黃河三角洲長期人工刺槐林對土壤化學性質的影響

董海鳳，杜振宇，劉春生，劉方春，馬丙堯，馬海林

（1.山東農業大學 資源與環境學院，山東 泰安271018；2.山東省林業科學研究院，山東 濟南250014；3.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安271018）

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入?？谘匕兜貐^，該地自然資源豐富，生態系統類型獨特。但由于土壤鹽漬化嚴重，導致生態環境脆弱，抗干擾能力弱，森林生態系統的自我調節和恢復能力較差。為此，20世紀80年代初，該地區開始大規模造林，至今刺槐林保存面積仍然達8 000hm2，是中國現存面積最大的刺槐人工林［1］。但目前刺槐人工林出現了大面積枯梢，甚至成片死亡，對黃河三角洲地區的防護林建設及鹽堿化治理造成了巨大損失。到目前為止，國內眾多學者對濱海鹽堿地刺槐林土壤的水鹽動態、養分特征、微生物特性等方面都進行了較為深入的研究［1－7］。然而，對人工刺槐林地土壤不同化學性質之間相關性的研究和不同人工林改良土壤肥力綜合效應研究較少。本文以27年生人工刺槐純林和混交林為研究對象，取樣測定了林地土壤的化學性質，對土壤肥力各指標進行了相關性研究，對比分析了不同植被模式對土壤肥力的影響，以期為濱海鹽堿地造林及植被恢復提供依據。

1 試驗地概況與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省東營市河口區，地處黃河三角洲東北部，屬于暖溫帶大陸季風性氣候。全年平均氣溫為12.3℃，極端最高氣溫達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℃。太陽輻射年總量5 146～5 411J／m2，年日照時數2 571～2 865h，平均2 682h，是中國日照較豐沛的地區之一。平均無霜期210d。年降水量542.3～842mm，其中約63.9%的降水集中于夏季，年蒸發量1 962.1mm，是降水量的3.6倍，春季是強烈的蒸發期，蒸發量占全年的51.7%［1，7－8］。

1.2 研究方法

選取該區有代表性的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）作為研究對象，以未造林的荒地作為對照。試驗林于1985年春季采用1a苗營造，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照中分別設置0.06hm2的標準地，對標準地林木進行每木檢尺，測定胸徑、樹高和郁閉度。采用多點混合采樣法，在每塊標準地中用土鉆取0—20，20—40，40—60cm深度的土壤樣品。樣品采集好后馬上帶回實驗室，剔除植物殘根、大于2mm的石子等雜物，充分混合。風干，備實驗分析用。

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

1.3 數據處理

采用Excel和SPSS 18.0進行相關的數據處理與統計分析，用LSD法進行差異性顯著比較。

應用灰色系統理論的原理與方法［10－12］，對不同植被模式土壤肥力性質進行灰色關聯分析及關聯度排序［12－13］。

（1）數據標準化采用極差正規化法：

式中：Xij——數據數列中數據（包含參考數列）；minXij，maxXij——同一類數據中最小值、最大值。

（2）關聯系數：

（3）關聯度：

式中：rij——將各個時刻關聯系數集中成為的一個平均值。

2 結果與分析

2.1 林分生長特征

各林分生長情況調查結果見表1。由表1可以看出，相比純林來說，造林27a后混交林中刺槐的生長受到抑制，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，白蠟明顯優于刺槐。白榆跟臭椿也顯示出相似的規律，這是養分爭奪的結果；另外，刺槐是高效固氮作物，可能有效促進白蠟、白榆、臭椿的生長。

表1 不同造林模式下林分生長特征

2.2 不同造林模式對土壤化學性質的影響

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的重要參數。由圖1—2看出，與非林地的對照相比，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，但減輕幅度相對較小，分別為0.19%，2.01%，1.39%和0.89%。以上結果表明，在黃河三角洲濱海鹽堿地營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 土壤有機質 土壤有機質是林地土壤養分的主要來源，能夠促進微生物活動，維系土壤良好理化性質，是表征土壤肥力的重要指標［2，13］。對不同造林模式林地土壤有機質含量的測定結果（圖3）表明，在0—60cm土壤深度范圍內，無論是荒地對照、刺槐純林還是混交林地，土壤有機質含量均是隨土層深度的增加呈明顯降低趨勢。與未造林荒地（CK）相比，各造林模式土壤剖面的有機質平均含量分別增加了54.42%，79.85%，76.42%和52.97%。對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質含量總體上要高于刺槐純林，這與曹幫華、侯本棟等的研究結果一致［2，4］。不同模式中，林地土壤的有機質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質含量

2.2.3 土壤氮、磷、鉀 分析結果表明（表2），土壤全氮和速效堿解氮含量的變化趨勢與有機質含量變化大致相同，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土層的堿解氮遠小于表層含量。與未造林對照相比，不同造林模式對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照提高程度相對較小，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雜，在林地剖面層次上和不同模式之間均沒有發現特定的規律，這與郗金標等［6］在對鹽堿地上15種林分類型有效磷含量變化的研究中結果基本一致［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，變化較為復雜。產生這一現象的原因目前還不清楚，可能與樹種有一定的關系。與對照模式相比，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，但沒有表現出顯著性差異。分析結果表明，不同樹種與刺槐混交后對林地土壤磷素狀況的影響不盡相同，原因還有待進一步探討。

與堿解氮的垂直變化規律相似，土壤速效鉀含量總體上也呈現出上層大于下層的變化趨勢。營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，地表枯落物分解進入表層土壤的鉀養分也會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、白蠟在物質循壞和能量轉化時分解速度較快，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，在濱海鹽堿地營造刺槐人工林27a后，林地土壤交換性鈣、鎂和有效硫含量產生了一定程度的變化。與荒地對照相比，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照則沒有表現出明顯差異。各造林模式的土壤交換性鈣、鎂并沒有出現“表聚”現象，在垂直分布上表現為下層高于上層，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，最高值分別出現在20—40和40—60cm，這與氮、磷、鉀養分在土層中的垂直遞減規律具有明顯差異。這可能與鈣鎂元素在土壤中移動性較差，以及林木根系對表層土壤鈣鎂吸收量相對較大有關。不同土地利用模式的土壤有效硫變化趨勢與其他養分元素明顯不同，刺槐純林和刺槐白蠟混交林土壤的平均有效硫含量較對照模式顯著降低，而刺槐白榆和刺槐臭椿混交林較對照則有明顯提高。非林地對照的土壤有效硫含量在剖面中表現出逐層降低的趨勢，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有呈現明顯規律性。由此可見，在黃河三角洲濱海鹽堿地營造不同刺槐人工林，長期立地條件下對土壤鈣、鎂、硫等中量元素產生了顯著的影響作用，但影響規律因樹種構成而呈現出復雜迥異的變化規律。

2.3 土壤化學性質的相關性分析

對林地土壤不同化學性質進行相關性分析，所用數據為各造林模式林地0—60cm土層各指標的平均數，經統計分析得到各項土壤化學性質指標間的相關性。土壤有機質是土壤養分的重要來源，由表3可以看出，在鹽堿地上植樹造林，土壤有機質與全氮、速效鉀、交換性鈣、鎂含量之間存在極顯著性負相關，特別是土壤速效氮與有機質之間達到極顯著正相關。而土壤鹽分則與有機質含量之間存在極顯著負相關，說明了通過森林植被恢復措施增加碳匯，提高土壤有機碳貯量，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分氮呈現負相關以外，還與交換性鈣、鎂含量存在顯著性負相關，這是由于交換性鈣、鎂在土壤中的轉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［17］。土壤有效硫與有效磷之間呈顯著性負相關，這可能是由于它們的有效形態均為陰離子，二者會在土壤膠體表面產生一定競爭吸附作用。出乎意料的是，土壤全氮和速效氮之間雖然具有較強相關性，相關系數達到0.8以上，但并未達到顯著性水平，原因可能在于供試人工林立地時間較長，土壤吸附態氮不斷被淋溶、固定和吸附，在土壤中發生了復雜的轉化過程。

表3 土壤肥力性質指標相關性分析

2.4 土壤化學性質的關聯分析

從不同土地利用模式的土壤化學性質分析來看，各個指標的變化趨勢并不一致。為了定量評價各不同造林模式的土壤肥力，選擇土壤有機質（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個化學指標進行灰色關聯分析。首先對數據進行標準化處理，其中土壤鹽分和pH值取倒數正相關處理，通過公式計算出各對應點的關聯系數和關聯度。各指標的關聯系數和關聯度如表4所示，由計算結果可知，不同造林模式的關聯度由大到小依次為：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，關聯度越大，說明子數列與母數列的發展趨勢就越接近，也就表明土壤肥力越好［12］。土壤化學性質相關性排序結果表明，在黃河三角洲濱海鹽堿地營造人工刺槐林優化了土壤理化性質，提高了肥力，刺槐混交林的效果優于刺槐純林，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，提高了土壤有機質和養分含量。與刺槐純林相比，刺槐混交林的土壤綜合理化性質得到明顯改善，主要原因可能在于刺槐與其他樹種混交后改善了林分結構、促進了林地養分運轉。不少林業科研成果和生產實踐證明，混交林可以充分利用地力，培肥林地土壤，提高林分穩定性［18］。許多研究者對不同樹種混交后的生長效應和林地土壤性質進行了探討，多數研究結果認為混交林較純林在各方面均具有明顯的優勢，可增加土壤孔隙度，提高其貯水和滲水能力［19］，能促進土壤有機物質的轉化，加速營養元素的循環速率，提高土壤肥力［20－21］；另外，混交林的空間結構也得到一定優化［22］，提高了對光熱利用能力，促進林分生長，從而加速光合產物向林地的輸送，從而促進土壤性能的改善。同一樹種與其他不同樹種混交后對林分生長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比，很少有對多種混交樹種進行比較研究。本研究發現，刺槐分別與白蠟、白榆和臭椿混交后，土壤化學性質雖較刺槐純林均得到一定程度的優化，混交林提高土壤肥力的效果也要明顯優于刺槐純林，但不同混交樹種的影響作用存在明顯差異，具體的作用機制尚不清楚，可能與不同樹種的養分互補作用，凋落物分解［23］，以及林分結構變化差異等方面有較大關系。

表4 土壤肥力性質指標關聯系數（X1－10）與關聯度

3 結論

（1）在黃河三角洲濱海鹽堿地營造人工刺槐林，生長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于純林。

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

（3）相關性分析表明，人工刺槐林地土壤鹽分、全氮、速效氮、速效鉀、交換性鈣、鎂與土壤有機質之間的相關性達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相關，土壤有效硫與有效磷之間呈顯著性負相關。關聯分析結果表明，刺槐混交林種植模式改良土壤肥力明顯優于刺槐純林，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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