刺槐油松混交比對(duì)土壤質(zhì)量的影響

薛玲玉， 李清殿， 李金花， 肖 茂， 史 戈， 王延平， 李傳榮?， 申衛(wèi)星， 郭慧玲， 張義坤

(1.山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家級(jí)定位研究站/黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，271018，山東泰安；2.鄒城市林業(yè)局，273500，山東濟(jì)寧；3.泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，271000，山東泰安)

刺槐(Robiniapseudoacacia)具有成活率高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為一種優(yōu)良的用材和荒山綠化樹(shù)種，已在我國(guó)30多個(gè)省市自治區(qū)廣泛栽培，在植被恢復(fù)[1]方面發(fā)揮重要的作用。同時(shí)，刺槐具有較強(qiáng)的蓄水能力[2]，在治理水土流失[3]、提高土壤抗侵蝕能力[4]和鹽堿地恢復(fù)[5]中發(fā)揮了積極作用。但是，刺槐林在生態(tài)功能方面仍存在一些問(wèn)題，如刺槐根系分布廣、耗水量大[6]、林冠截留水量較大[7]，易導(dǎo)致林地深層土壤形成“干化層”[8]。刺槐的根蘗繁殖力強(qiáng)，死亡或者采伐后形成的萌蘗林通常表現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩、干形不良，難以成林、成材[9]，并且嚴(yán)重抑制鄉(xiāng)土樹(shù)種的更新[10]，導(dǎo)致生物多樣降低[11]。為了既發(fā)揮刺槐培肥地力的作用，又不致過(guò)度排擠與之混交的樹(shù)種，探討合理的刺槐混交比例具有重要的實(shí)踐意義。

刺槐于1920年前后引種于泰安，大面積造林集中于1956—1958年。目前，刺槐逐漸成為泰山風(fēng)景名勝區(qū)(以下簡(jiǎn)稱泰山景區(qū))海拔1 000 m以下森林植被的主要組成樹(shù)種，現(xiàn)有的刺槐林大部分為萌蘗更新形成的二代林、三代林。油松(Pinustabulaeformis)大多分布在泰山景區(qū)的中、高海拔地區(qū)，多系20世紀(jì)50年代造林。相對(duì)于刺槐，油松的生長(zhǎng)速度較慢，刺槐與油松混交林中，刺槐快速生長(zhǎng)加劇了對(duì)光照等資源的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致油松的長(zhǎng)勢(shì)較弱，刺槐油松混交林有逐漸演替為刺槐純林的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象造成林冠層次單一，不利于生物多樣性保護(hù)，也改變了降水的再分配，不利于水土保持與涵養(yǎng)水源，因此需要對(duì)刺槐油松的比例加以調(diào)控。按照現(xiàn)代森林經(jīng)營(yíng)理念，泰山景區(qū)的刺槐林開(kāi)展大規(guī)模皆伐改造是行不通的。如何調(diào)控刺槐混交林中刺槐的比例，達(dá)到既能維持土壤肥力，又能改善風(fēng)景林的景觀質(zhì)量尚需進(jìn)一步研究。筆者以刺槐油松混交林為研究對(duì)象，探討不同混交比例對(duì)土壤質(zhì)量的影響，以期為泰山景區(qū)刺槐油松混交林的管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)設(shè)在泰山景區(qū)內(nèi)，地理坐標(biāo)E 116°50′～117°24′，N 36°05′～36°30′。泰山主峰海拔1 532.7 m，與其山前平原相對(duì)高差超過(guò)1 300 m，泰山景區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，山下和山頂?shù)?月平均氣溫分別為-3 ℃和-9 ℃，7月平均氣溫分別為26 ℃和18 ℃；年均降水量山頂為1 132 mm，山下只有722.6 mm，平均無(wú)霜期186～196 d。泰山母巖以花崗巖、片麻巖及過(guò)渡性巖石為主，土壤以粗骨棕壤、普通棕壤為主。目前植被覆蓋率達(dá)91.5%，森林覆蓋率達(dá)81.5%。

泰山景區(qū)大規(guī)模造林時(shí)期集中于1955—1965年。刺槐為主要造林樹(shù)種之一，目前廣泛分布于海拔1 000 m以下的河谷、山坡，林下灌木層發(fā)育不良。本研究選擇桃花源景區(qū)刺槐油松混交林為研究對(duì)象，該林分于1963年植苗造林，樹(shù)種組成為9刺槐1油松。由于油松長(zhǎng)勢(shì)逐漸衰弱，1994年末皆伐刺槐發(fā)展為萌蘗林，形成了不同樹(shù)種組成的刺槐油松混交林。目前，林下灌木主要為黃荊(Vitexnegundo)、扁擔(dān)木(Grewiabiloba)。

2 研究方法

2.1 調(diào)查與采樣

本研究選擇桃花源景區(qū)海拔580～700 m、東南坡向的地段，按刺槐的混交比例，選擇10刺槐(刺槐純林，Ⅰ)、7刺槐3油松(Ⅱ)、4刺槐6油松(Ⅲ)、10油松(油松純林，Ⅳ)4種類型，分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的典型樣地。4種類型呈連續(xù)斑塊狀分布，生境特征較為一致(表1)。

由于土層較薄，每個(gè)樣地采用五點(diǎn)法取0～10 cm土壤混合樣品1 kg，5個(gè)重復(fù)。每個(gè)土壤樣品分為2部分：一部分放4 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物分析和土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮測(cè)定；另一部分風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，用于土壤酶活性分析和土壤其它化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。

表1 樣地概況Tab.1 General situation of the sample plots

2.2 測(cè)試方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤酶活性指標(biāo)參考[14-15]的方法，計(jì)算每個(gè)土樣所有酶活性的幾何平均數(shù)(GMea)作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的酶活性指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，該值越高，土壤質(zhì)量就越好。計(jì)算方法如下：

GMea=(脲酶×蔗糖酶×過(guò)氧化氫酶×酸性磷酸酶)1/4

參考Lu等[16]的研究方法，從pH、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效氮、有效磷、細(xì)菌、真菌、固氮菌、放線菌、過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶這14個(gè)候選指標(biāo)中篩選出pH、硝態(tài)氮、酸性磷酸酶、真菌組成最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)，應(yīng)用數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分配分?jǐn)?shù)(principal component analysis，PCA)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合計(jì)算出土壤質(zhì)量指數(shù)(Soil Quantity Index, SQI)。土壤質(zhì)量方程如下：

式中：SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)；Si為分配給每個(gè)指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，所選參數(shù)的數(shù)據(jù)按線性評(píng)分技術(shù)進(jìn)行排序，分?jǐn)?shù)從0到1不等，按“越多越好”的方法分配給MDS中的指標(biāo)；n為MDS中包含的指標(biāo)數(shù)。土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)越大，說(shuō)明土壤肥力質(zhì)量水平越高。

采用Excel 2007和SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one way ANOVA)，使用Duncan法對(duì)不同類型間土壤性質(zhì)進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 刺槐油松混交比例對(duì)土壤pH和養(yǎng)分的影響

刺槐油松混交林的土壤硝態(tài)氮、有效磷、有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于油松純林(P<0.05)，并且表現(xiàn)出隨刺槐比例的增加而增加的趨勢(shì)(表2)。刺槐比例達(dá)到40%時(shí)，這3種養(yǎng)分含量分別是油松純林的1.47、1.29、3.71倍；刺槐混交比例高于40%以上，3種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和pH也表現(xiàn)為隨刺槐比例的增加而增加，但是前者只有刺槐純林顯著高于油松純林(P<0.05)，是油松純林的1.38倍，這與林分密度和凋落量有關(guān)，后者刺槐達(dá)到70%以上才表現(xiàn)出顯著增加(P<0.05)。土壤銨態(tài)氮在4種類型之間差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明刺槐在增加土壤硝態(tài)氮、有效磷、有效氮作用顯著，而對(duì)銨態(tài)氮的提高不明顯。

3.2 刺槐油松混交比例對(duì)土壤微生物的影響

隨刺槐混交比例的增加，4種土壤微生物數(shù)量均比油松純林顯著增加(P<0.05)，其中，細(xì)菌、真菌、固氮菌和放線菌分別比油松純林提高57.95%、84.57%、121.56%、113.73%以上(表3)。在不同混交比例之間，刺槐純林的細(xì)菌和固氮菌顯著高于刺槐70%和40%的，40%與70%差異不顯著(P>0.05)，放線菌為純林顯著高于40%的，土壤真菌數(shù)量無(wú)差異(P>0.05)。說(shuō)明刺槐比例超過(guò)40%即顯著提高土壤4種微生物數(shù)量。

表2 4種類型的土壤pH和養(yǎng)分Tab.2 pH and nutrients in four types of soil

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一列中不同小寫字母表示同一參數(shù)在不同混交比例間差異顯著(Duncan test)(P<0.05)，下同。Notes: The data in the table are mean ± standard deviation, and different letters in the same column indicate that there are differences between different mixed proportion (Duncan test) (P< 0.05). The same below.

表3 4種類型的土壤微生物Tab.3 Microbes in four types of soil

3.3 刺槐油松混交比例對(duì)土壤酶活性的影響

由表4可見(jiàn)，4種土壤酶活性隨刺槐混交比例增加而增加。其中：土壤過(guò)氧化氫酶活性增加顯著(P<0.05)，較油松純林提高6.73%以上；土壤脲酶和酸性磷酸酶活性表現(xiàn)趨勢(shì)一致，即刺槐比例超過(guò)70%無(wú)差異，但顯著高于40%以下的(P>0.05)；蔗糖酶表現(xiàn)為刺槐純林顯著高于其他3種類型。為了更好刻畫刺槐混交比例對(duì)土壤質(zhì)量的影響，將GMea作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的酶活性指標(biāo)，結(jié)果表明，與油松純林相比，刺槐比例達(dá)到70%以上時(shí)GMea顯著高于油松純林，但刺槐比例40%與70%差異不顯著。

表4 不同類型土壤酶活性Tab.4 Soil enzyme activities in four types

Notes: GMea stands for geometric mean of enzyme activity.

3.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用綜合指數(shù)法篩選出pH、硝態(tài)氮、酸性磷酸酶、真菌這4個(gè)指標(biāo)作為MDS，然后進(jìn)行主成分分析，得到評(píng)分(圖1)。結(jié)果表明，土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(SQI)的大小排序?yàn)椋捍袒奔兞?0.99)>70%刺槐(0.78)>40%刺槐(0.67)>油松純林(0.10)。隨刺槐比例增加，土壤質(zhì)量較油松純林明顯提高，刺槐純林、70%刺槐與40%刺槐分別比油松純林多8.90、6.80、5.70倍。刺槐比例達(dá)到40%時(shí)，已能顯著提高土壤質(zhì)量，刺槐混交比例的繼續(xù)增加，對(duì)土壤質(zhì)量的提高作用不明顯。

4 討論

與油松純林相比，混交刺槐顯著提高了土壤養(yǎng)分含量(表2)，刺槐通過(guò)固氮、促進(jìn)凋落物分解促進(jìn)與氮相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程，增加土壤氮儲(chǔ)量[17]。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)刺槐和油松混交時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效氮、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨刺槐混交比例增加而增加，與趙路紅等[18]研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)榇袒弊鳛楦叩蚵湮锝M分會(huì)加速油松凋落物分解，進(jìn)而會(huì)加快凋落物養(yǎng)分的歸還速率[19]，因此養(yǎng)分歸還量大，更有利于養(yǎng)分的積累；但是與劉云等[5]的結(jié)果不符，可能原因是其混交的樹(shù)種是臭椿(Ailanthusaltissima)、白蠟(Fraxinuschinensis)、白榆(Ulmuspumila)等闊葉樹(shù)種，而本研究選擇的是油松，闊葉樹(shù)種的凋落量與分解速率大于針葉樹(shù)種[20]。有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤抗蝕性與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成有促進(jìn)作用[21]。刺槐混交比例的增加，導(dǎo)致歸還到土壤中的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，團(tuán)聚狀況增強(qiáng)，土壤保肥能力增強(qiáng)。油松純林的pH值最低，這可能與針葉樹(shù)種造成土壤酸化有關(guān)。隨刺槐混交比例增加，土壤pH提高，原因可能是刺槐凋落物的含氮量較高，能在短期內(nèi)使土壤pH上升[22]。

土壤微生物的種類和數(shù)量能夠影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，增加土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率。筆者研究發(fā)現(xiàn)刺槐能夠顯著增加土壤微生物的數(shù)量，隨著刺槐混交比例的增加，土壤固氮菌數(shù)量逐漸增加(表3)，這與土壤氮含量的變化是相一致的。固氮植物的固氮作用能提高土壤微生物活性[23]、增加微生物數(shù)量、微生物生物量和群落代謝多樣性[24]，這與本研究中土壤細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量變化是一致的。植物根系密度越大，土壤越疏松，微生物活動(dòng)越頻繁，刺槐側(cè)根發(fā)達(dá)，這可能是土壤微生物隨刺槐比例增加而增加的一個(gè)原因。土壤微生物數(shù)量的增加促進(jìn)了凋落物的分解速率，加速養(yǎng)分歸還，增加土壤養(yǎng)分含量。土壤養(yǎng)分含量的增加又促進(jìn)了刺槐地上與地下部分的生長(zhǎng)，也有利于提高刺槐的固土作用。

刺槐混交比例增加對(duì)土壤酶活性具有顯著提高作用，且不同混交比例對(duì)4種酶活性的提高程度不同。這可能與刺槐增加后顯著提高了土壤N含量有關(guān)。N素是土壤酶的組成成分，而且決定了酶進(jìn)入土壤的數(shù)量[25]。有研究表明在土壤中增加氮素初期可促進(jìn)土壤脲酶、蔗糖酶活性，過(guò)量添加則抑制增加[26]，在酸性土壤中，增加氮素能顯著提高酸性磷酸酶的活性[27]，筆者研究結(jié)果與其相符。另一方面，土壤酶活性隨刺槐混交比例增加而增加可能與刺槐混交后增加了土壤微生物數(shù)量有關(guān)。土壤微生物的種類和數(shù)量在某種程度上決定土壤酶的來(lái)源[28]，且土壤真菌在凋落物分解中具有重要作用[29]，刺槐混交比例增加促進(jìn)養(yǎng)分歸還，導(dǎo)致微生物數(shù)量增加，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酶活性的提高。

5 結(jié)論

1)土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量和酶活性隨刺槐比例增加而增加。當(dāng)刺槐混交比例達(dá)到40%以上時(shí)，土壤4種微生物數(shù)量、硝態(tài)氮、有效氮、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及過(guò)氧化氫酶活性已有顯著提高。

2)運(yùn)用綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量：刺槐純林(0.99)>7刺槐3油松(0.78)>4刺槐6油松(0.67)>油松純林(0.10)，即刺槐比例達(dá)到40%以上即能顯著提高土壤質(zhì)量，這也有利于提高保水保肥能力。

3)綜合考慮刺槐的改土作用與風(fēng)景林經(jīng)營(yíng)，應(yīng)保持刺槐比例不超過(guò)40%，既能發(fā)揮刺槐的培肥地力作用，又不致過(guò)度排擠與之混交的樹(shù)種。