連云港沙質(zhì)海岸防護林地的土壤特性1)

艾 鵬 胡海波 魯小珍 楊均科 趙育鵬 王 麗 王定勝

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (贛榆縣林業(yè)中心) (連云港市林業(yè)站)

林業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，又是重要的社會公益事業(yè)。沿海防護林是我國林業(yè)的重要組成部分，具有防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、防災(zāi)減災(zāi)等多方面的生態(tài)效益［1－5］。根據(jù)海岸地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤類型可把海岸劃分為3種:即泥質(zhì)岸、沙岸和巖質(zhì)岸，我國海岸線約18 340 km，其中沙質(zhì)海岸占40%左右［6］，因此建好沙岸海防林是我國全面構(gòu)建沿海防護林體系的重要環(huán)節(jié)。沙質(zhì)海岸普遍土壤養(yǎng)分不足，干旱、貧瘠一直是影響沙質(zhì)海防林建設(shè)的主要因素［7－10］。本研究以連云港市沙質(zhì)海岸現(xiàn)有成熟防護林和2009年3月份新營建的防護林帶為研究對象，進行野外調(diào)查與試驗，探討不同模式的沙質(zhì)海岸防護林對土壤的改良效益，旨為我國沙質(zhì)海岸防護林建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)屬暖溫帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.2 ℃，全年平均日照 2 631.4 h，年降水量 976.4 mm;土壤屬濱海風(fēng)沙土。試驗地位于連云港市贛榆縣海洲灣海堤內(nèi)側(cè)，中心地理坐標(biāo)北緯34°55＇，東經(jīng)119°11＇，地勢平坦，遠(yuǎn)離城區(qū)，人為干擾小。1995年在海堤內(nèi)側(cè)栽種刺槐(Robinia pseudoacacia)，2002年補栽了楊樹(Populus euramevicana)，部分楊樹與刺槐混交。造林前，試驗區(qū)為荒灘，僅有一些茅草，大部分為光板沙地。在2009年3月，栽植了美國白蠟(Fraxinus americana)、苦楝(Melia azedarach)以及桑(Morus alba)。試驗區(qū)主要林分類型有刺槐純林、楊樹純林、刺槐×楊樹混交林、美國白蠟×桑混交林、苦楝×桑混交林等。1995年和2002年栽種刺槐、楊樹時進行了林地施肥，主要以有機肥為主，樹木生長初期對林地進行了松土除草、病蟲害防治等管護措施。2009年栽植的桑是采用扦插1年生枝條，苦楝為1年生實生苗，美國白蠟為2年生實生苗，進行挖穴埋有機肥造林。

2 研究方法

本試驗共設(shè)5個樣地，每個樣地面積設(shè)為400 m2，進行定位觀測。它們分別為刺槐純林、楊樹純林、刺槐×楊樹混交林、美國白蠟×飼料桑混交林、苦楝×飼料桑混交林，并以附近未造林地作為對照(表1)。

表1 防護林林分基本特征

在試驗區(qū)6個不同林分類型的固定樣地中，每個林分類型內(nèi)，呈S形設(shè)定5～6個樣點。在每個樣點取3個土壤剖面，即0＜d≤10 cm、10 cm＜d≤30 cm和30 cm＜d≤60cm采集土壤。每層均勻取大約1 kg土壤樣品，現(xiàn)場撿掉樹根、枯草殘體等，裝入自封袋內(nèi)，帶回實驗室置于陰涼、無陽光直射的空曠地自然風(fēng)干，去除植物根系和石塊，過2 mm篩后，用四分法各取土500 g，用于土壤理化指標(biāo)的分析。

土壤機械組成采用比重計法測定;土壤密度、總孔隙度、非毛管孔隙度等采用環(huán)刀法測定;pH值采用pH酸度計法(水浸提)測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法測定;速效N采用堿解—擴散法測定;速效P采用雙酸浸提法測定;速效K采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定，土壤理化性質(zhì)測定采用一些常規(guī)方法［11］。

應(yīng)用Excel和SPSS13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析［12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性狀

3.1.1 土壤機械組成

土壤機械組成是比較穩(wěn)定的物理性指標(biāo)。由表2可知，各防護林地土壤以沙粒(0.05～2.00 mm)為主;表層(0＜d≤10 cm)土壤沙粒(0.05 ～2.00 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其它土層要低，其變幅為54.72% ～93.19%，其中刺槐純林質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為54.72%;土壤黏粒(＜0.002mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，變幅在0.15% ～6.27%;而對照地沙粒(0.05 ～2 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于各防護林地，表層(0＜d≤10 cm)土壤粉(沙)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻遠(yuǎn)小于各防護林地。根據(jù)美制土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖，刺槐純林、楊樹純林、刺槐×楊樹表層土壤為沙質(zhì)壤土，與對照地相比，土壤條件要優(yōu)越得多，但幼林地表現(xiàn)不明顯。與對照地相比，各防護林地10 cm＜d≤60cm土壤顆粒組成不同，土壤質(zhì)地類型主要為沙土。

表2 各林地土壤機械組成

由此可見，隨著防護林樹木的不斷生長發(fā)育，林地枯落物的不斷積累并伴隨著不斷分解過程，土壤質(zhì)地有所改善，而且混交林改良土壤的能力強于草地和純林。

3.1.2 土壤密度、總孔隙度和非毛管孔隙度

在土壤質(zhì)地相近時，密度反映了土壤緊實程度，其大小對樹木根系、土壤動物和微生物的活動有很大影響［13－14］。土壤總孔隙由毛管孔隙(包括非活性孔隙)和非毛管孔隙組成，筆者主要討論非毛管孔隙，這是因為保持在毛管孔隙中的水分被土壤強烈吸附，植物很難吸收利用;而非毛管孔隙毛管作用力明顯減弱，是水分與空氣的主要通道，直接影響著土壤透氣和滲水能力［15］。

從表3可以看出，表層(0＜d≤10 cm)土壤密度與總孔隙度、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)－0.924、－0.954;表層(0＜d≤10 cm)土壤總孔隙度與非毛管孔隙度呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.971;其它土層密度、總孔隙度和非毛管孔隙度之間也有不同程度的相關(guān)性，但不呈顯著相關(guān)，與 Adams［16］、Bernoux［17］、Heuscher.S.A［18］有關(guān)研究基本一致。從表4可以看出，土壤密度、非毛管孔隙度在各樣地都是從上到下逐漸增大;總孔隙度都是從上到下逐漸減小，但變化幅度不同。各林地表層(0＜d≤10 cm)土壤密度與對照地相比，變化最大，刺槐純林 1.35 g/cm3＜刺槐×楊樹 1.39 g/cm3＜白蠟×桑1.42 g/cm3＜苦楝×桑1.4 3 g/cm3＜楊樹 1.44 g/cm3＜對照地 1.53 g/cm3;其他各層都比對照地密度小，但變化幅度很小。可知，與對照地土壤總孔隙度相比較，各林地表層(0＜d≤10 cm)土壤總孔隙度增加幅度達(dá)5.77% ～7.67%，其中刺槐純林高7.67%，幅度最大，其次為刺槐×楊樹混交林7.30%;中間層(10 cm＜d≤30 cm)土壤提高幅度為0.91% ～6.39%，刺槐純林最大，達(dá) 6.39%;下層(30 cm＜d≤60 cm)土壤增加幅度為0.33% ～1.88%，變化幅度遠(yuǎn)小于表層土壤;土壤表層(0＜d≤10 cm)總孔隙度增加值最大，總孔隙度與有機質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)0.320，這與林地表層枯落物有一定關(guān)系，各樣地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，一定程度上影響土壤總孔隙度大小。

表3 土壤理化性質(zhì)各因子間的相關(guān)系數(shù)

表4 各林地的土壤物理特征

非毛管孔隙度直接反映土壤透氣和滲水能力的大小。由表4可看出，非毛管孔隙度隨土壤深度加深而遞增;與對照地作比較，從各林地非毛管孔隙度平均值來看，增加大小依次為刺槐純林3.61%＞刺槐×楊樹2.89%＞楊樹純林2.82%＞苦楝×桑1.63%＞白蠟×桑1.53%。這說明防護林年齡和樹種配置不同，改善土壤透氣和滲水能力也不同，樹齡大的林分改土能力強于幼林，刺槐×楊樹混交林高于楊樹純林。

3.2 土壤化學(xué)性狀

3.2.1 土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

野外觀測表明，土壤剖面只有AC層(即淋溶層與母質(zhì)層過渡層)和C層(即母質(zhì)層)，土壤尚處于發(fā)育初期［19］。土壤AC層有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，林地枯落物分解后形成的腐殖質(zhì)和有機質(zhì)是表層土壤養(yǎng)分的最主要來源［20－21］。每個林地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度加深，呈現(xiàn)遞減趨勢(表5)。表層(0＜d≤10 cm)土壤的有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為深度0＜d≤60 cm土體總量的56% ～71%，土壤的有機質(zhì)大量儲存在表層(0＜d≤10 cm)，以刺槐純林71%最高，土壤深度10 cm以下有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度小，而且質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。這可能是因為隨著土壤不斷加深，枯落物對其影響減弱，深層土壤的理化性質(zhì)主要受母質(zhì)層影響，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定［22］。

林齡大的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都大于年幼林地，表層(0＜d≤10 cm)土壤表現(xiàn)得尤其明顯，刺槐純林63.59 g/kg＞刺槐×楊樹混交林 29.26 g/kg＞楊樹純林25.37 g/kg＞苦楝×桑10.55 g/kg＞美國白蠟×桑10.27 g/kg＞對照地10.14 g/kg(表5)。與對照地表層有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，刺槐純林、刺槐×楊樹混交林、楊樹純林分別提高了527%、188%、150%;而林齡小的苦楝×桑和美國白蠟×桑林提高卻很小，這說明不同林齡的防護林對土壤有機質(zhì)的增加有明顯差異。

表5 各林地土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2.2 土壤速效 N、P、K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

枯落物和植被對表層土壤速效指標(biāo)影響大，如有機質(zhì)、速效N、速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，然而對養(yǎng)分全量質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響卻不大，土壤養(yǎng)分全量主要受母質(zhì)層影響［22］。

由表3可以看出，在P＜0.01以99%的概率保證顯著相關(guān)的情況下，土壤表層(0＜d≤10 cm)有機質(zhì)與速效N、P之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.963、0.968。在P＜0.05以95%的概率保證顯著相關(guān)的情況下，土壤表層(0＜d≤10 cm)有機質(zhì)與速效K之間的相關(guān)系數(shù)為0.886;土壤層(10 cm＜d≤30 cm)有機質(zhì)與速效N之間的相關(guān)系數(shù)為0.853;土壤表層(0＜d≤10 cm)速效N與速效P之間的相關(guān)系數(shù)為0.880。從相關(guān)系數(shù)顯著性來看，有機質(zhì)與速效N、P、K之間關(guān)系呈正相關(guān)。

土壤表層(0＜d≤10 cm)速效N與有機質(zhì)呈極顯著相關(guān)性，土壤速效N質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化與有機質(zhì)類似，表層質(zhì)量分?jǐn)?shù)也遠(yuǎn)大于其它土層。各林地的速效 N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)刺槐純林177.10 μg·g－1＞刺槐×楊樹混交林 50.96 μg·g－1＞楊樹純林 45.45 μg·g－1＞對照地30.37 μg·g－1(表6)。速效 P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)刺槐純林 41.97 μg·g－1＞楊樹純林 28.34 μg·g－1＞刺槐×楊樹混交林 25.47 μg·g－1＞對照地 12.26 μg·g－1。速效 K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)刺槐×楊樹混交林183.24 μg·g－1＞楊樹純林 155.35 μg·g－1＞刺槐純林 99.59 μg·g－1＞對照地 23.67 μg·g－1。由于白蠟×桑與苦楝×桑造林時間短，其林地速效N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照地差異很小。

表6 各林地土壤表層(0＜d≤10 cm)速效N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表7可以看出，土壤深度10 cm以下速效N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)低且變化小，而速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然很高，這是因為濱海鹽土土壤速效K來源于土壤母質(zhì)［23］。

表7 10 cm＜d≤30 cm、30 cm＜d≤60 cm 林地土壤速效 N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表6與表7可知，各林地土壤速效N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度加深，呈遞減趨勢。林齡大的防護林改善土壤速效養(yǎng)分的能力明顯高于幼林。

3.2.3 土壤酸堿度

由表8可以看出，刺槐純林、楊樹純林、刺槐×楊樹混交林樹齡大的林地土壤pH值隨土壤深度加深而呈遞增趨勢，這可能是因為林地表層有豐富的枯落物，而且林地郁閉度大，有效地減緩了林地土壤蒸騰作用。防護林林地幼林地土壤pH值隨土壤深度加深而遞減，這主要是因為海邊常年四季風(fēng)大干旱，土壤水分蒸騰作用激烈。

表層土壤pH與有機質(zhì)、速效N、速效P呈極顯著負(fù)相關(guān)性的，相關(guān)系數(shù)分別為－0.974、－0.921、－0.933，也就是說表層土壤(0＜d≤10 cm)pH 值隨它們增大而減小。刺槐純林表層土壤(0＜d≤10 cm)pH值6.41，土壤呈酸性;刺槐×楊樹混交林、楊樹純林表層土壤(0＜d≤10 cm)pH值分別為7.14、7.58，土壤呈中性、弱堿性;對照地表層土壤(0＜d≤10 cm)pH值為8.31;所有林地土壤深度10 cm以下土壤pH值變化幅度小，均偏堿性。在樹齡大、枯落物豐富的林地，表層土壤pH值均小于對照地，差值范圍0.73～1.87;而幼林地與對照地土壤pH值差異很小。

表8 各林地土壤pH值

3.3 不同林地土壤的聚類分析

土壤化學(xué)性質(zhì)反映土壤肥力狀況，以及對樹木根系供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力。由表3可知，土壤表層(0＜d≤10 cm)化學(xué)性質(zhì)具有典型代表性，本研究根據(jù)表層(0＜d≤10 cm)土壤有機質(zhì)、速效N、速效P、速效K和pH值等指標(biāo)，對各樣地土壤特性聚類(圖1)。

若將各林地分成4類，則刺槐純林為第一類;楊樹純林為第二類;刺槐×楊樹混交林為第三類;樣地號4、5、6歸為第四類(圖1)。刺槐改土能力強，肥力水平高，有機質(zhì)和速效N、速效P、速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 63.59 g/kg、177.10 μg·g－1、41.97 μg·g－1、99.59 μg·g－1，在所有林地類型中含量最高;其它林地類型綜合改土能力依次為刺槐×楊樹混交林＞楊樹純林＞對照地。美國白蠟×桑與苦楝×桑造林時間短，對土壤改良作用不明顯。

圖1 根據(jù)化學(xué)性狀得到的土壤分類圖

4 結(jié)論

由于樹種不同、造林時間不等，5種防護林模式對土壤的改良效果也不同，表現(xiàn)出林齡大的林分較林齡小的強，混交林較純林強。

防護林能改善土壤，但效果不一，刺槐純林改良能力強于楊樹純林，刺槐×楊樹混交林強于楊樹純林。土壤密度、非毛管孔隙度在各樣地都是從上到下逐漸增大，總孔隙度都是從上到下逐漸減小，但變化幅度不同。刺槐純林對土壤物理性狀具有良好的改良作用，尤其是表層(0＜d≤10 cm)，刺槐×楊樹混交林其次，第三是楊樹純林。

防護林地土壤有機質(zhì)主要集中于土壤表層(0＜d≤10 cm)。林齡大的林地每層土壤有機質(zhì)、速效N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均分別大于對照地，這說明防護林有改善土壤速效養(yǎng)分的作用。林齡大的刺槐、楊樹、刺槐×楊樹混交林地土壤pH值土壤深度加深而遞增，而幼林地則隨土壤深度加深呈遞減趨勢。

表層(0＜d≤10 cm)土壤密度與總孔隙度、非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)性，總孔隙度與非毛管孔隙度之間呈極顯著正相關(guān)。表層(0＜d≤10 cm)土壤有機質(zhì)與速效N、P呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效K呈顯著正相關(guān)性。表層(0＜d≤10 cm)土壤速效N與速效P之間也呈顯著正相關(guān)性;其它土層理化性質(zhì)之間也存在一定相關(guān)性，但均不顯著。

由于樹種、林齡不同，各防護林對土壤的改良能力不同，其改良土壤能力大小依次為刺槐純林＞刺槐×楊樹混交林＞楊樹純林＞第四類林地。

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