楊嘉麒,鄧海燕,張港隆,胡中洋,莫曉勇
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642)
桉樹Eucalyptusspp.因其具有生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、輪伐期短、投資收益快和適生于酸性土壤等特點(diǎn)[1-4],在我國被廣泛引種栽植,至今已有百余年歷史,目前桉樹人工種植面積約為546 萬hm2,每年提供木材約為3 000 萬m3,約占全國木材產(chǎn)量的26.9%[5]。多年來,桉樹一直采用短輪伐期多代連栽純林的營林模式。這種只重經(jīng)濟(jì)效益而不顧生態(tài)效益的不合理經(jīng)營措施會導(dǎo)致林地污染、生物多樣性降低、生產(chǎn)力下降、地力衰退、生態(tài)系統(tǒng)功能退化等問題,使得林分質(zhì)量低下,難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,森林生態(tài)安全收到威脅[6-9]。研究發(fā)現(xiàn),營造適宜的桉樹混交林,可以有效利用林地空間資源、增加生物多樣性、改善林地環(huán)境、提高土壤肥力、促進(jìn)林木生長、提高林分經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[10-12]。因此探索適當(dāng)?shù)幕旖粯浞N和混交比例,營造可持續(xù)的、速生且優(yōu)質(zhì)、生態(tài)功能穩(wěn)定的桉樹人工混交林,對促進(jìn)桉樹種植業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
在伴生樹種的選擇上,紅椎Castanopsis hystrix作為一種分布于閩、粵、桂、湘、黔、滇、川等地區(qū),具有生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、凋落物量大、固碳能力強(qiáng)和木材價(jià)值高等特點(diǎn)的鄉(xiāng)土珍貴闊葉用材樹種,被廣泛應(yīng)用于與桉樹混交種植生產(chǎn)和研究中[1,12-17]。為探索雷州半島地區(qū)桉樹和紅椎混交的最佳比例,本研究以廣東省國營雷州林業(yè)局石嶺林場的桉樹與紅椎混交試驗(yàn)林為研究對象,研究不同混交比例對桉樹-紅椎人工混交林林分生長以及土壤養(yǎng)分的影響,以期為探尋適宜在雷州半島應(yīng)用的優(yōu)良桉樹-紅椎人工混交林種植模式提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)林位于廣東省國營雷州林業(yè)局石嶺林場北京塘林隊(duì)1032-1 林班(21°39′N,110°3′E),屬于熱帶季風(fēng)氣候北緣,年平均氣溫在22.7℃,年均降水量約1 695.6 mm,降水集中在5—10月,約占全年的85%。林地海拔47 m,坡度0°,地勢平緩,林地起源為桉樹采伐跡地。試驗(yàn)林地土壤類型為玄武巖磚紅壤,各造林地具有相似的土壤養(yǎng)分狀況和地形地貌因子。于2015年7月經(jīng)清理跡地、挖樹頭、全墾、開溝后進(jìn)行試驗(yàn)林造林。試驗(yàn)造林所用苗木均為當(dāng)年生苗,其中桉樹選用華桉一號品種,株行距均為2 m×3 m,造林后連續(xù)3年每年撫育1 次并結(jié)合施肥,基肥和追肥均使用雙豐一號復(fù)合肥,基肥每株300 g,追肥每株500 g。造林后桉樹成活率均在99.02%以上,紅椎成活率均在97.78%以上。
2020年7月,在4 種不同混交比例桉樹-紅椎混交林以及桉樹純林(CK)中分別設(shè)置3 個(gè)20 m×20 m 的樣地,對各樣地每木調(diào)查胸徑、樹高和冠幅;各樣地中間位置挖取土壤剖面,在每個(gè)土壤剖面按0~20,20~40 和40~60 cm 分3 層,每層取500 g 混合土樣裝入密封袋帶回,用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。材積計(jì)算公式為[4,18]:
V桉樹=0.000 062 876 7D1.821621H0.96436
V紅椎=0.000 060 122 8D1.8755H0.98496
式中:V為單株材積,D為胸徑,H為樹高。蓄積量=平均單株立木材積×林分保留株數(shù)。
土壤樣品自然風(fēng)干后過孔徑2 mm 篩,測定其pH 值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀。土壤養(yǎng)分按國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤測定方法》進(jìn)行測定:土壤pH 值用電位法測定;有機(jī)質(zhì)用重鉻酸氧化-外加熱法測定;堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定;速效磷用HCl-HF 浸提,火焰光度計(jì)法測定;速效鉀用乙酸銨浸提,火焰光度計(jì)法測定。
采用Excel 2007 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,R version 3.4.4 軟件進(jìn)行方差分析及多重比較分析(Duncan’s),以上統(tǒng)計(jì)分析顯著性水平均設(shè)置為α=0.05。
表1顯示,各混交林林分保存率均比桉樹純林(CK)高,其中桉樹-紅椎帶狀混交3∶3 林分保存率最高,達(dá)98.41%;桉樹-紅椎帶狀混交3∶1次之,達(dá)96.69%;桉樹-紅椎帶狀混交5∶1 最低,僅85.69%。不同混交比例桉樹-紅椎混交林中桉樹的保存率對比桉樹純林(CK)高,其中帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1、行間混交1∶1 和帶狀混交5 ∶1桉樹-紅椎混交林中桉樹的保存率分別比桉樹純林(CK)高14.7%、14.48%、9.11%和1.45%。且4種不同混交比例桉樹-紅椎混交林中紅椎的保存率均較高,其中帶狀混交3∶3(98.89%)>行間混交1∶1(94.70%)>帶狀混交3∶1(93.67%)>帶狀混交5∶1(90.77%),說明雷州半島地區(qū),紅椎能適宜與桉樹混交的環(huán)境??傮w而言,帶狀混交3∶3 和帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林桉樹、紅椎和整體林分保存率較高。
表1 桉樹-紅椎混交試驗(yàn)林的混交比例Table 1 Mixed ratios of Eucalyptus-Castanopsis hystrix mixed plantations
表2顯示,帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1 和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林對桉樹的胸徑、樹高和單株材積生長均有促進(jìn)作用,促進(jìn)作用大小表現(xiàn)為行間混交1∶1>帶狀混交3∶3>帶狀混交3∶1;帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林對桉樹的胸徑、樹高和單株材積的生長有抑制作用;4 種桉樹-紅椎混交林中桉樹的冠幅均小于桉樹純林(CK),表現(xiàn)為帶狀混交5∶1<帶狀混交3∶1<帶狀混交3∶3<行間混交1∶1。通過方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn),5 個(gè)林分的桉樹各生長因子因不同混交比例方式而產(chǎn)生差異,其中帶狀混交3∶3 和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林中桉樹的胸徑、樹高和單株材積極顯著(P<0.01)大于CK;帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林中桉樹的胸徑顯著(P<0.05)大于CK,樹高和單株材積極顯著(P<0.01)大于CK;帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林中桉樹的胸徑、樹高和單株材積與CK 差異不顯著;帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1和帶狀混交5∶1桉樹-紅椎混交林中桉樹的冠幅極顯著(P<0.01)小于CK,但行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林中桉樹的冠幅和CK 差異不顯著。
表2 不同混交比例對林分保存率的影響Table 2 Effects of different mixed ratios on stand retention rate
不同比例桉樹-紅椎混交林中紅椎胸徑、樹高和單株材積表現(xiàn)不一致,整體大致表現(xiàn)為帶狀混交5∶1>帶狀混交3∶3>行間混交1∶1>帶狀混交3∶1。通過方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn),4 個(gè)林分的紅椎各生長因子因不同混交比例方式而產(chǎn)生差異,其中帶狀混交3∶3 和帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林中紅椎的胸徑、樹高和單株材積極顯著(P<0.01)大于帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林;行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林中紅椎的樹高極顯著(P<0.01)大于帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林;帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林中紅椎的冠幅極顯著(P<0.01)大于帶狀混交3∶3桉樹-紅椎混交林,顯著(P<0.05)大于帶狀混交3∶1 和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林??傮w而言,帶狀混交3∶3 桉樹-紅椎混交林中紅椎的保存率最高,胸徑、樹高和單株材積較高,生長較好且冠幅最小,自然整枝能力較高。
圖1顯示,不同混交比例混交林中桉樹的蓄積量均大于紅椎,桉樹蓄積量為桉樹純林(CK)>帶狀混交3∶1>帶狀混交5∶1>行間混交1∶1>帶狀混交3∶3;紅椎蓄積量為帶狀混交3∶3>行間混交1∶1>帶狀混交3∶1>帶狀混交5∶1。但不同混交比例的林分中,帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林的蓄積量最大,比CK 高5.8 m3/hm2;帶狀混交3∶3 桉樹-紅椎混交林次之,比CK 高2.6 m3/hm2;而帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林的蓄積量最小,比CK 低8.29 m3/hm2。
表3 不同混交比例對桉樹和紅椎生長的影響?Table 3 Effects of different mixed ratios on Eucalyptus and Castanopsis hystrix growth
圖1 各混交林和桉樹純林林分蓄積量差異分析Fig.1 Analysis on stand volumes of mixed-and singlespecies Eucalyptus plantation
圖2顯示,0~20 cm 土層5 種林分混交類型間pH 值方差分析表明差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為帶狀混交3∶1>行間混交1∶1>帶狀混交5∶1>桉樹純林(CK)>帶狀混交3∶3,有機(jī)質(zhì)和速效鉀方差分析均表明差異極顯著(P<0.01),表現(xiàn)為帶狀混交3∶3>行間混交1∶1>帶狀混交5∶1>桉樹純林(CK)>帶狀混交3∶1,堿解氮方差分析表明差異極顯著,表現(xiàn)為行間混交1∶1>帶狀混交3∶3>帶狀混交3∶1>桉樹純林(CK)>帶狀混交5∶1;20~40 cm 土層5 種林型間僅堿解氮方差分析表明差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為行間混交1∶1>帶狀混交5∶1>帶狀混交3∶3>桉樹純林(CK)>帶狀混交3∶1,pH 值、有機(jī)質(zhì)和速效鉀差異不顯著;40~60 cm 土層5種林型間僅速效鉀方差分析表明差異顯著(P<0.05),表現(xiàn)為帶狀混交3∶3>行間混交1∶1>帶狀混交5∶1>帶狀混交3∶1>桉樹純林(CK),pH 值、有機(jī)質(zhì)和堿解氮差異不顯著;各土層不同林型間有效磷差異均不顯著??傮w而言,帶狀混交3∶1、行間混交1∶1 和帶狀混交5∶1 可降低土壤酸性;帶狀混交3∶3 和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林可提升土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀的含量;桉樹-紅椎混交林對土壤有效磷含量影響不明顯。
圖2 各混交林和桉樹純林的土壤養(yǎng)分特征Fig.2 Soil nutrient characteristics of mixed-and single-species Eucalyptus plantation
帶狀混交3∶3 桉樹-紅椎混交林不同深度土層間有機(jī)質(zhì)、堿解氮差異極顯著(P<0.01),速效鉀差異顯著(P<0.05),有效磷差異不顯著;帶狀混交3∶1 桉樹-紅椎混交林不同深度土層間有機(jī)質(zhì)堿解氮差異極顯著(P<0.01),有效磷差異顯著(P<0.05),速效鉀差異不顯著;帶狀混交1∶1 桉樹-紅椎混交林不同深度土層間有機(jī)質(zhì)和有效磷差異顯著(P<0.05),堿解氮和速效鉀差異不顯著;帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林不同深度土層間有機(jī)質(zhì)和速效鉀差異極顯著(P<0.01),堿解氮和有效磷差異顯著(P<0.05);桉樹純林不同深度土層間堿解氮和有效磷差異極顯著(P<0.01),有機(jī)質(zhì)和速效鉀差異顯著(P<0.05)??傮w而言,5 種林型各土層間pH 值均差異不顯著,隨著土層深度的增加,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀表現(xiàn)為逐漸降低,pH 值表現(xiàn)為逐漸增加。
桉樹與紅椎混交后,各混交林林分保存率和桉樹的保存率相比桉樹純林(CK)提高了2.47%~15.19%和1.44%~14.69%,且紅椎的保存率均在90.77%以上。說明混交林的營造可以有效提高人工林的保存率,這與許冰等[5]指出桉樹擇伐后套種米老排、卷莢相思、灰木蓮營造混交林后桉樹保存率提高和楊曾獎(jiǎng)等[19]指出桉樹與厚莢相思混交后風(fēng)害率降低,林分保存率有所上升的結(jié)論相似??傮w而言,混交林中帶狀混交3∶3 桉樹-紅椎混交林林分整體保存率最高,而帶狀混交5∶1桉樹-紅椎混交林林分整體保存率較低,這可能和桉樹與紅椎混交后形成異層混交林,導(dǎo)致林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高了林分抗風(fēng)性有關(guān)。而在本研究中,不同的混交比例,林分整體保存率為何得到了不同程度的提高且混交比例通過何種途徑提高了林分的抗風(fēng)性,仍有待進(jìn)一步的研究。
研究結(jié)果表明,帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林促進(jìn)了桉樹的生長,其胸徑、樹高和單株材積分別比桉樹純林(CK)提高了6.83%~20.22%、8.74%~10.83%和20.96%~45.24%;而帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎人工林對桉樹生長起著輕微的抑制作用,其桉樹的胸徑、樹高和單株材積分別比桉樹純林降低了2.33%、1.05%和3.79%,這與姚瑞玲等[1]桉樹與紅椎(3∶1)促進(jìn)桉樹生長,桉樹與紅椎(5∶1)抑制桉樹生長的研究結(jié)論基本一致??梢姡m宜的桉樹與紅椎混交比例可以促進(jìn)桉樹的生長,但其作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。
試驗(yàn)造林地位于廣東省雷州半島地區(qū),屬于熱帶季風(fēng)氣候北緣,林地土壤類型為玄武巖磚紅壤,其氣候環(huán)境和立地條件均適宜紅椎的生長[16,19-20]。從混交林中紅椎的生長狀況可知,5年生紅椎存活率達(dá)90.77%以上,胸徑達(dá)6.46~7.66 cm,樹高達(dá)5.35~7.73 m,這與前人的研究成果類似。唐繼新[21]等通過研究25年生紅椎的樹干解析發(fā)現(xiàn),紅椎5~7 a 時(shí)去皮胸徑約1.90~3.86 cm,樹高約4.10~6.16 m,胸徑速生期為7~12 a,樹高速生期為4~11 a;劉潘全等[15]研究發(fā)現(xiàn),馬尾松和紅椎混交后,5年生紅椎平均胸徑為5.45~7.25 cm,平均樹高為5.95~6.40 m;曾冀等[22]研究發(fā)現(xiàn),馬尾松林采伐后套種紅椎5年后,紅椎平均胸徑為3.92~5.64 cm,平均樹高為4.33~6.55 m??梢姡字莅雿u桉樹-紅椎混交林中紅椎早期的保存率較高且生長較好,達(dá)到紅椎人工林和紅椎混交林中紅椎早期生長水平,但紅椎的生長速生期在5~7 a[21-23],該試驗(yàn)林中紅椎速生期的的生長表現(xiàn)還有待進(jìn)一步觀察。
從桉樹純林和桉樹-紅椎混交林林分單位面積蓄積量可知,各林分桉樹蓄積量均大于紅椎蓄積量,林分單位面積蓄積量大小為帶狀混交3∶1>帶狀混交3∶3>行間混交1∶1>桉樹純林(CK)>帶狀混交5∶1。這可能因?yàn)椋?)紅椎具有生長快、適應(yīng)廣、效益高等特點(diǎn),但其生長速度還是稍慢于桉樹,各混交林分紅椎胸徑、樹高和單株材積均低于桉樹,所以各混交林分桉樹單位面積蓄積量均大于紅椎單位面積蓄積量。2)混交比例為帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1和行間混交1∶1的桉樹-紅椎混交人工林形成了有利于林木生長的復(fù)層林結(jié)構(gòu),充分利用了林地資源環(huán)境,改善了土壤肥力,有效促進(jìn)了桉樹的生長。3)試驗(yàn)林地位于廣東省雷州半島地區(qū),年平均登陸熱帶氣旋1~2 個(gè),桉樹與紅椎混交后形成的復(fù)層林,優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu),提升林分穩(wěn)定性和抗風(fēng)性能,使得林分保存率上升[24-25]。所以帶狀混交3∶1、帶狀混交3∶3和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林的林分單位面積蓄積量均比桉樹純林(CK)更大。
桉樹與紅椎混交后,林地土壤各層的養(yǎng)分含量得到提高,這表明了桉樹-紅椎混交林相比桉樹純林具有更高的土壤養(yǎng)分儲量和更好的土壤養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制。由本研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),紅椎的速生性提升了桉樹的自然整枝機(jī)制,這即改變了桉樹冠層的光合能力,調(diào)節(jié)碳分配,促進(jìn)樹干生長,且枯落的枝條經(jīng)過分解作用后會增加林地養(yǎng)分[26]。由于本研究的5 種林分于同一氣候和立地條件下種植,枯落物的數(shù)量和質(zhì)量差異可能是導(dǎo)致桉樹-紅椎混交林和桉樹純林土壤養(yǎng)分差異的重要原因。紅椎作為闊葉樹種,樹冠冠幅遠(yuǎn)大于桉樹,凋落物量大且易分解,可有效減少土層水分蒸發(fā),改善林地表層環(huán)境,增加物種多樣性,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán),增加土壤肥力[3,27]。此外,紅椎作為鄉(xiāng)土珍貴闊葉用材樹種,以紅椎生產(chǎn)大徑材為目的培養(yǎng),延長林分經(jīng)營年限,將短輪伐期桉樹純林轉(zhuǎn)化為中長輪伐期經(jīng)營的混交林,有助于地力維持,發(fā)揮人工林的生態(tài)功能與經(jīng)濟(jì)效益[28-29]。
1)4 種混交林比例桉樹-紅椎混交林均可提高林分保存率,其中帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林,均對桉樹的胸徑、樹高和單株材積生長有促進(jìn)作用,且提升林分蓄積量;帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林對桉樹的胸徑、樹高和單株材積生長有抑制作用,且降低林分蓄積量;帶狀混交3∶3、帶狀混交3∶1和帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林可顯著控制桉樹樹冠生長。
2)帶狀混交3∶1、行間混交1∶1 和帶狀混交5∶1 桉樹-紅椎混交林相對桉樹純林可以降低土壤酸性,帶狀混交3∶3 和行間混交1∶1 桉樹-紅椎混交林可有效提高林地有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效鉀含量,但速效磷含量在各林分混交類型間差異不明顯,研究區(qū)的桉樹-紅椎混交林會受到磷的限制,在森林經(jīng)營的過程中應(yīng)注意氮肥和磷肥的及時(shí)施用。
3)帶狀混交3∶3 桉樹-紅椎混交林,桉樹和紅椎的胸徑、樹高和單株材積生長較好,林分保存率高且整體蓄積量較大,林地土壤養(yǎng)分含量較多,林地有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效鉀含量與桉樹純林相比有所提升,且紅椎數(shù)量較多有利于后續(xù)經(jīng)營,經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最佳。