文昌市低效木麻黃林近自然化改造對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

林之盼，薛楊，王小燕，宿少鋒，林日武

（海南省林業(yè)科學(xué)研究所，海南?？?571100）

木麻黃(Casuarina equisetifolia) 是文昌市沿海防護(hù)林主要樹(shù)種，自20 世紀(jì)50 年代該樹(shù)種引入該市沿海地區(qū)以來(lái), 在防風(fēng)固沙和改善海岸帶生態(tài)環(huán)境方面具有突出的作用[1]，近年來(lái)，由于長(zhǎng)期的純林經(jīng)營(yíng)，存在著生產(chǎn)力低下、病蟲(chóng)害嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問(wèn)題，出現(xiàn)低效木麻黃林分。其中地力衰退是普遍存在的問(wèn)題，特別是樹(shù)種連栽后，會(huì)引起讓土壤生物和理化性質(zhì)的發(fā)展不平衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致森林土壤退化[2]。如何采取有效措施，保持良好的生態(tài)環(huán)境和較高的土壤肥力，是林業(yè)生產(chǎn)亟待解決的重要問(wèn)題。

近自然森林經(jīng)營(yíng)是以鄉(xiāng)土樹(shù)種為主，不同樹(shù)齡、多個(gè)層次、多個(gè)樹(shù)種、多樣品種組成的近自然化多功能森林為目標(biāo)[3]，通過(guò)結(jié)合人工經(jīng)營(yíng)處理措施與自然結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的積極作用，實(shí)現(xiàn)具有生物多樣性、穩(wěn)定性、多功能性的綜合高效近自然森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)模式[4]，在中歐國(guó)家有著百年成功經(jīng)驗(yàn)的經(jīng)營(yíng)模式。寧金魁等[5]介紹北京51 年生的油松人工林出現(xiàn)了物種多樣性降低、生長(zhǎng)量降低、肥力下降等問(wèn)題，在近自然森林經(jīng)營(yíng)理念和技術(shù)指導(dǎo)下，進(jìn)行人工更新種植大葉白蠟、栓皮棟、構(gòu)樹(shù)及欒樹(shù)等天然鄉(xiāng)土樹(shù)種的近自然改造措施，結(jié)果表明相比于人工純林，改造過(guò)的油松生長(zhǎng)量提高，能有效改良土壤，提高肥力，增加多樣性。

根據(jù)前人研究成功經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目組前期開(kāi)展文昌市低效木麻黃林近自然化多樹(shù)種混交套種試驗(yàn)，取得了初步研究成果，在此基礎(chǔ)上研究木麻黃近自然化改造初期對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，分析各模式土壤理化性質(zhì)動(dòng)態(tài)及模式間差異變化，為低效林近自然改造提供土壤方面的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于文昌市島東林場(chǎng)東風(fēng)作業(yè)區(qū)，地處110°36′～110°01′E，19°40′～20°06′N，屬于沿海平原地帶，土壤類型為濱海沉積物沙壤土。熱帶海洋性季風(fēng)氣候，日照充足，氣候溫和，太陽(yáng)總輻射強(qiáng)，年均氣溫22.5～23.8℃，年均降雨量1808mm，相對(duì)濕度70%。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

島東林場(chǎng)東風(fēng)作業(yè)區(qū)低效木麻黃純林于2017年3 月開(kāi)展套種多樹(shù)種的近自然化改造試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3 種多樹(shù)種混交套種模式：①木麻黃+非洲楝+花梨+檀香紫檀（T1）；②木麻黃+大葉相思+黃槿+瓊崖海棠+伊朗紫硬膠(T2)；③木麻黃+麻楝+母生+山竹(T3)。該試驗(yàn)以3 種木麻黃混交模式林地為研究對(duì)象，并設(shè)置原低效木麻黃純林地為對(duì)照模式（CK），采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在每一個(gè)模式中建立20m×30m 標(biāo)準(zhǔn)地，每種模式3 次重復(fù)。

1.2 土壤采樣及測(cè)定方法

分別在2017 年11 月和2018 年8 月進(jìn)行不同模式林地土壤取樣。在每個(gè)樣地內(nèi)，在樣地對(duì)角線上選擇3 個(gè)具有代表性的土壤剖面，按0～20cm 和20～40cm 兩個(gè)土層取環(huán)刀樣品3 個(gè)，用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)。同時(shí)采集各層土壤裝進(jìn)自封袋中,帶回室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定。

土壤理化性質(zhì)采用《中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[6]中的方法。用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、孔隙度。

土壤養(yǎng)分指標(biāo)按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》執(zhí)行，其中土壤pH 采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用絡(luò)酸氧還滴定法測(cè)定；土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定；土壤全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀采用堿溶-火焰光度法測(cè)定；土壤有效磷采用Bray I 提取—鉬銻抗吸光光度法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及制圖,采用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式初期對(duì)土壤物理性質(zhì)變化的影響

根系可以改善土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和通透性等物理形狀，有助于土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[7]。從表1 可以看出，0～20cm 土層，各套種模式的土壤容重均隨時(shí)間推移呈減小趨勢(shì)，且在不同時(shí)期各模式間土壤容重大小均表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T2，其中第二年T2 模式變化明顯，比對(duì)照模式CK 降低了0.14g/cm3。各套種模式的最大持水率、毛管持水率、非毛管孔隙度、土壤總孔隙度均隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，且在第二年均高于對(duì)照模式，表現(xiàn)為T(mén)2＞T3＞T1＞CK，其中模式T2 的最大持水率、總孔隙度變化最為明顯，分別比對(duì)照模式CK 提高了8.08%，8.21%?？梢?jiàn)，短期內(nèi)套種模式能降低土壤表層容重，改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤持水能力。20～40cm 土層土壤物理性質(zhì)各指標(biāo)無(wú)明顯變化，說(shuō)明套種模式初期對(duì)該土層影響較弱。

表1 不同模式木麻黃林不同土層土壤物理性質(zhì)Table 1 The physical properties of soil in different soil layers in different model casuarina forests

2.2 不同模式初期對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)變化的影響

2.2.1 土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)含量的變化

土壤pH 值的變化直接影響著土壤中離子的狀態(tài)、交換、運(yùn)動(dòng)、遷移和轉(zhuǎn)化，且還能影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化、微生物活動(dòng)、養(yǎng)分元素有效性及土壤性狀，從而在土壤肥力形成和土壤質(zhì)量演變過(guò)程中起著重要作用[8]。從圖1 可知，不同模式pH 值在各土層隨著時(shí)間推移呈下降的趨勢(shì)。其中0～20cm，第一年表現(xiàn)為CK＞T2＞T1＞T3，第二年T2 模式下降較快，下降幅度為22.8%，表現(xiàn)為：CK＞T3＞T1＞T2；20～40cm，第一年表現(xiàn)為T(mén)2＞T1＞T3＞CK，T2 模式在第二年下降最快，下降幅度為8.3%，表現(xiàn)為T(mén)1＞CK＞T3＞T2。各模式土壤pH 值在6.99～9.17 之間，均屬于堿性土壤（pH＞5）。

圖1 不同模式土壤pH 含量Figure 1 pH content of soil in different models

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來(lái)源，是微生物生命活動(dòng)的重要能源，土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低是直接關(guān)系到植物生長(zhǎng)發(fā)育的土體環(huán)境好壞和生物量，是土壤肥力的一項(xiàng)重要的標(biāo)志[9]。從圖2 可知，各模式各土層土壤的有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，其中套種模式提高幅度56%～83%之間。0～20cm，第一年表現(xiàn)為T(mén)2＞T3＞CK＞T4，第二年表現(xiàn)為T(mén)2＞T1＞CK＞T3；20～40cm，第一年時(shí)對(duì)照模式土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于各套種模式，表現(xiàn)為：CK＞T3＞T1＞T2；但在第二年T3 土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅度提升，超過(guò)對(duì)照模式，表現(xiàn)為：T3＞CK＞T2＞T1。不同時(shí)期各套種模式與對(duì)照模式差異不明顯，可見(jiàn)各套種模式短期內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響較弱。

圖2 不同模式土壤有機(jī)質(zhì)含量Figure 2 Soil organic matter contents in different models

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分含量的變化

土壤全N、全P、全K 的含量是反映土壤長(zhǎng)期肥力水平的重要指標(biāo)[10]。從圖3 可知，0～20cm，T2、T3 模式土壤全N 含量隨著時(shí)間的推移有略微下降趨勢(shì)，T1、CK 模式呈上升趨勢(shì)，第一年表現(xiàn)為T(mén)2＞T3＞T1＞CK，第二年表現(xiàn)為T(mén)1＞CK＞T3＞T2；20～40cm，T1、T2、T3 套種模式含量隨著時(shí)間的推移呈上升趨勢(shì)，CK 對(duì)照模式呈下降趨勢(shì)，第一年表現(xiàn)為CK＞T1＞T3＞T2，第二年表現(xiàn)為T(mén)1＞T3＞T2＞CK；從圖4 可知，0～20cm，除T2 模式土壤全P 含量隨著時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)，其它模式都有上升趨勢(shì)，第一年和第二年均表現(xiàn)為T(mén)2 ＞CK ＞T1 ＞T3；20 ～40cm，T1、T2、T3 套種模式含量隨著時(shí)間的推移呈上升趨勢(shì)，CK 對(duì)照模式呈下降趨勢(shì)，第一年表現(xiàn)為CK＞T2＞T3＞T1，第二年為CK＞T3＞T2＞T1；從圖5可知，除T2 模式(0～20cm)土壤全K 含量隨著時(shí)間推移呈下降，各模式其余土層的土壤的全K 含量均比第一年有上升的趨勢(shì)。0～20cm，第一年表現(xiàn)為T(mén)2＞CK＞T1＞T3，第二年為CK＞T1＞T3＞T2；20～40cm，第一年表現(xiàn)為T(mén)2＞T1＞T3＞CK，第二年為CK＞T2＞T1＞T3。綜合以上對(duì)比分析，各套種模式土壤全量養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)不同，多數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且與對(duì)照模式土壤全量養(yǎng)分含量差異不大，說(shuō)明套種模式對(duì)土壤全量養(yǎng)分含量影響較弱。0～20cm，模式T2 土壤全量養(yǎng)分含量整體效果最好；20～40cm，土壤全量養(yǎng)分含量大小在不同模式表現(xiàn)不同。

圖3 不同模式土壤全氮含量Figure 3 Soil total nitrogen content in different models

圖4 不同模式土壤全磷含量Figure 4. Soil total phosphorus content in different models

圖5 不同模式土壤全鉀含量Figure 5 Total potassium content in different soil models

2.2.3 土壤速效養(yǎng)分含量

從圖6 可知，0～20cm，除T2 模式土壤有效磷含量隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，其它模式呈下降的趨勢(shì)，其中CK 對(duì)照模式下降較快，下降幅度為84.7%，第一年表現(xiàn)為：T2＞T1＞T3＞CK，第二年表現(xiàn)為：T2＞T3＞T1＞CK。20～40cm，T2、T3 模式有效磷含量隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，T1、CK 模式呈下降趨勢(shì)，其中CK模式下降明顯，下降幅度為98.28%，第一年表現(xiàn)為：CK＞T3＞T1＞T2，第二年表現(xiàn)為：T3＞T1＞T2＞CK。從圖7 可知，0～20cm，除T1 模式土壤速效鉀含量隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，其它模式呈下降趨勢(shì)，第一年表現(xiàn)為：T3＞T1＞CK＞T2，第二年表現(xiàn)為：T1＞T3＞CK＞T2；20～40cm，T1、T2 模式土壤速效鉀含量隨時(shí)間推移呈增加趨勢(shì)，T3、CK 模式呈下降趨勢(shì)，第一年表現(xiàn)為CK＞T3＞T1＞T2，第二年表現(xiàn)為T(mén)1＞CK＞T3＞T2；綜合以上對(duì)比分析，對(duì)照模式CK 在土壤速效養(yǎng)分含量第二年比第一年不同程度的降低，說(shuō)明對(duì)照模式CK 第二年對(duì)林木生長(zhǎng)消耗速效養(yǎng)分的能力強(qiáng)于第一年，而各套種模式中短期內(nèi)對(duì)林木生長(zhǎng)消耗的速效養(yǎng)分能力無(wú)明顯規(guī)律。

圖6 不同模式土壤有效磷含量Figure6 Soil available p content in different models

圖7 不同模式土壤速效磷含量Figure 7. Contents of available potassium in different soil types

2.2.4 土壤養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性分析

為研究pH、有機(jī)質(zhì)、全量以及速效養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)不同模式林下0～40cm 的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和速效鉀進(jìn)行了相關(guān)性分析。由表2 可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)與全鉀均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.531；而與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.545（P＜0.05）；土壤全磷與土壤全氮呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5（P＜0.05）；土壤全鉀與有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.623，土壤速效鉀與其它指標(biāo)均無(wú)顯著關(guān)系。

表2 不同模式林下土壤各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

3 結(jié)果與討論

（1）土壤物理性質(zhì)結(jié)果表明，0～20cm，各套種模式均比對(duì)照模式土壤容重降低，土壤持水量上升，土壤保水能力增強(qiáng)，孔隙度增多，土壤滲透性和透氣性得到改善；20～40cm，各模式土壤物理性質(zhì)各指標(biāo)無(wú)明顯差異變化，說(shuō)明在短期內(nèi)套種對(duì)土壤（0～20cm）物理性質(zhì)影響效果較好。主要因?yàn)槎唐趦?nèi)套種樹(shù)種根系主要集中在0～20cm 土層中，根系的穿插作用下,使表層土壤變得疏松多孔,土壤的結(jié)構(gòu)性得到改善，改造后的土壤更有利于植被生長(zhǎng)，進(jìn)而提高林地的涵養(yǎng)水源功能。因此近自然改造改變了植物群落結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步影響森林土壤的物理性質(zhì)。尤其模式T2 土壤物理性質(zhì)表現(xiàn)最好。

（2）土壤化學(xué)性質(zhì)結(jié)果表明，各套種模式土壤pH 值呈堿性，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全量養(yǎng)分含量在短期不同土層變化趨勢(shì)不同，多數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，與對(duì)照模式差異不明顯以及對(duì)林木生長(zhǎng)土壤速效養(yǎng)分能力在不同土層均比對(duì)照模式差，說(shuō)明短期內(nèi)套種對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響較弱。這可能套種模式樹(shù)種還處在幼林時(shí)期，根系活動(dòng)能力不強(qiáng)，產(chǎn)生分泌物不多，以及凋落物也相對(duì)較少，分解時(shí)間長(zhǎng)，其養(yǎng)分歸還速率慢和歸還量也較少，土壤養(yǎng)分短期內(nèi)顯示不出來(lái)。參照全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)［11］，改造后林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、有效磷含量、速效鉀含量還處在較低和極低水平，制約了林木的生長(zhǎng)，應(yīng)在后期的森林撫育加強(qiáng)施肥管理提高土壤養(yǎng)分水平。

（3）綜合上述可知，木麻黃低效林近自然化植被恢復(fù)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，套種模式對(duì)土壤物理和化學(xué)性質(zhì)基本上是向良性方向發(fā)展, 且在測(cè)定時(shí)期各套種模式對(duì)土壤(0～20cm)土壤物理性質(zhì)影響較大，而對(duì)化學(xué)性質(zhì)影響較弱。這研究結(jié)果與顏耀[12]對(duì)土壤侵蝕區(qū)馬尾松林下套種闊葉樹(shù)種對(duì)土壤土壤理化性質(zhì)的影響類似。這可能是套種時(shí)間較短，林地植被尚未恢復(fù)到常態(tài)，對(duì)土壤改良效果則需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能體現(xiàn)。因此建議繼續(xù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的跟蹤調(diào)查，間隔兩年調(diào)查一次，會(huì)更加有效地為文昌市低效木麻黃經(jīng)營(yíng)措施的選擇與研究提供參考。