藺 鑫，李 想，王安寧，李玉靈*，王玉忠，李曉剛

河北省東部，渤海灣西岸的濱海平原北起曹妃甸，南至黃驊市［1］，屬于濱海濕潤-半濕潤海水浸漬鹽漬區(qū)，其鹽堿土和地下水中鹽分主要來自海水，土壤由鹽漬淤泥發(fā)育而來，鹽分積累過程先于成土過程，鹽分含量高、分散性強、低洼易澇、脫鹽困難，造成土地生產力十分低下［2］。其中冀東滄州地區(qū)鹽堿地不僅具有上述特點，且地下水埋深，農作物難以生長，以致絕大部分土地長期處于荒蕪狀態(tài)。目前，該區(qū)域鹽堿荒地總面積21.3萬hm2，占該地區(qū)耕地總面積33.6%，呈連片分布。隨著“京津冀”一體化的提出與發(fā)展，以及人民生活水平的提高對濱海生態(tài)環(huán)境狀況提出更高的要求，對這些大面積長期閑置的濱海鹽堿地的治理和改良利用，現(xiàn)已成為河北省急需解決的困難［3-4］。對鹽堿地治理的根本途徑在于恢復植被［5］。密度是影響林分生長(樹高、材積、胸徑)和林分穩(wěn)定性的重要因子，揭示其對林木生長的作用規(guī)律以及通過人為干擾措施，使林木處在最佳密度下生長，一直都是森林經理學中的重要研究任務之一。但目前有關林分密度與土壤之間的關系研究，幾乎全部集中于研究不同林分密度對土壤水文效應的影響，而與土壤結構、養(yǎng)分等非水文特性之間的相互關系則極少［6-8］。

白榆(Ulmus pumila)是華北地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種［9］，生長快、材質好、適應性強，特別是耐鹽堿、抗寒、抗旱、耐瘠薄，同時，對煙和有毒氣體也有較強抗性。此外，白榆還有一定的經濟價值，樹皮所含纖維非常堅韌，高達16.14%，可代麻用，制繩索、麻袋或人造棉。

本研究選擇白榆為研究對象，在冀東濱海鹽堿地上進行不同密度植苗造林試驗，揭示造林密度對鹽堿地上白榆生長的影響和對鹽堿地土壤理化性質的改良作用，確定鹽堿地上白榆造林的適宜密度，為鹽堿地造林并進一步構建生態(tài)經濟型造林模式，促進鹽堿地改良等生態(tài)環(huán)境建設提供技術支撐與理論依據［10］。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于河北省滄州市鹽山縣小營鄉(xiāng)許莊子村(37°49'－38°06'N，116°56'－117°30'E)，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，光、熱資源充足，年平均氣溫17.1℃，全年≥10℃的天數為246 d，活動積溫5 380℃，降雨788 mm，無霜期為285 d。試驗地土壤由紅土、黏土構成，地下水礦化度較高，土壤全鹽含量1.98‰～10.73‰。境內植物稀少，造林前試驗地是以稀少鄉(xiāng)土草本植物蘆葦(Phragmites australias)和堿蓬(Suaeda glauca)構成的鹽堿撂荒地。

2 研究方法

2.1 試驗設計

試驗所用樹種為白榆，所選苗木均為根系發(fā)達、枝葉強壯的兩根一干苗(2年生苗)。試驗采取植苗造林，共設置3個密度梯度，即株行距分別為高密型(1 m×4 m)、中密型(2 m×4 m)、稀疏型(3 m×4 m)。其中1 m×4 m和2 m×4 m兩個水平均栽植4行，3 m×4 m水平栽植2行，小區(qū)外圍設置1列(行)保護行。試驗地總面積約1 hm2。

2015年春季，先進行開溝處理，開溝深度為80～100 cm，將下層堅硬有黏層的土壤翻到土壤表層，并在溝底鋪一層10～20 cm厚的麥稈與雜草粗粉碎末，最后栽植苗木。

2.2 植物生長情況調查

2016年8月，對各造林密度下存活的全部苗木進行每木檢尺，測量樹高和胸徑。根據每木檢尺結果，選取標準株3株，采用全收獲法測定生物量［10］。

2.3 土樣采集

2016年8月，植物生長情況調查后，在各造林密度下沿行間、樹木周圍隨機設3個取樣點，同時，在對照空地也隨機設置3個取樣點，挖取60 cm深土壤剖面。每10 cm為一層，分別用環(huán)刀、土壤自封袋采集一定量土樣，進行編號后帶回實驗室，測定理化性質。

采用環(huán)刀法［11］測定土壤容重、孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)、自然含水量及持水量(田間持水量、毛管持水量)。

將土壤自封袋內所采集土樣放于室內陰干，全部過20目篩，取一定量的樣品測定化學性質各指標。土壤全鹽含量按1∶5的土水比例浸提測定［12-13］，pH值采用pH計測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外稀釋法測定;全N含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，全P含量采用堿溶鉬藍比色法測定，速效磷含量采用0.5 mol·L－1NaHCO3浸提鉬藍比色法測定;全K含量采用NaOH熔融-火焰光度法測定，速效鉀含量采用2 mol·L－1HNO3溶液浸提-火焰光度法測定。

2.4 數據處理

利用Excel 2010和SPSS V 17.0統(tǒng)計軟件對數據進行方差分析，比較不同造林密度下各項指標的差異顯著性，用Duncan法進行多重比較(α=0.05)。采用模糊數學隸屬函數分析法，對3種造林密度土壤肥力改良效果綜合評價，肥力綜合指標值計算方法如下［14］。

2.4.1 各指標的隸屬函數值 毛管持水量、有機質、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K與土壤改良效果呈正相關，則:

容重、EC、pH與土壤改良效果呈負相關，則:

式中，X(u)為各密度下某一指標的隸屬函數值，X為各密度下某一指標的測定值，Xmax為所有密度下該指標的最大值，Xmin為所有密度下該指標的最小值。

2.4.2 累加每個密度 各個指標的隸屬函數值，計算其平均值，根據各密度平均值大小確定土壤改良效果。

3 結果與分析

3.1 造林密度對林木生長的影響

由表1可以看出，白榆的胸徑、地上生物量和地下生物量均在中密型密度下最大，分別達到29.13 mm、1 604.2 g 和 519.8 g。對于根冠比，同樣是在中密型密度下最大，這說明中密型造林密度下白榆地上、地下2部分養(yǎng)分分配較均衡，生長較協(xié)調，長勢比其他2密度較好。通過不同密度對土壤理化性質改良效果分析，中密型密度白榆長勢好，多數是因為中密型密度對土壤改良作用最好，土壤又反過來為該密度下白榆生長提供了良好的生存環(huán)境。而其他2密度白榆長勢較差的原因，可能是鹽堿地本身養(yǎng)分貧瘠，不利于植物生長，而高密型密度過大，林木個體間在光照、土壤養(yǎng)分等各方面存在資源競爭。因此，僅就植物生長情況而言，中密型密度可作為鹽堿地改良的適宜造林密度。

表1 不同造林密度林地植物生長情況Table 1 Plant growth in different planting density treatments

3.2 造林密度對土壤理化性質的影響

3.2.1 物理性質 表2為不同造林密度下0～60 cm層土壤自然含水量。不同密度及CK間比較時，土壤自然含水量平均值在CK最小，隨造林密度增大而逐漸增大，高密型和中密型分別達到22.78%和22.52%;此外，在30～40 cm 層，高密型和中密型自然含水量均顯著＞CK(P＜0.05)?？梢娤鄬Ω呙芏仍炝謱}堿土壤自然含水量的提高作用優(yōu)于低密度。同一密度的不同土層間比較時，3種密度土壤自然含水量均在0～20 cm表層較低，隨土層深度的增加而增大，這可能由于夏季溫度高，造林后植被增多，促使蒸發(fā)散量較大所致。

表3為不同造林密度下0～60 cm層土壤持水量狀況。可以看出，CK土壤持水能力較差，而各造林密度下不同土層的3種持水量多數較CK相同土層都有提高，且2種持水量均有隨造林密度的增大而增大的趨勢。其中，高密型和中密型2種持水量指標平均值均顯著＞CK(P＜0.05)，特別是田間持水量，高密型和中密型不僅明顯＞CK(P＜0.05)，且顯著高于稀疏型密度(P＜0.05)，分別為 25.79%和 25.55%。此外，在30～40 cm這一土層，高密型和中密型2密度的田間持水量和毛管持水量也均顯著＞CK(P＜0.05)。可見，相對高密度造林可顯著提高鹽堿地土壤持水量能力。同一密度的不同土層間比較時，稀疏型密度的2種持水量均在0～10 cm層較低，隨深度增大逐漸增大，且不同土層間存在顯著差異(P＜0.05);而高密型和中密型2密度2種持水量在不同土層間均無顯著差異(P＞0.05)，且無明顯變化規(guī)律。

表2 不同造林密度林地土壤自然含水量Table 2 Soil natural water capacity in different planting density treatments

表4為不同造林密度下0～60 cm層土壤孔隙狀況。相關研究表明［16］，水氣關系協(xié)調、結構良好的土壤，總孔隙度在40%～50%，非毛管孔隙度＞10%，非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例為0.50～0.25。表4可以看出，CK鹽堿荒地土壤結構較差，總孔隙度多數＜40%，非毛管孔隙度僅3.57%，而各密度對土壤孔隙結構均有不同程度的改善。3種孔隙度平均值均在中密型下最大，且毛管孔隙度和總孔隙度均顯著＞CK(P＜0.05)，分別達到 38.24%和42.11%。同一密度的不同土層之間，毛管孔隙度在各層間雖差異不顯著(P＞0.05)，但有隨土層深度增大先增大后減小的趨勢，而非毛管孔隙度和總孔隙度不同土層間無明顯變化規(guī)律。

3.2.2 化學性質 表5為不同造林密度下0～60 cm層土壤全鹽含量。全鹽含量是鹽堿土壤分析中的重要指標，而在一定濃度范圍內，土壤電導率與全鹽含量呈正相關，可直接反映出混合鹽的含量，同時土壤電導率測定具有操作簡捷、速度快、精度高的優(yōu)點。近年來，國內外許多學者直接采用電導率表示土壤全鹽含量［17-19］。本研究中，CK全鹽含量整體較高，最高達 1 381.0 μS·cm－1，而 3 種造林密度對土壤含鹽量均有降低作用，平均值均顯著＜CK(P＜0.05)，在 283.7～729.3 μS·cm－1。這說明植樹造林對鹽堿土壤鹽分含量的降低作用非常明顯，其原因可能一方面是植物本身對土壤中鹽分的吸附和富集，另一方面鹽分具有“鹽隨水來，鹽隨水去”的特點，造林后植被增加蒸發(fā)散增大，同時植物消耗及對土壤結構改良使地下水位降低的結果。同一密度的不同土層間比較，中密型密度土壤全鹽含量有隨深度增加而降低的趨勢。

表3 不同造林密度林地土壤持水量Table 3 Soil moisture capacity in different planting density treatments

圖1為不同造林密度下0～60 cm層土壤pH，可以看出，CK及各造林密度下土壤pH值＞8.00，在8.18～8.49之間。其中，CK 和高密型密度 pH 在各層均較高，而中密型和稀疏型2密度則較低，且平均值均明顯低于CK和高密型密度(P＜0.05)(表6)，分別為8.29和8.23。同一密度的不同土層間，高密型和稀疏型2密度土壤pH隨土層加深先增高后降低，中密型密度土壤pH值則隨土層加深逐漸增大。

表4 不同造林密度林地土壤孔隙度Table 4 Soil porosity in different planting density treatments

高密型 0～10 36.30 aA 4.11 aA 40.41 aA 10～20 37.21 aA 3.43 aA 40.64 aA 20～30 37.72 aA 2.85 aA 40.58 aAB 30～40 37.72 aA 4.55 aA 42.27 aA 40～50 38.03 aA 3.84 aA 41.87 aA 50～60 36.16 aA 4.18 aA 40.34 aA平均值 37.19 AB 3.83 A 41.02 AB中密型 0～10 37.69 aA 3.36 aA 41.05 aA 10～20 38.17 aA 3.23 aA 41.39 aA 20～30 38.50 aA 3.77 aA 42.27 aAB 30～40 38.37 aA 3.63 aA 42.00 aA 40～50 38.64 aA 4.79 aA 43.43 aA 50～60 38.06 aA 4.45 aA 42.51 aA平均值 38.24 A 3.87 A 42.11 A稀疏型 0～10 34.94 aA 2.27 aA 37.21 aA 10～20 37.18 aA 2.14 aA 39.32 abA 20～30 36.98 aA 2.07 aA 39.05 abA 30～40 38.10 aA 2.68 aA 40.78 abcA 40～50 37.69 aA 4.21 aA 41.90 bcA 50～60 39.42 aA 3.97 aA 43.39 cA平均值 37.38 AB 2.89 A 40.28 AB CK 0～10 35.67 A 3.83 A 39.50 A 10～20 36.73 A 2.13 A 38.87 A 20～30 39.80 A 3.90 A 43.70 B 30～40 31.90 A 4.60 A 36.50 A 40～50 36.43 A 4.20 A 40.63 A 50～60 34.23 A 2.77 A 37.00 A平均值 35.79 B 3.57 A 39.37 B

表5 不同造林密度林地土壤全鹽含量Table 5 Soil salt content in different planting density treatments

圖2為不同造林密度下0～60 cm層土壤有機質含量。土壤有機質作為土壤的重要組成物質，是土壤養(yǎng)分的來源，直接關系到土壤肥力。不同造林密度下各層土壤有機質含量為 3.22～9.50 g·kg－1。CK有機質含量雖相對較高，但僅在0～20 cm顯著高于稀疏型密度(P＜0.05)，與高密型和中密型2密度并未達到差異顯著水平(P＞0.05)。3種密度相比，中密型密度不僅有機質含量的平均值最大，且10～50 cm 4層的有機質含量也均高于其他，特別是10～20 cm 層顯著＞稀疏型密度(P＜0.05)。同一密度的不同土層間比較，各密度均無顯著差異(P＞0.05)。

圖1 不同造林密度林地土壤pHFig.1 Soil pH in different planting density treatments

表6 不同造林密度林地各化學性質指標平均值Table 6 The average of each index of chemical property in different planting density treatments

圖3為不同造林密度下0～60 cm層土壤全N含量。整體而言，不同造林密度土壤全N含量均較低，為 0.17～0.29 g·kg－1，CK 相對較高。3 種密度間比較，土壤全N含量平均值在稀疏型密度下最大，為 0.23 g·kg－1，中密型密度次之，高密型密度最小，可能是因為鹽堿地土壤養(yǎng)分貧瘠，本身N含量低，林木生長又需要消耗，且造林時間段，林木對其改良效果還未體現(xiàn)，而稀疏型密度植被少，消耗量小，導致土壤中遺留量大。不同土層間各密度全N含量均無顯著差異(P＞0.05)。

圖2 不同造林密度林地土壤有機質含量Fig.2 Soil organic matter contents in different planting density treatments

圖3 不同造林密度林地土壤全N含量Fig.3 Soil total nitrogen contents in different planting density treatments

圖4 為不同造林密度下0～60 cm層土壤堿解氮含量。整體而言，0～60 cm各層，CK堿解氮含量均較低，3種造林密度多數都＞CK。土壤堿解氮平均值在中密型造林密度下最高，達到23.03 mg·kg－1，且明顯＞CK(P＜0.05)。同一密度不同土層間比較，3種造林密度均無明顯變化規(guī)律。

圖4 不同造林密度林地土壤堿解N含量Fig.4 Soil hydrolysis nitrogen contents in different planting density treatments

圖5 為不同造林密度下0～60 cm層土壤全P含量。整體來看，0～60 cm各層中密型密度全P含量均最高，且各層均顯著高于CK、高密型和稀疏型密度(P＜0.05)，最高達 0.76 g·kg－1。同樣，中密型密度下全 P 含量平均值也最高，為 0.70 g·kg－1，亦顯著高于CK、高密型和稀疏型密度(P＜0.05)。同一密度的不同土層間比較時，3種密度的不同土層間均無明顯變化規(guī)律。

圖5 不同造林密度林地土壤全P含量Fig.5 Soil total phosphorus contents in different planting density treatments

圖6 為不同造林密度下0～60 cm層土壤速效磷含量。CK速效磷含量整體較高，在高密型密度最低僅0.24 mg·kg－1。同一土層下不同密度及CK間比較，土壤速效磷含量差異較大，但速效磷含量平均值有隨密度增大而降低的趨勢。高密型、中密型、稀疏型密度速效磷含量平均值分別為 0.81、1.20 mg·kg－1和 1.68 mg·kg－1。同一密度的不同土層間比較，3種密度土壤速效磷含量亦均變化較大，且無明顯變化規(guī)律。

圖6 不同造林密度林地土壤速效磷含量Fig.6 Soil available phosphorus contents in different planting density treatments

圖7 為不同造林密度下0～60 cm層土壤全K含量。3種密度土壤全K含量均較高，且平均值均顯著＞CK(P＜0.05)，其中中密型和稀疏型較大，高密型密度最低，為 12.80 g·kg－1。同一密度的不同土層間比較時，3種密度不同土層間雖均無顯著差異(P＞0.05)，但各密度全鉀含量均有隨土層加深先降低后增加的趨勢，3種密度都是在10～30 cm層最低。這可能是林木消耗利用所致，因白榆為淺根性樹種，至調查時林木生長4 a，根系恰好分布在該范圍內。

圖7 不同造林密度林地土壤全K含量Fig.7 Soil total potassium contents in different planting density treatments

圖8 為不同造林密度下0～60 cm層土壤速效K含量。3種造林密度各層土壤速效鉀含量均＞CK，且在 10～20、20～30、40～50 cm，各密度與 CK 均達到差異顯著水平(P＜0.05)。同時，3種密度土壤速效鉀含量平均值也均明顯＞CK(P＜0.05)，稀疏型密度最高達到 822.97 mg·kg－1，中密型密度次之。各密度的不同土層間均無明顯變化規(guī)律。

圖8 不同造林密度林地土壤速效K含量Fig.8 Soil available potassium contents in different planting density treatments

3.3 不同密度造林土壤肥力改良效果綜合評價

在生產應用上，有機質與N、P、K等養(yǎng)分含量的高低通常用來衡量土壤肥力狀況。本研究根據鹽堿土壤特點，選取對植物生長發(fā)育影響較大的土壤容重、毛管持水量、全鹽含量、pH、有機質、全N、全P、全K、堿解N、速效P及速效K，構成評價因子。因各評價因子有量綱，不可疊加，但可經標準化處理消除量綱差異。故本研究采用模糊數學隸屬函數分析法，對3種造林密度及CK土壤進行綜合肥力指標值計算，以評價對鹽堿土壤的改良效果。

由表7可以看出，不同密度造林對土壤肥力改良狀況不同，但各密度造林地土壤肥力綜合評價值均＞CK，可見3種密度造林對鹽堿土壤均有改良作用。其中中密型密度土壤肥力綜合指標值最大，為0.560，稀疏型密度次之，高密型密度最小。說明中密型造林密度對鹽堿土壤肥力改善作用最好，這可能是中密型密度林內光照等各生態(tài)因子適宜，植被增多，枯落物較厚，分解產生較多腐殖質，以及土壤一定程度改良后土壤微生物和動物增加，通過各種生物、非生物共同作用導致土壤有機物積累較多，肥力最高。

表7 不同密度造林地下土壤肥力指標綜合評價指數Table 7 The comprehensive evaluation index of soil fertility in different planting density treatments

4 結論與討論

4.1 結論

1)CK鹽堿荒地土壤持水能力和孔隙結構性均差，而3種造林密度對各項物理性質指標均有改善，土壤自然含水量和3種持水量均隨密度增大而增高，3種孔隙度指標平均值均在中密型密度下最大，且毛管孔隙度和總孔隙度顯著＞CK(P＜0.05)。

2)3種造林密度對鹽堿土壤pH和全鹽含量均有降低作用，對土壤全K、速效鉀、堿解氮、全P含量均有提高。其中中密型密度改善效果最好，pH、全鹽含量和以上4種養(yǎng)分含量平均值均與CK有顯著差異(P＜0.05)，特別是全P含量，中密型密度的0～60 cm各層整體均最高，不僅顯著＞CK，且明顯高于高密型、稀疏型(P＜0.05)。同一密度不同土層間各種養(yǎng)分含量基本均無無明顯變化規(guī)律。

3)中密型密度白榆長勢好于高密型、稀疏型。胸徑、地上生物量、地下生物量和根冠比均在中密型密度下最大。僅就植物生長情況而言，中密型是鹽堿地改良的適宜白榆造林密度。

4)3種造林密度對鹽堿地土壤肥力均有提高作用，綜合評價值均＞CK。中密型密度土壤肥力改善效果最好，土壤肥力綜合指標值最大，為0.560，稀疏型密度次之。

綜合考慮，就本研究結果而言，中密型密度白榆長勢和對鹽堿土壤理化性質改良均較好，是冀東濱海鹽堿地改良的適宜造林密度。

4.2 討論

結果顯示，CK鹽堿荒地0～60 cm層土壤3種孔隙度指標均較低，可見，對鹽堿地土壤進行改良的必要性。而各密度造林對3種孔隙結構均有改善，這說明通過在鹽堿地上植樹造林，對鹽堿土壤結構有明顯改良作用。特別是中密型密度改善效果最好，3種孔隙度指標平均值均在該密度下最大，且毛管孔隙度和總孔隙度顯著高于CK(P＜0.05)，分別達到38.24%和42.11%。表明中密型密度對鹽堿地土壤結構性改良作用非常明顯，且優(yōu)于高密型密度和稀疏型密度。其原因可能是密度過大時，林木個體間存在競爭，且地下空間有限，從而限制了根系的分布，進而影響林木對土壤的改良作用;密度過小時，達不到土壤結構改良所需的要求，而中密型密度在各方面恰好適宜。另外，植苗造林時開溝處理對土壤有松動作用，同時造林后生物多樣性增加，土壤動物和微生物活動增加，最終各種生物、非生物共同作用改良土壤，這也符合恢復生態(tài)學脆弱生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)修復的原理。另外，中密型密度對鹽堿土壤持水能力改善效果也較好，2種持水量均顯著＞CK(P＜0.05)?？梢?，中密型密度對鹽堿地土壤物理性質的改良作用非常明顯［13］。

本研究中3種密度的土壤全K、速效K、堿解N、全P含量均＞CK，這無疑是林木對鹽堿土壤的改良作用。但3種密度土壤有機質、全N、速效P含量則均＜CK，且全N、全K、速效P和速效K含量都有隨密度增大而降低的趨勢，這多數是因為鹽堿土壤本身養(yǎng)分貧瘠，而植物又消耗利用，且造林時間較短，林木通過微生物分解其凋落物途徑歸還土壤養(yǎng)分，改良土壤的作用還不明顯［17］。但隨著時間的延長，林木對土壤的改良效果可能更顯著。另外，本研究結果顯示，中密型密度土壤全鹽含量隨深度增加而降低，而pH值則隨土層加深逐漸增大，這可能因為深層土壤含水量較大，從而導致深層土壤中CO32－、HCO3－等強堿弱酸鹽離子水解量增多，土壤中OH－離子濃度增加，pH增大，全鹽含量逐漸下降。這也與上文土壤自然含水量在表層較低，隨土層加深逐漸增大的變化規(guī)律相符，同時，也間接說明了中密型密度對土壤改良效果較好，土壤理化性質指標間已相互切合變化。

研究采用的是白榆純林造林，通過研究結果可以看到改良效果也較好，但純林造林具有容易誘發(fā)病蟲害等潛在弊端。同時，白榆為淺根性樹種，對深層土壤的改良亦存在一定局限。因此，今后可采用與白蠟(Fraxinus chinensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等深根性樹種，進行多樹種及不同林齡混交造林模式，對鹽堿土壤的改良效果可能更好。