连云港沙质海岸防护林地的土壤特性1)

艾 鹏 胡海波 鲁小珍 杨均科 赵育鹏 王 丽 王定胜

(南京林业大学，南京，210037) (赣榆县林业中心) (连云港市林业站)

林业是国民经济的基础产业，又是重要的社会公益事业。沿海防护林是我国林业的重要组成部分，具有防风固沙、调节气候、防灾减灾等多方面的生态效益［1－5］。根据海岸地质结构和土壤类型可把海岸划分为3种:即泥质岸、沙岸和岩质岸，我国海岸线约18 340 km，其中沙质海岸占40%左右［6］，因此建好沙岸海防林是我国全面构建沿海防护林体系的重要环节。沙质海岸普遍土壤养分不足，干旱、贫瘠一直是影响沙质海防林建设的主要因素［7－10］。本研究以连云港市沙质海岸现有成熟防护林和2009年3月份新营建的防护林带为研究对象，进行野外调查与试验，探讨不同模式的沙质海岸防护林对土壤的改良效益，旨为我国沙质海岸防护林建设提供科学依据。

1 研究区概况

试验区属暖温带海洋性季风气候，年平均气温13.2 ℃，全年平均日照 2 631.4 h，年降水量 976.4 mm;土壤属滨海风沙土。试验地位于连云港市赣榆县海洲湾海堤内侧，中心地理坐标北纬34°55＇，东经119°11＇，地势平坦，远离城区，人为干扰小。1995年在海堤内侧栽种刺槐(Robinia pseudoacacia)，2002年补栽了杨树(Populus euramevicana)，部分杨树与刺槐混交。造林前，试验区为荒滩，仅有一些茅草，大部分为光板沙地。在2009年3月，栽植了美国白蜡(Fraxinus americana)、苦楝(Melia azedarach)以及桑(Morus alba)。试验区主要林分类型有刺槐纯林、杨树纯林、刺槐×杨树混交林、美国白蜡×桑混交林、苦楝×桑混交林等。1995年和2002年栽种刺槐、杨树时进行了林地施肥，主要以有机肥为主，树木生长初期对林地进行了松土除草、病虫害防治等管护措施。2009年栽植的桑是采用扦插1年生枝条，苦楝为1年生实生苗，美国白蜡为2年生实生苗，进行挖穴埋有机肥造林。

2 研究方法

本试验共设5个样地，每个样地面积设为400 m2，进行定位观测。它们分别为刺槐纯林、杨树纯林、刺槐×杨树混交林、美国白蜡×饲料桑混交林、苦楝×饲料桑混交林，并以附近未造林地作为对照(表1)。

表1 防护林林分基本特征

在试验区6个不同林分类型的固定样地中，每个林分类型内，呈S形设定5～6个样点。在每个样点取3个土壤剖面，即0＜d≤10 cm、10 cm＜d≤30 cm和30 cm＜d≤60cm采集土壤。每层均匀取大约1 kg土壤样品，现场捡掉树根、枯草残体等，装入自封袋内，带回实验室置于阴凉、无阳光直射的空旷地自然风干，去除植物根系和石块，过2 mm筛后，用四分法各取土500 g，用于土壤理化指标的分析。

土壤机械组成采用比重计法测定;土壤密度、总孔隙度、非毛管孔隙度等采用环刀法测定;pH值采用pH酸度计法(水浸提)测定;有机质采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定;速效N采用碱解—扩散法测定;速效P采用双酸浸提法测定;速效K采用乙酸铵浸提—火焰光度计法测定，土壤理化性质测定采用一些常规方法［11］。

应用Excel和SPSS13.0软件进行数据处理和分析［12］。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性状

3.1.1 土壤机械组成

土壤机械组成是比较稳定的物理性指标。由表2可知，各防护林地土壤以沙粒(0.05～2.00 mm)为主;表层(0＜d≤10 cm)土壤沙粒(0.05 ～2.00 mm)质量分数较其它土层要低，其变幅为54.72% ～93.19%，其中刺槐纯林质量分数最低，为54.72%;土壤黏粒(＜0.002mm)质量分数最低，变幅在0.15% ～6.27%;而对照地沙粒(0.05 ～2 mm)质量分数均大于各防护林地，表层(0＜d≤10 cm)土壤粉(沙)粒质量分数却远小于各防护林地。根据美制土壤质地分类三角坐标图，刺槐纯林、杨树纯林、刺槐×杨树表层土壤为沙质壤土，与对照地相比，土壤条件要优越得多，但幼林地表现不明显。与对照地相比，各防护林地10 cm＜d≤60cm土壤颗粒组成不同，土壤质地类型主要为沙土。

表2 各林地土壤机械组成

由此可见，随着防护林树木的不断生长发育，林地枯落物的不断积累并伴随着不断分解过程，土壤质地有所改善，而且混交林改良土壤的能力强于草地和纯林。

3.1.2 土壤密度、总孔隙度和非毛管孔隙度

在土壤质地相近时，密度反映了土壤紧实程度，其大小对树木根系、土壤动物和微生物的活动有很大影响［13－14］。土壤总孔隙由毛管孔隙(包括非活性孔隙)和非毛管孔隙组成，笔者主要讨论非毛管孔隙，这是因为保持在毛管孔隙中的水分被土壤强烈吸附，植物很难吸收利用;而非毛管孔隙毛管作用力明显减弱，是水分与空气的主要通道，直接影响着土壤透气和渗水能力［15］。

从表3可以看出，表层(0＜d≤10 cm)土壤密度与总孔隙度、非毛管孔隙度呈极显著负相关性，相关系数分别高达－0.924、－0.954;表层(0＜d≤10 cm)土壤总孔隙度与非毛管孔隙度呈极显著相关，相关系数达0.971;其它土层密度、总孔隙度和非毛管孔隙度之间也有不同程度的相关性，但不呈显著相关，与 Adams［16］、Bernoux［17］、Heuscher.S.A［18］有关研究基本一致。从表4可以看出，土壤密度、非毛管孔隙度在各样地都是从上到下逐渐增大;总孔隙度都是从上到下逐渐减小，但变化幅度不同。各林地表层(0＜d≤10 cm)土壤密度与对照地相比，变化最大，刺槐纯林 1.35 g/cm3＜刺槐×杨树 1.39 g/cm3＜白蜡×桑1.42 g/cm3＜苦楝×桑1.4 3 g/cm3＜杨树 1.44 g/cm3＜对照地 1.53 g/cm3;其他各层都比对照地密度小，但变化幅度很小。可知，与对照地土壤总孔隙度相比较，各林地表层(0＜d≤10 cm)土壤总孔隙度增加幅度达5.77% ～7.67%，其中刺槐纯林高7.67%，幅度最大，其次为刺槐×杨树混交林7.30%;中间层(10 cm＜d≤30 cm)土壤提高幅度为0.91% ～6.39%，刺槐纯林最大，达 6.39%;下层(30 cm＜d≤60 cm)土壤增加幅度为0.33% ～1.88%，变化幅度远小于表层土壤;土壤表层(0＜d≤10 cm)总孔隙度增加值最大，总孔隙度与有机质之间的相关系数0.320，这与林地表层枯落物有一定关系，各样地土壤有机质质量分数偏低，一定程度上影响土壤总孔隙度大小。

表3 土壤理化性质各因子间的相关系数

表4 各林地的土壤物理特征

非毛管孔隙度直接反映土壤透气和渗水能力的大小。由表4可看出，非毛管孔隙度随土壤深度加深而递增;与对照地作比较，从各林地非毛管孔隙度平均值来看，增加大小依次为刺槐纯林3.61%＞刺槐×杨树2.89%＞杨树纯林2.82%＞苦楝×桑1.63%＞白蜡×桑1.53%。这说明防护林年龄和树种配置不同，改善土壤透气和渗水能力也不同，树龄大的林分改土能力强于幼林，刺槐×杨树混交林高于杨树纯林。

3.2 土壤化学性状

3.2.1 土壤有机质质量分数

野外观测表明，土壤剖面只有AC层(即淋溶层与母质层过渡层)和C层(即母质层)，土壤尚处于发育初期［19］。土壤AC层有机质质量分数低，林地枯落物分解后形成的腐殖质和有机质是表层土壤养分的最主要来源［20－21］。每个林地土壤有机质质量分数随土壤深度加深，呈现递减趋势(表5)。表层(0＜d≤10 cm)土壤的有机质质量分数为深度0＜d≤60 cm土体总量的56% ～71%，土壤的有机质大量储存在表层(0＜d≤10 cm)，以刺槐纯林71%最高，土壤深度10 cm以下有机质质量分数变化幅度小，而且质量分数低。这可能是因为随着土壤不断加深，枯落物对其影响减弱，深层土壤的理化性质主要受母质层影响，化学性质比较稳定［22］。

林龄大的土壤有机质质量分数都大于年幼林地，表层(0＜d≤10 cm)土壤表现得尤其明显，刺槐纯林63.59 g/kg＞刺槐×杨树混交林 29.26 g/kg＞杨树纯林25.37 g/kg＞苦楝×桑10.55 g/kg＞美国白蜡×桑10.27 g/kg＞对照地10.14 g/kg(表5)。与对照地表层有机质质量分数相比，刺槐纯林、刺槐×杨树混交林、杨树纯林分别提高了527%、188%、150%;而林龄小的苦楝×桑和美国白蜡×桑林提高却很小，这说明不同林龄的防护林对土壤有机质的增加有明显差异。

表5 各林地土壤有机质质量分数

3.2.2 土壤速效 N、P、K 质量分数

枯落物和植被对表层土壤速效指标影响大，如有机质、速效N、速效P质量分数等，然而对养分全量质量分数影响却不大，土壤养分全量主要受母质层影响［22］。

由表3可以看出，在P＜0.01以99%的概率保证显著相关的情况下，土壤表层(0＜d≤10 cm)有机质与速效N、P之间的相关系数分别为0.963、0.968。在P＜0.05以95%的概率保证显著相关的情况下，土壤表层(0＜d≤10 cm)有机质与速效K之间的相关系数为0.886;土壤层(10 cm＜d≤30 cm)有机质与速效N之间的相关系数为0.853;土壤表层(0＜d≤10 cm)速效N与速效P之间的相关系数为0.880。从相关系数显著性来看，有机质与速效N、P、K之间关系呈正相关。

土壤表层(0＜d≤10 cm)速效N与有机质呈极显著相关性，土壤速效N质量分数变化与有机质类似，表层质量分数也远大于其它土层。各林地的速效 N 质量分数刺槐纯林177.10 μg·g－1＞刺槐×杨树混交林 50.96 μg·g－1＞杨树纯林 45.45 μg·g－1＞对照地30.37 μg·g－1(表6)。速效 P 质量分数刺槐纯林 41.97 μg·g－1＞杨树纯林 28.34 μg·g－1＞刺槐×杨树混交林 25.47 μg·g－1＞对照地 12.26 μg·g－1。速效 K 质量分数刺槐×杨树混交林183.24 μg·g－1＞杨树纯林 155.35 μg·g－1＞刺槐纯林 99.59 μg·g－1＞对照地 23.67 μg·g－1。由于白蜡×桑与苦楝×桑造林时间短，其林地速效N、P质量分数与对照地差异很小。

表6 各林地土壤表层(0＜d≤10 cm)速效N、P、K质量分数

从表7可以看出，土壤深度10 cm以下速效N、P质量分数低且变化小，而速效K质量分数依然很高，这是因为滨海盐土土壤速效K来源于土壤母质［23］。

表7 10 cm＜d≤30 cm、30 cm＜d≤60 cm 林地土壤速效 N、P、K质量分数

从表6与表7可知，各林地土壤速效N、P、K质量分数随土壤深度加深，呈递减趋势。林龄大的防护林改善土壤速效养分的能力明显高于幼林。

3.2.3 土壤酸碱度

由表8可以看出，刺槐纯林、杨树纯林、刺槐×杨树混交林树龄大的林地土壤pH值随土壤深度加深而呈递增趋势，这可能是因为林地表层有丰富的枯落物，而且林地郁闭度大，有效地减缓了林地土壤蒸腾作用。防护林林地幼林地土壤pH值随土壤深度加深而递减，这主要是因为海边常年四季风大干旱，土壤水分蒸腾作用激烈。

表层土壤pH与有机质、速效N、速效P呈极显著负相关性的，相关系数分别为－0.974、－0.921、－0.933，也就是说表层土壤(0＜d≤10 cm)pH 值随它们增大而减小。刺槐纯林表层土壤(0＜d≤10 cm)pH值6.41，土壤呈酸性;刺槐×杨树混交林、杨树纯林表层土壤(0＜d≤10 cm)pH值分别为7.14、7.58，土壤呈中性、弱碱性;对照地表层土壤(0＜d≤10 cm)pH值为8.31;所有林地土壤深度10 cm以下土壤pH值变化幅度小，均偏碱性。在树龄大、枯落物丰富的林地，表层土壤pH值均小于对照地，差值范围0.73～1.87;而幼林地与对照地土壤pH值差异很小。

表8 各林地土壤pH值

3.3 不同林地土壤的聚类分析

土壤化学性质反映土壤肥力状况，以及对树木根系供应养分的潜在能力。由表3可知，土壤表层(0＜d≤10 cm)化学性质具有典型代表性，本研究根据表层(0＜d≤10 cm)土壤有机质、速效N、速效P、速效K和pH值等指标，对各样地土壤特性聚类(图1)。

若将各林地分成4类，则刺槐纯林为第一类;杨树纯林为第二类;刺槐×杨树混交林为第三类;样地号4、5、6归为第四类(图1)。刺槐改土能力强，肥力水平高，有机质和速效N、速效P、速效K质量分数分别为 63.59 g/kg、177.10 μg·g－1、41.97 μg·g－1、99.59 μg·g－1，在所有林地类型中含量最高;其它林地类型综合改土能力依次为刺槐×杨树混交林＞杨树纯林＞对照地。美国白蜡×桑与苦楝×桑造林时间短，对土壤改良作用不明显。

图1 根据化学性状得到的土壤分类图

4 结论

由于树种不同、造林时间不等，5种防护林模式对土壤的改良效果也不同，表现出林龄大的林分较林龄小的强，混交林较纯林强。

防护林能改善土壤，但效果不一，刺槐纯林改良能力强于杨树纯林，刺槐×杨树混交林强于杨树纯林。土壤密度、非毛管孔隙度在各样地都是从上到下逐渐增大，总孔隙度都是从上到下逐渐减小，但变化幅度不同。刺槐纯林对土壤物理性状具有良好的改良作用，尤其是表层(0＜d≤10 cm)，刺槐×杨树混交林其次，第三是杨树纯林。

防护林地土壤有机质主要集中于土壤表层(0＜d≤10 cm)。林龄大的林地每层土壤有机质、速效N、P、K质量分数均分别大于对照地，这说明防护林有改善土壤速效养分的作用。林龄大的刺槐、杨树、刺槐×杨树混交林地土壤pH值土壤深度加深而递增，而幼林地则随土壤深度加深呈递减趋势。

表层(0＜d≤10 cm)土壤密度与总孔隙度、非毛管孔隙度呈极显著负相关性，总孔隙度与非毛管孔隙度之间呈极显著正相关。表层(0＜d≤10 cm)土壤有机质与速效N、P呈极显著正相关，与pH呈极显著负相关，与速效K呈显著正相关性。表层(0＜d≤10 cm)土壤速效N与速效P之间也呈显著正相关性;其它土层理化性质之间也存在一定相关性，但均不显著。

由于树种、林龄不同，各防护林对土壤的改良能力不同，其改良土壤能力大小依次为刺槐纯林＞刺槐×杨树混交林＞杨树纯林＞第四类林地。

［1］陈祥伟，胡海波.林学概论［M］.北京:中国林业出版社，2005:124－130.

［2］胡海波，张金池，鲁小珍.我国沿海防护林体系环境效应的研究［J］.世界林业研究，2001，14(5):37－43.

［3］胡海波，康立新.国内沿海防护林生态及其效益研究进展［J］.世界林业研究，1998(2):18－25.

［4］沈伟东，俞国雄，张关通.浅论沿海防护林综合效益的发挥［J］.浙江林业科技，1997，17(3):65－67.

［5］宋天英.沿海城市防护林防灾减灾的效益分析［J］.福建林业科技，2001，28(3):59－61.

［6］顾宇书，邢兆凯，赵冰，等.沙质海岸防护林体系建设技术及其研究现状［J］.防护林科技，2010(3):36－38.

［7］张敦论，乔勇进，郗金标，等.沙质海岸防护林林地土壤改良的研究［J］.防护林科技，2010(3):36－38，57.

［8］田保状，乔勇进，王希英.沙质海岸防护林体系土壤营养分析［J］.防护林科技，2005(3):1－3.

［9］王庆成，王春丽，张国珍.落叶松林地土壤理化性质及其灰分混合物组成研究［J］.东北林业大学学报，1994，22(6):24－29.

［10］Worrell R，Hampson A.The influence of some forest operations on the sustainable management of forest soils［J］.A review Forestry，1997，70:61－85.

［11］张万儒.森林土壤分析方法［M］.北京:中国标准出版社，1999:22－24，78－80，92－94，102－104，106－108，114－115.

［12］张力.SPSS13.0在生物统计中的应用［M］.厦门:厦门大学出版社，2006:112－114，154－158.

［13］胡海波，张金池，陈宏，等.江苏沿海平原沙土区土壤侵蚀规律的研究［J］.南京林业大学学报，1992，16(2):25－30.

［14］陈邦本，方明.江苏海岸带土壤［M］.南京:河海大学出版社，1988:44－45.

［15］孙向阳.土壤学［M］.北京:高等教育出版社，2004:131－134.

［16］Adams W A.The effect of organic matter on the bulk and true densities of some uncultivated podzolic soils［J］.Soil Science，1973(24):10－17.

［17］Bernoux M，Arrouays D.Bulk densities of Brazilian Amazon soils related to other soil properties［J］.Soil Science，1998，62:743－749.

［18］Heuscher S A，Brandt.Using soil physical and chemical properties to estimate bulk density［J］.Soil Science Society of America Journal，2005，69(1):51－56.

［19］福建省林业厅.森林土壤［M］.福州:福建科学技术出版社，1986:26－29.

［20］窦森.土壤有机质［M］.北京:科学出版社，2010:4－5.

［21］孙向阳.土壤学［M］.北京:高等教育出版社，2004:93－101.

［22］邓艳，蒋忠诚，覃星铭，等.岩溶生态系统中不同植被枯落物对土壤理化性质的影响及岩溶效应［J］.生态学报，2009，29(6):3307－3315.

［23］万福绪，韩玉洁.苏北沿海防护林优化模式研究［J］.北京林业大学学报，2004，26(2):31－36.