不同树种和比例对桉树人工混交林土壤肥力质量的影响

蒋林，覃恒，邓建英，朱原立，赵隽宇，王会利，唐健*

不同树种和比例对桉树人工混交林土壤肥力质量的影响

蒋林1，覃恒1，邓建英1，朱原立1，赵隽宇2，王会利2，唐健2*

(1. 广西国有七坡林场，广西 南宁 530225；2. 广西林业科学研究院，广西林用新型肥料研发中心，广西 南宁 530002)

为了研究不同混交树种、混交比例的桉树人工混交林对土壤养分积累及肥力质量的影响，以广西国有七坡林场桉树× 米老排、桉树× 灰木莲混交林为研究对象，基于常规的15项土壤肥力指标，采用最小数据集及隶属度函数法对不同结构的混交林进行土壤肥力质量评价。结果表明：与纯林相比，不同处理的混交林的土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等大量养分显著提升，以微量元素中铜、锌含量提升最为显著。与纯林相比，不同结构混交林土壤肥力质量明显提升，土壤肥力质量最高的处理为25%桉树-灰木莲混交林。在制定生产经营策略时，可参考该混交林营建措施，保障林地土壤肥力的可持续性，促进广西桉树人工林及下游产业的健康、可持续发展。

最小数据集；隶属度函数；混交林；可持续经营；生态友好

桉树()适应性强、用途广泛，桉树人工林已经成为广西森林资源的主要组成部分[1]。迄今为止，广西桉树人工林面积已达256万hm2，占全国桉树人工林面积46.9%，在保障国家木材供给、改善生态环境和应对气候变化等方面发挥重要作用。然而，长期以来大面积桉树纯林造林、多代连栽的经营措施为区域经济发展和农民脱贫致富做出了重大贡献的同时[2-3]，这种经营方式也造成了土壤肥力衰退、生物多样性下降及病虫害日益严重等生态环境问题[4]。研究表明，营建人工混交林可以有效利用林地空间资源、增加生物多样性、改善林地环境[5-6]，是目前公认的兼顾高效生产、生态友好的一种经营措施[7]。探索适宜的树种与混交比例，营建高质量的混交林，对促进广西林业产业健康发展，实现可持续经营具有重要意义。

伴生树种的选择是营建混交林的关键环节，不同伴生树种的生理特性决定了混交林的营林目的与效果。红锥()、米老排()、火力楠()和山白兰()[8-10]等不同生物学特性的乡土珍贵阔叶树种，与桉树营建混交林后，林分蓄积量、土壤理化性质等比桉树纯林均有不同程度的提升。然而，当前混交林营林目的主要以提高生产力和提供更多产品(如多种用途木材、非木材森林产品)为主，相关研究重点多集中在地上部分[11-12]，有关伴生树种对土壤肥力质量影响的研究相对缺乏，正确评价混交林土壤肥力质量对于指导实际生产过程中的树种选择、经营方式具有重要意义。

土壤肥力质量评价是一种有效结合多种土壤信息进行定量分析和指导土地可持续经营的决策工具，目前暂未有统一的土壤质量评价的标准方法[13]。土壤是一个复杂的系统，在进行土壤质量评价时，如何从大量评价指标中筛选出影响肥力的关键因素是验证评价体系是否准确的关键[14-16]。本研究拟利用多元降维分析思路的主成分分析法建立最小数据集，同时引入隶属度函数模型对土壤肥力质量进行评价。旨在对比营建不同伴生树种、混交比例的桉树混交林土壤肥力是否具有显著差异性，为桉树混交林的伴生树种、经营方式的选择提供理论依据，指导实际生产，助力广西桉树人工林及其下游产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区布设于广西国有七坡林场七坡分场(21°35′ ～ 22°41′ N，107°72′ ～ 109°56′ E)设置试验地，为典型亚热带季风气候区，分场全年平均气温在21 ～ 22 ℃，近年来观测的极端高温38.4 ℃，极端低温−2.6 ℃。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。根据中国土壤发生学分类方式，土壤类型为第四纪红土母质发育而来的红壤，壤土。林下植被主要有水茄()、姬蕨()、五节芒()、鬼针草()、飞机草()等。

2020年9月桉树采伐后，保留伐桩待桉树萌芽更新，在林地内分别以15%、25%伴生比例营建桉树-米老排、桉树-灰木莲混交林，混交林经营管理措施与传统纯林经营一致，年施肥量每株500 g，施用有机-无机复合肥(有机质含量≥15%)，肥料N:P:K比例为15:6:9。另在桉树纯林内设置对照组(CK)，共计5个处理。于2022年1月进行样品采集与林分调查，调查时林龄均为18个月，以每木检尺法测定林木生长量数据。在不同处理内分别设置立地条件一致的3个20 m × 20 m标准地，共计15个标准地。在标准地内以“S”型挖掘5个土壤剖面，采集0 ～ 20 cm表层土壤样品，做好标记后带回实验室进行土壤风干、研磨、过筛等前处理工作。

表1 样地概况

1.2 肥力指标测定

土壤pH值采用电位法测定，有机质采用重铬酸钾外加热法测定。全氮、碱解氮采用半微量凯氏定氮法，全磷含量硝化后用全自动间断分析仪测定，有效磷含量采用M3溶液浸提后用全自动间断化学分析仪测定，全钾含量用碱溶－火焰光度法测定，速效钾用醋酸铵浸提－火焰光度计法[17-18]。

1.3 主成分分析

主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)是通过线性代数矩阵方程计算相关矩阵的特征值、特征向量和主成分的累计贡献率，可将多个指标简化成相互独立的少数指标。分析法从全量数据指标中筛选最能反映土壤质量特征且对评价结果具有显著影响的土壤指标作为最小数据集。

1.4 土壤肥力质量评价方法

土壤质量指数(Soil Fertility Quality Index)是通过计算各土壤质量评价指标权重和评分，将指标得分整合成的方程，是对土壤功能的综合反映，其值越大，则表明土壤质量越好。

模糊数学法(Fuzzy Mathematics Method)，根据模糊数学中隶属度理论建立肥力评价参数的隶属度函数，计算隶属度值来表明各项参数在土壤肥力质量中的状态，通过各评价参数的权重计算综合评价值来表征土壤肥力质量的整体状况。根据评价指标与土壤质量变异的正负相关性以确定函数类型(1)计算隶属度值，采用主成分分析法确定各指标权重，根据公式(2)计算土壤肥力综合得分，得到土壤肥力指数(Integrated Fertility Index，IFI)。

戒上型函数：

式中为函数的最小值，为函数的最大值，为指标测定值。

式中W和C分别表示第种肥力指标的隶属度值和相应的权重系数。

2 结果与分析

2.1 土壤养分特征方差分析

不同伴生树种、种植比例营建的桉树混交林土壤pH值、有机质与大量养分元素存在显著差异(表2)。15%的桉树-灰木莲混交林土壤pH值显著高于其他处理(<0.05)，但并未表现出一致规律性。25%桉树-米老排、桉树-灰木莲土壤有机质含量分别为43.35、44.25 g·kg-1，显著高于15%处理与对照组(<0.05)，说明该混交比例有助于林分有机质的积累。全量养分元素中，25%桉树-米老排、桉树-灰木莲土壤全氮、全磷含量显著高于其他处理(<0.05)，全钾含量15%桉树-灰木莲显著升高(<0.05)。速效养分中，不同比例、不同伴生树种的碱解氮与有效磷含量均显著高于对照组(<0.05)，25%桉树-灰木莲碱解氮含量为173.2 mg·kg-1，相比对照组显著增加了74.51%。不同处理间速效钾含量并未表现出显著差异性(0.05)，可能是由于较高的空间变异性导致。

表2 土壤pH值、有机质与大量养分元素方差分析

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)，下同。

不同伴生树种、种植比例营建的桉树混交林土壤微量养分元素中除硼、铁元素外，其余微量养分元素均存在显著差异(表3)。对照组(CK)除土壤锰元素含量显著高于其他处理外，其余养分元素均显著低于各混交林处理，说明混交林有利于微量养分元素有效性的提高。15%、25%桉树-米老排混交林土壤钙含量分别为202.19、257.25 mg·kg-1，显著高于其余处理。土壤速效镁含量较高的处理为15%桉树-米老排、灰木莲，分别为13.53、15.51 mg·kg-1，显著高于其余处理。

表3 土壤微量养分元素方差分析

2.2 最小数据集

最小数据集的确定方法如下：对参与评价的理化指标进行主成分分析，依据确定最小数据集的方法选择解释信息累计率≥85%的主成分，并根据主成分分析中计算的各指标载荷值确定用于土壤质量评价的指标最小数据集。参与评价的土壤养分指标：pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、镁、铜、锌、硼、铁、锰。主成分分析结果表明，15个指标4个主成分的累积贡献率达到86.36%，符合最小数据集建立标准，指标权重根据公因子方差计算而得(表4)。在第一、二、三、四主成分中，选取载荷值≥0.700的指标，分别为有机质、全氮、全钾、有效磷、有效钙共5个评价指标，其中除有效磷在第二主成分中呈负向外，其余特征变量均为正向权。

2.3 隶属度函数

土壤肥力质量评价隶属度值计算依据隶属度公式，经过隶属度函数公式计算不同混交林处理的土壤养分指标隶属度值如雷达图1所示。雷达图可以清晰地反映出各肥力指标的贡献度以及整体肥力情况，坐标轴上的点离雷达图原点越近说明隶属度值越小，反之则隶属度值越大，各点围成的多边形面积大小则能充分反应评价对象的整体状况。与CK相比，混交林处理指标隶属度多边形面积均有不同程度的提升，面积最大的处理为25%桉树-灰木莲处理。

表4 主成分载荷矩阵

注：载荷因子≥0.700与公因子方差加粗显示。

图1 土壤评价指标隶属度雷达图

2.4 土壤肥力质量评价

经土壤肥力指数公式计算得到不同混交树种及混交比例的土壤肥力指数如表5所示。各处理间土壤肥力指数大小排序为25%桉-灰>25%桉-米>15%桉-灰>15%桉-米>CK，不同混交林处理土壤肥力指数相比CK均有显著提升，同时表现为混交比例越大土壤肥力质量越高的趋势。

表5 土壤肥力指数

3 讨论与结论

本研究基于土壤肥力指标数据，对不同混交树种、混交比例的桉树人工混交林进行了土壤肥力质量评价。从pH值与土壤有机质等环境因子来看，不同处理土壤平均pH值为4.15，普遍偏低，呈酸性，这是由于长期使用桉树纯林造林导致土壤逐渐酸化[20]，但有机质含量普遍处于较高水平，可能是由于桉树生物量较大同时该区域采取保留采伐剩余物的经营方式[21]。土壤大量养分元素中，25%桉树-米老排、桉树-灰木莲土壤全氮、全磷含量显著高于其他处理，说明混交林能够显著提升土壤养分积累及养分循环效率，保障林木生长过程中有充足的养分供应[6]。土壤微量元素中，25%桉树-灰木莲混交林土壤铜、锌含量相比其余处理显著升高，说明该种处理有利于这两个养分元素的积累，而其余微量元素暂未表现出一致的规律性。土壤质量评价结果表明，与营建桉树人工纯林相比，选择不同树种、伴生比例营建混交林对土壤肥力质量具有明显的提升作用，25%的伴生树种比例对于纯林的土壤肥力质量提升更为显著，主要原因在于混交复层林结构对于减少雨水冲刷、地表径流具有积极的作用，丰富的林分凋落物加快了人工林土壤养分循环，改善了土壤结构。同时，混交林较高的植被多样性也为保持该生态系统稳定性起到了积极作用[22]。

随着桉树人工林在广西种植面积的不断扩大，其在广西经济发展中所占据的地位也日益重要，如何保持桉树人工林可持续经营和林地生产力持续提升是目前林业经营者们要解决的主要问题[19]。本研究表明，在桉树人工林经营过程中，采取复层、高混交比例的经营方式营建桉树-灰木莲、桉树-米老排等混交林，对维持并提升林地土壤肥力质量，促进林分养分循环与累积具有较为明显的正向作用。在今后的林业生产经营中，可以适当地调整经营方式，多采用混交林模式，保障广西桉树人工林的生态可持续发展。

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Effects of Different Tree Species in Mixed Plantations withon Soil Fertility

JIANG Lin1, QIN Heng1, DENG Jianying1, ZHU Yuanli1, ZHAO Junyu2, WANG Huili2, TANG Jian2

(1.2.)

In order to study the effects on soil nutrient accumulation and fertility of artificial mixed forests ofwith different tree species, and in different proportions,×and×mixed plantation forests in Guangxi state-owned Qipo Forest Farm were evaluated. In these forest stands, 15 conventional soil fertility indices along with the minimum data set and membership function method were used to evaluate the soil fertility. The results showed that compared with pure species forest stands, soil organic matter, total nitrogen, total potassium, alkali -hydrolysable nitrogen, available phosphorus, available potassium and other nutrients were significantly higher in mixed species plantation stands with different treatments, and the contents of the trace elements copper and zinc were most significantly higher. Overall, compared with pure species forest stands, the soil fertility of mixed species plantation stands with different structures was significantly improved. The treatment with the highest soil fertility was a 25%×mixed plantation stand. When formulating production and management strategies, we can refer to the mixed species forest construction measures to ensure the sustainability of forest soil fertility and promote the healthy and sustainable development ofplantations and downstream industries in Guangxi.

minimum data set; membership function; mixed forest; sustainable management;Eco-friendly

10.13987/j.cnki.askj.2022.02.002

S718.5

A

广西林业科技推广示范项目“生态缓冲区桉树人工林土壤生态功能提升技术研究与示范”(桂林科研〔2021〕23号)；“高代次桉树人工林生产力和地力对林下植被抚育的响应”(桂林科研〔2021〕6号)

蒋林(1970— )，男，硕士，高级工程师，主要从事森林资源培育方面的工作，E-mail:568230028@qq.com

唐健(1980— )，男，博士，教授级高级工程师，主要从事土壤环境质量研究，E-mail:piscestony@qq.com