杉木纯林及杉木火力楠混交林林分结构及土壤养分分析

陈凯，翟志军，王振宇，杨梅

(1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2.广西七坡林场，广西 南宁 530225)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的商品用材树种,因其干形通直、生长迅速、耐腐蚀性强、用途广而被我国南方地区大面积种植[1]。然而随着杉木林面积不断扩大,连栽代数的增加，导致地力衰退、生产力下降等一系列问题[2]。保持杉木人工林的持续生产力和稳定性已成为当前林业生产中急需解决的重大问题,而营造杉阔混交林则被认为是提高林地生产力的有效途径之一[3-5]。

火力楠(Micheliamacclurei)是南亚热带长绿阔叶树种，其生长快，材质优良，改土效果好，是良好的混交伴生树种[6-9]。在我国一些杉木混交林的研究中，林照授[10]在对杉木与火力楠混交林生长过程研究中表明10年杉木+火力楠混交林中，火力楠作为伴生树种，有利于杉木的生长，生长过程中杉木胸径大于火力楠，树高相差不大，材积始终大于火力楠，可见这两种树种混交关系比较协调。冯宗炜[11]等研究表明，杉木+火力楠混交林林分蓄积量及乔木层储存的能量分别比杉木纯林高13.7%和11.3%，且混交林促进了土壤理化性质的改良，提高了土壤肥力。林地土壤养分与林分生长关系密切，研究表明[12]，杉木混交林能够提高土壤有机质和养分含量，并且土壤pH和有机质含量对杉木的胸径和树高影响显著，全氮含量对杉木树高影响显著。陈德旺[13]报道，杉木混交林有利于提高土壤的速效养分。目前对我国杉木偏南部边缘产区的林分生长及混交效果方面的研究较为缺乏。鉴于此，本文在广西杉木边缘产区南宁市郊对杉木+火力楠混交林和杉木纯林生长分化、林分结构和土壤肥力状况进行比较分析，为今后进行杉木纯林改造、选择杉木混交树种提供参考。

1 研究地概况

研究地点位于广西南宁市郊(107°59′—108°18′ E，220.28°—220.46° N)。该地区属南亚热带季风型湿润-半湿润气候，干季 (10月至次年3月)和湿季(4—9月)明显。年均气温21 ℃左右，极端最高气温39 ℃，极端最低温-2 ℃，≥10 ℃的年积温7 500 ℃，年均降雨量1 200～1 500 mm左右，年蒸发量1 250～1 600 mm，年相对湿度79%。地貌类型以低山丘陵为主，海拔低于300 m，地带性土壤为花岗岩发育的山地红壤，土层厚度>80 cm，pH值4.0～4.7，为酸性土壤。土壤富含氮，而硼、锌、磷则相对较少。林下植被主要草本有五节芒、竹节草、铁芒箕等，灌木有盐肤木、桃金娘、野牡丹等。

表1 不同林分类型样地概况

2 研究方法

2.1 林分概况

在研究区内，分别选择立地条件相似的杉木+火力楠混交林、杉木纯林2种林分类型进行调查研究,在样地内进行每木检尺，详细记录样地坡位、坡向、坡度、海拔等因子(表1)。

2.2 调查方法

选取杉木火力楠混交林、杉木纯林分别设置3个样地，每个样地面积为20 m×20 m，对样地林木进行每木检尺,并实测每株树木胸径及其高度、冠幅。在标准地内采用对角线法从上、中、下坡分别挖取土壤剖面，分层采集0～20 cm、20～40 cm土壤样品，带回实验室于室内自然风干，过孔径筛(全量养分过0.25mm孔径筛，速效养分过2 mm孔径筛)、贮存，用于土壤养分测定。

2.3 土壤养分测定

全N、全P、氨态N、速效P均使用全自动间断化学分析仪测定，其中全N、全P采用H2SO4-HClO4消煮法，定容、过滤后提取全N、全P待测液；2 mol·L-1KCl溶液浸提土壤，震荡过滤取氨态N待测液；0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1H2SO4溶液提取速效P待测液。采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定全K、速效K含量，记录检流计上的读数，然后从标准曲线上求得其浓度。

2.4 林分生长指标计算

(1)单株材积：不同树种的材积按照广西林业勘测设计院和广西农学院林学分院共同编制的《森林调查手册》[14]中的材积模型来确定。

(2)蓄积量：单株平均立木材积×林分保留株数。

(3)直径离散度：Ka=(Dmax-Dmin)/D平均

式中：Ka为直径离散度；Dmax为林分最大直径，Dmin为林分最小直径；D平均为林分平均直径。

2.5 数据统计

试验数据采用SPSS 17.0统计软件和Excel 2003进行处理并进行方差分析、相关性分析(Pearson)。

3 结果分析

3.1 林分结构

3.1.1 平均生长量差异分析 不同林分类型林木的生长差异结果如表2所示。由表2可知，混交林中杉木的平均胸径、平均树高、平均冠幅及单株材积均明显高于杉木纯林，分别是杉木纯林的1.13、1.14、1.32和1.44倍。测定结果表明，混交林分的蓄积量比杉木纯林提高了126.232 m3，可见混交林比纯林更具较高生产力和良好的结构稳定性。

表2 不同林分类型林木的生长差异

3.1.2 径级分布规律 林分直径分布是林分内不同直径林木按一定径阶排列的分布状态。2种林分类型的径级(以2 cm为一个径阶)株数实际数据如图1所示。混交林中杉木的径阶株数分布呈正态分布，分布范围为12～28 cm，最多株数径阶集中分布在18～22 cm范围内，占林分总株数的71.43%，最大胸径为28 cm。杉木纯林径阶的株数分布呈偏左型正态分布，主要集中分布在12～20 cm径阶范围内，最多株数径阶为18 cm和20 cm，占林分总株数的39.43%，林分内也存在少数的大径级个体，最大胸径为28 cm。混交林的径阶集中分布范围均比纯林高。

图1 不同林分类型径阶分布

3.1.3 不同林分高径比差异分析 不同林分中杉木个体的高径比值分布如图2所示。由图2可知，树高的生长量随树木胸径加粗呈现放缓的现象，高径比值呈现出随着树木加粗，高径比变小的规律。杉木混交林中，胸径为10 cm时，树高、胸径比值是76.748；胸径30.8 cm时，树高、胸径比值是76.748。杉木纯林中，胸径为5 cm时，树高、胸径比值是83.77；胸径25.8 cm时，树高、胸径比值是43.321。

3.1.4 直径离散度 一般认为径级离散度>1.0，林木之间的分化明显加剧[15，16]。由表3可知，混交杉木的径级离散度Ka=0.593 3<1，说明混交杉木林内分化不明显，其形态特征总体较为整齐，林内竞争较为缓和。混交火力楠的径级离散度Ka=1.174 8>1，火力楠分化明显加剧，两极分化严重。纯林的径级离散度Ka=0.929 3接近等于1，说明纯林杉木分化逐渐增强，林内竞争渐渐由缓和转为激烈，林木分化有进一步扩大的趋势。

表3 不同林分类型杉木径级离散度

3.2 林分土壤养分比较分析

2种林分不同土层的土壤养分含量如表4所示。由表4可知，2种不同林分土层间养分含量的变化趋势均是随土层深度的增加而减小，表层土壤的养分含量高于底层，表聚效应明显。混交林地表层土壤的全N、氨态N、全P、全K、速效P和速效K含量分别是杉木纯林的1.25、1.02、1.44、1.73、2.12和1.92倍；20～40 cm土层的全N、氨态N、全P、全K、速效P和速效K含量分别是杉木纯林的1.45、1.02、1.39、1.27、2.06和2.48倍。可见，杉木与火力楠混交能改善林地状况，提高土壤肥力，促进林木生长，从而提高林地生产力。

表4 2种林分不同土层的土壤养分含量

3.3 杉木纯林与杉木火力楠混交林林分生长和土壤养分各项指标相关性分析

如表5所示，植株的胸径、树高和材积土壤各个养分的相关性均不显著。冠幅与土壤的速效磷和速效钾呈显著负相关性，而与其他土壤养分指标呈相关性系数高于0.832的正相关性。蓄积量与土壤的速效养分呈极显著负相关性，而与其他土壤养分指标呈相关性系数高于0.907的极显著正相关性。

表5 林分生长与土壤养分的相关系数

注: **表示在0.01水平上极显著，*表示在0.05水平上显著

4 结论与讨论

已有许多国内学者对针阔混交林进行了大量的详细报道，指出与纯林管理相比，建立针阔混交林的生物量，生产力和碳储量等均有明显改善。在我国一些杉木混交林的研究中，陈清堤[17]认为火力楠不同模式混交林效果优于纯林，混交产量比增6.2%～46.4%。宁世江[18]在对杉木+火力楠研究中，在造林密度相同、立地条件基本一致、管理措施相同的条件下，7年生混交林中杉木胸径、树高、材积连年平均生长量分别比杉木纯林高10.71%，15.05%和39.51%,且林下土壤有机质和养分物质的含量比纯林高。本研究混交林中杉木的平均胸径、平均树高、平均冠幅及单株材积分别是杉木纯林的1.13、1.14、1.32和1.44倍，且混交林分的蓄积量比杉木纯林提高了126.232 m3。究其原因为，火力楠为阔叶树种，其凋落物量大，且易于分解，能够改善土壤营养状况，提升林地肥力，因而促进林木的生长，且混交林比纯林更具较高生产力和良好的结构稳定性，并以其特有的结构组成对利用和改善外界生态环境、对森林的生产力产生直接的影响。

混交林把不同生物学特性如把耐阴性、根型、生长特点以及嗜肥性等不同的树种搭配在一起可以充分利用地上和地下空间有利于各树种分别在不同时期和不同层次范围利用光照、水分和各种营养物质[19]。杉木+火力楠混交林中杉木根系以利用较深的营养空间为主，而火力楠则利用较浅的营养空间为主，不仅满足林木对营养的基本需要，而且充分利用了有限的土地空间资源，提高了对土壤的利用率[20]。本研究中在杉木与火力楠混交的林分下，由于受到火力楠的影响，增强了杉木在垂直方向上的生长。杉木混交林中，胸径为10 cm时，树高/胸径比值是76.748倍；胸径30.8 cm时，树高/胸径比值是76.748倍。杉木纯林中，胸径为5 cm时，树高/胸径比值是83.77倍；胸径25.8 cm时，树高/胸径比值是43.321倍。林木个体间普遍存在的相关生长关系表示个体内不同器官或同一器官不同方向按一定的几何方式增长。环境条件的改变可以使这种几何式增长发生变化，以适应改变了的生长环境[20]。在杉木与火力楠混交的林分下，由于受到火力楠的影响，增强了杉木在垂直方向上的生长，因此杉木与火力楠混交有一定相互促进作用，种间关系协调，林分结构稳定。径级结构可以反映林木生长与林木个体之间关系，而径级分布范围反映了株树分布和林木竞争激烈的状况[21]，分布范围越宽，则分化存在的可能性越高，而不同径级的株树分布则反映了分化的强度，两极级别的株数越多则分化强度越大。本研究中混交林的径级集中分布范围为18～22 cm，纯林主要集中分布在12～20 cm径级范围内；杉木混交林径级离散度为0.593 3，杉木纯林径级离散度为0.929 3，混交林两极分化不明显而纯林分化明显。说明杉木与火力楠混交有一定相互促进作用，且两者在空间上有互补的关系，更加有利于对林分空间的使用率。

王清奎[21]对杉木纯林、混交林土壤微生物特性和土壤养分的比较研究的结果表明，杉阔混交林的土壤全氮和全磷含量高于杉木纯林。本研究结果表明，混交林地0～20 cm、20～40 cm土层的全氮、氨氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量均比杉木纯林高，且不同林分土层间养分含量的变化趋势是随土层深度的增加而减小，表层土壤的养分含量高于底层，表聚效应明显。陈德旺[13]对杉木+火力楠混交林生产力与改土效果研究表明，混交林林地土壤速效磷和速效钾含量均高于纯林土壤，这与本文研究结果一致。进行相关性分析表明植株的冠幅及蓄积量与土壤的速效磷、速效钾呈负相关，说明土壤的速效养分能影响植物的生长，而其与土壤的全氮、氨氮、全磷、全钾呈正相关性，说明该土壤养分与植物生长明显相关，且能促进植物的生长。