樹種差異對哈爾濱市土壤理化性質(zhì)影響及造林啟示

路嘉麗 沈 光,2 王 瓊 任蔓莉 裴忠雪 魏晨輝 王文杰*

(1.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040； 2.黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040)

樹種差異對哈爾濱市土壤理化性質(zhì)影響及造林啟示

路嘉麗1沈 光1,2王 瓊1任蔓莉1裴忠雪1魏晨輝1王文杰1*

(1.東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040)

東北地區(qū)的城市造林樹種很多，樹種差異對土壤理化性質(zhì)的影響及其在不同土層深度差異對于適宜樹種選擇意義重大，但是基于野外長期定位研究結(jié)果匱乏。本文選擇東北林業(yè)大學實驗林場和哈爾濱市植物園的8個樹種(水曲柳、胡桃楸、云杉、松樹、楊樹、榆樹、黃檗、落葉松)進行0～20、20～40和40～60 cm分層土壤采樣，對土壤pH、土壤電導率、有機碳、堿解氮、全N、速效磷、全P、速效鉀、全K等9個指標進行研究。多因素方差分析顯示,長期定植于類似土壤條件下，樹木能夠顯著影響土壤各理化指標，但不同土壤層間存在明顯差異?；诙嘀乇容^結(jié)果對各指標進行標準化處理、獲得綜合得分排名發(fā)現(xiàn)，榆樹具有較好的土壤肥力維持能力(有機碳、堿解氮、全N、全P、速效磷、速效鉀、全K)，綜合得分38，而楊樹表現(xiàn)最差；降低土壤鹽堿能力(pH和電導率)來看，黃檗、落葉松得分比較高(>15)，胡桃楸表現(xiàn)最差(7.5)。城市立地是典型困難立地，我們研究結(jié)果說明綠化樹種選擇對于改良城市土壤的重要性：對于貧瘠鹽堿的核心區(qū)域，造林樹種可以選擇養(yǎng)分消耗少和降鹽堿能力強的樹種，對于土壤水肥條件優(yōu)越的地區(qū)(如河道、濕地周邊)可以考慮一些養(yǎng)分消耗快、生產(chǎn)力高的樹種。

種間差異；城市森林；土壤肥力維持能力；降鹽堿能力

城市園林綠化樹種選擇的過程中，應當根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件、土壤條件、地形條件等選擇適合本地的樹種，做到“因地制宜，適地適樹”的原則，以利于樹木的正常生長發(fā)育，抵御自然災害，保持穩(wěn)定的綠化效果[1～2]。樹種選擇恰當，樹木生長健壯，則綠地效益發(fā)揮的較好。如果選擇失誤，樹木生長不良，就需要多次變更樹種，城市綠化面貌長時間得不到改善，既損失時間又損失經(jīng)濟[3]。因此選擇出適合東北地區(qū)的城市造林樹種非常重要。短期室內(nèi)控制實驗以及野外短期的研究現(xiàn)在進行的較多，但是其得出結(jié)論的可靠性值得商榷。而長期定位研究所獲得的結(jié)果，將更加有益于適宜城市造林樹種的選擇[4～5]。

東北地區(qū)造林樹種很多[6]，針對哈爾濱市而言，大面積的城市森林多集中在哈爾濱市植物園和東北林業(yè)大學哈爾濱實驗林場，地處二、三環(huán)之間的城市核心區(qū)，樹種豐富多樣[7]。土壤立地條件基本一致，這為開展樹種差異對土壤影響提供了理想的實驗材料。城市立地是典型的造林困難立地，開展相關(guān)綜合分析將有助于從改良困難立地(增肥土壤、降低土壤鹽堿度)等角度進行優(yōu)質(zhì)樹種選擇。

1 研究地點、材料與方法

1.1 研究地點、材料與樣品采集

研究區(qū)選擇東北林業(yè)大學實驗林場和哈爾濱市植物園西區(qū)，直線距離900 m，地理坐標(E126°37′，N45°43′)，海拔平均150 m，土地總面積75 ha。研究區(qū)屬溫帶半濕潤季風氣候區(qū)。研究區(qū)的土壤為地帶性黑鈣土，地形平緩且水分條件良好[8]。

于2013年7～8月在東北林業(yè)大學實驗林場和哈爾濱市植物園選擇在兩個樣地都具有重復樣地的8個樹種水曲柳(Fraxinusmandschurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、松樹(Pinusspp.)(包括樟子松和紅松)、云杉(Piceaspp.)(包括紅皮云杉和魚鱗云杉)、楊樹(Populusspp.)、榆樹(Ulmuspumila)、黃檗(Phellodendronamurense)、落葉松(Larixgmelinii)，可以去除地點間差異的影響。每個樹種在兩個地點各選5塊樣地以上。每塊樣地隨機選擇4個點，做出剖面，沿土壤剖面劃分0～20、20～40、40～60 cm 3個土層，100 cm3環(huán)刀采樣。每個樣地的樹木年齡，至少用生長錐采集4個樹心、查年輪并平均值代表[9～10]。

1.2 土壤相關(guān)9個指標的測定

土壤樣品風干至恒重，去除石塊、植物根系等雜物，并過2 mm、0.25 mm土壤篩。備用土壤指標測定[10]。土壤pH采用Sartorius PB10型精密酸度計測定，而土壤電導率采用DDS-307電導率測定儀測定(采用1土∶5水的土壤溶液測定)；有機碳含量的測定方法是重鉻酸鉀容量法一外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；全磷含量采用NaOH熔融一鉬銻抗比色法測定；速效磷含量采用碳酸氫鈉法測定；全鉀含量的測定方法是NaOH熔融一火焰光度法；速效K含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定；以上碳氮磷鉀的相關(guān)測定方法，均參照鮑士旦的土壤農(nóng)化分析[10～11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以8個樹種類型和3個土壤深度為固定因子(自變量)，以9個土壤相關(guān)指標為因變量，進行多因素方差分析。8個樹種類型間存在差異顯著(P<0.05)，說明不同類型間具有顯著不同的上述土壤相關(guān)指標，否則說明種間差異不明顯。當種間差異顯著時，使用多重比較確認種間差異的大小和發(fā)生在哪些植被類型之間，使用不同字母法標示這種差異，這種標示方法也是1.4中數(shù)據(jù)標準化的基礎(chǔ)。

類型與深度的交互作用分析(類型×深度)用于分析樹種類型間差異是否在不同土壤深度表現(xiàn)一致：當類型×深度交互作用P<0.05時，說明類型間的差異在不同深度顯著不同；反之，當類型×深度交互作用P>0.05時，說明類型間的差異在不同土壤深度基本一致(即差異不顯著)。

1.4 數(shù)據(jù)標準化綜合得分處理方法

種間差異分析的難點在于不同指標的種間差異不盡一致，如何能夠在綜合這些指標獲得更為可信的結(jié)果。一般來講多是通過降維的方法，把數(shù)據(jù)歸結(jié)為幾類進行分析。本研究在逐個指標種間差異分析的基礎(chǔ)上(如1.3所述)，把9個指標分為土壤肥力(有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀)、鹽堿度(土壤pH和電導率)2組。首先根據(jù)1.3結(jié)果將各個指標的數(shù)值按照從好到壞(比如肥力指標，越高越好；降鹽堿能力，pH和電導率越低越好)的順序排序并根據(jù)多重比較的結(jié)果使用順序a、b、c字母法進行顯著性差異標注：相同指標種間差異顯著使用不同字母標示(P<0.05)，而差異不顯著使用相同字母標示(P>0.05)。

數(shù)據(jù)標準化處理步驟：

(1)首先將多重比較所標示的字母a、b、c、d分別用數(shù)字4、3、2、1進行轉(zhuǎn)換，當某一指標標有多個字母時取其算術(shù)平均值(如ab，則取值為(4+3)/2=3.5)；

(2)然后將2組指標類型的各個指標得分相加，相加所得和來代表這一功能(土壤肥力維持能力和降鹽堿化能力)的標準化得分；

(3)上述標準化得分越高，說明該樹種土壤肥力維持能力、降低土壤鹽堿度能力越好。

上述數(shù)據(jù)處理均采用SPSS17.0軟件進行，用Excel 2007繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹木生長狀況差異

8個樹種密度在565～1 506 株/ha，樹高在8.1～14.7 m，胸徑在18.7～23.3 cm，地徑在22.8～29.1 cm，樹基部面積比在0.33～1.24，樹齡在27～53年(表1)。

表1 不同樹種的基本情況

2.2 樹種對土壤影響的多因素方差分析

樹種類型間對于9個指標中的6個(pH、電導率、有機碳、全氮、速效磷、全磷)差異顯著(P<0.05)；不同深度土層之間9個指標中的7個(土壤pH、電導率、堿解氮、速效磷、全磷、速效鉀、全鉀)差異顯著(P<0.05)；種間和土壤深度間存在顯著交互作用的指標有電導率、全K(P<0.05)，其它指標均不具有明顯的交互作用(表2)。

2.3 樹種對土壤影響的多重比較

0～20 cm土層種間差異達到顯著的指標是pH、土壤電導率、堿解氮、全氮、速效磷(表3)；20～40 cm土層只有堿解氮、速效磷2個指標的種間差異不顯著；40～60 cm土層6個指標的種間差異達到顯著，除了速效磷、全磷、速效鉀3個指標。

土壤鹽堿度的種間差異主要表現(xiàn)在土壤pH和電導率。0～20 cm土層：pH在5.26(落葉松)～6.26(楊樹)，從低到高依次是落葉松、黃檗、松樹、水曲柳、云杉、胡桃楸、榆樹、楊樹；榆樹的電導率顯著高于其余樹種，是最小值落葉松的1.8倍左右。20～40 cm土層：胡桃楸的pH為7.63，顯著高于其余樹種。電導率從低到高依次是黃檗、落葉松、榆樹、松樹、水曲柳、胡桃楸、楊樹、云杉。40～60 cm土層：胡桃楸的pH顯著高于其余樹種。云杉的電導率最高，是最低值黃檗的2.4倍。

表2 樹種類型、土壤深度對9個土壤指標的影響及交互作用

表3 樹種類型差異對不同土層、不同指標的影響方式及差異大小

注：表中小寫字母表示同層土壤不同種間的差異顯著性，不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

Note:The lowercase letters indicate the significant difference between different species in the same layer.Different letters were used to denote significant differences(P<0.05),whereas the same letter suggested no marked differences among them(P>0.05).

土壤肥力維持能力的種間差異主要表現(xiàn)在有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀7個指標。0～20 cm土層：有機碳、全磷、速效鉀、全鉀4個指標種間差異不顯著；堿解氮含量最高的是黃檗(50.28 mg·kg-1)，是最低值落葉松的1.4倍左右；全氮含量由高到低依次是黃檗、胡桃楸、榆樹、水曲柳、云杉、松樹、落葉松、楊樹；榆樹的速效磷含量是黃檗的4倍左右。20～40 cm土層：堿解氮、速效磷2個指標的種間差異不顯著；有機碳含量由高到低依次是水曲柳、胡桃楸、云杉、榆樹、落葉松、松樹、黃檗、楊樹；楊樹的全氮含量最低(0.43 g·kg-1)；云杉的全磷含量最高為0.45 g·kg-1，是最低值黃檗的2.2倍左右；速效鉀含量由高到低依次是：黃檗、榆樹、松樹、落葉松、楊樹、云杉、水曲柳、胡桃楸；楊樹的全鉀含量最高(100.5 g·kg-1)，是最小值胡桃楸的2倍左右。40～60 cm土層：速效磷、全磷、速效鉀3個指標種間差異不顯著；楊樹的有機碳含量最低(10.48 g·kg-1)，和其余7個樹種差異顯著；榆樹的堿解氮含量最高(65.8 mg·kg-1)，是最低值胡桃楸的2倍左右；榆樹的全氮含量最高(0.67 g·kg-1)，是最低值楊樹的1.7倍左右；全鉀含量由高到低依次是黃檗、胡桃楸、落葉松、水曲柳、松樹、云杉、榆樹、楊樹。

2.4 土壤肥力維持和降土壤鹽堿度綜合分析

綜合所有土層結(jié)果，土壤肥力維持能力的平均分數(shù)線是32.13。位于平均分數(shù)線以上的樹種是榆樹(38)、云杉(36)、松樹(33)，它們的土壤肥力維持能力比較高；水曲柳(32)接近于平均分數(shù)線；而位于平均分數(shù)線以下的樹種是胡桃楸(30.5)、黃檗(30.5)、落葉松(30.5)、楊樹(26.5)，它們的土壤肥力維持能力比較低，而且楊樹的肥力維持能力最低。對比表3，肥力維持能力比較高的樹種組(榆樹、云杉、松樹)土壤有機碳、堿解氮、全N、速效磷、全P、速效鉀、全K平均值多高于肥力維持能力比較低的樹種組(胡桃楸、黃檗、落葉松、楊樹)相應值，相應平均值分別高出10%、14%、10%、49%、28%、22%、3%。

降低土壤鹽堿度方面：綜合所有土層結(jié)果，降低土壤鹽堿能力平均分數(shù)線是12.38。位于平均分數(shù)線以上的樹種是黃檗(17)、落葉松(15)、松樹(14.5)、榆樹(13.5)、楊樹(12.5)，它們降鹽堿能力比較高；而水曲柳(9.5)、云杉(9.5)、胡桃楸(7.5)3個樹種得分低于平均分數(shù)線，它們降鹽堿能力比較低。對比表3，降鹽堿能力比較高的樹種組(黃檗、落葉松、松樹、榆樹、楊樹)土壤pH、土壤電導率低于水曲柳、云杉、胡桃楸相應值的5%、19%。

3 討論

土壤養(yǎng)分含量狀況是土壤肥力的重要標志。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤具有高度的空間變異性[12]。因此，監(jiān)測養(yǎng)分空間分布特性對土壤養(yǎng)分管理及精確施肥等具有重要的意義。本文所選擇的東北林業(yè)大學實驗林場和哈爾濱市植物園西區(qū)均位于哈爾濱市二環(huán)和三環(huán)之間，建立的初衷是為城市森林建設提供支撐，我們選擇的8類樹種在兩個地點均存在，而且林齡都達到了中齡林(30～50年)(表1)，這為我們的比較創(chuàng)造了很好的條件。通過對有機碳、堿解氮、全N、全P、速效磷、速效鉀、全K7個土壤肥力維持指標進行數(shù)據(jù)標準化處理時我們發(fā)現(xiàn)：榆樹具有較好的土壤肥力維持能力，而楊樹表現(xiàn)最差。綜合所有土層結(jié)果，土壤肥力維持能力比較好的樹種是榆樹、云杉、松樹，適合用于城市造林樹種；而胡桃楸、黃檗、落葉松、楊樹4個樹種的土壤肥力維持能力比較低。

由于城市環(huán)境中的土壤因為人類活動而發(fā)生極大改變，而且這種改變可以區(qū)別其他系統(tǒng)以及不同城市環(huán)境中的土壤[13]。對于河道周邊土壤水肥條件優(yōu)越的地區(qū)，也可以考慮一些養(yǎng)分消耗快、生產(chǎn)力高的樹種。另外對于城市N、P沉降比較嚴重的工廠周圍，我們也可以考慮種植那些相對比較耗肥的樹種(如楊樹)，有助于土壤富營養(yǎng)化的處理。而對于相對比較貧瘠的城市核心區(qū)域，人為干擾較大，我們應該選擇土壤肥力維持能力比較強的樹種如榆樹等。Scandinavia半島在為城市鋪砌路面選擇森林樹種時，除了考慮美學效果和功能特性外，還會優(yōu)先選擇耐逆性強的樹種[15]。這與我們的研究觀點基本一致：植樹造林過程中，應該根據(jù)具體條件選擇合適的樹種，并通過樹種來改良惡劣土壤條件。隨著人口的增長，洛杉磯通過種植和管理百萬樹木來改善城市環(huán)境，為樹木提供更多的生長空間以利于更好的整合綠色基礎(chǔ)設施與灰色基礎(chǔ)設施[16]。針對樹種肥力消耗的種間比較研究對南方樹種進行的較多[18]和林分密度影響[17]等，而針對東北地區(qū)城市造林綠化樹種的研究還少見報道。

圖1 種間肥力維持能力和降鹽堿能力及不同土層差異綜合比較分析 松樹和云杉：常綠樹種；其它樹種：落葉樹種Fig.1 Inter-species comparison on the comprehensive scores for soil fertility maintenance and salinity-alkalinity declining capacity and differences at different soil layers Evergreen:pine and Picea; Deciduous:all other trees

東北地區(qū)是我國土地鹽堿化最嚴重的地區(qū)之一，同時也是世界三大蘇打鹽堿土分布區(qū)之一。松嫩平原是主要的鹽堿土分布區(qū)，哈大齊工業(yè)走廊等建設項目要求城鎮(zhèn)區(qū)域綠化先行，東北地區(qū)鹽堿土的改良治理是一個意義重大的戰(zhàn)略規(guī)劃[19]。在城市造林樹種選擇過程中，我們應該避免選擇具有降鹽堿能力高的樹種。通過對土壤pH、土壤電導率2個降鹽堿度指標進行數(shù)據(jù)標準化處理時我們發(fā)現(xiàn)：長期種植水曲柳、云杉、胡桃楸的土壤pH和EC維持在較高的水平上，而黃檗、落葉松、松樹、榆樹等種植則更好的降低了土壤pH值和EC，降鹽堿得分最高(圖1)。另外，我們的結(jié)果與植物耐鹽堿相關(guān)研究結(jié)果也一致[20～21]。魏晨輝等研究指出，在松嫩平原鹽堿地地區(qū)適合鹽堿地造林的樹種有落葉松、榆樹等樹種，不適合鹽堿地造林的樹種有水曲柳[21]。長期以來，哈爾濱市道路冬季除雪化冰都是用鹽水(即氯化鈉溶液)作為融雪劑，這導致道路周邊等受鹽堿脅迫嚴重。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)比較一些針葉樹如云杉的死亡。因此城市綠化適宜樹種選擇將提升綠化成功率。

城市造林樹種選擇過程中，我們經(jīng)常考慮常綠樹種和落葉樹種搭配的種植方式。在本文所調(diào)查的8個樹種中，也可分為常綠樹種(松樹、云杉)和落葉樹種。對常綠與落葉樹種土壤肥力維持和降鹽堿綜合得分比較分析可知，所有差異均未達到顯著(P>0.05)。常綠樹種和落葉樹種土壤肥力維持和降鹽堿得分平均值相差很小，說明二者在土壤肥力維持和降鹽堿度方面差異不大。

此外，我們得出結(jié)論也存在一些不確定性。比如，樹木種植能夠更大的降低土壤pH值和EC能夠一定程度上緩解土壤鹽堿的脅迫，但是植物是否能夠在鹽堿環(huán)境下更好的生長也是需要考慮的指標[21]，這也需要進一步研究樹種生長能逆境生理生態(tài)學指標。

4 結(jié)論

我們對8個樹種研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針對哈爾濱市造林綠化，榆樹具有較好的土壤肥力維持能力，而楊樹表現(xiàn)最差。降低土壤鹽堿能力來看，黃檗、落葉松、松樹、榆樹等降低土壤鹽堿能力比較好。常綠樹種和落葉樹種在土壤肥力維持方面和降鹽堿度能力方面差異不顯著。這些數(shù)據(jù)為哈爾濱市城市綠化樹種選擇奠定了基礎(chǔ)。

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E Project of Central University(2572014EA01);National Natural Science Foundation of China(31179575,41373075);One-hundred Talent Program of Chinese Academy of Sciences

introduction：LU Jia-Li(1990—),female,master student,Mainly engaged in the study of Forest Plant Ecology.

date:2015-12-20

EffectofUrbanTreeSpeciesonSoilPhysicochemicalPropertiesinHarbin,NortheasternChina,andAfforestationImplications

LU Jia-Li1SHEN Guang1,2WANG Qiong1REN Man-Li1PEI Zhong-Xue1WEI Chen-Hui1WANG Wen-Jie1*

(1.Key Laboratory of Forest Plant Ecology Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040；2.Heilongjiang Academy of Sciences Institute of Natural Resources,Harbin 150040)

Owing to diversified urban tree species in Northeast China, their possible impact on soil fertility and salinity-alkalinity and different patterns on soil profile are significant for appropriate species selection, and data from long-term permanent plots are very limited. Eight species(Fraxinusmandschurica,Juglansmandshurica,Piceaspp.,Pinusspp.,Populusspp.,Ulmuspumila,Phellodendronamurense,Larixgmelinii) were selected from the long-term plots in Harbin Experimental Forest Farm of Northeast Forestry University and Harbin Botanical Garden, and samples from 0-20, 20-40 and 40-60 cm soils were collected for measuring nine parameters of soil pH, electrical conductance(EC), soil organic carbon(SOC), alkali-hydrolyzed nitrogen(AN), total nitrogen(TN), available phosphorus(AP), total phosphorus(TP), available potassium(AK) and total potassium(TK). By a multivariate analysis of variance, tree species can significantly influence most of soil parameters at the same soil conditions, and different soil depth had significant differences. Based on multiple comparison results, all tested parameters were standardized as scores, and comprehensive scores for soil fertility maintaining ability(SOC, N, P, K and its effective state) and for reducing soil saline-alkali degree(pH and EC) were respectively computed from above soil parameters. Much higher comprehensive scores in soil fertility maintaining ability were observed in different soil layers in species ofUlmuspumila(scores at 38), while lowest scores were generally found inPopulusspp.( scores at 26.5). In the case of reducing soil saline-alkali ability,PhellodendronamurenseandLarixgmeliniihad higher scores(>15), whileJuglansmandshuricahad the lowest scores(7.5). When we divided trees into evergreen and deciduous species, no differences were found in fertility maintaining ability and saline-alkali declining ability(less than 15.6% differences). Our findings highlights that species selections for urban afforestation are important for tough site improvement. In the site of downtown with infertile soil and high saline-alkali degree, some species with high soil fertility maintaining should be chosen for their successful survival, while in fertile sites, such as river banks and wetlands, some species with high nutrient consumption and high growth rate could be selected for fast forest function rehabilitation. In the case of roadsides usually affected by high saline-alkali degrees from winter snow-melting, species with less saline-alkali declining ability should be avoided in afforestation practices.

inter-specific differences;urban forest;soil fertility maintaining ability;reducing soil salinity ability

中央高校E類項目(2572014EA01)；國家自然科學基金(31179575，41373075)；中科院百人計劃

路嘉麗(1990—)，女，碩士研究生，主要從事森林植物生態(tài)學研究。

* 通信作者：E-mail:Wjwang225@hotmail.com

2015-12-20

* Corresponding author：E-mail:Wjwang225@hotmail.com

Q948.113

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.04.010