王小燕， 薛 楊， 宿少鋒， 林之盼， 雷湘齡， 王耀山

( 1. 海南省林業(yè)科學研究院(海南省紅樹林研究院)， ?？?571100； 2. 海南省農(nóng)業(yè)學校， ?？?571100 )

木麻黃()原產(chǎn)于澳大利亞、越南等地，自20世紀50年代被引入我國以來，已成為我國東南沿海防護林的主栽樹種，從福建至廣東、海南，其種植面積達30萬hm(仲崇祿等，2005)。木麻黃具有生長迅速、防風固沙強、抗御海潮及風暴、改善沿海生態(tài)環(huán)境、提供用材等作用，經(jīng)過多年的栽培，已顯現(xiàn)出相當好的地域適應性(Chen et al., 2018；楊彬和郝清玉，2020)，并且有力地推動了沿海地區(qū)經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，保障了沿海居民的穩(wěn)定生活(杜建會等，2014)。海南島位于我國南海北部，具有1 528.4 km的海岸線，其中宜林海岸線長達1 105 km，約占總海岸線長的72.03%(姚曉靜等，2013)。木麻黃防護林在海南島海岸線的大面積構(gòu)建，全島風沙危害問題基本得到了解決(劉成路等，2013)。

由于木麻黃人工林樹種組成單一化嚴重、結(jié)構(gòu)配置重視不足，多代連栽和林分結(jié)構(gòu)較為簡單，木麻黃林逐漸出現(xiàn)了較多的生態(tài)問題，如林帶穩(wěn)定性和生物多樣性下降、自身遺傳多樣性降低、病蟲害頻發(fā)、林地碳匯功能減弱、土壤整體地力衰退、防護效能減弱，甚至造成生態(tài)環(huán)境的惡化(Leelamanie, 2016；王璇等，2017；徐志霞等，2018)。馮劍等(2016)通過研究欖仁樹與木麻黃的混交林型，發(fā)現(xiàn)木麻黃的根系、凋落物等化感物質(zhì)均降低了欖仁樹幼苗的存活率，并影響其幼苗生長發(fā)育。黃舒靜等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，木麻黃化感物質(zhì)對自身幼苗的生長也有明顯的抑制作用，這種化感物質(zhì)積累、林地土壤養(yǎng)分耗竭等也是造成木麻黃自身更新困難的主要原因。Zhou等(2019)研究表明，長期純林的種植模式加劇了木麻黃根際土壤的微生態(tài)失衡，并顯著降低了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，造成土壤退化。目前普遍認為，營造良好的混交林是提高人工林生物多樣性和生態(tài)穩(wěn)定性的有效措施，而且還在地力衰退的防治方面發(fā)揮重要作用(盛煒彤，2018；Pereira et al., 2019)。綜上所述，針對目前木麻黃林分結(jié)構(gòu)單一造成的土壤肥力衰退等問題，本研究在海南北部海岸線選取了3種林分類型(木麻黃純林，木麻黃和瓊崖海棠混交林，木麻黃和大葉相思混交林，其中瓊崖海棠和大葉相思已被證實是具有較強更新潛力的樹種)，通過分析林下土壤剖面理化性質(zhì)分布特征及其林分間的差異，探討防護林結(jié)構(gòu)對土壤肥力指標的影響，以期達到增強林帶穩(wěn)定性和防護功能連續(xù)性、改善土壤肥力的目的，最終為我國東南沿海木麻黃防護林體系建設提供樹種選擇和配置依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為海南省?？谑徐`山鎮(zhèn)后尾村，位于海南省東北部海岸帶，地理位置為115°58′31.0″ E、40°27′35.5″ N，該區(qū)域地勢平坦，海拔高度在8～10 m之間。屬熱帶海洋性季風氣候，為濕潤氣候區(qū)，干濕季節(jié)明顯，年均降雨量為1 684 mm，多集中于5—9月，年均氣溫為23.8 ℃。土壤類型為海風、海水搬運后形成的砂質(zhì)磚紅壤，土壤疏松且水肥條件較差。

1.2 樣地布設、土樣采集及測定

試驗選取該區(qū)域代表性的3種林分類型，分別為木麻黃純林(,)、木麻黃-瓊崖海棠混交林(×,×)、木麻黃-大葉相思混交林(×,×)。樣地基本概況如表1所示，林下主要草本植被類型如表2所示。采用典型取樣方法，如圖1所示，在以上3種林分中各設置3個20 m × 20 m的代表性方形樣方，在每個樣方中選擇代表性的土壤調(diào)查地段，各挖取1個0～100 cm的土壤剖面，除去凋落物層后，按照O層(腐殖質(zhì)層)、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm土層分層取混合土樣，共計45個土樣，其中通過觀察確定土壤腐殖質(zhì)層(色暗、疏松)，其與表層土壤具有明顯差異。將所有樣品帶回實驗室，經(jīng)風干、磨細過篩后，用于土壤理化性狀的測定(魯如坤，2000)。分別采用電位法測定pH，重鉻酸鉀-外加熱法測定有機碳，半微量定氮法測定全氮，酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷含量，堿溶-火焰光度計法測定全鉀含量，BrayⅠ提取-鉬銻抗吸光光度法測定有效磷含量，乙酸銨浸提-火焰光度計法測定速效鉀含量，氯化鉀浸提-連續(xù)流動分析儀法測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

表 1 樣地基本概況Table 1 Basic general situation of experimental sites

分別代表木麻黃、瓊崖海棠和大葉相思；▲代表土壤剖面采樣點。 indicate Casuarina equisetifolia, Calophyllum inophyllum and Acacia auriculiformis, respectively; ▲ indicates the soil profile sampling sites.圖 1 不同林分類型種植示意圖Fig. 1 Planting diagram of different plantations

表 2 樣地林下主要草本層植被類型Table 2 Herbaceous vegetation types of experimental sites under forest

1.3 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用單因素方差分析比較3種林分類型同一土層土壤理化性質(zhì)的差異性，利用最小差異顯著性法(LSD)對各水平間的差異進行分析，用雙因素方差分析3種林分類型、不同土層對土壤理化性質(zhì)的交互影響，用Pearson相關性對土壤理化性質(zhì)間的相關性進行分析，顯著性水平設置為<0.05。統(tǒng)計圖使用Origin 8.0軟件進行制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤pH分布特征

由圖2可知，不同林分下土壤pH隨剖面深度的增加呈逐漸增加的趨勢，其中木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林pH變幅分別為4.47～5.50、4.75～5.90、4.60～5.65。3種林分類型間pH大小順序為木麻黃-瓊崖海棠混交林>木麻黃-大葉相思混交林、木麻黃純林。其中，在腐殖質(zhì)層和20～40 cm土層下各林分pH間差異顯著(<0.05)；在腐殖質(zhì)層，木麻黃-瓊崖海棠混交林顯著高于其他兩種林分，較木麻黃純林高0.27個單位，增幅達6.11%，較木麻黃-大葉相思混交林高0.15個單位，增幅達3.26%；20～40 cm土層，木麻黃-瓊崖海棠混交林較木麻黃純林高0.32個單位，增幅為5.97%。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，林分類型和剖面深度均對pH有極顯著的影響(<0.01)，林型和剖面深度的交互作用則對pH無顯著影響。

T表示林分類型; D表示土壤剖面深度。和分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。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.圖 2 不同林分類型土壤剖面pH分布特征Fig. 2 pH distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.2 土壤剖面有機碳和全氮分布特征

不同林分土壤剖面有機碳和全氮含量以及C/N分布特征如圖3所示。由圖3可知，土壤有機碳和全氮含量均隨剖面深度的增加呈顯著降低的趨勢，其中木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林土壤有機碳含量變幅分別為0.08～8.80、0.37～20.80、0.79～24.62 g·kg，全氮含量變幅分別為0.03～0.48、0.05～0.69、0.08～0.83 g·kg。3種林分類型間土壤有機碳和全氮含量的大小順序標線為木麻黃-大葉相思混交林>木麻黃-瓊崖海棠混交林>木麻黃純林，其中，不同土層各林分間差異均達到顯著水平(<0.05)。與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林各層土壤有機碳和全氮含量增幅范圍分別為69.8%～358.3%和44.1%～160.7%，木麻黃-大葉相思混交林增幅范圍分別為90.2%～908.3%和31.4%～210.7%，有機碳含量增幅高于全氮增幅。從C/N比來看，依然為腐殖質(zhì)層高于其他土層，木麻黃-大葉相思混交林顯著高于木麻黃純林。從方差分析可以看出，林分類型、剖面深度以及二者的交互作用對土壤有機碳含量、全氮含量以及C/N均有極顯著影響。

圖 3 不同林分類型土壤剖面有機碳含量、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 土壤剖面全磷和全鉀分布特征

由圖4可知，土壤全磷和全鉀含量均隨剖面深度的增加呈降低的趨勢。木麻黃純林、木麻黃-瓊崖海棠混交林、木麻黃-大葉相思混交林剖面土壤全磷含量變幅分別為0.107～0.287、0.137～0.300、0.149～0.337 g·kg，全鉀含量變幅分別為0.098%～0.133%、0.112%～0.142%、0.120%～0.150%，3種林分類型間土壤全磷和全鉀含量的大小順序基本表現(xiàn)為木麻黃純林小于木麻黃-大葉相思混交林和木麻黃-瓊崖海棠混交林。就全磷含量而言，0～20 cm土層下，木麻黃-瓊崖海棠混交林顯著高于木麻黃純林和木麻黃-大葉相思混交林，增幅分別為39.6%和23.4%，而在20～100 cm各土層下木麻黃混交林均顯著高于木麻黃純林，木麻黃-瓊崖海棠混交林增幅為20.8%～28.2%，木麻黃-大葉相思混交林增幅為25.0%～39.6%；就全鉀含量而言，40～60 cm土層下，木麻黃-大葉相思混交林顯著高于木麻黃純林，增幅為20.6%。從方差分析結(jié)果來看，林分類型、剖面深度均對全磷和全鉀含量有極顯著影響，而二者交互作用均對全磷含量有極顯著影響(<0.01)。

ns表示無顯著性差異。ns indicates no significant differences. 圖 4 不同林分類型土壤剖面全磷含量和全鉀含量分布特征Fig. 4 Total phosphorus and total potassium contents distribution characteristics of soil profile in different plantations

2.4 土壤剖面速效養(yǎng)分分布特征

不同林分下土壤剖面速效養(yǎng)分分布特征如圖5所示。3種林分類型有效磷含量變幅分別為木麻黃純林1.30～1.74 mg·kg、木麻黃-瓊崖海棠混交林1.66～2.09 mg·kg、木麻黃-大葉相思混交林1.29～2.21 mg·kg。其中，木麻黃純林的腐殖質(zhì)層有效磷含量低于其他土層，而兩種混交林的腐殖質(zhì)層則高于其他土層，且隨剖面深度的增加呈降低的趨勢。同時，兩種混交林腐殖質(zhì)層顯著高于木麻黃純林，增幅分別為60.5%和70.2%，然而較深層次(20～100 cm)土壤下，木麻黃-大葉相思混交林有效磷含量相對于其他兩種林型較低。方差分析表明，林分類型、剖面深度以及二者交互作用均對有效磷含量有極顯著影響(<0.01)。

圖 5 不同林分類型土壤剖面有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)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

隨剖面深度的增加，各林分速效鉀含量均呈降低的趨勢。3種林分類型土壤速效鉀含量變幅為木麻黃純林2.05～13.58 mg·kg、木麻黃-瓊崖海棠混交林2.47～14.23 mg·kg、木麻黃-大葉相思混交林3.70～16.22 mg·kg；各土層速效鉀含量均表現(xiàn)為木麻黃-大葉相思混交林>木麻黃-瓊崖海棠混交林>木麻黃純林，與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林和木麻黃-大葉相思混交林各土層速效鉀含量增幅分別為4.8%～87.2%和19.4%～98.2%。方差分析顯示，林分類型和剖面深度均對速效鉀含量有極顯著影響(<0.01)，而二者交互作用對其無顯著影響。

隨剖面深度的增加，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均呈明顯降低的趨勢，腐殖質(zhì)層顯著高于其他土層。腐殖質(zhì)層下的各林分間土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量差異顯著，其中木麻黃-大葉相思混交林均顯著高于木麻黃純林和木麻黃-瓊崖海棠混交林，硝態(tài)氮含量增幅分別為21.8%和21.0%，銨態(tài)氮含量增幅分別為162.6%和66.8%。方差分析表明，林分類型、剖面深度以及二者交互作用均對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量有極顯著影響(<0.01)。

2.5 土壤剖面理化性狀相關分析

通過分析3種林分條件下不同理化性狀之間的相關關系發(fā)現(xiàn)(表3)，土壤pH與有機碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均呈顯著或極顯著的負相關關系，其他土壤養(yǎng)分含量間均呈顯著或極顯著的正相關關系，其中，有機碳含量與全氮、硝態(tài)氮以及銨態(tài)氮含量間的相關系數(shù)高于其他指標。

表 3 不同林分類型土壤理化性質(zhì)間的相關關系Table 3 Correlation coefficients between soil physico-chemical properties of different plantations

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，與木麻黃純林相比，木麻黃-瓊崖海棠混交林可有效改善土壤酸度，提高各層土壤pH，而木麻黃-大葉相思混交林與木麻黃純林間無顯著差異?？偟膩砜?，混交林模式改善土壤pH的作用機制可能有以下三方面原因。第一，酚酸類是土壤最具化感潛力的化學物質(zhì)之一，純林根系分泌物中各類酚酸物質(zhì)的含量均顯著高于混交林，而酚酸含量又與土壤pH呈負相關，因此，與純林相比，混交林根系間的相互作用減弱了根系分泌物的酚酸物質(zhì)含量，進而改善土壤pH(柴旭光，2016)；第二，混交林枯落物產(chǎn)量和豐富度高于純林(趙燕波等，2015)，從而產(chǎn)生更多的中間產(chǎn)物和腐殖質(zhì)，而有機質(zhì)中的酸性基團(-COOH)提供了大量的陽離子交換位點，枯落物物通過釋放更多的陽離子，進而中和土壤氫離子，減緩土壤的酸化(汪思龍和陳楚瑩，1992)；第三，有學者認為混交林種植會通過提升土壤pH進而抑制土壤鋁有效性，對緩解植物鋁毒有改善作用(雷波等，2014)。綜上所述，合理的混交林模式在一定程度上可以減緩木麻黃林地土壤的酸化。

土壤有機質(zhì)是衡量森林土壤肥力的重要指標，其主要來源于植物地上枯落物和地下根系的輸入，是指示土壤肥力與健康的關鍵指標(楊承棟，2016)。本研究表明，不同木麻黃林分類型土壤有機碳和全氮含量總體隨土層加深呈下降趨勢，腐殖質(zhì)層有機碳和全氮含量明顯高于其他各層土壤，表現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象，且瓊崖海棠、大葉相思與木麻黃混交林的這種現(xiàn)象較木麻黃純林更明顯。一方面，森林枯落物歸還到土壤中后，主要覆蓋在地表，而枯落物中主要成分為碳，其次為氮，二者在地表逐年富集進而造成了明顯的層次性；另一方面，混交林與純林相比，混合枯落物的非加和效應加速了其分解和轉(zhuǎn)化速率，進而有效提升了土壤有機碳含量，增強林地容蓄能力，更有利于混交林植物的生長和林分的穩(wěn)定(熊勇等，2012)。兩種混交林相比，木麻黃-大葉相思混交林的層次性更明顯，一方面與大葉相思混交林枯落物產(chǎn)量高于瓊崖海棠混交林有關(薛楊等，2014)；另一方面可能是由于大葉相思的根瘤菌固定氮氣，對土壤的增氮效果和改土效果較好(唐國勇等，2012)。以往研究表明，大葉相思人工林的樹冠較高，葉面積大，枯落物產(chǎn)量高且分解快，養(yǎng)分元素能夠較快地進行系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，維持土壤肥力，同時還可有效降低風速，削弱強風影響，提高林分防護功能(高成杰等，2014)。生產(chǎn)中值得注意的是，大葉相思樹冠開展，在木麻黃和大葉相思混交造林時，最好將兩個樹種交接行的行距適當加大，以避免木麻黃受到庇蔭而影響生長，或者在生長后期對大葉相思做適當修剪，減少種間樹冠過度重疊(陳德旺，2003)。

本研究發(fā)現(xiàn)，與木麻黃純林相比，兩種混交林對土壤全磷含量的改善效果均較好，對全鉀含量亦有一定的提升作用。主要由于濱海沙地保水保肥能力差，加之降雨量集中且大，造成土壤中鉀離子徑流、淋洗損失嚴重(丁效東等，2016)，通過混交林種植可以增加植被覆蓋度，起到抗侵蝕作用；另外，還可通過產(chǎn)生大量枯落物增加輸入到土壤中的磷和鉀含量，進而提高土壤全磷和全鉀貯量。從土壤速效養(yǎng)分來看，速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量在不同林分類型下均表現(xiàn)出明顯的“表聚”現(xiàn)象，主要原因為腐殖質(zhì)層和上層土壤中有機質(zhì)含量較高，降低了速效養(yǎng)分隨降雨向下層土壤淋洗。通過分析土壤理化性質(zhì)之間的相關性發(fā)現(xiàn)，土壤pH與有機碳、全氮、全磷、全鉀以及速效養(yǎng)分含量均呈顯著或極顯著負相關，而土壤養(yǎng)分間均呈顯著或極顯著正相關。以往研究認為，在適當降低土壤pH的情況下，提高養(yǎng)分含量，可以增加人工林的土壤微生物數(shù)量，進而改善林地土壤微生態(tài)環(huán)境(梁國華等，2015)。綜上所述，木麻黃不同林分類型下的土壤理化性質(zhì)存在差異，生產(chǎn)實踐中，可以通過合理的混交林種植來改善林內(nèi)枯落物的組成及性質(zhì)，不斷提高土壤中有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)和土壤肥力，進而促使濱海沙地木麻黃防風林的可持續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展。