玉米提哈力克，塔依爾江艾山，張利霞，阿布都拉阿不力孜，Martin Welp，Siegmund Missall

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊830046；2.德國艾希施泰特—英格爾斯塔特大學數學與地理學院，德國艾希施泰特85071；3.德國埃伯斯瓦爾德應用技術大學森林與環(huán)境學院，德國埃伯斯瓦爾德16225)

0 引言

城郊防護林是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，也是城市中具有負反饋調節(jié)功能的生態(tài)支持系統(tǒng)和城市健康持續(xù)發(fā)展的基礎.研究表明，一個城市的森林覆被率達到30%以上且分布均勻，才能起到城市生態(tài)安全的作用[1].在我國城市的林地要達到這一指標難度較大，只能在城郊區(qū)大力發(fā)展森林，以補充市區(qū)森林的不足，才能有效維護城市生態(tài)環(huán)境的良好狀況.因此，經營和管理好城郊防護林已成為建設城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要內容.

以城郊森林建設與保護來改善城市居住環(huán)境已成為干旱區(qū)綠洲城市的可持續(xù)發(fā)展模式和城市市民的迫切需求.城市森林不僅改善城市人居環(huán)境，維持生態(tài)平衡，同時促進人與自然協調發(fā)展.在城郊區(qū)建立以防護林為主題的森林體系，即構建具有空間結構和生態(tài)經濟功能的森林資源群體[2]，具有改善城市氣候、降低空氣污染、有效改良土壤、防止土地退化及水土流失、減少自然災害等多方面的生態(tài)系統(tǒng)服務功能[3].人工防護林建設對土壤的改良作用既關系到土壤動植物健康更關系到區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量[4,5]；在我國，對城郊防護林的土壤改良作用進行專門研究并開展科學規(guī)劃的還不多見.部分學者探索研究了人工造林活動對土壤理化性質的影響，主要內容涉及到土壤水分及涵養(yǎng)功能變化的研究[6,7]，對土壤質量與肥力的提升情況分析[8?10]，對土壤重金屬含量與水溶性鹽的影響[11]，對土壤物理結構及顆粒分形特征的改善作用等[12,13].

柯柯牙地處新疆南部塔克拉瑪干沙漠北緣，位于阿克蘇市與溫宿縣之間的黃土地上，過去土壤貧瘠、溝壑縱橫、土壤鹽漬化極為嚴重，是阿克蘇市風沙災害的主要源頭[14].隨著1986年起開展的持續(xù)性大規(guī)模義務植樹造林工程的推進，昔日的荒漠如今已變成林海.本文通過對柯柯牙防護林工程不同造林類型的林地進行土壤理化性質的測試計量研究，試圖揭示人工造林對土壤理化性質影響的程度與特點，旨在為干旱區(qū)城郊防護林建設與生態(tài)恢復實踐提供基礎參考.

圖1 阿克蘇市郊柯柯牙防護林區(qū)示意圖

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

柯柯牙城郊防護林基地位于新疆南部阿克蘇市北郊，地理坐標為(圖1).平均海拔高度1 056～1 300 m，地面坡降1/80～1/1500，屬于暖溫帶干旱型氣候，平均年降水量56.7 mm，年蒸發(fā)量1 900～2 600 mm；年平均氣溫為的積溫為2 200?C，氣溫年較差和日較差較大；全年晴天多，光照充足，光熱資源豐富，年日照時數達2 854 h，無霜期為211 d.柯柯牙階地是發(fā)育在礫石基質層上的棕漠土，成土母質大致為洪積沖擊性的紅土母質，分布有沙丘土、鹽化土，土質自北向南由砂礫土向沙壤土過度.原始植被主要有駱駝刺（Alhagi pseudalhagi），駱駝蓬（Peganum harmala），蒿（Artemisia sp.），蘆葦（Phragmites australis），甘草（Glycyrrhiza inflata），鈴鐺刺（Halimodendron halodendron），檉柳（Tamarix chinensis），芨芨草（Achnatherum splendens），胖姑娘（Karelinia caspica）等，但數量極少、疏散，分布不均.土壤類型主要是棕漠土(brown desert soil)，土壤結構主要為沙土、沙壤土、粘土、重粘土、鹽堿土.

1986年，阿克蘇地區(qū)啟動了柯柯牙人工防護林建設工程，至2010年已完成造林綠化面積1.39×104hm2，建成了集多種經濟林、生態(tài)防護林于一體的“綠色長城”.阿克蘇市也因此先后榮獲“中國人居環(huán)境范例獎（2001年），“全國園林綠化先進城市”（2003年）、“國家森林城市”（2008年）的稱號[15].

1.2 樣地選取及土樣的采集

根據柯柯牙城郊林區(qū)立地條件，結合不同地段風沙危害程度、地下水位及天然植被的分布情況，在溫宿縣境內沿柯柯牙防護林延伸方向選取一條長約10 km的樣帶，在樣帶內選定4種人工造林類型（紅棗林、香梨林、蘋果林和楊樹林）（表1）.每個類型林地分別設置2個樣地；為了對照有無林地土壤性質差異，在水土條件相同的無植被裸露沙地選取樣地2個，每個樣地設3個重復樣方.春季灌溉施肥開展前（4月中旬），在所選樣地內用“五點法”取土樣，同類樣地同部位同層樣品混合后，分析其主要理化性質.

表1 人工防護林主要造林類型樣地概況

1.3 測定方法與數據處理

對采回的樣品進行預處理，并在2013年5月28日至8月13日期間陸續(xù)完成各項土壤因子的測定和分析工作.在試驗中，土壤含水率的測定用烘干法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤的機械組成分析用篩分法，pH值用玻璃電極法，土壤水溶性鹽總量用質量法測定；含量的測定用EDTA滴定法含量用雙指示劑中和滴定法，Cl?用硝酸銀滴定法，用EDTA間接絡合滴定法，K++Na+用差量法測定并計量；土壤有機質采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法外加熱法，土壤全氮用凱氏定氮法，土壤全磷用HCIO4-H2SO4法測定；土壤堿解氮用堿解擴散法，土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法，速效鉀用醋酸銨—火焰光度計法測定.

土壤質量綜合分析采用模糊數學的隸屬函數法[16,17]，綜合考慮各項指標優(yōu)劣，計算出隸屬函數均值并進行排序，均值越大，則土壤質量就越優(yōu).由于反映土壤質量的各個因子具有連續(xù)性，故各個因子采用連續(xù)性質的隸屬度函數，對土壤質量影響呈正相關性的因子，采用升型分布函數；而對土壤質量影響呈負相關的因子，采用降型分布函數，計算公式如下：

升型分布函數

降型分布函數

隸屬函數均值

公式中，Zij為i樣地、j指標的隸屬函數值；Xij為i樣地、j指標的測定值，和分別為各樣地中指標最大和最小測定值；為樣地的隸屬函數平均值；n為指標數.根據試驗的各指標數據，計算隸屬函數值.

2 結果與討論

2.1 不同林型土壤鹽分含量分析

土壤水溶性鹽對土壤的理化性質和作物生長都能產生直接影響，是限制作物生長的重要因素，它作為鹽堿土的一個重要屬性，是鹽堿土改良效果的重要依據.不同造林活動對土壤鹽分含量的影響也存在一定的差異.測試得知，四種造林類型均明顯降低了土壤中Ca2+、Mg2+、Cl?、SO2?4和K++Na+的含量，從而大大減少了土壤總鹽的含量，其總鹽含量排序為：楊樹林>蘋果林>紅棗林>香梨林（圖2）.

圖2 不同造林類型土壤水溶性鹽分離子組成（mg/kg）

果樹經濟林樣地中不同土層鹽含量表現為：30～50 cm>0～10 cm>10～30 cm.在楊樹防護林帶的樣地中0～10 cm土層鹽含量較高.由此可看出，不同樹種的造林活動對不同林型各土層的鹽分含量也產生不同程度的影響.栽種果樹經濟林后，果農定期的漫灌起到了很好的“壓鹽”作用，使得原來聚集在表層土壤中的鹽分向下遷移，一方面更有利于果樹生長，另一方面也促進了林下草灌木植被的發(fā)育，增加林內下墊面粗糙度，從而起到更好的防護作用.

2.2 不同林型土壤理化性質與養(yǎng)分含量分析

通過對不同林型下土壤因子的測試分析可知，人工造林過程對土壤理化性質的影響顯著，表現為：與對照樣地（裸露沙地）相比，四種林型各土層均呈現土壤容重降低、含水量明顯提高、細砂百分比增加的趨勢.城郊防護林不同類型造林活動均有效降低了土壤堿度，提高了土壤有機質和養(yǎng)分含量（表2）.

各林型土壤的容重均低于對照區(qū)（裸露沙地）土壤的容重，并且它們之間有顯著差異性；從土壤改良效果來看，以紅棗最好，其次排序為蘋果、楊樹和香梨，這說明各種造林模式均明顯降低了土壤容重，改善了土壤結構.土壤水分是土壤諸多因素中最活躍、最重要的指標之一，它不僅是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分流動與循環(huán)的載體，而且積極參與土壤中物質的轉化過程.各林型改善土壤含水量的能力差別不顯著，總體表現為：紅棗>楊樹>蘋果>香梨.土壤機械組成是各層土壤各粒級所占的重量百分比.機械組成不同的土壤，它們之間的水、肥、熱、物理機械性質、分散體系性質及土壤團聚性都不同.長期的耕作影響著表層土壤顆粒組成的變化.從表2可知，不同造林類型的土壤機械成分表現出一定的差異性，且各層土壤中細沙、極細沙、粉沙的含量明顯高于對照樣地，各層土壤<0.25 mm的細沙含量以楊樹樣地最高，較對照樣地相同土層均高出近一倍.計算并對比不同造林類型各土層不同粒徑含量百分比的平均值，<0.25 mm的細沙含量表現為：楊樹>蘋果>紅棗>香梨，分別較對照樣地高35.37%、30.80%、22.28%、19.43%，因此楊樹樣地的土壤細沙含量最高，土壤質地為最好.隨著柯柯牙造林工程的實施，各林型的土壤機械組成均發(fā)生不同程度的改變，從而影響了土壤的結構以及入滲、保墑等性狀.差異原因與人工擾動、植被根系活動和覆蓋程度有關.

表2 不同造林類型各土層土壤理化性質與養(yǎng)分含量分析

土壤pH值是土壤形成以及熟化培肥過程的重要指標[18].它對土壤中養(yǎng)分存在形式及其有效性，土壤的理化性質以及作物生理生長都能產生直接影響，可以作為衡量鹽堿土改良效益的重要依據[19]，合適的pH值環(huán)境更有利于植被對土壤養(yǎng)分的吸收和利用.4種造林類型樣地內土壤都呈堿性，且pH值都比對照樣地低，其中楊樹樣地對土壤pH值的改良作用最為明顯.從土層變化上看，pH值變化規(guī)律不是很明顯，基本上符合0～30 cm土層較其它土層稍偏大，較小的pH值在一定程度上更促進了林下植被的生長.不同林帶下生長的草本植物凋落物的降解所產生的有機酸可以改變土壤的pH值，人工撫育措施在一定程度上可以增加土壤的通氣性，提高土壤氧化還原電位，從而改變土壤pH值.

土壤有機質是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，其含量是衡量土壤肥力高低的重要指標.全氮量通常用于衡量土壤氮素的基礎肥力，而土壤有效氮量與植物生長關系密切，在推廣施肥中意義更大[20].研究表明，不同造林類型各土層營養(yǎng)物質含量均成倍高于對照的裸露樣地，如香梨樣地土壤有機質含量均值為214.68 g/kg，是對照樣地的5倍多，蘋果樣地土壤堿解氮含量均值為27.28 mg/kg，是對照樣地的近12倍，其速效鉀含量均值為2 015.45 mg/kg，是對照樣地的近7倍.由此可見，造林活動大幅度提高了各層土壤的有機質、全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分的含量，有效提升了土壤肥力.果樹經濟林樣地土壤中各營養(yǎng)元素與楊樹防護林相比高出很多，其原因是經濟林樹種受到較強人為活動的影響，每年不斷的翻耕使得大量有機質被埋在下層土壤中，隨著微生物的分解含量逐漸降低.

2.3 土壤各因子相關性分析

通過對土壤理化性質因子之間的相關程度進行分析可知（表3），土壤各因子之間存在著較為密切的相關性，pH值與粒徑呈高度負相關性，與其他因子均無顯著相關性；水溶性鹽與容重之間呈極顯著正相關性，它們均與除pH值以外的其它因子之間存在極顯著負相關性.

對于有機質含量而言，隨著土壤容重的下降，土壤中微生物活動的頻繁，土壤中凋落物和動植物殘體的分解速度加快，有利于有機質的積累.土壤容重和顆粒組成之間呈極顯著負相關性，細顆粒物含量高，即土壤容重校 它們均與土壤養(yǎng)分因子存在密切聯系.一般情況下，細顆粒物含量比例增加，質地細密有利于營養(yǎng)元素的吸收和儲存；反之，營養(yǎng)元素的增加，也更加有利于土壤團粒結構的形成，提高土壤的穩(wěn)定性[21].土壤有機質、全氮、全磷及堿解氮、有效磷與土壤容重均呈現出極顯著負相關，與土壤細砂含量呈正相關，土壤速效鉀含量與土壤容重呈極顯著正相關，與土壤細砂的含量呈負相關.由此可知，隨著土壤中細沙含量的增加，土壤容重呈降低趨勢，會使土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量增加，同時使速效鉀的含量減少.

表3 土壤性質各因子間相關性分析

2.4 不同造林類型的土壤改良狀況分析

根據不同造林類型的土壤各指標試驗數據的平均值，計算隸屬函數值.結果顯示，改良后土壤質量的優(yōu)劣程度排序為：蘋果林地（0.749 7）>紅棗林地（0.615 9）>香梨林地（0.381 4）>楊樹林地（0.348 4）.產生該結果的主要原因是人工造林活動對不同林型樣地的影響有所差異.通過調查發(fā)現，果樹經濟林中香梨樣地的土壤質量與蘋果和紅棗樣地相比較差，因為當地果農種植果樹時，鑒于香梨的耐鹽堿等特點，選擇了鹽堿化比較嚴重的區(qū)域作為香梨的種植地，導致香梨標準地的土壤原始質量偏低，這與研究結果是一致的.另外，人類對于果樹經濟林采取的耕作方式是每年全墾撫育，通過施肥、灌溉等方式對其土壤質量的改善程度更大；而楊樹防護林則采用的是帶狀整地撫育，其人類活動影響僅限于定期灌溉.

總之，人工造林活動對土壤的改良作用明顯，不僅改善了當地土壤環(huán)境狀況，與此同時還帶來了較高的經濟效益.

3 結論

柯柯牙城郊防護林工程開展以來，對土壤的理化性質產生了極大的影響，體現在土壤結構得以改善、土壤水分大幅提升、pH值和可溶性鹽含量有效降低、土壤有機質和養(yǎng)分含量明顯提高.

防護林建設所選用的樹種不同，改良效果也存在差異.四種林型中，紅棗樣地內土壤容重最小、含水量最高，其改良效果最好.楊樹防護林樣地的土壤水溶性鹽含量比果樹經濟林樣地低，經濟林樣地中層土壤（10～30 cm）的水溶性鹽含量高于表層（0～10 cm）和底層（30～50 cm），說明果農對經濟林樹種定期漫灌的“壓鹽”作用效果明顯.各林型對土壤化學性質的改良效果存在差異，總體上均大幅提高了各層土壤的有機質、全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分的含量，有效提升了土壤肥力.

土壤理化性質各因子之間存在著較為密切的相關性，水溶性鹽與容重之間呈極顯著正相關性，它們均與除pH值以外的其它因子之間存在極顯著負相關性，表明水溶性鹽含量對土壤各因子有顯著影響；土壤容重、機械組成與土壤肥力因子間的相關性分析結果表明，隨著土壤中細沙含量的增加，土壤容重降低，土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量將增加，且速效鉀的含量將減少.

通過不同造林類型土壤改良狀況的綜合分析得出，改良后土壤優(yōu)劣程度排序為：蘋果林地>紅棗林地>香梨林地>楊樹林地.其主要原因是人類活動的影響程度與植物生理代謝等生命活動的差異性.