种与樟子松进行混交，本试验分解速率最高的组合为榆树+樟子松凋落物。

包青[21]研究发现，白桦Betula platyphylla与红松Pinus koraiensis混交林中，白桦与红松根际土壤养分具有互补特性。王殿遴[22]认为，杉木与马棘同栽是解决杉木连茬地力衰退的有效措施。本试验研究表明，针阔凋落物等量混合显著增加了氮、钾和部分组合凋落物的磷、有机质返还土壤的速率（P＜0.05），证明针阔混交林对地力的维护强度高于单一的樟子松人工林。本研究结论与包青和王殿遴的研究相似。大量研究表明，由于单一树种会过度消耗土壤肥力，导致土壤理化性质变差[23]，林分生产力下降[24]，土壤有毒物质累积[25]，同时混交林对林地养分（有机质、氮、磷）的返还比纯林高[26]，以上种种均是导致单一树种人工林生长量、林地肥力低于混交人工林的诱因[27]。可见，从凋落物养分返还角度来看，混交林生态系统比纯林生态系统更加优越。

根据本研究结果，氮、磷、钾、有机质返还最优组合分别为樟子松+胡枝子、樟子松+皂角、樟子松+杨树和樟子松+五角枫。因此，可以结合当地人工林营造和经营需求，酌情选择不同树种混交，使樟子松人工固沙林防风固沙效果更稳定更长久。