刺槐油松混交比对土壤质量的影响

薛玲玉， 李清殿， 李金花， 肖 茂， 史 戈， 王延平， 李传荣†， 申卫星， 郭慧玲， 张义坤

(1.山东泰山森林生态系统国家级定位研究站/黄河下游森林培育国家林业局重点实验室，271018，山东泰安；2.邹城市林业局，273500，山东济宁；3.泰山风景名胜区管理委员会，271000，山东泰安)

刺槐(Robiniapseudoacacia)具有成活率高、适应性强的特点，作为一种优良的用材和荒山绿化树种，已在我国30多个省市自治区广泛栽培，在植被恢复[1]方面发挥重要的作用。同时，刺槐具有较强的蓄水能力[2]，在治理水土流失[3]、提高土壤抗侵蚀能力[4]和盐碱地恢复[5]中发挥了积极作用。但是，刺槐林在生态功能方面仍存在一些问题，如刺槐根系分布广、耗水量大[6]、林冠截留水量较大[7]，易导致林地深层土壤形成“干化层”[8]。刺槐的根蘖繁殖力强，死亡或者采伐后形成的萌蘖林通常表现出生长迟缓、干形不良，难以成林、成材[9]，并且严重抑制乡土树种的更新[10]，导致生物多样降低[11]。为了既发挥刺槐培肥地力的作用，又不致过度排挤与之混交的树种，探讨合理的刺槐混交比例具有重要的实践意义。

刺槐于1920年前后引种于泰安，大面积造林集中于1956—1958年。目前，刺槐逐渐成为泰山风景名胜区(以下简称泰山景区)海拔1 000 m以下森林植被的主要组成树种，现有的刺槐林大部分为萌蘖更新形成的二代林、三代林。油松(Pinustabulaeformis)大多分布在泰山景区的中、高海拔地区，多系20世纪50年代造林。相对于刺槐，油松的生长速度较慢，刺槐与油松混交林中，刺槐快速生长加剧了对光照等资源的竞争，导致油松的长势较弱，刺槐油松混交林有逐渐演替为刺槐纯林的趋势。这一现象造成林冠层次单一，不利于生物多样性保护，也改变了降水的再分配，不利于水土保持与涵养水源，因此需要对刺槐油松的比例加以调控。按照现代森林经营理念，泰山景区的刺槐林开展大规模皆伐改造是行不通的。如何调控刺槐混交林中刺槐的比例，达到既能维持土壤肥力，又能改善风景林的景观质量尚需进一步研究。笔者以刺槐油松混交林为研究对象，探讨不同混交比例对土壤质量的影响，以期为泰山景区刺槐油松混交林的管理提供理论依据。

1 研究区概况

研究地点设在泰山景区内，地理坐标E 116°50′～117°24′，N 36°05′～36°30′。泰山主峰海拔1 532.7 m，与其山前平原相对高差超过1 300 m，泰山景区属于暖温带季风气候，山下和山顶的1月平均气温分别为-3 ℃和-9 ℃，7月平均气温分别为26 ℃和18 ℃；年均降水量山顶为1 132 mm，山下只有722.6 mm，平均无霜期186～196 d。泰山母岩以花岗岩、片麻岩及过渡性岩石为主，土壤以粗骨棕壤、普通棕壤为主。目前植被覆盖率达91.5%，森林覆盖率达81.5%。

泰山景区大规模造林时期集中于1955—1965年。刺槐为主要造林树种之一，目前广泛分布于海拔1 000 m以下的河谷、山坡，林下灌木层发育不良。本研究选择桃花源景区刺槐油松混交林为研究对象，该林分于1963年植苗造林，树种组成为9刺槐1油松。由于油松长势逐渐衰弱，1994年末皆伐刺槐发展为萌蘖林，形成了不同树种组成的刺槐油松混交林。目前，林下灌木主要为黄荆(Vitexnegundo)、扁担木(Grewiabiloba)。

2 研究方法

2.1 调查与采样

本研究选择桃花源景区海拔580～700 m、东南坡向的地段，按刺槐的混交比例，选择10刺槐(刺槐纯林，Ⅰ)、7刺槐3油松(Ⅱ)、4刺槐6油松(Ⅲ)、10油松(油松纯林，Ⅳ)4种类型，分别设置3个20 m×20 m的典型样地。4种类型呈连续斑块状分布，生境特征较为一致(表1)。

由于土层较薄，每个样地采用五点法取0～10 cm土壤混合样品1 kg，5个重复。每个土壤样品分为2部分：一部分放4 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物分析和土壤硝态氮与铵态氮测定；另一部分风干后过2 mm筛，用于土壤酶活性分析和土壤其它化学性质测定。

表1 样地概况Tab.1 General situation of the sample plots

2.2 测试方法

2.3 数据处理

土壤酶活性指标参考[14-15]的方法，计算每个土样所有酶活性的几何平均数(GMea)作为评价土壤质量的酶活性指标。一般来说，该值越高，土壤质量就越好。计算方法如下：

GMea=(脲酶×蔗糖酶×过氧化氢酶×酸性磷酸酶)1/4

参考Lu等[16]的研究方法，从pH、有机质、硝态氮、铵态氮、有效氮、有效磷、细菌、真菌、固氮菌、放线菌、过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶这14个候选指标中筛选出pH、硝态氮、酸性磷酸酶、真菌组成最小数据集(minimum data set，MDS)，应用数学函数对每个指标进行分配分数(principal component analysis，PCA)，并进行数据整合计算出土壤质量指数(Soil Quantity Index, SQI)。土壤质量方程如下：

式中：SQI为土壤质量指数；Si为分配给每个指标的分数，所选参数的数据按线性评分技术进行排序，分数从0到1不等，按“越多越好”的方法分配给MDS中的指标；n为MDS中包含的指标数。土壤质量指数(SQI)越大，说明土壤肥力质量水平越高。

采用Excel 2007和SPSS 17.0 软件进行数据处理和统计分析。采用单因素方差分析(one way ANOVA)，使用Duncan法对不同类型间土壤性质进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 刺槐油松混交比例对土壤pH和养分的影响

刺槐油松混交林的土壤硝态氮、有效磷、有效氮质量分数均显著高于油松纯林(P<0.05)，并且表现出随刺槐比例的增加而增加的趋势(表2)。刺槐比例达到40%时，这3种养分含量分别是油松纯林的1.47、1.29、3.71倍；刺槐混交比例高于40%以上，3种营养物质含量差异不显著(P>0.05)。土壤有机质质量分数和pH也表现为随刺槐比例的增加而增加，但是前者只有刺槐纯林显著高于油松纯林(P<0.05)，是油松纯林的1.38倍，这与林分密度和凋落量有关，后者刺槐达到70%以上才表现出显著增加(P<0.05)。土壤铵态氮在4种类型之间差异不显著(P>0.05)。说明刺槐在增加土壤硝态氮、有效磷、有效氮作用显著，而对铵态氮的提高不明显。

3.2 刺槐油松混交比例对土壤微生物的影响

随刺槐混交比例的增加，4种土壤微生物数量均比油松纯林显著增加(P<0.05)，其中，细菌、真菌、固氮菌和放线菌分别比油松纯林提高57.95%、84.57%、121.56%、113.73%以上(表3)。在不同混交比例之间，刺槐纯林的细菌和固氮菌显著高于刺槐70%和40%的，40%与70%差异不显著(P>0.05)，放线菌为纯林显著高于40%的，土壤真菌数量无差异(P>0.05)。说明刺槐比例超过40%即显著提高土壤4种微生物数量。

表2 4种类型的土壤pH和养分Tab.2 pH and nutrients in four types of soil

注：表中数值为平均值±标准差，同一列中不同小写字母表示同一参数在不同混交比例间差异显著(Duncan test)(P<0.05)，下同。Notes: The data in the table are mean ± standard deviation, and different letters in the same column indicate that there are differences between different mixed proportion (Duncan test) (P< 0.05). The same below.

表3 4种类型的土壤微生物Tab.3 Microbes in four types of soil

3.3 刺槐油松混交比例对土壤酶活性的影响

由表4可见，4种土壤酶活性随刺槐混交比例增加而增加。其中：土壤过氧化氢酶活性增加显著(P<0.05)，较油松纯林提高6.73%以上；土壤脲酶和酸性磷酸酶活性表现趋势一致，即刺槐比例超过70%无差异，但显著高于40%以下的(P>0.05)；蔗糖酶表现为刺槐纯林显著高于其他3种类型。为了更好刻画刺槐混交比例对土壤质量的影响，将GMea作为评价土壤质量的酶活性指标，结果表明，与油松纯林相比，刺槐比例达到70%以上时GMea显著高于油松纯林，但刺槐比例40%与70%差异不显著。

表4 不同类型土壤酶活性Tab.4 Soil enzyme activities in four types

Notes: GMea stands for geometric mean of enzyme activity.

3.4 土壤质量综合评价

应用综合指数法筛选出pH、硝态氮、酸性磷酸酶、真菌这4个指标作为MDS，然后进行主成分分析，得到评分(图1)。结果表明，土壤质量综合评价指数(SQI)的大小排序为：刺槐纯林(0.99)>70%刺槐(0.78)>40%刺槐(0.67)>油松纯林(0.10)。随刺槐比例增加，土壤质量较油松纯林明显提高，刺槐纯林、70%刺槐与40%刺槐分别比油松纯林多8.90、6.80、5.70倍。刺槐比例达到40%时，已能显著提高土壤质量，刺槐混交比例的继续增加，对土壤质量的提高作用不明显。

4 讨论

与油松纯林相比，混交刺槐显著提高了土壤养分含量(表2)，刺槐通过固氮、促进凋落物分解促进与氮相关的生态系统过程，增加土壤氮储量[17]。同时，我们发现当刺槐和油松混交时，土壤有机质、硝态氮、有效氮、速效磷质量分数随刺槐混交比例增加而增加，与赵路红等[18]研究结果一致。主要是因为刺槐作为高氮凋落物组分会加速油松凋落物分解，进而会加快凋落物养分的归还速率[19]，因此养分归还量大，更有利于养分的积累；但是与刘云等[5]的结果不符，可能原因是其混交的树种是臭椿(Ailanthusaltissima)、白蜡(Fraxinuschinensis)、白榆(Ulmuspumila)等阔叶树种，而本研究选择的是油松，阔叶树种的凋落量与分解速率大于针叶树种[20]。有机质对土壤抗蚀性与水稳性大团聚体的形成有促进作用[21]。刺槐混交比例的增加，导致归还到土壤中的有机质质量分数增加，促进大团聚体的形成，团聚状况增强，土壤保肥能力增强。油松纯林的pH值最低，这可能与针叶树种造成土壤酸化有关。随刺槐混交比例增加，土壤pH提高，原因可能是刺槐凋落物的含氮量较高，能在短期内使土壤pH上升[22]。

土壤微生物的种类和数量能够影响土壤养分的转化，增加土壤养分的周转速率。笔者研究发现刺槐能够显著增加土壤微生物的数量，随着刺槐混交比例的增加，土壤固氮菌数量逐渐增加(表3)，这与土壤氮含量的变化是相一致的。固氮植物的固氮作用能提高土壤微生物活性[23]、增加微生物数量、微生物生物量和群落代谢多样性[24]，这与本研究中土壤细菌、放线菌和真菌的数量变化是一致的。植物根系密度越大，土壤越疏松，微生物活动越频繁，刺槐侧根发达，这可能是土壤微生物随刺槐比例增加而增加的一个原因。土壤微生物数量的增加促进了凋落物的分解速率，加速养分归还，增加土壤养分含量。土壤养分含量的增加又促进了刺槐地上与地下部分的生长，也有利于提高刺槐的固土作用。

刺槐混交比例增加对土壤酶活性具有显著提高作用，且不同混交比例对4种酶活性的提高程度不同。这可能与刺槐增加后显著提高了土壤N含量有关。N素是土壤酶的组成成分，而且决定了酶进入土壤的数量[25]。有研究表明在土壤中增加氮素初期可促进土壤脲酶、蔗糖酶活性，过量添加则抑制增加[26]，在酸性土壤中，增加氮素能显著提高酸性磷酸酶的活性[27]，笔者研究结果与其相符。另一方面，土壤酶活性随刺槐混交比例增加而增加可能与刺槐混交后增加了土壤微生物数量有关。土壤微生物的种类和数量在某种程度上决定土壤酶的来源[28]，且土壤真菌在凋落物分解中具有重要作用[29]，刺槐混交比例增加促进养分归还，导致微生物数量增加，进而导致土壤酶活性的提高。

5 结论

1)土壤养分含量、微生物数量和酶活性随刺槐比例增加而增加。当刺槐混交比例达到40%以上时，土壤4种微生物数量、硝态氮、有效氮、速效磷质量分数及过氧化氢酶活性已有显著提高。

2)运用综合指数法评价土壤质量：刺槐纯林(0.99)>7刺槐3油松(0.78)>4刺槐6油松(0.67)>油松纯林(0.10)，即刺槐比例达到40%以上即能显著提高土壤质量，这也有利于提高保水保肥能力。

3)综合考虑刺槐的改土作用与风景林经营，应保持刺槐比例不超过40%，既能发挥刺槐的培肥地力作用，又不致过度排挤与之混交的树种。