黃土丘陵區(qū)人工造林對(duì)不同土壤類型理化特性的影響

陳 軍，張紅霞，鐘 文，李玉忠，王春季

（1.靖邊縣林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 靖邊 718500；2.靖邊縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 靖邊 718500；3.靖邊縣綠化中心，陜西 靖邊 718500）

（1.Foresty Programming College of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China；2.Agricultural Technology Popularizing Station of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China；3.Greening Centre of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China）

人工造林可有效地減少土壤侵蝕、保護(hù)退化生態(tài)環(huán)境［1］、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加區(qū)域碳儲(chǔ)量［2－3］、維持土壤養(yǎng)分良性循環(huán)［4］、改善景觀狀態(tài)，為野生動(dòng)物提供棲息場(chǎng)所［5］。在未來(lái)幾十年里，氣候變化將對(duì)全球植被分布產(chǎn)生巨大影響［6－7］，這些影響在生態(tài)群落交錯(cuò)區(qū)的干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)尤為顯著［8］。干旱是世界范圍內(nèi)植被分布的首要限制因子之一［9］，對(duì)于水分利用率較低樹種的影響尤為突出［10－11］。由于缺乏成熟的有關(guān)干旱、沙漠化以及土壤類型與人工造林效果關(guān)系的研究結(jié)果作依據(jù)，這直接影響了黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的實(shí)踐活動(dòng)。因此，積極開展黃土丘陵區(qū)人工造林與不同土壤類型理化性狀相互關(guān)系的研究，對(duì)我國(guó)大規(guī)模生態(tài)修復(fù)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

黃土高原地質(zhì)條件復(fù)雜，土壤理化性質(zhì)差異顯著，這些因素直接影響植被的生長(zhǎng)發(fā)育和景觀分布［12］，對(duì)丘陵溝壑區(qū)的影響尤為突出。陜北黃土丘陵區(qū)主要分布著三種土壤類型——黃綿土（占總面積的77.5%）、紅黏土（占總面積的5.6%）以及位于巖床之上尚未成熟、砂巖含量較高的巖石土壤－風(fēng)化巖沫土（占總面積的9.0%）［13］。在數(shù)百萬(wàn)年前，黃土高原被大面積的黃綿土覆蓋，由于土壤侵蝕，如今大部分表層土壤流失殆盡、黃土母質(zhì)土裸露、土壤養(yǎng)分貧瘠。該區(qū)黃綿土土層厚度約50～200m，位于0.5～5 m厚的紅黏土土層之上，而紅黏土土層下則是0.5～1m厚的風(fēng)化巖沫土土層。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，黃土丘陵區(qū)只有黃綿土土壤可以實(shí)施人工造林，其他兩種土壤由于營(yíng)養(yǎng)貧瘠不能維持林木生長(zhǎng)發(fā)育。為了拓展黃土丘陵區(qū)人工造林的土壤類型范圍，1996－2005年，選擇陜西省延安市附近的黃土溝壑區(qū)，在上述三種土壤分布區(qū)開展人工造林與不同土壤類型理化性狀相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，研究黃土丘陵區(qū)紅黏土和風(fēng)化巖沫土土壤地類人工造林的可能性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市附近小砭溝小流域，北緯36°32′，東經(jīng)109°26′15″，海拔993.7～1191 .2m，面積121hm2。流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕模數(shù)1.5萬(wàn)t／（km2·a）［14］。地形破碎、山坡陡峭、溝壑縱橫，植被稀疏。研究區(qū)主要分布3種土壤類型:黃綿土占總面積77.5%，主要分布于山梁頂部和溝谷上坡面，平均厚度50～200m，其中粒徑1.00～0.05 mm的細(xì)沙粒含量大于20%，粒徑0.010～0.001 mm的黏土含量小于30%，土壤有機(jī)質(zhì)含量3.76g／kg，平均孔隙度52.1%；風(fēng)化巖沫土位于巖石頂部，占總面積9.0%，平均厚度0.5～1.0m，主要分布于溝谷底部，其中粒徑1.00～0.05mm的細(xì)沙含量大于70%，粒徑大于1.00mm的粗沙含量大于10%，土壤有機(jī)質(zhì)含量1.45g／kg，土壤孔隙度41.9%；紅黏土位于以上兩種土壤之間，平均厚度0.5～5.0m，占總面積5.6%，主要分布于黃綿土和風(fēng)化巖沫土沉積物之間的坡面上，粒徑0.010～0.001mm的黏土含量大于40%，土壤有機(jī)質(zhì)含量2.3g／kg，土壤孔隙度44.9%［15－16］。當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門認(rèn)為紅黏土和風(fēng)化巖沫土土壤侵蝕嚴(yán)重、營(yíng)養(yǎng)貧瘠不能維持林木生長(zhǎng)發(fā)育，因此不適合人工造林。但是，這些土壤類型主要分布于溝壑底部，土壤水分條件好于山梁頂部的黃綿土地類。研究區(qū)多年平均溫度9.4℃，年均無(wú)霜期147d，年平均降雨量547.4mm，其中413.6mm集中于5－10月的雨季，1996－2005年實(shí)驗(yàn)期間平均每年422.2mm的降雨分布于雨季，并且71.2%的降雨集中在6－9月，年均蒸發(fā)量為793.7mm［13］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)間隔10m設(shè)置3個(gè)60m×360m的研究樣區(qū)，每個(gè)研究樣區(qū)按以上三種土壤類型分割成3塊樣地。1997年春分別于每個(gè)樣地栽植6個(gè)樹種、每個(gè)樹種約400株的單一樹種配置，以及按3種配置方式、每種配置約400株（兩個(gè)樹種各200株）的混交種植。由于地形地貌凹凸不平，小區(qū)在大小、形狀及植株數(shù)量上略有不同。所選樹種包括歐洲山楊（Populus tremula L）、沙棘（Hippophae rhamnoides L）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、檸條（Caragana korshinskii Kom）、刺槐（Robinia pseudoacacia L）、元寶楓（Acer truncatumBge）6個(gè)單一樹種配置，以及歐洲山楊與沙棘、沙棘與側(cè)柏、刺槐與檸條3個(gè)混交配置。為了防止坡面土壤侵蝕，同時(shí)便于收集坡面徑流促進(jìn)樹木生長(zhǎng)發(fā)育，人工造林沿等高線按1.5m反坡寬度反坡隔坡整地，并在反坡邊緣修筑30cm×30cm×30cm擋水邊埂。人工林株行距為2m×3m。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

（1）生長(zhǎng)發(fā)育。每年秋天10月，每行隨機(jī)抽取10株樹木測(cè)算樹木保存率；并用鋼卷尺測(cè)量當(dāng)年新生枝條長(zhǎng)度，計(jì)算每年生長(zhǎng)量；同時(shí)，2005年7月，在每個(gè)樣地隨機(jī)抽取每種樹木各20株進(jìn)行樹冠測(cè)量，包括最大及最小樹冠半徑計(jì)算冠幅面積；然后根據(jù)樹種平均冠幅面積與存活株數(shù)得出樹木郁閉度，樹冠重疊及相互交叉時(shí)，應(yīng)減去重疊部分，避免重復(fù)計(jì)算。

（2）土壤水分、孔隙度。每年雨季5－10月間的10日、20日、30日，在每個(gè)樣地的每個(gè)樹種配置小區(qū)隨機(jī)選擇三個(gè)取土點(diǎn)，每點(diǎn)分別取0－20，20－40，40－60，60－80cm土樣，于105℃烘干12h測(cè)算土壤水分含量。同時(shí)，每年4月10日和10月10日，以同樣的方式用環(huán)刀鉆取30cm深度土樣測(cè)定土壤容重，計(jì)算土壤孔隙度。

（3）根量。2005年10月中旬，每個(gè)樣地每個(gè)樹種小區(qū)隨機(jī)選擇30株樹木測(cè)定根量，每棵樹距樹干0.5m處隨機(jī)選三個(gè)樣點(diǎn)，同時(shí)在距樹干1.5m處另選三個(gè)樣點(diǎn)，使用6.8cm土鉆、以20cm為一個(gè)分層單位，采集0～1m土樣，由于風(fēng)化巖沫土土層較薄，其采樣深度為0～0.8cm。然后，分揀出每層根系，先于80℃烘箱烘干2h，然后于120℃繼續(xù)烘干24h稱重。

（4）土壤養(yǎng)分。1996年、2005年的10月，用土鉆隨機(jī)采集0－30cm表層土樣分析土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量，每個(gè)樣地每個(gè)樹種配置小區(qū)取土樣1處。土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)重鉻酸鉀氧化法計(jì)算，全氮由堿性蒸餾法測(cè)定，全磷由原子吸收分光光度測(cè)定法計(jì)算，速效磷經(jīng)碳酸氫鈉萃取后用比色法測(cè)定，全鉀經(jīng)氫氟酸和高氯酸消化火焰光譜法測(cè)定，速效鉀由醋酸銨萃取火焰光譜法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用 Microsoft Excel 2003、t檢驗(yàn)、p＜0.05顯著性水平進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同土壤類型林木存活與生長(zhǎng)狀況

研究結(jié)果表明，紅黏土地類單一樹種林地與混交林的樹木保存率最高，分別為74.2%和77.6%，但樹種間也存在明顯差別（表1）。歐洲山楊林在黃綿土地類表現(xiàn)最好，為70%；沙棘在其它兩種土壤表現(xiàn)較好，分別為83.5%和74%。風(fēng)化巖沫土人工林存活率變幅較大，單一樹種林地為42.4%～80.0%，混交林為57.3%～77.0%，具有較強(qiáng)的樹種選擇性。

在紅黏土地塊，單一樹種林地與混交林年平均枝條生長(zhǎng)量分別為0.50m和0.52m，其中，刺槐純林年均生長(zhǎng)量最高（1.07m）；混交林中刺槐－檸條表現(xiàn)最好，年均生長(zhǎng)量達(dá)到0.63m。紅黏土單一樹種林地與混交林年平均生長(zhǎng)量分別比黃綿土高19%和26.8%。在風(fēng)化巖沫土地塊的單一樹種林地中，側(cè)柏和刺槐長(zhǎng)勢(shì)較好，同時(shí)混交林總體上比黃綿土長(zhǎng)勢(shì)好。

紅黏土中單一樹種林平均樹冠面積和郁閉度分別比黃綿土高51.5%和59.9%，混交林分別高58.8%和69.6%。風(fēng)化巖沫土單一樹種林地樹冠面積與郁閉度分別比黃綿土地塊高17.0%和13.9%，混交林則分別高26.5%和23.7%。

表1 樹木生長(zhǎng)發(fā)育情況表

2.2 根系分布狀況

2008年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，黃綿土樹木根系分布相對(duì)較深（表2），0－80cm樹根總量與紅黏土差異不顯著，但風(fēng)化巖沫土壤0－80cm樹根總量比黃綿土低9.1%～16.3%。各類型土壤樹木根系分布有所不同，紅黏土中單一樹種林地0－20cm與20－40cm表層土壤平均樹根總量分別比黃綿土高40.3%～18.4%，風(fēng)化巖沫土單一林種這兩層土壤樹根總量分別比黃綿土高32.2%～11.7%；60－100cm深層土壤單一樹種人工林樹根總量分布也大不相同，紅黏土60－80cm、80－100cm土層樹根總量分別比黃綿土低37.3%和50%，而風(fēng)化巖沫土在60－80cm土層內(nèi)樹根總量平均比黃綿土低54.5%。

混交林根系分布差異顯著（表2），在0－20cm和20－40cm土壤表層，紅黏土平均樹根總量分別比黃綿土高26.2%和14.2%，風(fēng)化巖沫土分別比黃綿土高21.3%和7.7%。但是在60－80cm和80－100 cm深層土壤中，紅黏土樹根總量分別比黃綿土低28.6%和36.8%，風(fēng)化巖沫土在60－80cm土層的樹根總量比黃綿土低20.4%。

2.3 土壤養(yǎng)分

研究結(jié)果顯示，1996年試驗(yàn)初期，紅黏土全N、速效N及有機(jī)質(zhì)含量分別比黃綿土30cm表層土低31.1%、45.8%、38.8%；風(fēng)化巖沫土分別低35.6%、54.2%、61.4%（表3）。風(fēng)化巖沫土中速效P含量比黃綿土低33.3%。紅黏土中全K和速效K分別比黃綿土中高30.7%和51.1%，風(fēng)化巖沫土則分別高于黃綿土47.1%、34%。

在2005年試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，三種土壤類型樣地表層30cm土壤平均全N、速效N及有機(jī)質(zhì)含量分別比1996年試驗(yàn)開始時(shí)高74.3%、97.9%、124.8%。相對(duì)每個(gè)土壤類型而言，風(fēng)化巖沫土2005年平均全N、速效N及有機(jī)質(zhì)含量分別比1996年試驗(yàn)開始時(shí)高96.6%、172.7%、278.6%；紅黏土分別比1996年高96.8%、142.3%、163.9%；而黃綿土則分別比1996年高44.4%、39.6%、41.5%（表3）。

表2 2005年不同類型土壤層根系密度分布 g／m3

表3 不同類型土壤養(yǎng)分含量

2.4 土壤水分和孔隙度

研究結(jié)果表明，1996年風(fēng)化巖沫土0－80cm土壤水分含量最低，分別比紅黏土和黃綿土低36.9%和33%；紅黏土比黃綿土高6.3%。但紅黏土和風(fēng)化巖沫土的孔隙度要分別比黃綿土低13.8%和19.6%。人工造林9a后，紅黏土和風(fēng)化巖沫土的水分含量分別比黃綿土高50.8%和59.2%，二者的孔隙度分別比黃綿土低5.3%和8.9%（表4）。

3 討論

人工造林可持續(xù)與否主要取決于樹木對(duì)土壤理化性狀的影響［17］。有機(jī)質(zhì)含量增加使得土壤容重下降、孔隙度增加［18］，從而改善土壤水分和空氣的滲透條件，提高土壤對(duì)水分和養(yǎng)分的存貯能力［19］。干旱半干旱地區(qū)林地土壤條件惡化不僅影響植被生長(zhǎng)發(fā)育，也不利于木材生產(chǎn)［20］。一般認(rèn)為，樹種和植被的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)對(duì)土壤理化性狀和生物特性產(chǎn)生影響［21］。該研究結(jié)果表明，土壤特性如水分、孔隙度及養(yǎng)分含量是制約林木生長(zhǎng)發(fā)育最重要的影響因子，林木生長(zhǎng)和根系發(fā)育同樣受不同類型土壤理化特征的影響。陜北黃土高原丘陵區(qū)人工林在各類土壤中生長(zhǎng)發(fā)育的表現(xiàn)順序依次為:紅黏土＞風(fēng)化巖沫土＞黃綿土。

表4 不同類型土壤水分、容重及孔隙度

退化草地的植被修復(fù)常常伴隨著土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳含量的增加、土壤結(jié)構(gòu)的改善［22］。這種由植被恢復(fù)帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境修復(fù)增加了土壤溫度，在土壤水分含量適宜時(shí)可以增加微生物活動(dòng)，從而加快有機(jī)質(zhì)分解，提高土壤有機(jī)氮含量增加的速度［23－24］。研究結(jié)果表明，人工造林后土壤水分、孔隙度、全N、速效N及有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了明顯改變，研究期間林木生長(zhǎng)良好，土壤養(yǎng)分條件保持相對(duì)穩(wěn)定，甚至得到較大改善，尤其全N、速效N以及有機(jī)質(zhì)含量增加最為顯著；但各類土壤水分含量均有所下降，這是潛在的不利結(jié)果；植被覆蓋增加，土壤C、N庫(kù)也相應(yīng)增加，改善效果依次為:風(fēng)化巖沫土＞紅黏土＞黃綿土。

歷史研究結(jié)果表明，土壤物理性狀強(qiáng)烈影響植被生長(zhǎng)狀態(tài)［25］，對(duì)植物根系發(fā)育、植被生長(zhǎng)、水分保持、水氣滲透、孔隙度維持及土壤抗根系穿透能力等方面均起著重要作用［26］。土壤理化條件的異質(zhì)性為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供了可能，即使在粘實(shí)的土壤環(huán)境里也是如此。因?yàn)楫愘|(zhì)性使粘實(shí)的土壤環(huán)境存在裂縫、并具有通透性，這使得土壤水分和空氣環(huán)境得以改善，為植物根系生長(zhǎng)發(fā)育提供了空間條件［25］。試驗(yàn)區(qū)紅黏土和風(fēng)化巖沫土屬于土石混合土壤，與黃綿土相比，養(yǎng)分含量低、孔隙度低。大范圍的土壤板結(jié)往往伴隨土壤結(jié)構(gòu)退化，同時(shí)孔隙度下降會(huì)導(dǎo)致土壤通風(fēng)、排水、植被可利用水分貯存能力下降以及根系發(fā)育受阻等一系列不利影響。該研究結(jié)果表明，黃土高原丘陵區(qū)三種土壤的孔隙度在造林期間均有所增加、土壤容重相應(yīng)減小、土壤養(yǎng)分水平也迅速提高，這些變化表明人工造林對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響。

一般來(lái)說(shuō)，人工造林可以潛在地增加土壤養(yǎng)分輸入，有助于提高土壤水分含量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育［26］。盡管土壤水分可以通過(guò)土壤養(yǎng)分變化而改變，但這些變化效應(yīng)還取決于土壤的其它特性［27］。在不同土壤中，相同土壤水分含量會(huì)產(chǎn)生不同的生理機(jī)能效應(yīng)，因?yàn)橥寥浪值目衫眯剩此畡?shì)或水位）不僅取決于土壤孔隙度和土壤顆粒組成，還取決于土壤分布的地形差異。研究區(qū)紅黏土和風(fēng)化位于溝谷底部，具有較豐富的地下水供給。同時(shí)，山坡徑流在溝谷受到樹木以及造林工程的阻隔，這有利于降雨入滲至深層土壤，起到了天然灌溉的作用，這些因素使得這兩種土壤在干旱環(huán)境下更容易維持林木生長(zhǎng)發(fā)育。

干旱缺水是制約全球植物生長(zhǎng)發(fā)育和植被類型分布的首要限制因素［28－29］。因此，由干旱造成的林木成活率下降是影響人工造林成敗的關(guān)鍵因子之一［27］。為了提高我國(guó)的森林覆蓋率，林業(yè)部門常常在降雨僅僅能維持樹木存活的干旱半干旱地區(qū)開展人工造林［30］。因此，為了避免人工造林失敗，必須謹(jǐn)慎選擇適宜水資源條件的樹種［31］。長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)表明，由于年降雨稀少、樹種選擇不合理以及密度過(guò)高造成林地土壤水分缺乏［30－33］，干旱年份位于我國(guó)干旱半干旱地區(qū)的河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古等地均出現(xiàn)大面積人工林死亡和林地物種多樣性減少等現(xiàn)象［30］。盡管該試驗(yàn)區(qū)林木生長(zhǎng)良好，同時(shí)土壤理化性狀有所改善，但這些改善卻是以不斷消耗土壤水為代價(jià)的。

研究結(jié)果表明，黃綿土林木消耗土壤水分的速度比土壤蓄積天然降水的速度快，因此，黃綿土植被覆蓋度沒(méi)有其他兩種土壤增加的快。這表明當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門可能被短期內(nèi)林木成活現(xiàn)象所誤導(dǎo)，從而優(yōu)先選擇在黃綿土開展人工造林。同我國(guó)其它地區(qū)造林失敗一樣［30－32］，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，陜北黃土丘陵區(qū)黃綿土地類人工造林也存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)。盡管研究區(qū)紅黏土和風(fēng)化巖沫土肥力較低，然而它們位于溝谷底部，具有較豐富的地下水供給。與黃綿土相比，這兩類土壤物理性狀改善了土壤的蓄水能力，土壤水分含量在造林后相對(duì)穩(wěn)定。由此可見，在紅黏土及風(fēng)化巖沫土分布的谷地開展人工造林將是更有價(jià)值的選擇。由于這兩種土壤土層較薄，因此，淺根性樹種如沙棘和刺槐的生長(zhǎng)發(fā)育，沙棘與刺槐或側(cè)柏混交林以及刺槐與檸條混交林更適合在這類土壤混交種植。

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