沙荒地不同造林模式的土壤改良效應
——以甘肅省民樂縣北灘林場為例

樊新華，牛 赟，閆春鳴，曾 鵬，任小鳳，成彩霞，張資良，趙維俊

（1.甘肅省張掖市民樂縣林業(yè)和草原局，甘肅 民樂 734500；2.淮陰師范學院，江蘇 淮陰 223300；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

沙荒地是指具有沙質荒地景觀特征的土地[1]，因其具有光熱充足、晝夜溫差大等特點，是重要的土地資源，也是推動全國國土綠化的重要載體[2]，特別是當今人口增長和經濟快速發(fā)展的條件下，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要資源。因沙荒地所處的區(qū)域環(huán)境干旱少雨，風沙災害嚴重，特別是土層較薄加上土?？紫抖却螅灰仔畲嫠智乙渍舭l(fā)，在這種條件下對其進行植被恢復，多采取人工造林模式，通過造林加快土壤成土過程，改善生態(tài)環(huán)境，增加植被覆蓋度和生物量，以達到改良沙荒地生態(tài)系統(tǒng)能力提升的目的。目前，國內已有許多專家和學者對沙荒地的植被恢復模式效應進行了大量的研究，如賈風勤等[3]對圖開沙漠沙荒地開展了無灌溉條件下的造林技術試驗和圍欄封禁效應試驗，包括造林樹種、造林密度、造林方法等，發(fā)現(xiàn)其物種多樣性增加了100多種，蓋度達到了60%以上。劉建海等人[4]研究了文冠果省級林木良種基地人工種植的文冠果對沙荒地土壤養(yǎng)分元素的影響，發(fā)現(xiàn)隨著文冠果種植年限的增加，其生長的土壤各層pH值和水溶性鹽總量總體上均呈顯著下降的變化趨勢，而有機質、全氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量均呈顯著增加的變化趨勢。劉歌暢等人[5]研究帶狀黃柳生物沙障對冀北沙荒地物種組成及多樣性的影響時發(fā)現(xiàn)，不同坡位新增加的植物種有7科11屬17種，而且物種多樣性指數(shù)表明坡底的多樣性顯著高于坡頂和坡中。這些研究均表明通過進行人工植被恢復可以改善沙荒地生態(tài)環(huán)境，但不同地區(qū)及其所在環(huán)境下的沙荒地植被恢復效應各不相同。

沙荒地在甘肅省民樂縣具有一定面積的分布，而且沙荒地資源豐富，但目前對分布在該縣域的沙荒地造林模式效應研究鮮有報道，在一定程度上影響了該縣域生態(tài)環(huán)境治理的效果。因此，本研究以已種植在甘肅省民樂縣北灘林場的梭梭Haloxylon ammodendron林、檸條Caragana korshinskii林、樟子松Pinus sylvestris+檸條混交林等3種人工造林模式為研究對象，以自然狀態(tài)下的沙荒地為對照，通過植被調查和土壤理化性質的取樣及測定獲得基礎數(shù)據，開展沙荒地不同造林植被恢復土壤理化性質的相關研究，對比分析不同造林模式對土壤物理結構和土壤化學元素等方面的影響，探討該地區(qū)不同造林模式對土壤理化性質的改良效應，旨在為沙荒地植被恢復和生態(tài)環(huán)境改善提出適宜的人工造林模式，從而提升該地區(qū)沙荒地植被恢復率和植被景觀質量，這對合理利用沙荒地資源具有重要的理論意義和實踐指導作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省西北部河西走廊中部、張掖市東南部的甘肅省民樂縣北灘林場，地理位置為E100°42.41′、N38°42.44′，海拔1 589～1 900 m，地貌類型為平地。年均氣溫為4～7℃，年均降水量為155～223 mm，年均風速為2.6～4.1 m/s，≥8級的沙塵暴天氣出現(xiàn)的頻率為20 d左右，夏季干旱少雨，蒸發(fā)量大，氣候屬于溫帶大陸性荒漠草原氣候。立地類型主要為沙荒地，土壤類型主要為風沙土，土壤母質主要為沙地或砂礫。灌溉水主要以地表水為主，其來源主要是祁連山區(qū)大氣降水及冰川積雪融水，水資源十分緊缺。因氣候條件惡劣、土壤貧瘠、水資源缺乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，現(xiàn)有的植被稀少，喬木和灌木樹種主要是天然次生、半次生和人工林，主要樹種有沙棗Elaeagnus angustifolia、白榆Ulmus pumila、刺槐Robinia pseudoacacia、樟子松、枸杞Lycium chinense、檸條、梭梭等，草本優(yōu)勢種主要有苦豆子Sophora alopecuroides、刺沙蓬Salsola ruthenica、冰草Agropyron cristatum、霧冰藜Bassia dasyphylla等。當?shù)亟洕顒又饕赞r業(yè)為主。

1.2 試驗樣地的設置及調查和取樣

2021年8月在甘肅省民樂縣北灘林場建立試驗樣地，包括對照的沙荒地、梭梭林、檸條林、樟子松+檸條混交林，林場分布的3種人工林栽植于2002—2005年，其中梭梭林種植面積有140 hm2，檸條林種植面積有120 hm2，樟子松和檸條混交林種植面積有100 hm2。在沙荒地和3種人工林中均選擇典型立地條件建立3個50 m×50 m的試驗樣地，共12個試驗樣地，對試驗樣地的植被結構進行調查和土壤取樣，每個試驗樣地的情況見表1。植被調查包括喬木和灌木的地徑、株高、冠幅，同時調查草本的種類和數(shù)量。土壤取樣深度 次為0～10、10～20、20～40和40～60 cm。利用100 cm3體積的環(huán)刀在每個試驗樣地利用挖剖面法進行取樣，每個樣地挖掘3個剖面，3個重復取樣，共挖掘36個土壤剖面，然后將環(huán)刀及環(huán)刀樣品一同裝在環(huán)刀盒內；同時將每個樣地3個土壤剖面的同一土層取混合樣約1 kg裝入密封袋，將環(huán)刀盒和密封袋帶回實驗室測定土壤物理指標和化學指標。

表1 不同造林模式試驗樣地概況Table 1 Overview of the test sites in different afforestation modes

1.3 樣品的測定方法

土壤物理性質的測定包括容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量，這些指標均用環(huán)刀法測定，其具體的測定方法依據《土壤理化分析》和《森林土壤分析方法》[6-7]。土壤化學性質的測定包括有機質、陽離子交換量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、電導率和水溶性鹽總量，其中有機質用高溫外熱重鉻酸鉀氧化一容量法測定，全氮用半微量凱氏法測定，全磷用高氯酸消化、鉬銻抗比色法測定，全鉀用氫氧化鈉熔融、火焰光度計法測定，堿解氮用堿解蒸餾法測定，有效磷用碳酸鈉堿熔鉬銻抗比色法測定，速效鉀用火焰分光光度計法測定，這7個指標具體的測定方法依據《土壤理化分析》和《森林土壤分析方法》[6-7]；陽離子交換量采用乙酸鈉—火焰光度法測定，水溶性鹽總量采用pH值8.5的氯化銨+乙醇交換—原子吸收分光光度法測定，這2個指標具體的測定方法依據《土壤農業(yè)化學分析方法》[8]；電導率采用電極法測定，其具體的測定方法依據《森林土壤分析方法》[9]。

1.4 數(shù)據分析方法

基于灰色關聯(lián)分析的理論與方法[10-11]，對甘肅省民樂縣北灘林場沙荒地和3種造林模式土壤理化性質進行了灰色關聯(lián)分析及關聯(lián)度均值排序，其主要的分析過程包括參考數(shù)列和比較數(shù)列的確定、數(shù)列的無量綱化處理、關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度的計算，其具體的過程參考王昭艷等人[12]的分析方法。利用Excel2016軟件進行數(shù)據的整理和統(tǒng)計，利用SPSS19軟件進行方差分析，利用DPS9.50軟件進行灰色關聯(lián)分析。

2 結果與分析

2.1 沙荒地不同造林模式的土壤物理性質

對沙荒地和3種造林模式的土壤物理指標進行了方差分析，結果（表2）表明，同一土壤深度不同造林模式之間，沙荒地和梭梭林在0～10 cm深度的土壤容重顯著高于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05），其他土層深度的沙荒地和3種造林模式之間的容重均無顯著性差異（P＞0.05）。沙荒地和3種造林模式在0～10 cm深度的總孔隙度均無顯著性差異（P＜0.05），沙荒地的毛管孔隙度顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05），而非毛管孔隙度顯著高于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地在10～60 cm深度的總孔隙度和毛管孔隙度顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05），而沙荒地在10～20 cm深度的非毛管孔隙度顯著高于其他3種造林模式（P＜0.05），沙荒地和3種造林模式在20～60 cm深度的非毛管孔隙度均無顯著性差異（P＞0.05）。沙荒地在0～10 cm深度的最大持水量顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05），而樟子松+檸條混交林的毛管持水量顯著高于沙荒地、梭梭林和檸條林（P＜0.05）。沙荒地在10～20 cm深度的最大持水量和毛管持水量顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地和梭梭林的最大持水量在20～60 cm深度高于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05），毛管持水量在沙荒地和3種造林模式中的差異性不顯著（P＞0.05）。

表2 沙荒地和不同造林模式對土壤物理指標的影響?Table 2 Effects of sandy wasteland and different afforestation modes on soil physical indexes

同一造林模式不同土層深度之間，沙荒地和3種造林模式在0～20 cm深度的土壤容重均顯著高于深層土壤容重（P＜0.05）。沙荒地0～10 cm深度的總孔隙度顯著高于深層土壤深度（P＜0.05），3種造林模式之間的總孔隙度均無顯著性差異（P＞0.05）。沙荒地和3種造林模式在0～20 cm深度的毛管孔隙度顯著低于深層土壤（P＜0.05）。沙荒地和梭梭林在0～10 cm和10～20 cm深度的非毛管孔隙度顯著高于深層土壤（P＜0.05），檸條林和樟子松+檸條混交林僅在0～10 cm深度顯著高于深層土壤（P＜0.05）。沙荒地、梭梭林和檸條林在0～20 cm深度的最大持水量和毛管持水量顯著低于深層土壤深度（P＜0.05），而40～60 cm深度的樟子松+檸條混交林最大持水量顯著低于其他土層深度（P＜0.05），毛管持水量均無顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 沙荒地不同造林模式的土壤化學性質

對沙荒地不同造林模式的土壤化學指標進行了方差分析，結果（表3）表明，同一土壤深度不同造林模式之間，沙荒地和梭梭林在0～10 cm和20～40 cm深度的土壤有機質和陽離子交換量顯著低于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05），而沙荒地在10～20 cm和40～60 cm深度土壤有機質和陽離子交換量顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地和梭梭林在0～10 cm和20～40 cm深度的土壤全氮、全鉀和全磷顯著低于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05），而10～20 cm和40～60 cm深度沙荒地顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地不同深度的堿解氮含量顯著低于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地0～40 cm深度的有效磷顯著高于其他3種造林模式（P＜0.05），沙荒地和梭梭林在40～60 cm深度表現(xiàn)為顯著低于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05）。沙荒地在0～10 cm深度的速效鉀含量顯著高于其他3種造林模式（P＜0.05），沙荒地和梭梭林在10～20 cm深度的顯著高于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05），樟子松+檸條混交林在20～40 cm深度的顯著低于沙荒地和梭梭林及檸條林（P＜0.05），40～60 cm深度的沙荒地顯著高于其他3種造林模式（P＜0.05）。沙荒地和梭梭林不同深度的電導率和水溶性鹽總量顯著低于檸條林和樟子松+檸條混交林（P＜0.05）。

表3 沙荒地和不同造林模式對土壤化學指標的影響?Table 3 Effects of sandy wasteland and different afforestation modes on soil chemical indexes

同一造林模式不同土層深度之間，沙荒地和梭梭林在0～10 cm深度的有機質顯著低于深層土壤深度（P＜0.05），而檸條林和樟子松+檸條混交林不同深度的土壤有機質含量差異性不顯著（P＞0.05）。沙荒地在40～60 cm深度的土壤陽離子交換量顯著高于其他土層（P＜0.05），梭梭林在0～10 cm和20～40 cm深度的土壤陽離子交換量顯著低于10～20 cm和40～60 cm深度（P＜0.05），梭梭林和樟子松+檸條混交林土壤陽離子交換量各土層間無顯著性差異（P＞0.05）。沙荒地和樟子松+檸條混交林在40～60 cm深度土壤全氮含量顯著高于其他土層（P＜0.05），梭梭林在10～20 cm和40～60 cm深度土壤全氮含量顯著高于0～10 cm和20～40 cm深度（P＜0.05），檸條林在不同土壤深度的土壤全氮含量差異性不顯著（P＞0.05）。沙荒地、檸條林和樟子松+檸條混交林不同土壤深度的土壤全磷含量差異性不顯著（P＞0.05），而梭梭林在10～20 cm和40～60 cm深度土壤全磷含量顯著高于0～10 cm和20～40 cm深度（P＜0.05）。沙荒地、檸條林和樟子松+檸條混交林在不同深度的土壤全鉀含量差異性不顯著（P＞0.05），而梭梭林在40～60 cm土壤全鉀含量顯著高于其他土層（P＜0.05）。沙荒地和3種造林模式在40～60 cm深度的土壤堿解氮含量均顯著高于其他土層（P＜0.05）。沙荒地在20～40 cm深度的有效磷含量顯著高于其他土層（P＜0.05），梭梭林在不同土層深度的有效磷含量差異性不顯著（P＞0.05），檸條林和樟子松+檸條混交林在40～60 cm深度的有效磷含量顯著高于其他土層（P＜0.05）。沙荒地和梭梭林及樟子松+檸條混交林在10～20 cm和40～60 cm深度的土壤速效鉀含量顯著高于0～10 cm和20～40 cm（P＜0.05），僅檸條林在不同深度的土壤速效鉀含量差異性不顯著（P＞0.05）。沙荒地和梭梭林的電導率在40～60 cm深度顯著低于其他土層（P＜0.05），而檸條林和樟子松+檸條混交林在不同土層深度的電導率含量差異性不顯著（P＞0.05）。沙荒地和3種造林模式的水溶性鹽總量在不同土層深度的差異性不顯著（P＞0.05）。

2.3 沙荒地不同造林模式土壤理化性質的灰色關聯(lián)分析

從沙荒地和3種造林模式對不同土層物理指標和化學指標的分析結果來看，不同物理指標和化學指標的含量大小和變化規(guī)律各不相同。為更好地比較沙荒地和不同造林模式對土壤理化性質的改良效應，選擇土壤物理指標包括容重（X1）、總孔隙度（X2）、毛管孔隙度（X3）、非毛管孔隙度（X4）、最大持水量（X5）、毛管持水量（X6）和土壤化學指標包括有機質（X7）、陽離子交換量（X8）、全氮（X9）、全磷（X10）、全鉀（X11）、堿解氮（X12）、有效磷（X13）、速效鉀（X14）、電導率（X15）、水溶性鹽總量（X16）等16個指標，先對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行無量綱化處理（表4），其中容重、電導率和水溶性鹽總量指標取倒數(shù)進行正相關處理，之后進行灰色關聯(lián)分析，包括各對應點的關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度及其均值（表5），關聯(lián)度越大，參考數(shù)列和比較數(shù)列的發(fā)展趨勢就越接近，即對土壤改良的效應越好。從表5可以看出，關聯(lián)度數(shù)值大小為樟子松+檸條混交林（0.479 3）＞梭梭林（0.472 4）＞沙荒地（0.461 2）＞檸條林（0.456 2），表明甘肅省民樂縣北灘林場的沙荒地和3種造林模式對改良土壤理化效應以樟子松+檸條混交林最好，其次是梭梭林，而檸條林對土壤改良效應不明顯。

表4 數(shù)據初值化處理結果Table 4 Processing results of soil physical and chemical property indexes

表5 土壤理化性質指標關聯(lián)系數(shù)及關聯(lián)Table 5 Relation coefficients and degrees of soil physical and chemical indexes

3 討 論

甘肅省民樂縣北灘林場的3種人工林造林模式均明顯地改善了土壤物理性狀，提高了化學元素含量。與沙荒地相比，土壤容重和非毛管孔隙度降低，總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和毛管持水量增加，土壤有機質、陽離子交換量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮等含量增加，這與其他大多學者關于沙化土地人工造林進行植被恢復對土壤理化性質影響的研究結果一致[13-15]，原因是進行人工造林植被恢復后，林木在生長的過程中代謝的葉、枝、皮等枯落物以及根系的伸展、死亡、分泌等作用積累了有機營養(yǎng)物質[16]，使得原本貧瘠的土壤團聚體增加；另外林木的阻擋作用降低了風力對土壤的侵蝕，同時截獲了被風吹起的碎屑物質、細粒物質等累積在冠層下，亦使得土壤中的有機物質增加，進而改善了土壤的理化性質。土壤有效磷和速效鉀含量的降低，可能是進行人工造林后，土壤中的磷、鉀速效養(yǎng)分被植物生長所吸收，因為土壤中的磷、鉀速效養(yǎng)分主要來源于土壤母質的風化作用，同時也說明了研究區(qū)沙荒地的土壤磷、鉀速效養(yǎng)分含量較低，土壤母質風化能力弱。檸條林和樟子松+檸條混交林土壤電導率和水溶性鹽總量增加，這與兩種植被的旺盛生命力活動有關，原因可能是植物強的蒸騰作用使得土壤深處的鹽分隨水分的強烈蒸發(fā)作用而運移到土壤上部。在植被恢復的初期階段，植被恢復對土壤理化性質的作用主要在表層[17]，本研究亦證明這一點，本研究中人工造林對土壤主要物理指標的影響集中在0～20 cm土層，化學指標的影響主要表現(xiàn)在0～40 cm土層。

3種人工林造林模式對土壤理化指標的影響各不相同。對土壤主要理化指標的灰色關聯(lián)進行分析，表明樟子松+檸條混交林和梭梭林的關聯(lián)度數(shù)值大于對照沙荒地，而檸條林對沙荒地土壤的改良不明顯，說明不同造林模式對土壤理化性質的影響程度各不相同，產生這種原因的可能一是不同造林模式的不同植被形態(tài)特征對風沙的攔截及地表枯落物的影響不同，如樟子松+檸條混交林株叢徑較大，攔截的近地有機物質多，對土壤的改良效果好；二是不同植被的枯落物凋落量及其養(yǎng)分含量存在差異；三是不同造林模式的微生境差異影響了枯落物和土壤養(yǎng)分的速率不同。另外研究還發(fā)現(xiàn)，樟子松+檸條混交林對土壤理化性質的改良效果好于純林（梭梭林），這可能是混交林中不同樹種生長的過程中生物學特性決定的，如混交林根系發(fā)達、土壤微生物活性加強、枯枝落葉成分復雜等因素的共同作用改善了土壤理化性質。該結論也在同類研究中得到了證實，如臺灣榿木與馬尾松、巨尾桉、紅錐混交造林對土壤理化性質的改善優(yōu)于臺灣榿木純林[18]，光皮樺+杉木混交林的土壤理化性質主要理化指標優(yōu)于純林[19]，桉樹+格木混交林較純林能改善土壤理化性質，提高土壤酶活性[20]。由此可見，在沙荒地營造人工林的過程中，建議優(yōu)先考慮營造鄉(xiāng)土樹種的混交林。

本研究僅分析了甘肅省民樂縣北灘林場已種植的3種人工林造林模式對土壤理化性質的影響，而未對其他的人工林造林模式進行研究，因為在民樂縣沙荒地還種植了沙棗、白榆、刺槐等人工造林樹種，需要對這些樹種人工造林模式包括純林和混交林進行對比研究，以期為民樂縣沙荒地及同類地區(qū)的樹種選擇和植被恢復提供理論依據。另外需要對現(xiàn)有的人工造林模式進行長期定位監(jiān)測，盡管現(xiàn)有的植被已經生長了15年多，但是在今后的生長過程中，林地沙荒地土壤層可能會出現(xiàn)因土壤干旱、土壤鹽分增加等導致的林木生長出現(xiàn)枯梢、生長衰退等情況，需要開展持續(xù)研究并進行驗證人工選擇樹種的有效性和長期性，為該區(qū)域的沙荒地人工造林提供理論數(shù)據和數(shù)據支撐。

4 結 論

與沙荒地對照相比，3種造林模式均能有效地影響土壤物理性質和土壤化學性質，從土壤物理性質來看，改良了土壤表層結構，增加了最大持水量，提升了毛管持水量；從土壤化學性質來看，土壤剖面有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、陽離子交換量等養(yǎng)分有所改善，但有效磷、速效鉀含量均減小，而土壤電導率和水溶性鹽總量增大；不同的造林模式對土壤理化性質的影響主要體現(xiàn)在淺土層，而且土壤物理結構和土壤化學元素的影響存在差異。從土壤理化性質的灰色關聯(lián)分析結果來看，不同造林模式中樟子松和檸條混交林對土壤理化性質的改良效應最佳，其次是梭梭林，而檸條林的改良效果不明顯。因此，在甘肅省民樂縣北灘林場沙荒地進行人工造林的植被恢復模式選擇中，就目前已種植的3種人工林來講，建議優(yōu)先進行大面積推廣樟子松+檸條混交林造林模式。