朱孔鑫，王會利，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)。廣西地處中國西南部，水熱條件優(yōu)越，適宜林木生長。巨尾桉在廣西種植廣泛，是廣西木材戰(zhàn)略儲備的主要樹種，也是廣西完成全國二分之一木材產(chǎn)量儲備和產(chǎn)出的最大貢獻(xiàn)者[1]。但隨著長期的單一無性系造林、多代連栽、高強(qiáng)度經(jīng)營等原因，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)營狀況。

在人工林經(jīng)營過程中，通?？梢圆捎煤侠淼氖┓始夹g(shù)（如測土配方施肥等）、營造混交林[3]等方式提升土壤質(zhì)量。但二者也存在著一定的問題，一是長期施用化肥會造成土壤酸化、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，同時也會極大地增加撫育間伐等營林成本[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 大類營林措施，來維持桉樹人工林的長期生產(chǎn)力。

綠肥對于提升地力、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)實踐中。通常，豆科綠肥植物生長周期短、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)，實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)田可持續(xù)經(jīng)營[9]。

在林業(yè)生產(chǎn)中，桉樹林下套種綠肥的實踐相對不足，尤其廣西作為桉樹人工林的主要種植地，相關(guān)報道更是較少。同時，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，本研究在廣西國營東門林場選用白灰毛豆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桉樹林地土壤以及林木生長的影響，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

試驗林地選擇在廣西崇左市東門林場雷卡分場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 年生實生苗），種植密度為1 250株·hm-2（4 m×2 m），2019 年6 月時保存率為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 試驗地土壤肥力概況Table 1 Soil fertility before experiment

1.2 試驗設(shè)計

共設(shè)3 個試驗處理，林下套種綠肥白灰毛豆（TC）、田菁（SC）以及不套種對照組（CK），每個處理3 次重復(fù)，合計9 個試驗小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，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。試驗于2019 年6 月5 日開始，2020 年5 月15 日試驗結(jié)束。

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

1.3 調(diào)查采樣

于試驗實施前（2019 年6 月）與實施后（2020 年5 月）分別對各處理試驗樣地進(jìn)行每木檢尺，測定桉樹的樹高及胸徑，各處理樣地內(nèi)按S 形挖掘3～5 個標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并避開綠肥根系生長區(qū)域，分層采樣（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層），每個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)含量測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法。pH 值測定采用電位法。全氮含量測定采用硫酸-硫酸銅消煮-凱氏定氮法，全磷含量測定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法，全鉀含量測定采用氫氧化鈉堿熔-火焰分光光度計測定，氮、磷、鉀的速效養(yǎng)分含量測定分別采用堿解擴(kuò)散法、鹽酸-硫酸浸提法、乙酸銨浸提-火焰分光光度計法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

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

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)計試驗林地不同處理的所有數(shù)據(jù)，將分層測得的數(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、鉀含量作為肥力評價指標(biāo)，用模糊數(shù)學(xué)法對試驗前后林地土壤肥力進(jìn)行評價，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）計算，ci為權(quán)重系數(shù)，n為指標(biāo)個數(shù)，i為第1、2、3、4 個指標(biāo)；a、b分別為函數(shù)最小、最大值，x為指標(biāo)測定值。樹高、胸徑、材積增長量均為2020 年5 月15 日試驗結(jié)束時測定數(shù)據(jù)減去2019 年6 月5 日試驗開始時測得數(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)計軟件作單因素ANOVA 方差統(tǒng)計分析，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)含量試驗后較試驗前增加了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%，可能是田菁生長時消耗了一部分來自土壤的氮素用于供給自身的生長。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。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 綠肥套種對桉樹人工林生長的影響

由表3 可知，林下套種綠肥對桉樹樹高、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養(yǎng)生長，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)法計算試驗前后的林地土壤肥力指數(shù)（IFI），不同處理的IFI試驗后的IFI較試驗前均有較大幅度地提升，這可能與施肥有關(guān)。試驗后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，是一種可行的辦法。

表4 桉樹林木生長指標(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)含量增加相對較少（TC 為9.65%和SC 為18.44%），鄧小華等[13]對酸性土壤進(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。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，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，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照。這可能與田菁自身生長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，同時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+施肥對于土壤養(yǎng)分的改善效果要優(yōu)于僅綠肥處理。本試驗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。這是由于綠肥的殘體在土壤中分解，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，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，其原因可能是本試驗僅為期一年，時間相對較短。此外，有研究表明林木的生長指標(biāo)與土壤養(yǎng)分存在一定的相關(guān)性[30]，而本試驗發(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。

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)貙嶋H情況，來決定是否適合推廣與實踐的一個重要指標(biāo)。本次試驗的時間較短，桉樹的短輪伐期在7 a 左右，本試驗研究對象為3 年生桉樹林，桉樹正處生長高峰期，試驗數(shù)據(jù)僅表明這一年內(nèi)的變化，若條件允許應(yīng)當(dāng)對桉樹一個輪伐期內(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，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)營提供參考。