夏尚光 ，蘇守香 ，蔡懿苒

（1.安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，安徽合肥 230031；2.安徽黃山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，安徽黃山 242700）

刺槐（Robinia pseudoacacia）因具有較強(qiáng)的抗逆性、優(yōu)良的速生性、根系發(fā)達(dá)、涵養(yǎng)水源等優(yōu)勢(shì)，被廣泛種植，已成為水土保持、生態(tài)修復(fù)的主要造林樹種[1-6]。“皖槐1號(hào)”刺槐是落葉喬木，為豆科刺槐屬，速生性強(qiáng)，干形通直，主干明顯，根系發(fā)達(dá)，根瘤菌豐富，克服了國(guó)內(nèi)普通刺槐品種病蟲害易發(fā)、干形差、皮刺多、生長(zhǎng)緩慢、性狀不穩(wěn)定等不足，可用于行道樹、荒山造林、防風(fēng)固沙、礦山修復(fù)等用途。本研究以刺槐良種“皖槐1號(hào)”為研究對(duì)象，分析安徽省不同地理環(huán)境下近3年生刺槐的生長(zhǎng)變化，研究土壤、氣象因子對(duì)刺槐初生長(zhǎng)的影響，了解刺槐對(duì)綜合環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)制，為有效合理經(jīng)營(yíng)刺槐人工林提供技術(shù)指導(dǎo)及理論依據(jù)，同時(shí)也對(duì)刺槐人工林未來生態(tài)功能的發(fā)揮及該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域分別為淮北平原蕭縣、渦陽縣、界首市，江淮丘陵的明光市、南譙區(qū)、全椒縣，以及皖南山區(qū)的東至縣、祁門縣8個(gè)縣（市、區(qū)）；研究對(duì)象為2012年3月栽種的刺槐純林。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

2013年9月中旬，隨機(jī)選擇成活率大于95%的刺槐種植區(qū)，在每個(gè)研究區(qū)域設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣方，使用精度為0.1 cm的胸徑尺測(cè)量樣方內(nèi)所有刺槐1.3 m處的胸徑（DBH），將樣方內(nèi)DBH＞3 cm的刺槐進(jìn)行編號(hào)，用樹木直徑測(cè)量器（Alvarezclare S，Mack MC，Brooks M 2013）進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)樹木直徑測(cè)量器穩(wěn)定后開始測(cè)量測(cè)量器的窗口變化，窗口變化用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)窗口變化計(jì)算按照式（1）胸徑增長(zhǎng)量。

式中，DBHi+1表示當(dāng)年的胸徑，DBHi表示前一年的胸徑，Di+1表示當(dāng)年測(cè)樹器的窗口大小，Di表示上一年測(cè)樹器的窗口大小。

刺槐胸高斷面積（BA）可根據(jù)式（2）計(jì)算。

刺槐相對(duì)增長(zhǎng)速率（RGR）可根據(jù)式（3）計(jì)算。

其中，BAi+1表示當(dāng)年的胸高斷面積，BAi表示上一年的胸高斷面積。

此外，在刺槐樣地附近安裝便攜式HOBO自動(dòng)氣象站（U30-NRC，美國(guó)Onset公司），用于記錄刺槐生長(zhǎng)環(huán)境的氣象因子，包括觀測(cè)氣溫、空氣濕度、降水量、20 cm處土壤溫度、20 cm處土壤含水量。氣象數(shù)據(jù)采樣頻率1 Hz，存儲(chǔ)頻率為1次/10 min。

圖1 研究區(qū)域分布

選擇同批次“皖槐1號(hào)”刺槐幼苗種植在上述8個(gè)區(qū)域，分布如圖1所示。移栽幼苗平均胸徑1.50 cm，平均株高1.90 m，移栽密度為2 500株/hm2，移栽時(shí)間為2016年3月12日。在上述區(qū)域內(nèi)設(shè)置8塊刺槐人工林樣地，每塊樣地均設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。2019年9月22日至26日生長(zhǎng)末期，對(duì)樣地內(nèi)刺槐進(jìn)行樹高與胸徑的測(cè)定，其中胸徑測(cè)定高度為1.30 m。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3株生長(zhǎng)良好的刺槐，用土鉆采集樹下30～40 cm土壤[7]，剔除石塊、雜草、細(xì)根等雜物后混勻，自然風(fēng)干后測(cè)定土壤 pH 值、有機(jī)碳（SOC）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量。pH值通過用pH儀測(cè)量，使用重鉻酸鉀－硫酸氧化法測(cè)定土壤SOC，采用半微量凱氏法測(cè)量土壤N含量，采用鉬銻抗顯色法測(cè)量土壤P含量，利用光度計(jì)法測(cè)量土壤K含量[5,8]。

1.3 研究方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，利用SPSS 20.0進(jìn)行回歸分析及相關(guān)性分析，利用Pearson分析法分析胸徑與環(huán)境因子的相關(guān)性，利用Matlab 2019a進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)刺槐林地土壤理化性質(zhì)及氣象條件的分析

由表1可知，蕭縣刺槐人工林的平均土壤SOC含量在研究中表現(xiàn)出最小值5.92 g/kg，最大值17.88 g/kg出現(xiàn)在東至縣，安徽省土壤SOC含量從北到南呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，皖南山區(qū)土壤SOC含量高于江淮丘陵及淮北平原。土壤N含量從南到北的變化趨勢(shì)與土壤SOC含量變化趨勢(shì)一致，最小值出現(xiàn)在蕭縣，為0.33 g/kg，最大值出現(xiàn)在祁門縣，為1.13 g/kg。土壤P含量在渦陽縣表現(xiàn)出最大值，為0.65 g/kg；在祁門縣表現(xiàn)出最小值，為0.22 g/kg。土壤K含量在江淮丘陵地區(qū)含量低于淮北平原與皖南山區(qū)。土壤pH值從南到北逐漸增大，其中皖南山區(qū)與江淮丘陵地區(qū)土壤表現(xiàn)為酸性，而淮北平原地區(qū)表現(xiàn)為堿性或近中性土壤。

表1 不同地區(qū)刺槐林土壤理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

由表2可知，氣象因子從南向北呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，淮北平原的平均氣溫最低，平均降水量最少；皖南山區(qū)的平均氣溫最高，降水量最大。土壤溫度變化規(guī)律與平均氣溫相同，土壤含水量變化規(guī)律與降水量相同。平均氣溫、平均土壤溫度在同一地形條件下的不同刺槐種植區(qū)域差異不明顯，降水量在皖南山區(qū)與江淮丘陵地區(qū)具有較為明顯的差異。如明光市平均降水量為1 013.7 mm，而南譙區(qū)降水量可達(dá)1 030.3 mm，皖南山區(qū)降水量在研究區(qū)域的差異可達(dá)100.9 mm。

表2 不同地點(diǎn)刺槐林氣象因子

2.2 不同地區(qū)刺槐林胸徑與樹高變化的研究

從圖2可以看出，在淮北平原種植的刺槐胸徑增長(zhǎng)了6.43 cm、高度增長(zhǎng)了6.97 m，其中界首市刺槐林胸徑增長(zhǎng)了6.82 cm、高度增加了7.20 m，是整個(gè)研究區(qū)域中表現(xiàn)最好的。江淮丘陵地區(qū)的刺槐林胸徑增長(zhǎng)了6.04 cm、樹高增長(zhǎng)了6.52 m。皖南山區(qū)刺槐生長(zhǎng)林胸徑增長(zhǎng)了5.45 cm、樹高增長(zhǎng)了5.85 m，其中祁門縣刺槐林生長(zhǎng)速率最小。整體而言，“皖槐1號(hào)”刺槐在淮北平原生長(zhǎng)速率最大，江淮丘陵次之，皖南山區(qū)生長(zhǎng)相對(duì)緩慢。

圖2 不同地點(diǎn)刺槐林的胸徑與樹高變化

2.3 土壤理化性質(zhì)的變化對(duì)刺槐胸徑與樹高的影響

對(duì)刺槐胸徑、樹高增幅與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，刺槐胸徑增幅與土壤中N、P含量和土壤pH值呈顯著性相關(guān)（P<0.05），與土壤中K含量呈極顯著性相關(guān)（P<0.01）。樹高增幅與土壤中P含量呈極顯著性相關(guān)（P＜0.01），與土壤中K含量呈顯著正相關(guān)。從線性關(guān)系看，土壤C、N含量過高時(shí)，刺槐生長(zhǎng)受到抑制，P、K含量的增加會(huì)促進(jìn)刺槐生長(zhǎng)；土壤pH值也在一定程度上促進(jìn)刺槐的生長(zhǎng)，弱堿性或近中性環(huán)境更能促進(jìn)刺槐的生長(zhǎng)。

表3 刺槐胸徑、樹高增幅與土壤理化性質(zhì)的線性關(guān)系

2.4 氣象因子對(duì)刺槐胸徑與樹高的影響

刺槐胸徑、樹高增幅與氣象因子的相關(guān)性分析如表4所示。

由表4可知，刺槐胸徑、樹高的增幅與氣象因子具有顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.05），其中土壤含水量與樹高增幅具有極顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.01）。由相互之間的線性關(guān)系可知，空氣溫度、土壤溫度越高，刺槐生長(zhǎng)越會(huì)受到限制，降水量越大，土壤含水量越多，刺槐生長(zhǎng)越受影響。

表4 刺槐胸徑、樹高增幅與氣象因子的線性關(guān)系

2.5 地理環(huán)境因子與胸徑、樹高的主成分分析

對(duì)胸徑、樹高與土壤氣象因子進(jìn)行主成分分析，得出第一主成分的貢獻(xiàn)率為61.8%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為13.6%，累積貢獻(xiàn)率為75.4%，且特征值均通過95%置信區(qū)間檢驗(yàn)。因此，用第一主成分（PCA1）與第二主成分（PCA2）為橫縱坐標(biāo)軸，以刺槐胸徑、樹高與地理環(huán)境因子在第一、第二主成分上的得分作圖，得出胸徑、樹高與地理環(huán)境因子的主成分分析，如圖3所示。

由圖3可知，胸徑，樹高，空氣溫度，土壤溫度，土壤pH值，土壤中P、K含量與第一主成分呈正相關(guān)；降水量，土壤中C、N含量，土壤含水量在第一主成分上呈負(fù)相關(guān)。胸徑，樹高，土壤含水量，土壤中P、C含量，pH值與第二主成分呈正相關(guān)?！巴罨?號(hào)”的胸徑與樹高的生長(zhǎng)受溫度、土壤pH值以及土壤中P、K含量的綜合影響較大。

圖3 胸徑、樹高與土壤性質(zhì)、氣象因子之間的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）安徽省土壤中C、N、P的含量在皖南山區(qū)表現(xiàn)出最高含量，而在淮北平原表現(xiàn)出最低值；土壤pH值從皖南山區(qū)到淮北平原逐漸從酸性轉(zhuǎn)變成堿性；土壤K含量在江淮丘陵地區(qū)含量最少。從皖南山區(qū)到淮北平原溫度逐漸降低，降水量逐漸減少。

（2）“皖槐1號(hào)”刺槐在淮北平原生長(zhǎng)速率較快，以在蕭縣地區(qū)生長(zhǎng)速率最快；在江淮丘陵地區(qū)生長(zhǎng)速率次之；在皖南山區(qū)生長(zhǎng)速率最小。

（3）土壤中C、N含量過高時(shí)，“皖槐1號(hào)”刺槐生長(zhǎng)受到抑制，P、K含量的增加會(huì)促進(jìn)刺槐生長(zhǎng)?！巴罨?號(hào)”刺槐具有抗旱性，降水量對(duì)“皖槐1號(hào)”的生長(zhǎng)無顯著促進(jìn)或抑制作用；溫度是影響刺槐生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

3.2 討論

（1）本研究中，土壤中C、N、P、K的含量在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同差異，其中C、N、P的變化具有較為明顯的地帶分布特征。隨著緯度的北移，土壤中的元素含量逐漸減少，這與其他學(xué)者研究南北地區(qū)刺槐林樣地的土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量變化特征具有一致性[9]。土壤中N的含量在某種程度上決定了C的含量，我國(guó)土壤中C∶N的平均值為10～12[10]。刺槐生長(zhǎng)過程中對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的利用差異造成刺槐生長(zhǎng)具有不同特征，其中P對(duì)刺槐的生長(zhǎng)起到較為顯著的影響[11]。土壤中C、N、P、K等元素可通過凋落物分解后進(jìn)行補(bǔ)充，且刺槐屬于豆科植物，本身具有固氮作用[12]；土壤中P、K主要來源于土壤母質(zhì)分化“皖槐1號(hào)”刺槐正處于造林初期，刺槐的凋落物尚未完全分解，土壤中的P、K主要源于前期的累積。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的P、K含量有助于促進(jìn)“皖槐1號(hào)”刺槐的生長(zhǎng)，但P、K元素對(duì)“皖槐1號(hào)”刺槐的生長(zhǎng)是否也存在抑制，在自然條件下生長(zhǎng)時(shí)應(yīng)在何種條件下對(duì)其進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充還需后續(xù)進(jìn)一步研究。

（2）在降水量較大區(qū)域，土壤含水量相對(duì)較高，這有助于增強(qiáng)微生物的固氮能力[13]，皖南山區(qū)土壤中N含量最高。高溫多雨增加凋落物的分解速率[14-16]，所以皖南山區(qū)的土壤中C、N含量高于淮北平原地區(qū)。在研究中發(fā)現(xiàn)，皖南山區(qū)刺槐林土壤中P的含量明顯偏低，這是因?yàn)闁|至縣與祁門縣試驗(yàn)地平均坡度為11°，土層淺薄，且砂石土壤居多，在降水量較大時(shí)容易造成土壤元素流失[17-18]。土壤含水量較大時(shí)會(huì)造成植物根系生長(zhǎng)受到抑制，從而影響刺槐生長(zhǎng)[19-20]?！巴罨?號(hào)”刺槐對(duì)水分利用效率以及成林后對(duì)該地區(qū)的水文生態(tài)影響還需進(jìn)一步深入研究。