广西地区不同林龄的马尾松及其混交林土壤N素研究

郝中明，曾 青，明 乐，李 霞，谢明阳

（广西大学林学院，广西南宁 530004）

1 研究背景与目的

在我国南亚热带地区，长期以来实施杉木（Cunninghamia lanceolata）和马尾松（Pinus massoniana）单一人工林培育模式，再加上近年来桉树（Eucalyptus）短周期工业用材林的快速发展，导致土壤地力衰退和生产力下降等问题，制约了林地的持续利用[1-3]。

马尾松属阳性树种，林冠稀疏，透光度大，深根发达。在林下套种合适的阔叶树种，就能充分利用地上与地下的能量和空间，增加生物量，改善土壤理化性质[4-5]。已有研究多集中于马尾松林土壤理化性质的变化与地力衰退关系、林下植被多样性对土壤理化性质的影响以及对马尾松林套种阔叶树后土壤理化性质的空间变异特征[6]及其与植物数量特征、物种多样性的关系等。这一系列研究表明，与马尾松纯林相比较，马尾松混交林有明显优势。

本研究选择广西壮族自治区凭祥市的中国林业科学研究院热带林业实验中心为研究林地，以不同年龄马尾松纯林与其混交林为研究对象，对多种林分年龄较高的马尾松纯林及其混交林的不同土层的土壤理化性质的进行比较，旨在为正确认识和评估不同年龄马尾松纯林及其混交林的土壤理化性质特征，为该地区人工林的合理经营及土地利用方式的选择提供科学依据。

2 研究区域概况

试验研究区位于广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波实验场，位于北纬22°02′～22°04′，东经106°51′～106°53′之间；地貌类型以低山丘陵为主，海拔430～680m，地带性土壤为山地红壤，由花岗岩经过风化发育形成，土层厚度超过80cm，pH4.8至5.5之间。该地区属南亚热带季风型半湿润－湿润气候，日照时间长，降雨量充足，干湿季节明显，10月至翌年3月为干季，4～9月为湿季。

2017年8月，分别对试验区6 种不同林分类型进行调查，其中包括3个马尾松纯林和3个马尾松与其它阔叶树种混交林。3个马尾松纯林的造林年限分别是1958年、1983年、1993年，其中59年生马尾松纯林和34年生马尾松纯林都经历了3次间伐，而24年生马尾松林只经历1次间伐。3 种混交林分别为59年生马尾松和34年生红椎混交林，34年生马尾松和红椎混交林，24年生马尾松和7年生红椎香梓楠混交林。59年生马尾松与红椎异龄混交林，经历1968年、1976年、1983年3次间伐。

3 研究方法

3.1 样品采集

每种林分类型按不同坡位（上、中、下）分别设置20m×20m的样地1块，在每块样地内的对角线上随机选取3个点，按0～20、20～40和40～60cm挖取土壤剖面，同层土壤充分混合后按四分法取土壤样品，并将土壤样品分两份：一份装入聚乙烯保鲜袋并用生物冰袋保存，一份装入布袋；同时在各土层用环刀（容积100cm3）和铝盒取样。

3.2 测定方法

土壤水分、容重、孔隙度等物理性质采用环刀法测定（GB7835-87）；土壤pH采用电位法（GB7859-87）。

土壤总有机碳，采用MultiN/C 3400-HT1300有机碳总氮分析仪（Analytik Jena，Germany）测定。

土壤全N采用H2SO4-HClO4消解，使土壤中的N转化为（NH4）SO4，消解液中的N采用SmartChem200全自动化学元素分析仪测定。

土壤中的硝态N、铵态N均采用SmartChem200测定，其中硝态N采用0.02mol/L CaCO3浸提，水土比为5∶1；铵态N采用2mol/L KCl提取，水土比5∶1。

3.3 数据处理

试验数据采用Excel 2007进行处理，并用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析（ANOVA）和最小差异法（LSD）检验同一林分不同土层间或不同林分间土壤理化性质的差异（P＜0.05）。

4 结果与分析

4.1 土壤物理性质分析

4.1.1 含水率分析

由表1可比较不同林龄纯林之间，不同林龄混交林之间的含水率。不同林龄的马尾松纯林含水率相比较：34年生马尾松纯林各土层＞59年生马尾纯林各土层＞24年生马尾松纯林各土层，其中24年生马尾松纯林土壤底层（40～60cm）含水率与59年生、34年生马尾松纯林底层含水率差异显著（P＜0.05），其余各层差异不显著。不同林龄的马尾松混合林的34年生马尾松与红椎同龄混交林各土层含水率均大于其他2种混交林，其中上层、中层土壤含水率与其他2种混交林差异显著（P＜0.05），这可能与林下植物多样性与地上枯落物有关。34年生马尾松与红椎同龄混交林林下植被以及地上枯落物量明显多于其他两林分，枯落物有利于保持水分，抑制地表蒸发，提高地表层土壤水分的有效性[7]。通过上述分析，可以总结出，无论是纯林还是混交林，土壤含水率总体是34年生马尾松林＞59年生马尾松林＞24年生马尾松林。

4.1.2 土壤容重分析

土壤容重是土壤的基本物理性质之一，是评价土壤质量的一个重要参数，能直观地表征土壤的紧实度，通过其值大小可直接判断土壤的通气性、透水性和根系生长的阻力状况[8-9]。各林分中层（20～40cm）、底层（0～60cm）土壤容重大于各自表层（0～20cm）土壤容重，各土层容重差异不显著。相比之下，表层土壤容重值最小，说明土壤表层比较疏松，这可能与林地土壤表层枯落物积累量以及微生物对其的分解有关。

4.1.3 土壤孔隙度分析

土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度，并且对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥重要的调节功能[10-11]。各林分表层（20～40cm）、底层（40～60cm）土壤孔隙度大于各自中层（20～40cm）土壤孔隙度，各土层孔隙度差异不显著。相比之下，上层土壤孔隙度最大，说明土壤表层比较疏松。

表1 6种林分物理性质

4.2 土壤化学性质分析

4.2.1 pH分析

由表2可知，同林龄各个林分土层pH基本随着土层的加深越来越大，这表明随着土层的加深，土壤酸性呈降低趋势，其中59年生马尾松林纯林林分各土层间pH差异性显著（P＜0.05），而且59年生马尾松混交林各层土壤pH均高于同林龄的马尾松纯林，这是由于针叶林的叶子含灰分少，且多含树脂和单宁等物质，有机物分解导致酸性增强，所以针叶林下的土壤酸性较高，而阔叶树的叶子含灰分多，针叶林内混有阔叶林可以降低土壤酸性，在本试验区中，马尾松林分中混有红椎等阔叶树，使土壤酸性降低[12]，这意味着土壤肥力有一定程度的提高，有利于森林更新。

4.2.2 土壤有机质分析

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标之一，它主要来源于地上植物的凋落物及地下根系分泌物[13]，是指示土壤肥力与健康的关键指标，在维持土壤结构、供应土壤养分等方面起着重要作用[14]。由表2可看出，6种林分各层土壤变化规律是一致的，即表层土壤＞中层土壤＞底层土壤，而且各土层间差异性显著（P＜0.05），这是因为表层土壤较疏松，通气性良好，且表层土壤中根系分布较为密集，温度相对较高，微生物活动频繁，对枯落物的分解形成大量腐殖质，因此有机质含量较高；而随着土层的增加，下层土经过成土过程，枯枝落叶等动植物残体在该层的分布逐渐减少，其养分含量也随之减少[15-16]。就同林龄比较而言，34年生马尾松与红椎同龄混交林、24年生马尾松与红椎香梓楠混交林各层有机质含量均高于同年马尾松纯林，但是差异性不显著，59年生的2种林分未呈现此规律。

不同林龄纯林、混交林间的有机质变化，各土层规律一致：34年生马尾松林＞24年生马尾松林＞59年生马尾松林。

4.2.3 全N分析

各个林分的全N含量基本随土层深度加深而减少（表1），但是24年生马尾松纯林、马尾松与红椎香梓楠混交林各土层全N含量差异不明显，其余林分均表现出表层与中层或底层差异性显著（P＜0.05）的规律，其中59年生马尾松纯林、34年生马尾松与红椎同龄混交林的中层土壤全N含量与底层差异显著（P＜0.05），其余林分不显著。就同龄林分的整个土层来说，59年生以及24年生马尾纯林土壤全N含量均大于同龄混交林，34年生马尾松与红椎同龄混交林全N含量高于同龄纯林。对马尾松纯林来说，24年生马尾松纯林全N含量高于其他两个年份的马尾松纯林，但差异性不显著；混交林方面，34年生马尾松与红椎同龄混交林的全N含量要高于其他两个林分，且差异性显著（P＜0.05）。

4.2.4 NH4+-N、NO3--N含量分析

59年生马尾松纯林、马尾松与红椎异龄混交林以及24年生马尾松纯林不同土层间的NH4+-N含量均表现为随土壤深度增加而减小趋势（表2），且各个林分土壤上层与中下层差异性显著（P＜0.05），中层与底层土壤速效K含量差异不显著；34年生马尾松与红椎同龄混交林NH4+-N含量随土壤深度增加而增加，且无显著性差异。就同龄林分而言，各土层土壤NH4+-N含量大都表现为混交林＞纯林，但是59年生与24年生马尾松林上层规律性不明显，且差异性不显著。不同龄纯林比较，各土层NH4+-N含量规律性明显：59年生马尾松林纯林＞24年生马尾松林纯林＞34年生马尾松纯林，其中34年生马尾松纯林上层土与其他两林分差异性显著（P＜0.05），其余土层差异性不显著；不同林龄混交林比较，各林分土层土壤速效K含量规律性不明显，差异性不显著。

除59年生马尾松纯林，其余林分的土壤NO3--N含量随土层加深而增多，其中只有24年生马尾松纯林差异性显著（P＜0.05）；59年生马尾松纯林土壤NO3--N含量随土层加深而减少，且差异性不显著。同龄林分比较，59年生马尾松与红椎异龄混交林各土层NO3--N含量均高于马尾松纯林，但显著性不明显；34年生马尾松与红椎同龄混交林各土层NO-3-N含量均低于马尾松纯林，且差异性不显著；24年生的两林分上中层土壤没有明显规律，但底层土壤NO3--N含量混交林远大于纯林，且差异性显著（P＜0.05）。不同林龄纯林比较可知，24年生马尾松纯林底层土壤NO3--N含量大于其余两个林分，且有显著差异（P＜0.05），上层中层土壤NO3--N含量表现为34年生马尾松纯林＞24年生马尾松纯林＞59年生马尾松纯林，差异性不显著；不同林龄混交林比较，整个土层（0～60 cm）的NO3--N含量表现为24年生马尾松与红椎香梓楠异龄混交林＞59年生马尾松与红椎异龄混交林＞34年马生尾松与红椎同龄混交林，但差异性不显著。

表2 6种林分土壤化学性质

5 讨论与结论

本研究表明在土壤含水率、容重以及孔隙度等物理性质方面，表层土壤明显优于中下层土壤，同林龄的马尾松纯林与混交林相比，34年生及24年生的马尾松混交林有明显优于马尾松纯林的趋势。这在一定程度上可以说明，马尾松混交林有利于土壤蓄水，能增加土壤的疏松程度，这是因为在混交林地引入了红椎，增加了物种的多样性，而红椎为落叶阔叶树，每年有大量的凋落物归还林地，且其枯落物分解良好，可以有效降低林地土壤紧实度，改善土壤孔隙状况。凋落物分解形成的腐殖质能够将土壤颗粒胶结成孔隙状况良好的团粒结构[17]，足够的水分以及疏松的团粒结构，有利于动植物的生存与发育。而马尾松纯林由于针叶林枯落物分解速率相对较慢，由此造成其土壤容重较大。因此可以初步判断混交林在蓄水、对土壤结构方面产生的影响更有利于生物的生长。

不同林龄的马尾松纯林、混交林之间，土壤物理性质各指标规律性较为统一，土壤含水率总体是34年生马尾松林＞59年生马尾松林＞24年生马尾松林。研究地林分的土壤容重总体随着林龄的增加逐渐增加，土壤孔隙度相应随林龄的增加逐渐减小。不同林龄林分比较时，尽管各个指标有差异，但整体上34年生的各林分养分优于其他年份，说明该林龄的林分土壤养分积累较多，这是由于34年生马尾松人工林林下灌草植物丰富度较大，该林龄的林分附近有红椎林，马尾松间伐后红椎种子的入侵，使得该林分灌木以红椎为主，后期林分郁闭度加大耐阴植物继续入侵和定居，为一些耐阴植物的出现提供了良好的生境环境，因此林下多样性丰富。此时的土壤容重下降，有机质、全磷含量升高，土壤的通气性和土壤肥力较高，为不同物种植被提供了良好的定植环境，所以34年生的马尾松人工林土壤理化性质优于其他2个年份的林分。

不同林龄林分比较时，尽管各个指标有差异，但整体上34年生的各林分养分优于其他年份，说明该林龄的林分土壤养分积累较多。这是由于34年生马尾松人工林林下灌草植物丰富度较大，该林龄的林分附近有红椎林，马尾松间伐后红椎种子的入侵，使得该林分灌木以红椎为主，后期林分郁闭度加大耐阴植物继续入侵和定居，为一些耐阴植物的出现提供了良好的生境环境，因此林下多样性丰富。此时的土壤容重下降，有机质含量升高，土壤的通气性和土壤肥力较高，为不同物种植被提供了良好的定植环境，所以34年生的马尾松人工林土壤理化性质优于其他2个年份的林分。

同林龄马尾松纯林与混交林比较，尽管未呈现统一规律，但土壤理化性质大部分都显示马尾松混交林对土壤理化性质有一定改善作用，马尾松混交林较纯林相比，其林下物种多样性高，枯落物种类丰富，其养分分解能力及转化速率加快，因而提高了混交林地的土壤肥力，改善了土壤结构，更有利于混交林植物的生长。马尾松纯林及其混交林土壤化学性质的差异还有待深入研究，为准确评估马尾松混交人工林改善林地土壤肥力的效应提供科学依据。