桉-草复合经营模式土壤理化性质动态分析

韦铄星 ，刘晓蔚 ，刘雄盛 ，张 烨 ，黄荣林 ，刘 菲 ，蒋 燚

（1.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.国家林业局中南速生材繁育实验室，广西 南宁 530002；3.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002）

桉树Eucalyptusspp.为世界三大速生树种之一，在广西种植桉树具有良好的气候优势。随着桉树在广西种植的规模和范围不断增大，其栽培管理技术亦不断提高。近年来，桉树人工林复合经营研究已成为广西桉树人工林栽培技术的热点之一，正确选择桉树人工林复合经营模式，可获得较好的经济效益。有学者[1]从18种桉树复合经营模式中初步选择出6种经济效益较优的模式，与桉树纯林对比净收益率在17.77%～45.53%，并根据广西所处地理位置及气候特点，设置桉树+木薯、桉树+甘蔗、桉树+花生、桉树+柱花草、桉树+山毛豆、桉树+桂牧1号、桉树+扶芳藤、桉树+金银花、桉树+鸡骨草9种适合广西发展的桉树人工林复合经营模式。有研究表明，在桉树人工林下有目的地间作牧草、农作物和药材等能有效改良土壤的理化性状[2-3]，提高光照和土壤等资源的利用率。但是，桉树人工林复合经营一个轮伐周期中土壤理化性质动态变化的研究报道还未见到。本文以桉树+象草、桉树+山毛豆和桉树+柱花草3类牧草的6种复合经营模式为处理，桉树纯林为对照，测定分析不同桉树人工林复合经营模式土壤理化性质在一个轮伐周期的动态变化特征，并运用灰色系统理论方法，进行各模式间的定量关联分析，旨在为广西桉树人工林复合经营模式的发展及其优良模式的筛选提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

广西国有七坡林场跨南宁市的江南区、良庆区、扶绥县，以丘陵地貌为主，海拔一般在200 m以上，坡度20°～30°；属南亚热带气候，日照时间长，全年日照时数在1 800 h以上，年平均气温21.6 ℃，极端低温-1.5 ℃，极端高温38 ℃；全年降雨量1 200～1 300 mm，年蒸发量1 600～1 800 mm，相对湿度为79%左右。

1.2 模式设计

2009年4月营造试验林，桉树品种为‘广林9号’，在行间离桉树1 m的地块套种牧草。设有桉树（2 m×3 m）+象草（A1）、桉树（2 m×3 m）+山毛豆（A2）、桉树（2 m×3 m）+柱花草（A3）、桉树（2 m×6 m）+象草（B1）、桉树（2 m×6 m）+山毛豆（B2）、桉树（2 m×6 m）+柱花草（B3）6种间种模式，设3次重复，每次重复设一个对照（CK）样地，各栽培种植技术等同于常规管理。

1.3 研究内容

鉴于桉树人工林正常砍伐周期为5年，本试验分别于造林初期（2009年11月）、中期（2011年11月）、后期（2013年11月），采用对角线取样方法采集上（0～20 cm）下（20～40 cm）土样。每个样地取3个点挖掘土壤剖面，在3个土壤剖面上下层用环刀分层采集土壤原状土壤，测定各林地土壤物理性质。每个点分上下层分别取土大约1 kg，带回实验室风干、研磨、过筛、混合分样、贮存，用于测定上壤pH值及养分等指标。

1.4 土壤物理性质测定方法

土壤容重采用环刀法。用环刀取回原状土，用水浸泡一定时间，使其达到饱和，然后放置不同时间将士壤孔隙中多余的水排出，计算不同持水性能下的持水量。其中：土壤容重=烘干土重/容积，总孔隙度=非毛管孔隙度+毛管空隙度，毛管空隙度=毛管持水量×土壤容重/水的密度，土壤田间持水量采用室内测定法。

1.5 土壤pH值及养分含量测定方法

pH值用pH计测定；有机质含量用重铬酸K氧化-外加热法测定；土壤全N含量用硫酸-双氧水消煮蒸馏定氮法测定；土壤全P含量用硫酸-双氧水消煮钒钼黄比色法测定；土壤全K含量用硫酸-双氧水消煮火焰光度计法测定；土壤速效N含量用扩散法测定；土壤速效P含量用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效K含量用火焰光度计法测定[4]。

1.6 数据处理与分析

实验数据处理和图表绘制采用Excel软件；数据统计、相关性分采用SPSS19.0软件。运用灰色系统理论的原理与方法[5-6]，对不同模式土壤理化性质进行灰色关联分析及关联排序。

参考数列：

式中X0为各项指标中的最大值组成的数列，X0j表示不同模式土壤理化性质指标中第j个指标的最大值，j=1，2，…，11。

比较数列：

式中，X ij表示第i种模式土壤理化指标中第j个指标定值；i=1，2，…，7；j=1，2，…，11。

无量纲化采用直线型标准化方法：

关联系数：

式 中，Δmin=miniminj(ij)，Δmax=maximaxj(ij)，ζ为分辨系数，取0.5。

关联度：

式中N=11。

2 结果与分析

2.1 不同经营模式对林分土壤物理性质变化的影响

根系可以改善土壤结构、孔隙度和通透性等物理形状，有助于土壤形成团粒结构[7]。土壤的孔隙度及土壤含水量反映了土壤持水量和供水能力，是土壤结构的重要指标，其值越大，土壤的涵养水源和保持水土的能力越强[8]。由表1可知，在相同时期，各模式0～20 cm土层的土壤容重均小于20～40 cm土层，0～20 cm土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度及田间持水量均大于20～40 cm土层。在相同时期相同土层，土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量在不同种植模式间的差异均达极显著水平（P＜0.01）。

从表1可以看出，各模式的土壤容重在相同土层中均随种植时间的延续呈增长趋势，且在不同时期不同土层各模式间土壤容重大小顺序一致，均表现为CK＞B3＞A3＞ B1＞A1＞B2＞A2。各模式的土壤总孔隙度在相同土层中均随种植时间的延续呈减小趋势，且模式间大小顺序一致，与土壤容重顺序相反，均表现为A2＞B2＞A1＞B1＞A3＞B3＞CK。各模式的土壤毛管孔隙度、持水量在相同土层中均随种植时间的延续呈增长趋势，且模式间大小顺序一致，与土壤总孔隙度顺序相同，基本表现为A2＞B2＞A1＞B1＞A3＞B3＞CK。这表明，土壤物理性状受间种牧草的种类影响较大，种植象草的A2、B2模式在改良土壤结构，增加土壤持水能力方面，比种植山毛豆和柱花草更有优势。

2.2 不同经营模式下土壤养分含量的变化

2.2.1 不同经营模式下土壤pH值和有机质含量的变化

土壤的酸碱度可影响土壤中的化学反应，使土壤元素有效性发生变化。从表2可见，相同土层不同模式间pH值存在着不同程度的差异；各模式土壤pH值大小均集中在4.08～4.43之间，不同模式间无明显差异。

土壤有机质是评价土壤性质的重要指标之一，它不仅能促进土壤团粒结构的形成，改善土壤结构，还能增强土壤的保肥和供肥能力，提高土壤养分的有效性[9]。从表2可知，各模式的上层土壤有机质含量明显高于下层。在相同时期相同土层，土壤有机质含量在不同种植模式间的差异均达极显著水平（P＜0.01）。在0～20 cm土层的土壤中，A1、A2、A3和CK模式中土壤有机质含量随造林年份的增加呈现先减后增趋势，B1、B2和B3模式为持续减少趋势；2009年造林初期各模式间土壤有机质含量大小表现为A2＞B2＞A1＞A3＞B1＞CK＞B3，随着间作牧草的生长，5年后各模式的土壤有机质含量大小顺序为B2＞A 2＞A1＞B1＞A3＞B3＞CK。

在20～40 cm土层的土壤中，2009年造林初期各模式间土壤有机质含量大小表现为A2＞B2＞A1＞A3＞CK＞B3＞B1，2011年造林中期为B2＞B1＞A2＞B3＞A1＞A3＞CK，2013年造林后期为A2＞A1＞B2＞B1＞B3＞A3＞CK。可见，桉树林下间作象草的A2、B2模式土壤有机质含量较高，具有较好的保肥和供肥能力，这可能与象草为禾本植物，生长繁茂迅速，可产生较多的枯枝落叶有关；至2013年，各复合经营模式上、下层土壤有机质含量均高于CK模式，提高幅度在4.7%～55.1%之间，A2模式提高幅度最大。因此，单一桉树种植模式相比，桉树间作牧草复合经营模式提高土壤有机质含量的效果更显著。

表1 不同种植模式下的不同土层土壤容重、孔隙度及田间持水量†Table 1 Soil bulk density, porosity and field capacity of different soil layers under different planting patterns

表2 不同种植模式下的不同土层土壤pH值、有机质含量Table 2 pH and soil organic matter of different soil layers under different planting patterns (g·kg-1)

2.2.2 不同经营模式下土壤全N、全P、全K含量的变化

土壤全N、全P、全K的含量是反映土壤长期肥力水平的重要指标。从表3可知，在相同时期相同土层，单位土壤体积中的全N、全P、全K的含量在不同模式间存在着不同程度的差异。在相同时期，各模式0～20 cm土层的全N、速效N、速效P和速效K含量均大于20～40 cm土层，全P和全K含量的大小则在不同土层间不显著。在0～20 cm土层的土壤中，从全N含量而言，2009年造林初期效果为A2＞B1＞A1＞A3＞B2＞CK＞B3。2011年造林中期为B1＞A1(A2)＞B2＞A3＞CK＞B3，2013年造林后期为B1＞B2＞A1＞A2＞CK＞A3＞B3；随着间作物的生长，在林分的不同生长期，B3和CK模式中N含量为先减低后升高的变化趋势，其他模式均表现为持续降的趋势。从全P含量而言，在种植初期各模式全P含量大小顺序为A2＞A1＞A3＞B2＞B1＞B3＞CK，在中期A2＞A1＞B2＞A3＞B1＞CK＞B3，在后期为A2＞A1＞B2＞A3＞B1＞B3＞CK；除A2模式以为，其他模式全P含量均表现为先减低后升高的趋势。从全K含量而言，种植初期各模式全K含量表现为B2＞A2＞A3＞A1＞B1＞B3＞CK，中期为B2＞A2＞A1＞B1＞A3＞B3＞CK，后期为B2＞A2＞A1＞A3＞B1＞CK＞B3；A1和A2模式土壤全K含量呈现先减小后增加模式，其他模式均为逐年减小趋势。

在20～40 cm土层的土壤中，从全N含量而言，2009造林初期各模式间全N含量大小顺序为A1(A3)＞A2＞B2＞B1＞B3＞CK，2011年为A2＞B2＞A1＞B1＞A3＞CK＞B3，2013年为A2＞ A1(B2)＞A3＞B1＞B3＞CK；各模式全N含量均表现为持续减小趋势。从全P含量而言，在种植初期各模式全P含量大小顺序为A1(A3)＞A2＞B2＞B1＞B3＞CK，在中期A2＞A1＞B2＞ A3＞B1＞B3＞CK，在后期为A2＞A1(B2)＞A3＞B3＞B1(CK)；各模式全P含量均表现为先减小后增加的趋势。从全K含量而言，种植初期各模式全K含量表现为A2＞B2＞A1＞B3＞A3＞B1＞CK，中期为B2＞B1＞A2＞B3＞A1＞A3＞CK，后期为A2＞B2＞B1＞A1＞ A3＞B3＞CK；B3模式全K含量呈逐渐减小趋势，其他模式表现为先减小后增大的变化趋势。综合以上不同种植模式不同土层的土壤全N、P和K含量分析结果表明，A1、A2和B2模式提高土壤全量养分含量的效果较好。

2.2.3 不同经营模式下土壤碱解N、速效P、速效K含量的变化

土壤速效养分是地被植物生长发育的重要基础。表4结果表明，各模式0～20 cm土层的土壤速效养分含量均比20～40 cm土层高，且相差均在3%以上，最大相差达66.7%。在0～20 cm土层，在相同时期碱解N、速效P和速效K的含量在不同种植模式间的差异均达极显著水平（P＜0.01）。就速效N而言，不同模式间的效果为：在2009年A1＞A2＞A3＞B1＞CK＞B2＞B3，2011年A1＞A2＞B1＞A3＞B2＞CK＞B3，2013年B1＞A1＞B2＞A2＞ B3＞CK＞A3；各模式速效N含量均表现为持续减小趋势。从速效P含量而言，2009年A2＞B1＞ B2(A3)＞A1＞B3＞CK，2011年A2＞B2＞A1＞A3＞B1＞ B3＞ CK，2013年 A1(A2)＞ B2(A3)＞B1＞B3＞ CK；各模式速效P含量动态变化差异较大，其中A1和A3模式为持续增加趋势，A2和B2模式为先增加后减小的趋势，CK、B1和B3模式为先减小后增加趋势。从速效K含量而言，各模式三年的测定分析结果基本一致，表现为A2＞A1(A3)＞B2＞B1＞B3＞CK，且各模式速效K含量均为逐年减小。

表3 不同处理条件下土壤全N、全P、全K含量的变化Table 3 Changes of the content of the soil total N, total P, total K under different treatments (g·kg-1)

由表4可知，在20～40 cm土层的林分土壤中，在相同时期碱解N、速效P和速效K的含量在不同种植模式间的差异均达极显著水平（P＜0.01）。就速效N而言，2009年A1＞A2＞B1＞A3＞B2＞CK＞B3，2011年B1＞A1＞B2＞B3＞A2＞A3＞CK，2013年A1＞B1＞B2＞A2＞ B3＞A3＞CK；各模式速效N含量均表现为先增加后减少的趋势。从速效P含量而言，2009年A2＞A1＞A3＞B2＞B3＞B1＞CK，2011年A2＞B2＞A1＞A3＞CK＞B1＞B3，2013年A1(A2)＞CK＞ B1(B2)＞ B1＞B3；各模式速效P含量动态基本表现为先增加后减少的趋势。从速效K含量而言，2009年A2＞A1＞A3＞B2＞B3＞B1＞CK，2011年A2＞A1＞A3＞B2＞B1＞B3＞CK，2013年A2＞A1(B2)＞A3＞B1＞B3＞CK；且各模式速效K含量均表现为逐年减小趋势。综上分析显示，A2、A1和B2模式提高土壤速效养分含量的效果较好。

表4 不同处理条件下土壤中碱解N、速效P、速效K含量的变化†Table 4 Changes of the content of the soil alkaline hydrolysable N, available P, available K under different treatments(mg·kg-1)

2.3 不同经营模式土壤养分性质的灰色关联分析

不同种植模式相同土层各个指标的变化趋势与种植模式之间的对比相关性均存在不同程度的差异，为定量评价不同种植模式改善土壤物理性质和提高土壤养分含量的效果，运用灰色关联分析法进行量化处理分析。对土壤容重取倒数进行正相关处理后，选取相同土层中土壤容重倒数值、总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K等11个指标中的最大值作为参考数列，以相同土层中各模式的3个时期测定的平均指标值作为比较数列，进行无量纲化处理，处理结果如表5所示。

结合灰色理论及相关公式，计算出相同土层各模式的关联系数（K=0.5）及关联度，见表6。关联度越大，表示比较数列与参考数列的变化趋势越接近，即表明该模式改善改善土壤物理性质，提高土壤养分含量效果更好。

由表6可以看出，在0～20 cm土层中，各种植模式的关联度大小排序为：A2(0.9460)＞B2(0.7921)＞ A1(0.7404)＞ B1(0.6957)＞ A3(0.6274)＞B3(0.5620)＞CK(0.5473)，表明在0～20 cm土层，A2模式改善土壤理化性质的效果最显著。在20～40 cm土层中，各种植模式的关联度大 小 排 序 为：A2(0.9578)＞A1(0.7382)＞B2(0.7223)＞B1(0.66242)＞A3(0.6019)＞B3(0.5581)＞ CK(0.5151)，表明在20～40 cm土层中，A2模式改善土壤物理性质，提高土壤养分含量效果也最显著。

表5 不同种植模式不同土层土壤物理性质和养分含量数据无量纲化的处理结果Table 5 Results of data dimensionless of soil physical properties and nutrients contents of different layers under different planting patterns

表6 不同种植模式不同土层土壤物理性质和养分含量指标关联系数及关联度Table 6 Correlation coefficients and correlation degrees of soil physical properties and nutrient indexes of different layers under different planting patterns

3 结论与讨论

（1）在相同造林时期，0～20 cm土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量均大于20～40 cm土层，各指标在不同模式间相同土层的大小排序均表现为A2＞B2＞ A1＞B1＞A3＞B3＞CK，而上层土壤容重均小于下层，且不同模式间大小排序与土壤总孔隙度相反。在不同时期，各模式的土壤容重、毛管孔隙度和田间持水量在相同土层中呈增长趋势，均表现为初期＜中期＜后期，而土壤总孔隙度呈减小趋势。在相同时期相同土层，土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量在不同模式间均存在着不同程度的差异，与其他模式相比，A2模式在改良土壤物理性状方面效果最好。

（2）在造林时期相同土层土壤中，各模式的土壤有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P、和速效K的含量在不同模式间均存在着不同程度的差异。在同一造林时期，0～20cm土层土壤的有机质、全N、速效N、速效P和速效K含量均大于20～40 cm土层，而全P和全K含量的大小在上下层均无显著排序。随着造林时期的变化，各模式在不同时期的土壤有机质和养分含量变化趋势不同，多数呈现持续减小和先减后增趋势。综合对比发现，间作象草的A2模式在提高林地有机质及土壤养分含量方面效果最好。

（3）灰色关联分析结果表明，不同种植模式改善土壤物理性质、提高土壤养分含量的排序在0～20 cm土层为：A2(0.9460)＞B2(0.7921)＞A1(0.7404)＞B1(0.6957)＞A3(0.6274)＞B3 (0.5620)＞CK(0.5473)； 在20～40 cm土层 为：A2(0.9578)＞ A1(0.7382)＞ B2(0.7223)＞B1(0.6624 2)＞A3(0.6019)＞B3(0.5581)＞CK(0.5151)。A2模式上下层关联系数均为最大值，分别为0.9460和0.9578，进一步说明A2模式改善土壤物理性质，提高土壤养分含量效果最显著。

通过对不同种植模式不同土层的土壤理化性质的测定，分析比较了同一种植模式不同土层以及相同土层不同种植模式，在不同时期的土壤理化性质动态特征，运用灰色理论关联分析法定量比较了同一土层不同种植模式对土壤理化性质的改善效果，筛选出改善土壤物理性质，提高土壤养分效果显著的模式。

相关研究发现，农林复合模式土壤容重及孔隙度优于单一种植模式[10-12]，本试验中，土壤总孔隙度、毛管孔隙度及田间持水量在不同模式间相同土层的大小排序均表现为A2＞B2＞A1＞B1＞A3＞B3＞CK，恰好验证了这一结论。这是因为农林复合模式下植物根系分布比单一模式复杂，根系在土壤中穿插、挤压以及死亡形成通道，使得土壤变得疏松，土壤容重减小，孔隙增多，进而起到改良土壤结构的功效。

在同一造林时期，0～20 cm土层土壤的有机质、全N、速效N、速效P及速效K含量均大于20～40 cm土层。一方面，这与牧草的根系分布及地表覆盖物有关[11]，间作牧草的根系较多，且集中分布在0～20 cm土层，在代谢较快的细根死后，能有效提高相应土层土壤有机质含量；另一方面，造林后前2年的施肥抚育管理中，施肥方式等因素将直接影响土壤上层养分含量。

本试验还发现，各模式在不同时期的土壤有机质和养分含量变化趋势不同，并多数呈现持续减小和先减后增趋势。这可能也是人为经营管理过程干扰造成的，造林后的抚育施肥管理，迅速提高土壤的养分含量，随着2年后人为抚育施肥工作的停止，各土壤养分含量将有所下降，而部分模式后期依靠植物自身养分循环，某些土壤养分含量也随之有所提高。比如，在0～20 cm土层，各模式速效N含量均表现为持续减小趋势，而在20～40 cm土层，各模式全P含量均表现为先减小后增加的趋势。农林复合经营土壤养分的变化动态具有多样化，受人为经营活动干扰较大，经营过程中的土壤养分含量合理分配，有待更进一步的深入研究。

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