黃河三角洲長(zhǎng)期人工刺槐林對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

董海鳳，杜振宇，劉春生，劉方春，馬丙堯，馬海林

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安271018；2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014；3.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018）

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入?？谘匕兜貐^(qū)，該地自然資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)類型獨(dú)特。但由于土壤鹽漬化嚴(yán)重，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱，抗干擾能力弱，森林生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力較差。為此，20世紀(jì)80年代初，該地區(qū)開始大規(guī)模造林，至今刺槐林保存面積仍然達(dá)8 000hm2，是中國(guó)現(xiàn)存面積最大的刺槐人工林［1］。但目前刺槐人工林出現(xiàn)了大面積枯梢，甚至成片死亡，對(duì)黃河三角洲地區(qū)的防護(hù)林建設(shè)及鹽堿化治理造成了巨大損失。到目前為止，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)濱海鹽堿地刺槐林土壤的水鹽動(dòng)態(tài)、養(yǎng)分特征、微生物特性等方面都進(jìn)行了較為深入的研究［1－7］。然而，對(duì)人工刺槐林地土壤不同化學(xué)性質(zhì)之間相關(guān)性的研究和不同人工林改良土壤肥力綜合效應(yīng)研究較少。本文以27年生人工刺槐純林和混交林為研究對(duì)象，取樣測(cè)定了林地土壤的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤肥力各指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性研究，對(duì)比分析了不同植被模式對(duì)土壤肥力的影響，以期為濱海鹽堿地造林及植被恢復(fù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省東營(yíng)市河口區(qū)，地處黃河三角洲東北部，屬于暖溫帶大陸季風(fēng)性氣候。全年平均氣溫為12.3℃，極端最高氣溫達(dá)41.9℃，極端最低氣溫為－23.3℃，大于0℃以上的積溫4 783.5℃，大于10℃以上的積溫4 183℃。太陽(yáng)輻射年總量5 146～5 411J／m2，年日照時(shí)數(shù)2 571～2 865h，平均2 682h，是中國(guó)日照較豐沛的地區(qū)之一。平均無(wú)霜期210d。年降水量542.3～842mm，其中約63.9%的降水集中于夏季，年蒸發(fā)量1 962.1mm，是降水量的3.6倍，春季是強(qiáng)烈的蒸發(fā)期，蒸發(fā)量占全年的51.7%［1，7－8］。

1.2 研究方法

選取該區(qū)有代表性的4種人工林（分別為刺槐純林、刺槐×白蠟混交林、刺槐×白榆混交林和刺槐×臭椿混交林）作為研究對(duì)象，以未造林的荒地作為對(duì)照。試驗(yàn)林于1985年春季采用1a苗營(yíng)造，株行距為2.5m×3m，各林分的林地相鄰，林齡和立地條件基本相同，刺槐白蠟混交林為3∶1行狀混交模式，刺槐白榆混交林和刺槐臭椿混交林均為1∶1行狀混交。

在供試人工林地和荒地對(duì)照中分別設(shè)置0.06hm2的標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地林木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定胸徑、樹高和郁閉度。采用多點(diǎn)混合采樣法，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中用土鉆取0—20，20—40，40—60cm深度的土壤樣品。樣品采集好后馬上帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除植物殘根、大于2mm的石子等雜物，充分混合。風(fēng)干，備實(shí)驗(yàn)分析用。

采用烘干殘?jiān)亓糠y(cè)定土壤含鹽量，電位法（水∶土＝5∶1）測(cè)定pH值；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法測(cè)定；土壤樣品中的全氮含量采用半微量開氏法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用NaHCO3溶液浸提后鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用NH4OAc浸提后火焰光度法測(cè)定，采用硫酸鋇比濁法測(cè)定有效硫含量，1mol／LNH4OAc浸提測(cè)定交換性鈣鎂［9］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 18.0進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法進(jìn)行差異性顯著比較。

應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論的原理與方法［10－12］，對(duì)不同植被模式土壤肥力性質(zhì)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析及關(guān)聯(lián)度排序［12－13］。

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采用極差正規(guī)化法：

式中：Xij——數(shù)據(jù)數(shù)列中數(shù)據(jù)（包含參考數(shù)列）；minXij，maxXij——同一類數(shù)據(jù)中最小值、最大值。

（2）關(guān)聯(lián)系數(shù)：

（3）關(guān)聯(lián)度：

式中：rij——將各個(gè)時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)集中成為的一個(gè)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分生長(zhǎng)特征

各林分生長(zhǎng)情況調(diào)查結(jié)果見表1。由表1可以看出，相比純林來(lái)說(shuō)，造林27a后混交林中刺槐的生長(zhǎng)受到抑制，白蠟林木的平均胸徑和樹高均明顯大于刺槐，分別高出25.2%和38.5%；二者的保存率也存在顯著差異，白蠟明顯優(yōu)于刺槐。白榆跟臭椿也顯示出相似的規(guī)律，這是養(yǎng)分爭(zhēng)奪的結(jié)果；另外，刺槐是高效固氮作物，可能有效促進(jìn)白蠟、白榆、臭椿的生長(zhǎng)。

表1 不同造林模式下林分生長(zhǎng)特征

2.2 不同造林模式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤鹽分和pH值 鹽分和pH值是表征鹽漬化土壤基本性質(zhì)的重要參數(shù)。由圖1—2看出，與非林地的對(duì)照相比，不同造林模式林地土壤的pH值和含鹽量均有顯著下降，3個(gè)土層的平均鹽分含量均降低了40%以上，刺槐純林、刺槐白蠟混交林、刺槐白榆混交林和刺槐臭椿混交林下降幅度分別為43.06%，43.74%，48.52%和47.74%，林地土壤pH值也有一定程度的降低，但減輕幅度相對(duì)較小，分別為0.19%，2.01%，1.39%和0.89%。以上結(jié)果表明，在黃河三角洲濱海鹽堿地營(yíng)造刺槐林能有效抑制土壤返鹽退化，降低堿度，且混交林的壓堿排鹽效果優(yōu)于純林。

圖1 不同造林模式下不同剖面層次土壤pH值

2.2.2 土壤有機(jī)質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)是林地土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源，能夠促進(jìn)微生物活動(dòng)，維系土壤良好理化性質(zhì)，是表征土壤肥力的重要指標(biāo)［2，13］。對(duì)不同造林模式林地土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果（圖3）表明，在0—60cm土壤深度范圍內(nèi)，無(wú)論是荒地對(duì)照、刺槐純林還是混交林地，土壤有機(jī)質(zhì)含量均是隨土層深度的增加呈明顯降低趨勢(shì)。與未造林荒地（CK）相比，各造林模式土壤剖面的有機(jī)質(zhì)平均含量分別增加了54.42%，79.85%，76.42%和52.97%。對(duì)比不同造林模式的同一深度土層，可以看出刺槐混交林的土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上要高于刺槐純林，這與曹幫華、侯本棟等的研究結(jié)果一致［2，4］。不同模式中，林地土壤的有機(jī)質(zhì)平均含量從高到低依次為：刺槐×白蠟＞刺槐×白榆＞刺槐×臭椿＞刺槐純林。

圖3 不同造林模式下不同剖面層次土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.2.3 土壤氮、磷、鉀 分析結(jié)果表明（表2），土壤全氮和速效堿解氮含量的變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)含量變化大致相同，上層普遍高于下層；荒地土壤剖面中的堿解氮含量存在很大差異，20—40和40—60cm土層的堿解氮遠(yuǎn)小于表層含量。與未造林對(duì)照相比，不同造林模式對(duì)林地土壤的堿解氮含量得到明顯提升，以刺槐白蠟混交模式含量最高，較對(duì)照增加了157.28%，其次為刺槐白榆混交林，而刺槐臭椿模式林地速效氮增加幅度量最小。與速效氮不同，不同模式的土壤全氮含量較對(duì)照提高程度相對(duì)較小，刺槐純林、刺槐白蠟混交林、刺槐白榆混交林和刺槐臭椿混交林的增加幅度分別為1.62%，5.09%，5.45%和3.56%。

土壤有效磷的變化較為復(fù)雜，在林地剖面層次上和不同模式之間均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特定的規(guī)律，這與郗金標(biāo)等［6］在對(duì)鹽堿地上15種林分類型有效磷含量變化的研究中結(jié)果基本一致［14］，他們的研究表明，不同林分類型土壤有效磷含量有的高于未造林地，有的低于未造林地，變化較為復(fù)雜。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因目前還不清楚，可能與樹種有一定的關(guān)系。與對(duì)照模式相比，刺槐白蠟、刺槐白榆混交林土壤的有效磷含量明顯增加，而刺槐臭椿混交林地有效磷含量卻有所減少；與刺槐純林相比，刺槐白蠟混交后顯著提高了林地土壤的速效磷含量，而刺槐與白榆和臭椿混交后的土壤有效磷含量卻有所下降，但沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性差異。分析結(jié)果表明，不同樹種與刺槐混交后對(duì)林地土壤磷素狀況的影響不盡相同，原因還有待進(jìn)一步探討。

與堿解氮的垂直變化規(guī)律相似，土壤速效鉀含量總體上也呈現(xiàn)出上層大于下層的變化趨勢(shì)。營(yíng)造不同模式的刺槐人工林后，林地土壤的速效鉀含量得到顯著提高。與刺槐純林相比，混交林模式的表層（0—20cm）土壤速效鉀含量顯著性下降，而20—40和40—60cm土層的速效鉀含量則均有一定程度的增加，這是由于鉀在土壤中容易被淋溶遷移，地表枯落物分解進(jìn)入表層土壤的鉀養(yǎng)分也會(huì)有一部分遷移到下層土壤中。不同造林模式林地土壤的平均速效鉀含量也存在一定差異，刺槐純林和刺槐白蠟混交林的含量明顯高于刺槐白榆、刺槐臭椿混交林，原因可能是由于刺槐、白蠟在物質(zhì)循壞和能量轉(zhuǎn)化時(shí)分解速度較快，而白榆、臭椿枯落物分解速度較慢［15－16］。

表2 不同造林模式下各層土壤養(yǎng)分含量

2.2.4 土壤鈣、鎂、硫 從表2可以看出，在濱海鹽堿地營(yíng)造刺槐人工林27a后，林地土壤交換性鈣、鎂和有效硫含量產(chǎn)生了一定程度的變化。與荒地對(duì)照相比，各混交林模式的土壤交換性鈣、鎂含量總體上有明顯增加，而刺槐純林模式較對(duì)照則沒(méi)有表現(xiàn)出明顯差異。各造林模式的土壤交換性鈣、鎂并沒(méi)有出現(xiàn)“表聚”現(xiàn)象，在垂直分布上表現(xiàn)為下層高于上層，但未造林地的最大值均在表層。林地土壤交換性鈣、鎂含量均高于未造林地，最高值分別出現(xiàn)在20—40和40—60cm，這與氮、磷、鉀養(yǎng)分在土層中的垂直遞減規(guī)律具有明顯差異。這可能與鈣鎂元素在土壤中移動(dòng)性較差，以及林木根系對(duì)表層土壤鈣鎂吸收量相對(duì)較大有關(guān)。不同土地利用模式的土壤有效硫變化趨勢(shì)與其他養(yǎng)分元素明顯不同，刺槐純林和刺槐白蠟混交林土壤的平均有效硫含量較對(duì)照模式顯著降低，而刺槐白榆和刺槐臭椿混交林較對(duì)照則有明顯提高。非林地對(duì)照的土壤有效硫含量在剖面中表現(xiàn)出逐層降低的趨勢(shì)，而刺槐白榆、刺槐臭椿混交林的土壤有效硫含量則隨土層深度的增加而顯著增加，刺槐純林和刺槐白蠟混交林則沒(méi)有呈現(xiàn)明顯規(guī)律性。由此可見，在黃河三角洲濱海鹽堿地營(yíng)造不同刺槐人工林，長(zhǎng)期立地條件下對(duì)土壤鈣、鎂、硫等中量元素產(chǎn)生了顯著的影響作用，但影響規(guī)律因樹種構(gòu)成而呈現(xiàn)出復(fù)雜迥異的變化規(guī)律。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

對(duì)林地土壤不同化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，所用數(shù)據(jù)為各造林模式林地0—60cm土層各指標(biāo)的平均數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到各項(xiàng)土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源，由表3可以看出，在鹽堿地上植樹造林，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、速效鉀、交換性鈣、鎂含量之間存在極顯著性負(fù)相關(guān)，特別是土壤速效氮與有機(jī)質(zhì)之間達(dá)到極顯著正相關(guān)。而土壤鹽分則與有機(jī)質(zhì)含量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明了通過(guò)森林植被恢復(fù)措施增加碳匯，提高土壤有機(jī)碳貯量，可以有效降低林地土壤鹽分，起到生物改良鹽堿地的效用。林地土壤酸堿度除與養(yǎng)分氮呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)以外，還與交換性鈣、鎂含量存在顯著性負(fù)相關(guān)，這是由于交換性鈣、鎂在土壤中的轉(zhuǎn)化主要受土壤溶液酸堿度的控制，與其中的OH－含量密切相關(guān)［17］。土壤有效硫與有效磷之間呈顯著性負(fù)相關(guān)，這可能是由于它們的有效形態(tài)均為陰離子，二者會(huì)在土壤膠體表面產(chǎn)生一定競(jìng)爭(zhēng)吸附作用。出乎意料的是，土壤全氮和速效氮之間雖然具有較強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上，但并未達(dá)到顯著性水平，原因可能在于供試人工林立地時(shí)間較長(zhǎng)，土壤吸附態(tài)氮不斷被淋溶、固定和吸附，在土壤中發(fā)生了復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

表3 土壤肥力性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

2.4 土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析

從不同土地利用模式的土壤化學(xué)性質(zhì)分析來(lái)看，各個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)并不一致。為了定量評(píng)價(jià)各不同造林模式的土壤肥力，選擇土壤有機(jī)質(zhì)（X1）、全氮（X2）、堿解氮（X3）、有效磷（X4）、速效鉀（X5）、交換性鈣（X6）、交換性鎂（X7）、有效硫（X8）、鹽分（X9）、pH值（X10）等10個(gè)化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中土壤鹽分和pH值取倒數(shù)正相關(guān)處理，通過(guò)公式計(jì)算出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度如表4所示，由計(jì)算結(jié)果可知，不同造林模式的關(guān)聯(lián)度由大到小依次為：刺槐白蠟混交模式＞刺槐白榆混交模式＞刺槐臭椿混交模式＞刺槐純林模式＞荒地，關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明子數(shù)列與母數(shù)列的發(fā)展趨勢(shì)就越接近，也就表明土壤肥力越好［12］。土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性排序結(jié)果表明，在黃河三角洲濱海鹽堿地營(yíng)造人工刺槐林優(yōu)化了土壤理化性質(zhì)，提高了肥力，刺槐混交林的效果優(yōu)于刺槐純林，其中以刺槐白蠟混交林的土壤培肥效果最好。

很明顯，濱海鹽堿地上營(yíng)造人工林顯著降低了土壤鹽分，有效降低土壤堿度，提高了土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量。與刺槐純林相比，刺槐混交林的土壤綜合理化性質(zhì)得到明顯改善，主要原因可能在于刺槐與其他樹種混交后改善了林分結(jié)構(gòu)、促進(jìn)了林地養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)。不少林業(yè)科研成果和生產(chǎn)實(shí)踐證明，混交林可以充分利用地力，培肥林地土壤，提高林分穩(wěn)定性［18］。許多研究者對(duì)不同樹種混交后的生長(zhǎng)效應(yīng)和林地土壤性質(zhì)進(jìn)行了探討，多數(shù)研究結(jié)果認(rèn)為混交林較純林在各方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可增加土壤孔隙度，提高其貯水和滲水能力［19］，能促進(jìn)土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，加速營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)速率，提高土壤肥力［20－21］；另外，混交林的空間結(jié)構(gòu)也得到一定優(yōu)化［22］，提高了對(duì)光熱利用能力，促進(jìn)林分生長(zhǎng)，從而加速光合產(chǎn)物向林地的輸送，從而促進(jìn)土壤性能的改善。同一樹種與其他不同樹種混交后對(duì)林分生長(zhǎng)和林地土壤的影響作用也不盡相同，目前的研究多見于一種混交林分別與組成樹種間的對(duì)比，很少有對(duì)多種混交樹種進(jìn)行比較研究。本研究發(fā)現(xiàn)，刺槐分別與白蠟、白榆和臭椿混交后，土壤化學(xué)性質(zhì)雖較刺槐純林均得到一定程度的優(yōu)化，混交林提高土壤肥力的效果也要明顯優(yōu)于刺槐純林，但不同混交樹種的影響作用存在明顯差異，具體的作用機(jī)制尚不清楚，可能與不同樹種的養(yǎng)分互補(bǔ)作用，凋落物分解［23］，以及林分結(jié)構(gòu)變化差異等方面有較大關(guān)系。

表4 土壤肥力性質(zhì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)（X1－10）與關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論

（1）在黃河三角洲濱海鹽堿地營(yíng)造人工刺槐林，生長(zhǎng)27a后能夠有效抑制土壤返鹽退化、降低堿度，且混交林的壓堿排鹽效果優(yōu)于純林。

（2）林地土壤有機(jī)質(zhì)隨著土層深度增加明顯降低，且混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量要高于純林，其中刺槐白蠟混交林最高。長(zhǎng)期立地條件下，混交林土壤各養(yǎng)分含量明顯增加，但不同養(yǎng)分呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，同一養(yǎng)分也因混交樹種不同呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。全氮、堿解氮、速效鉀隨土層深度增加而下降，土壤交換性鈣、鎂并沒(méi)有表現(xiàn)出“表聚”現(xiàn)象，最高值分別出現(xiàn)在20—40和40—60cm土層，土壤有效磷、有效硫含量沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

（3）相關(guān)性分析表明，人工刺槐林地土壤鹽分、全氮、速效氮、速效鉀、交換性鈣、鎂與土壤有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性達(dá)到了顯著或極顯著水平，土壤酸堿度與全氮、交換性鈣、交換性鎂存在顯著性負(fù)相關(guān)，土壤有效硫與有效磷之間呈顯著性負(fù)相關(guān)。關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，刺槐混交林種植模式改良土壤肥力明顯優(yōu)于刺槐純林，且不同混交模式改良土壤肥力的能力有很大差距，以刺槐白蠟混交模式最好。

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