石 亮,張日升

(遼寧省沙地治理與利用研究所,遼寧 阜新 123000)

科爾沁沙地位于內(nèi)蒙古東南部西遼河中下游,總面積5.18萬(wàn)km2,是我國(guó)四大沙地之一。20世紀(jì)20—80年代,由于過(guò)度開(kāi)墾、放牧、樵采等人類不合理利用自然資源活動(dòng)[1],造成科爾沁地區(qū)疏林草原退化,土地沙漠化日趨嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境惡化[2]。目前,科爾沁地區(qū)以草地畜牧業(yè)發(fā)展為主的區(qū)域,植被處于逐漸恢復(fù)狀態(tài)，而以種植業(yè)發(fā)展為主的區(qū)域,沙漠化逐漸加劇。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為,科爾沁沙地主要由固定沙地組成,范圍內(nèi)植被的水土保持功能仍然存在,地質(zhì)構(gòu)造上沒(méi)有質(zhì)的改變,有恢復(fù)生境的可能[3]。因此,科學(xué)合理的植被建設(shè)和防沙治沙措施,是推動(dòng)科爾沁地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐寒耐旱、生態(tài)幅寬、適生地域廣和生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等優(yōu)良特性,使其成為三北地區(qū)防護(hù)林重要組成樹(shù)種[4]。但由于建植初期樹(shù)種選擇較為單一,且部分地區(qū)林木已經(jīng)進(jìn)入成、過(guò)熟期,生態(tài)功能和防護(hù)效益下降嚴(yán)重?？茖W(xué)合理的林分改造可延長(zhǎng)樟子松人工林的生態(tài)防護(hù)周期,并使其向高功能地帶性森林植被發(fā)展。Gadow等[5]提出了混交度的概念,并在此后的一段時(shí)間得到了廣泛應(yīng)用[6-9]；高培軍等[10]通過(guò)對(duì)11a生杉木擬赤楊混交林土壤理化性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),各混交模式的水穩(wěn)性團(tuán)聚體、總孔隙度、通氣度、持水量較純林均有提高,尤其是土壤有機(jī)質(zhì)更是提高了43.96%,說(shuō)明混交林可以充分發(fā)揮水源涵養(yǎng)作用的同時(shí),也能最大程度提升土壤肥力；楊菁等[11]應(yīng)用高通量測(cè)序技術(shù),比較了降香黃檀(Dalbergiaodorifera)不同混交林的土壤細(xì)菌多樣性,發(fā)現(xiàn)黃檀×大果紫檀(Pterocarpusmacarocarpus)、黃檀×檀香(Santalumalbum)對(duì)土壤含水率、化學(xué)性質(zhì)、酶活性、細(xì)菌豐富度和多樣性的提升明顯,pH值、多酚氧化酶及脲酶活性是主要影響因子。油松(Pinustabulaeformis)×刺槐(Robiniapseudoacacia)混交可增加土壤細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物數(shù)量,提高土壤磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性[12]；侯本棟等[13]研究黃河三角洲刺槐混交林土壤養(yǎng)分變化時(shí)發(fā)現(xiàn),有效磷、速效鉀在5～20 cm土層低于刺槐純林,除此之外的其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為混交林>純林。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)樟子松開(kāi)展了大量的生態(tài)學(xué)研究[14-15],但對(duì)科爾沁沙地樟子松人工純林改造成針闊混交林后土壤養(yǎng)分變化規(guī)律和機(jī)制缺乏深入研究。本研究通過(guò)設(shè)置不同樹(shù)種與樟子松人工林進(jìn)行帶狀混交,分析各混交帶內(nèi)土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性差異性,明確科爾沁沙地樟子松人工林混交后土壤養(yǎng)分變化規(guī)律和影響機(jī)制,從而為樟子松人工林更新改造及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn)遼寧省沙地治理與利用研究所(42°43′～42°51′N,121°53′～122°22′E),海拔多在245m左右。屬溫帶半濕潤(rùn)干旱區(qū),年降水量480mm左右,多集中在6—8月,年平均氣溫6.82 ℃,多年平均蒸發(fā)量1 500mm,相對(duì)濕度60.4%,年均風(fēng)速2.8 m/s。該地區(qū)主要分布的喬木樹(shù)種有樟子松、赤松(Pinusdensiflora)、云杉(Piceakoraiensisi)家榆(Ulmuspumila)、銀中楊(Populusalba)、色木槭(Acermono)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等；草本和灌木有馬唐(Digitariasanguinalis)、虎尾草(Chlorisvirgate)、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、披堿草(Elymusdahuricus)等。

1.2 樣品采集及測(cè)定

試驗(yàn)樣地為典型的科爾沁沙地樟子松人工林,總面積33 hm2,林齡為38a生初始的栽植密度為1 600株/hm2。2012年進(jìn)行帶狀采伐改造,間伐寬度分別為9 m,13 m[16]。2013年春季,在間伐帶內(nèi)分別栽植樟子松、銀中楊、色木槭幼苗,形成樟子松×樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica×P.sylvestrisvar.mongolica,PP)、樟子松×銀中楊(P.sylvestrisvar.mongolica×Populusalba,PPM)、樟子松×色木槭(P.sylvestrisvar.mongolica×Acermono,PAM)混交林,并以沙地樟子松純林為對(duì)照。2018年9月,在海拔相近的樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)面積為50m2的樣方,用土鉆(Φ=5 cm)按“S”形在0～20 cm土層取樣,每個(gè)土樣重量約1 kg并帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用NaHCO3-鉬銻抗比色法、過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法、蔗糖酶采用二硝基水楊酸比色法、磷酸酶采用苯磷酸二鈉法、脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究混交樣地土壤養(yǎng)分差異性采用SPSS軟件的單因素方差(One-way ANOVA)和并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。采用兩個(gè)樣本T檢驗(yàn)方法分析PP,PPM,PAM不同栽植寬度的差異。采用典范對(duì)應(yīng)分析和主成分分析法對(duì)不同混交模式土壤性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。運(yùn)用Canoco 4.5軟件對(duì)不同樣地各土壤性狀因子進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis)。采用CanoDraw,Origin95進(jìn)行繪圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 混交改造對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

混交改造顯著改變了樟子松人工林的土壤化學(xué)性質(zhì)。由圖1可知,大部分樣地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷均顯著高于CK,其中有機(jī)質(zhì)含量最高為PAM2樣地,堿解氮含量最高為PPM2樣地,有效磷含量最高為PP1樣地,三者分別較CK增加90.88%,159.07%,87.58%。除上述樣地外,其他混交樣地土壤化學(xué)性質(zhì)之間并無(wú)顯著差異(P>0.05)。通過(guò)樣本T檢驗(yàn)可知,不同間種寬度,相同間種樹(shù)種的樣地中,PPM2樣地堿解氮含量顯著高于PPM1,PAM2樣地有機(jī)質(zhì)、有效磷含量顯著高于PAM1(P<0.05)。

2.2 混交改造對(duì)土壤酶活性的影響

混交改造對(duì)樟子松人工林土壤酶活性影響不同。

由圖2可知,4種酶活性峰值分別出現(xiàn)在PPM1,PPM2,PPM2和PPM1樣地,均為樟×楊混交樣地。與CK樣地相比,各樣地土壤酶活性均呈現(xiàn)不同程度提高,其中磷酸酶和脲酶活性提高較為顯著(P<0.05),但混交樣地之間的差異性不顯著(P>0.05),與土壤化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)類似。通過(guò)樣本T檢驗(yàn)可知,只有PPM2樣地蔗糖酶活性顯著高于PPM1,說(shuō)明本研究酶活性出現(xiàn)差異性主要受混交樹(shù)種影響,而非間種寬度。

2.3 各混交模式土壤養(yǎng)分因子綜合評(píng)價(jià)

從圖3樣點(diǎn)分布可以看出,堿解氮、蔗糖酶處于第一象限,與第一、二序列軸呈正相關(guān)關(guān)系；有效磷處于第二象限,與第二序列軸呈正相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶處于第四象限,與第一、二序列軸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。堿解氮、蔗糖酶與PPM2相關(guān)性程度較大,有效磷與樟×樟樣地相關(guān)性程度較大,有機(jī)質(zhì)、過(guò)氧化氫酶、脲酶、磷酸酶與PPM1,PAM1,PAM2相關(guān)性程度較大。

注AP為有效磷；AN為堿解氮；INV為蔗糖酶；OM為有機(jī)質(zhì)；PHO為磷酸酶；CAT為過(guò)氧化氫酶；URE為脲酶。

為評(píng)估混交改造對(duì)樟子松人工林土壤養(yǎng)分的影響,對(duì)所有土壤養(yǎng)分因子(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶)進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化處理,并進(jìn)行主成分分析。由表2可見(jiàn),綜合得分由高到低依次是PPM2>PPM1>PAM2>PP1>PP2>PAM1>CK樣地。本研究各處理提取前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.80%,其中F1=0.85X1+0.89X2+0.60X3+0.88X4+0.75X5+0.88X6+0.82X7,權(quán)重為0.73；F2=0.01X1-0.16X2+0.65X3+0.22X4-0.43X5+0.40X6+0.29X7,權(quán)重為0.15；F3=-0.16X1+0.29X2+0.47X3-0.32X4+0.44X5-0.23X6-0.30X7,權(quán)重為0.12。

表2 土壤養(yǎng)分因子綜合評(píng)價(jià)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

長(zhǎng)期實(shí)施林分改造能夠有效改良林下土壤養(yǎng)分狀況,提高森林生態(tài)服務(wù)功能[17]。對(duì)西伯利亞紅松進(jìn)行混交林分改造后,由于地表凋落物的分解和地下根系的周轉(zhuǎn)發(fā)生改變,增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異的程度[18]。李麗紅[19]通過(guò)對(duì)10a生馬尾松大葉相思混交林土壤肥力的研究發(fā)現(xiàn),馬尾松大葉相思單行混交的土壤有機(jī)質(zhì)含量較馬尾松純林增加59%。本研究各混交樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于對(duì)照,主要是由于土壤碳庫(kù)儲(chǔ)備主要來(lái)自于植物殘?bào)w和凋落物,針闊混交可豐富碳素的來(lái)源途徑,闊葉林有機(jī)碳儲(chǔ)量高于針葉林[20],加之適宜的水熱條件,促使碳素的養(yǎng)分歸還速率加快。除PPM2樣地外,其他樟×楊、樟×槭樣地土壤堿解氮含量與樟×樟樣地?zé)o顯著差異,甚至含量更低，土壤有效磷含量也有相似的規(guī)律。雷靜品等[21]在研究帶狀改造對(duì)柏木林土壤性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn),柏木林混交刺桐、刺槐后堿解氮含量低于柏木純林,與本研究結(jié)果相近。這可能是由于種群生態(tài)位關(guān)系造成不同樹(shù)種的競(jìng)爭(zhēng),闊葉幼樹(shù)從土壤中汲取更多的氮、磷元素來(lái)滿足生長(zhǎng)需求。磷素作為科爾沁地區(qū)沙地的主要限制因素,在土壤中易形成難溶性鹽沉淀[22],闊葉幼樹(shù)根系需要更強(qiáng)的活化作用來(lái)吸收磷素。

土壤酶是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的重要媒介,是反應(yīng)土壤質(zhì)量和健康較為敏感的生物指標(biāo)[23]。本研究中各混交樣地的土壤過(guò)氧化氫酶活性均高于對(duì)照,可能是由于研究區(qū)范圍內(nèi)土壤類型以沙土為主,土壤條件受外部環(huán)境變化影響明顯,混交改造豐富了林內(nèi)物種多樣性,土壤動(dòng)物、微生物殘骸、植物根系分泌等使得土壤環(huán)境得到改善[24],提高了土壤的生物化學(xué)活性,說(shuō)明樟子松混交林較樟子松純林有更強(qiáng)的抵御過(guò)氧化氫毒害的能力 。針闊混交樣地磷酸酶活性顯著高于對(duì)照(P>0.05),說(shuō)明樟子松純林經(jīng)過(guò)混交改造有利于林內(nèi)植被生長(zhǎng)及土壤中微生物的生物活動(dòng),加快有機(jī)磷的水解和循環(huán)速度,提高磷的利用效率。各樣地土壤蔗糖酶、脲酶活性均高于對(duì)照,但混交改造樣地之間無(wú)顯著差異(P<0.05),這可能一方面是由于混交改變了原有植被類型,凋落物分解條件和土壤微生物狀況都發(fā)生了不同程度的變化[21],需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)重新構(gòu)建新的分解系統(tǒng)；另一方面是由于沙土保水蓄水能力差,使得酶活性變?nèi)?氮素流失或沒(méi)有完全釋放。

運(yùn)用典范對(duì)應(yīng)分析可知,PP1,PP2樣地處于第二象限,與有效磷存在顯著關(guān)系,說(shuō)明樟×樟樣地相較于針闊混交林更有利于土壤磷素的積累。第一序列軸由左向右,土壤有效磷含量逐漸降低,磷酸酶活性逐漸升高,一方面,說(shuō)明樟子松人工林混交改造有利于提高土壤酶活性,另一方面,說(shuō)明混交改造中的闊葉幼樹(shù)為滿足自身生長(zhǎng)需求,在磷酸酶活性的作用下,會(huì)消耗一部分土壤中的磷元素。由于科爾沁沙地土壤磷含量較低[25],且磷元素易于流失,有機(jī)磷礦化速率慢且有效性差[26],說(shuō)明磷元素是影響樟子松人工林改造效果的關(guān)鍵因素。PPM2,PPM1樣地分別位于第一、四象限,第二序列軸自下而上間伐寬度逐漸增大,相關(guān)的土壤養(yǎng)分因子由有機(jī)質(zhì)、過(guò)氧化氫酶、脲酶、磷酸酶變?yōu)閴A解氮、蔗糖酶,說(shuō)明楊樹(shù)對(duì)外界環(huán)境的變化較為敏感,適宜的間種帶寬使林內(nèi)水熱條件向更利于幼樹(shù)生長(zhǎng)的方向變化,進(jìn)而提高了土壤中微生物的活動(dòng)頻率,動(dòng)植物殘?bào)w及凋落物的死亡分解和淋溶作用加強(qiáng),有利于土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)、磷庫(kù)儲(chǔ)備的增加。土壤酶活性顯著提高,尤其是磷酸酶活性的增加可增加磷素的礦化和轉(zhuǎn)化速率,一定程度上緩解了科爾沁沙地磷素的限制。

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于林分改造、異齡混交的研究較多,如冀北山地華北落葉松人工林與白樺混交經(jīng)營(yíng)后,6 年的短期異齡混交改造使林內(nèi)土壤動(dòng)物顯示出較高的多樣性水平[27]。曹小玉等[28]通過(guò)對(duì)湖南地區(qū)杉木改造土壤肥力的研究,認(rèn)為改造后 3 個(gè)齡組杉木生態(tài)公益林土壤養(yǎng)分含量都有不同程度提高,綜合評(píng)價(jià)指數(shù)提高。不同的混交樹(shù)種對(duì)土壤的養(yǎng)分的影響也不盡相同,葛樂(lè)等[29]通過(guò)對(duì)杉木林套種12種植物發(fā)現(xiàn),在種植初期麻櫟和毛紅椿改良效果最佳。但是溫遠(yuǎn)光等[30]發(fā)現(xiàn)，馬尾松與紅錐異齡混交林土壤微生物群落多樣性和土壤酶活性明顯低于馬尾松純林,提出應(yīng)重視天然更新的觀點(diǎn)。本研究表明,針闊混交林對(duì)栽植空間的響應(yīng)更加敏感,通過(guò)主成分分析樟子松人工林混交改造對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性的特征發(fā)現(xiàn),各樣地得分由高到低依次為PPM2(0.84)>PPM1(0.41)>PAM2(0.29)>PP1(0.27)>PP2(0.09)>PAM1(-0.42)>CK(-1.49)?？偟膩?lái)說(shuō),混交樣地的土壤養(yǎng)分因子綜合得分高于對(duì)照,針闊混交林普遍高于樟子松異齡林。因此,科學(xué)合理地選擇鄉(xiāng)土樹(shù)種和栽植空間,將樟子松人工林改造為針闊混交林,可有效促進(jìn)土壤生態(tài)改善,延長(zhǎng)防護(hù)林的生命周期。此外,土壤磷是影響樟子松人工林改造最重要的因子(圖3),同時(shí)也是樟子松成熟林生長(zhǎng)主要的限制因子[26]。固氮植物有助于提高土壤磷酸酶活性、增加磷的循環(huán)速率[31],從而提高土壤中氮、磷的有效性[32]。在混交林建植初期,建議增施磷肥或在間伐林帶間種植固氮植物,以提供充足的養(yǎng)分供給闊葉植被幼苗生長(zhǎng),保證樟子松人工林的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 結(jié)論

1)混交改造可有效改善土壤化學(xué)性質(zhì),大部分樣地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量顯著提高,但混交樣地之間差異性不明顯。

2)針闊混交樣地土壤酶活性高于樟×樟,二者均高于對(duì)照,過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性的峰值均出現(xiàn)在了樟×楊樣地。

3)針闊混交林綜合得分較高,表現(xiàn)最好的是樟×楊樣地,可作為科爾沁沙地樟子松人工林改造的首選模式。在混交林建植初期,應(yīng)適當(dāng)增施磷肥或在間伐林帶間種植固氮植物。