木麻黄纯林及其混交林对土壤剖面理化性质的影响

王小燕， 薛 杨， 宿少锋， 林之盼， 雷湘龄， 王耀山

( 1. 海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)， 海口 571100； 2. 海南省农业学校， 海口 571100 )

木麻黄()原产于澳大利亚、越南等地，自20世纪50年代被引入我国以来，已成为我国东南沿海防护林的主栽树种，从福建至广东、海南，其种植面积达30万hm(仲崇禄等，2005)。木麻黄具有生长迅速、防风固沙强、抗御海潮及风暴、改善沿海生态环境、提供用材等作用，经过多年的栽培，已显现出相当好的地域适应性(Chen et al., 2018；杨彬和郝清玉，2020)，并且有力地推动了沿海地区经济稳步发展，保障了沿海居民的稳定生活(杜建会等，2014)。海南岛位于我国南海北部，具有1 528.4 km的海岸线，其中宜林海岸线长达1 105 km，约占总海岸线长的72.03%(姚晓静等，2013)。木麻黄防护林在海南岛海岸线的大面积构建，全岛风沙危害问题基本得到了解决(刘成路等，2013)。

由于木麻黄人工林树种组成单一化严重、结构配置重视不足，多代连栽和林分结构较为简单，木麻黄林逐渐出现了较多的生态问题，如林带稳定性和生物多样性下降、自身遗传多样性降低、病虫害频发、林地碳汇功能减弱、土壤整体地力衰退、防护效能减弱，甚至造成生态环境的恶化(Leelamanie, 2016；王璇等，2017；徐志霞等，2018)。冯剑等(2016)通过研究榄仁树与木麻黄的混交林型，发现木麻黄的根系、凋落物等化感物质均降低了榄仁树幼苗的存活率，并影响其幼苗生长发育。黄舒静等(2009)研究发现，木麻黄化感物质对自身幼苗的生长也有明显的抑制作用，这种化感物质积累、林地土壤养分耗竭等也是造成木麻黄自身更新困难的主要原因。Zhou等(2019)研究表明，长期纯林的种植模式加剧了木麻黄根际土壤的微生态失衡，并显著降低了土壤微生物群落结构，造成土壤退化。目前普遍认为，营造良好的混交林是提高人工林生物多样性和生态稳定性的有效措施，而且还在地力衰退的防治方面发挥重要作用(盛炜彤，2018；Pereira et al., 2019)。综上所述，针对目前木麻黄林分结构单一造成的土壤肥力衰退等问题，本研究在海南北部海岸线选取了3种林分类型(木麻黄纯林，木麻黄和琼崖海棠混交林，木麻黄和大叶相思混交林，其中琼崖海棠和大叶相思已被证实是具有较强更新潜力的树种)，通过分析林下土壤剖面理化性质分布特征及其林分间的差异，探讨防护林结构对土壤肥力指标的影响，以期达到增强林带稳定性和防护功能连续性、改善土壤肥力的目的，最终为我国东南沿海木麻黄防护林体系建设提供树种选择和配置依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为海南省海口市灵山镇后尾村，位于海南省东北部海岸带，地理位置为115°58′31.0″ E、40°27′35.5″ N，该区域地势平坦，海拔高度在8～10 m之间。属热带海洋性季风气候，为湿润气候区，干湿季节明显，年均降雨量为1 684 mm，多集中于5—9月，年均气温为23.8 ℃。土壤类型为海风、海水搬运后形成的砂质砖红壤，土壤疏松且水肥条件较差。

1.2 样地布设、土样采集及测定

试验选取该区域代表性的3种林分类型，分别为木麻黄纯林(,)、木麻黄-琼崖海棠混交林(×,×)、木麻黄-大叶相思混交林(×,×)。样地基本概况如表1所示，林下主要草本植被类型如表2所示。采用典型取样方法，如图1所示，在以上3种林分中各设置3个20 m × 20 m的代表性方形样方，在每个样方中选择代表性的土壤调查地段，各挖取1个0～100 cm的土壤剖面，除去凋落物层后，按照O层(腐殖质层)、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm土层分层取混合土样，共计45个土样，其中通过观察确定土壤腐殖质层(色暗、疏松)，其与表层土壤具有明显差异。将所有样品带回实验室，经风干、磨细过筛后，用于土壤理化性状的测定(鲁如坤，2000)。分别采用电位法测定pH，重铬酸钾-外加热法测定有机碳，半微量定氮法测定全氮，酸溶-钼锑抗比色法测定全磷含量，碱溶-火焰光度计法测定全钾含量，BrayⅠ提取-钼锑抗吸光光度法测定有效磷含量，乙酸铵浸提-火焰光度计法测定速效钾含量，氯化钾浸提-连续流动分析仪法测定硝态氮和铵态氮含量。

表 1 样地基本概况Table 1 Basic general situation of experimental sites

分别代表木麻黄、琼崖海棠和大叶相思；▲代表土壤剖面采样点。 indicate Casuarina equisetifolia, Calophyllum inophyllum and Acacia auriculiformis, respectively; ▲ indicates the soil profile sampling sites.图 1 不同林分类型种植示意图Fig. 1 Planting diagram of different plantations

表 2 样地林下主要草本层植被类型Table 2 Herbaceous vegetation types of experimental sites under forest

1.3 统计分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，用单因素方差分析比较3种林分类型同一土层土壤理化性质的差异性，利用最小差异显著性法(LSD)对各水平间的差异进行分析，用双因素方差分析3种林分类型、不同土层对土壤理化性质的交互影响，用Pearson相关性对土壤理化性质间的相关性进行分析，显著性水平设置为<0.05。统计图使用Origin 8.0软件进行制作。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型土壤pH分布特征

由图2可知，不同林分下土壤pH随剖面深度的增加呈逐渐增加的趋势，其中木麻黄纯林、木麻黄-琼崖海棠混交林、木麻黄-大叶相思混交林pH变幅分别为4.47～5.50、4.75～5.90、4.60～5.65。3种林分类型间pH大小顺序为木麻黄-琼崖海棠混交林>木麻黄-大叶相思混交林、木麻黄纯林。其中，在腐殖质层和20～40 cm土层下各林分pH间差异显著(<0.05)；在腐殖质层，木麻黄-琼崖海棠混交林显著高于其他两种林分，较木麻黄纯林高0.27个单位，增幅达6.11%，较木麻黄-大叶相思混交林高0.15个单位，增幅达3.26%；20～40 cm土层，木麻黄-琼崖海棠混交林较木麻黄纯林高0.32个单位，增幅为5.97%。通过方差分析发现，林分类型和剖面深度均对pH有极显著的影响(<0.01)，林型和剖面深度的交互作用则对pH无显著影响。

T表示林分类型; D表示土壤剖面深度。和分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。下同。T indicates plantation type; D indicates soil profile depth. and indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectivety. The same below.图 2 不同林分类型土壤剖面pH分布特征Fig. 2 pH distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.2 土壤剖面有机碳和全氮分布特征

不同林分土壤剖面有机碳和全氮含量以及C/N分布特征如图3所示。由图3可知，土壤有机碳和全氮含量均随剖面深度的增加呈显著降低的趋势，其中木麻黄纯林、木麻黄-琼崖海棠混交林、木麻黄-大叶相思混交林土壤有机碳含量变幅分别为0.08～8.80、0.37～20.80、0.79～24.62 g·kg，全氮含量变幅分别为0.03～0.48、0.05～0.69、0.08～0.83 g·kg。3种林分类型间土壤有机碳和全氮含量的大小顺序标线为木麻黄-大叶相思混交林>木麻黄-琼崖海棠混交林>木麻黄纯林，其中，不同土层各林分间差异均达到显著水平(<0.05)。与木麻黄纯林相比，木麻黄-琼崖海棠混交林各层土壤有机碳和全氮含量增幅范围分别为69.8%～358.3%和44.1%～160.7%，木麻黄-大叶相思混交林增幅范围分别为90.2%～908.3%和31.4%～210.7%，有机碳含量增幅高于全氮增幅。从C/N比来看，依然为腐殖质层高于其他土层，木麻黄-大叶相思混交林显著高于木麻黄纯林。从方差分析可以看出，林分类型、剖面深度以及二者的交互作用对土壤有机碳含量、全氮含量以及C/N均有极显著影响。

图 3 不同林分类型土壤剖面有机碳含量、全氮含量和C/N分布特征Fig. 3 Soil organic carbon contents, total nitrogen contents and C/N distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.3 土壤剖面全磷和全钾分布特征

由图4可知，土壤全磷和全钾含量均随剖面深度的增加呈降低的趋势。木麻黄纯林、木麻黄-琼崖海棠混交林、木麻黄-大叶相思混交林剖面土壤全磷含量变幅分别为0.107～0.287、0.137～0.300、0.149～0.337 g·kg，全钾含量变幅分别为0.098%～0.133%、0.112%～0.142%、0.120%～0.150%，3种林分类型间土壤全磷和全钾含量的大小顺序基本表现为木麻黄纯林小于木麻黄-大叶相思混交林和木麻黄-琼崖海棠混交林。就全磷含量而言，0～20 cm土层下，木麻黄-琼崖海棠混交林显著高于木麻黄纯林和木麻黄-大叶相思混交林，增幅分别为39.6%和23.4%，而在20～100 cm各土层下木麻黄混交林均显著高于木麻黄纯林，木麻黄-琼崖海棠混交林增幅为20.8%～28.2%，木麻黄-大叶相思混交林增幅为25.0%～39.6%；就全钾含量而言，40～60 cm土层下，木麻黄-大叶相思混交林显著高于木麻黄纯林，增幅为20.6%。从方差分析结果来看，林分类型、剖面深度均对全磷和全钾含量有极显著影响，而二者交互作用均对全磷含量有极显著影响(<0.01)。

ns表示无显著性差异。ns indicates no significant differences. 图 4 不同林分类型土壤剖面全磷含量和全钾含量分布特征Fig. 4 Total phosphorus and total potassium contents distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.4 土壤剖面速效养分分布特征

不同林分下土壤剖面速效养分分布特征如图5所示。3种林分类型有效磷含量变幅分别为木麻黄纯林1.30～1.74 mg·kg、木麻黄-琼崖海棠混交林1.66～2.09 mg·kg、木麻黄-大叶相思混交林1.29～2.21 mg·kg。其中，木麻黄纯林的腐殖质层有效磷含量低于其他土层，而两种混交林的腐殖质层则高于其他土层，且随剖面深度的增加呈降低的趋势。同时，两种混交林腐殖质层显著高于木麻黄纯林，增幅分别为60.5%和70.2%，然而较深层次(20～100 cm)土壤下，木麻黄-大叶相思混交林有效磷含量相对于其他两种林型较低。方差分析表明，林分类型、剖面深度以及二者交互作用均对有效磷含量有极显著影响(<0.01)。

图 5 不同林分类型土壤剖面有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量分布特征Fig. 5 Available phosphorus, available potassium, nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents distribution characteristics of soil profile in different plantations

随剖面深度的增加，各林分速效钾含量均呈降低的趋势。3种林分类型土壤速效钾含量变幅为木麻黄纯林2.05～13.58 mg·kg、木麻黄-琼崖海棠混交林2.47～14.23 mg·kg、木麻黄-大叶相思混交林3.70～16.22 mg·kg；各土层速效钾含量均表现为木麻黄-大叶相思混交林>木麻黄-琼崖海棠混交林>木麻黄纯林，与木麻黄纯林相比，木麻黄-琼崖海棠混交林和木麻黄-大叶相思混交林各土层速效钾含量增幅分别为4.8%～87.2%和19.4%～98.2%。方差分析显示，林分类型和剖面深度均对速效钾含量有极显著影响(<0.01)，而二者交互作用对其无显著影响。

随剖面深度的增加，硝态氮和铵态氮含量均呈明显降低的趋势，腐殖质层显著高于其他土层。腐殖质层下的各林分间土壤硝态氮和铵态氮含量差异显著，其中木麻黄-大叶相思混交林均显著高于木麻黄纯林和木麻黄-琼崖海棠混交林，硝态氮含量增幅分别为21.8%和21.0%，铵态氮含量增幅分别为162.6%和66.8%。方差分析表明，林分类型、剖面深度以及二者交互作用均对硝态氮和铵态氮含量有极显著影响(<0.01)。

2.5 土壤剖面理化性状相关分析

通过分析3种林分条件下不同理化性状之间的相关关系发现(表3)，土壤pH与有机碳、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量均呈显著或极显著的负相关关系，其他土壤养分含量间均呈显著或极显著的正相关关系，其中，有机碳含量与全氮、硝态氮以及铵态氮含量间的相关系数高于其他指标。

表 3 不同林分类型土壤理化性质间的相关关系Table 3 Correlation coefficients between soil physico-chemical properties of different plantations

3 讨论与结论

本研究结果表明，与木麻黄纯林相比，木麻黄-琼崖海棠混交林可有效改善土壤酸度，提高各层土壤pH，而木麻黄-大叶相思混交林与木麻黄纯林间无显著差异。总的来看，混交林模式改善土壤pH的作用机制可能有以下三方面原因。第一，酚酸类是土壤最具化感潜力的化学物质之一，纯林根系分泌物中各类酚酸物质的含量均显著高于混交林，而酚酸含量又与土壤pH呈负相关，因此，与纯林相比，混交林根系间的相互作用减弱了根系分泌物的酚酸物质含量，进而改善土壤pH(柴旭光，2016)；第二，混交林枯落物产量和丰富度高于纯林(赵燕波等，2015)，从而产生更多的中间产物和腐殖质，而有机质中的酸性基团(-COOH)提供了大量的阳离子交换位点，枯落物物通过释放更多的阳离子，进而中和土壤氢离子，减缓土壤的酸化(汪思龙和陈楚莹，1992)；第三，有学者认为混交林种植会通过提升土壤pH进而抑制土壤铝有效性，对缓解植物铝毒有改善作用(雷波等，2014)。综上所述，合理的混交林模式在一定程度上可以减缓木麻黄林地土壤的酸化。

土壤有机质是衡量森林土壤肥力的重要指标，其主要来源于植物地上枯落物和地下根系的输入，是指示土壤肥力与健康的关键指标(杨承栋，2016)。本研究表明，不同木麻黄林分类型土壤有机碳和全氮含量总体随土层加深呈下降趋势，腐殖质层有机碳和全氮含量明显高于其他各层土壤，表现明显的“表聚”现象，且琼崖海棠、大叶相思与木麻黄混交林的这种现象较木麻黄纯林更明显。一方面，森林枯落物归还到土壤中后，主要覆盖在地表，而枯落物中主要成分为碳，其次为氮，二者在地表逐年富集进而造成了明显的层次性；另一方面，混交林与纯林相比，混合枯落物的非加和效应加速了其分解和转化速率，进而有效提升了土壤有机碳含量，增强林地容蓄能力，更有利于混交林植物的生长和林分的稳定(熊勇等，2012)。两种混交林相比，木麻黄-大叶相思混交林的层次性更明显，一方面与大叶相思混交林枯落物产量高于琼崖海棠混交林有关(薛杨等，2014)；另一方面可能是由于大叶相思的根瘤菌固定氮气，对土壤的增氮效果和改土效果较好(唐国勇等，2012)。以往研究表明，大叶相思人工林的树冠较高，叶面积大，枯落物产量高且分解快，养分元素能够较快地进行系统内循环，维持土壤肥力，同时还可有效降低风速，削弱强风影响，提高林分防护功能(高成杰等，2014)。生产中值得注意的是，大叶相思树冠开展，在木麻黄和大叶相思混交造林时，最好将两个树种交接行的行距适当加大，以避免木麻黄受到庇荫而影响生长，或者在生长后期对大叶相思做适当修剪，减少种间树冠过度重叠(陈德旺，2003)。

本研究发现，与木麻黄纯林相比，两种混交林对土壤全磷含量的改善效果均较好，对全钾含量亦有一定的提升作用。主要由于滨海沙地保水保肥能力差，加之降雨量集中且大，造成土壤中钾离子径流、淋洗损失严重(丁效东等，2016)，通过混交林种植可以增加植被覆盖度，起到抗侵蚀作用；另外，还可通过产生大量枯落物增加输入到土壤中的磷和钾含量，进而提高土壤全磷和全钾贮量。从土壤速效养分来看，速效钾、硝态氮和铵态氮含量在不同林分类型下均表现出明显的“表聚”现象，主要原因为腐殖质层和上层土壤中有机质含量较高，降低了速效养分随降雨向下层土壤淋洗。通过分析土壤理化性质之间的相关性发现，土壤pH与有机碳、全氮、全磷、全钾以及速效养分含量均呈显著或极显著负相关，而土壤养分间均呈显著或极显著正相关。以往研究认为，在适当降低土壤pH的情况下，提高养分含量，可以增加人工林的土壤微生物数量，进而改善林地土壤微生态环境(梁国华等，2015)。综上所述，木麻黄不同林分类型下的土壤理化性质存在差异，生产实践中，可以通过合理的混交林种植来改善林内枯落物的组成及性质，不断提高土壤中有机质含量，改善土壤理化性质和土壤肥力，进而促使滨海沙地木麻黄防风林的可持续生产和发展。