朱孔鑫，王會(huì)利，覃祚玉，唐健，鄧小軍，曹繼釗，王艮梅，莊舜堯

（1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002）

巨尾桉Eucalyptus urophylla×E.grandis具有速生豐產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)周期短、用途廣等特點(diǎn)。廣西地處中國(guó)西南部，水熱條件優(yōu)越，適宜林木生長(zhǎng)。巨尾桉在廣西種植廣泛，是廣西木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備的主要樹種，也是廣西完成全國(guó)二分之一木材產(chǎn)量?jī)?chǔ)備和產(chǎn)出的最大貢獻(xiàn)者[1]。但隨著長(zhǎng)期的單一無性系造林、多代連栽、高強(qiáng)度經(jīng)營(yíng)等原因，導(dǎo)致了桉樹（巨尾桉）人工林的總體產(chǎn)量不高、地力退化嚴(yán)重，甚至引發(fā)一系列生態(tài)問題[2]。目前急需提升桉樹人工林的土壤質(zhì)量，以改善桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)狀況。

在人工林經(jīng)營(yíng)過程中，通?？梢圆捎煤侠淼氖┓始夹g(shù)（如測(cè)土配方施肥等）、營(yíng)造混交林[3]等方式提升土壤質(zhì)量。但二者也存在著一定的問題，一是長(zhǎng)期施用化肥會(huì)造成土壤酸化、環(huán)境污染等問題；二是桉樹的輪伐期較短，短期內(nèi)混交林收益較低，同時(shí)也會(huì)極大地增加撫育間伐等營(yíng)林成本[4]。此外，程飛等[5]提出可以采用不同林地清理、整地、撫育、更新、混交以及套播綠肥6 大類營(yíng)林措施，來維持桉樹人工林的長(zhǎng)期生產(chǎn)力。

綠肥對(duì)于提升地力、改善生態(tài)環(huán)境具有重要作用，其中豆科Fabaceae 植物，如紫云英Astragalus sinicus[6]、豇豆Vigna unguiculata[7]、田菁Sesbania cannabina[8]等，由于其根瘤菌的固氮作用，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。通常，豆科綠肥植物生長(zhǎng)周期短、易大量種植，成熟后通過翻壓覆土，在土壤微生物的作用下分解，逐步釋放養(yǎng)分，可以有效改善土壤肥力狀況。在農(nóng)田土壤中，常用綠肥與農(nóng)作物間作、套作或輪作后還田，可穩(wěn)定氮素供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)田可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[9]。

在林業(yè)生產(chǎn)中，桉樹林下套種綠肥的實(shí)踐相對(duì)不足，尤其廣西作為桉樹人工林的主要種植地，相關(guān)報(bào)道更是較少。同時(shí)，綠肥的應(yīng)用與其品種、樹種、地點(diǎn)、氣候環(huán)境等密切相關(guān)，如何高效利用綠肥技術(shù)還存在諸多不確定因素。因此，本研究在廣西國(guó)營(yíng)東門林場(chǎng)選用白灰毛豆Tephrosia c andida和田菁兩種豆科綠肥植物進(jìn)行林下套種，探究綠肥植物套種對(duì)桉樹林地土壤以及林木生長(zhǎng)的影響，為改善桉樹林地土壤退化、提高桉樹林木生物量以及桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)林地選擇在廣西崇左市東門林場(chǎng)雷卡分場(chǎng)9 林班27 小班（107°55′42′′～107°55′46′′ E，22°25′15′′～22°25′17′′ N），面積為3.4 hm2。該地屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，地勢(shì)平緩，海拔為150 m，坡度≤10°，土壤為赤紅壤。主栽樹種為巨尾桉（品種為巨尾桉DH32-29），2017 年2 月新造林（3 年生實(shí)生苗），種植密度為1 250株·hm-2（4 m×2 m），2019 年6 月時(shí)保存率為97% 。所有處理均進(jìn)行過常規(guī)施肥（東林摻混肥：養(yǎng)分總含量≥30%，N∶P∶K 為15∶6∶9，氮肥為尿素，磷肥為磷酸一銨，鉀肥為氯化鉀，東門林場(chǎng)肥料廠提供），于2017年4 月條施基肥，9 月追肥，10 月全砍雜灌、全噴除草劑（草甘膦）各1 次，11 月底株間全挖草灌1 次，7 月和9 月病蟲害防治（殺蟲雙）各1 次；于2018 年4 月施放東林摻混肥，7 月割灌除草1 次，7 月底全噴除草劑（草甘膦）1 次，每次施肥量均為0.5 k g·株-1。在2019 年6 月開展試驗(yàn)前，進(jìn)行林地調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，桉樹林平均樹高為13.7 m，平均胸徑為9.8 c m，林地肥力概況見表1，發(fā)現(xiàn)其林下植被主要為藿香薊Ageratum conyzoides、飛機(jī)草Eupatorium odoratum、山菅Dianella ensifolia、木姜子Litsea pungens等。

表1 試驗(yàn)地土壤肥力概況Table 1 Soil fertility before experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)3 個(gè)試驗(yàn)處理，林下套種綠肥白灰毛豆（TC）、田菁（SC）以及不套種對(duì)照組（CK），每個(gè)處理3 次重復(fù)，合計(jì)9 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，其中，TC 小區(qū)的面積約為0.17 hm2，SC 小區(qū)的面積約為0.18 hm2，CK 小區(qū)的面積約為0.08 hm2，如圖1 所示。具體操作分兩步進(jìn)行：第一步：兩行中間（寬約2 m）均勻鋪有機(jī)肥（總養(yǎng)分≥5%，有效有益活菌數(shù)量≥5 億·g-1，南寧市桂田復(fù)合肥料廠提供），有機(jī)肥投入施入量約為4 500 kg·hm-2；第二步：將林地行間的土壤和有機(jī)肥機(jī)翻打碎，試驗(yàn)地平整后，起畦開行，TC 和SC 分別進(jìn)行條播（白灰毛豆、田菁）種子（30 kg·hm-2），CK 未播種。綠肥種子播種前進(jìn)行催芽處理，以確保出苗整齊。催芽處理：在播種前將種子攤曬1～2 d，然后直接用水浸泡24 h。試驗(yàn)于2019 年6 月5 日開始，2020 年5 月15 日試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 試驗(yàn)布設(shè)示意圖Figure 1 Experiment design

1.3 調(diào)查采樣

于試驗(yàn)實(shí)施前（2019 年6 月）與實(shí)施后（2020 年5 月）分別對(duì)各處理試驗(yàn)樣地進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定桉樹的樹高及胸徑，各處理樣地內(nèi)按S 形挖掘3～5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并避開綠肥根系生長(zhǎng)區(qū)域，分層采樣（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層），每個(gè)剖面土壤采集量約為2 kg，采用四分法保留0.5 kg 風(fēng)干樣用于樣品分析。

1.4 樣品分析

養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定：參照魯如坤[10]編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[10]分析土壤和植物樣品的pH 值及有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀N、P、K 全量及其速效養(yǎng)分含量。有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法。pH 值測(cè)定采用電位法。全氮含量測(cè)定采用硫酸-硫酸銅消煮-凱氏定氮法，全磷含量測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法，全鉀含量測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-火焰分光光度計(jì)測(cè)定，氮、磷、鉀的速效養(yǎng)分含量測(cè)定分別采用堿解擴(kuò)散法、鹽酸-硫酸浸提法、乙酸銨浸提-火焰分光光度計(jì)法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

桉樹材積的計(jì)算方法采用廣西林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院制定的速生桉單株材積計(jì)算公式：

式中：V為單株材積，m3；D為胸徑，cm；H為樹高，m；c0、c1、c2、c3、c4 均為常數(shù)，c0=1.091 541 50×10-4；c1=1.878 923 70；c2=5.691 855 03×10-3；c3=0.652 598 05；c4=7.847 535 07×10-3。

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)林地不同處理的所有數(shù)據(jù)，將分層測(cè)得的數(shù)值，取其平均值視為0～40 cm 土層的養(yǎng)分含量，分析不同措施下的土壤各養(yǎng)分含量的變化。

參考相關(guān)資料[11]，本研究采用有機(jī)質(zhì)、速效氮、磷、鉀含量作為肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)試驗(yàn)前后林地土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)，探究林地土壤肥力指數(shù)（IFI）的變化。

式中：wi為隸屬度，通過函數(shù)（3）計(jì)算，ci為權(quán)重系數(shù)，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，i為第1、2、3、4 個(gè)指標(biāo)；a、b分別為函數(shù)最小、最大值，x為指標(biāo)測(cè)定值。樹高、胸徑、材積增長(zhǎng)量均為2020 年5 月15 日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定數(shù)據(jù)減去2019 年6 月5 日試驗(yàn)開始時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)。

采用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重ci，使用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件作單因素ANOVA 方差統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 8.5 軟件制作圖表，用Person 法分析各處理下的土壤肥力指數(shù)與桉樹平均樹高、平均胸徑的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥套種對(duì)桉樹人工林土壤養(yǎng)分含量的影響

如圖2 所示，隨著土層深度的增加，3 種處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨之遞減。但桉樹林下套種綠肥對(duì)增加林地土壤有機(jī)質(zhì)有一定的促進(jìn)作用，其中，在桉樹林下套種田菁（SC）顯著提高了表層土壤（0～10 cm）土層的有機(jī)質(zhì)含量（P<0.05）。在0～10 cm 土層中，TC 和SC 均顯著提高了土壤的速效氮含量（P<0.05）。而在10～20 cm 土層中，TC 和SC 的土壤中速效氮含量均低于CK 的，這可能與綠肥根系的主要生長(zhǎng)區(qū)域有關(guān)。桉樹林下土壤中的速效磷養(yǎng)分主要分布在0～10 cm 土層中，在10～20 cm 土層中，TC 顯著提高了速效磷的養(yǎng)分含量（P<0.05）。TC、SC 桉樹林下的土壤速效鉀含量均有所提高，其中，TC 在表層土（0～10 cm 土層）中的作用更為顯著（P<0.05）。

圖2 綠肥套種對(duì)桉樹人工林土壤不同土層養(yǎng)分含量的影響Figure 2 Effect of green manure interplanting on soil nutrient content in E.urophylla×E.grandis plantation

2.2 綠肥套種前后桉樹人工林土壤養(yǎng)分的變化

由表2 可知，試驗(yàn)后各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加水平不同，變化范圍在0.75～3.59 g·kg-1，其中增量最大的處理是SC，其有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)后較試驗(yàn)前增加了3.59 g·kg-1。TC 和SC 較CK 均有所提升，有機(jī)質(zhì)含量較CK分別增加了9.65%和18.44%。各處理下土壤的速效氮含量均有所增加，TC 較CK 土壤速效氮含量增加了3.75%，說明除了肥料供應(yīng)的氮素外，TC 促進(jìn)了氮的凈礦化，這可能與其根瘤菌有關(guān)，使得林下土壤的速效氮養(yǎng)分含量增加。然而，SC 的林下土壤速效氮養(yǎng)分含量較CK 卻降低了11.79%，可能是田菁生長(zhǎng)時(shí)消耗了一部分來自土壤的氮素用于供給自身的生長(zhǎng)。TC林下的土壤速效磷含量較CK增量增加了143.9%，而SC較CK僅增加了6.29%，說明白灰毛豆在釋放土壤速效磷養(yǎng)分上比田菁更具有優(yōu)勢(shì)。TC 林下的土壤速效鉀含量較CK 增加了187.5%，高于SC 較CK 增加的102.2%。這說明兩種綠肥均具有一定的促進(jìn)土壤速效鉀釋放的作用，但田菁的作用較弱于白灰毛豆的。

表2 綠肥套種前后桉樹人工林土壤養(yǎng)分含量的比較Table 2 Soil nutrient in E.urophylla×E.grandis plantation before and after treatment

2.3 綠肥套種對(duì)桉樹人工林生長(zhǎng)的影響

由表3 可知，林下套種綠肥對(duì)桉樹樹高、胸徑的影響與CK 相比均有明顯提高，其中，TC 比CK 樹高增加12.59%、胸徑增加17.61%；SC 比CK 樹高增加18.97%、胸徑增加10.30%。

表3 綠肥套種對(duì)桉樹人工林樹高、胸徑及材積的影響Table 3 Effect of inter-planting green manure crop on tree height,DBH and volume of E.urophylla×E.grandis

這說明林下套種綠肥有利于桉樹林木的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，進(jìn)而有利于增加材積，提升單位面積的木材生產(chǎn)量。通過材積公式計(jì)算得出，TC、SC 桉樹林的單位面積材積增量較CK 分別增加了46.81%、35.47%。

2.4 桉樹人工林土壤肥力指數(shù)及相關(guān)性分析

如圖3 所示，通過模糊數(shù)學(xué)法計(jì)算試驗(yàn)前后的林地土壤肥力指數(shù)（IFI），不同處理的IFI試驗(yàn)后的IFI較試驗(yàn)前均有較大幅度地提升，這可能與施肥有關(guān)。試驗(yàn)后TC、SC 的IFI較CK 的均有不同程度的提高，這說明林下綠肥套種具有一定的提升土壤肥力的作用。

圖3 試驗(yàn)前后不同處理下的土壤肥力指數(shù)Figure 3 IFI of s oil under E.urophylla×E.grandis plantation before and after the treatment

由表4 可知，桉樹樹高與IFI呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），說明桉樹的高生長(zhǎng)受土壤肥力的影響較大，通過增施肥料補(bǔ)充土壤肥力進(jìn)而提高林木生長(zhǎng)，是一種可行的辦法。

表4 桉樹林木生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤肥力指數(shù)的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis on growth traits of E.urophylla×E.grandis plantation and IFI

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究發(fā)現(xiàn)套種綠肥增加了桉樹林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量，這與高文杰等[12]的研究結(jié)果相類似。本試驗(yàn)在桉樹林下種植綠肥一年后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加相對(duì)較少（TC 為9.65%和SC 為18.44%），鄧小華等[13]對(duì)酸性土壤進(jìn)行改良，在添加石灰+綠肥、石灰+綠肥+生物有機(jī)肥兩種處理中，土壤有機(jī)質(zhì)分別提高了27%與35.2%。這表明在今后的改良土壤過程中，可以考慮混合添加石灰，來進(jìn)一步提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

速效氮、磷、鉀是植物可直接吸收利用的養(yǎng)分，速效氮有利于莖、葉的生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)套種綠肥增加了土壤速效氮含量，這與朱小梅等[14]的研究結(jié)果相一致。還有研究表明土壤凈氮礦化量與有機(jī)質(zhì)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系[15]。綠肥覆蓋或翻壓后能有效提高土壤的供氮能力[16]。形成這種現(xiàn)象的原因可能是：其一，綠肥還田后，引起土壤正激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)了土壤氮素凈礦化[17]；其二，綠肥與化肥配施促進(jìn)了酶活性[18]；其三，綠肥通過固氮根瘤菌，將無機(jī)態(tài)氮固定下來，具有明顯的氮素保存作用[19]。在本試驗(yàn)中，這也可能是綠肥套種的林下土層（10～20 cm）速效氮養(yǎng)分含量較對(duì)照組偏低的原因：一方面是由于綠肥植物在利用土壤中的氮素用于自身生長(zhǎng)，另一方面是由于綠肥植物根系形成的固氮根瘤菌。在收獲綠肥之時(shí)，在白灰毛豆根部存在明顯的共生菌根，而田菁則不明顯，說明兩種綠肥在固氮方面存在差異。

速效磷在植物的生長(zhǎng)發(fā)育繁殖過程中起著重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，套種綠肥增加了土壤速效磷含量，這與杜青峰等[20]的研究結(jié)果相一致。這可能是植物從土壤獲得氮素的同時(shí)調(diào)用和吸收磷素，導(dǎo)致了磷素循環(huán)的增加[21]。此外，綠肥可以提高土壤中酸性磷酸酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤中磷素的活化，使得土壤中速效磷含量上升[22]。本研究發(fā)現(xiàn)套種田菁的桉樹林下的土壤速效磷含量較低于套種白灰毛豆的，但兩種處理的林下土壤速效磷含量都高于對(duì)照。這可能與田菁自身生長(zhǎng)需要大量的磷素有關(guān)，在田菁的種植過程中往往需要添加一定量的磷肥[23]。在通過種植田菁改良土壤時(shí)，同時(shí)施用磷石膏是一種快速提升土壤肥力的有效方法[24]。

土壤中含有充足的速效鉀有利于提升植物的抗性。本研究發(fā)現(xiàn)套種綠肥增加了土壤速效鉀的含量，這與前人[25]的研究結(jié)果相類似。王立艷[26]等其研究發(fā)現(xiàn)種植田菁等植物后土壤速效鉀含量提升了0.76%～4.30%，且綠肥+施肥對(duì)于土壤養(yǎng)分的改善效果要優(yōu)于僅綠肥處理。本試驗(yàn)中林下土壤速效鉀含量的增量，遠(yuǎn)高于秦俊豪等[27]的研究數(shù)據(jù)。這可能是試驗(yàn)前該土壤的速效鉀含量偏低，而在綠肥+肥料配施的作用下，土壤中的速效鉀含量增量較高。這是由于綠肥的殘?bào)w在土壤中分解，形成半分解物，增加了土壤中的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)養(yǎng)分，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，使得土壤中養(yǎng)分含量增加[28]。

在本研究中，套種2 種綠肥植物一年后，桉樹的樹高、胸徑較對(duì)照組均有所增加。通過分析可知，套種白灰毛豆和田菁的桉樹林單位面積材積增量較對(duì)照組分別增加了46.81%、35.47%。在白昌軍等[29]的研究中，間作牧草后的三年時(shí)間里桉樹的胸徑平均增加49.70%、樹高平均增加17.86%。該研究中桉樹胸徑與樹高增量均高于本試驗(yàn)，其原因可能是本試驗(yàn)僅為期一年，時(shí)間相對(duì)較短。此外，有研究表明林木的生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤養(yǎng)分存在一定的相關(guān)性[30]，而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，桉樹的樹高與土壤肥力指數(shù)（IFI）呈極顯著（P<0.01）正相關(guān)關(guān)系，且套種綠肥措施下的土壤肥力指數(shù)高于CK 的，這說明林下套種綠肥有效促進(jìn)了林下土壤速效養(yǎng)分的釋放，進(jìn)而促進(jìn)了桉樹的高生長(zhǎng)。

此外，套種綠肥所消耗的成本是否少于其所能帶來的林木增產(chǎn)的收益，這也是需要考慮到當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，來決定是否適合推廣與實(shí)踐的一個(gè)重要指標(biāo)。本次試驗(yàn)的時(shí)間較短，桉樹的短輪伐期在7 a 左右，本試驗(yàn)研究對(duì)象為3 年生桉樹林，桉樹正處生長(zhǎng)高峰期，試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅表明這一年內(nèi)的變化，若條件允許應(yīng)當(dāng)對(duì)桉樹一個(gè)輪伐期內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行研究，這樣或許能夠更加直接地考慮經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益。

3.2 結(jié)論

桉樹人工林（巨尾桉）林下套種綠肥能夠增加林地土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，進(jìn)而提升土壤肥力指數(shù)（IFI），并促進(jìn)巨尾桉的生長(zhǎng)，但不同綠肥品種的效果存在差異。因此，在桉樹人工林下套種豆科綠肥植物是一種可行的措施，本研究結(jié)果可為桉樹人工林的套種綠肥品種及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。