柯柯牙城郊防護(hù)林主要造林類型土壤改良效應(yīng)研究?

玉米提哈力克，塔依爾江艾山，張利霞，阿布都拉阿不力孜，Martin Welp，Siegmund Missall

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830046；2.德國(guó)艾希施泰特—英格爾斯塔特大學(xué)數(shù)學(xué)與地理學(xué)院，德國(guó)艾希施泰特85071；3.德國(guó)埃伯斯瓦爾德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)森林與環(huán)境學(xué)院，德國(guó)埃伯斯瓦爾德16225)

0 引言

城郊防護(hù)林是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，也是城市中具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)功能的生態(tài)支持系統(tǒng)和城市健康持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ).研究表明，一個(gè)城市的森林覆被率達(dá)到30%以上且分布均勻，才能起到城市生態(tài)安全的作用[1].在我國(guó)城市的林地要達(dá)到這一指標(biāo)難度較大，只能在城郊區(qū)大力發(fā)展森林，以補(bǔ)充市區(qū)森林的不足，才能有效維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的良好狀況.因此，經(jīng)營(yíng)和管理好城郊防護(hù)林已成為建設(shè)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要內(nèi)容.

以城郊森林建設(shè)與保護(hù)來(lái)改善城市居住環(huán)境已成為干旱區(qū)綠洲城市的可持續(xù)發(fā)展模式和城市市民的迫切需求.城市森林不僅改善城市人居環(huán)境，維持生態(tài)平衡，同時(shí)促進(jìn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展.在城郊區(qū)建立以防護(hù)林為主題的森林體系，即構(gòu)建具有空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)功能的森林資源群體[2]，具有改善城市氣候、降低空氣污染、有效改良土壤、防止土地退化及水土流失、減少自然災(zāi)害等多方面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3].人工防護(hù)林建設(shè)對(duì)土壤的改良作用既關(guān)系到土壤動(dòng)植物健康更關(guān)系到區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[4,5]；在我國(guó)，對(duì)城郊防護(hù)林的土壤改良作用進(jìn)行專門(mén)研究并開(kāi)展科學(xué)規(guī)劃的還不多見(jiàn).部分學(xué)者探索研究了人工造林活動(dòng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，主要內(nèi)容涉及到土壤水分及涵養(yǎng)功能變化的研究[6,7]，對(duì)土壤質(zhì)量與肥力的提升情況分析[8?10]，對(duì)土壤重金屬含量與水溶性鹽的影響[11]，對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)及顆粒分形特征的改善作用等[12,13].

柯柯牙地處新疆南部塔克拉瑪干沙漠北緣，位于阿克蘇市與溫宿縣之間的黃土地上，過(guò)去土壤貧瘠、溝壑縱橫、土壤鹽漬化極為嚴(yán)重，是阿克蘇市風(fēng)沙災(zāi)害的主要源頭[14].隨著1986年起開(kāi)展的持續(xù)性大規(guī)模義務(wù)植樹(shù)造林工程的推進(jìn)，昔日的荒漠如今已變成林海.本文通過(guò)對(duì)柯柯牙防護(hù)林工程不同造林類型的林地進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測(cè)試計(jì)量研究，試圖揭示人工造林對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的程度與特點(diǎn)，旨在為干旱區(qū)城郊防護(hù)林建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐提供基礎(chǔ)參考.

圖1 阿克蘇市郊柯柯牙防護(hù)林區(qū)示意圖

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

柯柯牙城郊防護(hù)林基地位于新疆南部阿克蘇市北郊，地理坐標(biāo)為(圖1).平均海拔高度1 056～1 300 m，地面坡降1/80～1/1500，屬于暖溫帶干旱型氣候，平均年降水量56.7 mm，年蒸發(fā)量1 900～2 600 mm；年平均氣溫為的積溫為2 200?C，氣溫年較差和日較差較大；全年晴天多，光照充足，光熱資源豐富，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 854 h，無(wú)霜期為211 d.柯柯牙階地是發(fā)育在礫石基質(zhì)層上的棕漠土，成土母質(zhì)大致為洪積沖擊性的紅土母質(zhì)，分布有沙丘土、鹽化土，土質(zhì)自北向南由砂礫土向沙壤土過(guò)度.原始植被主要有駱駝刺（Alhagi pseudalhagi），駱駝蓬（Peganum harmala），蒿（Artemisia sp.），蘆葦（Phragmites australis），甘草（Glycyrrhiza inflata），鈴鐺刺（Halimodendron halodendron），檉柳（Tamarix chinensis），芨芨草（Achnatherum splendens），胖姑娘（Karelinia caspica）等，但數(shù)量極少、疏散，分布不均.土壤類型主要是棕漠土(brown desert soil)，土壤結(jié)構(gòu)主要為沙土、沙壤土、粘土、重粘土、鹽堿土.

1986年，阿克蘇地區(qū)啟動(dòng)了柯柯牙人工防護(hù)林建設(shè)工程，至2010年已完成造林綠化面積1.39×104hm2，建成了集多種經(jīng)濟(jì)林、生態(tài)防護(hù)林于一體的“綠色長(zhǎng)城”.阿克蘇市也因此先后榮獲“中國(guó)人居環(huán)境范例獎(jiǎng)（2001年），“全國(guó)園林綠化先進(jìn)城市”（2003年）、“國(guó)家森林城市”（2008年）的稱號(hào)[15].

1.2 樣地選取及土樣的采集

根據(jù)柯柯牙城郊林區(qū)立地條件，結(jié)合不同地段風(fēng)沙危害程度、地下水位及天然植被的分布情況，在溫宿縣境內(nèi)沿柯柯牙防護(hù)林延伸方向選取一條長(zhǎng)約10 km的樣帶，在樣帶內(nèi)選定4種人工造林類型（紅棗林、香梨林、蘋(píng)果林和楊樹(shù)林）（表1）.每個(gè)類型林地分別設(shè)置2個(gè)樣地；為了對(duì)照有無(wú)林地土壤性質(zhì)差異，在水土條件相同的無(wú)植被裸露沙地選取樣地2個(gè)，每個(gè)樣地設(shè)3個(gè)重復(fù)樣方.春季灌溉施肥開(kāi)展前（4月中旬），在所選樣地內(nèi)用“五點(diǎn)法”取土樣，同類樣地同部位同層樣品混合后，分析其主要理化性質(zhì).

表1 人工防護(hù)林主要造林類型樣地概況

1.3 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

對(duì)采回的樣品進(jìn)行預(yù)處理，并在2013年5月28日至8月13日期間陸續(xù)完成各項(xiàng)土壤因子的測(cè)定和分析工作.在試驗(yàn)中，土壤含水率的測(cè)定用烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤的機(jī)械組成分析用篩分法，pH值用玻璃電極法，土壤水溶性鹽總量用質(zhì)量法測(cè)定；含量的測(cè)定用EDTA滴定法含量用雙指示劑中和滴定法，Cl?用硝酸銀滴定法，用EDTA間接絡(luò)合滴定法，K++Na+用差量法測(cè)定并計(jì)量；土壤有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法外加熱法，土壤全氮用凱氏定氮法，土壤全磷用HCIO4-H2SO4法測(cè)定；土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法，速效鉀用醋酸銨—火焰光度計(jì)法測(cè)定.

土壤質(zhì)量綜合分析采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法[16,17]，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)劣，計(jì)算出隸屬函數(shù)均值并進(jìn)行排序，均值越大，則土壤質(zhì)量就越優(yōu).由于反映土壤質(zhì)量的各個(gè)因子具有連續(xù)性，故各個(gè)因子采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，對(duì)土壤質(zhì)量影響呈正相關(guān)性的因子，采用升型分布函數(shù)；而對(duì)土壤質(zhì)量影響呈負(fù)相關(guān)的因子，采用降型分布函數(shù)，計(jì)算公式如下：

升型分布函數(shù)

降型分布函數(shù)

隸屬函數(shù)均值

公式中，Zij為i樣地、j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij為i樣地、j指標(biāo)的測(cè)定值，和分別為各樣地中指標(biāo)最大和最小測(cè)定值；為樣地的隸屬函數(shù)平均值；n為指標(biāo)數(shù).根據(jù)試驗(yàn)的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算隸屬函數(shù)值.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同林型土壤鹽分含量分析

土壤水溶性鹽對(duì)土壤的理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)都能產(chǎn)生直接影響，是限制作物生長(zhǎng)的重要因素，它作為鹽堿土的一個(gè)重要屬性，是鹽堿土改良效果的重要依據(jù).不同造林活動(dòng)對(duì)土壤鹽分含量的影響也存在一定的差異.測(cè)試得知，四種造林類型均明顯降低了土壤中Ca2+、Mg2+、Cl?、SO2?4和K++Na+的含量，從而大大減少了土壤總鹽的含量，其總鹽含量排序?yàn)椋簵顦?shù)林>蘋(píng)果林>紅棗林>香梨林（圖2）.

圖2 不同造林類型土壤水溶性鹽分離子組成（mg/kg）

果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林樣地中不同土層鹽含量表現(xiàn)為：30～50 cm>0～10 cm>10～30 cm.在楊樹(shù)防護(hù)林帶的樣地中0～10 cm土層鹽含量較高.由此可看出，不同樹(shù)種的造林活動(dòng)對(duì)不同林型各土層的鹽分含量也產(chǎn)生不同程度的影響.栽種果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林后，果農(nóng)定期的漫灌起到了很好的“壓鹽”作用，使得原來(lái)聚集在表層土壤中的鹽分向下遷移，一方面更有利于果樹(shù)生長(zhǎng)，另一方面也促進(jìn)了林下草灌木植被的發(fā)育，增加林內(nèi)下墊面粗糙度，從而起到更好的防護(hù)作用.

2.2 不同林型土壤理化性質(zhì)與養(yǎng)分含量分析

通過(guò)對(duì)不同林型下土壤因子的測(cè)試分析可知，人工造林過(guò)程對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響顯著，表現(xiàn)為：與對(duì)照樣地（裸露沙地）相比，四種林型各土層均呈現(xiàn)土壤容重降低、含水量明顯提高、細(xì)砂百分比增加的趨勢(shì).城郊防護(hù)林不同類型造林活動(dòng)均有效降低了土壤堿度，提高了土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量（表2）.

各林型土壤的容重均低于對(duì)照區(qū)（裸露沙地）土壤的容重，并且它們之間有顯著差異性；從土壤改良效果來(lái)看，以紅棗最好，其次排序?yàn)樘O(píng)果、楊樹(shù)和香梨，這說(shuō)明各種造林模式均明顯降低了土壤容重，改善了土壤結(jié)構(gòu).土壤水分是土壤諸多因素中最活躍、最重要的指標(biāo)之一，它不僅是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)與循環(huán)的載體，而且積極參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程.各林型改善土壤含水量的能力差別不顯著，總體表現(xiàn)為：紅棗>楊樹(shù)>蘋(píng)果>香梨.土壤機(jī)械組成是各層土壤各粒級(jí)所占的重量百分比.機(jī)械組成不同的土壤，它們之間的水、肥、熱、物理機(jī)械性質(zhì)、分散體系性質(zhì)及土壤團(tuán)聚性都不同.長(zhǎng)期的耕作影響著表層土壤顆粒組成的變化.從表2可知，不同造林類型的土壤機(jī)械成分表現(xiàn)出一定的差異性，且各層土壤中細(xì)沙、極細(xì)沙、粉沙的含量明顯高于對(duì)照樣地，各層土壤<0.25 mm的細(xì)沙含量以楊樹(shù)樣地最高，較對(duì)照樣地相同土層均高出近一倍.計(jì)算并對(duì)比不同造林類型各土層不同粒徑含量百分比的平均值，<0.25 mm的細(xì)沙含量表現(xiàn)為：楊樹(shù)>蘋(píng)果>紅棗>香梨，分別較對(duì)照樣地高35.37%、30.80%、22.28%、19.43%，因此楊樹(shù)樣地的土壤細(xì)沙含量最高，土壤質(zhì)地為最好.隨著柯柯牙造林工程的實(shí)施，各林型的土壤機(jī)械組成均發(fā)生不同程度的改變，從而影響了土壤的結(jié)構(gòu)以及入滲、保墑等性狀.差異原因與人工擾動(dòng)、植被根系活動(dòng)和覆蓋程度有關(guān).

表2 不同造林類型各土層土壤理化性質(zhì)與養(yǎng)分含量分析

土壤pH值是土壤形成以及熟化培肥過(guò)程的重要指標(biāo)[18].它對(duì)土壤中養(yǎng)分存在形式及其有效性，土壤的理化性質(zhì)以及作物生理生長(zhǎng)都能產(chǎn)生直接影響，可以作為衡量鹽堿土改良效益的重要依據(jù)[19]，合適的pH值環(huán)境更有利于植被對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用.4種造林類型樣地內(nèi)土壤都呈堿性，且pH值都比對(duì)照樣地低，其中楊樹(shù)樣地對(duì)土壤pH值的改良作用最為明顯.從土層變化上看，pH值變化規(guī)律不是很明顯，基本上符合0～30 cm土層較其它土層稍偏大，較小的pH值在一定程度上更促進(jìn)了林下植被的生長(zhǎng).不同林帶下生長(zhǎng)的草本植物凋落物的降解所產(chǎn)生的有機(jī)酸可以改變土壤的pH值，人工撫育措施在一定程度上可以增加土壤的通氣性，提高土壤氧化還原電位，從而改變土壤pH值.

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來(lái)源，其含量是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo).全氮量通常用于衡量土壤氮素的基礎(chǔ)肥力，而土壤有效氮量與植物生長(zhǎng)關(guān)系密切，在推廣施肥中意義更大[20].研究表明，不同造林類型各土層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量均成倍高于對(duì)照的裸露樣地，如香梨樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為214.68 g/kg，是對(duì)照樣地的5倍多，蘋(píng)果樣地土壤堿解氮含量均值為27.28 mg/kg，是對(duì)照樣地的近12倍，其速效鉀含量均值為2 015.45 mg/kg，是對(duì)照樣地的近7倍.由此可見(jiàn)，造林活動(dòng)大幅度提高了各層土壤的有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分的含量，有效提升了土壤肥力.果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林樣地土壤中各營(yíng)養(yǎng)元素與楊樹(shù)防護(hù)林相比高出很多，其原因是經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種受到較強(qiáng)人為活動(dòng)的影響，每年不斷的翻耕使得大量有機(jī)質(zhì)被埋在下層土壤中，隨著微生物的分解含量逐漸降低.

2.3 土壤各因子相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)土壤理化性質(zhì)因子之間的相關(guān)程度進(jìn)行分析可知（表3），土壤各因子之間存在著較為密切的相關(guān)性，pH值與粒徑呈高度負(fù)相關(guān)性，與其他因子均無(wú)顯著相關(guān)性；水溶性鹽與容重之間呈極顯著正相關(guān)性，它們均與除pH值以外的其它因子之間存在極顯著負(fù)相關(guān)性.

對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量而言，隨著土壤容重的下降，土壤中微生物活動(dòng)的頻繁，土壤中凋落物和動(dòng)植物殘?bào)w的分解速度加快，有利于有機(jī)質(zhì)的積累.土壤容重和顆粒組成之間呈極顯著負(fù)相關(guān)性，細(xì)顆粒物含量高，即土壤容重校 它們均與土壤養(yǎng)分因子存在密切聯(lián)系.一般情況下，細(xì)顆粒物含量比例增加，質(zhì)地細(xì)密有利于營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和儲(chǔ)存；反之，營(yíng)養(yǎng)元素的增加，也更加有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高土壤的穩(wěn)定性[21].土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及堿解氮、有效磷與土壤容重均呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤細(xì)砂含量呈正相關(guān)，土壤速效鉀含量與土壤容重呈極顯著正相關(guān)，與土壤細(xì)砂的含量呈負(fù)相關(guān).由此可知，隨著土壤中細(xì)沙含量的增加，土壤容重呈降低趨勢(shì)，會(huì)使土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量增加，同時(shí)使速效鉀的含量減少.

表3 土壤性質(zhì)各因子間相關(guān)性分析

2.4 不同造林類型的土壤改良狀況分析

根據(jù)不同造林類型的土壤各指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，計(jì)算隸屬函數(shù)值.結(jié)果顯示，改良后土壤質(zhì)量的優(yōu)劣程度排序?yàn)椋禾O(píng)果林地（0.749 7）>紅棗林地（0.615 9）>香梨林地（0.381 4）>楊樹(shù)林地（0.348 4）.產(chǎn)生該結(jié)果的主要原因是人工造林活動(dòng)對(duì)不同林型樣地的影響有所差異.通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林中香梨樣地的土壤質(zhì)量與蘋(píng)果和紅棗樣地相比較差，因?yàn)楫?dāng)?shù)毓r(nóng)種植果樹(shù)時(shí)，鑒于香梨的耐鹽堿等特點(diǎn)，選擇了鹽堿化比較嚴(yán)重的區(qū)域作為香梨的種植地，導(dǎo)致香梨標(biāo)準(zhǔn)地的土壤原始質(zhì)量偏低，這與研究結(jié)果是一致的.另外，人類對(duì)于果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林采取的耕作方式是每年全墾撫育，通過(guò)施肥、灌溉等方式對(duì)其土壤質(zhì)量的改善程度更大；而楊樹(shù)防護(hù)林則采用的是帶狀整地?fù)嵊?，其人類活?dòng)影響僅限于定期灌溉.

總之，人工造林活動(dòng)對(duì)土壤的改良作用明顯，不僅改善了當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境狀況，與此同時(shí)還帶來(lái)了較高的經(jīng)濟(jì)效益.

3 結(jié)論

柯柯牙城郊防護(hù)林工程開(kāi)展以來(lái)，對(duì)土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生了極大的影響，體現(xiàn)在土壤結(jié)構(gòu)得以改善、土壤水分大幅提升、pH值和可溶性鹽含量有效降低、土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量明顯提高.

防護(hù)林建設(shè)所選用的樹(shù)種不同，改良效果也存在差異.四種林型中，紅棗樣地內(nèi)土壤容重最小、含水量最高，其改良效果最好.楊樹(shù)防護(hù)林樣地的土壤水溶性鹽含量比果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林樣地低，經(jīng)濟(jì)林樣地中層土壤（10～30 cm）的水溶性鹽含量高于表層（0～10 cm）和底層（30～50 cm），說(shuō)明果農(nóng)對(duì)經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種定期漫灌的“壓鹽”作用效果明顯.各林型對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的改良效果存在差異，總體上均大幅提高了各層土壤的有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分的含量，有效提升了土壤肥力.

土壤理化性質(zhì)各因子之間存在著較為密切的相關(guān)性，水溶性鹽與容重之間呈極顯著正相關(guān)性，它們均與除pH值以外的其它因子之間存在極顯著負(fù)相關(guān)性，表明水溶性鹽含量對(duì)土壤各因子有顯著影響；土壤容重、機(jī)械組成與土壤肥力因子間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，隨著土壤中細(xì)沙含量的增加，土壤容重降低，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量將增加，且速效鉀的含量將減少.

通過(guò)不同造林類型土壤改良狀況的綜合分析得出，改良后土壤優(yōu)劣程度排序?yàn)椋禾O(píng)果林地>紅棗林地>香梨林地>楊樹(shù)林地.其主要原因是人類活動(dòng)的影響程度與植物生理代謝等生命活動(dòng)的差異性.