不同造林模式對退化花崗巖山地土壤理化性質及水文效應的影響

孫舉永，謝經霞，賈國建，劉金龍，董 智

（1.山東省榮成市港灣街道辦事處,山東 榮成264309; 2.濟寧市林業站，山東 濟寧272000；3.單縣林業局，山東 單縣274300；4.山東省林業基金管理站，山東 濟南250014；5.山東農業大學林學院，山東 泰安271018）

山東省山地丘陵區總面積約為6.28 萬km2，占全省總面積的40%左右，主要分布于魯中南山地區和魯東低山丘陵區[1]，花崗巖山地主要分布在該區域內。受歷史上不合理的人為墾殖、放牧、樵采等活動的影響，砂石山地植被退化嚴重，造成水土流失加劇、生物多樣性下降或喪失[2]，尤其是表土的流失，導致山地區表層土壤肥力和蓄水保肥功能低下，形成了生態系統特別脆弱的退化山地。恢復和重建退化生態系統是改善生態環境問題的根本所在[3]，因此，急需加強退化山地的植被恢復與功能提升。

人工造林是退化生態系統植被恢復的主要方式，也是生態系統功能提升與局部環境改善的重要環節[4]。人工造林措施通過改良土壤結構，改善土壤養分與容重、孔隙度等理化性質，并可促進土壤穩定入滲率的提高，提高土壤質量[5-6]。因此，土壤容重、有機質、養分含量等指標常常用作評價人工造林土壤改良效益評價的主要指標[7]。

乳山市是山東省魯東山地丘陵區典型的花崗巖山地分布區，山地植被稀疏，生態系統脆弱，水土流失嚴重。2010年該區實施的“世界銀行貸款山東生態造林項目(SEAP)”營造了不同樹種組成的人工防護林，目前SEAP 項目已實施10年，為了評價不同造林模型的人工林的土壤改良效果，本研究以乳山市夏村鎮埠西莊退化花崗巖山地為研究對象，開展了不同造林模式對土壤物理性質影響的研究，以期深入了解人工造林后土壤改良效果，為花崗巖山地植被恢復篩選最為適宜的造林模式，同時為恢復與重建花崗巖山地植被系統提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

試驗區位于威海市乳山市夏村鎮埠西莊小流域，地理位置121°31′18.2″E，36°58′50.4″N，流域總面積99 km2，屬于膠東低山丘陵區。土壤屬砂壤土，山坡上部土層淺薄，土層厚度＜20 cm，多砂礫，沖刷較為嚴重；山坡中部土層厚度30-40 cm，土壤熟化度較高；山坡下部土層厚度50 cm 以上。研究區屬暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫11.6℃，極端最高氣溫36.7℃，極端最低氣溫-20.3℃；年平均降水量838.9 mm，平均相對濕度72%。歷年平均日照時數2669 h，年平均無霜期為204 d；年平均風速為3.1 m/s，年平均大風天數36.7 d。

試驗區小流域內自然生長的草本植物有：黃背草(Themeda japonica (Willd.) Tanaka)、結縷草(Zoysia japonica Steud)、野古草(Arundinella anomala Steud.)、羊胡子草 (Carex duriuscula C.A.May.)、白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.) Keng)等，灌木有胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz.)、扁擔桿(Grewia biloba G.Don)、荊條（Vitex negundo L.var.heterophylla(Franch.) Rehd.）、百里香(Thymus mongolicus Ronn.)、薔薇(Rosa multiflora Thunb.) 等；研究區采用黑松（Pinus thunbergii Parl.）純林（記作HS）、黑松黃櫨（Cotinus coggygria Scop.）混交林(記作HH)、黑松麻櫟(Quercus acutissima Carruth)混交林(記作HM)、刺槐 （Robinia pseudoacacia L） 五角楓 （Acer pictum Thunb.ex Murray）混交林(記作CW)四種造林模式，不規則帶狀、塊狀混交，穴狀整地，整地規格0.4 m×0.4 m×0.3 m。各模式均選用2年生I 級苗于2010年春季造林，造林后采取了統一的封禁措施，并于2011年進行了人工松土、修枝等人工撫育管理措施。各樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況調查表

1.2 樣品采集、測試與數據處理

2019年7月，在不同造林模式典型地段分別設置20 m×20 m 的固定樣地各3 個，并在試驗區預留的荒坡設置對照樣地（記為CK）。在各樣地內分別布設5 個取樣點，除去各取樣點表層的枯落物，挖土壤剖面，用環刀分別取0-20 cm 土層的原狀土，同步在每個土壤剖面取0-20 cm 的土樣，5 個樣品混合后作為樣地的土樣，將環刀樣與土樣帶回實驗室，測定土壤理化性質。

土壤容重與孔隙度采用環刀浸水法測定，土壤入滲率采用單環入滲法測定。風干土樣去雜、過2 mm，0.25 mm 和0.149 mm 的土壤篩后測定土壤有機質與養分，其中，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；采用凱氏定氮法測定土壤全氮、采用擴散法測定速效氮；采用硫酸-高氯酸熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷與速效磷；全鉀和速效鉀分別采用NaOH 熔融-火焰光度計法和1.0 mol·L-1的醋酸銨溶液浸提-火焰光度法測定。以上各項指標每樣品測定3 次求其平均值作為該指標值。

所有數據采用SPSS22.0 軟件進行方差與多重比較分析，并用字母標記法表示數據間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同造林模式對土壤物理性質的影響

由表2可得，4 種造林模式土壤容重均低于對照，不同造林模式與對照的土壤容重差異顯著（P＜0.05），但黑松黃櫨混交林、黑松麻櫟混交林以及刺槐五角楓混交林間差異不明顯。4 種造林模式均顯著降低了土壤容重，且以刺槐五角楓混交林的土壤容重最小，僅為1.14 g/cm3，黑松純林在各造林模式中容重最大，為1.24 g/cm3。不同造林模式間容重的差異可能與闊葉樹種生長較快，其落葉積蓄在地面形成枯枝落葉層有關。枯落物的存在一方面有效地削弱了雨滴擊打土壤的能力，另一方面極易被分解為腐殖質，促進土壤顆粒團聚體的形成，從而改善了土壤結構，使得土壤變得疏松，容重下降；而黑松純林落葉少，針葉不易分解，因而土壤結構較為堅實。對照荒山因缺少植被覆蓋及其腐殖質對土壤的改良作用，土壤容重在各樣地中表現最大，為1.36 g/cm3。不同造林模式土壤容重大小排序為：CK＞黑松(HS)純林＞黑松黃櫨(HH)混交林＞黑松麻櫟(HM)混交林＞刺槐五角楓(CW)混交林。從改良土壤結構與容重的角度分析，刺槐五角楓(CW)混交林是較好的人工林營造模式。

由表2可知，與對照相比，不同造林模式下的土壤總孔隙度、毛管和非毛管孔隙度均有不同程度的提高，其中以刺槐五角楓混交林對土壤孔隙狀況的改良最為顯著，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度分別較對照提高了18.4%、50.0%和23.2%。毛管、非毛管孔隙度和總孔隙度的大小規律表現為：刺槐五角楓混交林＞黑松麻櫟混交林＞黑松黃櫨混交林＞黑松純林＞CK，除黑松麻櫟混交林、黑松黃櫨混交林間總孔隙度無顯著差異外，其他模式間及各造林模式與對照間均表現為差異顯著。

相關分析表明，土壤容重與毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均呈顯著的負相關關系，相關系數分別為r=-0.986、r=-0.982 和r=-0.978（n=15），這說明林地土壤容重的降低，使得土壤各孔隙度均有所改善，通透性和持水性均有所提高。可見，人工造林10年后，花崗巖造林地的土壤物理性質有所改良，土壤的孔隙度和通氣性均較未造林地有明顯的提高，有效地改善了土壤的通氣透水性，提高了造林地土壤的水源涵養功能。

2.2 不同造林模式對土壤養分含量的影響

2.2.1 土壤有機質含量的變化

有機質是衡量土壤理化性質和肥力的重要指標，其含量的多少決定了土壤肥力的高低[8]。與對照相比，不同造林模式均使土壤中的有機質含量明顯增加。不同造林模式土壤有機質含量為：刺槐五角楓混交林＞黑松黃櫨混交林＞黑松麻櫟混交林＞黑松純林＞CK，多重比較結果（P＜0.05）表明，4 種造林模式的土壤有機質含量均與對照的有機質含量差異顯著，除黑松黃櫨混交林和黑松麻櫟混交林有機質含量差異不顯著外，其余模式間均表現為有顯著差異。由此表明，人工造林可通過枯枝落葉的分解、腐殖質層的形成增加土壤有機質含量。

2.2.2 土壤全量養分含量變化

由表2可知，人工造林后，土壤全量養分含量得到顯著增加，4 種造林模式的土壤全氮、全磷和全鉀含量均與對照存在顯著差異（P＜0.05），不同造林模式土壤全量養分含量的變化表現一致，均呈現刺槐五角楓混交林＞黑松黃櫨混交林＞黑松麻櫟混交林＞黑松純林＞CK。對于全氮而言，黑松黃櫨混交林與刺槐五角楓混交林、黑松麻櫟混交林差異不顯著，其他林分間差異明顯，尤其以刺槐五角楓混交林土壤全氮含量最高，這與刺槐根瘤菌能通過生物固氮作用增加土壤中的氮素，提高氮肥含量有關。土壤全磷含量除刺槐五角楓混交林與黑松純林差異顯著外，其他造林模式間差異不明顯，但均與對照差異顯著。土壤全鉀含量則表現為3 種混交造林模式間差異不明顯，但三者均與黑松純林、對照間差異顯著。

表2 不同造林模式土壤理化狀況

2.2.3 土壤速效養分含量變化

土壤速效氮、速效磷、速效鉀養分是植物生長所必需的三大基本元素的直接來源[9]。由表2可得，3 種土壤速效養分含量的變化趨勢表現一致，均呈現刺槐五角楓混交林＞黑松麻櫟混交林＞黑松黃櫨混交林＞黑松純林＞CK。多重比較（P＜0.05）可得，不同造林模式下的3 種土壤速效養分含量均與對照存在顯著差異，除黑松麻櫟混交林和黑松黃櫨混交林差異不明顯外，其他造林模式間3 種速效養分含量差異顯著。

可見，人工造林對土壤肥力的維持和提升具有積極的促進作用，其可能的原因是：第一，各造林樹種產生的枯落物及其分解產物直接歸還于土壤，導致了土壤物質循環加速和養分的累積，增加了土壤的有機質和養分含量。其次，造林10年后，林分基本郁閉，林地植被覆蓋度的增大，水土流失減少，一方面增強了養分在地表的富集，另一方面減少了養分的流失，從而使得養分的積累大于支出，利于土壤養分的提高。第三，林分郁閉，植被蓋度增加，林內形成良好的小氣候與環境，可為土壤動物和微生物提供較為理想的棲息地和活動場所，有助于土壤結構的改良和肥力的提高。各模式中刺槐五角楓混交林對土壤的改良效果最好，這可能與該模式的樹種特性有關，早期速生的刺槐由于生長迅速，產生腐殖質較多，而且其本身具有固氮功能，可增強土壤氮含量，也促進其他養分的積累。

2.3 不同造林模式的土壤持水狀況

由表3可知，造林10年后，與對照相比，不同造林模式林地的土壤水文效應顯著增加，且均與對照的持水率、貯水量間存在顯著差異。不同造林模式的土壤飽和貯水量為95.88-104.76 mm，平均值為100.51 mm，是對照的1.18 倍，其中刺槐五角楓混交林的飽和貯水量最大，黑松純林的飽和貯水量最小。4 種造林模式的土壤飽和含水量具有顯著差異，其范圍為38.66%-45.96%，平均為42.58%，是對照的1.36 倍，其中刺槐五角楓混交林的飽和含水量最大，黑松純林的飽和含水量最小。這說明人工造林通過降低土壤容重、增大毛管孔隙度與總孔隙度增加林地土壤水庫的貯水容量，增強林地的水源涵養作用，并在一定程度上減少了地表徑流的流失。從不同造林模式的飽和貯水量變化來看，3 種混交林模式的飽和貯水量均顯著高于黑松純林，因而，混交林能更有效地提高土壤的蓄水貯水能力。

土壤毛管持水量的大小反映了植被吸持土壤水分用于自身生長發育維持和水土保持的能力。4 種造林模式土壤毛管貯水量均顯著高于對照，且黑松純林的毛管貯水量與3 種混交林的毛管貯水量差異明顯。不同造林模式的土壤毛管貯水量在79.56-85.64 mm 之間，平均值為83.01 mm，是對照的1.15 倍，以刺槐五角楓混交林的毛管貯水量最大，黑松純林的毛管貯水量最小。不同造林模式土壤持水能力的大小順序依次為：刺槐五角楓混交林>黑松麻櫟混交林>黑松黃櫨混交林>黑松純林>CK。

表3 不同造林模式土壤水文效應

由表3可見，人工造林林地的土壤貯水能力均高于對照荒坡的貯水能力，這說明在花崗巖山地4種造林模式均可增強其蓄水保水能力，但不同造林模式間的土壤貯水能力具有一定差異，其中，刺槐五角楓混交林蓄水效益最好，黑松麻櫟混交林與黑松黃櫨混交林效果相同，3 種混交模式均優于黑松純林。

2.4 不同造林模式對土壤入滲性能的影響

土壤的入滲性能是反映林地涵養水源的重要指標，直接關系到地表產流和土壤侵蝕量的大小[10]。由表4可得，不同造林模式的初滲速率以刺槐五角楓混交林最大，為19.24 mm/min，對照荒坡的初滲速率最小，僅為8.79 mm/min，各模式的初滲速率差異顯著。隨著入滲時間的延長，入滲速率逐漸減小，最終趨于穩滲。不同造林模式的穩滲速率差異顯著，穩滲速率最大為8.19 mm/min，最小僅3.82 mm/min，其大小順序依次為刺槐五角楓混交林>黑松麻櫟混交林>黑松黃櫨混交林>黑松純林>CK。由表4可知，不同造林模式的平均滲透速率以刺槐五角楓混交林最大，黑松純林最小，4 種造林模式的平均滲透速率均顯著高于對照，3 種混交林的平均滲透速率間差異不明顯。由此可知，人工林的營造使得土壤入滲能力得到顯著增強，混交林的平均滲透速率高于純林。

表4 不同造林模式土壤滲透速率及滲透模型

3 結論

人工造林是退化花崗巖山地恢復的有效措施，不但能促進植被恢復也有利于土壤理化性質改良，研究表明：

(1)與對照荒坡相比，不同造林模式可降低土壤容重，增大土壤孔隙度、土壤有機質含量、土壤全量養分和速效養分。各造林模式中，對土壤理化性質改良效果最大的是刺槐五角楓混交林，效果最差的是黑松純林。

(2)不同造林模式的土壤蓄水能力、土壤穩滲速率均顯著高于荒對照荒坡，不同造林模式的水源涵養能力與滲透速率最大為刺槐五角楓混交林，最小為黑松純林，黑松麻櫟混交林與黑松黃櫨混交林相差不大。

(3)不同造林模式均可顯著改良土壤理化性質及持水狀況，但不同造林模式的改良作用有差異，刺槐五角楓混交林比其他3 種造林模式的改良作用更大，更適宜在研究區種植。