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(yè)科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250014; 2.濟(jì)南軍區(qū)黃河三角洲綜合訓(xùn)練基地, 山東 東營(yíng) 257231;3.濱州學(xué)院 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濱州 256603)

從20世紀(jì)80—90年代，黃河三角洲地區(qū)營(yíng)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(guó)槐(Sophorajaponica)、臭椿(Ailanthusaltissima)、旱柳(Salixmatshudana)等樹種的大面積人工防護(hù)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(hù)林衰退的進(jìn)程[1-4]，如出現(xiàn)了林木重度枯梢、枯冠甚至死亡，導(dǎo)致防護(hù)功能降低、林地退化等現(xiàn)象發(fā)生[1,5-6]。針對(duì)衰退林的更替改造，生產(chǎn)中主要采取全面皆伐后進(jìn)行新植物材料的重建[7]。目前，對(duì)黃河三角洲鹽堿地衰退林分改造的研究?jī)H限于刺槐林，主要集中于不同改造方式對(duì)土壤的影響[7-8]，而未涉及改造后的林木生長(zhǎng)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(chǔ)上，針對(duì)生產(chǎn)中衰退白榆和八里莊楊兩種純林更替改造模式進(jìn)行了林分生長(zhǎng)、土壤及植被效益等方面的分析與評(píng)價(jià)，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(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)地概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于黃河三角洲地區(qū)北部的山東省東營(yíng)市河口區(qū)黃河三角洲綜合訓(xùn)練基地內(nèi)(37°47′8.1″N，118°48′49.8″E)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。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(fā)量1 746 mm。試驗(yàn)區(qū)地下水位淺、礦化度高、地勢(shì)平坦，灘涂土壤為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而成，機(jī)械組成以粉砂和淤泥質(zhì)粉砂為主，沙粘相間，易于壓實(shí)，滲透性差，層次變化復(fù)雜。目前試驗(yàn)區(qū)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(diào)查及樣品采集 試驗(yàn)地點(diǎn)分別設(shè)在黃河三角洲綜合訓(xùn)練基地六分場(chǎng)和十二分場(chǎng)。六分場(chǎng)的試驗(yàn)林建于2010年春季，是針對(duì)26 a生的退化白榆林分(U2)更替改造，分別營(yíng)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(chǎng)的試驗(yàn)林是2015年春季針對(duì)30年生的成過熟衰退八里莊楊樹林分(P)實(shí)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(duì)2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)不同更替改造模式的林分生長(zhǎng)、林地土壤及植被進(jìn)行了調(diào)查，并以各自未更替改造的衰退林分作為對(duì)照。在上述林分內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣地進(jìn)行每木檢尺和林分外觀生長(zhǎng)狀況觀測(cè)，然后在每個(gè)喬木樣地中設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方調(diào)查林下植被。土壤調(diào)查采用多點(diǎn)采樣法采集土樣，每個(gè)樣地按照S形均勻布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)在0—20 cm的樹木根區(qū)附近調(diào)查并取樣用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤理化指標(biāo)。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法，按中國(guó)林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(1999年)，采用烘干法測(cè)定土壤含水量，環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度、貯水性等各項(xiàng)水分物理指標(biāo)，pH值測(cè)定采用pH計(jì)(水土比5∶1)，可溶性鹽含量采用重量法測(cè)定(水土比5∶1)。參考章家恩法[9]，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定，有效磷用Olsen法(恒溫水浴震蕩浸提)測(cè)定，速效鉀用中性NH4OAC浸提火焰光度法，硝態(tài)氮及銨態(tài)氮測(cè)定采用SmartChem全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)先用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用SAS 9.2軟件進(jìn)行分析處理，制圖采用Origin 75，土壤理化指標(biāo)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同更替改造模式的林分生長(zhǎng)

由表1可知，六分場(chǎng)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(gè)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(yíng)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(chǎng)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(dá)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(dá)到100%，而鹽柳純林只有82%。從表1可以看出，六分場(chǎng)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(chǎng)更替改造的鹽柳和白榆2個(gè)林分雖然樹種不同，生長(zhǎng)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(zhǎng)指標(biāo)(樹高、胸徑和冠幅)卻低于生長(zhǎng)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(duì)較小。從林分的外觀生長(zhǎng)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(dá)98%，生長(zhǎng)勢(shì)很差；刺槐純林葉片受鹽害率只有15%，生長(zhǎng)勢(shì)差；而白榆純林葉片未受到鹽害，但生長(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng)勢(shì)分別表現(xiàn)為較好和好，但竹柳中有18%的樹冠上部出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，葉片受鹽害率為21%，生長(zhǎng)勢(shì)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(dá)95%以上，生長(zhǎng)勢(shì)差；而白榆純林葉片無鹽害癥狀，生長(zhǎng)旺盛。

2.2 不同更替改造模式的林地土壤改良效應(yīng)

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(zhǔn)確地反映土壤透水性、持水性、結(jié)構(gòu)性及疏松性等方面的狀況，是評(píng)價(jià)土壤水分物理特性的基本指標(biāo)[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(jié)構(gòu)(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(xiàng)指標(biāo)與各自對(duì)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(biāo)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(píng)價(jià)不同林地土壤理水調(diào)洪和涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，多用來反映林地土壤貯蓄和調(diào)節(jié)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(xiàn)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(yǎng)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(xiàn)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(duì)照衰退八里莊楊(p<0.01)；兩種更替模式之間在這5項(xiàng)指標(biāo)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(biāo)

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(duì)土壤肥力和植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的影響。由圖1可知，2個(gè)地點(diǎn)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(chǎng)六分場(chǎng)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(dá)到了顯著水平，馬場(chǎng)十二分場(chǎng)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(chǎng)六分場(chǎng)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(chǎng)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(jīng)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(yīng)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(duì)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(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增強(qiáng)對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的供應(yīng)和保持良好的土壤肥力，對(duì)于分析土壤鹽分的組成和性質(zhì)、鹽漬土的改良具有重要的參考意義，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[14]。由表4可以看出，馬場(chǎng)六分場(chǎng)更替改造的4種模式的林地有機(jī)質(zhì)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(chǎng)更替改造的白榆和鹽柳2種林分的土壤有機(jī)質(zhì)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(dá)到了顯著性(p<0.05)。評(píng)價(jià)土壤肥力的主要指標(biāo)除了土壤有機(jī)質(zhì)外，速效鉀、有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的多少也是土壤肥力的重要標(biāo)志[14]。由表5得知，馬場(chǎng)六分場(chǎng)和十二分場(chǎng)2個(gè)地點(diǎn)更替改造模式的速效養(yǎng)分N，P，K與各自衰退林分相比較，與有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律基本相一致。六分場(chǎng)5種林分模式的速效養(yǎng)分含量從大到小的順序?yàn)椋褐窳袒卑子芑旖涣?白榆純林>刺槐純林>竹柳純林>衰退白榆純林；十二分場(chǎng)3種林分模式的速效養(yǎng)分含量從大到小的順序?yàn)椋喊子芗兞?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(jī)質(zhì)和養(yǎng)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(xué)名為白茅(Imperatacylindrica)，獐毛(Aeluropussinensis)，狗牙根(Cynodondactylon)，結(jié)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(jīng)更替改造后的土壤肥力狀況得到較大改善，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)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(duì)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(chǎng)六分場(chǎng)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(duì)生境的適存能力較強(qiáng)。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(jié)縷草4種耐旱耐中度鹽堿的植物生存，其生長(zhǎng)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(jié)縷草4種植物生長(zhǎng)較好，而且出現(xiàn)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(gè)林分的生境進(jìn)一步好轉(zhuǎn)(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(jié)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(xiàn)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(zhǎng)極差。馬場(chǎng)十二分場(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)情況相類似，亦出現(xiàn)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(zhǎng)亦較差。

3 結(jié) 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(duì)照衰退林分，具體表現(xiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)勢(shì)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(zhǎng)勢(shì)好，而更替改造的鹽柳純林葉片受害率高達(dá)95%以上，生長(zhǎng)勢(shì)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(jié)構(gòu)等土壤物理性能上皆得到顯著提高，具體表現(xiàn)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(dá)0.39%，次生鹽漬化嚴(yán)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(jī)質(zhì)和養(yǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(zhǎng)、土壤及植被分析與評(píng)價(jià)，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(yīng)依據(jù)立地條件考慮選擇在鹽分、干旱等主要限制因子的表現(xiàn)上相當(dāng)或者高于原有衰退林分的樹種；其次，避免營(yíng)造單一的純林，盡可能營(yíng)造2個(gè)樹種以上的混交林。