黃河三角洲次生檉柳退化林更替改造模式分析評(píng)價(jià)

喬艷輝, 亓玉昆, 王月海, 劉光明

(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院, 濟(jì)南 250014; 2.山東省東營市墾利區(qū)林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心, 山東 東營 257500)

黃河三角洲為黃河尾閭不斷擺動(dòng)形成，母質(zhì)為黃河沖積物，底部為海相沉積物，土壤以鹽化潮土和濱海鹽土為主，土壤含鹽量高，一般在0.4%以上，局部地塊高達(dá)2%以上，0—100 cm土體加權(quán)平均含鹽量達(dá)0.58%，土壤鹽分組成以氯化物為主，土壤熟化度低，質(zhì)地黏重、養(yǎng)分貧瘠，自然條件惡劣，天然植被類型少，主要是一些天然灌木植被和濱海鹽生草本植被，如檉柳、蘆葦、堿蓬等。植物區(qū)系的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、組成單一，生物多樣性低，土壤的改良效果差[1]。因此，在鹽堿地進(jìn)行人工造林綠化，是該區(qū)域植被恢復(fù)與生態(tài)改良、持續(xù)利用土地、建設(shè)高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)之有力保障。

檉柳(Tamarixchinensis)是黃河流域和沿海地區(qū)鹽堿地分布的主要樹種之一，有天然次生林和人工林，為典型的泌鹽植物，具有較高的耐鹽能力，對(duì)土壤的改良效果較為明顯。有研究表明，5～10 a生檉柳林可使土壤鹽分含量降低47.39%，是目前黃河三角洲鹽堿地脆弱生境的主要先鋒樹種，是維持該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要支柱[1]。近年來，由于受自然因素和人為因素的影響，黃河三角洲鹽堿地某些區(qū)域的天然檉柳次生林群落出現(xiàn)退化現(xiàn)象，檉柳林木生長緩慢或停滯，甚至出現(xiàn)負(fù)生長，林相殘敗，林木覆蓋率嚴(yán)重降低，土壤次生鹽漬化加重，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)退化[2]。因此，亟待對(duì)該地域的退化檉柳林分進(jìn)行保護(hù)及改造。徐夢辰[3]、夏江寶[4]等對(duì)黃河三角洲檉柳群落退化特征及檉柳低效次生林質(zhì)效等方面進(jìn)行了探討研究，但有關(guān)次生檉柳退化林的改造及改造后的效應(yīng)分析評(píng)價(jià)等研究未見報(bào)道。本文以黃河三角洲鹽堿地區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐的工程造林中對(duì)天然次生檉柳退化林更替改造形成的刺槐、白榆、白蠟和鹽柳4種林分為研究對(duì)象，分析比較其林分(生長)狀況、林下植被種類和林地土壤等方面的效應(yīng)并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期篩選次生檉柳退化林分更替改造的適宜林分類型，為黃河三角洲鹽堿地天然次生檉柳退化林分的保護(hù)與改造提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于東營市墾利區(qū)(37°33′17.9″N，118°55′51.4″E)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，四季分明。全年平均氣溫12.3℃，年均日照時(shí)數(shù)2 682 h，年均降水量574.4 mm，年際變化大，其中約65%的降水主要集中在7—8月，年均蒸發(fā)量1 820 mm。土壤質(zhì)地主要為沖積性黃土母質(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，沙黏相間，滲透性差，層次變化復(fù)雜。2010年秋、冬季，結(jié)合修建的濱海大道的景觀提升，將濱海大道一側(cè)的次生檉柳退化林實(shí)施全面皆伐后修筑臺(tái)田，在臺(tái)田土壤淋溶1 a后的2012年春季，將次生檉柳退化林地更替改造為刺槐林、白榆林、白蠟林和鹽柳林，刺槐林栽植株行距為1.5 m×2 m，其他3種林分栽植株行距為2 m×3 m，4種林分的總面積約30 hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查及樣品采集 2017年10月下旬，對(duì)次生檉柳退化林更替改造5 a后的刺槐、白榆、白蠟和鹽柳4個(gè)模式的林分(生長)狀況、林地土壤及植被進(jìn)行調(diào)查研究，以未改造的次生檉柳退化林分作為對(duì)照。在上述林分內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m×30 m的喬(灌)木樣地進(jìn)行每木檢尺和林分外觀狀況觀測，然后在上述的每個(gè)樣地中設(shè)置3個(gè)2 m×2 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)3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)在距樹木水平方向30—50 cm處0—40 cm深度的樹木根區(qū)附近調(diào)查并取樣用于實(shí)驗(yàn)室測定土壤理化指標(biāo)。

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

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析處理。土壤理化指標(biāo)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)，不同林分模式更替改造效應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，計(jì)算公式如下：

如果指標(biāo)與更替改造效應(yīng)呈正相關(guān)：

X(u)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

如果指標(biāo)與更替改造效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)：

X(u)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：X(u)為隸屬函數(shù)值；Xi為各林分模式某測試指標(biāo)的平均值；Xmin，Xmax分別為不同林分模式中某測試指標(biāo)內(nèi)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同更替改造模式的林分(生長)效應(yīng)

由表1可以看出，次生檉柳退化林更替改造的4種模式5 a后的郁閉度以刺槐林最大(0.9)，白榆林與白蠟林相當(dāng)(分別為0.7，0.6)，鹽柳林最差，只有0.4。保存率亦以刺槐林為最高(96%)，白榆林保存率(95%)與刺槐林相當(dāng)，鹽柳林分的保存率最差(僅有49%)，較前3種林分差異明顯。胸徑、樹高和冠幅是林分的重要生長指標(biāo)，在相同立地和管理措施基本相一致的情況下，4種林分的生長表現(xiàn)出較大差異，以刺槐林生長速度最快，林木的胸徑、樹高和冠幅數(shù)值最大，其余3種林分的林木生長差別較小，作為速生樹種鹽柳的林分生長指標(biāo)(樹高、胸徑和冠幅)卻低于生長速度較慢的白榆，僅比白蠟略高。4種模式的林分外觀生長狀況(表1)與林分的生長因子變化趨勢相一致，也是以刺槐林長勢最好，葉片未受到鹽分危害；白榆林長勢一般，林木葉片有輕度鹽害現(xiàn)象；鹽柳林長勢最差，葉片受到重度鹽害。

表1 不同更替改造模式的林分因子調(diào)查

2.2 不同林分模式的林下植被變化

一般來說，林下植物種類和數(shù)量的多少是物種多樣性和豐富度的具體反映[6-7]。次生檉柳退化林分皆伐更替為不同的林分模式5 a后，由于樹種的不同，其林分結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，林下植被的種類和生長情況亦發(fā)生了相應(yīng)變化。由表2可以看出，4種更替改造模式的林下植物種類除了刺槐林分與次生檉柳退化林分的數(shù)量相等(4種)外，其他3種林分都比次生檉柳林的植物種類多2～3種，表明更替改造后的林分環(huán)境有利于植物的生長。刺槐林地雖然生境條件較好，但由于郁閉度(0.9)高，白茅、獐毛、苦荬菜等喜光植物種類消失，植物種類數(shù)量有所減少且生長較差；白榆和白蠟2個(gè)林分的生境雖不如刺槐林分，但由于其郁閉度降低(分別為0.7，0.6)，適宜生長的植物種類增加到6(7)種，且生長狀況較好；鹽柳林分的郁閉度進(jìn)一步降低，但環(huán)境條件較白榆和白蠟差，雖然植物種類仍然維持在6種，但耐鹽程度較高的茵陳蒿取代了耐鹽度較低的白茅，且除較耐鹽的獐毛和茵陳蒿生長較好外，其他4種植物生長皆差；次生檉柳退化林分林地土壤含鹽量已經(jīng)達(dá)到0.88%，適應(yīng)植物生長的環(huán)境條件進(jìn)一步變差，植物種類只有4種，出現(xiàn)了耐重度鹽分的堿蓬植物，耐中度鹽堿的獐毛植物生長變差，狗尾草和苦荬菜這2種耐輕—中度鹽堿的植物雖然也出現(xiàn)在其中，但數(shù)量少且生長極差。

2.3 不同林分模式的林地土壤改良效應(yīng)

土壤水分、容重、孔隙度、鹽堿狀況、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量等理化特性是反映鹽堿地土壤性能好壞的重要指標(biāo)，是衡量林地土壤質(zhì)量的重要參數(shù)[8]。土壤物理性質(zhì)的變化與林木的生長和林地的生產(chǎn)力息息相關(guān)，鹽堿性也是反映土壤狀況的重要因素，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分可促進(jìn)土壤良好結(jié)構(gòu)的形成，增強(qiáng)土壤的緩沖性，并對(duì)植被的生長發(fā)育和土地生產(chǎn)力起重要的作用[9-11]。

2.3.1 土壤容重和孔隙度 土壤容重和孔隙度能夠較準(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)[12]。一般情況下，密度越小，土壤越疏松，通氣度越大，能夠減緩徑流沖刷和攔蓄水分的能力越強(qiáng)；密度越大，土壤通氣度越小，疏松性越差[13-14]。

由表3可以看出，次生檉柳退化林分更替改造后的4種林分模式的林地土壤容重與次生檉柳退化林的土壤容重相比皆明顯降低，其中刺槐和白榆2種林分與次生檉柳林差異顯著(p<0.05)。有研究表明，土壤容重在1.25～1.35 g/cm3的范圍內(nèi)說明土壤結(jié)構(gòu)較好[15]，4種更替模式的土壤容重1.26～1.38 g/cm3，說明更替改造的4種模式的林地土壤結(jié)構(gòu)皆得到改善，土壤性能皆得到提高。4種更替模式中，以刺槐林分的土壤容重為最低，與其他3種模式差異皆顯著(p<0.05)；白榆林分次之，亦與白蠟和鹽柳2種林分差異達(dá)到顯著性(p<0.05)；白蠟與鹽柳相比，其土壤容重亦有降低，但差異不顯著(p>0.05)。

土壤的孔隙狀況直接影響植物根系的伸展難易程度及土壤結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)土壤中的肥、水、熱、氣和生物活性有重要的調(diào)節(jié)功能[9]。土壤毛管孔隙度越大，土壤中有效水的貯存容量越大，可供樹木根系利用有效水分的比例就越大；土壤非毛管孔隙越大，其能夠減緩徑流沖刷和攔蓄水分能力越強(qiáng)。由表3可知，4種更替模式的林地土壤總孔隙度和毛管孔隙度皆明顯大于次生檉柳林，差異顯著(p<0.05)；非毛管孔隙度的值表現(xiàn)為刺槐和白榆2種林分明顯比次生檉柳林大，差異顯著，而白蠟和鹽柳2種林分改變較小，甚至略小于次生檉柳退化林分。依據(jù)“土壤總孔隙度范圍在50%～60%，非毛管孔隙度達(dá)到10%以上，表明土壤的通氣狀況和透水性能較好”的研究[16]，更替改造后4種林分模式的土壤總孔隙度為50.64%～57.81%，非毛管孔隙度2.27%～3.65%，說明這4種更替的林分對(duì)土壤的總孔隙度狀況改善有顯著促進(jìn)作用，通氣狀況較好，但透水性和涵養(yǎng)水源的能力還有待提高。

2.3.2 土壤鹽堿性 土壤pH值和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發(fā)育具有重要影響[16]。由于黃河三角洲地區(qū)鹽堿地的土壤本身鹽堿化程度比較嚴(yán)重(鹽堿本底值高)[17]，依據(jù)我國土壤酸堿度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]，由圖1可以看出，更替改造后4種林分模式的林地土壤仍然偏堿性，但與次生檉柳退化林分相比，均不同程度地降低了土壤的酸堿度，與次生檉柳退化林分的pH值差異皆達(dá)到顯著水平(p<0.05)；4種更替改造模式中，以刺槐林分壓堿效果最好，與其他3種林分模式存在顯著性差異(p<0.05)。4種更替改造林分的林地土壤含鹽量與pH值的變化趨勢基本一致，亦均低于次生檉柳林(圖1)，差異性皆顯著(p<0.05)；4種更替改造模式中，亦以刺槐林分降鹽效果最好，與其他3種林分模式存在顯著性差異(p<0.05)。由此可見，次生檉柳退化林分經(jīng)更替改造后的土壤含鹽量和pH值均呈現(xiàn)明顯降低趨勢，降鹽壓堿效果顯著。

表2 不同林分模式的林下植被狀況

表3 不同林分模式的林地土壤容重和孔隙度

圖1 不同林分模式的土壤pH值和含鹽量

2.3.3 土壤肥力狀況 土壤肥力評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)有土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分N，P，K。其中的土壤有機(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，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。

由表4可以看出，4種更替改造模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于次生檉柳退化林，差異性顯著(p<0.05)；在4種更替改造的林分中，以刺槐林為最好，鹽柳林為最差，其中刺槐林與其他3種林分差異顯著，白榆和白蠟2種林分之間差異不顯著，但與鹽柳林分差異達(dá)到顯著水平。4種更替改造模式的土壤速效N、有效P和速效K含量與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢基本一致，只是刺槐、白榆和白蠟3種林分的速效K含量差異不顯著，這與林木和林下植物對(duì)K的吸收有關(guān)[10]。

表4 不同林分模式的土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分

2.4 不同林分模式的林分生長和林地土壤改良效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的對(duì)象做出一個(gè)總體的評(píng)價(jià)。平均隸屬函數(shù)值越大，表明模式的綜合性能越好。我們選擇5個(gè)林分(生長)指標(biāo)和8個(gè)土壤理化指標(biāo)來評(píng)價(jià)不同林分更替改造效應(yīng)，得出各林分主要因子的隸屬函數(shù)值(表5)。由表5可以看出，不同林分效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)為：刺槐林>白榆林>白蠟林>鹽柳林>次生檉柳退化林。

表5 不同林分模式下主要因子的隸屬函數(shù)值

3 討 論

在黃河三角洲鹽堿地退化林分的更替改造中，造林樹種選擇至關(guān)重要，是更替改造成敗的重要因素之一[19]。喬艷輝等[20]在黃河三角洲人工衰退林分更替改造模式的分析與評(píng)價(jià)中提出，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。針對(duì)次生檉柳林分由于受到人為干擾等因素的影響，林分出現(xiàn)退化成為殘次林后，人工更替改造為刺槐、白榆、白蠟和鹽柳4種林分模式，本研究分析了其更替改造5 a后的林分狀況。分析表明，4種更替改造模式的林分狀況因樹種的不同而表現(xiàn)出較大的差異，尤其是林分郁閉度和保存率2個(gè)林分指標(biāo)，以刺槐林分狀況最好，白榆和白蠟次之，鹽柳林分狀況最差，這固然與樹種的特性(樹種不同，其生長速度不一樣)有關(guān)，但主要原因是由于黃河三角洲地區(qū)鹽堿地土壤的次生鹽漬化和干旱等因素的影響[21]，刺槐樹種的耐鹽能力雖然不如白榆和白蠟，但其抗干旱的能力卻強(qiáng)于這2個(gè)樹種，在干旱、次生鹽漬化相互交織的生境下，刺槐林分生長狀況明顯好于白榆和白蠟；而鹽柳樹種在耐鹽和耐干旱能力上都要差于刺槐、白榆和白蠟這3個(gè)樹種，所以原本應(yīng)該生長快的樹種，其林分生長速度反而不如白榆和白蠟，這與喬艷輝等對(duì)衰退人工八里莊楊更替改造為白榆和鹽柳2種模式林分的研究結(jié)果[20]相似。

有關(guān)研究表明，在黃河三角洲鹽堿地上造林之前實(shí)施的臺(tái)田、條田整地和土壤淋溶洗鹽等工程、水利措施，能有效地降低土壤表層含鹽量，使得造林之初栽植的成活率得到保障，但在地下咸水埋深淺、礦化度高、蒸降比大等自然因素影響的條件下，造林地極易發(fā)生土壤次生鹽漬化[15,22]。通過本研究對(duì)次生檉柳退化林分更替改造的4種模式的林分(生長)狀況和土壤改良效應(yīng)的分析來看，除了樹種選擇之外，造林栽植密度等也是需要考慮的重要因素之一。本研究的4種更替改造模式中，刺槐林栽植株行距為1.5 m×2 m，其他3種林分栽植株行距為2 m×3 m，由于刺槐林的密度較大，能及早郁閉，使得刺槐林分的土壤蒸發(fā)量減少，抑制了土壤返鹽，林分狀況得到改善，不僅提高了林分生長，而且在林地土壤的改良效應(yīng)上效果亦明顯突出。

雖然目前針對(duì)退化林分的改造已有很多的研究和實(shí)踐，但針對(duì)不同成因、不同立地條件下的退化林分提出針對(duì)性強(qiáng)的改造技術(shù)和模式尚需要進(jìn)一步加強(qiáng)和深入地提煉研究[19]。本研究僅是次生檉柳退化林更替改造為4種模式的林分在5 a時(shí)的效應(yīng)分析與評(píng)價(jià)，而對(duì)退化防護(hù)林改造的研究是個(gè)連續(xù)的過程，隨著時(shí)間推移，在黃河三角洲鹽堿地惡劣條件下，這4種更替改造的林分效應(yīng)的表現(xiàn)尚需進(jìn)一步觀察和研究。另外，退化林分的改造不僅涉及到技術(shù)因素，還涉及很多政策因素。本研究的對(duì)象是因工程建設(shè)和景觀提升需要對(duì)退化的次生檉柳林皆伐更替為4種不同模式的林分篩選，在實(shí)際工作中，具體模式的應(yīng)用還需要依據(jù)黃河三角洲地區(qū)鹽堿地防護(hù)林是生態(tài)公益林的實(shí)際，處理好技術(shù)與政策的關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1) 黃河三角洲次生檉柳退化林分皆伐更替改造的4種模式5 a后的林分生長效應(yīng)因模式不同而存在較大差異，尤其在林分郁閉度和林木保存率方面差異明顯。其中刺槐林郁閉度最大，林木的保存率最高，生長表現(xiàn)亦最好，林木葉片未受到鹽害；白榆和白蠟2種林分在林分郁閉度和林木生長方面差別不大，生長勢分別表現(xiàn)為一般和較差，林木葉片分別受到輕度和輕—中度危害，但在林木保存率方面白榆較白蠟提高了15.9%；鹽柳林分的郁閉度和林木保存率皆最低，原本是生長速度與刺槐接近的樹種，但其生長卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于刺槐，亦不如白榆，僅比白蠟略高，林木葉片受到重度鹽害。

(2) 次生檉柳退化林分皆伐更替為4種模式5 a后，不同林分的林下植被種類和生長情況發(fā)生了變化?？傮w來說，因更替改造后林分的生境好于次生檉柳退化林，林下植物種類增多，耐中—重度鹽堿植物種類減少，耐輕—中度鹽堿植物種類增加。由于刺槐林分的郁閉度高(0.9)，其林下植物種類減少且生長差；白榆和白蠟2個(gè)林分由于郁閉度適中，適宜生長的植物種類增多，生長表現(xiàn)較好；鹽柳林分雖然郁閉度較低，但因其生境條件較差，耐中度鹽堿的茵陳蒿出現(xiàn)，除了較耐鹽的獐毛和茵陳蒿外，其他植物生長都較差；次生檉柳退化林分林地土壤含鹽量已經(jīng)達(dá)到0.88%，適應(yīng)植物生長的環(huán)境條件進(jìn)一步變差，植物種類只有4種，而且出現(xiàn)了耐重度鹽分的堿蓬植物，耐中度鹽堿的獐毛植物生長變差。

(3) 4種更替改造模式的林地土壤容重、孔隙度、鹽堿狀況、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量等理化指標(biāo)皆比次生檉柳退化林有明顯改善，除了土壤容重和非毛管孔隙度外，其他指標(biāo)皆達(dá)到顯著性差異(p<0.05)。更替改造的4種林分因模式的不同，其理化性能改善存在較大差異，以刺槐林的土壤改良指標(biāo)為最佳，白榆和白蠟林次之，鹽柳林最差。通過林分(生長)狀況和改良土壤效應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)，5種林分的綜合效應(yīng)為：刺槐林>白榆林>白蠟林>鹽柳林>次生檉柳林。

依據(jù)檉柳退化林更替改造的4種模式在林分狀況、林地土壤理化指標(biāo)、林下植被的比較分析及綜合評(píng)價(jià)，以刺槐林為最佳，白榆林次之，白蠟林較差，鹽柳純林最差，不宜選用。因此，在黃河三角洲鹽堿地次生檉柳退化林分的更替改造中在對(duì)樹種的選擇時(shí)，應(yīng)依據(jù)立地條件，不僅考慮樹種的耐鹽能力，還應(yīng)考慮樹種的耐干旱能力。