湖南不同混交模式林分土壤化学性质的差异

刘振华，李 贵，陈 瑞，吴 敏，童 琪，童方平

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

土壤是陆地表面能够生长植物的疏松表层，作为陆地生态系统的重要组分之一，在其物质循环方面起重要的作用[1]。由于纯林的栽植、经营和采伐成本较低[2]，加之目前混交林中一些阔叶树种尚未得到有效的开发，导致混交林的营建难以推广。实践证明，长期营建纯林会引起林地地力的衰退等一系列问题[3]。赵忠等[4]认为油松Pinus tabuliformis、 侧 柏Platycladus orientalis混交林不同混交模式对林木的生长及养分、地力改善状况存在差异。郭琦等[5]对不同混交模式杉木Cunninghamia lanceolata人工林林下土壤物理性质进行了研究，结果表明混交林土壤物理性质优于纯林。林瑞余等[6]对27年生杉木、观光木Tsoongiodendron odorum混交林及杉木同龄纯林进行研究，结果表明混交林具有较强的培肥土壤的功能。代凤贵[7]对不同混交比例的巨尾桉Eucalyptus grandis×E.urophylla、杉木混交林研究表明混交林能够提高土壤养分归还量和循环速率。还有大量的研究报道表明，混交林相对于纯林，具有改良土壤、提高养分利用及循环速度的优势[8-10]。

虽然目前已有一些对混交林模式的研究与评价，但是目前已经确认的成功的混交林模式还不多，本研究旨在通过对不同地貌的不同混交林模式的土壤化学性质进行分析，筛选出林分生产力高、地力维护较好的混交林模式，为我国营林提供更多的成熟造林模式。

1 试验地概况

试验地Ⅰ位于湖南省安化县马路口镇谢家溪村 林 场（ 28°25´29.21″N，110°59´32.15″E）， 属于亚热带季风气候区，年平均气温16.2 ℃，无霜期275 d，日照1 335.8 h，年降水量为1 500～1 700 mm。海拔在150～270 m之间，为低山丘陵区，砂岩发育的红壤，土层厚度为75 cm。乔木主要为杉木、红榉Zelkova serrata、闽楠Phoebe bournei、 南 酸 枣Choerospondias axillaris， 均为人工种植，林下植被以铁芒萁Dicranopteris dichotoma为主。

试验地Ⅱ位于湖南省新宁县国有东岭林场（26°15´22″N，110°45′00″E），属于亚热带季风性湿润气候区，年平均气温15.6 ℃，无霜期262 d，日照1 465.6 h，年降水量在1 350～1 650 mm之间。海拔在500～800 m之间，为山地中下部，花岗岩发育的红壤，土层厚度为80 cm。乔木主要为杉木和马褂木Liriodendron chinense，均为人工种植，林下植被以铁芒萁为主。

试验地Ⅲ位于湖南省永州市国有金洞林场（26°13′28″N，111°15′38″E），属亚热带季风湿润气候区，年平均气温为16.3～17.7 ℃，无霜期265 d，日照1 452.2 h，年均降水量为1 600～1 900 mm，海拔在400～600 m之间，为山地下部，板页岩发育的红壤，土层厚度90 cm。乔木主要为杉木、闽楠、木荷Schima superba，均为人工种植，林下植被以铁芒萁和冬茅为主。

2 研究方法

2.1 样地设置

3个试验地均选择了空间上地域相邻、树龄相近、环境条件（母岩、土壤）基本一致的混交模式进行研究。安化县马路口镇谢家溪村林场选择5种混交模式（①M1，7杉木2红榉闽楠；②M2，3杉木2马尾松Pinus massoniana3闽楠2红榉；③M3，6杉木2红榉2南酸枣；④纯红榉林（CK1）；⑤纯杉木林（CK2）。株间混交，造林时间为2003年春，株行距为2 m×2.5 m；新宁县东岭林场2种混交模式（①M4，8杉木2马褂木；②纯杉木林（CK）。株间混交，造林时间为2003年春，株行距为2 m×2.5 m）；永州市国有金洞林场选择2种混交模式（①M5，6.5杉木2.5闽楠1木荷；②纯杉木林（CK）。株间混交，造林时间为2001年春，株行距为2 m×3 m）。在每种混交模式森林内分别建立了面积均为20 m×20 m的固定样地，3次重复。

2.2 样品采集

于2015年12月到2016年3月期间在不同造林模式类型的林分内分别按照上坡、中坡和下坡3个不同坡位进行采样，每个坡位采集3个平行样，每个采集地去除枯枝落叶层，分别按0～20、20～40、40～60 cm 3个不同土层深度采集土壤样品。样品带回实验室风干，按照不同测定项目的要求分别通过不同孔径的土壤筛，去掉其中的石块及植物根系，尽量磨碎土壤颗粒，混合均匀，按照圆锥四分法进行分样。将样品分别装入玻璃制的广口瓶里，置于4 ℃冰箱保存待测。

2.3 土壤化学性质的测定

用半微量凯氏法测定全氮；用碱解扩散法测定水解性氮；全磷和全钾采用硝化法测定；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色；速效钾采用醋酸铵-火焰光度计法；有机质采用重铬酸钾容量法—稀释热法测定。

2.4 数据处理与分析

采用Excel、 SPSS、DPS等软件进行各类数据处理。

3 结果与分析

3.1 不同混交模式土壤的化学性质

根据安化县5种不同的混交模式林分土壤化学性质结果进行方差分析，分析结果见表1。

从表1可知，在0～20 cm土层，不同的混交模式之间土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量之间均存在极显著差异；在20～40 cm土层，除土壤全氮含量没有显著差异外，全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量之间存在极显著差异；在40～60 cm土层，除土壤全氮含量各混交模式之间存在显著差异外，全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量之间存在极显著差异。这表明在丘陵区的安化县不同混交模式之间林分的土壤化学性质除个别指标外其余的均有显著差异。

表1 安化县不同混交模式林分土壤化学性质方差分析†Table1 Variance analysis of soil chemical properties of difference mixed forest in Anhua county

由于试验地Ⅱ和试验地Ⅲ都只有2个模式，所以对其进行两独立样本T检验，检验结果见表2。

表2 东岭林场和金洞林场不同混交模式土壤化学性质T检验†Table2 The T-test of soil chemical properties of difference mixed forest in Dongling forest farm and Jingdong forest farm

根据表2的分析结果，在新宁东岭林场试验林0～20 cm土层中，林分土壤的全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和有机质在不同的林分类型中差异显著，速效钾在不同混交模式中无显著差异；在20～40 cm土层中，林分土壤的全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和有机质在不同的混交模式中差异显著，仅速效钾无显著差异；在40～60 cm土层中，不同混交模式之间的差异性与20～40 cm土层规律相同，也只有速效钾无显著差异。分析结果（见表2）表明：在新宁东岭林场试验地，不同混交模式之间、林分不同土层的土壤化学性质之间绝大部分指标都存在显著差异。

在试验Ⅲ金洞林场试验林0～20 cm土层中，土壤全氮、水解氮、有效磷、有机质在不同的混交模式中有显著差异，土壤全磷、全钾、速效钾在不同的模式中差异不显著；在20～40 cm土层中，林分土壤的水解氮、速效钾和有效磷在不同的混交模式中有显著差异，土壤全氮、全磷、全钾和有机质在不同的模式中差异不显著；在不同混交模式之间的差异性与20～40 cm土层规律相同，林分土壤的水解氮、速效钾和有效磷在不同的混交模式中有显著差异，土壤全氮、全磷、全钾和有机质在不同的模式中差异不显著。在金洞林场试验地，不同混交模式中土壤养分呈现的规律与新宁地稍有差异，在金洞林场试验林土壤养分主要在有效养分指标（水解氮、速效钾和有效磷）之间存在显著差异，而其他土壤养分指标之间无显著差异。

3.2 不同模式土壤的养分含量

根据表3结果可知，安化县所有的模式中都表现出土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质等指标存在以下规律：上层（0～20 cm）＞中层（20～40 cm）＞下层（40～60 cm）；土壤pH值除M3模型外，不同土壤层pH值基本一致，也基本上存在上层（0～20 cm）＞中层（20～40 cm）＞下层（40～60 cm）的规律。这表明上层土壤由于林木的枯落物的腐烂分解增加了表层土壤肥力，土层越深受枯落物影响越小。按照林分0～60 cm土层整体肥力情况分析，混交林类型之间表现出如下规律：土壤全氮含量，M3＞M2＞M1＞榉木纯林＞杉木纯林，其中M3、M2、M1分别高出榉木纯林10.3%、6.5%、5.6%，高出杉木纯林11.3%、7.5%、6.6%；土壤全磷含量，M2＞M3＞M1＞榉木纯林＞杉木纯林，其中M2、M3、M1分别高出榉木纯林90.9%、36.3%、22.7%，高出杉木纯林110%、50%、35%；土壤全钾含量，M2＞M1＞M3＞榉木纯林＞杉木纯林，其中M2、M1、M3分别高出榉木纯林67.9%、23.2%、18.0%，高出杉木纯林84.1%、35.0%、29.4%；土壤水解氮含量，M2＞M1＞M3＞榉木纯林＞杉木纯林，其中M2、M1、M3分别高出榉木纯林28.4%、16.5%、11.2%，高出杉木纯林96.5%、78.2%、70.2%；土壤速效钾含量，M3＞M2＞榉木纯林＞ M1＞杉木纯林，其中M3、M2分别高出榉木纯林45.5%、24.0%，高出杉木纯林99.1%、69.7%，M1高出杉木纯林17.7%；土壤有效磷含量，M1＞M2＞M3＞杉木纯林＞榉木纯林，其中M1、M2、M3分别高出榉木纯林211.9%、210.9%、98.2%，高出杉木纯林84.3%、83.8%、17.1%；土壤有机质含量，M2＞M1＞M3＞杉木纯林＞榉木纯林，其中M2、M1、M3分别高出榉木纯林123.1%、110.3%、98.1%，高出杉木纯林35.0%、27.2%、19.8%。

表3 安化县不同混交模式土壤的化学性质Table3 Soil chemical properties of difference mixed forest in Anhua county

所有混交模式中，除土壤速效钾含量中榉木纯林＞ M1外，其余所有土壤养分指标均为混交林大于杉木纯林和榉木纯林。

从表4可知，新宁县东岭林场杉木与马褂木混交林土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质等指标均表现为混交林高于纯林，在不同土壤层中也与安化呈现的规律一样：上层（0～20 cm）＞中层（20～40 cm）＞下层（40～60 cm）。混交林土壤中全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量比杉木纯林分别高45.9%、31.8%、27.0%、38.7%、2.8%、75.5% 和74.2%。

表4 东岭林场、金洞林场不同混交模式土壤的化学性质Table4 Soil chemical properties of difference mixed forest in Dongling forest farm and Jingdong forest farm

从表4可知，金洞林场杉木、闽楠与木荷混交林土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质等指标均显现出混交林高于纯林，在不同土壤层中也与安化、新宁东岭林场呈现的规律一样：上层（0～20 cm）＞中层（20～40 cm）＞下层（40～60 cm）。混交林土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量比杉木纯林分别高13.2%、19.0%、14.3%、59.2%、24.8%、74.5%和18.9%。

在丘陵地混交树种林分中土壤全磷含量、全钾含量、水解性氮含量和有机质含量最高的模式为M2；林分土壤全氮含量、速效钾含量最高的模式为M3。

在丘陵地通过营造3杉木2马尾松3闽楠2红榉混交林，相对于杉木纯林，混交林林分土壤全磷含量提高了110%，全钾含量提高了 84.1%，水解性氮含量提高了96.5%，有机质含量提高了35%；通过营造6杉木2红榉2南酸枣混交林，相对于杉木纯林，混交林林分土壤全氮、速效钾含量分别提高了10.3%、99.1%。

在山地通过营造8杉木2马褂木混交林，与杉木纯林比较，混交林土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质含量分别高45.9%、31.8%、27.0%、38.7%、2.8%、75.5% 和74.2%。

3.3 不同混交模式土壤pH值的差异

由图1可知，3个试验地中单个试验地不同混交模式林地土壤pH值差别不大，但在不同试验地之间，林地土壤pH值差别较大，安化点的pH值高于新宁东岭林场点，其中金洞林场林分土壤的pH值最低，3个试验地均成酸性。安化试验地混交林分土壤pH值均高于杉木纯林，但是M2（杉木+马尾松+闽楠+红榉）和M3（杉木+红榉+南酸枣）的pH值低于榉木纯林；新宁东岭林场和金洞林场两试验地均是混交林林分土壤pH值高于杉木纯林，这说明阔叶树混交后能在一定程度上降低土壤的酸性，而土壤酸性的增加意味着土壤肥力得到提高，这有利于森林更新。

图1 不同混交模式土壤pH值Fig.1 The pH of soil in difference mixed forests

3.4 林分土壤养分与生长量之间的相关性

植物利用土壤中的速效养分进行生长，速效养分的含量直接影响植物的生长，而有机质则是养分的主要来源。从表5可知，安化试验地林分的水解氮、速效钾、有效磷和有机质均与林分的年均生物量和林分蓄积呈正相关，其中水解氮和有机质含量与林分的年均生物量呈显著正相关。

表5 安化县试验地林分土壤化学性质与生长量之间的相关性分析†Table5 The correlation analysis between soil chemical properties and growth in Anhua test-forest

4 讨论与结论

不同针叶树与珍贵阔叶树混交造林，对混交林分土壤养分的含量有显著影响。在丘陵区，安化县不同混交模式之间林分的土壤化学性质除土壤全氮含量外，其余的土壤化学性质均有显著差异。在山区，新宁东岭林场试验地不同混交模式之间，林分不同土层的土壤化学性质除速效钾含量外，其余的土壤化学性质均有显著差异。在金洞林场混交林分土壤水解氮、速效钾和有效磷之间也存在显著差异。

所有混交模式中，混交林林分土壤全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、有效磷和有机质等指标均显现出混交林高于纯林，在不同土壤层中呈现的规律为：上层（0～20 cm）＞中层（20～40 cm）＞下层（(40～60 cm）。王家彬等[11]对不同林分类型的不同土层养分进行了分析，研究表明表土层的养分明显高于下层土壤，并且随着土层厚度的增加不断递减，最后趋于稳定，这与曹裕等[12]的研究结果一致。

通过林分对土壤的改善情况来看，本研究结果表明在丘陵地3杉木2马尾松3闽楠2红榉混交为较好的混交模式；在山地8杉木2马褂木混交为较好的混交模式。郭东强等[13]对马尾松纯林、桉树纯林和3 种不同模式混交林土壤养分进行了综合评价，结果为桉树纯林＞混交林A＞混交林C＞混交林B＞马尾松纯林，马尾松纯林土壤养分在5种模式中最低，这与本研究结果一致。这与马尾松和杉木等一般针叶树含单宁物质较多、并且凋落物紧密、造成分解较慢等原因有关[14]。而桉树纯林土壤养分高于混交林[13]，这与本研究结果不一致，原因可能是桉树生长旺盛，枝叶较多，造成的凋落物多，并且桉树叶容易被分解，而本研究中的榉木等阔叶树生长较慢，产生的凋落物较少，造成土壤肥力的恢复较慢。本研究混交林中其他的树种如马褂木、闽楠等树种的引入增加了林地的凋落物，因为不同的树种混交使林分形成了不同的林层，加速了树木的自然整枝作用，这可能在一定程度上加速了林地肥力的恢复。诸多研究表明林地的土壤养分特征与树种的生长特性和凋落物养分归还能力有关[15-17]。

土壤中的养分元素被植物根系所吸收，通过以凋落物等形式归还至地表，然后通过微生物等分解作用释放至土壤，从而实现其在系统内的循环[18]。由于在山地地貌中，目前能够选择的中龄、近熟林和成熟林的混交模式少，选择的范围较少，近年来营造了大量针阔、阔阔混交林，由于这些混交林目前还处于幼林期，林分的功能尚未完全发挥，因此在今后的混交林林分土壤地力评价中还需要投入大量的研究并做长期的定位观测。通过营造针叶和珍贵阔叶树种混交林，林分的土壤化学性质得到改善，土壤肥力得到提高，这有利于提高林分的生长量和减少水土流失。湖南省乃至我国南方地区长期以来营造人工纯林，每年均有大量的采伐迹地和需改造的人工纯林，如何选择造林树种，采取怎样的混交模式既可以获得较高的生产力，又能实现林地的可持续经营，发挥森林的多功能效应，将是我国林业资源培育面临的一个重要问题，营造混交林将是解决这个问题的重要途径之一，因此针对不同地貌开展不同的混交林模式研究将会是今后林业研究的重点和热点。