段世宇，薛斌龍

(山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局，山西 大同 037000)

小葉楊(Populussimonii)人工林是新中國成立后開始大面積營造的以防風(fēng)固沙、保持水土為主要目的的防護林，栽植多年后退化嚴重，逐漸形成“小老樹”[1]。最早從20世紀(jì)70年代開始山西省楊樹林局采用多種方式進行退化林分修復(fù)，主要修復(fù)方式有片狀皆伐改造、帶(塊)狀間伐改造、林冠下植苗改造、伐樁嫁接改造、針闊灌混交與伐樁嫁接改造相結(jié)合5種模式[2-3]。經(jīng)40多年持續(xù)修復(fù)改造，退化林樹木逐步恢復(fù)生機并逐漸成林，修復(fù)后的林地水土保持等防護功能逐漸增強，并對林地土壤的孔性、土壤質(zhì)量、養(yǎng)分等產(chǎn)生了重要影響。分析比較和研究晉北風(fēng)沙區(qū)不同修復(fù)模式對退化小葉楊林地土壤理化性狀改良效果，可為選擇適宜修復(fù)造林樹種及其配置方式提供依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

晉北風(fēng)沙區(qū)橫跨山西省大同、朔州2市，地處雁門關(guān)外。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫4～7 ℃，常年多風(fēng)沙，無霜期100～120 d，年降水量290～400 mm[4]，海拔從982～1 100 m,土壤以栗鈣土、沙壤、淡褐土為主。試驗調(diào)查樣地都是小葉楊人工林退化后的修復(fù)林地(表1)。

2 材料與方法

2.1 樣地選取與樣品采集

2019年9月上旬，選取晉北風(fēng)沙區(qū)小葉楊退化林分修復(fù)代表性林地共計34塊，未經(jīng)修復(fù)林地1塊作為對照，共計樣地35塊。調(diào)查樣地中，包括針闊葉混交林、針葉純林、針葉混交林、喬灌混交林、闊葉純林及闊葉混交林，涉及樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(P.tabuliformis)、小葉楊(Populussimonii)、群眾楊(PopulusבPopularis’)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、榆樹(Ulmuspumila)、中金楊(Populus×zhongjinnensis)、金白楊(P.×albajinbaiyang’)、河北楊(P.hopeiensis)、歐洲山楊(Populus×zhongjinnensis)、新疆楊(Populus×zhongjinnensis)、檸條(Caraganakorshinskii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、杏樹(Armeniacavulgaris)等共計15個樹種。樣地JST13曾嘗試過多種修復(fù)方式，原始樹種小葉楊為20世紀(jì)60年代栽植，經(jīng)采伐后最早在1982年栽植第一代群眾楊，之后1993年進行萌芽更新，1996年在行間栽植油松，株間栽植檸條，又在2010年伐樁嫁接金白楊。樣地LZY28原始樹種為小葉楊，1982-1983年栽植第一期群眾楊豐產(chǎn)林，1990年進行萌芽更新，之后2006-2007年伐樁嫁接中金楊。

各樣地按機械選點法選擇4個樣點采集土樣，采集深度為0～80 cm，間隔20 cm(0～20 cm間隔10 cm)為一層采集原狀土。采用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度[7]。原狀土帶回實驗室測定土壤養(yǎng)分，每樣點重復(fù)3次。

2.2 樣品分析與處理

土壤pH值,有機質(zhì)、全N、全K、全P、銨態(tài)N、速效K、速效P等含量按常規(guī)方法測定[8-9]。

2.3 數(shù)據(jù)整理與分析

數(shù)據(jù)整理、分析及圖表制作采用軟件EXCEL2003、SPSS19.0、Origin 2018。采用Duncan氏新復(fù)極差法進行多重比較，采用pearson相關(guān)性分析土壤化學(xué)性質(zhì)，數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同修復(fù)方式和林型對土壤容重和孔隙度的影響

植物根系可以改善土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和通透性等物理性狀[10-11]。由表2可知，調(diào)查各樣地的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度等3個指標(biāo)，不同土層、不同更新修復(fù)方式之間都具有極顯著差異(P<0.01)，不同更新修復(fù)方式與土壤土層深度交互效應(yīng)也具有極顯著差異(P<0.01)。

表2、圖1顯示，調(diào)查樣地不同恢復(fù)更新方式、不同更新后林型的土壤容重、土壤孔隙度在不同深度土層間變化規(guī)律基本一致，即0～10 cm層土壤容重均值最低(1.510 g·cm-3)，其次為60～80 cm層(1.551 g·cm-3)，而10～20 cm或20～40 cm層土壤容重均值最高；土壤總孔隙度、毛管孔隙度都是0～10 cm最高， 分別為53.26%、49.24%，土壤總孔隙度除針葉混交林和帶狀更新外，都是60～80 cm層土壤次之，而10～20 cm土壤層土壤總孔隙度最低(45.64%)，土壤毛管孔隙度為41.76%。

注：大寫字母代表同一更新林分類型(同一更新修復(fù)方式)不同土層間差異顯著(P<0.05)，小寫字母代表同一土層不同更新林分類型(不同更新修復(fù)方式)間差異顯著(P<0.05)；下同。圖1 不同更新林分類型與不同更新修復(fù)方式下的林地土壤物理指標(biāo)

表2 更新林分類型、更新林分修復(fù)方式與土層深度對林分土壤容重及孔隙度影響

針葉混交林、針闊葉混交林、闊葉純林3種更新林分類型的土壤總孔隙度均值分別為57.78%、49.74%、49.49%，都極顯著高于對照43.38%(P<0.01)。針葉混交林、闊葉純林土壤毛管孔隙度分別為43.95%、45.76%，顯著高于對照39.42%(P<0.01)。帶狀更新、林冠下植苗等2種退化林分更新修復(fù)方式平均土壤容重分別為1.524 7、1.572 g·cm-3較對照低9.86%、7.09%。林冠下植苗、伐樁嫁接等更新修復(fù)方式的土壤總孔隙度分別為50.56%、50.55%，顯著高于對照43.38%(P<0.05)，兩種修復(fù)方式土壤毛管孔隙度分別為44.29%、46.10%顯著高于對照39.42%(P<0.05)。

總之，退化林分修復(fù)能夠有效改善土壤孔隙度和通透性。晉北風(fēng)沙區(qū)小葉楊退化林分修復(fù)采用針葉混交林最有利于改善土壤孔隙度，而闊葉純林與針闊葉混交林也具有良好的效果。林冠下植苗、伐樁嫁接兩種退化林分更新修復(fù)方式能夠有效改善土壤容重和土壤孔隙度。植物根系在土壤中穿插，有利于土質(zhì)疏松和土壤結(jié)構(gòu)改良[19]。針葉混交林能夠充分利用林分空間，根系較純林地密集。林冠下植苗同樣充分利用了林地空間，根系得到舒展。樣地XJZ17為林齡34 a油松、小葉楊混交林，油松1985-1986年間伐。樣地XJZ19為林齡22 a油松、樟子松混交林，曾進行過修枝，調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩塊樣地均有針葉樹自然更新情況，說明樣地土壤物理狀況能夠滿足種子發(fā)芽基本條件。樣地JST13采用包括伐樁嫁接在內(nèi)的多種方式修復(fù)后，土壤孔隙度有明顯改善。

3.2 不同修復(fù)方式和林型對土壤pH值與有機質(zhì)含量的影響

土壤pH能夠影響物種的適應(yīng)性[12]。如表3所示，調(diào)查各樣地的土壤pH值不同更新林分類型、不同更新修復(fù)方式、土層深度均具有極顯著差異(P<0.01)，各樣地土壤有機質(zhì)含量僅不同深度土層間差異極顯著(P<0.01)，而不同更新林分類型、不同更新修復(fù)方式與對照相比，沒有顯著差異(表3、4、5)。如圖2所示，針葉混交林、闊葉純林土壤pH值均值分別為7.827、8.120顯著低于對照樣地的8.39。更新修復(fù)方式中僅塊狀間伐pH值均值為8.008顯著低于對照8.39(P<0.01)。土壤pH值在0～10 cm土層最低，40～60 cm土層最高。0～10 cm土層土壤有機質(zhì)遠高于其他土層。

表3 更新林分類型、更新林分修復(fù)方式、林地土層深度對林分土壤養(yǎng)分的影響

圖2 不同更新林分類型與不同更新修復(fù)方式林地土壤pH和有機質(zhì)的影響

表4 更新林分類型對林分土壤養(yǎng)分的影響

表5 更新林分修復(fù)方式對林分土壤養(yǎng)分的影響

退化林分經(jīng)多年修復(fù)后，土壤pH值發(fā)生明顯變化。有研究表明，土壤pH值與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)關(guān)系[13]。同時，土壤pH值還與年均降水量、年均氣溫及林木對養(yǎng)分的吸收及分泌物有關(guān)[14]。針葉樹或針闊混交林含樹脂和單寧等酸性物質(zhì)，可引起土壤酸性增加[15]。調(diào)查樣地中樣地JST7、JST10降低最明顯。樣地JST7樹種為側(cè)柏，樣地JST10樹種為歐洲山楊，兩塊樣地土壤有機質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分處于較低水平，并且表層土壤pH值降低大于土壤pH均值，推測兩塊樣地土壤pH值降低與林木分泌物或凋落物有關(guān)。退化林分修復(fù)后樣地有機質(zhì)含量較低，可能與當(dāng)?shù)貧夂蚋稍锖溆嘘P(guān)，凋落物難以分解還田且林木對有機質(zhì)需求較大。

3.3 不同修復(fù)方式和林型對土壤全N、全P、全K含量的影響

退化林分修復(fù)后所有樣地土壤全N含量有明顯提高，多數(shù)樣地全K、全P含量有明顯提高。如表3所示，調(diào)查各樣地的土壤全N含量不同更新林分類型、不同更新修復(fù)方式具有極顯著差異(P<0.01)，調(diào)查各樣地土壤全K含量不同更新林分類型具有極顯著差異(P<0.01)、不同更新修復(fù)方式具有顯著差異(P<0.05)，調(diào)查各樣地土壤全P含量不同更新修復(fù)方式具有極顯著差異(P<0.01)。

如圖3所示，對照樣地土壤全N含量均值為170.45 mg·kg-1，不同更新林分類型中闊葉混交林、喬灌混交林分別為536.266、457.46 mg·kg-1，顯著高于對照(P<0.01)。針葉純林、針闊葉混交林、闊葉純林分別為424.955、332.05、319.433 mg·kg-1，顯著高于對照(P<0.05)。不同更新修復(fù)方式中帶狀更新、片狀皆伐的土壤全N含量均值分別為466.308、420.951 mg·kg-1，顯著高于對照(P<0.01)。塊狀間伐、伐樁嫁接土壤N含量均值分別為380.214、292.600 mg·kg-1,顯著高于對照(P<0.05)。

土壤對照樣地全K含量均值為9.40 g·kg-1，不同更新林分類型中喬灌混交林、闊葉混交林分別為15.680、15.046 g·kg-1，顯著高于對照(P<0.01)；針葉純林、針闊葉混交林分別為11.558、11.368 g·kg-1，顯著高于對照(P<0.05)；不同更新修復(fù)方式中林冠下植苗、帶狀更新土壤全K均值為13.574、13.183 g·kg-1,顯著高于對照(P<0.05)。

對照樣地土壤全P含量均值為260.80 mg·kg-1，不同更新修復(fù)方式中伐樁嫁接、林冠下植苗分別為1 013.700、631.400 mg·kg-1顯著高于對照(P<0.01)。

綜上所述，退化林分修復(fù)采用喬灌混交林、闊葉混交林有利于土壤全N、全K含量的積累。采用帶狀更新修復(fù)方式，土壤全N、全K含量有明顯改善，而采用伐樁嫁接的更新方式有利于土壤全P含量的積累?；旖涣挚梢悦黠@改善植物對水分、養(yǎng)分以及資源空間利用的有效性[19]。闊葉凋落物中含有較多灰分，能夠有效提升土壤N、K含量[20]。P元素在土壤中擴散較小，只有在根系附近才能被植物吸收。而伐樁嫁接能夠保留原根系不動，不需要形成新的根系，全P含量在土壤中含量較高。樣地JST32為河北楊、榆樹、檸條混交林，河北楊自然更新較多；樣地JST33為刺槐、榆樹、檸條混交林，兩塊樣地位于應(yīng)縣栗家坊桑干河畔，水分充足，生長良好，均為闊葉混交林，并采用帶狀更新修復(fù)方式。

3.4 不同修復(fù)方式和林型對土壤速效K、銨態(tài)N、速效P含量的影響

退化林分修復(fù)后樣地土壤速效K、銨態(tài)N有明顯變化。如表3所示，調(diào)查各樣地的土壤速效K含量不同更新林分類型間具有極顯著差異(P<0.01)，經(jīng)修復(fù)后林地速效K含量較為豐富。調(diào)查各樣地土壤銨態(tài)N含量不同更新林分類型間具有顯著差異(P<0.05)，而土壤速效P含量沒有顯著差異。由表4、5可知，對照樣地土壤速效K含量均值為24.296 mg·kg-1, 不同更新林分類型中喬灌混交林、闊葉混交林分別為843.910、811.600 mg·kg-1，極顯著高于對照(P<0.01)，針葉純林為395.571 mg·kg-1，顯著高于對照(P<0.05)。對照樣地土壤銨態(tài)N含量9.622 mg·kg-1，經(jīng)修復(fù)后樣地土壤銨態(tài)N含量均值降低，其中針葉混交林、針闊葉混交林分別為3.215、4.519 mg·kg-1，顯著低于對照(P<0.05)。這可能是由于土壤速效K、銨態(tài)N、速效P含量能夠迅速被植物利用，調(diào)查樣地中植物密集，對速效養(yǎng)分需求量較大。

圖3 不同更新林分類型與不同更新修復(fù)方式下的林地土壤全N、全P、全K含量

樣地JST5、JST12樹種均為以小葉楊為母本，鉆天楊和旱柳混合花粉為父本的雜交品種群眾楊[17]。兩塊樣地速效K含量較高，且表層土壤速效K含量遠高于均值，可以認為表層土壤速效K含量與樹木凋落物有關(guān)。

3.5 土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

表6結(jié)果顯示pearson相關(guān)性分析，調(diào)查樣地中土壤速效K分別與土壤pH值、全N、全P、全K含量存在極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，與有機質(zhì)存在顯著負相關(guān)性(P<0.05)。土壤銨態(tài)N含量與有機質(zhì)和全N含量存在極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。土壤全K含量與pH值及全P含量具有顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全N含量具有極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤pH值與有機質(zhì)含量存在顯著負相關(guān)(P<0.05)，與速效K含量(P<0.01)、全K含量(P<0.05)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。研究區(qū)pH值多高于8，呈堿性，有利于K元素的積累，但不利于有機質(zhì)和銨態(tài)N積累。

表6 調(diào)查樣地土壤化學(xué)性質(zhì)及養(yǎng)分含量的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

(1)小葉楊退化林修復(fù)后的穩(wěn)定林分對土壤物理性質(zhì)有良好的影響。多數(shù)林地土壤容重降低、土壤總孔隙度和毛管孔隙度提高，說明土壤通氣性好有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化；針葉混交林較有利于土壤孔隙度的增加，而林冠下植苗、伐樁嫁接能夠有效改善土壤通氣性。

(2)晉北風(fēng)沙區(qū)小葉楊退化林修復(fù)林地土壤有機質(zhì)多處于匱乏狀況，而土壤pH值略下降，原因有二：一是調(diào)查地域土壤呈堿性，有機質(zhì)與銨態(tài)N難以積累，但有利于K元素含量的提高；二是森林土壤中不同養(yǎng)分存在不同的循環(huán)機制[18]。土壤有機質(zhì)的積累與枯落物分解轉(zhuǎn)化及林木的吸收相關(guān)，在晉北風(fēng)沙區(qū)氣候干旱寒冷，枯落物分解較困難且林木對有機質(zhì)需求較大，土壤中積累的有機質(zhì)較少。

(3)穩(wěn)定林分樹木與土壤形成了動態(tài)平衡，土壤較缺乏銨態(tài)N，大多數(shù)林分土壤全N、全P含量大幅提升，部分林分土壤全K含量大幅提升；喬灌混交林、闊葉混交林有利于土壤全N、全K含量的積累。采用帶狀更新修復(fù)方式，土壤全N、全K含量有明顯改善，而采用伐樁嫁接的更新方式有利于土壤全P含量的積累。

綜上所述，晉北風(fēng)沙區(qū)退化林分修復(fù)宜采取適地適樹的原則。在水源較豐富平坦地區(qū)宜采用喬灌混交林或闊葉樹混交林以及帶狀更新修復(fù)方式，樹種宜采用河北楊、榆樹、刺槐、群眾楊等；而在山坡或海拔較高等地區(qū)，可采用針葉混交林及林冠下植苗更新修復(fù)方式，構(gòu)建的穩(wěn)定林分土壤通氣性較好，有利于自然更新；針闊葉混交林具有廣泛的適應(yīng)性，適合大多數(shù)地區(qū)。在晉北風(fēng)沙區(qū)構(gòu)建穩(wěn)定林分，必須特別注重有機肥使用，有條件者應(yīng)在整地過程中施入適量經(jīng)腐熟的有機肥以彌補土壤的欠缺。