冀北沙地人工林土壤逆轉特征研究

馬增旺，范少輝，官鳳英，邢存旺

（1. 國際竹藤中心，北京 100102；2. 河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061；3. 河北省林木良種工程技術研究中心，河北 石家莊 050061）

冀北沙地人工林土壤逆轉特征研究

馬增旺1,2,3，范少輝1，官鳳英1，邢存旺2,3

（1. 國際竹藤中心，北京 100102；2. 河北省林業科學研究院，河北 石家莊 050061；3. 河北省林木良種工程技術研究中心，河北 石家莊 050061）

為了掌握零星沙地人工林營造后林地土壤的逆轉變化特征，通過標準地調查，對榆樹（Ulmus pumila）、側柏（Platycladus orientalis）和小葉楊（Populus simonii）3個樹種進行了調查。結果表明：人工固沙林不同程度地起到了攔截風沙、降低風蝕的作用，對改善輸沙率以及土壤的機械組成、理化性質發揮了作用；不同林分的輸沙率不同，但80% ～ 90%的輸沙集中發生在距離地面4 cm高度范圍內，影響輸沙量的主要林分結構因子是林分郁閉度，按輸沙率大小排序9年生小葉楊林 ＞ 7年生側柏林 ＞ 15年生小葉楊林 ＞ 17年生側柏林 ＞ 7年生榆樹林 ＞= 13年生榆樹林；所有林地土壤的有機質、N素、P素仍然處于極低水平，呈極貧瘠狀態，造林后地力的自然恢復進程非常緩慢。

零星沙地；人工固沙林；輸沙率；土壤理化性質；逆轉特征

防風固沙林是以降低風速、減緩風蝕、固定沙地、防治風沙侵蝕為目的防護林[1]。在沙漠化地區，通過人工營造植被，既能逆轉植被退化趨勢，又能遏制沙漠化蔓延，因此，在沙漠化防治中發揮著重要作用。自京津風沙源治理工程實施以來，河北省加快了人工固沙林的造林步伐。據2004年、2009年河北省沙化土地監測結果表明，京津風沙源工程區沙化土地面積由上世紀末的快速擴展轉變為目前的逐年縮減，平均每年減少沙化土地面積0.59萬hm2，土地沙化的趨勢正在逆轉。通過觀測分析與土壤有關的輸沙量、機械組成、養分含量等主要特征因子，可以客觀地反映植被建植后土壤特征的變化情況，從而為人工林的防沙治沙效果做出評價。

1 研究區自然概況

研究區位于河北省張家口市宣化林場黃羊灘，115o 2′ 34″ ～ 115o 12′ 30″ E，40o 25′ 12″ ～ 40o 32′ 06″ N[2]，總面積10 200 hm2，是河北省北部零星沙地中面積最大的沙灘，海拔600 ～ 1 000 m，土壤以風蝕沙土為主。黃羊灘地處內蒙古高原向山地過渡的間山盆地，同時也是落葉闊葉林向干旱草原的過渡地帶[3]，北部為內蒙古草原的南緣，南部為暖溫帶落葉闊葉林區，兩種植被類型交互存在，現有植被種類稀少，且蓋度較低。生態環境脆弱。氣候為半濕潤區向半干旱區的過渡地帶，具備大陸性季風氣候特征，年均氣溫7.6℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫－25.8℃，無霜期130 d，年均降水量365 mm，年均蒸發量2 000 mm，大風天數37 ～40 d，年有效積溫2 368 ～ 3 573℃。主要災害性天氣有干旱、沙塵暴、凍害、干熱風等。由于其獨特的地理位置，形成了風多、風大、干旱、沙割和沙壓等特殊的災害類型，土壤風蝕沙化嚴重。

2 研究方法

2.1 標準地調查

從近年來在半固定沙地上逐漸恢復的人工林中，選擇榆樹（Ulmus pumila）、側柏（Platycladus orientalis）和小葉楊（Populus simonii）作為代表性樹種，采取標準地調查方法[4]，設置6塊20 m×30 m的標準地，進行林分主要因子的調查，測定并記錄林地的樹種、株數、年齡、胸徑、樹高、冠幅、郁閉度、林下草本層蓋度、林分健康狀況等因子。由于人工固沙林的營造集中在近二十年，林齡的分布范圍較窄，根據現實林分狀況，每個樹種分別選擇林齡相對較大和較小的2塊樣地進行調查研究。6塊標準地所處的自然氣候條件相同，立地類型一致，造林和經營管理技術措施也相似。

2.2 林內輸沙率測定

輸沙量是指風沙流搬運的沙粒質量，單位時間內搬運的沙粒質量也叫輸沙率[5]，用以評價近地表的風蝕情況。沙粒在氣流的作用下會跳躍到不同高度，在一定風速條件下沿垂線方向形成特定的分布并遵循一定的規律[6]。采用10孔階梯式集沙儀觀測林內輸沙量，觀測高度范圍為地面以上20 cm，每2 cm為一層，共10層。觀測時將集沙儀豎立在觀測樣地內，進沙口與主風向垂直，底部與地面平齊。觀測開始時打開各個集沙儀的口蓋，并同時記錄觀測起始時間，觀測集沙的時間為72 h，觀測結束時關閉集沙儀的口蓋。每次觀測結束后，將集沙儀的集沙進行分層稱重。在春季選擇不同時段分別觀測3次，取平均值，作為該林分該時段的輸沙量，并計算林分日輸沙率。其計算公式為：

式中，Q為輸沙率（g·cm－1·d－1）；W為輸沙量（g）；ΔT為觀測時間（d）。

2.3 林內土壤理化性質測定

按照自然剖面取土樣，測定樣地土壤理化性質，取樣深度為 30 cm。土壤機械組成采用篩分法結合吸管法測定[7]；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定[8]。

3 結果分析

3.1 林地輸沙率

人工固沙林的首要經營目標就是防風固沙，控制風沙流活動。而風沙流活動的重要危害過程是輸沙，林地沙面輸沙率變化情況表明了固沙功能實現的程度，是沙漠化治理效果最重要的評價指標。由于人工固沙植被對近地層風速的削弱作用，明顯地抑制了風的侵蝕能力，降低了地表輸沙率，因而不同程度地實現了防風固沙目標。從表1中可以看出近地表0 ～ 20 cm高度范圍內輸沙率分布規律。

表1 林地近地表0 ～ 20 cm平均輸沙率Table 1 Mean sand transporting rate at 20 cm height range above ground

（1）不同樹種的林分輸沙率不同。無論是7年生榆樹林，還是13年生榆樹林都未監測到輸沙，說明風蝕現象已經徹底得到控制，林內不再有流沙發生。2塊不同林齡的側柏林有不同程度的流沙發生，盡管7年生與17年生側柏林具有相同的林分郁閉度，且草本層蓋度比17年生側柏林大0.2，但由于林齡偏小，林分平均高較低，因此，防護功能較弱，輸沙率比17年生側柏林高1.0 g·cm－1·d－1，輸沙高度也比17年生側柏林高約2 cm。相比較而言，小葉楊林內的輸沙量最大，分別達到了6.6和3.2 g·cm－1·d－1。

（2）從輸沙高度來看，側柏和小葉楊林均呈現一致的分布規律，隨著高度的增加，輸沙率明顯下降。3、4號側柏樣地的輸沙高度分別為地面上0 ～ 12 cm和0 ～ 10 cm。5、6號小葉楊樣地的輸沙則發生在0 ～ 8 cm高度范圍內。50%左右的輸沙發生在近地表的0 ～ 2 cm高度，80% ～ 90%的輸沙集中發生在距離地面4 cm高度范圍內。總體來講，小葉楊林在垂直方向的防護高度比側柏高，效果更好，7年生、17年生側柏林分別在超過地面12 cm、10 cm高度，才不再有風蝕沙發生，而小葉楊林內的流沙只發生在8 cm范圍內，這可能是因為小葉楊林的平均高大于側柏林所致。總體來說，黃羊灘楊樹林分內輸沙高度同樣集中于地表沙面以上較小的范圍，但不同的是，顯然低于沙漠地區稀疏植被條件下的輸沙分布高度[9]。這一結果說明，由于人工林分的阻滯作用，降低了風速，林內的沙粒多以蠕移或躍移形式活動，很少被搬運到較高的位置而懸浮。

（3）不同樣地的輸沙在地面以上垂直高度上具有一定的分布規律，且所有樣地的規律表現出一致性，即越靠近地面，輸沙越多，越遠離地面，輸沙量減少，呈指數遞減規律。各層次輸沙量表現出0 ～ 2 cm ＞ 2 ～ 4 cm ＞ 4～ 6 cm＞ 6 ～ 8 cm ＞ 8 ～ 10 cm的規律?？梢?，受風力和沙粒移動高度的雙重影響，達到一定高度后，沙粒的動能減弱并開始沉積。不同樣地的輸沙率在垂直高度上的分布規律完全符合風沙移動原理[10]，與Bagnold[11]、Chepil[12]、Williams[13]和吳正[14]等人的研究結果基本一致。

（4）通過比較6塊林地的輸沙率可以看出，榆樹林在降低輸沙率、減少風蝕方面效果最好，其次是側柏林，最差的是小葉楊林。

3.2 林地輸沙量與林分結構因子的關系

由于不同樹種生物學特性存在很大差異，因此林分結構組成也存在很大不同。根據以往的文獻資料[15～19]，以及不同類型人工固沙林結構因子的調查分析，初步篩選出決定輸沙量的主要結構因子：林分平均高、平均冠幅、林分郁閉度和草本植物蓋度。林地輸沙量與主要林分結構因子調查統計結果見表 2。人工固沙林的固沙效能與其結構有著密切的關系。不同結構類型的林分，由于樹種組成及樹木各部分在林內空間分布、搭配狀況的差異，形成了特定的內部結構和外部形態，對風沙流的影響也有著不同的特點。進一步對輸沙量與林分平均高、平均冠幅、林分郁閉度和草本植物蓋度4項結構因子進行回歸分析，得出林分輸沙量與其結構因子的數量關系，并可確定各因子在結構中的權重大小。由數據分析結果可以看出，經過逐步回歸，最終引入的林分結構因子只有郁閉度，建立的回歸方程為Y = 35.613－58.539 X3，方差分析F值為15.709，相關系數為－0.893，顯著性概率為0.017，回歸在0.05的水平上達到顯著，由此可見，對3個樹種現有人工固沙林的固沙效果影響最大的結構因子是林分郁閉度。各結構因子對固沙作用的大小順序依次為林分郁閉度 ＞ 林分平均高 ＞ 平均冠幅 ＞ 草本層蓋度。

表2 林地輸沙量與林分結構因子調查結果Table 2 Mass of transported sand and forest structural factors

3.3 林地土壤機械組成

土壤機械組成是指土壤中礦物顆粒的大小及其組成比例[20]，是構成土壤結構體的基本單元。它不僅是土壤質地分類、命名的基礎，而且直接影響土壤的理化性質和生物學特性，與植物生長所需的環境條件及養分供給關系十分密切，關系著土壤松緊程度、孔隙數量，進而影響著土壤通氣、透水及土壤環境背景值、能量轉化等性能，是評價土壤基本性質和形成環境的一個重要指標。從一定意義上說，土壤的形成就是粘粒的形成與機械組成的變化[21]。

不同類型的人工林土壤機械組成的測定結果如圖 1。由圖1可知，在所有樣地的土壤機械組成中，1 ～ 0.1 mm的顆粒含量最高，且該粒級含量都大于40%，其中以1號樣地的含量最高，達到了 92.3%。其次，0.1 ～ 0.05 mm的顆粒含量也比較高。1 ～ 0.05 mm顆粒含量在所有樣地中都超過了72%。根據南京土壤研究所制定的“我國土壤質地分類制”，粒徑 ＞ 1 mm、1 ～ 0.05 mm、0.05 ～ 0.005 mm和 ＜0.005 mm分別劃為石礫、砂粒、粉粒和粘粒[22]，黃羊灘人工林地的土壤具有典型的砂礫特征，充分反映了土壤的風積沙特征。

圖1 不同樣地土壤機械組成Figure 1 Soil mechanical composition of different stands

在6塊樣地土壤中，粒徑在0.01 ～ 0.005 mm的粉粒的含量最小，其中，1、2號榆樹樣地中不存在該粒徑的土壤顆粒。粉粒主要對土壤的可塑性、機械性與耕性造成影響，其中細粉粒對土壤水分物理性質有顯著影響。說明林地中的成土母質較粗，來源相對單一，受風選影響大，是風蝕與堆積反復作用的結果。

粒徑 ＜ 0.005 mm的粘粒含量在風沙土機械組成中具有標志性地位。一方面粘粒含量決定著風沙土的持水與保肥能力，另一方面土壤機械組成的變化是沙化土地逆轉過程最為普遍而且有代表性的現象，從外形上表現為地表物質顆粒組成中細粒逐漸增加，即產生地表細化過程。所以利用粘粒含量的差異和變化，可以判斷人工固沙林防護功能實現程度，對其防護功能進行評價。不同林地土壤機械組成中粘粒含量對比結果表明，同一樹種中，年齡較大林地的粘粒含量較之林齡較小的林地高，而在不同樹種的近似林齡的林地中，粘粒含量為小葉楊林＞側柏林＞榆樹林，而且，隨著林齡的增加，這種差異有增大的趨勢。土壤中粘粒的增加，一方面，由于植被截流了近地層氣流所攜帶的土粒，另一方面，林木阻止了風對土壤的侵蝕作用，從而使林地的土壤細粒逐漸增加，使土壤機械組成發生變化。由于生物生態學特性的差異，以及植被蓋度的不同，不同林地的土壤機械組成表現出一定差異。

3.3 林地土壤養分狀況

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，它與土壤礦質部分共同作為林木營養的來源[23]，它的存在一定程度上影響和改變著土壤的保墑性、緩沖性、可耕性、通氣狀況和土壤溫度，是土壤肥力高低的重要指標之一。

圖2是不同林地下土壤養分含量的組成情況。由圖2可知，所有樣地中土壤有機質含量普遍小于6.0 g/kg的極低標準。不同樹種間，以小葉楊為造林樹種的2塊樣地有機質含量大于其它樣地，說明小葉楊在改良土壤方面比其它樹種具有一定優勢。在森林土壤中，凋落物是土壤有機物主要來源，也是補充有機質的主要方式。黃羊灘人工固沙林土壤中有機質總體上呈極貧瘠狀態，主要原因是由于風蝕的影響，凋落物難以歸還到土體當中。該地區風蝕作用強烈，林草凋落后，正值季風盛行期，全部或絕大多數被風沙流帶走，留存量極少。枯朽根系成為土壤有機質重要來源，而這部分僅占生物量的很小一部分，不足以維持土壤養分平衡。小葉楊與其它固沙樹種相比具有葉片大、落葉量大等特點，林地留存量相對多，而且小葉楊葉片分解容易，所以歸還量較大。

根據《全國第二次土壤普查暫行技術規程》土壤養分分級標準[24]，將大量元素分為6級，即很高、高、中等、低、很低、極低。不同林地0 ～ 30 cm土壤化學性質呈現出一致的規律性，所有林地的土壤有機質、N素、P素均處于極低水平，全K含量處于很高水平，速效K處于很低水平至極低水平。一方面表明了造林地養分本底水平太低，另一方面表明了風蝕沙地經過人工造林后，雖然對土壤性狀產生了一定的影響，但各項肥力指標均未發生顯著性的變化，造林后地力的自然恢復進程非常緩慢。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）人工固沙林的建立，增加了地面粗糙度，起到了攔截風沙、降低風速的作用，從而減小了風沙流的挾沙量，降低了輸沙率。不同林分內近地表0 ～ 20 cm高度范圍內輸沙率呈現出如下規律：不同樹種的林分輸沙率不同。6塊林地的輸沙率按照大小排序分別為9年生小葉楊林＞7年生側柏林＞15年生小葉楊林＞17年生側柏林＞7年生榆樹林 = 13年生榆樹林。榆樹在減少風蝕方面的作用發揮得更早、更好。從輸沙高度來看，側柏和小葉楊林均呈現一致的分布規律，隨著高度的增加，輸沙率明顯下降。50%左右的輸沙發生在近地表的0 ～ 2 cm高度，80% ～ 90%的輸沙集中發生在距離地面4 cm高度范圍內。影響輸沙量的主要林分結構因子是林分郁閉度。6塊林地中，近似年齡的不同樹種中，榆樹的輸沙率最小，其次是側柏林，最差的是小葉楊林。

（2）沙地土壤是一類成土過程很緩慢，營養貧瘠的土壤，其有機質與氮的含量遠遠低于一般植物生長所必需的含量。人工固沙林能夠加速沙地土壤成土過程，使土壤肥力有所提高，減小土壤風蝕，減少就地起沙。由于植被截流了近地表氣流所攜帶的土粒，同時阻止了風對土壤的侵蝕作用，從而使林地的土壤細粒增加，使土壤機械組成發生變化。由于生物生態學特性的差異，以及蓋度的不同，不同植被對土壤機械組成的影響存在一定差異。黃羊灘人工固沙林土壤中有機質、N素、P素都均處于極低水平，全K含量處于很高水平，速效K處于很低水平至極低水平。

4.2 討論

（1）河北省北部的張家口市，由于獨特的地理位置、地形地貌和氣候條件，沿永定河上游零星分布著淮安金沙灘、宣化黃羊灘、陽原開陽灘、懷來甘家灘以及南馬場灘五大沙灘。近年來，結合京津風沙源治理工程，開展了以營造防風固沙林、遏制沙漠化為目的的植被建設。其中，黃羊灘作為冀北零星沙地的代表，調查研究結果既具有一定的特殊性，又具有一定的代表性，能夠為人工營造的固沙林做出比較科學的評價，但該研究結果在其它區域的適用性有待進一步對比和驗證。

（2）為了評價人工林的防護效果，利用近二十年來營造的人工林開展了該項研究，但由于現實林分類型在樹種、林齡、密度、數量等方面的限制，該項研究采取了調查研究的方式，研究結果有待于在今后的研究中進一步跟蹤觀測。

（3）通過對林地的風蝕情況和土壤物理化學性質的研究，還能夠為現有人工林的經營管理提供依據。由于土壤地力的恢復過程非常緩慢，加強林地的管理，嚴格禁牧等措施，才能夠保證林地物質循環的正常進行，從而根本上改善林分的立地條件。

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Study on Soil Properties of Artificial Forest in the Northern Hebei

MA Zeng-wang1,2,3，FAN Shao-hui1，GUAN Feng-ying1，XING Cun-wang2,3
（1. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China; 2. Hebei Academy of Forestry, Shijiazhuang 050061, China; 3. Hebei Research Center for Improved Trees Varieties, Shijiazhuang 050061, China）

Ulmus pumila, Platycladus orientalis and Populus simonii plantations on scattered sandy land were selected for sample plot investigation in the Northern Hebei province. The results showed that tested plantations played an important role in wind and sand break, wind erosion reducing, lowering sand transporting rate, improving mechanical composition and physiochemical characteristics of sandy soil. Different stands had different sand transporting rates, but 80%-90% of sand was shifted only under the height of 4cm above ground. Canopy density of stands was the main influencing factor for mass of transported sand. The order of sand transporting rate was as follows: 9-year P. simonii＞7-year P. orientalis＞15-year P. simonii ＞17-year P. orientalis ＞7,13-year U. pumila. The contents of organic, nitrogen and phosphorus in soil of all the sample stands were extremely low, and the courses of soil restoration were very slow.

scattered sandy land; sand fixation plantation; sand transporting rate; physiochemical characteristics of soil

S727.23

A

1001-3776（2013）04-0023-06

2013-04-14；

2013-06-15

國家林業局林業公益性行業科研專項“冀北防風固沙林優化經營調控技術研究”（201104104）；河北省林業廳科研項目“環北京地區荒漠化監測站建設及荒漠化動態監測”（0527293）

馬增旺（1970－），男，河北淶水人，教授級高級工程師，博士，從事荒漠化防治研究。