吉林省西部鹽堿地5種林分類型土壤改良效果研究

王梓默，林士杰，張大偉，何懷江，陳思羽，包廣道，賈慶彬，張忠輝

（吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

目前，世界鹽堿土總面積約9.5億hm2，占據(jù)陸地總面積的近10%，土地鹽堿化作為土壤退化的主要類型之一，已經(jīng)成為了世界性資源問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題[1]。中國(guó)鹽堿土面積約3.5億hm2，是世界鹽堿地大國(guó)之一，在人口不斷增加、土地資源短缺的今天，鹽堿地的改良與利用在改善生態(tài)環(huán)境、保障糧食安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要的作用[2-3]。作為北方地區(qū)重要的產(chǎn)糧基地和農(nóng)牧業(yè)基地[4]，松嫩平原同時(shí)是中國(guó)主要的鹽堿土分布區(qū)之一，鹽堿化土地面積達(dá)3.73×106hm2，并且以每年1.5%左右的速率繼續(xù)擴(kuò)展，鹽堿化程度持續(xù)加劇[5]。吉林省西部地區(qū)位于松嫩平原腹地的森林草原生態(tài)過(guò)渡帶，屬于半干旱半濕潤(rùn)溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一直是環(huán)境、氣候變化的敏感區(qū)域[6]，不僅容易受自然地理因素影響，過(guò)度放牧、盲目墾荒、粗放經(jīng)營(yíng)等不合理的人類活動(dòng)也導(dǎo)致吉西地區(qū)自然環(huán)境與生態(tài)平衡遭到破壞，土地鹽堿化、沙化與土地退化等問(wèn)題日益嚴(yán)峻，土地資源質(zhì)量變差與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件劣化已經(jīng)成為了阻礙當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與資源可持續(xù)利用的主要障礙因子之一[7]。吉西鹽堿地作為潛在的耕地資源，其改良與利用已經(jīng)成為了松嫩平原土地資源開發(fā)最關(guān)注的問(wèn)題之一，開展具有區(qū)域性、典型性的植被恢復(fù)技術(shù)的研究，對(duì)不同植被下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，是了解吉西鹽堿地土壤退化機(jī)理、科學(xué)改良土壤的基礎(chǔ)。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)西北黃土高原區(qū)、南方土石山區(qū)及濱海鹽漬區(qū)的人工林進(jìn)行了大量研究，在造林技術(shù)及生態(tài)功能評(píng)價(jià)方面取得了豐碩的成果[8]，但相關(guān)研究多集中于困難立地的防護(hù)林的營(yíng)建與恢復(fù)[9]，對(duì)于草原鹽堿土困難立地人工林的研究相對(duì)較少。在吉林省西部地區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中已經(jīng)形成了幾種典型的造林模式，但還缺乏對(duì)不同林分類型的土壤改良效果進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)，本研究選擇檉柳林、枸杞林、黑楊林、油松林及黑楊白榆混交林5種典型林分為研究對(duì)象，對(duì)不同林分類型土壤容重、孔隙度、土壤滲透能力、土壤pH值、全氮、水解氮、全磷、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)不同林分的土壤改良效果，研究結(jié)果不僅為吉西鹽堿地通過(guò)植被恢復(fù)實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)提供了更加具體的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為吉西鹽堿地造林模式的選擇提供了借鑒，對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)吉林省西部地區(qū)農(nóng)林業(yè)開發(fā)利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省松原市乾安縣水字鎮(zhèn)大師村，屬于松嫩平原西部鹽堿化的典型地區(qū)，該區(qū)屬于典型的半干旱半濕潤(rùn)溫帶大陸性季風(fēng)氣候，對(duì)環(huán)境變化敏感，春季多風(fēng)干旱，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫4.6℃，年平均降水量420.6 mm，全年無(wú)霜期平均145天，凍結(jié)期長(zhǎng)，凍層深度可達(dá)160～180 cm；附近鹽堿地面積達(dá)1022 hm2，鹽堿化程度不同。研究區(qū)植被以耐干旱耐鹽堿植物為主，草本植物如羊草、星星草等，木本植物主要有楊樹、檉柳、油松、枸杞、白榆等。區(qū)域物種組成相對(duì)單一，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性差，容易遭受自然因素及人為干擾影響[10]。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在2017年5月，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏查，選擇立地條件相似的典型檉柳林、枸杞林、黑楊林、黑楊白榆混交林、油松林的近熟林分作為研究對(duì)象。在喬木林中設(shè)置20 m×20 m的樣地3個(gè)，在灌木林中設(shè)置5 m×5 m的樣地5個(gè)，在每個(gè)樣地內(nèi)按照“S”型挖掘土壤剖面，以距林地100 m的環(huán)境條件相同的未造林鹽堿地為對(duì)照，通過(guò)100 cm3環(huán)刀按0～10、10～20、20～30 cm分層進(jìn)行土壤樣本的采集。將同一林分樣地土樣進(jìn)行混合，去除根系與礫石等，風(fēng)干后進(jìn)行土壤理性能分析[11]。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤物理性質(zhì)測(cè)定 土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度通過(guò)環(huán)刀法測(cè)定[12]。土壤滲透速率的測(cè)定采用雙環(huán)入滲法[13]。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)含量(OM)：重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1237—1999。土壤全磷含量(TP)：混合鹽消化—鉬銻抗比法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1232—1999。土壤有效磷含量(AP)：雙酸浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1233—1999。土壤速效鉀含量(AK)：火焰光度計(jì)法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1236—1999。土壤全鉀含量(TK)：混合鹽消化—火焰光度計(jì)法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1234—1999。土壤pH：3H型酸度計(jì)測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1239—1999。土壤水解氮含量(HN)：堿解擴(kuò)散法測(cè)定，參照國(guó)標(biāo)LY-T 1229—1999。土壤全氮含量(TN)：凱氏定氮法測(cè)定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，不同林分類型土壤理化性質(zhì)采用SPSS 21.0進(jìn)行顯著性差異分析。土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析法分析。各林分土壤改良效果綜合分析采用主成分分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工林土壤理化性分析

為了評(píng)價(jià)5種人工林的土壤改良效果，對(duì)林地及空白對(duì)照的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤滲透速率、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全鱗、有效磷、全鉀、速效鉀等理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，5種林分對(duì)土壤理化性質(zhì)均有一定程度的改善。如表1所示，林地平均土壤容重約為1.57g/cm3，與未造林地相比降低了4.27%，表明樹木根系的穿插、枯枝落葉的分解等能夠降低土壤容重、改善土壤質(zhì)地。各林分類型土壤容重與同層未造林地相比均顯著降低，其中檉柳林在0～20 cm土層深度土壤容重降幅最大，達(dá)到6.75%，而在20～30 cm土層深度林分土壤容重降低幅度減小，與裸地相比平均減少了2.65%，說(shuō)明5種林分在表層土壤的容重改良方面表現(xiàn)更佳。由表2可知，林地土壤滲透性能也得到改善，其中檉柳林與枸杞林的林地土壤孔隙度最大，水分的滲透速率更快，林下土壤的透水通氣性相對(duì)更好，在40 min左右時(shí)5種林地土壤滲透速率趨于穩(wěn)定，而未造林地在30 min左右即達(dá)到穩(wěn)滲速率，表明在相同的立地條件下，樹木改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)延長(zhǎng)了水分滲透的過(guò)程，土壤達(dá)到穩(wěn)滲速率的時(shí)間增加，進(jìn)而減緩地表徑流的形成，降低徑流沖刷帶來(lái)土壤侵蝕的可能性。

表1 不同林分土壤容重及孔隙度的變化

表2 不同林分土壤滲透速率

圖1表明，5種林分土壤養(yǎng)分含量與未造林地相比均有所提升，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀含量均顯著大于同土層深度的未造林地，不同林分對(duì)土壤養(yǎng)分改良能力有所不同。在5種林分中，黑楊林、黑楊白榆混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量增加最多，與裸地相比分別提升了137.36%與113.76%；枸杞林與黑楊林土壤水解氮含量提升最多，分別為裸地的1.63倍與1.56倍；枸杞林土壤有效磷含量最高，達(dá)到了裸地的1.66倍，其次是檉柳林土壤有效磷含量為裸地的1.60倍，二者有效磷含量顯著高于其他林分；枸杞林與黑楊白榆混交林土壤速效鉀含量最高，分別為裸地的1.39倍與1.27倍。土壤養(yǎng)分在垂直分布上主要集中于0～20 cm土層深度，可能是由于枯枝落葉分解產(chǎn)生腐殖質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分積累的過(guò)程主要發(fā)生在土壤表層，因此林地養(yǎng)分分布呈現(xiàn)出明顯的表聚特征。

圖1 土壤化學(xué)性質(zhì)在不同林分及土層間的趨勢(shì)

5種林分土壤pH呈自上而下增加趨勢(shì)，而未造林地土壤剖面自上而下pH逐漸降低，各林分土壤pH均顯著小于同層未造林地，其中，枸杞林和黑楊白榆混交林在0～30 cm土層深度平均土壤pH最低。5種林分均表現(xiàn)為對(duì)表層鹽堿土pH降低作用更加明顯，與對(duì)照相比0～10 cm土層深度pH降低了3.69%～7.50%，可能由于地表經(jīng)植被覆蓋后減少了水分的蒸發(fā)，抑制了土壤反鹽，同時(shí)根系將土壤水分吸收供給植物的蒸騰作用，使地下水位降低，抑制了表層土壤鹽堿化[15]。林木為主的植被恢復(fù)通過(guò)枯枝落葉的分解加強(qiáng)了土壤中微生物活動(dòng)，促進(jìn)土壤與植物間養(yǎng)分循環(huán)，增加土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量，同時(shí)降低土壤pH，進(jìn)一步提高了鹽堿土困難立地條件下群落的穩(wěn)定性。

2.2 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

為了更好地分析各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系，對(duì)5種林分在0～30 cm土層深度土壤容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初滲速率(X5)、土壤穩(wěn)滲速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全鉀(X11)、速效鉀(X12)、有機(jī)質(zhì)(X13)、pH(X14)均值采用Pearson相關(guān)分析進(jìn)行描述。結(jié)果如表3所示，林分土壤容重與土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；林地土壤滲透性能均與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤全氮、全鉀、有效磷含量與土壤孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤水解氮、全磷含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度呈極顯著正相關(guān)，土壤水解氮含量與土壤非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)；土壤速效鉀含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與總土壤孔隙度呈極顯著正相關(guān)；土壤全氮含量與土壤水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤水解氮含量與土壤全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤全磷含量與土壤有效磷、全鉀、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)；土壤有效磷與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān)，與全鉀呈顯著正相關(guān)；土壤全鉀與速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤速效鉀與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；土壤pH與土壤容重呈極顯著正相關(guān)，與土壤水解氮含量呈顯著正相關(guān)，與全磷、有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤全氮、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)及總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)之間存在相關(guān)性，采用單獨(dú)的一個(gè)指標(biāo)或幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行土壤改良作用分析都不全面，因此進(jìn)行鹽堿地土壤改良效果評(píng)價(jià)時(shí)，需要全面考慮率各個(gè)因素的影響[16]。

表3 土壤理化性質(zhì)各因子相關(guān)性分析

2.3 土壤改良效果綜合評(píng)價(jià)

土壤改良效果是土壤多項(xiàng)基本性質(zhì)的綜合反映，除了不同樹種下各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律不同以外，各項(xiàng)理化性質(zhì)對(duì)土壤改良效果的貢獻(xiàn)也存在一定區(qū)別[17]。從相關(guān)性分析結(jié)果可知，土壤改良效果各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相間關(guān)性較強(qiáng)，因此，為了全面客觀地對(duì)不同林分的土壤改良效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取土壤容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初滲速率(X5)、土壤穩(wěn)滲速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全鉀(X11)、速效鉀(X12)、有機(jī)質(zhì)(X13)、pH(X14)共14項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)主成分分析法將多項(xiàng)復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)化成相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，消除重疊的土壤屬性[18]，利用新的綜合指標(biāo)對(duì)不同林分的土壤改良作用進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，揭示不同林分類型對(duì)鹽堿地土壤的改良效果。

在主成分分析過(guò)程中，特征值可作為判斷各主成分對(duì)土壤改良效果影響大小的指標(biāo)之一，當(dāng)主成分的特征值大于1時(shí)，主成分即可作為評(píng)價(jià)土壤改良效果的依據(jù)[19]。從表4中可以看出，有3個(gè)主成分的特征值大于1，且前3個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82.42%，占據(jù)變異的絕大部分，因此，選取前3個(gè)主成分作為土壤改良效果評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，能夠較好地反映土壤理化性質(zhì)原始的數(shù)據(jù)信息。

表4 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

第一主成分方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到53.943%，作為評(píng)價(jià)土壤改良性質(zhì)的綜合指標(biāo)，如表5所示，土壤容重、土壤總孔隙度、土壤全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量及pH值對(duì)第一主成分影響較大，說(shuō)明土壤的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)在評(píng)價(jià)土壤改良效果中都占據(jù)重要地位。第二主成分占變異總數(shù)的14.791%，其中土壤全氮、非毛管孔隙度、土壤水解氮的系數(shù)較大，說(shuō)明氮素是該區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)元素主要限制因子；第三主成分受土壤初滲速率影響最大，主要反映了土壤滲透性能，其次受土壤毛管孔隙度及土壤全鉀含量影響。為了進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)不同人工林的土壤改良效果，根據(jù)3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率大小計(jì)算綜合指數(shù)，3個(gè)主成分權(quán)重分別為0.6545、0.1795、0.1660，計(jì)算公式如(1)所示。

表5 主成分的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量值

計(jì)算不同林地土壤改良效果綜合得分，如表6所示，各樣地綜合得分由大到小排列依次為：枸杞(43.81)＞檉柳(40.79)＞黑楊白榆混交林(40.33)＞黑楊(39.31)＞油松(39.03)＞未造林地(33.55)，說(shuō)明5種人工林都具有改良土壤理化性質(zhì)的作用，其中枸杞對(duì)鹽堿地的改良效果最佳，其次是檉柳，再次是黑楊白榆混交林及黑楊，油松的土壤改良效果相對(duì)較弱。

表6 不同林分土壤3個(gè)主成分得分分值

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明5種人工林植被均能夠有效改良鹽堿地土壤理化性質(zhì)，一方面能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤的通氣性與透水性更好，另一方面能夠降低土壤pH值，增加土壤養(yǎng)分含量，這與邱月[20]、宋雪[21]、張平[22]、陳苗苗等[23]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明人工林植被對(duì)鹽堿地生態(tài)修復(fù)具有重要作用。相關(guān)性分析結(jié)果表明，各林地土壤理化指標(biāo)之間具有復(fù)雜的相關(guān)性，尤其部分土壤養(yǎng)分指標(biāo)間呈極顯著關(guān)系，與王麗琴[24]、劉桂民等[25]對(duì)堿地人工林土壤改良效果的研究結(jié)果不完全相同，說(shuō)明吉西草甸鹽堿土與黃河三角洲濱海鹽鹽堿土在不同環(huán)境條件下土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系也有所區(qū)別，土壤理化性質(zhì)間如何互相影響仍有待進(jìn)一步的探索。

通過(guò)主成分分析法對(duì)5種林分土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明5種林分中枸杞的土壤改良效果最佳，其次是檉柳林，二者具有耐鹽、耐寒、耐旱的特點(diǎn)，繁殖能力強(qiáng)[26]，鹽害與病蟲害輕，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，在吉林省西部鹽堿地改良與利用的實(shí)踐中，可優(yōu)先考慮枸杞與檉柳作為人工植被恢復(fù)的優(yōu)選樹種。黑楊白榆混交林的土壤改良效果綜合得分與檉柳林比較接近，而黑楊、白榆的葉量豐富、根系發(fā)達(dá)、生物量高，既適生于吉西鹽堿地特殊環(huán)境條件，又對(duì)鹽堿土有一定程度的改良作用，在輕度鹽堿地上種植黑楊及白榆，同時(shí)可用于用材林與農(nóng)田林網(wǎng)的建設(shè)。相比之下油松林對(duì)吉西鹽堿地的土壤改良作用相對(duì)較弱。對(duì)5種典型林分的土壤改良效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為吉西鹽堿地通過(guò)植被恢復(fù)實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)提供了更加具體的數(shù)據(jù)支撐，研究結(jié)果為吉西鹽堿地高效人工林建設(shè)與鹽堿地資源的可持續(xù)利用提供了借鑒。