營林措施和環(huán)境因子對黃河中游刺槐生長的影響

摘 要：探究營林措施和環(huán)境因子對刺槐生長的綜合影響，為黃河流域乃至其他類似生態(tài)環(huán)境下的造林和生態(tài)恢復(fù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。以黃土高原刺槐林為研究對象，通過測量地形以及刺槐的生長指標(biāo)，測定土壤理化性質(zhì)，采用線性擬合、冗余分析和Pearson相關(guān)性分析各因素對刺槐生長的影響。結(jié)果表明，1）刺槐胸徑與造林密度呈極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 01），樹高與造林密度呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05），冠幅與造林密度、坡度呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0. 05）；2）刺槐樹高、冠幅與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)（Plt;0. 01），胸徑、冠幅與土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)（Plt;0. 05）；3）海拔較高時，土壤結(jié)構(gòu)更為疏松，但養(yǎng)分含量相對較低；坡度較大時土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，對刺槐的生長產(chǎn)生不利影響；4）土壤毛管孔隙度是影響刺槐生長的最重要因素。因此，在造林和管理過程中，根據(jù)實際地形和土壤條件，合理確定造林密度，提升土壤肥力，促進(jìn)刺槐的生長發(fā)育。

關(guān)鍵詞：造林密度； 地形； 土壤理化性質(zhì)； 刺槐； 冗余分析； 黃河流域

中圖分類號：S727. 22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 004

0 引言

黃河流域作為我國北方的重要生態(tài)屏障和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，在國家生態(tài)文明建設(shè)中具有舉足輕重的地位［1］。近年來，隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，黃河流域的生態(tài)治理和修復(fù)工作得到顯著推進(jìn)。其中，植樹造林作為恢復(fù)生態(tài)、改善環(huán)境的重要措施，在黃河流域的水土保持和生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮了重要作用［2］。刺槐（Robinia pseudoacacia）由于其適應(yīng)性強(qiáng)、速生性好、固氮能力強(qiáng)，被廣泛用于黃土高原地區(qū)的生態(tài)治理［3］。然而，造林的效果并非總是令人滿意，其成活率、生長狀況及生態(tài)效益受到多種因素的制約，尤其是造林密度、地形條件和土壤理化性質(zhì)等因素對刺槐生長的影響尤為顯著［4-6］。因此，深入研究這些因素對刺槐生長的影響，對于優(yōu)化造林策略、提高生態(tài)工程的效益具有重要的理論和實踐意義。

刺槐不僅具有良好的水土保持作用，還能夠通過固氮作用改善土壤肥力，從而促進(jìn)其他植被的恢復(fù)和生長［7］。然而，在實際造林過程中，造林密度的選擇直接影響著刺槐的生長發(fā)育及其生態(tài)功能的發(fā)揮。造林密度過高會導(dǎo)致樹木之間競爭加劇，抑制單株樹木的生長；而造林密度過低則可能導(dǎo)致植被覆蓋不足，削弱水土保持效果［8］。黃土高原地區(qū)的地形復(fù)雜多樣，不同地形條件下，水分、養(yǎng)分的分布情況差異顯著，從而對刺槐的生長產(chǎn)生不同影響［9］。此外，坡向、坡度等地形因子還會影響光照條件和微氣候環(huán)境，從而進(jìn)一步影響刺槐的生長狀況［10］。黃土高原地區(qū)的土壤類型主要為黃綿土和褐土，具有土層深厚、質(zhì)地較輕、養(yǎng)分含量低等特點［11］。土壤的有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀等養(yǎng)分元素的含量，以及土壤的物理結(jié)構(gòu)，如土壤密度、孔隙度等，均對刺槐的生長產(chǎn)生重要影響［12］。

盡管對這些因素與刺槐生長的關(guān)系已有一定研究［8-10］，但多集中于單一因素的影響，缺乏對多因素綜合作用的系統(tǒng)研究。因此，本研究旨在以山西省吉縣為研究區(qū)，系統(tǒng)分析營林措施和環(huán)境因子對刺槐生長的綜合影響。通過對不同造林密度、不同地形條件及不同土壤理化性質(zhì)下刺槐生長狀況的實地調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，探討各因素對刺槐生長的影響，為優(yōu)化黃河流域的刺槐造林策略提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步推動區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善和可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣（110°24′～111°08′E，36°58′～37°20′N），地處黃河中游的黃土高原地區(qū)。吉縣地處呂梁山南端，地勢以丘陵和山地為主，地形復(fù)雜多樣，海拔在500～1 500 m。研究區(qū)內(nèi)氣候?qū)倥瘻貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，年均氣溫約為10. 2 ℃，年均降水量為500～600 mm，降水主要集中在7—9月的汛期，占全年降水量的60%以上。吉縣土壤主要為黃綿土和褐土，土壤肥力較為貧瘠，質(zhì)地以砂質(zhì)壤土為主，具有典型的黃土高原土壤特性。研究區(qū)原生植被為森林和草原，由于長期的農(nóng)業(yè)開發(fā)和不合理的土地利用，原生植被遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。近年來，吉縣通過大規(guī)模的造林和生態(tài)恢復(fù)工程，植被覆蓋率有了顯著提升，刺槐（Rob?inia pseudoacacia）作為主要造林樹種在研究區(qū)得到廣泛的種植和推廣。

1. 2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在研究區(qū)選擇林齡為27 a的刺槐林為研究對象，設(shè)置20個20 m×20 m 的樣地，用GPS測量樣地海拔，用羅盤儀測定坡度和坡向。對喬木進(jìn)行每木檢尺，測量胸徑、樹高和冠幅。在每個樣地內(nèi)選定標(biāo)準(zhǔn)木，并整株挖掘。對樹干、枝條、葉片、根分別進(jìn)行稱其質(zhì)量，將各器官取樣帶回試驗室，在85 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，測量其干質(zhì)量，計算生物量。樣地基本情況見表1。

1. 3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤物理性質(zhì)采用“環(huán)刀法”測定，在各樣地內(nèi)通過土壤剖面，將0～100 cm深的土壤，每20 cm為一層采集環(huán)刀，將環(huán)刀帶回試驗室。用浸泡法和烘干法測定土壤容重和土壤孔隙度［13］。土壤化學(xué)性質(zhì)測定時，將土壤剖面的每一層土壤取樣均勻混合，用保鮮袋盛裝帶回試驗室，將土樣自然風(fēng)干［14］。土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用C—N元素分析儀測定［15］，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬酸鹽比色法測定［16］，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀?濃硫酸外加熱法測定［17］，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用KCI浸提?連續(xù)流動自動分析儀測定［18］，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用碳酸氫鈉浸提?鉬銻抗比色法測定［19］。土壤理化性質(zhì)結(jié)果見表2和表3。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

本研究運(yùn)用線性擬合回歸分析造林密度、地形與刺槐生長的關(guān)系、刺槐生長與生物量的關(guān)系，運(yùn)用Person相關(guān)性分析土壤理化性質(zhì)與刺槐生長的關(guān)系，用Canoco5. 0 進(jìn)行冗余分析（redundancy analysis，RDA），分析各影響因子對刺槐生長的影響。使用Excel 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin 2022軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 刺槐生長與造林密度、地形的關(guān)系

由圖1可知，通過刺槐生長指標(biāo)與造林密度、地形因子的線性回歸擬合發(fā)現(xiàn)，胸徑與密度極顯著相關(guān)（Plt;0. 01），胸徑隨造林密度的增大呈減小趨勢，胸徑與地形的相關(guān)性不顯著（Pgt;0. 05）。樹高與密度顯著相關(guān)（Plt;0. 05），樹高隨造林密度的增大呈減小趨勢，樹高與地形的相關(guān)性不顯著（Pgt;0. 05）。冠幅與密度顯著相關(guān)（Plt;0. 05），冠幅隨造林密度的增大呈減小趨勢，冠幅與坡度顯著相關(guān)（Plt;0. 05），冠幅隨坡度的增加呈減小趨勢，冠幅與海拔、坡向的相關(guān)性不顯著（Pgt;0. 05）。

2. 2 刺槐生長與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表4可知，刺槐胸徑與土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)（Plt;0. 05），胸徑隨土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈增大趨勢。樹高與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著相關(guān)（Plt;0. 01），樹高隨土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈增大趨勢。冠幅與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著相關(guān)（Plt;0. 01），與毛管孔隙度、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)（Plt;0. 05），刺槐冠幅隨著土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、毛管孔隙度、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

2. 3 地形因子與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表5可知，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔極顯著相關(guān)（Plt;0. 01），土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨海拔升高呈減少趨勢。土壤毛管孔隙度、總孔隙度與海拔顯著相關(guān)（Plt;0. 05），隨海拔升高呈增大趨勢。土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡度極顯著相關(guān)（Plt;0. 01），土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度增大呈減少趨勢。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡度顯著相關(guān)（Plt;0. 05），土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡度增大呈減少趨勢。土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡向顯著相關(guān)（Plt;0. 05），土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨坡向增大呈減少趨勢。

2. 4 造林密度和環(huán)境因子與刺槐生長的相關(guān)性

由表6可知，刺槐生長指標(biāo)與各影響因子冗余分析結(jié)果中，解釋率為87. 10%，前2個排序軸的累計解釋率為86. 98%，因此，采用前兩軸的數(shù)據(jù)作冗余分析排序圖，如圖2 所示。由圖2 可知，刺槐胸徑、冠幅、樹高與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、毛管孔隙度、總孔隙度、海拔呈正相關(guān)，其中，刺槐胸徑、冠幅、樹高與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性較強(qiáng)。刺槐胸徑、冠幅、樹高與造林密度、土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、坡度呈負(fù)相關(guān)，與造林密度的相關(guān)性最強(qiáng)。刺槐生物量與海拔、土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)等呈正相關(guān)，與土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)等呈負(fù)相關(guān)。由表7可知，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的解釋率最大，為16. 0%，土壤毛管孔隙度和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的解釋率也較大，分別為15. 0%和14. 1%。從顯著性結(jié)果來看，土壤毛管孔隙度和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對刺槐生長的影響顯著（Plt;0. 05）。綜合來看，土壤毛管孔隙度是影響刺槐生長的最主要因素。

3 討論

刺槐的胸徑、樹高和冠幅均與造林密度呈顯著負(fù)相關(guān)。該結(jié)論與吳多洋等［20］的研究結(jié)果一致。隨著造林密度的增加，刺槐個體的生長受到顯著抑制，這可能與高密度下的植物間競爭加劇有關(guān)。在高密度的林地中，刺槐個體之間的光照、水分和養(yǎng)分競爭更加激烈，從而限制了個體的生長［21］。具體而言，高密度條件下，刺槐樹木的胸徑和樹高因資源匱乏而降低，而冠幅的減小則可能是由于光照不足導(dǎo)致的枝條生長受限［22］。研究還發(fā)現(xiàn)，刺槐的冠幅與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)性。這與焦醒等［23］的研究結(jié)果相似，其研究認(rèn)為坡度顯著影響刺槐生長，刺槐生長量隨坡度的增大而下降?？赡艿脑蚴?，隨著坡度增大，坡面水土流失加劇，土壤水分和養(yǎng)分的流失會對刺槐的生長造成不利影響［24］。此外，較大的坡度也可能導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的變化，如土壤的緊實度增加、孔隙度減小等，從而進(jìn)一步限制了根系的擴(kuò)展和養(yǎng)分的吸收能力［25］。

土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與刺槐的胸徑、冠幅、樹高均呈現(xiàn)較強(qiáng)正相關(guān)性。該結(jié)論與Moshki等［26］的研究結(jié)果一致。磷是植物生長必需的重要營養(yǎng)元素，特別在根系發(fā)育和能量轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［27］。土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，刺槐的根系能夠更有效地吸收養(yǎng)分，促進(jìn)樹木整體生長。銨態(tài)氮作為一種速效氮源，能夠迅速被植物吸收利用，促進(jìn)葉片的光合作用和枝條的快速生長［28］。但是，造林密度與刺槐的胸徑、冠幅、樹高均呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。密度過高導(dǎo)致林木對水分和養(yǎng)分的競爭更加激烈，使土壤中的養(yǎng)分利用效率下降［29］。在這種情況下，盡管土壤中的全磷和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但由于林木密度過大，個體對資源的獲取不足，導(dǎo)致整體生長受到限制。

地形因子在塑造土壤理化性質(zhì)方面起著重要作用［30］。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與海拔之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。該結(jié)論與張世昌等［31］的研究結(jié)果一致。這可能是由于高海拔地區(qū)氣溫較低，土壤微生物活動減弱，導(dǎo)致氮素礦化速率降低，進(jìn)而減少了土壤中的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)［32］。此外，土壤毛管孔隙度和總孔隙度與海拔顯著正相關(guān)，這可能與高海拔地區(qū)土壤濕潤、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高以及土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育良好有關(guān)［33］。研究表明，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡度和坡向均存在顯著的相關(guān)關(guān)系。這與趙文東等［34］的研究結(jié)果相似。隨著坡度的增大，土壤侵蝕加劇，導(dǎo)致磷元素流失，進(jìn)而降低了土壤中的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)［35］。同時，坡向的變化也可能影響土壤的溫度、濕度和光照條件，從而影響土壤磷元素的轉(zhuǎn)化和有效性［36］。此外，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與坡度也呈顯著負(fù)相關(guān)，這同樣可能與土壤侵蝕導(dǎo)致的養(yǎng)分流失有關(guān)［37］。

本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤毛管孔隙度是影響刺槐生長的主要因素。毛管孔隙度不僅影響土壤的持水能力，還影響土壤的通氣性和根系生長環(huán)境。良好的毛管孔隙度有助于刺槐根系吸收水分和養(yǎng)分，同時保持土壤的通氣性，為根系提供適宜的生長條件［38］。因此，在造林實踐中，應(yīng)注重改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤毛管孔隙度，以促進(jìn)刺槐的生長。

本研究揭示黃河流域刺槐林的生長特征與造林密度及環(huán)境因子之間的關(guān)系。這些結(jié)果為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和植被管理提供重要的理論支持和實踐指導(dǎo)。未來的研究可以進(jìn)一步探討其他環(huán)境因子，如氣候變化、土壤微生物活動等，對刺槐生長的長期影響，以全面提升黃河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

土壤毛管孔隙度是刺槐生長的最主要影響因素。刺槐的胸徑、樹高、冠幅隨密度增大而減小，刺槐的冠幅與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤理化性質(zhì)對刺槐生長具有顯著影響。胸徑隨土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈增大趨勢；樹高隨土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈增大趨勢，說明土壤全磷對刺槐的垂直生長具有促進(jìn)作用；冠幅隨著土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、毛管孔隙度、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。地形因子通過影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對刺槐的生長產(chǎn)生顯著影響。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0503702）；2022年陜西省高等教育教學(xué)改革研究（22J21）。