王合云, 李紅麗, 董 智, 陳新闖

(山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰山森林生態(tài)定位站, 山東 泰安271018)

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濱海鹽堿地不同造林樹種改良土壤效果研究

王合云, 李紅麗, 董 智, 陳新闖

(山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰山森林生態(tài)定位站, 山東 泰安271018)

為探討濱海鹽堿地不同造林樹種對土壤改良效果，采用野外取樣與室內(nèi)分析測試相結(jié)合的方法，選取不同造林樹種林地及對照荒地為研究對象，運(yùn)用隸屬函數(shù)法和主成分分析法對土壤肥力特征和鹽堿化特征進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明:造林可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，提高土壤肥力；降低土壤鹽漬化程度，由中鹽化向輕鹽化轉(zhuǎn)化，脫鹽過程與堿化過程并存；不同造林地土壤的肥力狀況為:刺槐林>冬棗林>楊樹林>桑樹林>白蠟林>榆樹林>紫穗槐林>檉柳林；鹽堿化狀況為：紫穗槐林>檉柳林>榆樹林>楊樹林>白蠟林>刺槐林>冬棗林>桑樹林。

造林樹種; 土壤肥力; 鹽堿化; 濱海鹽堿地

土壤鹽堿化是世界性的土壤退化問題，不僅造成資源的破壞，而且也給環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了危害，嚴(yán)重影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展[1-2]。黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，目前開發(fā)程度低，經(jīng)濟(jì)開發(fā)潛力較大，被譽(yù)為“金三角”地帶[3]。潮土和鹽土是研究區(qū)主要土壤類型[4]。鹽漬化土地面積占整個(gè)區(qū)域面積的1/2以上，呈插花狀分布。濱海鹽土含鹽量高，土壤水分有效性差，已成為該地區(qū)造林成活率和保存率最為主要的限制因子[5]。目前，國內(nèi)外對鹽堿化嚴(yán)重地區(qū)土壤的研究主要集中在土壤鹽漬化的發(fā)生演化、改良利用、對環(huán)境的危害和綜合治理等方面[6-9]，而且我國在物理改良、水利工程改良、化學(xué)改良等方面已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，收到了顯著效果[10]，但對自然生境鹽脅迫下不同造林樹種改良土壤效果的研究較少。為揭示黃河三角洲濱海鹽堿地不同造林樹種對土壤的改良狀況，以沾化縣下洼鎮(zhèn)棗旺林場鹽堿地的8種造林地及對照荒地為研究對象，研究了不同造林樹種林地的土壤基本理化性質(zhì)，并對土壤肥力性質(zhì)和鹽堿化程度進(jìn)行了綜合評價(jià)，以期為進(jìn)一步研究該區(qū)鹽堿運(yùn)移規(guī)律及鹽堿化土壤的有效改良利用和造林樹種的選擇提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

選取研究區(qū)內(nèi)8種造林林地為研究對象，分別為榆樹(UlmuspumilaL.)、桑樹(MorusalbaLinn. Sp.)、白蠟(FraxinuschinensisRoxb)、楊樹(PopulusL.)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、刺槐(RobiniapseucdoacaciaL.)、冬棗(Ziziphusjujubacv.)和檉柳(TamarixchinensisLour.)，各樹種均于2009年春季造林，2013年調(diào)查時(shí)苗齡為6 a。每年進(jìn)行除草、松土、灌溉等工作。造林前各地塊均為鹽堿荒地，植被蓋度<10%，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤容重為1.51～1.65 g/cm3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.01 g/kg，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.62 g/kg，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.54 g/kg，土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.01 g/kg。各樹種的生長狀況如表1所示。

表1　研究區(qū)不同造林樹種生長狀況

1.2土壤采集方法

2013年10月上旬，選取8種造林地及距造林地150 m外的荒地為研究對象，每種林分設(shè)立三個(gè)地塊，在每個(gè)地塊內(nèi)選擇有代表性的地段設(shè)立0.1 hm2的固定標(biāo)準(zhǔn)地，根據(jù)造林樹種根系生長與分布狀況，每個(gè)地塊內(nèi)選取3個(gè)樣點(diǎn)，分別取0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm三個(gè)土層的土樣500 g，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干后，過2，1，0.25和0.149 mm的土壤篩，測定土壤理化性質(zhì)。

1.3土壤質(zhì)量指標(biāo)的測定

1.4參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

土壤質(zhì)量指標(biāo)之間是不可加和的，但可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理來消除各參數(shù)之間量綱的差別。本文采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)分析法，累加各造林樹種林地理化指標(biāo)的隸屬值，求取平均值，根據(jù)各樹種平均值大小來確定土壤改良效果[12]。計(jì)算方程為：

(1) 如果所測指標(biāo)與土壤改良效果呈正相關(guān)，則：

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

(2) 如果所測指標(biāo)與土壤改良效果呈負(fù)相關(guān)，則：

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

式中：X(u)——各樹種某一指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；X——各樹種某一指標(biāo)的測定值；Xmax——所有樹種此指標(biāo)的最大值；Xmin——所有樹種此指標(biāo)的最小值。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

全部數(shù)據(jù)處理借助軟件Excel 2007和SPSS 17.0。運(yùn)用隸屬函數(shù)法和主成分分析法進(jìn)行土壤肥力特征和鹽堿化特征評價(jià)，以揭示不同造林樹種對土壤改良狀況。

2　結(jié)果與分析

2.1不同樹種造林地土壤理化性質(zhì)特征分析

由表2可知，不同樹種均對鹽堿土有一定改良作用，可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，提高土壤肥力，但因樹種的生物生態(tài)學(xué)特性不同，改土增肥能力也有所不同。人工造林林地土壤容重平均為1.36 g/cm3，比對照荒地降低10%。不同造林地及荒地土壤pH均在7.9以上，呈堿性。造林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均值分別為6.49，1.14，1.20，7.17 g/kg，比對照荒地分別提高了206%，80%，224%，19%。林木從土壤下層吸收養(yǎng)分，通過凋落物途徑歸還土壤，枯落物及其分解增加了土壤的有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分含量。

不同造林樹種對陽離子交換量的影響不同，其中紫穗槐、檉柳、榆樹和楊樹林地土壤陽離子交換量高于荒地；各樹種林地的總堿度均高于荒地，紫穗槐林地土壤的平均總堿度最高，為1.17 cmol/kg，其次是檉柳林地，為0.99 cmol/kg，荒地最低，為0.48 cmol/kg。土壤堿化度在不同造林樹種林地的差異較大，其中紫穗槐林地的平均堿化度最大，為10.55%，其次是檉柳林地，為8.90%，而荒地為5.95%。荒地土壤全鹽量最高，平均為3.89 g/kg，為中度鹽漬土，除冬棗林地土壤(2.09 g/kg)外，各林地土壤全鹽量平均值均小于2.00 g/kg，為輕度鹽漬化土，其中檉柳林地土壤全鹽量最低，平均值為1.31 g/kg，各造林樹種林地平均含鹽量降低46%～66%，不同樹種對土壤含鹽量改良效果表現(xiàn)為:檉柳林>白蠟林>楊樹林>桑樹林>刺槐林>紫穗槐林>榆樹林>冬棗林。交換性Na+與堿化度在各林地土壤中的變化趨勢一致，紫穗槐林地土壤的平均交換性Na+質(zhì)量摩爾濃度最高，為1.93 cmol/kg，其次是檉柳林地，為1.57 cmol/kg，桑樹最低，為0.33 cmol/kg，桑樹土壤交換性Na+與堿化度明顯低于荒地，可能與種植試驗(yàn)前土壤存在不一致有關(guān)。

含有較多交換性Na+的土壤膠體在土壤有較多可溶鹽的條件下，由于土壤溶液的濃度較大阻止了交換性Na+的水解，所以，土壤不發(fā)生堿化。只有當(dāng)土壤脫鹽到一定程度，土壤交換性Na+發(fā)生水解，土壤才呈現(xiàn)堿化特征。通常堿化過程與脫鹽過程相伴發(fā)生。黃河三角洲濱海鹽堿地地區(qū)，年降水量主要集中于6—8月份內(nèi)，每降一次有效降雨，就淋洗一次土壤鹽分，天晴后地表又因蒸發(fā)而重新積鹽。在這樣鹽分反復(fù)地淋洗、積累的過程中，土壤較容易發(fā)生堿化。當(dāng)土壤中脫鹽和積鹽過程頻繁交替發(fā)生時(shí)，可溶性Na+進(jìn)入土壤膠體取代Mg2+、Ca2+，土壤即發(fā)生堿化[13]。經(jīng)過各林分改造作用，土壤鹽漬化程度降低，由中鹽化向輕鹽化轉(zhuǎn)化，脫鹽過程與堿化過程同時(shí)發(fā)生，各林地土壤全鹽量均低于荒地，而pH(桑樹)高于荒地。

表2　不同造林樹種林地土壤理化性質(zhì)

2.2不同樹種造林地土壤肥力特征評價(jià)

土壤質(zhì)量的核心是土壤生產(chǎn)力，其基礎(chǔ)是土壤肥力[14]。土壤肥力質(zhì)量是土壤質(zhì)量的重要組成部分，是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可持續(xù)性。在生產(chǎn)應(yīng)用上，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的大小常用來衡量土壤肥力的高低[15]。根據(jù)鹽堿土壤特點(diǎn)，選取以下對植物生長發(fā)育影響較大的七個(gè)指標(biāo)：土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及陽離子交換量，構(gòu)成評價(jià)的因子。應(yīng)用隸屬函數(shù)分析法對8種不同樹種造林地土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)，從表3可以看出，8種不同造林樹種對土壤肥力的改良狀況影響不一，刺槐林地土壤肥力的綜合指標(biāo)值最大，為0.803；冬棗林地土壤次之，為0.539；檉柳林地土壤最小，為0.138。其肥力指標(biāo)綜合排序?yàn)椋捍袒绷?冬棗林>楊樹林>桑樹林>白蠟林>榆樹林>紫穗槐林>檉柳林。刺槐對土壤肥力的改良效果最好，這是因?yàn)榇袒绷值赝寥辣韺涌萋湮飳虞^厚，經(jīng)微生物分解后產(chǎn)生較多的腐殖質(zhì)，增加了有機(jī)物的積累。檉柳對土壤肥力的改良效果最差，這是因?yàn)闄f柳林地枯落物積累少，有機(jī)物積累也少，土壤肥力較低。

2.3不同樹種造林地土壤鹽堿化特征評價(jià)

不同造林地土壤鹽堿化程度的定量評價(jià)對于該區(qū)土壤的有效改良利用具有重要意義。考慮到土壤鹽堿化程度影響因素較多、相互之間密切相關(guān)的特點(diǎn)，根據(jù)所取土樣各項(xiàng)理化指標(biāo)的分析結(jié)果，取pH值、堿化度、總堿度、交換性Na+、全鹽量5個(gè)指標(biāo)對研究區(qū)土壤的鹽堿化程度進(jìn)行綜合評價(jià)。運(yùn)用主成分分析法[16]，以各主成分特征的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，加權(quán)計(jì)算[17]各林地土壤鹽堿化綜合指標(biāo)值。鹽堿化綜合指標(biāo)值越大，說明土壤鹽堿化程度越高，對植物的危害性越大。通過對5個(gè)指標(biāo)的主成分分析，得出主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及其特征向量，如表4所示。

表3　不同造林樹種林地土壤肥力指標(biāo)綜合評價(jià)指數(shù)及順序

由表4可知，前兩個(gè)主成分Y1和Y2的方差和占全部方差的比例為95.736%，即基本上保留了原來指標(biāo)的信息。選取Y1為第一主成分，Y2為第二主成分對上述5個(gè)指標(biāo)的主成分分析，得到兩個(gè)主成分方程為：

第一主成分方程：Y1=0.495x1+0.471x2+0.481x3-0.265x4+0.481x5

第二主成分方程：Y2=-0.051x1-0.201x2+0.354x3+0.839x4+0.357x5

式中：x1，x2，x3，x4，x5——pH值、總堿度、堿化度、全鹽量、交換性Na+。從主成分特征向量可以看出，第一主成分Y1可以看成是x1，x2，x3，x5的綜合變量。第二主成分依賴于變量x4，這標(biāo)示著Y2反映的是全鹽量的水平。

表4　不同造林樹種林地土壤主成分特征值及其貢獻(xiàn)率

由表4可知，所選前2項(xiàng)主成分的特征值分別是3.749，1.038，權(quán)重分別為0.783，0.217。將前2項(xiàng)主成分的特征向量分別乘以相對應(yīng)的每一樣點(diǎn)原始數(shù)據(jù)，得到每一樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化原始數(shù)據(jù)矩陣，即得到每一樣點(diǎn)前2項(xiàng)主分量值，并將每一樣點(diǎn)前2項(xiàng)主成分值再乘以相應(yīng)的權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)求和，得到每一樣點(diǎn)的得分值，再對每一造林樹種土壤的得分求其平均值，得到不同造林樹種土壤鹽堿化綜合指標(biāo)值。

由圖1可知，不同造林樹種對土壤鹽堿化程度影響不一，紫穗槐林地土壤的鹽堿化綜合指標(biāo)值最大，為9.239；檉柳林地土壤次之，為8.299；刺槐林地、冬棗林地和桑樹林地土壤的鹽堿化綜合指標(biāo)值低于荒地。不同造林地土壤的得分排序?yàn)椋鹤纤牖?檉柳>榆樹>楊樹>白蠟>刺槐>冬棗>桑樹。

圖1　不同造林樹種土壤鹽堿化綜合指標(biāo)值

3　結(jié) 論

(1) 不同造林樹種均對鹽堿土有一定改良作用，可改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，提高土壤肥力，但因樹種的生物生態(tài)學(xué)特性不同，改土保肥能力也有所不同。經(jīng)過各林分改造作用，土壤鹽漬化程度降低，由中鹽化向輕鹽化轉(zhuǎn)化，而土壤堿化程度有所增加，土壤脫鹽過程與堿化過程并存，各林地土壤全鹽量均低于荒地，而pH(桑樹)高于荒地。交換性Na+與堿化度在各林地土壤中的變化趨勢一致。土壤堿化程度以紫穗槐林地最大，檉柳林地次之。

(2) 以隸屬函數(shù)分析法對各造林地土壤肥力特征的綜合評價(jià)結(jié)果為:刺槐林>冬棗林>楊樹林>桑樹林>白蠟林>榆樹林>紫穗槐林>檉柳林，刺槐對土壤肥力的改良效果最好。

(3) 以主成分分析法對各造林地土壤鹽堿化程度的綜合評價(jià)結(jié)果為:紫穗槐林>檉柳林>榆樹林>楊樹林>白蠟林>刺槐林>冬棗林>桑樹林，其中紫穗槐林地的土壤鹽堿化程度最高，刺槐林地、冬棗林地和桑樹林地土壤鹽堿化程度低于荒地。

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Study on the Effects of Different Afforestation Species on the Soil Improvement in Coastal Saline Area

WANG Heyun, LI Hongli, DONG Zhi, CHEN Xinchuang

(College of Forestry, Shandong Agricultural University, Shandong Provincial Key Laboratory of Soil ErosionandEcologicalRestoration,TaishanForestEcosystemResearchStation,Tai′an,Shandong271018,China)

In order to study the soil improvement effects of different afforestation species, soil samples were collected from afforested woodlots different in tree species for lab analysis of fertility and alkalization characteristics, of which a systematic study was done with the mothed of subordinate function and principal component analysis. Results showed that afforestation could improve soil structure, reduce soil bulk density, improve soil fertility, reduce the degree of soil salinization, which transformed the medium salinization to light salinization, desalination process and alkalization process coexisted; soil fertility in different afforestation models decreased in the order: Black locust>Winter jujube>Poplar>Mulberry>Chinese ash>Elm>Amorpha>Tamarisk; soil alkalization levels decreased in the order: Amorpha>Tamarisk>Elm>Poplar>Chinese ash>Black locust>Winter jujube>Mulberry.

afforestation species; soil fertility; salinization; coastal saline soil

2015-03-21

2015-03-27

世界銀行貸款山東生態(tài)造林項(xiàng)目“山東生態(tài)造林項(xiàng)目生態(tài)效益監(jiān)測與評估”(SEAP-JC-2);中國水利水電科學(xué)研究院院專項(xiàng)“泥基本科研1575：基于含鈣廢棄物的鹽堿土改良技術(shù)研究”

王合云(1990—),女,山東聊城人,碩士研究生,主要從事林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail:xaiqian@163.com

李紅麗(1972—),女,內(nèi)蒙古赤峰市人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事荒漠化防治與植被恢復(fù)研究。E-mail:lhl@sdau.edu.cn

S728.5

A

1005-3409(2016)02-0161-05