黃河三角洲鹽堿地衰退林分的更替改造模式

喬艷輝, 王月海, 姜福成, 夏江寶

(1.山東省林業科學研究院, 山東 濟南 250014; 2.濟南軍區黃河三角洲綜合訓練基地, 山東 東營 257231;3.濱州學院 山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室, 山東 濱州 256603)

從20世紀80—90年代，黃河三角洲地區營造了以刺槐(Robiniapseudoacacia)樹種為主，還有絨毛白蠟(Fraxinuvelutina)、白榆(Ulmuspumila)、八里莊楊(Populus×xiaozhuanica)、國槐(Sophorajaponica)、臭椿(Ailanthusaltissima)、旱柳(Salixmatshudana)等樹種的大面積人工防護林。由于林齡較大、土壤次生鹽漬化、天然降水不足、蒸降比大等因素，加速了防護林衰退的進程[1-4]，如出現了林木重度枯梢、枯冠甚至死亡，導致防護功能降低、林地退化等現象發生[1,5-6]。針對衰退林的更替改造，生產中主要采取全面皆伐后進行新植物材料的重建[7]。目前，對黃河三角洲鹽堿地衰退林分改造的研究僅限于刺槐林，主要集中于不同改造方式對土壤的影響[7-8]，而未涉及改造后的林木生長和林地植被等因素，尤其缺乏其它樹種的研究。本文在前期研究的基礎上，針對生產中衰退白榆和八里莊楊兩種純林更替改造模式進行了林分生長、土壤及植被效益等方面的分析與評價，以明確更替改造效益較好的模式，為黃河三角洲鹽堿地退化林分的改造提供理論依據和技術支撐。

1 試驗地概況與研究方法

1.1 試驗地概況

研究地點位于黃河三角洲地區北部的山東省東營市河口區黃河三角洲綜合訓練基地內(37°47′8.1″N，118°48′49.8″E)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。自2000年以來的年均氣溫12.1 ℃，無霜期201 d，≥10 ℃的積溫4 200 ℃，年均降水量533 mm，多集中于夏季，7—8月降水量占全年的1/2以上，且多暴雨，降水量年際變化大，年均蒸發量1 746 mm。試驗區地下水位淺、礦化度高、地勢平坦，灘涂土壤為沖積性黃土母質在海浸母質上沉淀而成，機械組成以粉砂和淤泥質粉砂為主，沙粘相間，易于壓實，滲透性差，層次變化復雜。目前試驗區的人工林主要以刺槐、絨毛白蠟、竹柳(Salixamericana)、白榆、歐美類雜交楊(Populus)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、檉柳(Tamarixchinensis)等樹種的中、幼齡林為主。天然植被主要以蘆葦(Phragmitesaustralis)、白茅(Imperatacylindrical)、獐毛(Aeluropuslittoralis)、翅堿蓬(Suaedaheteroptera)、狗牙根(Cynodondactylon)、狗尾草(Setariaviridis)、藜(Chenopodiumalbum)、苦荬菜(Ixerisdenticulata)、蘿藦(Metaplexisjaponica)和菌陳蒿(Artemisiacapillaris)等耐鹽植物為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調查及樣品采集 試驗地點分別設在黃河三角洲綜合訓練基地六分場和十二分場。六分場的試驗林建于2010年春季，是針對26 a生的退化白榆林分(U2)更替改造，分別營造竹柳純林(S)、刺槐純林(R)、白榆純林(U1)和竹柳刺槐白榆混交林(S+R+U1)4種模式，株行距為2 m×4 m；十二分場的試驗林是2015年春季針對30年生的成過熟衰退八里莊楊樹林分(P)實施皆伐更替改造為鹽柳純林(Salixcheilophila)(SC)和白榆純林(U3)2種模式，株行距為2 m×3 m。

2017年10月下旬，對2個試驗地點不同更替改造模式的林分生長、林地土壤及植被進行了調查，并以各自未更替改造的衰退林分作為對照。在上述林分內分別設置3個20 m×20 m的樣地進行每木檢尺和林分外觀生長狀況觀測，然后在每個喬木樣地中設置3個1 m×1 m的樣方調查林下植被。土壤調查采用多點采樣法采集土樣，每個樣地按照S形均勻布設5個樣點，每個樣點在0—20 cm的樹木根區附近調查并取樣用于實驗室測定土壤理化指標。

1.2.2 土壤理化性質測定方法 土壤理化性質的測定方法，按中國林業標準(1999年)，采用烘干法測定土壤含水量，環刀浸水法測定土壤容重、孔隙度、貯水性等各項水分物理指標，pH值測定采用pH計(水土比5∶1)，可溶性鹽含量采用重量法測定(水土比5∶1)。參考章家恩法[9]，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，有效磷用Olsen法(恒溫水浴震蕩浸提)測定，速效鉀用中性NH4OAC浸提火焰光度法，硝態氮及銨態氮測定采用SmartChem全自動間斷化學分析儀測定。

1.2.3 數據分析與處理 試驗數據先用Excel軟件進行統計處理，采用SAS 9.2軟件進行分析處理，制圖采用Origin 75，土壤理化指標采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同更替改造模式的林分生長

由表1可知，六分場衰退白榆林更替改造的4種林分模式8 a后的郁閉度以竹柳刺槐白榆混交林郁閉度(0.9)為最高，白榆純林(0.8)次之，刺槐純林為0.6，竹柳林分的郁閉度最低，僅有0.4。竹柳刺槐白榆混交林的林木平均保存率雖然只有86%，但竹柳、刺槐和白榆3個樹種的保存率皆超過純林模式中的相同樹種，分別超出92.1%，18.4%和6.7%，以竹柳樹種保存率提高幅度最大，刺槐樹種提高次之，白榆樹種的保存率亦有一定提高。由此可見，在鹽堿地上營造混交林比單一純林更有利于提高林分郁閉度和林木保存率。十二分場的衰退八里莊楊樹林分更替改造為鹽柳和白榆2種純林模式3 a后，白榆林分的郁閉度高達0.95，而鹽柳林分的郁閉度僅有0.6；從保存率看，白榆純林的林木保存率達到100%，而鹽柳純林只有82%。從表1可以看出，六分場竹柳刺槐白榆混交林中的白榆和刺槐的胸徑、樹高和冠幅與各自的純林相比較都有所提高，但不顯著，而竹柳樹種明顯大于純林竹柳，分別提高24.7%，50.3%和45.3%。十二分場更替改造的鹽柳和白榆2個林分雖然樹種不同，生長速度不一致，但在地力和管理措施一致的情況下，作為速生樹種鹽柳的生長指標(樹高、胸徑和冠幅)卻低于生長速度較慢的白榆，尤其是二者的胸徑相差較大，樹高和冠幅相差相對較小。從林分的外觀生長狀況看不同更替改造模式，衰退白榆林的更替模式竹柳純林有92%的林木樹冠上部枯死，葉片受鹽害率高達98%，生長勢很差；刺槐純林葉片受鹽害率只有15%，生長勢差；而白榆純林葉片未受到鹽害，但生長勢一般；竹柳刺槐白榆混交林的刺槐和白榆樹冠完好，且葉片皆未受到鹽害，生長勢分別表現為較好和好，但竹柳中有18%的樹冠上部出現枯死現象，葉片受鹽害率為21%，生長勢較差。衰退八里莊楊的更替改造模式鹽柳純林葉片受害率高達95%以上，生長勢差；而白榆純林葉片無鹽害癥狀，生長旺盛。

2.2 不同更替改造模式的林地土壤改良效應

2.2.1 土壤容重和孔隙度 土壤容重及土壤孔隙度能夠較準確地反映土壤透水性、持水性、結構性及疏松性等方面的狀況，是評價土壤水分物理特性的基本指標[10]。從表2可以看出，衰退白榆純林更替改造為4種不同模式8 a后，竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林3種模式的土壤容重分別降低14.4%，12.1%和7.2%(p<0.01)；竹柳純林僅降低2.4%(p>0.05)。衰退八里莊楊樹純林更替為白榆純林和鹽柳純林3 a后，其土壤容重降低明顯，分別降低13.8%和10.4%(p<0.05)。

由表2得知，衰退白榆純林更替改造的4種模式和衰退八里莊楊更替改造的2種模式的土壤結構(總孔隙度、毛管孔隙度、孔隙比和非毛管孔隙度)皆有所提高，其中前3項指標與各自對照的差異極顯著(p<0.01)和顯著。

表2 不同更替改造模式的林地土壤容重和孔隙度

注：小寫字母表示差異性顯著(p<0.05)，大寫字母表示差異性極顯著水平(p<0.01)，同一指標不同字母表示差異顯著或極顯著。下同。

2.2.2 土壤的蓄水性能 土壤蓄水量是評價不同林地土壤理水調洪和涵養水源的重要指標，多用來反映林地土壤貯蓄和調節水分的潛在能力[11-13]。由表3可知，衰退白榆純林和其不同更替模式的土壤飽和蓄水量、毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量均表現為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆林，但因模式的不同，差異較大。其中的土壤飽和蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林3種模式分別比衰退白榆林高20.0%，12.9%和7.3%(p<0.01)；竹柳純林模式比衰退白榆林僅高1.8%。土壤毛管最大蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林分別比衰退白榆林高16.9%，11.0%和6.1%(p<0.01)；竹柳純林僅高1.5%。土壤非毛管最大蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林分別比衰退白榆林高107.2%，66.2%和39.9%(p<0.01)；竹柳純林僅高11.8%。由此可見，4種更替模式的涵養水源功能提高幅度更大一些。4種更替模式林分均能提高土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量，表現為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆林，但因更替模式的不同，差異亦較大，其中的竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林3種模式與竹柳純林和衰退白榆林相比，提高明顯(p<0.01)。衰退八里莊楊更替的鹽柳和白榆純林2種模式的土壤飽和蓄水量、毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量、土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均明顯大于對照衰退八里莊楊(p<0.01)；兩種更替模式之間在這5項指標上亦有明顯差異(p<0.01)。

表3 不同更替林分模式的土壤涵蓄指標

2.2.3 土壤鹽堿性 土壤pH值及含鹽量能夠反映土壤的鹽堿狀況，對土壤肥力和植物生長發育具有重要的影響。由圖1可知，2個地點的不同更替模式下的林地土壤仍然偏堿性，但總體上看，與各自的純林相比較，不同更替模式均不同程度地降低了土壤的pH值。

方差分析表明，馬場六分場的竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林3種更替模式與衰退白榆林差異性達到了顯著水平，馬場十二分場的鹽柳和白榆純林與衰退八里莊楊皆差異顯著。從土壤鹽分含量看(圖1)，馬場六分場的刺槐純林、白榆純林和竹柳刺槐白榆混交林的土壤含鹽量均小于0.3%，屬于輕度鹽堿地，方差分析表明其鹽分含量與衰退白榆林差異顯著；竹柳純林的林地土壤含鹽量(0.38%)雖然低于衰退白榆林(0.41%)，但下降的幅度較小，差異不顯著(p>0.05)，亦屬于中度鹽堿地。十二分場更替的鹽柳和白榆兩種模式的含鹽量都在0.3%以下，屬于輕度鹽堿地，與衰退八里莊楊樹林分的鹽分含量(0.39%)差異顯著。

由以上分析可以看出，衰退林分經更替改造后的林分模式皆具有壓堿降鹽的效果，但隨著更替改造模式不同，其效應差異較大。從衰退白榆純林更替改造后的4種模式看，以竹柳刺槐白榆混交林、白榆純林和刺槐純林壓堿降鹽效果較好，竹柳純林最差；衰退八里莊楊對林更替改造后的兩種模式都具有較好的壓堿降鹽效果，其中以白榆純林最為明顯。

圖1 不同更替改造模式的林地土壤pH值和含鹽量

2.2.4 土壤肥力狀況 土壤有機質能夠促進土壤團粒結構的形成，增強對土壤水分、養分的供應和保持良好的土壤肥力，對于分析土壤鹽分的組成和性質、鹽漬土的改良具有重要的參考意義，是評價土壤質量的一個重要指標[14]。由表4可以看出，馬場六分場更替改造的4種模式的林地有機質與衰退白榆林地相比，都有不同程度的提高，但提高的幅度差異較大，竹柳刺槐白榆混交林和白榆純林提高幅度最大，分別提高51.4%和49.9%，與衰退白榆林差異極顯著(p<0.01)；刺槐純林提高39.4%，與衰退白榆林差異顯著(p<0.05)；而竹柳純林僅提高6.9%，與衰退白榆林差異不顯著(p>0.05)。十二分場更替改造的白榆和鹽柳2種林分的土壤有機質含量皆明顯高于衰退八里莊楊，分別提高41.1%和74.2%，差異皆達到了顯著性(p<0.05)。評價土壤肥力的主要指標除了土壤有機質外，速效鉀、有效磷、銨態氮和硝態氮含量的多少也是土壤肥力的重要標志[14]。由表5得知，馬場六分場和十二分場2個地點更替改造模式的速效養分N，P，K與各自衰退林分相比較，與有機質的變化規律基本相一致。六分場5種林分模式的速效養分含量從大到小的順序為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆純林；十二分場3種林分模式的速效養分含量從大到小的順序為：白榆純林>鹽柳純林>衰退八里莊楊。

表4 不同更替改造模式的林地土壤有機質和養分

表5 不同更替改造模式的林下植被情況

注：各物種拉丁學名為白茅(Imperatacylindrica)，獐毛(Aeluropussinensis)，狗牙根(Cynodondactylon)，結縷草(Zoysiajaponica)，苦荬菜(Ixerischinensis)，狗尾草(Setariaviridis)，馬唐(Digitariasanguinalis)，堇菜(Violaverecunda)，檉柳(Tamarixchinensis)，堿蓬(Suaedaglauca)。

由此可見，衰退林分經更替改造后的土壤肥力狀況得到較大改善，土壤有機質和養分含量皆有所提高，但隨著林分模式的不同，其提高程度差異較大。從衰退白榆純林更替改造后的4種林分看，以竹柳刺槐白榆混交林對于土壤肥力的改善狀況最為明顯，其次是白榆純林，刺槐純林較差，竹柳純林最差；衰退八里莊楊更替改造后的2種林分中以白榆純林為最好。

2.3 不同更替改造模式的林下植被

由表5可以看出，馬場六分場更替改造的竹柳純林、刺槐純林、白榆純林和竹柳刺槐白榆混交林4種林分模式的植被種類分別只有4種、6種、3種和3種，植被多樣性較差，但其植物種類因林分模式的不同而有差異，4種林分模式的植被都有白茅這一植物，說明白茅植物種對生境的適存能力較強。竹柳純林土壤由于鹽分含量較高(0.38%)加之干旱貧瘠，只有白茅、獐毛、狗牙根和結縷草4種耐旱耐中度鹽堿的植物生存，其生長情況都較差；刺槐純林由于其生境變好(土壤鹽分含量0.29%)，不僅白茅、獐毛、狗牙根和結縷草4種植物生長較好，而且出現了苦荬菜和狗尾草2種耐輕—中度鹽堿的植物；白榆純林和竹柳刺槐白榆混交林2個林分的生境進一步好轉(土壤鹽分含量分別為0.27%和0.25%)，其林分郁閉度增大(分別為0.7和0.9)，獐毛、狗牙根、結縷草、苦荬菜和狗尾草這5種耐干旱但不耐蔭的植物消失，取而代之的是馬唐和堇菜這2種耐蔭耐輕度鹽堿的植物；衰退白榆純林由于土壤鹽分含量較高(0.41%)、郁閉度低(0.2)，出現了檉柳和堿蓬2種鹽生植物，耐輕—中度鹽堿的狗尾草和苦荬菜亦有零星分布，但生長極差。馬場十二分場鹽柳純林和白榆純林2種更替林分的植被種類分別為5種和3種(表5)。相比鹽柳林分的植被，白榆林分由于郁閉度大(0.95)，白茅和苦荬菜2種不耐蔭的植物消失，僅有耐蔭馬唐和堇菜及狗尾草，其生長狀況也較差；衰退八里莊楊林分因土壤鹽分含量高(0.39%)，僅有4種植物生存，與六分場情況相類似，亦出現了檉柳和堿蓬2種鹽生植物，能耐中度鹽堿的白茅和耐輕—中度鹽堿的狗尾草生長亦較差。

3 結 論

(1) 黃河三角洲鹽堿地的衰退白榆林和八里莊楊林不同更替改造模式在林分郁閉度、林木保存率方面有較大差異，但都好于各自的對照衰退林分，具體表現為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林，白榆純林>鹽柳純林。在樹高、胸徑、冠幅等生長因子方面，衰退白榆林更替改造的竹柳刺槐白榆混交林皆高于白榆純林、刺槐純林和竹柳純林的相同樹種；衰退八里莊楊林更替改造的鹽柳亦好于白榆模式。從林分的外觀生長狀況看，衰退白榆林更替改造的竹柳刺槐白榆混交林最好，林木葉片受鹽害情況和生長勢都要好于各樹種的純林；衰退八里莊楊林更替改造的白榆純林模式葉片無鹽害癥狀，生長勢好，而更替改造的鹽柳純林葉片受害率高達95%以上，生長勢差。

(2) 衰退白榆純林更替改造為4種不同模式的林分8 a后，衰退八里莊楊樹林更替改造為兩種不同模式的林分3 a后，與各自的衰退純林相比，在土壤透水持水性、疏松性和結構等土壤物理性能上皆得到顯著提高，具體表現為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆林，白榆純林>鹽柳純林>衰退八里莊楊林。

(3) 不同更替模式下的林地土壤均偏堿性，但總體上看，與各自的衰退林分相比較，均不同程度地降低了土壤的pH值。中度鹽堿地的衰退白榆純林更替改造的刺槐林、白榆林和竹柳刺槐白榆混交林的土壤含鹽量均小于0.3%，屬于輕度鹽堿地；竹柳林土壤含鹽量下降的幅度較小，屬于中度鹽堿地。衰退八里莊楊林土壤含鹽量高達0.39%，次生鹽漬化嚴重，而更替改造的鹽柳和白榆林的含鹽量皆在0.3%以下，更替改造的林分兩種模式降鹽效果明顯。

(4) 兩種衰退林分更替改造模式的土壤有機質和養分皆有所提高，但隨林分模式的不同，其幅度差異較大。具體表現為：竹柳刺槐白榆混交林>白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆林，白榆純林>鹽柳純林>衰退八里莊楊樹林。

(5) 不同林分模式的植被類型有所差異，但總體來說，因更替改造模式林分的生境好于衰退林分，出現了耐鹽能力較低的植物，其植被種類增多，但隨著林分郁閉度的增加，耐蔭植物出現，耐干旱耐鹽植物種類減少。

綜合兩種衰退林分更替改造為不同模式的生長、土壤及植被分析與評價，在衰退白榆林的更替改造中，以竹柳刺槐白榆混交林模式為最佳，白榆林次之，刺槐林亦可考慮，竹柳純林模式則不宜選擇；在衰退八里莊楊林的更替改造的兩種模式中，白榆純林為最好，鹽柳純林較差，不宜選用。因此，在衰退林分的更替改造中，首先應依據立地條件考慮選擇在鹽分、干旱等主要限制因子的表現上相當或者高于原有衰退林分的樹種；其次，避免營造單一的純林，盡可能營造2個樹種以上的混交林。