桉树不同间伐强度下套种乡土树种对林分生长和土壤理化性质的影响

黄木易，梁燕芳，苏福聪，朱原立，李志辉，刘立玲，赵苏亚，龚映匀

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.广西国有七坡林场，广西 南宁 530003）

桉树Eucalyptus是世界上重要的速生丰产树种，具有适应性强、生长速度快、抗逆性强、材质优以及用途广等特点[1]。近年来，为解决桉树连栽导致土壤酸化、酶活性降低、生物多样性减少、生产力下降等问题[2-6]，营建了适合我国南方林地特点的桉树纯林或混交林。桉树人工混交林能充分利用林地，改善林地环境，增强抗抗御能力，促进林木生长，提高林分生态和经济效益[7-9]。桉树间伐后套种混交树种的栽培模式是桉树纯林改培最佳方式，通过间伐来改善林分结构和调节种间关系是经营的关键[10]。近熟龄桉树间伐后套种优质阔叶树种形成异龄复层混交林，既能提高单位面积产量，定向培育桉树大径材，又能充分利用林地空间，是一种理想的桉树混交栽培模式。

桉树无性系DH32-29 (Eucalyptus urophylla×E.grandis DH32-29)是尾巨桉的一个优良品种，具有速生丰产，树干通直圆满的特性，从桉树林分生长和经济效益等方面考量均优于尾叶桉，在广西、广东等地区普遍栽植[11]。米老排Mytilaria laosensis、红椎Castanopsis hystrix和火力楠Michelia macclurei均为广西优良乡土树种，具有较强的适应性，同时能改变造林地环境[12-15]。为探索桉树近熟林的最佳混交生长模式，改造桉树低质低效林，实现桉树人工林质量精准提升和林地未来的可持续利用，发挥桉树人工林的多种功能。本研究选用幼年耐阴性较好的米老排、红椎、火力楠作为混交树种，改造培育成桉树人工混交林，从不同混交模式中各树种的生长状况、蓄积量和土壤养分等方面，探讨桉树近熟林改培中桉树不同间伐强度对林分生长以及土壤质量的影响，以期为桉树纯林培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区南宁市国有七坡林场（22°41′～22°52′N，108°02′～108°09′E）。该地区为湿润的亚热带季风气候，日照充足，降水充沛，干湿季节分明，夏天降雨时间长，年均降水量为1 300 mm，年均相对湿度80%，年均气温21.6℃；土壤类型以赤红壤土为主，土层厚度1 m 以上；地表植被丰富，以马鞭草科、五加科、樟科、桑科、碗蕨科、大戟科、芸香科植物为主。

1.2 样地设置和经营设计

改培对象为近熟龄尾巨桉DH32-29 无性系纯林，研究区所有桉树人工林样地于2010年植苗造林，造林密度均为株1 667 株/hm2，抚育间伐措施均在2012年进行，间伐方式采用下层疏伐法，依据间伐强度对生长不良，干形较差的林木进行优先砍伐的同时，兼顾保留木空间位置的均匀。2014年10月选取海拔高度、坡度和坡向等生境条件基本一致的地块，在执行混交林改培作业之前调查样地内每株林木的树种、胸径、树高和冠幅等。设置每块样地面积为20 m×20 m，总共12 个样地，包括对照样地。调查样地内林木胸径、树高、枝下高、冠幅、干形质量、林木组成、林分结构、林下更新及其土壤养分等。将林分4 个不同改培类型于2015年10月进行改培育作业：HT（间伐后保留400～450 株/hm2），MT（间伐后保留750～800 株/hm2），LT（间伐后保留1 200～1 250 株/hm2）和CK（1 500～1 550 株/hm2）。间伐后适当清理砍伐剩余物，进行块状整地再套种优质树种米老排、红椎和火力楠，采用1年生实生苗，在种植带内挖种植穴，规格为50 cm×50 cm×30 cm，其中米老排、红椎、火力楠各处理每公顷栽植密度比例均是1∶1∶1，为375 株/hm2。样地设置和经营设计见表1。

表1 样地设置与经营试验设计表Table 1 General situation and management operation of each sample plot

1.3 数据调查

1.3.1 土壤养分调查

土壤采样和测定土壤样品的选取是按照每个样地内从微地形的下坡至上坡对角线随机布设3个点，挖取土壤剖面，并按上、中、下3 个层次分别取土样，每个点每层取2 kg 土样装入塑装袋带回室内。样品经风干14 d 后手动研磨，挑去植物残留及石砾，过筛，并将同层次土壤样品按相同重量充分混合，采用四分法将混合的土壤进行分样并密封于阴凉通风处贮放，备测。土壤持水量与通气性等物理性质采用环刀法取样测定；采用电位法测定土壤pH；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用硒粉–硫酸钾–硫酸消化蒸馏滴定法测定；全钾采用火焰光度计法测定；全磷用硫酸–高氯酸消煮–钼锑抗比色法测定；速效氮采用碱解扩散硼酸吸收法；速效钾采用火焰光度计法测定；有效磷采用盐酸–硫酸浸提法测定，测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[16]。

1.3.2 生长指标调查

2020年6月，采用随机抽样法，分别在每个桉树混交林样地中进行每木调查，且对每行不同套种树种的邻近桉树进行跟踪记录。各单株胸径用围尺测量，精度0.1 cm，树高和枝下高用激光测高仪（Nikon 尼康测距仪锐豪1000aS）测量，精度0.1 m，冠幅采用皮尺测量方法测定东西和南北两个方向，取平均值。冠长=树高-枝下高。材积计算公式为[17-18]：

V 桉树=0.000 062 876 7d1.821621H0.96436，

V 米老排=0.000 068 329 7d1.926256H0.8840614，

V 红椎=0.000 052 764d1.88216H1.00931，

V 火力楠=0.000 052 764 291d1.8821611H0.931923697。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007 和SPSS 23.0 软件进行统计与分析，对主要生长参数和土壤理化性状进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 桉树的生长

对林分改培后的桉树平均树高和平均胸径等生长指标进行方差分析，结果表明，桉树在HT 和MT 处理间平均胸径、平均树高和平均单株材积无显著差异，但HT 和MT 与LT、CK 差异显著，随桉树密度的减小而增大，这说明林分随着桉树密度的减小，林分中桉树生长空间大幅度增加，光照充足，土壤养分压力减小，有利于桉树胸径和树高生长；桉树在MT 和LT 处理间平均枝下高无显著差异，但MT 和LT 与HT、CK 差异显著，随桉树密度的减小而增大；桉树的冠幅在各处理林分间差异不显著，这说明在林分水平结构合理的情况下，桉树密度的变化对冠幅的生长影响不大。

2.2 套种树种的生长

2.2.1 胸径的生长

由表3可见，各套种树种的胸径随着桉树密度的减小而增大。其中米老排、红椎的胸径在CK、LT 间差异不显著，在LT、MT、HT 间差异显著；火力楠的胸径则在MT、HT 间差异不显著，在CK、LT、MT 间差异显著，在CK 和LT 中，各树种胸径生长表现为米老排＞火力楠＞红椎，在MT 和HT 中，则表现为米老排＞红椎＞火力楠，这表明在各处理中，米老排的胸径均大于其他两类树种，且随着原生树种桉树密度的延续减小，米老排和红椎的胸径生长变化越来越明显，火力楠则相反。

表2 不同改培方式对桉树生长的影响†Table 2 The effect of different cultivation methods on the growth of eucalyptus

2.2.2 树高的生长

由表3可见，不同改造处理中，各套种树种树高随着桉树密度的减小而增大。米老排树高在各处理中均高于红椎和火力楠，且差异显著；红椎和火力楠树高在各处理中只有HT 处理下差异显著；米老排不同处理下CK 与LT 差异不显著，LT、MT、HT 之间则差异显著，红椎树高在CK、LT、MT、HT 之间均差异显著，火力楠树高在CK与LT、MT 与HT 处理间差异不显著，在LT 与MT 处理间则差异显著，这表明各树种的树高对于桉树密度的延续减小均有反应，但不同树种的反应节奏有所不同，红椎反应最强，米老排其次，火力楠最差。

表3 不同改培方式对套种树种生长的影响†Table 3 Effects of different cultivation methods on the growth of interplanting trees

2.2.3 材积及蓄积量的生长

表4表明：不同的改造模式对这三种套种树种影响达显著水平；米老排在各处理中蓄积量均最大，其总蓄积量是红椎总蓄积量的2.54 倍，火力楠的4.87 倍。随着桉树在林分中所占比例的减小，米老排蓄积量的增长较前一个处理分别为0.24%、31%、45%；红椎为46%、182%、279%；火力楠为94%、56%、17%。这说明桉树近熟林改培后若以经营米老排、红椎、火力楠为主要目的，HT 处理是最佳选择。

表4 不同套种树种的林分平均蓄积量和总蓄积量†Table 4 Average stand stock volume and total stand stock volume of different interplanting trees m3·hm-2

2.3 林分结构及林分质量状况

林木径阶分布能反映林分的生长状况和林木间的竞争关系，是林分结构稳定性的重要指标[19]。由表5可以看出：米老排径级频率分布图的偏度随林分中桉树密度的减小而变小，HT、MT 处理下径级分布最接近正态分布；红椎径级频率分布图的偏度在CK、LT处理下明显高于其他两类树种，说明这两种处理下林分生长不正常，林木间的竞争分化很大，在HT、MT 处理下则逐渐趋向正态分布；火力楠径级分布图的偏度各处理间无明显差异，但是峰度在各处理中都明显高于其他两类树种，说明径级分布偏离正态分布较大，主要特点是小于平均直径林木和大于平均直径林木均有较大分化，因此，认为此类树种在各处理中均出现较强竞争，林分垂直结构和水平结构对各径级林木都没有造成不利影响。

表5 在不同改培方式下套种树种的径级分布Table 5 Diameter class distribution of interplanting trees in different cultivation methods

2.4 不同改培处理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性状，有助于土壤形成团粒结构[20]。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。由表6可知，各模式0～20 cm 土层的土壤通气度、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量均大于20～40 cm 土层；在相同土层中，土壤通气度、总孔隙度、毛管孔隙度均表现为HT＞CK＞LT＞MT；在0～20 cm 土层中饱和持水量、毛管持水量、田间持水量各组间差异不显著，但在20～40 cm 土层中，饱和持水量、毛管持水量表现为HT＞CK＞LT＞MT，田间持水量则表现为CK＞HT＞LT＞MT，且差异显著。这表明，在20～40 cm 土层中，混交林土壤物理性状随桉树配置比例的减小呈先减小后增大的趋势。HT、CK 普遍优于LT、MT 两组处理。HT、CK 在改善土壤内部结构，增加土壤通透性等方面，比LT 和MT 更有优势。

2.5 不同改培方式下土壤养分含量的变化

2.5.1 不同改培方式下土壤pH 值和有机质含量的变化

土壤的pH 值可以影响土壤中的一些化学反应，是土壤不同游离离子比例的一个反应。从表6可见，相同土层不同模式间pH 值存在不同程度的差异，表现为HT＞MT＞LT＞CK，说明随着林分中桉树密度的减少，林分土壤的酸性程度有所减弱。土壤有机质是评价土壤性状的重要指标之一，能提高土壤养分的有效性。从图1可知，各模式的0～20 cm 土壤有机质明显高于20～40 cm。在相同土层中，土壤有机质含量在不同处理间的差异均达到显著水平。随桉树密度的减小呈现先增后减趋势，表现为MT＞LT＞HT＞CK。可见，HT、LT 模式中土壤有机质含量较高，具有较好的保肥和供肥能力，这可能与林分结构搭配合理，可产生较多的枯枝落叶，林下蕨类植物覆盖度较高有关。

表6 不同改培方式下的不同土层土壤物理性质†Table 6 Soil physical properties of different soil layers in different cultivation methods

2.5.2 不同改培方式下土壤全N、全P、全K 含量的变化

土壤全N、全P、全K 的含量是反应土壤长期肥力水平的重要指标。从图1可以看出，在相同土层中，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不同程度的差异。各模式0～20 cm 土层的全N、全P、全K 含量均大于20～40 cm 土层。在0～20 cm 土层的土壤中，土壤全N 的表现为MT＞LT＞HT＞CK，这与有机质含量的表现相似，而在20～40cm 土层的土壤中，LT 优于其他处理，其他处理间全N 含量无显著差异；从全P 含量而言，在0～20 cm 土层中表现为MT＞HT＞LT＞CK，在20～40 cm为HT＞LT＞CK＞MT；从全K 含量而言，在0～20 cm 土层中表现为CK＞MT＞LT＞HT，在20～40 cm 为CK＞LT＞MT＞HT，全K 含量在不同土层厚度中均呈现出随林分中桉树密度减小而减小的趋势。综合以上不同处理不同土层的土壤全N、全P、全K 含量分析结果表明：桉树密度较小的改培处理有利于全N 和全P 养分含量的增加，桉树密度较大的改培处理则有利于全K 养分含量的增加。

2.5.3 不同改培处理下土壤速效N、速效P、速效K 含量的变化

土壤速效养分是作物获得高产的保证，能够直接被作物吸收利用。图1结果表明，各模式0～20 cm土层的速效养分含量均比20～40 cm土层高。就速效氮而言，在0～20 cm 土层表现为HT＞LT＞MT＞CK，在20～40 cm 土层中LT 显著高于其他处理，其他处理间无显著差异；就速效P而言，各土层间的效果为：在0～20 cm 为HT＞MT＞LT＞CK，在20～40 cm 为MT＞HT＞LT＞CK，各土层速效P 含量均有随桉树密度减小持续增加的趋势；从速效K 而言，各土层组间差异不大，在0～20 cm 土层中LT 显著高于其他处理，其他各处理间无显著差异，在20～40 cm土层中则表现为MT 显著高于其他处理，其他处理间无显著差异，综合以上不同改培处理不同土层的土壤速效N、P 和K 含量分析结果表明：桉树密度较小的改培处理土壤速效养分含量的效果较好。

图1 不同改培方式下的不同土层土壤化学性状Fig.1 Soil chemical properties of different soil layers in different cultivation methods

3 结论与讨论

本试验研究表明，混交林中桉树的胸径、树高以及单株材积均随混交林分中其密度的减小而增高，这与前人研究结果[20]相似。桉树属于原造林树种，其长期处于林冠层上方，且造林密度降低，个体间的竞争减弱，加上林内透光率增加，导致其在资源获取方面有着巨大优势，因而长势会有所变化。MT 和HT 桉树胸径和树高的差异不明显，究其原因：其一，桉树树龄增长到一定阶段后，树体的呼吸消耗增加，树高生长所需养分供给减少；其二，桉树林分生长过程中，由于套种了其他混交树种，可利用的土壤养分降低，最终限制了树高生长；其三，Chen 在研究中提到林下蕨类植物会促进桉树生长[21]，据观察，由于MT的林分郁闭度较HT大，土壤表层较HT 潮湿，导致了蕨类植物为其林下优势地被植物，这说明桉树近熟龄的生长受其生物学特性和林地肥力的共同影响。

桉树间伐后采用桉阔相间的行带状方式套种米老排、红椎、火力楠3 种阔叶树，3 种阔叶树幼龄时均耐庇荫，中龄后中性庇荫，喜温暖湿润环境，且在所有处理中保存率都较高，其中米老排在所有处理中生长状况和林分结构均最优。红椎在CK和LT 处理中生长受到明显抑制，但在MT 处理中得到改善，在HT 处理中达到最优。火力楠则对林分中桉树不同密度的配置响应最小。从套种各树种的蓄积量来看，桉树不同间伐强度的处理方式暂无明显提高火力楠材积生长量的作用，但在较小桉树密度的处理中对米老排和红椎材积生长量的促进效果十分明显。这说明，若要实现桉树近熟林向多树种混交林改造，同时又能兼顾培养桉树大径材，林分中较小桉树密度的改培方式可得到较好的生态效益和经济效益。

桉树与上述3 个阔叶树混交，在一定程度上可以改善桉树连作林地土壤的养分含量，其中pH值、有机质、全磷、全氮、速效磷、速效氮、速效钾上较小桉树密度的改培林分表现较好。但从土壤物理性状来看，MT 和LT 处理表现明显差于HT 和CK 处理，这可能是由于在CK 处理中套种的乡土树种生长受到抑制导致根系发育不良，水平占据空间较小，与桉树根系的接触面积较小，没有明显的生长竞争，从而混交林根系水平分布比较合理。而LT 和MT 处理中，套种树种的生长逐渐趋向正常，根系发育良好，水平占据空间逐渐增大，水平上有重叠，且根系多相互交叉，造成根系折断分裂，扭曲甚至坏死，土壤地下结构遭到一定程度破坏，这与Farooq 的研究相似[22]；Sarto、Sudmeyer 则均在研究中发现[23-24]，随着森林成分的增加，桉树根系的数量会显著减少，同时随着其根的横向范围和土壤表面0.5 m 范围内最大根密度的出现将与其他树种激烈竞争，因为这些原因死去又未及时腐烂的植体可能会造成土壤物理性状的短期恶化。在HT 处理中，则由于林分中桉树密度大幅度减小，导致桉树根系与套种阔叶林根系距离增加，土壤结构重新趋于合理，土壤物理性状得到明显改善。这一方面可能也与植物的化感作用有关，植物之间的相互制约可能会随着其中某种植物数量的下降而转换为相互促进[25-26]。

不同改培方式的混交林在生长量和土壤理化性状各项指标上的差异主要是桉树不同间伐强度处理造成的，同时，米老排、红椎和火力楠自身的生物学生态学特性会使混交林的生态学差异放大。对土壤改良而言，一般认为，混交林会通过凋落物的分解对土壤微生物学性状、根系分泌物等产生影响[27]。有研究显示,红椎凋落物量多，且凋落物分解周期短，改良土壤和涵养水源的作用很大[28]。本试验结果中红椎生长较好的HT 处理土壤物理性状明显优于其他林分，也许跟这个原因有关。而对于米老排，有研究显示其对土壤蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶的促进作用均极显著高于桉树、红椎和火力楠[29-30]，同时对土壤微生物生物量碳、氮、磷均有显著提升[12]。而土壤酶活性的强弱和微生物生物量碳、氮、磷的含量会直接影响到土壤养分含量的高低，可能导致了本实验结果中米老排生长较好的LT、MT、HT 土壤养分含量除全钾以外均显著优于CK。

本文对不同间伐强度下套种乡土树种的试验开展研究，重在为桉树近熟林向多树种混交林转化选择最佳改培处理，对桉树及3 种乡土树种的生长状况、蓄积量进行了观测分析，对一系列土壤物理性状和养分含量进行了测定分析，对生产具有指导意义。纵观全文，HT 处理在桉树近熟林向多树种混交林转变的过渡期中各树种生长表现、林分结构表现、土壤理化性质上综合评价较高。然而，由于本次试验改培林分中涉及树种较多，各树种之间的化感作用和根系分布格局对混交林生长和土壤理化性状的具体影响存在研究上的局限性。此外，本次试验时间较短，各指标缺乏不同年份之间的对比，所以在混交林分生长量、林下植被多样性变化、土壤理化性质动态变化以及土壤酶活性和土壤微生物多样性变化等方面有待进一步研究。