刘 涛，王家妍，李万年，莫雅芳，杨 梅*

(1.广西国有高峰林场，广西 南宁 530001；2.广西大学 林学院，广西 南宁 530004)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国特有的亚热带地区重要的人工用材林树种，人工林种植面积占我国人工林面积的18%[1]。经营实践证明，长期营造杉木纯林存在树种结构单一、多样性下降、森林生态系统脆弱、林木生产力和立地质量下降等问题[2]。相关研究表明，营建混交林能有效改善土壤养分，促进林木生长，提高林分结构稳定，增加物种多样性，改善林内生态环境[3-4]等,孙思怡等[5]研究指出，杉木林下套种阔叶树能明显改善土壤养分、微生物量、生态酶活性以及生态酶化学计量比。黄钰辉等[6]研究指出,南亚热带杉阔混交林在土壤pH、速效N和速效P质量分数方面均有效升高，土壤改良作用明显。曾翼等[7]对杉木人工林间伐后套种阔叶树种生长进行动态研究，发现大叶栎(Quercusgriffithii)在杉木林下生长速度最快，林下光环境直接影响套种树种选择。康希睿等[8]研究表明，构建密度适宜的杉木-檫木(Sassafrastzumu)-栎属树种中度混交林能提高林下更新潜力，增加群落的物种丰富度，优化林分结构。因此，营建杉木混交林，是解决杉木人工纯林主要问题和维持杉木可持续发展的有效途径。

观光木(Tsoongiodenodorum)是木兰科观光木属的常绿乔木，木材性质优良，树皮、树根等器官含有抗癌药效成分，树叶、树枝可以用于提炼香精和香茶等，因曾遭受严重破坏，致使其野生资源极度稀少和种群数量不断减少，被列为国家珍稀濒危二级保护植物[9-10]。因此，为了保护观光木，扩大其种群数量，同时提高杉木人工林生态系统的持续生产力和稳定性，增加物种多样性，对杉木人工纯林进行改造试验，合理利用杉木成熟林的生长环境和观光木在幼龄林时期比较耐荫的生物学特性，在杉木人工林中引入观光木，构建杉×阔异龄复层混交林，充分利用2个树种在垂直空间上的互补生态位资源、高效利用自然资源、促进观光木的生长、改善立地条件，维持林地土壤肥力和生产力等。本研究通过分析杉木纯林、观光木纯林和杉木×观光木异龄复层混交林3种林分类型的林木生长指标、土壤理化性质、土壤养分含量及其化学计量比特征，探索不同营林模式下观光木和杉木的生长状况及林地土壤环境的变化规律。以了解不同林冠组成下杉木林和观光木的土壤养分限制状况，达到促进林木生长、提质增效，有效保护珍稀濒危树种等多重效益。对综合评价杉木和观光木人工林土壤肥力特征以及林木养分利用效率具有参考价值，也为退化土壤生态系统恢复和人工林持续经营管理，建立树种多样、结构合理、功能齐全、长期稳定的森林生态系统提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于广西现代林业科技示范园优良树种展示区(108°07′-109°21′E， 22°50′-23°33′N)，低丘陵山地地貌，属南亚热带季风气候区，年平均气温21.0 ℃，年降水量1 200～1 500 mm，年日照时数1 450～1 650 h，相对湿度大于80%[11]。成土母质以砂页岩为主，土壤为酸性赤红壤，质地中壤至轻黏，土层厚度60～90 cm，表土层厚度20 cm，平均pH值为4.0～5.0，肥力中等。展示区内森林覆盖率91.77%，林下常见植被有野漆(Toxicodendronsuccedaneum)、三叉苦(Evodialepta)、山仓子(Litseacubeba)、东方乌毛蕨(Blechnumorientale)、铁芒箕(Dicranopterisdichotoma)、扇叶铁线蕨(Adiantumflabellulatum)等。

1.2 试验林营造

试验林地于1995年种植杉木纯林，苗木为广西区内1年生裸根苗，初植密度2 500株·hm-2，2003、2008、2013年对杉木进行间伐。2013年间伐后林地保留杉木600株·hm-2，同年按照750株·hm-2的密度在杉木林下套种观光木，套种后杉木与观光木树种比例为4∶5；皆伐林地按照1 350株·hm-2营造观光木纯林，观光木均为1年生实生苗(平均苗高30 cm)。造林后，对观光木抚育3 a，每年扩坎施肥1次，全林分割草抚育2次 。

1.3 试验方法

1.3.1 样地设置和林木调查 2017年7月，在杉木纯林、观光木纯林和杉木×观光木异龄复层林3种林地内，选择林木生长均匀的地段，遵循垂直等高线原则分别设置3个20 m×20 m样方。对样方内的林木进行每木调查，包括林木的胸径、树高、冠幅、地径、单株生物量等。

1.3.2 土壤采样 在每一个样地内选择未受人为干扰、植被结构和土壤具有代表性的地段，采取对角线法[12]，按照上、中、下坡位设置3个土壤样点，按照0～20(A层)、20～40 cm(B层)从下而上分层采样，采用环刀法采集土壤样品用于测定土壤密度、总孔隙度等物理性质。同时使用土壤取样器分层采集土壤样品，并写好标签，做好标记后装到无菌塑封袋中带回实验室，室温下风干，除去植物根系、石砾等杂质，研磨过60目筛后将同一样地同一土壤层样品混合均匀，按四分法选取后用于化学分析测定。

1.3.3 土壤理化性质测定 参照GB 7848-7858-78《森林土壤养分分析》处理土壤样品。用pH计测定土壤的pH，土壤有机碳(SOC)采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法进行测定，土壤中全N(TN)采用凯氏定氮法测定，水解N采用苯酚-次氯酸盐比色法测定，全P(TP)用钼锑抗比色法测定，速效P用双酸浸提-钼蓝比色法测定，全K(TK)用碱熔-钼锑抗比色法测定，速效K用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2016对数据进行数据统计，用SPSS 19.0进行T-检验、单因素方差分析、Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 生长情况

从表1可以看出，造林4 a后，异龄复层林中杉木树高远大于林中的观光木，形成明显异龄复层林分结构。异龄复层林中杉木树高和胸径分别为18.56 m、20.19 cm，分别比杉木纯林高出25.15%、9.79%。异龄复层林与纯林观光木的保存率分别为87.24%和76.67%，说明观光木早期生长更能适应杉木林下环境。观光木纯林平均树高、胸径、冠幅分别为5.3 m、2.52 cm、1.55 m，观光木×杉木异龄复层林平均树高、胸径、冠幅分别为5.4 m、2.7 cm、1.60 m。经T-检验分析比较，异龄复层林中杉木和观光木胸径、树高均显著高于纯林(P<0.05),综合以上指标，杉木×观光木异龄复层混交经营模式有利于杉木和观光木的生长。

林分直径分布是林分内不同直径林木按一定径阶排列的分布状态，以2 cm为1个径阶，2种林分内观光木各径阶分布株数见图1。混交后的株数径阶主要集中在4～8 cm，而纯林在6径阶的分布明显高于纯林的其他径阶，约占纯林林分的55%，相对来说，混交林中观光木的径阶分布范围较广，纯林内径阶分布范围更集中。

2.2 土壤分析

2.2.1 不同林分土壤物理性质分析 由表2可知，异龄复层林各层土壤密度、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度与观光木、杉木纯林均存在显著差异(P<0.05)，异龄复层林物理性质均比纯林有不同程度的改善。3种林分土壤密度为1.18～1.52 g·cm-3，土壤密度随着土层加深而增加。异龄复层林0～20、20～40 cm土层土壤密度分别为1.18、1.27 g·cm-3，分别比观光木纯林下降11.94%和10.56%，比杉木纯林下降4.84%、5.93%。在同层土壤的孔隙度比较中，异龄复层林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度均大于观光木和杉木纯林，相比纯林分别增加10.29%～22.27%。杉木林下套种观光木后土壤密度减少，孔隙度增加，表明异龄复层林有利于改善土壤内部结构，土壤结构更加疏松，透气性更好，有利于土壤养分和水分输送。

从表2可知，异龄复层林0～20 cm土壤层的最大持水量、毛管持水量和田间持水量分别比观光木纯林提高34.54%、25.23%、33.01%，比杉木纯林提高8.62%、8.32%、12.11%；20～40 cm土壤层最大持水量、毛管持水量和田间持水量分别比观光木纯林增加14.46%、18.26%、18.35%，比杉木纯林提高6.99%、4.00%、16.01%，表明杉木林林下套种观光木后较观光木、杉木纯林的土壤持水量有所增加。

表2 不同林分土壤物理性质比较

2.2.2 不同林分土壤化学性质分析 由表3可知，异龄复层林土壤pH较纯林有所提高，各层土壤有机质、全N、全P、全K及速效养分与观光木、杉木纯林均存在显著差异(P<0.05)，土壤养分含量随着土层加深而递减。3种林分土壤有机碳、全N、全P平均含量分别为27.79、1.52、0.41 mg·g-1，其中异龄复层林表层土壤(0～20 cm)有机质、全N、全P、全K、水解N、速效P、速效K比观光木纯林提高34.63%、68.31%、58.97%、21.99%、59.88%、70.72%、28.73%，比杉木纯林提高20.75%、44.98%、67.57%、20.87%、39.52%、61.28%、18.94%；异龄复层林20～40 cm土壤层有机质分别比杉木和观光木纯林提高29.00%、35.06%，各养分含量分别比杉木、观光木纯林高出7.87%～41.31%、14.32～53.57%，说明异龄复层林对表层土壤的有机质和养分的影响更为强烈，对表层土壤(0～20 cm)影响超过更深层次(20～40 cm)的土壤。各层土壤有机质和养分含量由大到小呈现为：异龄复层林、杉木纯林、观光木纯林。

表3 不同林分土壤有机质和养分含量比较

3 结论与讨论

刘金炽等[13]研究发现，观光木幼树耐荫，生长需要一定的荫蔽条件，适度遮阴有利于观光木的生长。聂颖[14]开展杉木林冠下套种4个树种试验结果显示，观光木对Ⅱ立地级、郁闭度0.6的杉木林下条件适应能力最强。本研究结果与上述研究结果基本一致，异龄复层林中观光木胸径、树高、单株生物量分别比纯林增加3.21%、8.73%、18.52%，并且复层林中杉木胸径、树高分别比杉木纯林提高25.15%、9.79%。在杉木×观光木异龄复层林中，杉木形成上层林分结构，为观光木生长提供良好的遮阴环境，2种树种形成生态位互补，提高空间和资源的利用率，促进树种生长。

杉木等一般针叶树凋落物落物紧密、含单宁物质较多，不利于养分分解和归还[15]。刘涛等[16]研究表明，在杉木林下套种华盖木、亮叶木莲、红豆后，整体上改善原杉木纯林的土壤理化性质，木兰科树种与杉木异龄混交表现为相互促进的种间关系。乐兴钊[17]在杉木林下套种闽粤栲，林分土壤肥力提高19.05%。本研究在杉木林下套种观光木后，增加不同土壤层次中根系的分布，根系分布空间更加复杂，凋落物种类和数量增多，分解速率和养分归还加快，土壤密度变小，利于土壤孔隙和持水状况改善，土壤结构变得更加疏松，土壤养分含量增加，促进杉木和观光木林木生长。观光木纯林是在原杉木林皆伐后种植的，受到人工整地、抚育等管理活动影响，土壤结构被破坏，且林分处于幼林期，凋落物减少，腐化程度降低，导致在3种林分理化性质表现中观光木纯林表现最差。

土壤中有机碳和营养元素主要来源于林分的凋落物分解，后随着雨水向下淋溶，因此本研究中土壤有机碳和营养元素随着土层加深而递减，出现表聚效应，这与苟丽晖等[18]的研究结果一致。C、N、P是植物生长必须的大量元素，土壤中有机碳、N、P直接影响植物生长、群落的结构和功能[19-21]。杉木×观光木异龄复层林土壤有机质、全N、全P、全K、水解N、速效P、速效K含量均高于杉木、观光木纯林，说明异龄混交能显著提高土壤有机碳和养分含量。本研究中3种林分土壤有机碳、全N、全P平均含量分别为27.79、1.52、0.41 mg·g-1，有机碳、全N高于全国水平(11.12、1.06 mg·g-1)，全P含量低于全国水平(0.65 mg·g-1)[22]，说明本研究试验地中土壤P元素严重缺乏。可能是因为本研究区域属于南亚热带季风气候，处于低纬度地区，雨热同期，土壤淋溶作用强烈，导致土壤移动性较强的有效P含量减少；另外，研究区域土壤为典型的酸性赤红壤，土壤中铁、铝活性较强，与有效P形成固定态铁磷和铝磷，难以被植物吸收。

土壤化学计量比是反映土壤有机质和养分有效性的重要指标，比如土壤中C∶N、C∶P是判断土壤C、N、P矿化和固持作用的重要表征，一般认为C∶N、C∶P比值越小，微生物转化速率越快，土壤矿化和固持作用越好[23-24]。本研究中异龄复层林中C∶N、C∶P平均值分别为16.62、61.46，均低于杉木和观光木纯林，说明在杉木林中套种观光木能加快土壤微生物的转化和矿化作用，更有利于土壤有机质分解速率和N、P有效释放。