陳 軍，張紅霞，鐘 文，李玉忠，王春季

（1.靖邊縣林業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，陜西 靖邊 718500；2.靖邊縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 靖邊 718500；3.靖邊縣綠化中心，陜西 靖邊 718500）

（1.Foresty Programming College of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China；2.Agricultural Technology Popularizing Station of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China；3.Greening Centre of Jingbian County，Jingbian，Shaanxi 718500，China）

人工造林可有效地減少土壤侵蝕、保護退化生態(tài)環(huán)境［1］、增加土壤有機質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加區(qū)域碳儲量［2－3］、維持土壤養(yǎng)分良性循環(huán)［4］、改善景觀狀態(tài)，為野生動物提供棲息場所［5］。在未來幾十年里，氣候變化將對全球植被分布產(chǎn)生巨大影響［6－7］，這些影響在生態(tài)群落交錯區(qū)的干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)尤為顯著［8］。干旱是世界范圍內(nèi)植被分布的首要限制因子之一［9］，對于水分利用率較低樹種的影響尤為突出［10－11］。由于缺乏成熟的有關(guān)干旱、沙漠化以及土壤類型與人工造林效果關(guān)系的研究結(jié)果作依據(jù)，這直接影響了黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復的實踐活動。因此，積極開展黃土丘陵區(qū)人工造林與不同土壤類型理化性狀相互關(guān)系的研究，對我國大規(guī)模生態(tài)修復實踐具有重要的指導意義。

黃土高原地質(zhì)條件復雜，土壤理化性質(zhì)差異顯著，這些因素直接影響植被的生長發(fā)育和景觀分布［12］，對丘陵溝壑區(qū)的影響尤為突出。陜北黃土丘陵區(qū)主要分布著三種土壤類型——黃綿土（占總面積的77.5%）、紅黏土（占總面積的5.6%）以及位于巖床之上尚未成熟、砂巖含量較高的巖石土壤－風化巖沫土（占總面積的9.0%）［13］。在數(shù)百萬年前，黃土高原被大面積的黃綿土覆蓋，由于土壤侵蝕，如今大部分表層土壤流失殆盡、黃土母質(zhì)土裸露、土壤養(yǎng)分貧瘠。該區(qū)黃綿土土層厚度約50～200m，位于0.5～5 m厚的紅黏土土層之上，而紅黏土土層下則是0.5～1m厚的風化巖沫土土層。傳統(tǒng)的觀點認為，黃土丘陵區(qū)只有黃綿土土壤可以實施人工造林，其他兩種土壤由于營養(yǎng)貧瘠不能維持林木生長發(fā)育。為了拓展黃土丘陵區(qū)人工造林的土壤類型范圍，1996－2005年，選擇陜西省延安市附近的黃土溝壑區(qū)，在上述三種土壤分布區(qū)開展人工造林與不同土壤類型理化性狀相互關(guān)系的實驗研究，研究黃土丘陵區(qū)紅黏土和風化巖沫土土壤地類人工造林的可能性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市附近小砭溝小流域，北緯36°32′，東經(jīng)109°26′15″，海拔993.7～1191 .2m，面積121hm2。流域內(nèi)水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)1.5萬t／（km2·a）［14］。地形破碎、山坡陡峭、溝壑縱橫，植被稀疏。研究區(qū)主要分布3種土壤類型:黃綿土占總面積77.5%，主要分布于山梁頂部和溝谷上坡面，平均厚度50～200m，其中粒徑1.00～0.05 mm的細沙粒含量大于20%，粒徑0.010～0.001 mm的黏土含量小于30%，土壤有機質(zhì)含量3.76g／kg，平均孔隙度52.1%；風化巖沫土位于巖石頂部，占總面積9.0%，平均厚度0.5～1.0m，主要分布于溝谷底部，其中粒徑1.00～0.05mm的細沙含量大于70%，粒徑大于1.00mm的粗沙含量大于10%，土壤有機質(zhì)含量1.45g／kg，土壤孔隙度41.9%；紅黏土位于以上兩種土壤之間，平均厚度0.5～5.0m，占總面積5.6%，主要分布于黃綿土和風化巖沫土沉積物之間的坡面上，粒徑0.010～0.001mm的黏土含量大于40%，土壤有機質(zhì)含量2.3g／kg，土壤孔隙度44.9%［15－16］。當?shù)亓謽I(yè)部門認為紅黏土和風化巖沫土土壤侵蝕嚴重、營養(yǎng)貧瘠不能維持林木生長發(fā)育，因此不適合人工造林。但是，這些土壤類型主要分布于溝壑底部，土壤水分條件好于山梁頂部的黃綿土地類。研究區(qū)多年平均溫度9.4℃，年均無霜期147d，年平均降雨量547.4mm，其中413.6mm集中于5－10月的雨季，1996－2005年實驗期間平均每年422.2mm的降雨分布于雨季，并且71.2%的降雨集中在6－9月，年均蒸發(fā)量為793.7mm［13］。

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)間隔10m設(shè)置3個60m×360m的研究樣區(qū)，每個研究樣區(qū)按以上三種土壤類型分割成3塊樣地。1997年春分別于每個樣地栽植6個樹種、每個樹種約400株的單一樹種配置，以及按3種配置方式、每種配置約400株（兩個樹種各200株）的混交種植。由于地形地貌凹凸不平，小區(qū)在大小、形狀及植株數(shù)量上略有不同。所選樹種包括歐洲山楊（Populus tremula L）、沙棘（Hippophae rhamnoides L）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、檸條（Caragana korshinskii Kom）、刺槐（Robinia pseudoacacia L）、元寶楓（Acer truncatumBge）6個單一樹種配置，以及歐洲山楊與沙棘、沙棘與側(cè)柏、刺槐與檸條3個混交配置。為了防止坡面土壤侵蝕，同時便于收集坡面徑流促進樹木生長發(fā)育，人工造林沿等高線按1.5m反坡寬度反坡隔坡整地，并在反坡邊緣修筑30cm×30cm×30cm擋水邊埂。人工林株行距為2m×3m。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

（1）生長發(fā)育。每年秋天10月，每行隨機抽取10株樹木測算樹木保存率；并用鋼卷尺測量當年新生枝條長度，計算每年生長量；同時，2005年7月，在每個樣地隨機抽取每種樹木各20株進行樹冠測量，包括最大及最小樹冠半徑計算冠幅面積；然后根據(jù)樹種平均冠幅面積與存活株數(shù)得出樹木郁閉度，樹冠重疊及相互交叉時，應減去重疊部分，避免重復計算。

（2）土壤水分、孔隙度。每年雨季5－10月間的10日、20日、30日，在每個樣地的每個樹種配置小區(qū)隨機選擇三個取土點，每點分別取0－20，20－40，40－60，60－80cm土樣，于105℃烘干12h測算土壤水分含量。同時，每年4月10日和10月10日，以同樣的方式用環(huán)刀鉆取30cm深度土樣測定土壤容重，計算土壤孔隙度。

（3）根量。2005年10月中旬，每個樣地每個樹種小區(qū)隨機選擇30株樹木測定根量，每棵樹距樹干0.5m處隨機選三個樣點，同時在距樹干1.5m處另選三個樣點，使用6.8cm土鉆、以20cm為一個分層單位，采集0～1m土樣，由于風化巖沫土土層較薄，其采樣深度為0～0.8cm。然后，分揀出每層根系，先于80℃烘箱烘干2h，然后于120℃繼續(xù)烘干24h稱重。

（4）土壤養(yǎng)分。1996年、2005年的10月，用土鉆隨機采集0－30cm表層土樣分析土壤營養(yǎng)成分含量，每個樣地每個樹種配置小區(qū)取土樣1處。土壤有機質(zhì)通過重鉻酸鉀氧化法計算，全氮由堿性蒸餾法測定，全磷由原子吸收分光光度測定法計算，速效磷經(jīng)碳酸氫鈉萃取后用比色法測定，全鉀經(jīng)氫氟酸和高氯酸消化火焰光譜法測定，速效鉀由醋酸銨萃取火焰光譜法測定。

1.4 統(tǒng)計分析

采用 Microsoft Excel 2003、t檢驗、p＜0.05顯著性水平進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同土壤類型林木存活與生長狀況

研究結(jié)果表明，紅黏土地類單一樹種林地與混交林的樹木保存率最高，分別為74.2%和77.6%，但樹種間也存在明顯差別（表1）。歐洲山楊林在黃綿土地類表現(xiàn)最好，為70%；沙棘在其它兩種土壤表現(xiàn)較好，分別為83.5%和74%。風化巖沫土人工林存活率變幅較大，單一樹種林地為42.4%～80.0%，混交林為57.3%～77.0%，具有較強的樹種選擇性。

在紅黏土地塊，單一樹種林地與混交林年平均枝條生長量分別為0.50m和0.52m，其中，刺槐純林年均生長量最高（1.07m）；混交林中刺槐－檸條表現(xiàn)最好，年均生長量達到0.63m。紅黏土單一樹種林地與混交林年平均生長量分別比黃綿土高19%和26.8%。在風化巖沫土地塊的單一樹種林地中，側(cè)柏和刺槐長勢較好，同時混交林總體上比黃綿土長勢好。

紅黏土中單一樹種林平均樹冠面積和郁閉度分別比黃綿土高51.5%和59.9%，混交林分別高58.8%和69.6%。風化巖沫土單一樹種林地樹冠面積與郁閉度分別比黃綿土地塊高17.0%和13.9%，混交林則分別高26.5%和23.7%。

表1 樹木生長發(fā)育情況表

2.2 根系分布狀況

2008年監(jiān)測結(jié)果表明，黃綿土樹木根系分布相對較深（表2），0－80cm樹根總量與紅黏土差異不顯著，但風化巖沫土壤0－80cm樹根總量比黃綿土低9.1%～16.3%。各類型土壤樹木根系分布有所不同，紅黏土中單一樹種林地0－20cm與20－40cm表層土壤平均樹根總量分別比黃綿土高40.3%～18.4%，風化巖沫土單一林種這兩層土壤樹根總量分別比黃綿土高32.2%～11.7%；60－100cm深層土壤單一樹種人工林樹根總量分布也大不相同，紅黏土60－80cm、80－100cm土層樹根總量分別比黃綿土低37.3%和50%，而風化巖沫土在60－80cm土層內(nèi)樹根總量平均比黃綿土低54.5%。

混交林根系分布差異顯著（表2），在0－20cm和20－40cm土壤表層，紅黏土平均樹根總量分別比黃綿土高26.2%和14.2%，風化巖沫土分別比黃綿土高21.3%和7.7%。但是在60－80cm和80－100 cm深層土壤中，紅黏土樹根總量分別比黃綿土低28.6%和36.8%，風化巖沫土在60－80cm土層的樹根總量比黃綿土低20.4%。

2.3 土壤養(yǎng)分

研究結(jié)果顯示，1996年試驗初期，紅黏土全N、速效N及有機質(zhì)含量分別比黃綿土30cm表層土低31.1%、45.8%、38.8%；風化巖沫土分別低35.6%、54.2%、61.4%（表3）。風化巖沫土中速效P含量比黃綿土低33.3%。紅黏土中全K和速效K分別比黃綿土中高30.7%和51.1%，風化巖沫土則分別高于黃綿土47.1%、34%。

在2005年試驗結(jié)束時，三種土壤類型樣地表層30cm土壤平均全N、速效N及有機質(zhì)含量分別比1996年試驗開始時高74.3%、97.9%、124.8%。相對每個土壤類型而言，風化巖沫土2005年平均全N、速效N及有機質(zhì)含量分別比1996年試驗開始時高96.6%、172.7%、278.6%；紅黏土分別比1996年高96.8%、142.3%、163.9%；而黃綿土則分別比1996年高44.4%、39.6%、41.5%（表3）。

表2 2005年不同類型土壤層根系密度分布 g／m3

表3 不同類型土壤養(yǎng)分含量

2.4 土壤水分和孔隙度

研究結(jié)果表明，1996年風化巖沫土0－80cm土壤水分含量最低，分別比紅黏土和黃綿土低36.9%和33%；紅黏土比黃綿土高6.3%。但紅黏土和風化巖沫土的孔隙度要分別比黃綿土低13.8%和19.6%。人工造林9a后，紅黏土和風化巖沫土的水分含量分別比黃綿土高50.8%和59.2%，二者的孔隙度分別比黃綿土低5.3%和8.9%（表4）。

3 討論

人工造林可持續(xù)與否主要取決于樹木對土壤理化性狀的影響［17］。有機質(zhì)含量增加使得土壤容重下降、孔隙度增加［18］，從而改善土壤水分和空氣的滲透條件，提高土壤對水分和養(yǎng)分的存貯能力［19］。干旱半干旱地區(qū)林地土壤條件惡化不僅影響植被生長發(fā)育，也不利于木材生產(chǎn)［20］。一般認為，樹種和植被的生長發(fā)育會對土壤理化性狀和生物特性產(chǎn)生影響［21］。該研究結(jié)果表明，土壤特性如水分、孔隙度及養(yǎng)分含量是制約林木生長發(fā)育最重要的影響因子，林木生長和根系發(fā)育同樣受不同類型土壤理化特征的影響。陜北黃土高原丘陵區(qū)人工林在各類土壤中生長發(fā)育的表現(xiàn)順序依次為:紅黏土＞風化巖沫土＞黃綿土。

表4 不同類型土壤水分、容重及孔隙度

退化草地的植被修復常常伴隨著土壤養(yǎng)分和有機碳含量的增加、土壤結(jié)構(gòu)的改善［22］。這種由植被恢復帶來的生態(tài)環(huán)境修復增加了土壤溫度，在土壤水分含量適宜時可以增加微生物活動，從而加快有機質(zhì)分解，提高土壤有機氮含量增加的速度［23－24］。研究結(jié)果表明，人工造林后土壤水分、孔隙度、全N、速效N及有機質(zhì)含量發(fā)生了明顯改變，研究期間林木生長良好，土壤養(yǎng)分條件保持相對穩(wěn)定，甚至得到較大改善，尤其全N、速效N以及有機質(zhì)含量增加最為顯著；但各類土壤水分含量均有所下降，這是潛在的不利結(jié)果；植被覆蓋增加，土壤C、N庫也相應增加，改善效果依次為:風化巖沫土＞紅黏土＞黃綿土。

歷史研究結(jié)果表明，土壤物理性狀強烈影響植被生長狀態(tài)［25］，對植物根系發(fā)育、植被生長、水分保持、水氣滲透、孔隙度維持及土壤抗根系穿透能力等方面均起著重要作用［26］。土壤理化條件的異質(zhì)性為植物生長發(fā)育提供了可能，即使在粘實的土壤環(huán)境里也是如此。因為異質(zhì)性使粘實的土壤環(huán)境存在裂縫、并具有通透性，這使得土壤水分和空氣環(huán)境得以改善，為植物根系生長發(fā)育提供了空間條件［25］。試驗區(qū)紅黏土和風化巖沫土屬于土石混合土壤，與黃綿土相比，養(yǎng)分含量低、孔隙度低。大范圍的土壤板結(jié)往往伴隨土壤結(jié)構(gòu)退化，同時孔隙度下降會導致土壤通風、排水、植被可利用水分貯存能力下降以及根系發(fā)育受阻等一系列不利影響。該研究結(jié)果表明，黃土高原丘陵區(qū)三種土壤的孔隙度在造林期間均有所增加、土壤容重相應減小、土壤養(yǎng)分水平也迅速提高，這些變化表明人工造林對區(qū)域土壤環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響。

一般來說，人工造林可以潛在地增加土壤養(yǎng)分輸入，有助于提高土壤水分含量，促進植物生長發(fā)育［26］。盡管土壤水分可以通過土壤養(yǎng)分變化而改變，但這些變化效應還取決于土壤的其它特性［27］。在不同土壤中，相同土壤水分含量會產(chǎn)生不同的生理機能效應，因為土壤水分的可利用效率（即水勢或水位）不僅取決于土壤孔隙度和土壤顆粒組成，還取決于土壤分布的地形差異。研究區(qū)紅黏土和風化位于溝谷底部，具有較豐富的地下水供給。同時，山坡徑流在溝谷受到樹木以及造林工程的阻隔，這有利于降雨入滲至深層土壤，起到了天然灌溉的作用，這些因素使得這兩種土壤在干旱環(huán)境下更容易維持林木生長發(fā)育。

干旱缺水是制約全球植物生長發(fā)育和植被類型分布的首要限制因素［28－29］。因此，由干旱造成的林木成活率下降是影響人工造林成敗的關(guān)鍵因子之一［27］。為了提高我國的森林覆蓋率，林業(yè)部門常常在降雨僅僅能維持樹木存活的干旱半干旱地區(qū)開展人工造林［30］。因此，為了避免人工造林失敗，必須謹慎選擇適宜水資源條件的樹種［31］。長期經(jīng)驗表明，由于年降雨稀少、樹種選擇不合理以及密度過高造成林地土壤水分缺乏［30－33］，干旱年份位于我國干旱半干旱地區(qū)的河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古等地均出現(xiàn)大面積人工林死亡和林地物種多樣性減少等現(xiàn)象［30］。盡管該試驗區(qū)林木生長良好，同時土壤理化性狀有所改善，但這些改善卻是以不斷消耗土壤水為代價的。

研究結(jié)果表明，黃綿土林木消耗土壤水分的速度比土壤蓄積天然降水的速度快，因此，黃綿土植被覆蓋度沒有其他兩種土壤增加的快。這表明當?shù)亓謽I(yè)部門可能被短期內(nèi)林木成活現(xiàn)象所誤導，從而優(yōu)先選擇在黃綿土開展人工造林。同我國其它地區(qū)造林失敗一樣［30－32］，從長遠來看，陜北黃土丘陵區(qū)黃綿土地類人工造林也存在失敗的風險。盡管研究區(qū)紅黏土和風化巖沫土肥力較低，然而它們位于溝谷底部，具有較豐富的地下水供給。與黃綿土相比，這兩類土壤物理性狀改善了土壤的蓄水能力，土壤水分含量在造林后相對穩(wěn)定。由此可見，在紅黏土及風化巖沫土分布的谷地開展人工造林將是更有價值的選擇。由于這兩種土壤土層較薄，因此，淺根性樹種如沙棘和刺槐的生長發(fā)育，沙棘與刺槐或側(cè)柏混交林以及刺槐與檸條混交林更適合在這類土壤混交種植。

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