亚热带阔叶林下种植三叶青、重楼和白及对土壤特性的影响

Effects of Understory Cultivation of Tetrastigma hemsleyanum， Paris polyphylla， and Bletilla striata on Soil Properties in Subtropical Broadleaf Forest

摘要

探讨林药复合经营对土壤特性的影响，是目前林药复合经营关注的热点。以林下种植三叶青（Tetrastigma hemsleyanum）、重楼（Paris polyphylla）和白及（Bletilla striata）林地为研究对象，并以未种植药材的林地作为对照，分析林药复合经营对土壤理化性质、微生物生物量及胞外酶活性等17项指标的影响。研究结果表明，与对照相比，林下种植白及使土壤pH升高（P<0.05），但是林下种植对土壤电导率、容重、孔隙度等均无显著影响。林下种植白及和三叶青组土壤的有机碳分别为26.48 g/kg和23.83 g/kg，均低于对照组31.73 g/kg（P<0.05）；种植重楼和三叶青的土壤总氮分别为1.55 g/kg和1.41 g/kg，显著高于对照组的0.94 g/kg（P<0.05）；林下种植对总磷、阳离子交换量、氨态氮、硝态氮等指标无显著影响。三叶青、白及和重楼降低了土壤微生物量碳质量分数（P<0.05），重楼提高了微生物磷质量分数和土壤磷酸酶活性（P<0.05）。Z-Score分析结果表明，三叶青、重楼和白及降低了综合评分，其中，重楼的综合评分高于三叶青和白及，但统计差异不显著。研究结果为亚热带林下药材种植的生态影响和经济效应评价提供了基础数据支持。

Abstract

Exploring the impact of forest-medicine compound management on soil properties is currently a hot topic of concern in forest-medicine compound management. This study took the close-nature cultivation forest lands of understory cultivation of Tetrastigma hemsleyanum， Paris polyphylla， and Bletilla striata for 3.5 years as the objects， and used forest lands without planting medicine as a control， analyzed the effects of forest-medicine compound management on 17 parameters of soil physicochemical properties， microbial biomass， and extracellular enzyme activities. The results showed that： compared with the control， understory cultivation of B. striata increased soil pH （P<0.05）. However， no significant changes were observed in soil electrical conductivity， bulk density， or porosity of understory cultivation. Soil organic carbon content in the B. striata and T. hemsleyanum groups were 26.48 g/kg and 23.83 g/kg， respectively， both significantly lower than the control 31.73 g/kg （P<0.05）. Total nitrogen content in the P. polyphylla and T. hemsleyanum groups were 1.55 g/kg and 1.41 g/kg， respectively， significantly higher than the control 0.94 g/kg （P<0.05）. No significant differences were observed in total phosphorus， cation exchange capacity， ammonium， nitrate， or other indicators. T. hemsleyanum， B. striata， and P. polyphylla significantly reduced soil microbial biomass carbon （P<0.05）. P. polyphylla increased microbial biomass phosphorus and soil phosphatase activity （P<0.05）. Z-score analysis indicated that T. hemsleyanum， P. polyphylla， and B. striata lowered the comprehensive score， among them， the comprehensive score of P. polyphylla was higher than T. hemsleyanum and B. striata， but the statistical differences were not significant. This study provides basis data support for the evaluation of the ecological impact and economic effects of understory medicine cultivation in subtropical forests.

Graphical abstract

关键词

林下种植 / 土壤特性 / 微生物生物量 / 胞外酶 / 药用植物

Key words

Understory cultivation / soil properties / microbial biomass / extracellular enzyme / medicinal plants

0 引言

林药复合经营模式有助于提升林地资源利用效率与林地产出率，从而实现资源的高效整合与经济效益最大化^［1］，但是生态效益，如土壤肥力和生态服务功能是否对土壤肥力和生态服务功能造成显著影响，已逐渐成为研究热点^［2］。林药复合经营对林地土壤性质具有显著影响，但是存在明显的区域与不同种植植物之间的差异。Moreira等^［2］研究发现，棕榈（Trachycarpus fortunei）树林中间作咖啡（Coffea arabica）可以提高土壤含水量并降低土壤温度。Ramachandran Nair等^［3］研究表明，林药复合经营通过促进林木生长和提升森林质量，有助于增强森林碳汇功能，提高固碳能力。在油茶（Camellia oleifera）林下种植天门冬（Asparagus cochinchinensis）相比于油茶纯林或天门冬单作，可显著提高土壤的全氮、全磷和全钾质量分数。然而，也有研究指出，林药复合经营可能对土壤养分产生负面影响，在水杉林和榉树林种植地黄或板蓝根会降低土壤的氮、磷和钾质量分数。综上可见，林药复合经营对土壤理化性质的作用因树种和药用植物种类而异，对不同的林分和药用植物要分别进行研究。

土壤养分质量分数与酶活性是评价土壤肥力的关键指标，二者之间存在密切关联。植物根系通过分泌多种参与养分转化的酶类，促进养分的转化与循环，提升土壤养分的有效性^［4］，从而改善土壤肥力状况。其中，关键酶类（如β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和脲酶等）可促进有机养分转化为有效养分^［5］，并调节土壤理化性质。Zhou等^［6］研究发现，贝母（Fritillaria L.）通过根系分泌的有机酸、可溶性糖、酮类以及醛类等代谢物，为土壤微生物提供丰富的氮源和碳源，在维持土壤碳氮平衡的同时促进养分循环。此外，多项研究证实林药复合经营有助于提高土壤微生物的多样性及生物量。张道勇等^［7］研究发现，在苹果（Malus pumila）园中间作白三叶（Trifolium repens）显著增加了果园土壤中微生物碳和微生物氮的质量分数。研究不同林药复合种植模式下土壤养分与酶活性的变化特征可以推动林药系统的高效管理与可持续发展。

浙江具有丰富的亚热带人工林和药用植物资源。本研究以浙江长兴县林场的阔叶林下种植的三叶青（Tetrastigma hemsleyanum）、重楼（Paris polyphylla）和白及（Bletilla striata）为研究对象，系统分析阔叶林下种植不同药材对土壤养分和酶活性的影响及差异，为林药复合经营提供理论支持和精准技术指导，推动林药复合经营模式的发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于浙江省长兴县林场，地理坐标为30°43'—31°11'N，119°33'—120°06'E。长兴县林场属亚热带季风气候，四季分明，年平均气温15.6 ℃，年平均降水量1 321.7 mm，土壤为红壤。

本研究以长兴县林场东潮岕林区的阔叶林林药复合系统为研究对象，该林分的主要树种为青冈（Quercus glauca）、苦槠（Castanopsis sclerophylla）、榉树（Zelkova serrata）和枫香（Liquidambar formosana）等。白及、重楼和三叶青于2021年3月种植。栽种面积分别为2×10⁴、1×10⁴、1×10⁴ m²。

具体种植措施。2020年冬季对样地实施了一系列林下清理作业，采用人工割灌方式，清理地径小于2 cm的落叶杂灌、杂草、藤本和枯枝，保留全部常绿树种及地径大于2 cm的阔叶树种，维持林分郁闭度在0.4~0.7。2021年3月，将白及、重楼和三叶青的2年生裸根幼苗直接种植于林下土壤，种植密度分别为：白及3.75 株/m²、三叶青4.5 株/m²、重楼3 株/m²，每株中药材施250 g的基肥（基肥主要为腐熟动物粪便）。2021年7月和10月进行了夏季和秋季人工除草各1次，2022年5月中旬每株中药材施加了1次50 g的复合肥（氮、磷、钾质量分数比为15%∶15%∶15%），之后采用近自然培育方式直至2024年10月进行土壤采样。2024年采样时，白及的密度为0.3 株/m²，重楼的密度为0.5 株/m²，三叶青茎秆和叶片生物量可达80 g/m²。

1.2 样地设置与土壤采集

2024年按种植中药材种类将样地分为白及、三叶青、重楼和未种植药材（对照）4组，每组分别设置5个样方（20 m×20 m），每个样方使用环刀按照五点取样法进行20 cm深度的土壤取样，并均匀混合成一个土样，共计20个土壤样品。将土壤样本放置在装有冰袋的保温箱中，迅速带回试验室。待返回试验室，使用四分法将土壤样品均分，取适量鲜土样放置于4 ℃冰箱中用于微生物生物量和胞外酶活性的测定，剩余部分风干过筛，用于土壤理化性质分析。

1.3 土壤理化特性分析

土壤含水量采用烘干称重法测定；土壤容重和孔隙度指标采用环刀浸水法测定；采用便携pH计测定pH；有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法进行测定；总磷采用HClO₄—H₂SO₄消化、钼蓝抗比色法测定；总氮采用凯氏定氮法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；硝态氮采用双波长紫外分光光度法测定；铵态氮采用靛酚蓝比色法测定^［8］。

1.4 微生物生物量和胞外酶活性分析

微生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸法；土壤脲酶活性的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；β-葡萄糖苷酶活性的测定采用硝基酚比色法；土壤酸性磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法^［8］。

1.5 数据分析

采用统计软件SPSS 23.0，对不同林药复合经营模式对土壤理化性质、微生物生物量及胞外酶活性的影响进行单因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）和多重比较（multiple comparisons），并开展指标间的相关性分析（correlation analysis）。采用冗余分析（RDA）探究不同土壤理化性质与微生物特性之间的关系。柱形图、雷达图及RDA二维图分别采用Origin 2024软件及Canoco 5软件绘制。

各指标数据用Z-score标准化处理，以统一指标尺度。详细的方法参考文献［9］，但根据数据进行了一定改良。数据序列为x=x_{\mathrm{1}},x_{\mathrm{2}},x_{\mathrm{3}},\dots ,x_n，其中n=\mathrm{20}，公式为

x^{\text{'}}=\frac{x}{\sqrt[]{\left[\left(\sum x^{\mathrm{2}}\right)/(n-\mathrm{1})\right]}}。（1）

式中：x\text{'}为标准化后的数据值；\sum x^{\mathrm{2}}表示该数据序列中所有数值的平方和；\left(\sum x^{\mathrm{2}}\right)/(n-\mathrm{1})为缩放因子。

2 结果与分析

2.1 林药复合经营对土壤理化性质影响

由表1可知，林下种植三叶青、白及和重楼对土壤理化性质的影响不同。三叶青、白及和重楼样地土壤pH在4.43~4.79，林下种植三叶青和重楼使土壤pH分别上升，但与对照组相比无显著差异，而林下种植白及使土壤的pH显著升高（P<0.05）。与对照组相比，林下种植三叶青使土壤的容重显著提高（P<0.05），而白及和重楼的土壤容重相较对照组无显著差异。林下种植三叶青和白及显著降低土壤有机碳，林下种植重楼和三叶青显著提高土壤总氮。同时，速效磷质量分数为5.88~10.26 mg/kg，与对照相比有所下降，其余指标无显著差异。

2.2 林药复合经营对土壤微生物生物量和胞外酶活性的影响

由表2可知，林下种植三叶青、白及和重楼对土壤微生物碳、氮、磷影响不同。土壤微生物碳质量分数范围在25.26~232.42 mg/kg，其中林下种植白及土壤微生物碳质量分数最低，而林下种植三叶青、重楼有所下降。土壤微生物氮质量分数范围在4.04~16.07 mg/kg，其中林下种植三叶青最高，林下种植白及最低。土壤微生物磷质量分数范围在12.16~36.49 mg/kg，其中林下种植重楼最高。与对照相比，林下种植重楼土壤脲酶含量显著下降，土壤磷酸酶含量显著增加，林下种植三叶青和白及对土壤胞外酶的活性未产生明显影响。

2.3 土壤理化性质与微生物生物量、胞外酶活性的相关性及冗余分析

土壤理化性质与微生物特性、胞外酶活性的相关性分析（见表3）表明，β-葡萄糖苷酶活性与铵态氮呈显著正相关（P<0.05），与硝态氮呈极显著正相关（P<0.01）；磷酸酶活性与速效磷和孔隙度呈显著正相关，与容重和pH呈显著负相关（P<0.05）；微生物量碳与pH呈极显著负相关（P<0.01）；微生物量氮与铵态氮呈显著正相关，与有机碳呈显著负相关（P<0.05）。

以林药复合经营模式下的土壤理化性质作为响应变量，土壤微生物特性和胞外酶活性作为解释变量进行冗余分析（RDA），见图1。结果显示，土壤微生物特性和胞外酶对土壤理化性质的总累计解释率为84.04%，其中第一轴解释了变量的41.33%，第二轴解释了变量的27.56%。其中，β-葡萄糖苷酶活性和脲酶活性是影响土壤理化性质的显著影响因子，其解释率分别为12.0%和9.6%（P<0.05）。综合简单效应和复杂效应表明，β-葡萄糖苷酶活性对土壤理化性质的解释率最高，土壤电导率、孔隙度、微生物量氮、脲酶活性、有机碳和总磷等变量在第一主成分上显示出正相关性。而pH、容重、阳离子交换量和总氮等变量在第一主成分上显示出负相关性。其中，容重是此轴最强的负向驱动因子，与土壤孔隙度、有机碳质量分数及微生物活性均呈显著负相关，说明维持疏松的土壤物理结构是保障健康微生物活动和高效养分循环的基础。

2.4 林药复合经营对土壤特性影响的综合评价

使用Z-score标准化^［9］对不同林药复合经营模式的土壤理化性质和微生物特性指标进行评价。图2（a）雷达图展示了4种不同样本（对照、三叶青、白及和重楼）在多个指标上的Z-score得分情况。通过对比可以看出，重楼组在总氮、磷酸酶活性及微生物量磷等指标表现尤为突出。相对而言，白及组在这些指标上的得分普遍较低；对照组在孔隙度、pH、电导率和容重等指标上得分最高。

图2（b）表明，三叶青、白及与重楼较对照组评分下降，但其在统计学水平上与对照组无显著差异，因此3种不同的林药复合经营模式并未导致土壤发生显著退化。

3 讨论

3.1 林药复合经营对土壤理化性质的影响

土壤理化性质是表征土壤质量的重要指标，其中，土壤物理性质直接反映了土壤的质地、结构和孔性，也是反映土壤耕作性能的标志特性之一。本研究结果表明，林下种植白及显著提升了土壤pH。这可能是因为林下药用植物的种植增加了凋落物的数量和多样性，其释放的碱性物质可中和土壤酸性组分^［10］。有机肥料中的缓冲物质可缓解土壤pH的剧烈变化，在酸性土壤中能提高pH。

此外，土壤容重在种植三叶青后相较于对照组显著升高，而重楼组和白及组则无显著变化。这表明，不同林下药材对土壤物理性质的影响存在种间差异。不同药用植物对土壤碳氮的影响存在明显差异，这与本研究的研究结果一致，与对照组相比，三叶青和白及种植下的土壤有机碳质量分数显著降低。除此之外，林下种植重楼和三叶青系统中的土壤总氮显著提高。

综合来看，尽管林下种植药材使土壤有机碳质量分数有所降低，但土壤总氮质量分数呈现上升趋势。另外，阳离子交换量（CEC）、铵态氮、硝态氮和总磷等指标未发生显著变化。这说明，土壤保肥能力与氮素供应基本维持稳定，未出现明显的养分退化现象。

3.2 林药复合经营对土壤微生物生物量和胞外酶活性的影响

土壤微生物是驱动养分循环与转化的关键生物学因子，其通过分解有机物释放氨、硝酸盐和磷酸盐等无机养分供植物吸收，同时参与氮的固定、转化和反硝化，以及磷和硫的循环。因此，其作为地上和地下生态系统之间的重要纽带，在维持土壤生态系统和土壤可持续生产力方面发挥着重要作用。土壤微生物量碳、氮、磷是表征微生物群落规模和活性的指标^［11］。然而孙海等^［12］发现，林下种植人参（Panax ginseng）会显著增加土壤微生物碳氮的质量分数，这可能是凋落物分解促进了微生物生长。但本研究中重楼栽培下土壤微生物量磷显著提高，同时酸性磷酸酶活性也显著升高，表明林下种植重楼可能有利于解磷功能的微生物富集^［13］，从而增强土壤磷的有效性。

虽然微生物生物量碳发生显著波动，土壤中铵态氮、硝态氮等无机氮形态却保持稳定，未出现显著变化。本研究发现，3种药用植物栽培均导致土壤微生物量碳显著下降，说明其根系分泌物可能不利于微生物群落的生长。尽管微生物碳下降，但关键功能群仍维持氮素转化^［14］。此外，3种栽培系统下脲酶和β-葡萄糖苷酶活性均无显著差异，说明碳、氮矿化相关的酶活性未受到明显抑制，因此土壤的养分循环功能仍较为完整^［15］。

3.3 林药复合经营对土壤影响的综合评价

通过Z-Score标准化方法对土壤各项指标进行综合评价显示，与对照相比，3种药用植物种植下的土壤综合评分均有所下降，但均未达到统计学的显著水平，表明3种林药复合模式虽降低了土壤综合质量，但并未导致土壤发生显著退化。已有研究发现，林药复合模式能够改善土壤综合质量，如李晨晨等^［16］和罗华龙等^［1］研究发现，林药复合模式对土壤质量影响因植物种类与密度而异。

在本研究中，重楼复合系统的综合评分高于三叶青及白及，说明其在维持土壤生态功能方面具有明显优势，尤其在提升土壤总氮、微生物量磷与磷酸酶活性方面表现突出，说明其在改善土壤氮磷供应状况方面具有显著正效应，尤其有助于缓解酸性贫瘠林地土壤中的养分限制^［17］。与此同时，重楼栽培下土壤有机碳的降低幅度也小于白及与三叶青系统，反映出其对土壤碳库的扰动相对较小。

冗余分析进一步表明，土壤理化性质对微生物特性变异的解释程度较高，其中容重是影响微生物特性的主要因子，与孔隙度、持水量、有机碳及多数微生物指标呈负相关关系。这说明维持较低的土壤容重、改善结构通气性，是保障微生物活性和养分转化功能的关键^［18］。已有研究多数集中在林下作物的产量与品质等方面^［2］，本研究在土壤性质方面给予了数据补充。未来开展综合评价，将进一步把作物产量融入其中。

4 结论

林下种植白及和三叶青降低了土壤有机碳质量分数，种植重楼和三叶青提高了土壤总氮质量分数，种植三叶青、白及和重楼降低了土壤微生物碳质量分数，但对土壤的电导率、容重、持水量和孔隙度等指标未产生明显影响。Z-score分析表明，与对照组相比，种植白及、三叶青和重楼使林下土壤虽未显著退化，但综合质量略有下降。但种植重楼的处理在土壤理化性质综合评分上优于白及和三叶青，表明重楼在维持土壤质量方面效果最优，适宜推广。

参考文献

[1] 罗华龙，吴桐，蒙享，等.林药复合经营模式对土壤生态的影响［J］.世界林业研究，2024，37（5）：37-42.

[2] LUO H L， WU T， MENG X，et al.Impact of forest-medicine integrated management on soil ecosystem［J］.World Forestry Research，2024，37（5）：37-42.

[3] MOREIRA S L S， PIRES C V， MARCATTI G E，et al.Intercropping of coffee with the palm tree，macauba，can mitigate climate change effects［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2018，256-257：379-390.

[4] RAMACHANDRAN NAIR P K， MOHAN KUMAR B， NAIR V D.Agroforestry as a strategy for carbon sequestration［J］.Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2009，172（1）：10-23.

[5] 易艳灵，吴丽英，杨倩，等.柏木根系分泌物对盆栽香椿土壤养分和酶活性的影响［J］.生态学杂志，2019，38（7）：2080-2086.

[6] YI Y L， WU L Y， YANG Q，et al.Effects of root exudates of Cupressus funebris on soil nutrients and enzyme activities of potted Toona sinensis ［J］.Chinese Journal of Ecology，2019，38（7）：2080-2086.

[7] JACOBY R， PEUKERT M， SUCCURRO A，et al.The role of soil microorganisms in plant mineral nutrition-current knowledge and future directions［J］.Frontiers in Plant Science，2017，8：1617.

[8] ZHOU N， MEI C M， ZHU X Y，et al.Research progress of rhizosphere microorganisms in Fritillaria L.medicinal plants［J］.Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，2022，10：1054757.

[9] 张道勇，李会科，郭宏，等.间作白三叶对苹果/白三叶复合系统土壤微生物量碳、氮及酶活性的影响［J］.水土保持研究，2015，22（5）：39-45.

[10] ZHANG D Y， LI H K， GUO H，et al.Effects of growing white clover on soil microbial biomass carbon and nitrogen and soil enzyme activity in apple-white clover intercropping system［J］.Research of Soil and Water Conservation，2015，22（5）：39-45.

[11] 鲍士旦.土壤农化分析（第3版）［M］.北京：中国农业出版社，1999.

[12] BAO S D.Soil agrochemical analysis （3rd ed.）［M］.Beijing：China Agriculture Press，1999.

[13] YANG A， ZHU D， ZHANG W X，et al.Canopy nitrogen deposition enhances soil ecosystem multifunctionality in a temperate forest［J］.Global Change Biology，2024，30（3）：e17250.

[14] MISHRA S， SINGH K， SAHU N，et al.Understanding the relationship between soil properties and litter chemistry in three forest communities in tropical forest ecosystem［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2020，191（3）：797.

[15] YIN S， WANG C K， JIN Y，et al.Changes in soil-microbe-exoenzyme C：N：P stoichiometry along an altitudinal gradient in Mt.Datudingzi，Northeast China［J］.Chinese Journal of Plant Ecology，2019，43（11）：999-1009.

[16] 孙海，王秋霞，张春阁，等.不同树叶凋落物对人参土壤理化性质及微生物群落结构的影响［J］.生态学报，2018，38（10）：3603-3615.

[17] SUN H， WANG Q X， ZHANG C G，et al.Effects of different leaf litters on the physicochemical properties and soil microbial communities in Panax ginseng-growing soil［J］.Acta Ecologica Sinica，2018，38（10）：3603-3615.

[18] LOUCA S， POLZ M F， MAZEL F，et al.Function and functional redundancy in microbial systems［J］.Nature Ecology & Evolution，2018，2（6）：936-943.

[19] LI D D， WANG J N， JIANG Y R，et al.Quantifying functional redundancy in polysaccharide-degrading prokaryotic communities［J］.Microbiome，2024，12（1）：120.

[20] 宋霄君，吴会军，武雪萍，等.长期保护性耕作可提高表层土壤碳氮含量和根际土壤酶活性［J］.植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1588-1597.

[21] SONG X J， WU H J， WU X P，et al.Long-term conservation tillage improves surface soil carbon and nitrogen content and rhizosphere soil enzyme activities［J］.Journal of Plant Nutrition and Fertilizers，2018，24（6）：1588-1597.

[22] 李晨晨，周再知，梁坤南，等.南药立体经营模式土壤质量综合评价［J］.植物研究，2017，37（5）：778-788.

[23] LI C C， ZHOU Z Z， LIANG K N，et al.Comprehensive evaluation of soil quality on agroforestry stereoscopic management patterns of southern medicine［J］.Bulletin of Botanical Research，2017，37（5）：778-788.

[24] LIU B， XU W Y， NIU Y X，et al.TaTCP6 is required for efficient and balanced utilization of nitrate and phosphorus in wheat［J］.Nature Communications，2025，16（1）：1683.

[25] 井大炜，邢尚军，刘方春，等.畦灌配施保水剂改善杨树林下土壤物理性状提高微生物活性［J］.农业工程学报，2015，31（14）：116-122.

[26] JING D W， XING S J， LIU F C，et al.Border irrigation co-applied with super absorbent polymers improving soil physical characteristics and increasing microbial activity in poplar forest［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（14）：116-122.

基金资助

浙江农林大学科研发展基金项目(2022LFR120)

长兴县自然资源与规划局项目(KJC-HX-2025-0524)