王 凱 王道涵 張成龍 陳 曦 宋立寧

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000) (中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)

遼寧西北部位于科爾沁沙地南緣，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。該區(qū)氣候干燥、大風(fēng)頻繁、水資源不足、植被覆蓋率低，是三北防護(hù)林體系建設(shè)工程的重點(diǎn)治理區(qū)域［1］。近幾十年來，該地區(qū)營造了大面積防護(hù)林，包括科爾沁沙地邊緣的防風(fēng)固沙林、山地丘陵區(qū)的水土保持林和保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)田防護(hù)林;森林覆蓋率達(dá)到28.1%，比1978年增加了17%［2］。林木通過根系活動、地上有機(jī)體積累及枯枝落葉腐爛分解引起林下土壤結(jié)構(gòu)、特征及肥力發(fā)生相應(yīng)變化［3］，從而起到改良土壤作用。土壤性狀變化是生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，也是衡量防護(hù)林生態(tài)功能成效的主要依據(jù)。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，直接影響著土壤孔隙度、持水能力、抗沖和抗蝕性能［4］，并且與土壤肥力、生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)［5］。土壤有機(jī)質(zhì)是構(gòu)成土壤肥力的核心物質(zhì)［6］，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)常作為反映土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)［7］。本研究以遼西北防護(hù)林土壤為對象，分析防護(hù)林內(nèi)外土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，探討土壤性狀變化與林分因子的關(guān)系，對深入了解防護(hù)林體系的土壤改良作用和效果具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省西北部，包括4 市7 縣，即鐵嶺市昌圖縣、沈陽市康平縣、阜新市阜新蒙古族自治縣和彰武縣、朝陽市北票、建平和朝陽縣。該區(qū)域?yàn)檫|寧省三北防護(hù)林工程建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，屬半干旱氣候，日照較為充足。年平均氣溫7.5℃，無霜期131 ～190 d，年平均降水量不足500 mm，主要集中在夏季，占全年降水量的70% ～80%。植被屬華北植物區(qū)系和內(nèi)蒙古植物溫帶草原櫟林亞區(qū)的過渡地帶，兼有兩個(gè)區(qū)系的特征。地帶性土壤為褐色土、棕色森林土和草甸土，土層較薄，多在10 ～30 cm。

2 研究方法

2012年7—8月，在遼西北防護(hù)林踏查的基礎(chǔ)上，針對不同林型、不同樹種和不同林齡，選擇典型的防風(fēng)固沙林、水土保持林和農(nóng)田防護(hù)林樣地(表1)。采樣區(qū)為近年來遼寧省造林的重點(diǎn)區(qū)域。在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3 個(gè)30 m×30 m 的大樣方(農(nóng)田防護(hù)林樣方大小為10 m×10 m)，對樣方內(nèi)樹木進(jìn)行每木檢尺，計(jì)算平均樹高和平均胸徑。在每個(gè)大樣方內(nèi)設(shè)置5 個(gè)1 m×1 m 草本小樣方，調(diào)查植被蓋度，并剪除小樣方內(nèi)植被的地上部分(防護(hù)林下均為草本植物)，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱其質(zhì)量，計(jì)算生物量;同時(shí)在小樣方內(nèi)和林外荒草地分別取0 ～20 cm 的原狀土樣各5 份，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。在采集和運(yùn)輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞土壤結(jié)構(gòu)。采用干篩法和濕篩法分別測定土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體為在濕篩條件下測得的粒徑＞0.25 mm 團(tuán)聚體占總團(tuán)聚體的比例，土壤團(tuán)聚體破壞率計(jì)算公式為:［干篩(＞0.25 mm 團(tuán)聚體)－濕篩(＞0.25 mm 團(tuán)聚體)］/干篩(＞0.25 mm 團(tuán)聚體)×100%。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定［8］。

表1 防護(hù)林樣地基本狀況

防護(hù)林內(nèi)外土壤性狀變化率=((林內(nèi)土壤性狀－林外土壤性狀)/林內(nèi)土壤性狀)×100%。林內(nèi)外土壤性狀的差異采用T 檢驗(yàn)方法，并對土壤性狀變化率與林分因子的關(guān)系采用Spearman 方法進(jìn)行相關(guān)分析，所有數(shù)據(jù)均運(yùn)用SPSS16.0 統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 防護(hù)林內(nèi)外土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

在干篩條件下測得的團(tuán)聚體在濕篩過程中會發(fā)生破裂，破裂部分為非水穩(wěn)性團(tuán)聚體;未破裂部分仍舊保留在土篩上的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性團(tuán)聚體［9］。水穩(wěn)性團(tuán)聚體是由土壤顆粒凝聚、膠結(jié)和黏結(jié)而相互聯(lián)結(jié)組成的［10］，具有一定的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性［11］。遼西北防風(fēng)固沙林中楊樹林、樟子松林和刺槐林內(nèi)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，而大扁杏林內(nèi)顯著低于林外(P＜0.05，表2);水土保持林中油松林及油松榆樹、刺槐榆樹混交林內(nèi)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，而楊樹林內(nèi)外差異不顯著(P＞0.05，表2);農(nóng)田防護(hù)林中13、15 和30年生楊樹林內(nèi)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，而10和20年生楊樹林內(nèi)外無顯著差異(P＞0.05，表2)。團(tuán)聚體破壞率用于反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性對形成和保持良好的土壤結(jié)構(gòu)極為重要。研究發(fā)現(xiàn)，防護(hù)林內(nèi)外土壤團(tuán)聚體破壞率差異變化與水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異相反(表2)。說明土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，團(tuán)聚體破壞率越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。防護(hù)林種植改變了原有土地利用方式，植被覆蓋引起林地土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn)，大部分防護(hù)林下土壤團(tuán)聚體和穩(wěn)定性得到了不同程度的提高，但也有部分林分土壤結(jié)構(gòu)變化較小，甚至退化，如大扁杏林。這主要由于大扁杏林對水分和養(yǎng)分需求較高，同時(shí)林分種植密度過大，過度消耗了水資源，造成水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，破壞率升高。所以防護(hù)林樹種選擇要依據(jù)適地適樹的原則，不能只注重經(jīng)濟(jì)效益，忽視生態(tài)效益。

表2 防護(hù)林內(nèi)外土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)及破壞率

3.2 防護(hù)林內(nèi)外土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量的核心，同時(shí)又影響全球碳循環(huán)和氣候變化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異是造成土壤性質(zhì)和功能變化的主要原因之一［12］。遼西北防風(fēng)固沙林中楊樹林、樟子松林和刺槐林內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，而大扁杏林內(nèi)外差異不顯著(P＞0.05，表3);水土保持林中油松林和楊樹林內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，而2 種混交林內(nèi)外無顯著差異(P＞0.05，表3);農(nóng)田防護(hù)林中30年生楊樹林內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林外(P＜0.05)，10 和13年生楊樹林內(nèi)高于林外，而15 和20年生楊樹林內(nèi)低于林外，但差異均不顯著(P＞0.05，表3)。

表3 防護(hù)林內(nèi)外土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

本研究發(fā)現(xiàn)，大部分林分土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，這可能由于防護(hù)林種植促使林下微環(huán)境得到改善，土壤微生物活動、根系分泌和代謝、枯枝落葉分解等因素增加了土壤腐殖質(zhì)，提高了有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但15 和20年生楊樹林內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于林外，這可能由于這些林分人為干擾頻繁(如放牧、開墾農(nóng)田等)，導(dǎo)致地表植被、凋落物數(shù)量下降;不但減少土壤有機(jī)碳的歸還，而且加速土壤有機(jī)碳的分解，從而使土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

3.3 防護(hù)林土壤性狀變化率與林分因子的關(guān)系

植被生長能改善土壤環(huán)境，其反過來又促進(jìn)植被健康生長［13］。研究發(fā)現(xiàn)，防護(hù)林內(nèi)外土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)變化率與樹種組成均顯著相關(guān)(P＜0.05，表4)，這與以往研究結(jié)果相似［3］。說明適地適樹的重要性，防護(hù)林建設(shè)應(yīng)根據(jù)不同立地條件，以鄉(xiāng)土樹種為主，兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。林內(nèi)外土壤性狀變化率與林分年齡相關(guān)性均不顯著(P＞0.05，表4)，這與以往研究結(jié)果不一致［14］，這可能由于防護(hù)林種植后，人為活動的影響造成的差異。通常，防護(hù)林種植后會增加地表植被蓋度和生物量，從而改善土壤理化性狀［15］;然而由于研究區(qū)有些防護(hù)林人為活動頻繁，如放牧、開墾農(nóng)田等，導(dǎo)致地表植被減少，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，部分林分甚至發(fā)生了土壤退化。林內(nèi)外土壤性狀變化率與植被蓋度顯著相關(guān)(P＜0.05，表4)，土壤形成、發(fā)育與地表植被密切相關(guān)［16］。植被覆蓋度增加，一方面植物殘?bào)w腐解過程中產(chǎn)生的酸類物質(zhì)能夠促進(jìn)土壤中難溶性物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化分解;另一方面枯落物在土壤中礦化積累，將大部分無機(jī)營養(yǎng)歸還土壤，改善土壤理化性質(zhì)、質(zhì)地和通氣狀況［17］。林內(nèi)外土壤團(tuán)聚體變化率與地表生物量相關(guān)性不顯著(P＞0.05)，而土壤有機(jī)質(zhì)變化率與和生物量顯著相關(guān)(P＜0.05，表4)。這可能由于研究區(qū)為半干旱區(qū)，特別是防風(fēng)固沙林主要集中在沙地，植被生長的主要限制因子為水分［1］，生物量與水分關(guān)系更為密切。土壤有機(jī)質(zhì)變化是一個(gè)較為緩慢的過程，需要凋落物腐爛分解以及根系分泌物釋放才能逐漸改變。

表4 防護(hù)林內(nèi)外土壤性狀變化率與林分因子的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

遼西北地處科爾沁沙地南緣，風(fēng)沙侵蝕與水土流失嚴(yán)重，經(jīng)過幾十年的植樹造林，森林覆蓋率明顯提高［2］，大部分林下土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，說明防護(hù)林種植具有較好的土壤改良功能，這與其它地區(qū)防護(hù)林的研究結(jié)果相似［3，15］。但也有部分防護(hù)林林下土壤性狀變化不明顯，甚至退化。比較二者林地環(huán)境發(fā)現(xiàn)，人為干擾(放牧、開墾農(nóng)田)是造成土壤退化的主要原因之一。同時(shí)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，防護(hù)林建設(shè)現(xiàn)狀存在諸多問題，如:樹木萌生枝條多，病蟲害嚴(yán)重，植株生長不良;放牧現(xiàn)象普遍，地表植被蓋度低，生物量下降，枯落物減少;甚至圍封的防護(hù)林出現(xiàn)了開荒種地和放牧活動，使已經(jīng)改良的土壤又發(fā)生了退化。

撫育措施缺乏導(dǎo)致林木生長不良，人為活動干擾引起土壤退化;因此，應(yīng)將遼西北防護(hù)林體系建設(shè)重點(diǎn)從林木種植轉(zhuǎn)移到撫育管理。首先要加強(qiáng)撫育工作，如澆水、施肥、防治病蟲害、修枝、間伐等，保障林木成活并正常生長;其次應(yīng)重視監(jiān)督管理，保護(hù)與恢復(fù)林下地表植被及枯落物，杜絕放牧、開墾農(nóng)田等破壞防護(hù)林現(xiàn)象發(fā)生。從而改良土壤，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)遼西北防護(hù)林體系可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 姜鳳岐，于占源，曾德慧.遼西地區(qū)油松造林的生態(tài)學(xué)思考［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(12):2069－2074.

［2］ 秦秀忱.遼寧省三北防護(hù)林體系建設(shè)成就及展望［J］.防護(hù)林科技，2004(3):36－38.

［3］ 阿迪力·吾彼爾，袁素芬，趙萬羽.準(zhǔn)噶爾盆地新建防護(hù)林對林下土壤理化性狀的影響［J］.干旱區(qū)地理，2007，30(3):420－425.

［4］ 鄭子成，王永東，李廷軒，等.退耕對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2011，26(1):119－127.

［5］ 李陽兵，謝德體.不同土地利用方式對巖溶山地土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(4):122－125.

［6］ Wang S Q，Huang M，Shao X M，et al.Vertical distribution of soil organic carbon in China［J］.Environmental Management，2004，33(1):200－209.

［7］ 楊金艷，王傳寬.東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(11):2875－2882.

［8］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.3 版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.2005.

［9］ 呂文星，張洪江，王偉，等.重慶四面山不同林地土壤團(tuán)聚體特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(4):192－198.

［10］ 周瑋，周運(yùn)超，魯秦安.不同土地利用方式下石灰土土壤團(tuán)聚體與土壤酶活性的關(guān)系［J］.水土保持通報(bào)，2011，31(10):59－64，162.

［11］ 郭偉，史志華，陳利頂，等.紅壤表土團(tuán)聚體粒徑對坡面侵蝕過程的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(6):2516－2522.

［12］ 周純亮，吳明.中亞熱帶四種森林土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布特征［J］.土壤，2011，43(3):406－410.

［13］ Eviner V T，Hawkes C V.Embracing variability in the application of plant-soil interactions to the restoration of communities and ecosystems［J］.Restoration Ecology，2008，16(4):713－729.

［14］ 劉云霞，胡亞林，曾德慧，等.科爾沁沙地草地營造樟子松人工林對土壤化學(xué)和生物學(xué)性狀的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(4):814－820.

［15］ 于建權(quán)，肖映秋，陳新，等.半干旱風(fēng)沙區(qū)疏林式草牧場防護(hù)林的土壤改良效應(yīng)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(2):55－58.

［16］ Palmer M A，F(xiàn)iloso S.Restoration of ecosystem services for environmental markets［J］.Science，2009，325:575－576.

［17］ Burton C M，Burton P J，Hebda R J，et al.Determining the optimal sowing density for a mixture of native plants used to revegetate degraded ecosystems［J］.Restoration Ecology，2006，14(3):379－390.