大别山区低山丘陵板栗林药套种对小气候和土壤性质的影响

向珊珊，李金柱，晏绍良，王柏平，李爱华

（1.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430075；2.罗田县林业局，湖北 罗田 436600）

当前林下经济已经成为我国转变林业经济增长方式、拓展农村经济空间和提高农民经济收入的主要方式，其中林下种植的方式有林粮（油）模式、林菜模式、林药模式、林草模式、林菌模式等[1]。林药复合模式是林下经济的主要形式，也将成为林业产业新经济增长点。板栗是大别山区的传统经济林支柱产业。同时大别山区也是华中药库的重要组成部分，药材品种多，数量大，珍稀药材有天麻、苍术、茯苓、桔梗、射干等，特别是罗田苍术，挥发油含量高达7.3%，是其它产地苍术的1倍以上，是罗田县道地药材[2]。大别山区特别是罗田县林农长期以来有林下种植天麻和苍术的传统习惯。

目前关于林药复合模式的研究较多集中于林药套种对药材的影响、对林木的影响，以及林药复合模式品种选择、种植技术经验和经济效益等[3]，在近年开始出现林药复合经营对林地土壤环境[4]和水分利用[5]等生态功能的影响等相关报道。同时，林地环境的变化也对系统内林木和药材的生长产生反馈作用，对灰枣果园设计布置不同微气候处理后研究发现，无论是环境因子还是土壤养分因子对灰枣果实矿物营养物质的积累均有一定程度的影响[6]。为实现林业可持续经营，并尽可能满足社会对林业的需求，必须持续深入地开展林药复合经营的生态效益研究。板栗林下长期种植药材对环境的影响未见报道。本研究以板栗-苍术和板栗-天麻为研究对象，通过测定林地小气候和土壤理化性质，探讨板栗林药系统的生态效益，为优化和调整林下经济模式、生态环境建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区和试验地概况

试验地设置在湖北省黄冈市罗田县九资河镇河西畈村。地处大别山南麓，海拔320 m，属北亚热带季风气候区，冬干冷夏湿热，春暖秋凉，每年平均日照率为46%，实际日照时数为2 305 h，太阳光辐射年均达498 kJ/cm2，为湖北省一级光能区；年均气温16.4 ℃，极端最高气温41.6 ℃，极端最低气温-14.6 ℃，全年无霜期238 d；年均降水量1 330 mm，全年降雨多集中在5、6、7三个月，约占全年降雨量的50%左右。成土母质主要为片麻岩及其坡积物发育起来的山地黄棕壤，质地偏沙，滤水性强，耕性良好，肥力中等偏上，有机质含量≥0.8%，土壤pH值5.0～6.0[7-8]。

试验板栗林树龄约15 a，密度为45株/667 m2，板栗品种为中迟栗。设置板栗-苍术、板栗-天麻2个复合模式，以板栗纯林为对照，面积各约为700 m2。试验林地于2014年开始种植苍术和天麻，天麻搭棚高度为1.5 m。3个试验区均无人工除草措施。

1.2 观测和统计

试验观测时间为2015年5～10月，小气候测定指标有10、20、30 cm地温，林下气温日较差、日均温和林下湿度。土壤物理性质测定指标有土壤含水率、容重、最小持水量、总孔隙度，土壤化学性质测定指标有全效氮磷钾、速效氮磷钾、有机质和pH值等。

每月25日左右用地温计分别测定3个样地10、20、30 cm的地温，每深度地温重复10次。将温湿度仪固定在板栗树下离地面1.2 m的位置，温湿度仪自设置开始，每2 h测定环境温度和湿度并自动记录。气温日较差为日最高温与日最低温之差。日均温取每日2时、8时、14时、20时气温均值。温湿度每半月统计1次，记录连续5日平均值。

土壤理化性质存在很强的时空变异，采用多点多次采样方法，分别于5月和10月在距离板栗树干50 cm以外的空地用100 cm3环刀和土钻分别取10～30 cm土样，测定土壤物理性质和化学性质，每样地重复3次。

数据用Excel 2003和SPSS17.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 套种对板栗林地温的影响

板栗纯林、板栗-苍术和板栗-天麻3个样地地温的差异主要来源于植株根系的呼吸作用、根际微生物的活动和地面环境的影响。从5月下旬到10月下旬每隔1个月分别测量记录了各样地10、20和30 cm地温，从统计分析结果总体来看（见图1），数据结果很好地验证了地温随土层加深而降低，并且跟随季节变动的结论；同时，5—9月，3个模式的10 cm地温差异显著，20和30 cm地温趋向于无显著差异，说明板栗林下套种主要影响了地表10 cm的地温，随着土层加深，不同模式间的地温差异变小。

5—9月（见图1-A）板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻10 cm地温差异显著或极显著，其中，板栗-天麻10 cm地温最低（20.6～25.5 ℃），且显著低于板栗纯林（21.9～26.6 ℃）。板栗纯林没有人为除草，与板栗套种苍术林相似，10 cm土层分布着大量草本根系，因此2者地温几乎无显著差异；板栗-天麻的10 cm土层经耕作几乎没有草本根系，并且受林下搭棚遮蔽，地温显著降低。10月（见图1-A）板栗-天麻20 cm地温（17.6 ℃）显著高于板栗纯林（17.1 ℃）和板栗-苍术（17.1 ℃）。天麻主要栽种于20 cm土层，10月下旬临近天麻采收期，天麻生长活动加速，导致地温升高。综合分析结果可以得出，板栗林套种苍术后，对地温影响不大；套种天麻后，特别是搭棚种植时，会导致地温显著降低。

图1 板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻10 cm、20 cm和30 cm地温。Fig.1 Soil temperature of 10cm, 20cm and 30cm in pure chestnut forest, chestnut- rhizoma atractylodis and chestnut- gastrodia

2.2 套种对板栗林大气温湿度的影响

图2～图3分别显示了板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻3个模式在主要生长季，即6月22日—10月8日期间的平均气温日较差、平均日均温和平均湿度的变化。平均气温日较差的差异主要来源于地面植被和周围“自由大气”调节作用的影响。从图3看出，板栗-苍术和板栗-天麻平均气温日较差都低于板栗纯林；板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻3个模式的平均气温日较差从8月23日开始接近或者达到10 ℃以上，其中10月8日最大，分别达到15.7、14.4和14.1 ℃，差异不显著（p=0.554）；其次是8月23日，分别达到13.3、12.7和12.1 ℃，差异不显著（p=0.281）。板栗纯林的日平均气温始终最高（见图2），比板栗-苍术和板栗-天麻高了1.0～1.1 ℃。板栗-苍术和板栗-天麻2个模式日平均气温差异很小。板栗-天麻的林下大气湿度稳定地高于板栗纯林（见图3），板栗-苍术的林下大气湿度波动较大，在8月8日后低于前2者。

对板栗林气温日较差、日平均气温和日平均湿度进行pearson相关分析（见表1）可知，日平均气温、日平均湿度均与气温日较差呈显著负相关（r=-0.789，r=-0.870），日平均气温和日平均湿度呈显著正相关（r=0.698）。

2.3 套种对板栗林土壤物理性质的影响

图2 板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻气温日较差、日平均气温变化Fig.2 The average diurnal range temperature and the average daily temperature in pure chestnut forest,chestnut- rhizoma atractylodis and chestnut- gastrodia

图3 板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻平均湿度变化Fig.3 The average atmospheric humidity in pure chestnut forest, chestnut- rhizoma atractylodis and chestnutgastrodia

表1 板栗林气温日较差、日平均气温和日平均湿度相关系数Table 1 Correlation coefficients between the diurnal range temperature, the average daily temperature and the average atmospheric humidity

根据药材种植特点，不同的药材种植对林地土壤物理特性产生不同的影响。分别在5月和10月检测不同套种模式板栗林土壤含水量、容重、最小持水量和总孔隙度等物理性质（见表2）。5月时土壤含水量为8.31%～10.95%，容重为1.06～1.28 g/cm3，最小持水量为210.11～280.32 g/kg，孔隙度为43.78%～48.51%；10月时土壤含水量为4.51%～6.05%，容重为1.14～1.34 g/cm3，最小持水量为247.19～294.80g/kg，孔隙度为40.62%～45.07%。

表2 不同模式板栗林土壤物理性质Table 2 Soil physical properties of the pure chestnut forest, chestnut- rhizoma atractylodis and chestnut- gastrodia

分析结果表明，板栗纯林、板栗-苍术、板栗-天麻等3个模式的土壤含水量、最小持水量和总孔隙度等土壤物理性质在同一时期差异性基本一致。三者土壤含水量和总孔隙度无显著差异。容重表现为板栗-天麻＞板栗纯林＞板栗-苍术，其中板栗-天麻和板栗-苍术差异显著（5月：p=0.005；10月：p=0.035），表明板栗套种苍术后，土壤熟化程度增加；套种苍术和天麻对土壤熟化程度的影响差异显著。最小持水量表现为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，其中板栗-苍术和板栗-天麻差异显著（5月：p=0.029；10月：p=0.023），表明板栗套种天麻后，土壤持水能力降低；套种苍术和天麻对土壤持水能力的影响差异显著。

2.4 套种对板栗林土壤化学性质的影响

分别在5月和10月检测不同套种模式板栗林土壤全效氮磷钾、有效氮磷钾、有机质和pH值等化学性质（见表3），对照湖北省板栗土壤养分分级标准[9]进行分析。结果表明，全氮和有效氮的含量大小顺序为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，板栗-苍术土壤全氮和有效氮含量分别比板栗纯林高45.9%和28.8%，2者有效氮含量处于适量水平；板栗-天麻土壤全氮和有效氮含量分别比板栗纯林低27.0%和48.5%，有效氮平均含量为39.5 mg/kg，处于低量水平。说明板栗套种苍术后土壤全氮和有效氮含量增加，套种天麻后相反。

表3 不同模式板栗林的土壤化学性质Table 3 Soil chemical properties of the pure chestnut forest, chestnut- rhizoma atractylodis and chestnut- gastrodia

全磷含量大小顺序为板栗-天麻＞板栗-苍术＞板栗纯林，速效磷含量大小顺序为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，板栗-苍术土壤全磷和有效磷含量比板栗纯林分别高2.5%和36.2%，板栗-天麻土壤全磷和有效磷含量比板栗纯林高22.8%和低24.2%，说明板栗套种苍术后全磷和有效磷含量增加，套种天麻后全磷含量增加，而有效磷含量降低。

全钾含量大小顺序为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，板栗-苍术土壤全钾含量比板栗纯林高7.4%，比板栗-天麻高27.5%；有效钾含量大小顺序为板栗纯林＞板栗-天麻＞板栗-苍术，范围为43.6～78.9 mg/kg，均处于低量水平，板栗-苍术和板栗-天麻土壤有效钾含量比板栗纯林分别低28.8%和23.9%，说明套种苍术和天麻后，土壤有效钾含量降低。

有机质含量大小顺序为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，板栗-苍术土壤有机质含量处于高量水平，比板栗纯林高63.2%，比板栗-天麻高77.2%。板栗纯林和板栗-天麻的土壤有机质均处于适量偏低水平。说明板栗套种苍术后，土壤有机质明显增加，套种天麻相反。

综合分析结果，板栗套种苍术后，全效氮磷钾、有效氮磷和有机质均有增加，有效改善了板栗林地土壤养分状况；套种天麻后，全效氮钾和有效氮磷钾含量降低，特别是有机质含量大幅降低。

3 结论与讨论

（1）板栗林下套种苍术和天麻，对林地土壤温度、林下温湿度分别产生了不同的影响。板栗林下套种主要降低了表层10 cm的地温，并且随着土层加深，不同模式间的地温差异变小。在生长季，板栗-天麻10 cm地温低于板栗-苍术，显著低于板栗纯林。板栗林下套种后气温和气温日较差均下降，板栗-天麻的林地大气湿度升高。不少同类研究报道了林下套种对小气候具有调节作用[10]。董成森等[11]研究表明亚热带红壤丘陵区茶-杉复合茶园气温、土壤温度低于单一茶园，湿度高于单一茶园。李会科等[12]报道黄土高原旱地苹果行间种植白三叶和多年生黑麦草，生草调节了苹果园近地层的大气温度、提高了果园的相对湿度，调节土壤温度。Budelman[13]研究发现大叶千斤拔的凋落物覆盖层对0～5 cm土层的温度有显著影响，能够降低土壤温度。本试验中，种植天麻时深翻土地、地表覆盖稻草，并且根据天麻生长需要，在低海拔种植时人为架设了荫棚，10 cm土层没有丰富的植物根系，根系呼吸和微生物分解减弱；苍术植株高40～60 cm，较好地覆盖了地表，阻碍了热量传递，因此，在人为和植株双重作用下，套种后板栗林下地温降低、气温和气温日较差降低，湿度有所升高。从有利于板栗生长的角度考虑，板栗-苍术对板栗的影响更小。

（2）板栗林药套种时，由于药材生长特性和管理模式等差异，土壤中有机质的来源和转化不同，直接引起了林地表层土壤物理性状的改变，主要表现在土壤结构[14-15]、土壤坚实度[16-17]、土壤孔隙度和土壤含水量等方面，间接影响着土壤水分、空气和养分的移动性和可利用性[18]，从而影响土壤有机质和其它养分的含量[19]。本研究中，容重表现为板栗-天麻＞板栗纯林＞板栗-苍术，最小持水量表现为板栗-苍术＞板栗纯林＞板栗-天麻，板栗-苍术土壤全效氮、全效磷、全效钾、有效氮、有效磷和有机质均有增加，板栗-天麻土壤全效氮、全效钾、有效氮、有效磷、有效钾含量降低。结果表明板栗林下套种苍术后，土壤熟化程度增加，土壤养分含量上升；套种天麻后，土壤持水能力降低，养分流失消耗。3种模式土壤化学性质变化契合了土壤结构变化。板栗套种天麻后，天麻深耕、填埋、后覆盖的种植方式，极大地扰动了土壤结构，影响了土壤养分传输、氧气可利用性，微生物和动物呼吸等土壤物理、化学及生物学过程，并且天麻生长后期鳞茎膨胀迅速增大了养分需求，导致土壤养分减少，有机质含量大幅降低，需要及时补充养分。

（3）林木、药材等生物因子和小气候、土壤养分等环境因子存在复杂的相互反馈作用[20]。综合试验结果，从套种后对环境的影响来考量，板栗林下套种苍术，对小气候的不利影响更小，对土壤养分的有利影响更大，与套种天麻相比，有较好的生态效益。板栗林下套种天麻时，对林地土壤干扰大，容易引起土壤养分流失，应注意调整栽培方式，避免连茬种植，并及时施肥，维持地力。

单一以经济指标或者生态指标评价林下经济模式都是不全面的，应该根据不同林下经济模式的特征，选择具有系统性、代表性、科学性、层次性和操作性的指标，综合经济效益、生态效益和社会效益进行评价[21]。在目前的林下作物选择中，更多考虑的是经济效益，因此，为保障林下经济系统的可持续发展，生态社会效益评价应在今后的林下经济建设中得到广泛应用。

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