文章信息
- 刘淑萍
- LIU Shuping
- 马尾松林下套种阔叶树对马尾松林分生长及土壤改良的影响
- Effect of inter-planting broad-leaved tree species on growth and soil improvement of Pinus massoniana forest
- 亚热带农业研究, 2016, 12(01): 25-31
- JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS, 2016, 12(01): 25-31.
- DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2016.01.004
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文章历史
- 收稿日期:2016-01-18
马尾松(Pinus massoniana)是我国南方主要的造林树种之一。近年来,我国沿海地区马尾松松材线虫危害比较严重,在一定程度上影响了林农营造马尾松人工林的积极性,但在马尾松松材线虫疫区外围,由于马尾松具有耐瘠薄等优良特性,在杉木连栽地及荒山荒地等立地条件较差的造林地也广泛种植[1]。诸多研究表明,大面积马尾松纯林种植会引发马尾松毛虫等病虫害的发生。因此,马尾松阔叶树混交林种植模式得到了广泛的推广应用[2, 3, 4, 5, 6]。马尾松混交林的研究主要围绕在同一地块同时营造马尾松及阔叶树对林分改良效果的影响,而对马尾松林下套种阔叶树的林分改造模式的研究较少[7, 8, 9]。鉴于此,本研究以马尾松纯林为对照,分析了马尾松成熟林林下套种阔叶树经营模式对马尾松林分生长以及林地土壤物理性质和化学性质的影响,以期为马尾松人工林的林分改造提供理论依据。
1 试验地概况马尾松成熟林林下套种阔叶树示范基地位于福建省顺昌国有林场福介洋工区44林班57大班3小班,东经117°47′33″,北纬26°56′26″,属中亚热带海洋湿润性气候,年均日照时数为1 715.5 h,年均气温为18.9 ℃,1月份平均气温为7.8 ℃,7月份平均气温为28.1 ℃,极端最高气温为40.3 ℃,极端最低气温为-7.0 ℃;年无霜期 310 d;年均降雨量1 621.6 mm,以3—7月居多,期间占全年总降雨量的62.26%;年均空气湿度为82.4%,年均蒸发量为1 372.1 mm。土壤为花岗片麻岩发育而成的山地红壤,表面土较疏松,土层厚度>100 cm。马尾松林分于1960年3月营建,种植密度为3 300株·hm-2,1997年择伐后保留株数为450株·hm-2。为改变纯林结构模式,改善林分结构,增强林分的景观及生态效果,并分析马尾松林下套种对林分生长及土壤的改良效果,林场于1999在马尾松林窗内挖穴,穴密度为900个·hm-2,1999—2000年间,套种杉木(Cunninghamia lanceolata)、木荷(Schima superba)及酸枣(Ziziphus jujuba),套种比例为1:2:2;2001年调查杉木成活率较低;2002—2004年间补植南方红豆杉(Taxus mairei SY Hu)及乐东拟单性木兰(Parakmeria latungensis)等阔叶树种,种苗均为1年生实生苗,套种比例为30:1。马尾松林下套种阔叶树林分林下植被主要包括芒萁(Dicranopteris dichotoma)、五节芒(Miscanthus floridulus)、箬竹(Indocalamus tessellatus)、紫金牛(Ardisia japonica)等。对照林分(马尾松纯林)与马尾松林下套种阔叶树示范基地互相毗邻,于1960年3月营建,种植密度为3 300株·hm-2,1997年择伐后保留株数为450株·hm-2,林下植被主要以芒萁、芦苇(Phragmites australis)及箬竹为主。
2 研究方法 2.1 样地调查2015年8月分别在马尾松成熟林林下套种阔叶树示范基地及对照林分的下坡及上坡位各设置3个20 m×20 m临时样地,共设置12个样地。在样地内进行每木调查,调查指标包括树高、胸径、枝下高、冠幅等生长指标。
2.2 土壤取样及理化性质测定在每一样地中部挖一土壤剖面,去除土壤表层枯枝落叶后,土壤容重圈分别取0~20、20~40、40~60 cm土层土壤样品,带回室内测定土壤物理性质[10];用土壤刀分别取0~20、20~40及40~60 cm土层土壤,同一林分类型同一坡位土样采用4分法混合取样,带回室内测定土壤化学性质[11, 12]。
2.2.1 土壤物理性质测定(1)土壤容重(pb)。采用环刀烘干法测定土壤容重,环刀体积100 cm3。将鲜样置于105 ℃烘干箱中烘干至恒重。按下列公式计算:pb=Ms/V,pb为土壤容重/(g·cm-3),Ms为干土重量/g,V为环刀体积/cm3。
(2)土壤孔隙度。采用土壤容重圈浸泡法测定土壤总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等指标。①毛管孔隙度(Fa)测定方法:将采集原状土底部带有滤纸的土壤容重圈置于105 ℃烘干箱中烘干至恒重,然后置于盛有3 mm水层的托盘中,让土壤毛细管吸水,吸水时间为12 h,12 h后每隔2 h称重至重量不变为止。根据下列公式计算:Fa/%=(Ma-Ms)/V×pb×100。式中,Fa为毛管孔隙度/%,Ma为吸水12 h后土壤容重圈内湿土重量/g,Ms为干土重量/g,V为土壤容重圈体积/cm3,pb为土壤容重/(g·cm-3)。②总孔隙度(Fv)测定方法:将采集原状土底部带有滤纸的土壤容重圈放入水中,使水位略低于土壤容重圈上部,吸水24 h后称重,然后每隔4 h进行称重,直至重量不变为止。根据下列公式计算:Fv/%=(Mv-Ms) /V×pb×100。式中,Fv为总孔隙度/%,Mv为吸水24 h后土壤容重圈内湿土重量/g。③非毛管孔隙度计算方法:总孔隙度减去毛管孔隙度。
2.2.2 土壤化学性质测定土壤经室内自然风干后测定[11, 12]。土壤pH值采用电位法(蒸馏水浸提,固液比1:2.5)测定,有机质采用硫酸重铬酸法测定,全氮采用凯氏定氮法测定,全磷采用HClO4-H2SO4消煮,钼锑抗比色法测定,水解性氮采用扩散吸收法测定,速效磷采用盐酸氟化铵法测定,速效钾采用NH4OAc浸提法测定。
2.3 数据分析将野外调查数据及室内分析数据,应用SPSS软件进行差异性检验。
3 结果与分析 3.1 不同坡位马尾松林下套种阔叶树林分生长分析由表 1可知,不同坡位和林下套种阔叶树模式对马尾松的生长存在一定的影响。整体而言,林下套种阔叶树模式有利于马尾松的生长。其中,就上坡位而言,林下套种阔叶树模式的马尾松胸径和树高比纯林种植方式分别高9.96%和23.86%;而在下坡位中林下套种阔叶树模式马尾松的胸径和树高仅比纯林种植模式高4.66%和19.35%。林下套种阔叶树模式上坡及下坡位马尾松的枝下高分别比纯林种植模式高32.87%和28.37%,而不同种植模式冠幅大小之间并不存在显著差异。另一方面,林下套种阔叶树模式中上坡位的树高和胸径都小于下坡位,表明下坡位有利于促进马尾松的生长;但是枝下高和冠幅大小在上下坡位中并不存在显著差异。方差分析结果(表 2)表明,林下套种阔叶树模式和不同坡位对马尾松树高和胸径的影响均存在显著差异,进一步证实了林下套种阔叶树模式和下坡位对马尾松生长的促进作用。上述结果表明,林下套种阔叶树模式有利于马尾松生长,同时在同种种植模式中下坡位有利于马尾松的生长。这可能与不同坡位土壤养分条件差异有关。一般而言,长期雨水冲刷作用使得养分在下坡位富集,改善了下坡位土壤条件,从而促进植物的生长[13]。
林分类型 | 坡位 | 树种 | 经营密度 株·hm-2 | 胸径 cm | 树高 m | 枝下高 m | 冠幅/m | |
东西 | 南北 | |||||||
林下套种 | 上坡 | 马尾松 | 500 | 32.33 | 23.25 | 19.40 | 6.63 | 5.88 |
南方红豆杉 | 750 | 5.56 | 4.97 | 1.57 | 3.84 | 3.59 | ||
木荷 | 325 | 12.02 | 11.32 | 1.25 | 4.77 | 4.55 | ||
杉木 | 75 | 13.76 | 11.57 | 2.85 | 3.67 | 3.27 | ||
酸枣 | 25 | 15.68 | 11.51 | 0.72 | 7.20 | 7.50 | ||
乐东拟单性木兰 | 25 | 5.75 | 7.70 | 0.40 | 2.80 | 2.80 | ||
下坡 | 马尾松 | 485 | 33.87 | 23.87 | 19.50 | 5.86 | 6.00 | |
南方红豆杉 | 1 050 | 6.68 | 5.17 | 0.96 | 3.58 | 3.81 | ||
木荷 | 125 | 17.89 | 11.67 | 2.05 | 5.10 | 5.27 | ||
杉木 | 25 | 12.02 | 10.51 | 3.80 | 3.90 | 4.20 | ||
酸枣 | 75 | 16.86 | 12.27 | 1.58 | 7.63 | 7.67 | ||
乐东拟单性木兰 | 50 | 8.13 | 7.75 | 0.59 | 3.30 | 3.29 | ||
纯林 | 上坡 | 马尾松 | 515 | 29.40 | 18.77 | 14.63 | 6.50 | 6.29 |
下坡 | 马尾松 | 530 | 32.36 | 20.00 | 15.19 | 5.70 | 6.90 |
指标 | 变异来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 |
胸径 | 种植方式 | 14.830 | 1 | 14.830 | 6.418 | 0.032 |
坡位 | 15.187 | 1 | 15.187 | 6.573 | 0.031 | |
误差 | 20.797 | 9 | 2.311 | |||
总和 | 50.814 | 11 | ||||
树高 | 种植方式 | 52.710 | 1 | 52.710 | 55.175 | 0.000 |
坡位 | 1.122 | 1 | 1.122 | 1.175 | 0.307 | |
误差 | 8.598 | 9 | 0.955 | |||
总和 | 62.430 | 11 |
土壤容重和孔隙是土壤水分、养分以及空气的储存场所,同时也是微生物的活动场所,在一定程度上反映了土体构造,通常作为衡量土壤肥力指标之一[14]。由表 3可知,马尾松林下套种阔叶树模式对土壤物理性质存在不同程度的影响。就土壤容重而言,林下套种阔叶树模式不同坡位和土层深度的土壤容重均小于纯林种植模式;而在同一种植模式下不同土层深度土壤容重的改善均以0~20 cm土层壤改善最为明显,不同种植模式对其他土层深度土壤容重改善效果并不明显。而就总孔隙度而言,林下套种阔叶树模式对总孔隙度的影响规律并不一致,但整体而言它们之间差异并不明显。值得一提的是,同一种植模式下,与上坡位相比,下坡位0~20 cm土层深度的土壤总孔隙度均得到显著改善。同样,林下套种阔叶树模式对上坡位不同土层深度的土壤毛管孔隙度的影响并不显著,而林下套种阔叶树模式下坡位0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层深度的毛管孔隙度分别比纯林种植模式高出14.55%、9.17%和15.95%,该结果表明林下套种阔叶树模式对下坡位土壤毛管孔隙度的改善效果优于上坡位。然而林下套种阔叶树模式对于非毛管孔隙度的影响并不存在明显规律。整体而言,林下套种阔叶树模式上坡位不同土层深度土壤的非毛管孔隙度均高于下坡位。方差分析结果(表 4)表明,林下套种阔叶树模式仅对土壤容重有显著影响,尽管林下套种阔叶树模式马尾松土壤总孔隙度和毛管孔隙度整体上高于纯林,但它们在统计学上并不存在显著差异。由表 4还可以看出,不同坡位对土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度存在显著影响,而对土壤容重和总孔隙度的影响尚未达到显著水平。
林分类型 | 坡位 | 土层深度 cm | 土壤容重 g·cm-3 | 总孔隙度 % | 毛管孔隙度 % | 非毛管孔隙度 % | 毛管/非毛 管孔隙 |
林下套种 | 上坡 | 0~20 | 1.50 | 39.22 | 29.35 | 9.87 | 2.97 |
20~40 | 1.68 | 38.41 | 25.54 | 12.87 | 1.98 | ||
40~60 | 1.68 | 37.33 | 32.00 | 5.33 | 6.00 | ||
下坡 | 0~20 | 1.46 | 43.02 | 35.82 | 7.20 | 4.98 | |
20~40 | 1.62 | 38.39 | 32.72 | 5.67 | 5.77 | ||
40~60 | 1.69 | 37.02 | 31.75 | 5.27 | 6.02 | ||
纯林 | 上坡 | 0~20 | 1.63 | 36.69 | 29.09 | 7.60 | 3.83 |
20~40 | 1.76 | 34.21 | 26.28 | 7.93 | 3.31 | ||
40~60 | 1.79 | 41.69 | 28.59 | 13.1 | 2.18 | ||
下坡 | 0~20 | 1.52 | 41.47 | 31.27 | 10.20 | 3.07 | |
20~40 | 1.64 | 34.77 | 29.97 | 4.80 | 6.24 | ||
40~60 | 1.75 | 31.45 | 27.38 | 4.07 | 6.73 |
指标 | 变异来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 |
土壤容重 | 种植方式 | 0.054 | 1 | 0.054 | 4.096 | 0.049 |
坡位 | 0.034 | 1 | 0.034 | 2.529 | 0.121 | |
误差 | 0.439 | 33 | 0.013 | |||
总和 | 0.527 | 35 | ||||
总孔隙度 | 种植方式 | 0.469 | 1 | 0.469 | 0.045 | 0.834 |
坡位 | 7.608 | 1 | 7.608 | 0.722 | 0.402 | |
误差 | 347.810 | 33 | 10.540 | |||
总和 | 355.887 | 35 | ||||
毛管孔隙度 | 种植方式 | 0.748 | 1 | 0.748 | 0.074 | 0.787 |
坡位 | 156.959 | 1 | 156.959 | 15.599 | 0.000 | |
误差 | 332.041 | 33 | 10.062 | |||
总和 | 489.748 | 35 | ||||
非毛管孔隙度 | 种植方式 | 0.034 | 1 | 0.034 | 0.005 | 0.944 |
坡位 | 95.063 | 1 | 95.063 | 13.920 | 0.001 | |
误差 | 225.371 | 33 | 6.829 | |||
总和 | 320.467 | 35 |
生产实践表明,由于混交林植被丰富,凋落物数量大且分解较快,因此其养分归还量比纯林大,从而在一定程度上改良了土壤养分状况[15, 16]。由表 5可知,不同种植模式对土壤养分状况存在一定的影响。尽管随着土层深度的增加土壤pH值呈现出逐渐递增的趋势,但是无论不同种植模式还是不同坡位对土壤pH值均无明显的影响。就有机质而言,与纯林相比,马尾松林下套种阔叶树显著增加了不同坡位0~20 cm的土层有机质含量,而对于20~40 cm和40~60 cm土层而言,不同种植模式仅略微增加了这些土层深度有机质含量但影响并不显著。此外,整体而言同一种植模式条件下坡位不同土层深度有机质含量均高于上坡位。不同种植模式对于土壤全氮含量的影响并不显著。同样,不同种植模式对土壤水解氮、有效磷和速效钾含量的影响也不明显。方差分析结果(表 6)进一步表明,不同种植模式和坡位对不同速效养分元素含量的影响并不存在显著差异。导致不同种植模式对土壤速效养分元素含量影响并不显著的原因可能有以下两方面。一方面由于不同造林模式林分已超30年,尽管混交造林模式下群落结构层次性要好于纯林,但是经过长期生长后纯林下植被也十分丰富,因此它们在凋落物养分归还能力上的差异被逐渐缩小,导致不同造林模式林分的养分元素差异不大;另一方面,这些速效养分易于被植物吸收,属于易耗竭的养分,因此它们与有机质不同,新形成的养分能迅速被植物吸收,从而导致不同种植模式下林分的速效养分差异并不明显。由此可见,在不同造林模式后期,马尾松林下套种阔叶树与纯林对于土壤养分改善能力间的差异会逐渐缩小。
林分类型 | 坡位 | 土层深度 cm | pH | w有机质 g·kg-1 | w全氮 g·kg-1 | w水解氮 mg·kg-1 | w有效磷 mg·kg-1 | w速效钾 mg·kg-1 |
林下套种 | 上坡 | 0~20 | 4.31 | 32.07 | 0.68 | 94.26 | 3.27 | 44.78 |
20~40 | 4.37 | 16.52 | 0.37 | 55.52 | 1.37 | 35.51 | ||
40~60 | 4.42 | 9.43 | 0.21 | 21.30 | 0.82 | 15.31 | ||
下坡 | 0~20 | 4.29 | 40.70 | 0.87 | 101.29 | 5.77 | 52.28 | |
20~40 | 4.43 | 24.23 | 0.42 | 31.27 | 1.38 | 37.24 | ||
40~60 | 4.47 | 11.30 | 0.26 | 16.43 | 0.93 | 18.48 | ||
纯林 | 上坡 | 0~20 | 4.47 | 27.20 | 0.64 | 87.45 | 3.20 | 37.77 |
20~40 | 4.52 | 15.84 | 0.33 | 40.99 | 1.29 | 21.39 | ||
40~60 | 4.51 | 9.27 | 0.18 | 11.80 | 0.71 | 11.21 | ||
下坡 | 0~20 | 4.36 | 35.53 | 0.73 | 98.00 | 3.96 | 46.64 | |
20~40 | 4.44 | 21.23 | 0.26 | 56.66 | 1.65 | 35.29 | ||
40~60 | 4.44 | 10.46 | 0.20 | 12.42 | 0.63 | 15.44 |
指标 | 变异来源 | 平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 |
pH | 种植方式 | 0.052 | 1 | 0.052 | 3.086 | 0.088 |
坡位 | 0.007 | 1 | 0.007 | 0.428 | 0.518 | |
误差 | 0.557 | 33 | 0.017 | |||
总和 | 0.617 | 35 | ||||
有机质 | 种植方式 | 54.219 | 1 | 54.219 | 0.503 | 0.483 |
坡位 | 274.454 | 1 | 274.454 | 2.544 | 0.120 | |
误差 | 3 559.914 | 33 | 107.876 | |||
总和 | 3 888.587 | 35 | ||||
全氮 | 种植方式 | 0.037 | 1 | 0.004 | 0.653 | 0.425 |
坡位 | 0.028 | 1 | 0.028 | 0.485 | 0.491 | |
误差 | 1.889 | 33 | 0.057 | |||
总和 | 1.954 | 35 | ||||
水解氮 | 种植方式 | 0.188 | 1 | 0.188 | 0.000 | 0.990 |
坡位 | 5.664 | 1 | 5.664 | 0.005 | 0.947 | |
误差 | 40 890.650 | 33 | 1 239.111 | |||
总和 | 40 896.502 | 35 | ||||
有效磷 | 种植方式 | 1.096 | 1 | 1.096 | 0.444 | 0.510 |
坡位 | 3.361 | 1 | 3.361 | 1.362 | 0.252 | |
误差 | 81.452 | 33 | 2.468 | |||
总和 | 85.908 | 35 | ||||
速效钾 | 种植方式 | 321.545 | 1 | 321.545 | 1.836 | 0.185 |
坡位 | 388.156 | 1 | 388.156 | 2.217 | 0.146 | |
误差 | 5 778.298 | 33 | 175.100 | |||
总和 | 6 487.999 | 35 |
马尾松是我国南方红壤区最主要的造林先锋树种。由于马尾松凋落叶分解速度较慢,对于立地条件较差的马尾松人工林而言,如何改善林地环境条件,加快林分的养分循环,提高马尾松人工林的生长量及经济效益,成为我国南方林业工作者的主要研究课题之一[17, 18]。生产实践表明,马尾松与阔叶树种混交,不仅能改善林分环境条件,加快马尾松凋落叶分解速度,而且还能在一定程度上缓解马尾松松毛虫的危害,混交效果明显[19, 20, 21]。本研究表明,以大径材为培养目标的马尾松经间伐后,在林下套种阔叶树,不仅能改善森林景观,增加林分生物多样性,促进马尾松人工林胸径及树种的生长,而且对土壤的物理性质和化学性质也具有改良作用,是一种值得推广的林分经营模式。本研究表明,马尾松林下套种对马尾松生长有促进作用,而对土壤物理性质及化学性质改良效果却不明显,仅对土壤容重存在显著影响,而对土壤物理性质其他指标以及化学性质所有指标均不显著,这主要是由于套种阔叶树这一经营措施对土壤的改良效果要经较长的时间才能体现,这有待于进一步跟踪研究。
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