杉木是我国南方地区主要造林树种之一。该树种具有生长迅速、树干通直圆满、耐腐蚀性强、用途广泛等特点,其栽培面积及蓄积量居我国人工林首位[1]。然而随着杉木人工林面积不断扩大,连栽代数的增加,杉木纯林出现林分结构单一、生长量下降、病虫害严重及林分稳定性较差等问题,随之带来的是林区生态系统恶化,林地地力衰退恶性循环[2,3]。有研究指出,混交林在维持地力、增加林产品、抵御不良环境有害生物及林分稳定性等方面较纯林更具优势,如林同龙[4]在杉木人工林近自然经营技术的应用效果研究中表明,在杉木人工林中嵌入多种乡土阔叶树种[如桦木、桤木后,林地土壤肥力、林分结构与组成、林分生产力都得到了改善和提高。周静等[5]研究表明,以杉木-光皮桦混交模式下的林地土壤生物量、有机质、有效氮以及酶活性均高于杉木纯林模式,土壤生物学性质更加完善。徐道炜等[6]的研究发现毛竹向杉木林扩张有利于提高土壤水溶性有机碳和易氧化态碳储量。严平勇[7]对12年生杉木混交林调查结果表明,杉阔混交林能明显地促进杉木的生长,提高其林分质量和产量,增强林分杭逆性,提高森林多种效益。近年来,关于杉木的研究主要集中于木材材性[8]、林分改造[4]、生态效益[5]等方面,关于杉木纯林林分改造成混交林的研究相对较少。由于杉木纯林连栽导致立地条件下降的问题仍然十分严峻,所以杉木的混交树种选择方面的科学问题亟待进一步的研究与探索。

木兰科树种绝大多数是第三纪古热带植物区系的孑遗植物,是现存被子植物中较原始类群[9],具有非常重要的保护与研究价值,也有研究发现木兰科树种具有较强的光合能力与固碳释氧能力[10]。鉴于此,本研究以杉木-单性木兰、杉木-香木莲、杉木-香梓楠和杉木纯林为研究对象,探讨不同造林模式对杉木人工林土壤养分含量及几种重要的土壤酶活性的影响,以期为杉木人工林质量精准提升提供基础的数据参考,同时也能够培育和保护珍贵木兰树种。

1、研究区自然概况

研究地区域在南宁市高峰林场(108°22′E,22°57′N)附近,该地区属湿润的亚热带季风气候,阳光充足,雨量充沛,霜少无雪,气候温和,夏季长冬季短,年平均气温在21.6℃左右,极端最高气温40.4℃,极端最低气温-2.4℃。冬季最冷的1月平均气温12.8℃,夏季最热的7、8月平均气温28.2℃。年均降雨量达1304.2mm,平均相对湿度为79%,气候特点是炎热潮湿,土壤类型为红壤或者赤红壤。林下植被主要有五节芒、乌毛蕨、铁芒箕、半边旗(Pterissemipinnata)、盐肤木、毛桐、悬钩子等植物。

2、研究方法

2.1样地设置

本研究调查林分类型为杉木人工林纯林的补植改造林。造林时间为1995年,造林方式采用一年生实生苗移植于林地中,株行距为2m×3m,造林后共经过5次抚育,在2010年林分达到郁闭,之后又进行2次抚育间伐,目前保留密度为1290株/hm2。于2014年在杉木林下以行间混交的方式分别补植单性木兰、香木莲、香梓楠3种珍贵树种,补植密度为750株/hm2,然后每隔3个月定期对林分进行除草施肥,对于死亡的珍贵树种采取立即补植的措施。2018年8月,在杉木纯林、杉木-香梓楠、杉木-香木莲、杉木-单性木兰计4种林分中随机选取立地条件基本一致的20m×20m的标准样地,每一林分类型设置3个标准地,对样地内树木进行每木检尺。土壤样品的收集采用‘五分法’,在每个样地的四角及中心分0～20cm、20～40cm土层采集土壤样品,装进贴好标签的布袋中,立即带回实验室进行处理并测定相关指标。

2.2样品处理与指标测定

将新鲜的土壤样品放置于阴凉干燥处,避免阳光直射,风干至恒重,去除石头、根系等杂质,过100目筛子,样品装进封口袋中,备用。

表1样地基本概况

土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;全氮、全磷含量采用硫酸-高氯酸消解法测定;全钾、速效钾含量采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定;速效磷含量采用钼蓝比色法测定;硝态氮采用氯化钾溶液浸提法测定。土壤养分的测定均参照国标(GB7887-87）。

土壤酶活性的测定参照关松荫[11]的土壤酶活性测定方法,过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定;脲酶采用靛酚闭塞法测定;酸性磷酸酶采用对硝基纷磷酸钠法测定;蔗糖酶采用3,5二硝基水杨酸比色法测定。

2.3数据分析与处理

先采用MicrosoftExcel2007对数据进行预处理,再使用SPSS20.0软件做单因素方差分析(Duncan新复极差法,P<0.01或P<0.05),分析探讨同一土层不同林分的土壤养分及酶活性的差异。运用主成分分析(PCA)探讨不同林分土壤肥力指标之间的关系,先对数据进行标准化,再降维,提取特征值大于1、累积贡献率大于85%的主成分,然后根据特征值和贡献率建立主成分方程,并计算各林分的土壤肥力综合得分,然后得出各个林分土壤肥力积分的排名。

3、结果与分析

3.1不同混交模式下的土壤酶活性

3.1.1土壤脲酶

由土壤脲酶活性的变化趋势可知(图1),不同杉木混交林的土壤脲酶活性变化显著。0～20cm土层的脲酶活性明显高于20～40cm土层的,说明表层土是土壤中微生物活动和植物新陈代谢最活跃的部分。在0～20cm土层中,杉木-香梓楠混交林的土壤脲酶活性显著比杉木-香木莲混交林、杉木-单性木兰混交林、杉木纯林高出23.4%、79.2%和89.8%,并且均达到极显著水平(P<0.01);20～40cm土层,与表层土相比,土壤脲酶活性显著降低,杉木-香梓楠混交林的土壤脲酶活性仍然最高,为0.812mg/g,而杉木纯林的土壤脲酶活性极显著低于其它林分,由此说明杉木混交林的造林模式有利于提高土壤肥力、改善立地条件,并且以杉木-香梓楠混交林的造林效果最佳。

图1不同林分的土壤脲酶活性

注:不同大写字母表示在0.01水平上差异显著,不同小写字母表示在0.05水平上差异显著,下同。

3.1.2土壤蔗糖酶

由图2可知,不同杉木混交林的土壤蔗糖酶活性变化显著。在0～20cm土层中,杉木-香梓楠混交林的土壤蔗糖酶活性与杉木-香木莲混交林、杉木-单性木兰混交林、杉木纯林差异极显著,其中杉木-香梓楠混交林的土壤蔗糖酶活性是杉木纯林、杉木-单性木兰混交林的1.83倍和2.04倍;在20～40cm土层中,土壤蔗糖酶活性均有略微的降低,杉木-香梓楠混交林的土壤蔗糖酶活性,由大到小排序为杉木-香梓楠混交林>杉木-香木莲混交林>杉木纯林>杉木-单性木兰混交林,并且杉木-香梓楠混交林的土壤蔗糖酶活性与杉木纯林、杉木-单性木兰混交林差异极显著,由此说明杉木-香梓楠混交林最有利提高土壤蔗糖酶活性。

图2不同林分的土壤蔗糖酶活性

3.1.3土壤酸性磷酸酶

根据图3可知,杉木-单性木兰混交林的土壤酸性磷酸酶活性显著比其他3种林分低,而杉木-香梓楠混交林的土壤酸性磷酸酶活性显著升高。在0～20cm土层,土壤的酸性磷酸酶活性由大到小排序为杉木-香梓楠混交林>杉木-香木莲混交林>杉木纯林>杉木-单性木兰混交林,并且杉木-单性木兰混交林的土壤酸性磷酸酶活性与杉木纯林差异显著;在20～40cm土层,与表层土壤酸性磷酸酶活性的变化趋势基本一致,仍然以杉木-香梓楠混交林的土壤酸性磷酸酶活性最高,为0.808mg/g,比杉木纯林高出1.34倍。

图3不同林分的土壤酸性磷酸酶活性

3.1.4土壤过氧化氢酶

根据不同林分的土壤过氧化氢酶活性的变化趋势不难发现(图4),表层(0～20cm)土壤的过氧化氢酶活性差异较大,但并未达到差异显著水平,总体大小表现为杉木-单性木兰混交林>杉木-香木莲混交林>杉木-香梓楠混交林>杉木纯林。而20～40cm土壤的过氧化氢酶活性没有太大的变化,基本维持在0.48～0.54mg/g。

图4不同林分的土壤过氧化氢酶活性

3.2不同混交模式下的土壤养分

由表2可知,上层土壤的养分明显比下层土壤养分要高,说明土壤养分具有明显表聚性。在0～20cm土层,土壤有机质含量最高的是杉木-香梓楠混交林(4.01g/kg),与杉木纯林差异极显著;杉木-香梓楠混交林的土壤全氮分别比杉木-香木莲混交林、杉木-单性木兰混交林、杉木纯林极显著高出32.6%、65.5%和61.2%;土壤全磷含量最高的是杉木-单性木兰混交林,与杉木纯林达到差异极显著水平;全钾在4种林分的土壤中差异不大,均未达到显著水平;土壤硝态氮、速效磷含量最高的是杉木-香梓楠混交林,而土壤速效钾含量最高的是杉木-香木莲混交林。在20～40cm土层中,土壤有机质、全氮含量最高的是杉木-香梓楠混交林,并且与杉木纯林均达到差异显著水平;杉木-单性木兰混交林的土壤全磷含量分别比杉木纯林、杉木-香木莲混交林、杉木-香梓楠混交林极显著高出55.3%、73.5%、90.3%;4种造林模式对土壤全钾含量影响不明显;土壤硝态氮、速效磷、速效钾含量最高的分别是杉木纯林、杉木-香梓楠混交林和杉木-香木莲混交林。

表2不同林分的土壤养分差异

3.3主成分分析

主成分分析(PCA)是通过降维的方法,将多个相关指标综合成数量较少具有代表性的数个变量,其中因子载荷的绝对值越大代表变量与公共因子间相关程度越高。根据各指标的因子载荷可知(表3),通过提取特征值大于1的主成分,F1、F2的累计贡献率达到90.592%,说明这两个主成分能够解释总体90.592%的变异度。第1主成分F1可以解释总变异度的66.333%,与原变量蔗糖酶(R=0.985)、全氮(R=0.980)存在密切的正相关关系,这些变量能够反映土壤肥力的基本状况;第2主成分F2可以解释总变异度的24.259%,与原变量速效钾(R=0.924)存在密切的正相关关系,此变量能够反映土壤中易被植物吸收的养分储存状况。由主成分总得分不难看出(表4),杉木-香梓楠混交林该林分的得分最高(r=1),其次是杉木-香木莲混交林(r=2),杉木纯林排名第3,总得分最低的是杉木-单性木兰混交林(r=4),说明最适合与杉木混交的树种是香梓楠,而单性木兰却不适宜作为杉木的混交树种,究其原因,可能是树种间存在一定的竞争抑制作用。

表3土壤养分指标的因子载荷

表4不同林分类型的土壤肥力综合得分及排序

4、结论与讨论

森林土壤作为森林生态系统中植物生长的根本基质,其发挥着水分调节及分配、养分供给等方面的重要作用[12]。土壤肥力的高低决定着林木生长的健康状况[13],土壤酶活性在一定程度上能够反映土壤微生物的活跃程度,而且也能够代表土壤养分的转化速率,因而土壤的酶活性也常被用于评价土壤肥力的重要指标[14]。本研究发现,表层土壤的酶活性最高,随着土层的加深,酶活性逐渐降低。与杉木纯林对比可知,杉木-香梓楠混交林、杉木-香木莲混交林、杉木-单性木兰混交林的土壤酶活性总体上处于上升状态,然而土壤过氧化氢酶活性在不同的混交模式下没有明显差异,尤其是杉木-香梓楠混交林的土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性显著提升。这种结果可能是因为香梓楠的枯枝落叶能够为微生物提供充足的营养物质和生存空间,从而使土壤酶活性显著增加,也可能是因为杉木与香木莲存在一定的互利共生关系,树种间的化感作用能够激活土壤酶活性,至于其具体机理还需要进一步的研究。潘云龙等[15]的研究也发现杉木-桐混交林的土壤酸性磷酸酶(ACP)、土壤脲酶(URE)及土壤蔗糖酶(INV)活性总体高于杉木纯林,土壤的过氧化氢酶活性(CAT)无明显差异性。本研究结果与刘振华等[16]的研究结果也基本一致。

通常用来代表土壤肥力水平的营养指标主要包括全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾等[17]。而且土壤有机质对改善土壤理化性质和植物生长起着关键作用,也是土壤肥力和质量的重要指标之一[18]。不同树种的叶片分解速率、化学成分的不同以及根系的周转速率和分解速率也有所差异,导致植物对土壤的养分归还量与归还速率也有很大的差别[19]。因此森林土壤养分状况与树种组成、林分结构、树种特性等因素有密切联系,反过来林分生长状况也能反映土壤肥力高低,从而导致不同林分中土壤养分差异较为明显[20]。本研究结果也证实了这一观点,研究发现土壤有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮、速效磷、速效钾的含量均随着土壤厚度的加深而逐渐降低,表现出明显的“表聚性”,这可能是因为表层枯枝落叶的分解和细根周转过程所致[21],而且表层土壤微生物较活跃,物质循环代谢剧烈。在土壤表层中(0～20cm),杉木-香梓楠混交林的土壤有机质、全氮、硝态氮、速效磷的含量均最高,而且与其他林分达到差异显著或极显著水平。据研究报道称,土壤养分一般在针阔混交林中含量最大,其次是常绿阔叶林和毛竹林,最小的是杉木林、马尾松林和湿地松林[22]。此结果与本研究结果基本一致。

通过主成分分析(PCA)计算后的土壤肥力状况排序为杉木-香梓楠混交林>杉木-香木莲混交林>杉木纯林>杉木-单性木兰混交林,由此可知针阔混交林的土壤肥力明显优于纯林。其主要原因可能是针叶林的凋落物中含有大量单宁、蜡质、树脂等难分解的有机质,严重影响到土壤养分的归还速率,而阔叶树种的凋落物产量和分解速率相对较大,林下微生物活跃度高,从而有利于土壤养分的积累[23]。相似地,有研究表明亚热带森林林下凋落物的分解速率一般为常绿阔叶林>针阔混交林>针叶林[24]。因此对于杉木纯林改造来说,针阔混交林是一种比较理想的造林模式,有利于提高土壤肥力,改善立地条件,从而达到森林质量精准提升的目的。但是值得注意的是,杉木与单性木兰混交林的土壤肥力反而比纯林要差,其原因可能主要有以下两点:其一,杉木与单性木兰两个物种之间的化感效应可能在一定程度抑制土壤微生物的活性,间接导致土壤肥力的下降;其二,彭玉华等[25]研究发现土壤有机质、全N、速效N有利于单性木兰的生长,根据土壤养分分级标准[26]可知,杉木-单性木兰混交林土壤中这3种土壤养分均处于较低的水平,由于单性木兰对有机质、全N、速效N的需求量较大,导致土壤肥力进一步下降,但是其具体作用机制还有待进一步的研究与分析。因此,今后应从种间互作、植物细胞代谢物质的分泌以及土壤微生物等方面进一步地探讨木兰科植物与杉木混交的造林效果。

本研究结果表明,在杉木纯林改造中,香梓楠是杉木重要的伴生树种之一,该树种有利于提升土壤肥力,提高杉木林分的生态价值和经济价值。

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基金:广西创新驱动发展专项(桂科AA17204087-8);国家重点研发计划项目(2017YFD0601101-2).