浙西地區(qū)杉木林下套種模式對(duì)土壤理化特征的影響

杉木是中國(guó)特有的優(yōu)良速生樹種，在我國(guó)木材生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著重要作用。但大面積杉木純林的營(yíng)造,導(dǎo)致杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性下降,地力衰退,病蟲害增加等問題日益突出。馮宗煒等研究發(fā)現(xiàn),杉木林地土壤肥力隨杉木年齡增加而下降,造林后19a,土壤N、P、K含量分別為造林前的43.6%、24.3%和43.2%。另?yè)?jù)報(bào)道,杉木連載土壤肥力和生產(chǎn)力下降非常明顯,2耕土和3耕土有機(jī)質(zhì)含量分別為頭耕土的83.8%和66.3%、全氮為80.0%和65.0%、全磷為83.3%和33.3%、全鉀為96.6%和89.1%。針對(duì)杉木人工林地力衰退現(xiàn)狀及其機(jī)理,20世紀(jì)80年代初馮宗煒等首先提出了營(yíng)造杉木混交林的解決途徑。混交林與純林相比,能夠更充分的利用營(yíng)養(yǎng)空間,改善立地條件,其他林產(chǎn)品豐富,綜合效益好,是今后人工林的重要發(fā)展方向。研究證明杉木與毛竹、木荷、馬尾松等的混交林無論在林冠層的截留量、地上部分持水能力、林地土壤貯水能力,土壤養(yǎng)分狀況等都比杉木純林更為優(yōu)越[5~7]。馬尾松林下套種闊葉樹對(duì)土壤理化性質(zhì)有顯著影響,但不同混交模式對(duì)土壤改良的層次深度不同。對(duì)于混交林的研究,目前中國(guó)還處于試驗(yàn)階段,主要集中在對(duì)混交林的林分結(jié)構(gòu)、林內(nèi)小氣候、植物生長(zhǎng)狀況、土壤性質(zhì)等方面的研究[9~11]。在亞熱帶地區(qū),已開展了一些杉木混交林及復(fù)層異齡林的構(gòu)建對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究,但多數(shù)研究?jī)H針對(duì)少數(shù)幾個(gè)樹種,而杉木林下套種多個(gè)樹種的對(duì)比試驗(yàn)相對(duì)較少。本研究選取12個(gè)廣泛分布于亞熱帶地區(qū)的樹種套種于杉木林下形成復(fù)層異齡混交林,初步探討套種初期不同樹種對(duì)土壤的改良作用,以期為今后中亞熱帶杉木混交林樹種選擇及建立持續(xù)高效的經(jīng)營(yíng)模式提供科學(xué)依據(jù)。1不同樹種生物量研究區(qū)位于浙江省開化縣城關(guān)杉木大徑材示范林培育基地(東經(jīng)118°01′,北緯28°54′)。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫16.4℃,年平均降雨量1814mm,無霜期252d,年日照總時(shí)數(shù)1334.1h,氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。試驗(yàn)地屬浙西中山丘陵地帶,土壤類型主要以紅黃壤為主,pH值在5.5~6.5之間。城關(guān)林場(chǎng)為1992選用杉木優(yōu)良無性系,采取全墾、大穴、底肥等速生豐產(chǎn)造林措施,初始造林密度3000株hm-2,現(xiàn)保留密度1500株hm-2。2007年春季沿坡面在杉木林下塊狀種植楊桐(AdinandraJack),紅茴香(Illiciumhenryi),紅葉石楠(Photiniaserrulata),欏木石楠(PhotiniadavidsoniaeRehd.etWils.),麻櫟(QuercusacutissimaCarruth),蚊母(DistyliumracemosumSieb.etZucc),茶花(Camelliajapoica),南天竹(Nandinadomestica),十大功勞(Mahoniafortunei(Lindl.)Fedde),毛紅椿(ToonaciliataRoem.varpubescena(Fr.)Hand-Mazz),灑金珊瑚(Aucubajaponicacv)和紅豆杉(Taxuschinensis)共12個(gè)樹種,各樹種種植面積約0.15hm2,種植密度為1m×2m。同時(shí)以鄰近地塊杉木純林作為對(duì)照。2材料和方法2.1樣地設(shè)置及設(shè)置在城關(guān)林場(chǎng)杉木林試驗(yàn)區(qū)選擇不同套種樹種樣地,并以相同立地條件杉木純林為對(duì)照,共設(shè)置13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地,樣地面積為10m×30m。在上述13塊樣地中,除對(duì)照外,分別調(diào)查每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)植物的生長(zhǎng)狀況和根系分布,林下樹種的高度在80~110cm,地徑為0.6~1.1cm,根長(zhǎng)為25~40cm。2.2樣地的選取在城關(guān)林場(chǎng)每個(gè)套種樹種標(biāo)準(zhǔn)樣地,選擇生長(zhǎng)狀況良好的3棵樣株,分別在植株根部約40cm范圍內(nèi)用環(huán)刀取2個(gè)表層土樣,對(duì)照樣地隨機(jī)選取3點(diǎn)。同樣,每個(gè)套種樹種選取5~6株樣木,在各樹種根部40cm范圍內(nèi)用土鉆采集0~30cm土層的土壤樣品,杉木純林則隨機(jī)在林地鉆取10個(gè)樣點(diǎn),取樣深度與其他樹種相同,每個(gè)樣地多點(diǎn)土樣混合后裝入土樣袋并編號(hào),用于土壤養(yǎng)分測(cè)定。2.3測(cè)定項(xiàng)目和方法用環(huán)刀法測(cè)定土壤的物理性質(zhì)。土壤樣品自然風(fēng)干后,揀去動(dòng)植物殘?bào)w、石塊等,研細(xì)后分別過60目和100目土壤篩。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定;全N采用半微量凱氏法測(cè)定;水解N采用堿解擴(kuò)散吸收法;用硫酸-高氯酸浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定全P;有效P用鹽酸和硫酸溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;用酸熔-火焰光度法測(cè)定全K,速K采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。2.4數(shù)據(jù)處理與分析對(duì)野外調(diào)查資料和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù),采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多重比較(LSD)和主成分分析。3結(jié)果與分析3.1與其他水源中的土壤容重及其土壤孔隙結(jié)構(gòu)比較土壤容重反映土壤的松緊程度及孔隙狀況。由圖1可以看出,杉木林下套種樹種對(duì)土壤容重的影響差異較大,其中茶花、麻櫟、蚊母、紅豆杉林下土壤容重變化在1.01~1.08gcm-3,均比杉木純林(1.25gcm-3)有明顯降低,而楊桐、撒金珊瑚、南天竹和十大功勞土壤容重與杉木純林接近,紅葉石楠、欏木石楠、毛紅椿和紅茴香4個(gè)林分下土壤容重略低于杉木純林。土壤孔隙組成是土壤養(yǎng)分、水分和空氣以及微生物、植物根系等的活動(dòng)通道和貯存庫(kù),它可直接反映整個(gè)土體構(gòu)造狀況,是土壤肥力的重要指標(biāo)之一。不同套種樹種對(duì)土壤總孔隙度的影響與土壤容重類似,茶花、麻櫟、蚊母、紅豆杉和毛紅椿林下土壤總孔隙度較杉木純林明顯增大(圖2),分別比對(duì)照提高了16.6%、26.5%、18.1%、23.6%和15.9%;楊桐、撒金珊瑚、南天竹和十大功勞土壤總孔隙度與杉木純林接近,其他3個(gè)樹種略高于杉木純林。由此可見,茶花、麻櫟、蚊母和紅豆杉4個(gè)樹種在幼齡階段對(duì)杉木林地土壤物理性狀就有很好的改良作用。3.2復(fù)層林后土壤養(yǎng)分含量狀況有機(jī)質(zhì)是土壤固相中最復(fù)雜的系統(tǒng)和土壤的核心成分,含有植物生長(zhǎng)所需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素,是土壤肥力的主要物質(zhì)基礎(chǔ),在其分解過程中逐漸釋放出來的養(yǎng)分可供植物吸收利用。從表2可以看出,林下套種不同樹種土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于對(duì)照樣地,且差異均達(dá)到顯著水平。其中杉木林下種植欏木石楠、南天竹、麻櫟、紅豆杉和蚊母后土壤中有機(jī)質(zhì)含量增幅超過100%。構(gòu)建復(fù)層林后林內(nèi)枯枝落葉增加和細(xì)根的周轉(zhuǎn),極大的改善了土壤養(yǎng)分條件,這對(duì)上層林木的生長(zhǎng)是極為有利的。林分類型也影響土壤中全N、全P及全K含量。由表2可以看出,杉木林下套種麻櫟土壤全N含量最高,比對(duì)照樣地增加74.1%,其次為蚊母、南天竺和欏木石楠,分別增加70.3%、70%、54.2%。各試驗(yàn)樣地的全P與全K含量相對(duì)于杉木純林變化不一,紅葉石楠、撒金珊瑚、茶花林下土壤中全P與全K顯著低于杉木純林,而楊桐、毛紅椿樣地則比純林高。土壤中水解N、速效P、速效K能較好反映出近期內(nèi)土壤中大量元素的供應(yīng)狀況。杉木林下套種不同樹種土壤中水解N含量差別較大,其中茶花與毛紅椿樣地含量低于純林,其他樣地水解性氮含量為186.96~442.03mgkg-1,均比杉木純林(176.09mgkg-1)有所提高,且差異均達(dá)到顯著水平(表2)。構(gòu)建復(fù)層林后各樣地土壤有效P含量比純林有不同程度的提高,其中杉木林下套種麻櫟有效P含量為13.1mgkg-1,約為杉木純林的20倍。在杉木林下種植毛紅椿、十大功勞、南天竹、麻櫟、紅豆杉均顯著改善了土壤中有效K狀況,分別比對(duì)照提高了118.4%、90.7%、55.0%、31.1%、24.7%,其他樹種除楊桐外也有不同程度的提高,但并未達(dá)到顯著水平?？傮w來看,當(dāng)前各樣地土壤中有機(jī)質(zhì)和N素供應(yīng)充足,適于各林分的生長(zhǎng)。而速效P除麻櫟樣地外均處于嚴(yán)重缺乏狀態(tài),可能在一定程度上制約植物生長(zhǎng)。浙江省重點(diǎn)公益林地土壤質(zhì)地調(diào)查顯示有機(jī)質(zhì)與全K含量豐富,普遍處于中等及以上水平,全P與速P均處于極端缺乏狀態(tài),這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。為了定量表示不同植被類型土壤養(yǎng)分水平,本試驗(yàn)對(duì)選取的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行多因素主成分分析,利用SPSS軟件輸出的相關(guān)系數(shù)矩陣表明有機(jī)質(zhì)與全N、速K之間都存在著顯著的線性關(guān)系,可見許多變量之間的相關(guān)性比較強(qiáng),證明他們之間存在著信息上的重疊。方差分解主成分提取分析表顯示前3個(gè)主成分集中了原始變量超過85%的信息,因而可以提取這3個(gè)主成分進(jìn)行分析。表2中顯示的各主成分對(duì)每個(gè)原始變量的貢獻(xiàn)率,從中可以看出有機(jī)質(zhì)、全氮和速磷指標(biāo)對(duì)第一主成分都有較高的載荷,說明第一主成分較好的反映了這些信息;全磷和速鉀在第二個(gè)主成分中有較高的載荷,因而第二個(gè)主成分可以反映這些指標(biāo)的基本信息;有機(jī)質(zhì)、全氮和速鉀在第三主成分中也有較高的載荷;三個(gè)主成分可以近似反應(yīng)全部指標(biāo)的信息,因此可以一次提取3個(gè)主成分來進(jìn)行分析。運(yùn)用主成分分析所得到的主成分得分系數(shù)矩陣(未列出)的數(shù)據(jù),可得:F1i、F2i、F3i分別代表不同林型在第一、第二、第三主成分上的得分,式中i代表不同的林型,X是標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo),其中X1~X7依次為有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、速磷、速鉀。其中以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算主成分綜合模型:可算出各樣地的綜合得分如表3所示。綜合得分排名的結(jié)果顯示城關(guān)林場(chǎng)杉木林下種植的12種植物在種植初期對(duì)土壤養(yǎng)分改良效果較好的為麻櫟、毛紅椿、南天竺、十大功勞、紅豆杉、欏木石楠和蚊母,其中麻櫟和毛紅椿改良效果最佳。而茶花、撒金珊瑚、紅葉石楠、楊桐和紅茴香在種植初期對(duì)土壤養(yǎng)分的改良效果不明顯。4對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì),直接影響著土壤蓄水和透氣性,并影響其他土壤肥力因素。本試驗(yàn)結(jié)果表明,杉木林下套種不同樹種對(duì)林地土壤物理性質(zhì)均有一定程度的改良作用。其中茶花與麻櫟改良效果最為顯著,其原因可能與這兩個(gè)樹種根系較為發(fā)達(dá)有關(guān)?；旖涣值刂兄参锔捣植贾苯佑绊懲寥牢锢硇再|(zhì),對(duì)于單個(gè)樹種來說,由于樹種間根系的競(jìng)爭(zhēng),其純林根幅略大于混交林,但混交林主要垂直根的分布深度大于純林,這種分布達(dá)到了充分利用地力的效果,緩和了種間矛盾。另外林分凋落物、根系伸展、林冠擴(kuò)張和氣候條件都會(huì)影響土壤物理性質(zhì)。熊皓波研究表明杉木林下套種觀光木,火力楠和楓香使得土壤容重降低,而土壤最大持水量、非毛管孔隙度、毛管持水量和最小持水量均增加。薛立等的研究也證實(shí),華南典型人工混交林能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)組成,強(qiáng)化土壤涵養(yǎng)水源的功能。有機(jī)質(zhì)是構(gòu)成土壤肥力的核心物質(zhì),不僅為植物生長(zhǎng)提供豐富碳源,而且極大改善了根區(qū)化學(xué)環(huán)境,對(duì)根區(qū)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生重大影響。本試驗(yàn)的結(jié)果表明,異齡混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于杉木純林,這與已有的研究結(jié)果相一致。不同套種樹種林地土壤中全氮、全磷、全鉀含量各異,其中全氮表現(xiàn)為混交林明顯高于純林。目前的研究關(guān)于混交林地中全磷和全鉀含量變化不同的原因尚沒有定論。除了土壤中磷和鉀主要來源于母巖的原因外,磷、鉀含量也和每種植物基因型間的差異及不同類型人工林對(duì)養(yǎng)分的選擇吸收有關(guān)。異齡混交林地土壤水解N、速效P和速效K含量比純林高。這說明混交能顯著提高土壤養(yǎng)分特別是速效養(yǎng)分含量,從而及時(shí)供應(yīng)林木所需的養(yǎng)分。速效養(yǎng)分的增加還可能與植物根系分泌的含氮有機(jī)物質(zhì)、含磷和鉀化合物有關(guān),加上根區(qū)微生物活動(dòng)旺盛,有機(jī)質(zhì)易于活化,從而使得元素在根區(qū)富集。李國(guó)平和薛立對(duì)闊葉幼林取代杉木林后的土壤肥力進(jìn)行研究表明混交幼林地的速效養(yǎng)分含量比杉木幼林有明顯提高。王忠利對(duì)紅松闊葉混交林的研究也證明混交可以提高林地土壤中的速效養(yǎng)分的含量。本試驗(yàn)僅是杉木純林下套種不同樹種對(duì)土壤改良的初步研究,這些樹種混交對(duì)土壤理化性狀的長(zhǎng)期影響及