异龄混交对马尾松林分生长及林地生态因子的影响

梁廷熙

(广东省德庆县林业局，广东 德庆 526600)

1 引言

马尾松(Pinusmassoniana)属松科松属针叶树种，其不仅是优良的建筑用材，还是优良的造纸及人造纤维板原料，此外还可用于生产松香、松节油等化工产品，在广东、广西、江西、安徽、福建、浙江等我国南方17个省(区)均有分布。马尾松利用价值高，用途广泛，目前已成为我国南方主要造林树种[1，2]。然而，长期单一树种纯林模式研究，导致立地衰退、林地生产力下降[3，4]。同时，大面积马尾松纯林极易遭受病虫害[5，6]，尤其近年来日趋严重的松材线虫病[7]，致使全国多地实施了“限松令”，松树产业发展遭受了明显的遏制。马尾松作为优良的脂材两用树种，在水源涵养、水土保持、地力维护等生态功能方面效益显著。在当下林业发展坚持绿水青山就是金山银山和生态优先的理念下，提升森林生态系统稳定性及林分质量是推进马尾松产业发展的前提与保障。

与纯林相比，混交林生态系统稳定，生态功能强大[8，9]。以往研究表明，马尾松作为高氮需求树种，与阔叶树特别是与枯落物丰富、氮归还量高、耐荫能力较强的阔叶树种混交，其不仅有效提升了林分养分归还和水源涵养能力，增加了土壤肥力，同时有效提升了林分生长量[10，12]。因此，进行混交林营造是解决马尾松林分生态系统脆弱、林分质量不高问题的关键，而将现有马尾松纯林改造成异龄混交林则更为实际与亟需。基于此，本文以红锥为混交树种，通过设置不同比例马尾松林下异龄混交模式，分析了马尾松林分生长及相关林地生态因子的变化，以期为将马尾松纯林改造为混交林提供科学参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于广东省德庆县，地理位置位于111°41′10″E，23°8′42″N，气候属亚热带季风气候类型，年平均气温21 ℃，年降水量1500 mm，年平均相对湿度81%。试验林地海拔为200～250 m，坡度20～25°，土壤为黄棕壤，土层厚度40～60 cm。林下植被以灌木、草本为主，主要有山乌桕(Sapiumdiscolor)、菝葜(Smilaxchina)、三叉苦(Evodialepta)、粽叶芦(Thysanolaenamaxima)、铁芒萁(Dicranopterislinearis)、悬钩子(Rubuscorchorifolius)等。

2.2 试验方法

2.2.1 试验林改造

研究区马尾松纯林为2012年营建的马尾松实生苗植苗林，株行距2 m×2 m，种植密度167株/亩。待马尾松林分形成整齐林相时，在保留木空间位置均匀的前提下，于2017年采用下层疏伐法进行林分间伐，去弱留强，设置4种保留密度：120、100、80、60株/亩。间伐后清理砍伐剩余物，在穴状整地后以一年生红锥容器苗进行马尾松林下红锥套种，套种密度为0、20、40、60株/亩。最终形成4种混交比例的马尾松×红锥异龄混交林，即红锥混交比例0、1/6、1/3、1/2，林分密度均为120株/亩。套种后连续3年，每年进行砍灌割草、追肥(复合肥250 g/株，N∶P∶K=15∶15∶15)各1次。

2.2.2 数据收集

以马尾松纯林为对照(CK，P0)，1/6(P1)、1/3(P2)、1/2(P3)为马尾松×红锥混交林试验处理，各林分中分别设置3个20 m×25 m大小固定样地。2021年底采用每木检尺进行各样地树高、胸径调查，用完全随机方式，以样地中高径生长量与平均值相差10%以内的植株作为采样目标树种，将距离树干基部50 cm处上坡位作为取样区。每个样地设5个取样区，在每个取样区内设置30 cm×30 cm小样方，采用环刀采集小样方内0～20 cm土壤样品1 kg左右。将各林分每个样地中5个取样区中土壤样品混匀后分成2份带回实验室，一份贮存于4 ℃冰箱用于微生物多样性分析，另一份用于土壤持水性及养分含量分析。

2.2.3 指标测定

微生物多样性测定。参照鲍佳书等[13]方法，采用Biolog-ECO微平板培养10 d的数据进行统计分析，计算林地中微生物多样性指数和丰富度指数。

土壤持水性测定。以采环刀浸泡法，用100 cm3环刀从上至下分层采集样品，在室内环刀浸泡，参照罗斯生[14]等方法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水量。

土壤养分含量测定。全氮用凯氏定氮法测定，全磷及有效磷用钼锑抗比色法测定，全钾用火焰原子吸收分光光度法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法测定。

2.3 数据处理

数据采用Excel 2007进行制图，用SPSS19.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，多重比较采用LSD法(p<0.05)。

3 结果与分析

3.1 对林分生长的影响

由图1可以看出，不同比例马尾松×红锥异龄混交对马尾松树高、胸径生长量影响差异显著。与马尾松纯林(P0)相比，1/6红锥混交比例(P1)试验林中马尾松树高、胸径无显著增加，而1/3(P2)和1/2(P3)红锥混交比例林分中马尾松高径生长量均明显增加，分别较马尾松纯林的树高、胸径增加了20.4%～24.5%和18.7%～21.3%。这说明，以1/3～1/2红锥混交比例能显著提升马尾松树高、胸径生长量。

注：图中不同小写字母表示不同混交比例林分间达差异显著水平(p<0.05)，下同

3.2 对林地微生物多样性的影响

微生物是林地生态系统中重要生态因子，参与枯落物分解，改变土壤理化性质。研究证明，微生物多样性直接反映了微生物群落稳定性及土壤质量[13,15]。由图2可知，随着红锥混交比例增大，林地微生物多样性指数与丰富度指数均呈线性增加的趋势。相关性分析结果表明，林地微生物多样性指数、丰富度指数与红锥混交比例均为极显著的正相关线性关系(R2=0.99)。这表明，马尾松与红锥异龄混交显著增加了林地微生物群落的稳定性。

图2 不同比例马尾松×红锥异龄混交对林地微生物多样性的影响

3.3 对林地土壤持水性的影响

水是一切生命活动的基础，土壤持水能力是衡量森林生态功能的一个关键因素。土壤容重反映土壤紧实度，容重越大，土壤越紧实，土壤越板结严重，持水性越差，不利于植物生长。土壤孔隙度与土壤贮水能力有关。通常，土壤孔隙度越大，贮水能力越强。土壤持水量则直接代表土壤持水能力[14,16]。从表1可以看出，随着红锥混交比例增大，土壤容重逐渐减小，而土壤孔隙度和土壤持水量逐渐增大。结果表明，在供试4种试验林中，以1/2红锥混交比例林分中土壤持水能力最强，说明与红锥混交能有效改善林地土壤持水性，且混交比例越大效果越好。

表1 不同比例马尾松×红锥异龄混交对林地土壤持水性的影响

3.4 对林地土壤养分含量的影响

氮、磷、钾是植物生长发育中三大主要营养元素，土壤中氮、磷、钾元素的含量反映了林地养分供给能力，即土壤肥力情况。不同红锥混交比例林分中，林地土壤氮磷钾元素含量差异显著(表2)。从各林分元素含量大小来看，全氮、碱解氮表现为：P3>P2>P1>P0，全磷、全钾为：P3≈P2>P1≈P0，有效磷、速效钾为：P3≈P2>P1>P0。整体上，以1/3～1/2红锥混交比例林地土壤中氮磷钾元素含量明显偏高。这说明，马尾松与红锥异龄混交能有效提升林地土壤肥力。

表2 不同比例马尾松×红锥异龄混交对林地土壤养分含量的影响

4 结论与讨论

马尾松是我国南方生态建设和造林用材主要树种，人工林面积发展迅速[2]，其经营模式主要以纯林为主。由于长期的马尾松人工纯林营建，病虫害问题极为突出，尤其近几年爆发的松材线虫病，传染性强，防治效果不明显，被称为松树癌症[7]。为阻止该病害的进一步传播，多个省区已明令禁止马尾松的种植。松树产业在我国林业经济建设中占有举足轻重的地位，提升林分生态稳定性，增强林分抗性，是推进产业发展的关键。国内外大量研究证实，通过混交能有效提升森林生态系统稳定性，增强抗逆能力。目前有关马尾松混交方面的研究大多关于同龄混交，而将现有马尾松林分改造为异龄混交林方面研究仍鲜少见。马尾松为强阳性速生树种，但早期生长较为缓慢[1]，具有“三年不见树，五年不见人”的生长习性。本试验以刚郁闭、林相较为整齐的5年生马尾松林分为改造对象，以经济价值高、土壤改良效果好的乡土阔叶树种红锥为异龄混交树种，在混交林改建4年后探索了不同混交比例马尾松生长及林地生态因子的变化。研究发现，以1/3～1/2红锥混交比例，马尾松高径生长量显著提升，林地生态系统稳定性增强，说明今后可选择以红锥为混交树种进行马尾松纯林的改造。

在林地生态系统中，微生物是土壤生态系统的重要组成部分，也是森林生态系统的重要组成部分，是森林生态恢复与重建的重要参与者[17]。微生物影响着有机质分解、养分循环和植物养分利用过程，微生物参数被认为是土壤质量变化的重要指标之一。微生物多样性指数和丰富度指数被视为最关键的两个参数，其中多样性指数表明土壤中微生物群落的多样性，而丰富度指数反映了微生物利用碳源种类数的不同，表明土壤微生物功能的多样性，以多样性指数和丰富度指数可表征林地土壤微生物的多样性。林地微生物依赖于植被发育，植被通过根系、地上和地下等生物过程影响土壤微生物多样性。本试验研究结果表明，红锥混交比例与林地微生物多样性指数和丰富度指数均呈显著的正相关线性关系，其R2值均达0.99。从微生物群落多样性的区域格局来看，土壤微生物群落多样性与覆盖于土壤上的植物群落多样性呈正相关[17]。这表明，相较马尾松纯林，马尾松×红锥混交林更利于微生物群落的发展。红锥为高氮归还树种[18]，而马尾松对氮素需求较高[19]，一方面通过枯落物养分归还，增加林地氮储量促进马尾松生长，另一方面相较马尾松枯落物，红锥凋落物易分解且氮含量高，利于增加微生物多样性，是一种优良的马尾松混交树种，这与以往有关凋落物对马尾松生长影响方面的研究结果是相似的[20]。

土壤持水性与养分含量是反映森林生态功能最为重要的两个指标[19,21]。笔者发现，红锥混交比例与土壤持水能力、氮含量变化趋势一致，即红锥混交比例越大，土壤持水能力越强，氮含量越高。这显示红锥在改良土壤持水性与氮储量方面功能显著。然而，值得一提的是，马尾松生长量并未随着红锥混交比例增大而增大，在红锥混交比例为1/3和1/2时，并未发现马尾松高径生长量在统计学上的显著差异。从土壤中磷、钾养分含量变化来看，在红锥混交比例为1/3和1/2时，全磷/有效磷、全钾/速效钾含量均无显著差异。这暗示了磷、钾可能是进一步提升马尾松生长质量的关键，今后进行马尾松×红锥的混交林改造时，可适当补充一定的磷钾肥以促进马尾松生长。