李晨晨，周再知，梁坤南，黃桂華，楊 光

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州510520；2.廣東省廣州市白江湖森林公園 管理處，廣東 廣州 511390）

杉木Cunninghamia lanceolata是中國特有的速生用材樹種，分布廣，栽培歷史悠久，但大面積的純林經(jīng)營及連栽，導(dǎo)致杉木人工林地力嚴重衰退［1－3］。20世紀末，南方地區(qū)大面積杉木人工林被劃為生態(tài)公益林，其中絕大部分林分經(jīng)過多代經(jīng)營后，現(xiàn)存林分的生態(tài)功能和經(jīng)濟效益十分低下，生態(tài)公益林改造成為亟待解決的問題。林藥復(fù)合經(jīng)營模式是將適宜林下生長的藥用植物重新引種到自然環(huán)境下進行野生化栽培，在充分利用林地資源的同時，使野生藥用植物資源得到恢復(fù)，是科學(xué)合理的栽植模式［4］。杉木和藥用植物復(fù)合經(jīng)營一方面能夠考慮到復(fù)合經(jīng)營對土壤的改良作用，另一方面兼顧藥用植物帶來的經(jīng)濟價值，逐漸受到人們重視。早期也有少許相關(guān)研究，YANG等［5］和張鼎華等［6］研究發(fā)現(xiàn)：杉木林下栽植砂仁Amomum villosum后，土壤容重降低，土壤孔隙度和持水能力、有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、速效鉀含量均有不同程度的增加，各種土壤酶活性提高，土壤微生物含量增加。選擇合適的林藥種類是構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營模式的關(guān)鍵所在。盧玉鵬等［7］研究發(fā)現(xiàn)：秦嶺山區(qū)太白楊Populus purdomii林下栽植蒲公英Taraxacum mongolicum，薄荷Mentha haplocalyx以及魚腥草Houttuynia cordata會對凋落物分解過程中的養(yǎng)分釋放和土壤酶活性產(chǎn)生顯著的抑制作用，出現(xiàn)間作劣勢。因此，開展林下適宜栽植的藥材品種篩選試驗十分有必要。為此，本試驗選取適宜南方地區(qū)生長且具有較高經(jīng)濟價值的8種藥用植物，構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營模式，探究不同復(fù)合經(jīng)營模式對退化杉木林地土壤理化性質(zhì)的影響，篩選有利于土壤改良的林藥經(jīng)營模式，為南方生態(tài)公益林的可持續(xù)經(jīng)營、高效林藥培育體系的建立及林下經(jīng)濟的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地位于廣東省惠州市惠東縣梁化林場內(nèi)（23°08′13″～23°13′34″N， 114°42′25″～114°51′05″E）， 屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為22.0℃，年平均最低氣溫為2.9℃，最高氣溫為36.4℃，全年降水量為1 889.4 mm，全年平均相對濕度81%。植被類型為南亞熱帶常綠闊葉林。喬木種類最多的科為樟科Lauraceae，殼斗科Fagaceae和山茶科Theaceae。據(jù)調(diào)查，試驗地于1956年砍伐掉原生植被開始栽植杉木，隔20～25 a砍伐1次，上次砍伐是在2001年?？撤ズ蟛扇∶妊扛拢?006年被劃分為省級生態(tài)公益林?，F(xiàn)存林分郁閉度為0.45～0.50，平均樹高為8.1 m，平均胸徑為11.2 cm。試驗地成土母質(zhì)是為花崗巖，土壤屬南亞熱帶赤紅壤。坡度為5°～8°，坡向為陽坡，坡位為中坡。所選試驗地分布為鄰近地區(qū)，土壤性質(zhì)基本保持一致。

1.2 試驗設(shè)計

選用的8種藥用植物分別為膽木Nauclea officinalis，石筆木Tutcheria championi，紅豆杉Taxus chinensis，梅葉冬青 Ilex asprella，金花茶 Camellia nitidissima，裸花紫珠 Callicarpa nudiflora，草豆蔻Alpinia katsumadai和土沉香Aquilaria sinensis。于2013年4月，在杉木萌芽更新林分中構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營模式。試驗設(shè)9個處理，即杉木+膽木（SD），杉木+石筆木（SS），杉木+紅豆杉（SH），杉木+梅葉冬青（SM）， 杉木+金花茶（SJ）， 杉木+裸花紫珠（SL）， 杉木+草豆蔻（SC）， 杉木+土沉香（ST）及對照（杉木純林）。采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積240 m2（20 m×12 m），按1.5 m×2.0 m株行距栽植70株。小區(qū)之間設(shè)置3 m寬的隔離帶。所有小區(qū)常規(guī)化管理，每年的2－3月除草1次，所除雜草就地覆蓋。 施肥 2 次·a－1， 采用撒施的方式。 施用的肥料為氮磷鉀復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15］， 施肥量為 730 kg·hm－2·a－1， 所有小區(qū)的施肥量和施肥方式均一致。

1.3 土壤取樣方法

2016年8 月，在栽植小區(qū)內(nèi)沿對角線，在兩頭和中間位置，距藥用植物根部40 cm范圍處，挖取土壤剖面，用環(huán)刀法采集0～20 cm和20～40 cm的土樣，3次重復(fù)，用于土壤物理性質(zhì)的測定。同時用土鉆，多點采集相應(yīng)深度的土樣，充分混合，經(jīng)自然分干后，揀去雜物，研磨過篩裝袋，3次重復(fù)，用于養(yǎng)分特性測定。

1.4 土壤理化性質(zhì)分析

土壤物理指標的測定參見LY/T 1215-1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》。土壤pH值采用電位法測定，全氮采用凱氏消煮-擴散法測定，有效氮采用堿解-擴散法，全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，有效磷采用0.050 mol·L－1鹽酸-0.025 mol·L－1硫酸浸提法測定，全鉀采用氫氧化鈉堿液-火焰光度法測定，速效鉀采用1.000 mol·L－1乙酸銨浸提-火焰光度法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，陽離子交換量采用1.000 mol·L－1乙酸銨交換法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，Duncan多重比較。應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論的原理和方法［8－9］，對不同復(fù)合經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)進行灰色關(guān)聯(lián)分析及排序。首先進行數(shù)據(jù)的標準化，標準化過程中，數(shù)據(jù)分為正負效應(yīng)2種，其中土壤容重為負效應(yīng)，取倒數(shù)做正相關(guān)處理，采用極差正規(guī)化法。

其中：tij表示第i種模式的第j個指標，i=1，2，3，…，9；j=1，2，3，…，15。Xij表示標準化后的第i種模式的第j個指標。

然后構(gòu)建參考數(shù)列： X0={X01， X02， X03， …， X0j}和 Xi={Xi1， Xi2， Xi3， …， Xij}。 其中： X0為各項指標標準化后的最大值組成的數(shù)列，X0j表示不同模式各項指標標準化后第j個指標的最大值，j=1，2，3，…，15。Xi表示第i種模式各指標標準化后構(gòu)成的數(shù)列。

計算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

其中：ε（k）為第i種模式第j個指標的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。關(guān)聯(lián)度：

2 結(jié)果與分析

2.1 林藥復(fù)合經(jīng)營模式對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 林藥經(jīng)營模式對土壤水分和物理性質(zhì)的影響 由圖1可知：8種林藥經(jīng)營模式2個土層的土壤質(zhì)量含水量和田間持水量均大幅度提高，不同模式之間的差異達顯著水平（P＜0.05），且隨土層深度的增加而減小；0～20 cm土層，均是以杉木+梅葉冬青（SM）模式最大，分別是對照的1.5和2.0倍；20～40 cm土層，以杉木+膽木（SD）模式最大，分別是對照的1.6和1.8倍。相同土層，不同林藥模式之間，土壤容重差異顯著（P＜0.05）。與對照相比，8種林藥模式的土壤容重均呈不同程度下降，且隨土層深度的增加而增加。0～20 cm土層的土壤容重顯著降低的模式有杉木+膽木、杉木+紅豆杉和杉木+膽木，降幅為15.7%～22.3%；20～40 cm土層中除了杉木+金花茶和杉木+裸花紫珠模式外其余模式均顯著降低，降幅為12.7%～17.7%。

圖1 林藥模式下土壤水分、容重比較Figure 1 Comparison of soil moisture,bulk density in different patterns

由表1可知：土壤非毛管孔隙度各模式2個土層之間差異均未達到顯著水平。與對照相比，2個土層的毛管孔隙度和總孔隙度之間差異顯著（P＜0.05），且隨土層深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。0～20 cm土層，毛管孔隙度以杉木+梅葉冬青（SM）模式最大，杉木+裸花紫珠（SL）模式最小，但分別比對照提高44.9%和21.4%?？偪紫抖纫陨寄?膽木（SD）模式最大，杉木+裸花紫珠（SL）模式最小，最大值是最小值的1.2倍；20～40 cm土層，各模式毛管孔隙度和總孔隙度均以杉木+膽木（SD）模式最大，分別比對照提高43.4%和43.5%。

表1 林藥模式下土壤孔隙度的比較Table 1 Comparison of soil porosity in different patterns

2.1.2 林藥經(jīng)營模式對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 由圖2可以看出：0～20 cm土層中，土壤有效氮、有效磷、速效鉀不同模式之間差異達顯著水平（P＜0.05），有效氮質(zhì)量分數(shù)各模式差別較大，除杉木+石筆木（SS）模式和杉木+裸花紫珠 （SL）模式低于對照外，其他模式比對照均有不同程度的提高，增幅2.1%～35.1%；土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)各模式均顯著高于對照（P＜0.05），以杉木+裸花紫珠（SL）模式最高，是對照的2.1倍；杉木+草豆蔻（SC）模式的速效鉀最高，比對照提高了108.1%。

圖2 不同模式土壤速效養(yǎng)分比較Figure 2 Comparison of soil available N,P,K in different patterns

全量養(yǎng)分方面，0～20 cm土層中，全氮、全磷、全鉀不同模式之間差異達到顯著水平（P＜0.05）（圖3）。土壤全氮質(zhì)量分數(shù)以杉木+膽木（SD）模式最高，比對照顯著增加了32.1%，其次是杉木+草豆蔻（SC）模式、杉木+紅豆杉（SH）模式，分別增加27.3%和23.5%；土壤全磷和全鉀質(zhì)量分數(shù)與對照相比，除了杉木+金花茶（SJ）模式下降外，其余各模式都顯著增加，且均以杉木+草豆蔻（SC）模式最高，分別是對照的1.4和1.3倍。

由表2可知：在0～20 cm土層中，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)各模式的之間差異未達到顯著水平，但與對照相比，呈現(xiàn)增加的趨勢，以杉木+草豆蔻（SC）模式最高，杉木+膽木（SD）模式次之，分別比對照增加41.8%和31.4%；土壤pH值和陽離子交換量，不同模式之間差異顯著（P＜0.05），其中：杉木+裸花紫珠（SL）模式的pH值最大，比對照提高了4.3%；陽離子交換量各模式之間差異顯著，在杉木+金花茶（SJ）模式下達到最大，比對照提高了52.0%。林藥模式對20～40 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)影響程度要小于0～20 cm土層，9個化學(xué)指標中，僅速效鉀、全磷、全鉀在各模式之間差異達到顯著水平（P＜0.05）。

2.2 林藥復(fù)合模式土壤理化指標的關(guān)聯(lián)度分析

為了定量評價杉木林藥復(fù)合經(jīng)營模式對土壤理化性質(zhì)的影響，選擇0～20 cm土壤容重（x1），土壤含水量（x2）， 田間持水量（x3）， 非毛管孔隙度（x4）， 毛管孔隙度（x5）， 總孔隙度（x6）， pH 值（x7）， 有機質(zhì)（x8）， 全氮（x9）， 全磷（x10）， 全鉀（x11）， 有效氮（x12）， 有效磷（x13）， 速效鉀（x14）和陽離子交換量（x15）， 共15個指標。各模式各指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度見表3。由表3可知：各模式土壤理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)度即對土壤改良能力大小排序為杉木+草豆蔻（SC）（0.676 9）＞杉木+膽木（SD）（0.672 8）＞杉木+梅葉冬青（SM）（0.604 3）＞杉木+紅豆杉（SH）（0.597 3）＞杉木+石筆木（SS）（0.583 8）＞杉木+裸花紫珠（SL）（0.500 5）＞杉木+土沉香（ST）（0.498 4）＞杉木+金花茶（SJ）（0.458 7）＞對照（ck）（0.379 9）。

圖3 不同模式土壤全量養(yǎng)分比較Figure 3 Comparison of soil total N,P,K in different patterns

表2 林藥模式下土壤pH值和有機質(zhì)陽離子交換量比較Table 2 Comparison of soil pH,organic matter,and cation exchange capacity in different patterns

3 討論

大量研究表明，復(fù)合經(jīng)營模式的土壤容重、孔隙度、水分條件和養(yǎng)分條件要優(yōu)于單一的模式［10－12］。但是前人對此解釋的很少，多數(shù)為報道性，重應(yīng)用而輕原理。本研究發(fā)現(xiàn)：8種林藥模式對土壤水分-物理條件和養(yǎng)分條件都有不同程度的改善。主要考慮以下原因：林藥復(fù)合經(jīng)營模式相對于純林，凋落物量更大，凋落物種類增加，有助于提高土壤酶活性［13］，從而有利于凋落物的分解，使土壤中可利用養(yǎng)分動態(tài)循環(huán)量增加［14－15］。前人研究還發(fā)現(xiàn)：在一些森林生態(tài)系統(tǒng)中，有超過90%的氮和磷以及超過60%的其他營養(yǎng)元素是通過養(yǎng)分循環(huán)從植物體中進入到土壤中的［16］。凋落物分解產(chǎn)生的大量有機質(zhì)能夠促進優(yōu)質(zhì)土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，有助于土壤通氣保水［17］。另外，復(fù)合經(jīng)營模式各土層土壤的根系量要大于純林模式，根系的一些翻轉(zhuǎn)運動和穿插運動，使得土壤更加疏松多孔隙，同時根系的死亡，也能夠提高土壤養(yǎng)分的歸還量。也有研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，樹木根系能夠重新獲取深土層中被淋溶作用流失的超過作物根系吸收范圍的養(yǎng)分，通過凋落物和根系的翻轉(zhuǎn)作用重新加入養(yǎng)分循環(huán)，供給植物生長需要［18］。復(fù)合經(jīng)營模式相對于純林來說，植被覆蓋度大，遮光程度要高，能夠很好地改變林地表面微環(huán)境，起到降溫保濕的作用［19－20］。同時，本試驗區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年降水量在1 800 mm以上，水分條件良好，能夠很好地滿足植物生長的水分需求，因此，植物對水分的競爭程度應(yīng)該是較小的?？梢姡瑥?fù)合經(jīng)營模式是一個有機結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)，組分之間是有 “交流”的，它的土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分特性要優(yōu)于純林。

表3 各指標關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度Table 4 Relation coefficients and degrees of soil physical and chemical properties indexes

研究發(fā)現(xiàn)：不同的林藥模式之間也存在明顯的土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的差異，這主要是因為種植的品種不同而引起的差異［21］。韋鑠星等［22］對桉樹 Eucalyptus robusta林下扶芳藤 Euonymus fortunei， 金銀花Lonicera japonica和雞骨草Abrus cantoniensis模式研究發(fā)現(xiàn)，桉樹下以2 m×3 m模式種植雞骨草其生態(tài)效益和經(jīng)濟效益最佳。劉偉瑋等［23］對林參復(fù)合經(jīng)營模式研究發(fā)現(xiàn)，林分類型特征和種植年限對土壤質(zhì)量也會產(chǎn)生不同程度影響。不同林藥模式間土壤水分-物理條件和養(yǎng)分條件均存在差異，這主要可能是不同藥材品種引起的地上部分凋落物量、根系量、根系分泌物、生化特性等之間存在差異，造成的土壤改良效果不同。這與葛樂等［24］對杉木林下套種紅茴香Illicium henryi和紅豆杉等以及WANG等［25］對不同銀杏Ginkgo biloba復(fù)合經(jīng)營模式的研究結(jié)果相似。至于在20～40 cm土層中，大部分養(yǎng)分指標差異不顯著，可能與植物栽植時間較短，根系生長慢，分布較淺，短期內(nèi)凋落物分解量對較深土層影響程度較小有關(guān)。合理構(gòu)建林藥復(fù)合經(jīng)營模式對加快人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和地力維護具有重要的意義。

灰色關(guān)聯(lián)分析表明：杉木+草豆蔻模式對土壤理化性質(zhì)的綜合改良效果最好，與對照相比各化學(xué)指標均表現(xiàn)出增加的趨勢。這與張鼎華等［6］對杉木+砂仁模式的研究結(jié)果相似，但李娟等［26］對成齡膠園下間作草豆蔻研究發(fā)現(xiàn)，橡膠Hevea brasiliensis+草豆蔻模式雖增加了0～20 cm土層銨態(tài)氮、全鉀和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)，但降低了有機質(zhì)、全磷、 速效磷、 全氮質(zhì)量分數(shù)，這與本研究的結(jié)論是不太一致的。分析原因可能是試驗維持時間長度不一樣，橡膠+草豆蔻模式試驗期僅在7個月，再加上人工干擾較多，對土壤的理化性質(zhì)的增益效果很小，甚至降低。本試驗試驗期較長，又屬于生態(tài)公益林，人為干擾少，足以對土壤產(chǎn)生很好的改良效益。

本研究主要從土壤理化性質(zhì)變化角度，評價不同林藥復(fù)合經(jīng)營模式對退化杉木生態(tài)公益林林地土壤的改良效果。然而在實際生產(chǎn)中，尚需從藥用植物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)出等方面進行綜合評價。

4 結(jié)論

林藥復(fù)合經(jīng)營模式對退化杉木生態(tài)林林地土壤具有顯著的改良作用，尤其是對表層土壤。但不同模式對土壤的改良程度存在明顯差異，其中以杉木+草豆蔻模式綜合改良效果最佳，可以考慮推廣應(yīng)用，為杉木生態(tài)公益林的改造與可持續(xù)經(jīng)營提供新思路。

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