杨—农复合系统林分结构特征及其土壤特性1)

刘西军 王陆军 肖正东 杨海清

(安徽农业大学，合肥，230036) (安徽省林业科学研究院) (河南省林业科学研究院)

农林复合系统是多物种、多层次、多时序和多产业的人工复合经营系统［1］，能够增加土壤有机质、表层土壤养分与水分含量［2－5］，对防治水土流失、提高林木生长量、改善生态环境、增加农民收入具有重要作用［6－9］。但农林复合系统中，林木与作物存在争夺生存空间、土壤养分、水分等现象［10－15］，林木密度［12］、行间距离均会影响林下光能、土壤养分、水分含量与运移的空间改变［16－20］。杨—农复合系统是我国主要的农林复合系统模式之一，开展立体高效组合的杨—农复合模式研究具有重要意义。本研究以沙化区幼龄杨—农复合系统为研究对象，通过比较不同结构(密度、株行距)杨—农复合系统杨树的生长、土壤养分的空间(水平、垂直)分布特征，寻求适合本区域的杨—农复合经营种植模式，实现农林复合可持续经营。

1 研究区概况

研究区域位于安徽省砀山县，地理坐标116°09'～116°38'E，34°16' ～34°39'N。全县总面积1 193 km2，林地总面积844 km2，森林覆盖率70.84%。该区属典型的温带大陆性气候，四季分明，年均气温14 ℃，极端高温41.6 ℃，极端低温－19.9 ℃;年均降水量773 mm，年均蒸发量1 712 mm，年无霜期199 d，日照时间2 481 h，≥10 ℃年积温4 440 ℃，年均风速2.5 m·s－1。地貌以平原为主，间有高坡洼地、缓坡地。成土母质为近代黄河冲积物，硫酸钙含量6% ～14%。轻壤土易次生盐渍化，地下水矿化度较高。植被属于典型的温带落叶阔叶林，主要树种有杨树(Populus)、旱柳(Salix matsudana)、榆树(Ulmus pumila)、臭椿(Ailanthus altissima)、苦楝(Melia azedarach)、苹 果(Malus domestica)、砀 山 酥 梨(Pyrus.spp)等。

实验林分为杨—麦—大豆或药材农林复合系统，于2010年春季造林，面积93.33 hm2，杨树品种为中林2025 杨，株行距为2 m×6 m(M1)、3 m×8 m(M2)和4 m×6 m(M3)三种模式。造林苗木为杨树Ⅰ级合格苗，苗高大于4 m，地径大于3.5 cm。

2 研究方法

2.1 样地设置与林分调查

于2012年2月，在3 种模式的杨—麦农林复合系统中，设置半径10.3 m 的样园(面积333 m2)，每种模式设置3 块样地，共9 块样地，对每块样地的杨树胸径(D)、树高(H)进行每木调查。

2.2 土样采集与与测定

土壤取样依据随机性原则按照季节进行采样，取4 次平均值进行衡量土壤特征。每次取样在林分中选择5 个取样点，使用土壤钻(内径2 cm)按0 ～20 cm(上层)、＞20 ～40 cm(下层)层取混合样，作为试验样品。以单独种植小麦地为对照(CK)，3 次重复。样品采回后，去根茬、石块等杂物，将土样分为两部分:一部分取鲜土，过2 mm 筛后，测定土壤含水率;另一部分土壤样品进行风干，磨碎，过2 mm筛，测定土壤pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、全钙等指标。土壤pH 值采用酸度计测定;有机质采用重铬酸钾、硫酸氧化－外加热法;全N 采用凯氏法;全P 采用NaOH 碱熔—钼锑抗比色法;全K、全Ca采用TAS－990 原子吸收分光光度计法。

不同林地杨树生长和土壤特性的差异显著性用EXCEL2003 和SPSS18.0 中的单因素方差分析(ANOVA)方法进行分析，统计检验用Duncan 检验法。

3 结果与分析

3.1 杨—农复合系统杨树生长状况

2年生中林2025 杨—农复合系统杨树林分结构特征(见表1)。

3 种模式中，杨树造林苗木规格一致，杨树密度M1大于M2、M3，但M2、M3模式的株行距不同。杨树平均胸径、平均树高均以样地5、6 最高，样地3 最小，样地间存在显著差异(p ＜0.05)。同时，按照3种模式比较，杨树的平均胸径、平均树高M2最大，M1最小，3 种模式间均存在极显著差异(p ＜0.01)。

表1 各样地林分特征值

3.2 杨—农复合系统土壤特性

3.2.1 土壤养分状况

各林分土壤养分质量分数见表2。杨—农复合系统土壤含水率为18.14% ～21.98%，均高于同层对照，M1与M2、M3差异显著(p ＜0.05);土壤pH 值(8.35 ～8.62)均低于同层对照，模式间差异不显著(p ＞0.05);同层土壤养分质量分数在三种模式及对照间呈显著差异(p ＜0.05)。总体上，M1模式的土壤有机质质量分数最高，全氮质量分数最低，M3模式上层土壤的全磷、全钾和全钙质量分数最高。

表2 不同林地土壤养分质量分数

四种模式下土壤有机质质量分数上层高于下层，全钾质量分数上层低于下层;M1模式土壤全氮、全磷、全钙质量分数上层低于下层，而M2、M3模式土壤全氮、全磷、全钙质量分数上层高于下层。杨—农复合系统土壤养分比对照有所提高，但加大杨树密度会降低上层土壤养分质量分数。

3.2.2 土壤主要养分的相关性

由表3可见，杨—农复合系统土壤养分间相关性要比对照样地增强，在0 ～20 cm 土层内，对照样地仅有机质与全钙显著相关，而杨—农复合系统全磷与全氮、全钾呈极显著正相关(p ＜0.01);全氮与全钾达到显著正相关。对照样地＞20 ～40 cm 土壤养分间差异均不显著(p ＞0.05)，而杨—农复合系统土壤pH 与有机质、全钙呈极显著负相关(p ＜0.01)，全氮与全磷呈极显著正相关(p ＜0.01)，全钙与全氮、全磷呈极显著负相关(p ＜0.01)。

3.3 杨树生长与土壤养分

杨树的生长与土壤中的部分养分呈显著或极显著相关(表4)。杨树林分平均胸径与0 ～20 cm 土壤有机质呈极显著负相关(p ＜0.01)，与0 ～20 cm土壤全磷、全钾极显著正相关(p ＜0.01)，与＞20 ～4 0cm土壤有机质、全磷、全钙呈显著正相关(p ＜0.05)，与＞20 ～40cm土壤全钾呈显著负相关(p ＜0.05)。林分平均高与0 ～20 cm 土壤有机质呈极显著负相关(p ＜0.01)，与0 ～20 cm 土壤全钾呈极显著正相关(p ＜0.01)，与0 ～20 cm 土壤全磷、＞20 ～40 cm 土壤有机质呈显著正相关(p ＜0.05)。

表3 土壤养分相关性分析

表4 杨树生长与土壤养分的相关性

4 结论与讨论

杨—农复合系统中，各样地杨树的平均胸径、平均树高，受林分结构的影响，样地间存在显著差异(p ＜0.05);三种模式的平均胸径和平均树高M2最大，M1最小，模式间均存在极显著差异(p ＜0.01)。因此，加大造林密度会造成杨树幼年期生长减缓，而在相同小密度情况下，大行距和中株距的配置方式更适合杨树幼年生长，其原因在于杨树是速生阳性树种，对光照、水分、CO2、养分等需求量大，适合的生态位空间才能满足其生长所需。因此，适宜的种植密度和合理的配置方式是提高杨树人工林生产力的重要途径。本研究中林木密度为375 株/hm2左右，M2是中林2025 杨幼龄期的合理配置结构。

杨—农复合系统增加了土壤含水率、土壤全氮质量分数，提高了上层有机质、全钾、全钙以及下层全磷质量分数;降低了土壤pH 和上层全磷、全钾以及下层有机质与全钙质量分数，但相同土层不同指标在模式间存在显著差异(p ＜0.05)，大密度杨树林会降低上层土壤养分的质量分数;杨—农复合系统土壤养分间存在显著或极显著相关性，如:0 ～20 cm 土壤全磷与全氮、全钾呈极显著正相关(p ＜0.01);＞20 ～40 cm 土壤pH 与有机质呈极显著负相关(p ＜0.01)，全氮与全磷呈极显著正相关(p ＜0.01)。

杨—农复合系统中杨树林分平均胸径与0 ～20 cm 土壤全磷、全钾极显著正相关(p ＜0.01)，与＞20～40 cm 土壤全磷、全钙呈显著正相关(p ＜0.05);林分平均高与0 ～20 cm 土壤全钾呈极显著正相关(p ＜0.01)，与0 ～20 cm 土壤全磷呈显著正相关(p ＜0.05)。

农林复合系统虽然会引起光能、水分和养分的竞争而改变分布［5－6］，但林木的根系和枝叶凋落物可为土壤提供大量的有机质［3］;农作物本身可提高土壤中全氮、全磷、全钾和有机质的质量分数［21－22］，对农作物的浇水、施肥、中耕等抚育管理，明显改善了林地土壤的水分、养分状况以及幼龄杨树的营养状况［23］。木本植物的深根既可以吸收未被浅根农作物吸收而从表土层淋溶下来的养分，减小地下水污染，且养分通过木本植物的凋落物和根周转被农作物重复利用，提高了系统养分利用效率，又可以吸收深层土壤或地下水中的养分［24］。本研究中，栽植中林2025 杨树2年后，土壤全氮、有机质、全磷等养分质量分数有所提高，且以小密度宽行距(3 m ×8 m)林分土壤全氮质量分数增加显著(p ＜0.05);密度大的杨—农复合系统土壤有机质质量分数高，中等株行距(4 m×6 m 模式)的林地全磷质量分数高;全钾质量分数随密度加大降低明显，与前人研究结果一致。但本研究间作时间仅2年，后期将持续跟踪观察研究。

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