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杉木Cunninghamia lanceolata是中国特有的速生用材树种,分布广,栽培历史悠久,但大面积的纯林经营及连栽,导致杉木人工林地力严重衰退[1-3]。20世纪末,南方地区大面积杉木人工林被划为生态公益林,其中绝大部分林分经过多代经营后,现存林分的生态功能和经济效益十分低下,生态公益林改造成为亟待解决的问题。林药复合经营模式是将适宜林下生长的药用植物重新引种到自然环境下进行野生化栽培,在充分利用林地资源的同时,使野生药用植物资源得到恢复,是科学合理的栽植模式[4]。杉木和药用植物复合经营一方面能够考虑到复合经营对土壤的改良作用,另一方面兼顾药用植物带来的经济价值,逐渐受到人们重视。早期也有少许相关研究,YANG等[5]和张鼎华等[6]研究发现:杉木林下栽植砂仁Amomum villosum后,土壤容重降低,土壤孔隙度和持水能力、有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾含量均有不同程度的增加,各种土壤酶活性提高,土壤微生物含量增加。选择合适的林药种类是构建林药复合经营模式的关键所在。卢玉鹏等[7]研究发现:秦岭山区太白杨Populus purdomii林下栽植蒲公英Taraxacum mongolicum,薄荷Mentha haplocalyx以及鱼腥草Houttuynia cordata会对凋落物分解过程中的养分释放和土壤酶活性产生显著的抑制作用,出现间作劣势。因此,开展林下适宜栽植的药材品种筛选试验十分有必要。为此,本试验选取适宜南方地区生长且具有较高经济价值的8种药用植物,构建林药复合经营模式,探究不同复合经营模式对退化杉木林地土壤理化性质的影响,筛选有利于土壤改良的林药经营模式,为南方生态公益林的可持续经营、高效林药培育体系的建立及林下经济的发展提供科学依据。
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由图 1可知:8种林药经营模式2个土层的土壤质量含水量和田间持水量均大幅度提高,不同模式之间的差异达显著水平(P<0.05),且随土层深度的增加而减小;0~20 cm土层,均是以杉木+梅叶冬青(SM)模式最大,分别是对照的1.5和2.0倍;20~40 cm土层,以杉木+胆木(SD)模式最大,分别是对照的1.6和1.8倍。相同土层,不同林药模式之间,土壤容重差异显著(P<0.05)。与对照相比,8种林药模式的土壤容重均呈不同程度下降,且随土层深度的增加而增加。0~20 cm土层的土壤容重显著降低的模式有杉木+胆木、杉木+红豆杉和杉木+胆木,降幅为15.7%~22.3%;20~40 cm土层中除了杉木+金花茶和杉木+裸花紫珠模式外其余模式均显著降低,降幅为12.7%~17.7%。
由表 1可知:土壤非毛管孔隙度各模式2个土层之间差异均未达到显著水平。与对照相比,2个土层的毛管孔隙度和总孔隙度之间差异显著(P<0.05),且随土层深度的增加呈现减小的趋势。0~20 cm土层,毛管孔隙度以杉木+梅叶冬青(SM)模式最大,杉木+裸花紫珠(SL)模式最小,但分别比对照提高44.9%和21.4%。总孔隙度以杉木+胆木(SD)模式最大,杉木+裸花紫珠(SL)模式最小,最大值是最小值的1.2倍;20~40 cm土层,各模式毛管孔隙度和总孔隙度均以杉木+胆木(SD)模式最大,分别比对照提高43.4%和43.5%。
土层/cm 模式 非毛管孔隙度/% 毛管孔隙度/% 总孔隙度/% 土层/cm 非毛管孔隙度/% 毛管孔隙度/% 总孔隙度/% 0~20 SD 5.60 ± 0.32 a 53.60 ± 1.35 a 59.20 ± 1.93 a 20~40 6.46 ± 0.45 a 48.37 ± 0.65 a 54.93 ± 2.24 a SS 6.23 ± 0.04 a 51.67 ± 4.84 a 57.90 ± 2.33 a 5.93 ± 0.07 a 45.23 ± 0.55 ab 51.17 ± 1.50 ab SH 4.53 ± 0.93 a 51.17 ± 1.76 a 52.70 ± 0.63 a 6.97 ± 0.21 a 45.73 ± 0.31 ab 52.70 ± 3.61 ab SM 4.37 ± 0.21 a 54.77 ± 2.34 a 58.73 ± 0.99 a 4.83 ± 0.51 a 47.43 ± 0.71 a 52.30 ± 2.14 ab SJ 4.33 ± 0.12 a 48.77 ± 4.22 ab 53.10 ± 1.82 ab 4.93 ± 0.42 a 39.73 ± 1.16 b 44.67 ± 1.35 bc SL 4.70 ± 0.66 a 45.87 ± 2.11 ab 50.57 ± 2.31 ab 4.30 ± 0.61 a 45.00 ± 1.54 ab 49.30 ± 1.47 ab SC 4.50 ± 0.36 a 48.53 ± 2.65 ab 53.03 ± 2.98 ab 7.57 ± 0.40 a 47.13 ± 1.05 a 54.70 ± 0.15 a ST 4.47 ± 0.76 a 49.60 ± 0.00 ab 54.27 ± 0.76 ab 6.77 ± 0.07 a 47.37 ± 1.70 a 54.13 ± 1.11 a ck 5.43 ± 0.22 a 37.80 ± 2.39 b 43.23 ± 0.55 b 4.53 ± 0.06 a 33.73 ± 1.22 c 38.27 ± 0.21 c 说明:平均值±标准差。同一土层数据后的不同小写字母表示不同模式差异显著(P < 0.05)。 Table 1. Comparison of soil porosity in different patterns
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由图 2可以看出:0~20 cm土层中,土壤有效氮、有效磷、速效钾不同模式之间差异达显著水平(P<0.05),有效氮质量分数各模式差别较大,除杉木+石笔木(SS)模式和杉木+裸花紫珠(SL)模式低于对照外,其他模式比对照均有不同程度的提高,增幅2.1%~35.1%;土壤有效磷质量分数各模式均显著高于对照(P<0.05),以杉木+裸花紫珠(SL)模式最高,是对照的2.1倍;杉木+草豆蔻(SC)模式的速效钾最高,比对照提高了108.1%。
全量养分方面,0~20 cm土层中,全氮、全磷、全钾不同模式之间差异达到显著水平(P<0.05)(图 3)。土壤全氮质量分数以杉木+胆木(SD)模式最高,比对照显著增加了32.1%,其次是杉木+草豆蔻(SC)模式、杉木+红豆杉(SH)模式,分别增加27.3%和23.5%;土壤全磷和全钾质量分数与对照相比,除了杉木+金花茶(SJ)模式下降外,其余各模式都显著增加,且均以杉木+草豆蔻(SC)模式最高,分别是对照的1.4和1.3倍。
由表 2可知:在0~20 cm土层中,土壤有机质质量分数各模式的之间差异未达到显著水平,但与对照相比,呈现增加的趋势,以杉木+草豆蔻(SC)模式最高,杉木+胆木(SD)模式次之,分别比对照增加41.8%和31.4%;土壤pH值和阳离子交换量,不同模式之间差异显著(P<0.05),其中:杉木+裸花紫珠(SL)模式的pH值最大,比对照提高了4.3%;阳离子交换量各模式之间差异显著,在杉木+金花茶(SJ)模式下达到最大,比对照提高了52.0%。林药模式对20~40 cm土层土壤化学性质影响程度要小于0~20 cm土层,9个化学指标中,仅速效钾、全磷、全钾在各模式之间差异达到显著水平(P<0.05)。
模式 土层/
cmpH值[m(土):m(水)=1.0:2.5] 有机质/
(g·kg-1)阳离子交换量/
(cmol·kg-1)土层/cm pH值[m(土):m(水)=1.0:2.5] 有机质/
(g·kg-1)阳离子交换量/
(cmol·kg-1)SD 0~20 4.13 ± 0.28 ab 60.27 ± 9.21 a 11.71 ± 1.56 ab 20 ~40 4.25 ± 0.44 a 19.43 ± 1.13 a 7.87 ± 0.00 a SS 4.17 ± 0.05 ab 49.03 ± 2.41 a 10.94 ± 0.94 ab 4.17 ± 0.14 a 21.17 ± 0.44 a 8.68 ± 0.34 a SH 4.09 ± 0.05 ab 57.17 ± 0.03 a 10.36 ± 0.25 ab 4.25 ± 0.13 a 18.48 ± 2.43 a 8.84 ± 1.35 a SM 4.08 ± 0.14 ab 49.01 ± 3.48 a 11.16 ± 2.46 ab 4.19 ± 0.10 a 22.24 ± 1.85 a 8.33 ± 0.50 a SJ 3.96 ± 0.16 b 52.23 ± 5.03 a 14.17 ± 1.20 a 4.16 ± 0.04 a 26.43 ± 1.27 a 10.31 ± 0.20 a SL 4.37 ± 0.31 a 46.80 ± 4.74 a 11.37 ± 1.54 ab 4.27 ± 0.15 a 23.05 ± 2.11 a 7.87 ± 0.08 a SC 4.09 ± 0.03 ab 65.07 ±3.37 a 12.43 ± 0.42 ab 4.33 ± 0.16 a 24.09 ± 0.53 a 8.56 ± 1.23 a ST 4.07 ± 0.16 ab 51.97 ± 5.83 a 10.91 ± 0.15 ab 4.20 ± 0.20 a 19.87 ± 1.47 a 7.22 ± 0.15 a ck 4.19 ± 0.11 ab 45.88 ± 3.37 a 9.32 ± 0.24 b 4.29 ± 0.08 a 24.87 ± 0.49 a 7.61 ± 0.00 a 说明:数据为平均值±标准差。同一土层数据不同小写字母表示不同模式差异显著(P < 0.05)。 Table 2. Comparison of soil pH, organic matter, and cation exchange capacity in different patterns
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为了定量评价杉木林药复合经营模式对土壤理化性质的影响,选择0~20 cm土壤容重(x1),土壤含水量(x2),田间持水量(x3),非毛管孔隙度(x4),毛管孔隙度(x5),总孔隙度(x6),pH值(x7),有机质(x8),全氮(x9),全磷(x10),全钾(x11),有效氮(x12),有效磷(x13),速效钾(x14)和阳离子交换量(x15),共15个指标。各模式各指标的关联系数和关联度见表 3。由表 3可知:各模式土壤理化性质的关联度即对土壤改良能力大小排序为杉木+草豆蔻(SC)(0.676 9)>杉木+胆木(SD)(0.672 8)>杉木+梅叶冬青(SM)(0.604 3)>杉木+红豆杉(SH)(0.597 3)>杉木+石笔木(SS)(0.583 8)>杉木+裸花紫珠(SL)(0.500 5)>杉木+土沉香(ST)(0.498 4)>杉木+金花茶(SJ)(0.458 7)>对照(ck)(0.379 9)。
模式 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15 关联度 排序 SD 0.567 5 0.861 5 0.666 8 0.601 3 0.878 9 1.000 0 0.460 7 0.666 6 1.000 0 0.850 1 0.469 0 0.503 1 0.432 0 0.638 3 0.496 4 0.672 8 2 ss 0.512 2 0.606 1 0.572 3 1.000 0 0.732 4 0.860 0 0.506 2 0.374 3 0.564 7 0.772 7 0.493 7 0.355 0 0.491 4 0.487 9 0.428 8 0.583 8 5 SH 0.600 0 0.845 3 0.690 4 0.358 5 0.702 1 0.695 2 0.422 7 0.548 4 0.721 7 0.515 1 0.624 0 0.597 2 0.465 8 0.783 7 0.388 9 0.597 3 4 SM 1.000 0 1.000 0 1.000 0 0.338 1 1.000 0 0.991 3 0.414 1 0.374 0 0.468 9 0.377 8 0.413 4 0.392 6 0.409 7 0.438 0 0.446 2 0.604 3 3 SJ 0.355 9 0.580 3 0.457 5 0.333 3 0.585 8 0.566 9 0.333 3 0.427 7 0.443 9 0.333 3 0.333 3 0.371 3 0.407 4 0.350 9 1.000 0 0.458 7 8 SL 0.368 4 0.484 1 0.435 5 0.383 1 0.488 0 0.480 6 1.000 0 0.344 3 0.333 3 0.586 2 0.456 1 0.333 3 1.000 0 0.333 3 0.481 6 0.500 5 6 SC 0.411 8 0.419 3 0.509 9 0.354 5 0.576 2 0.564 1 0.422 7 1.000 0 0.821 8 1.000 0 1.000 0 1.000 0 0.491 4 1.000 0 0.582 2 0.676 9 1 ST 0.466 7 0.424 9 0.523 6 0.350 2 0.621 3 0.618 3 0.405 9 0.422 8 0.393 4 0.607 2 0.632 4 0.582 2 0.402 8 0.598 5 0.426 5 0.498 4 7 ck 0.333 3 0.333 3 0.333 3 0.542 8 0.333 3 0.333 3 0.532 5 0.333 3 0.408 9 0.377 8 0.418 6 0.357 4 0.333 3 0.394 0 0.333 3 0.379 9 9 Table 3. Relation coefficients and degrees of soil physical and chemical properties indexes