辽西北防护林对林下土壤理化性状的影响1)

王 凯 王道涵 张成龙 陈 曦 宋立宁

(辽宁工程技术大学，阜新，123000) (中国科学院沈阳应用生态研究所)

辽宁西北部位于科尔沁沙地南缘，是典型的生态脆弱区。该区气候干燥、大风频繁、水资源不足、植被覆盖率低，是三北防护林体系建设工程的重点治理区域［1］。近几十年来，该地区营造了大面积防护林，包括科尔沁沙地边缘的防风固沙林、山地丘陵区的水土保持林和保护农业生产的农田防护林;森林覆盖率达到28.1%，比1978年增加了17%［2］。林木通过根系活动、地上有机体积累及枯枝落叶腐烂分解引起林下土壤结构、特征及肥力发生相应变化［3］，从而起到改良土壤作用。土壤性状变化是生态系统中一个极其重要的环节，也是衡量防护林生态功能成效的主要依据。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，直接影响着土壤孔隙度、持水能力、抗冲和抗蚀性能［4］，并且与土壤肥力、生产力和环境质量密切相关［5］。土壤有机质是构成土壤肥力的核心物质［6］，其质量分数常作为反映土壤质量和健康的重要指标［7］。本研究以辽西北防护林土壤为对象，分析防护林内外土壤团聚体和有机质质量分数的差异，探讨土壤性状变化与林分因子的关系，对深入了解防护林体系的土壤改良作用和效果具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省西北部，包括4 市7 县，即铁岭市昌图县、沈阳市康平县、阜新市阜新蒙古族自治县和彰武县、朝阳市北票、建平和朝阳县。该区域为辽宁省三北防护林工程建设的重点区域，属半干旱气候，日照较为充足。年平均气温7.5℃，无霜期131 ～190 d，年平均降水量不足500 mm，主要集中在夏季，占全年降水量的70% ～80%。植被属华北植物区系和内蒙古植物温带草原栎林亚区的过渡地带，兼有两个区系的特征。地带性土壤为褐色土、棕色森林土和草甸土，土层较薄，多在10 ～30 cm。

2 研究方法

2012年7—8月，在辽西北防护林踏查的基础上，针对不同林型、不同树种和不同林龄，选择典型的防风固沙林、水土保持林和农田防护林样地(表1)。采样区为近年来辽宁省造林的重点区域。在每个样地内设置3 个30 m×30 m 的大样方(农田防护林样方大小为10 m×10 m)，对样方内树木进行每木检尺，计算平均树高和平均胸径。在每个大样方内设置5 个1 m×1 m 草本小样方，调查植被盖度，并剪除小样方内植被的地上部分(防护林下均为草本植物)，带回实验室烘干称其质量，计算生物量;同时在小样方内和林外荒草地分别取0 ～20 cm 的原状土样各5 份，带回实验室自然风干。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏土壤结构。采用干筛法和湿筛法分别测定土壤团聚体质量分数，水稳性团聚体为在湿筛条件下测得的粒径＞0.25 mm 团聚体占总团聚体的比例，土壤团聚体破坏率计算公式为:［干筛(＞0.25 mm 团聚体)－湿筛(＞0.25 mm 团聚体)］/干筛(＞0.25 mm 团聚体)×100%。土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定［8］。

表1 防护林样地基本状况

防护林内外土壤性状变化率=((林内土壤性状－林外土壤性状)/林内土壤性状)×100%。林内外土壤性状的差异采用T 检验方法，并对土壤性状变化率与林分因子的关系采用Spearman 方法进行相关分析，所有数据均运用SPSS16.0 统计分析。

3 结果与分析

3.1 防护林内外土壤水稳性团聚体质量分数差异

在干筛条件下测得的团聚体在湿筛过程中会发生破裂，破裂部分为非水稳性团聚体;未破裂部分仍旧保留在土筛上的团聚体为水稳性团聚体［9］。水稳性团聚体是由土壤颗粒凝聚、胶结和黏结而相互联结组成的［10］，具有一定的机械稳定性和水稳定性［11］。辽西北防风固沙林中杨树林、樟子松林和刺槐林内土壤水稳性团聚体质量分数显著高于林外(P＜0.05)，而大扁杏林内显著低于林外(P＜0.05，表2);水土保持林中油松林及油松榆树、刺槐榆树混交林内土壤水稳性团聚体质量分数显著高于林外(P＜0.05)，而杨树林内外差异不显著(P＞0.05，表2);农田防护林中13、15 和30年生杨树林内土壤水稳性团聚体质量分数显著高于林外(P＜0.05)，而10和20年生杨树林内外无显著差异(P＞0.05，表2)。团聚体破坏率用于反映土壤团聚体结构的稳定性，土壤团聚体稳定性对形成和保持良好的土壤结构极为重要。研究发现，防护林内外土壤团聚体破坏率差异变化与水稳性团聚体质量分数的差异相反(表2)。说明土壤中水稳性团聚体质量分数越高，团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。防护林种植改变了原有土地利用方式，植被覆盖引起林地土壤理化性质发生变化，从而影响团聚体的形成和稳定性。本研究发现，大部分防护林下土壤团聚体和稳定性得到了不同程度的提高，但也有部分林分土壤结构变化较小，甚至退化，如大扁杏林。这主要由于大扁杏林对水分和养分需求较高，同时林分种植密度过大，过度消耗了水资源，造成水稳性团聚体质量分数下降，破坏率升高。所以防护林树种选择要依据适地适树的原则，不能只注重经济效益，忽视生态效益。

表2 防护林内外土壤水稳性团聚体质量分数及破坏率

3.2 防护林内外土壤有机质质量分数差异

土壤有机质是土壤质量的核心，同时又影响全球碳循环和气候变化，其质量分数差异是造成土壤性质和功能变化的主要原因之一［12］。辽西北防风固沙林中杨树林、樟子松林和刺槐林内土壤有机质质量分数显著高于林外(P＜0.05)，而大扁杏林内外差异不显著(P＞0.05，表3);水土保持林中油松林和杨树林内土壤有机质质量分数显著高于林外(P＜0.05)，而2 种混交林内外无显著差异(P＞0.05，表3);农田防护林中30年生杨树林内土壤有机质质量分数显著高于林外(P＜0.05)，10 和13年生杨树林内高于林外，而15 和20年生杨树林内低于林外，但差异均不显著(P＞0.05，表3)。

表3 防护林内外土壤有机质质量分数

本研究发现，大部分林分土壤有机质质量分数增加，这可能由于防护林种植促使林下微环境得到改善，土壤微生物活动、根系分泌和代谢、枯枝落叶分解等因素增加了土壤腐殖质，提高了有机质质量分数。但15 和20年生杨树林内土壤有机质质量分数低于林外，这可能由于这些林分人为干扰频繁(如放牧、开垦农田等)，导致地表植被、凋落物数量下降;不但减少土壤有机碳的归还，而且加速土壤有机碳的分解，从而使土壤有机质质量分数下降。

3.3 防护林土壤性状变化率与林分因子的关系

植被生长能改善土壤环境，其反过来又促进植被健康生长［13］。研究发现，防护林内外土壤团聚体和有机质变化率与树种组成均显著相关(P＜0.05，表4)，这与以往研究结果相似［3］。说明适地适树的重要性，防护林建设应根据不同立地条件，以乡土树种为主，兼顾生态效益和经济效益。林内外土壤性状变化率与林分年龄相关性均不显著(P＞0.05，表4)，这与以往研究结果不一致［14］，这可能由于防护林种植后，人为活动的影响造成的差异。通常，防护林种植后会增加地表植被盖度和生物量，从而改善土壤理化性状［15］;然而由于研究区有些防护林人为活动频繁，如放牧、开垦农田等，导致地表植被减少，土壤结构遭到破坏，部分林分甚至发生了土壤退化。林内外土壤性状变化率与植被盖度显著相关(P＜0.05，表4)，土壤形成、发育与地表植被密切相关［16］。植被覆盖度增加，一方面植物残体腐解过程中产生的酸类物质能够促进土壤中难溶性物质发生转化分解;另一方面枯落物在土壤中矿化积累，将大部分无机营养归还土壤，改善土壤理化性质、质地和通气状况［17］。林内外土壤团聚体变化率与地表生物量相关性不显著(P＞0.05)，而土壤有机质变化率与和生物量显著相关(P＜0.05，表4)。这可能由于研究区为半干旱区，特别是防风固沙林主要集中在沙地，植被生长的主要限制因子为水分［1］，生物量与水分关系更为密切。土壤有机质变化是一个较为缓慢的过程，需要凋落物腐烂分解以及根系分泌物释放才能逐渐改变。

表4 防护林内外土壤性状变化率与林分因子的相关系数

4 结论

辽西北地处科尔沁沙地南缘，风沙侵蚀与水土流失严重，经过几十年的植树造林，森林覆盖率明显提高［2］，大部分林下土壤团聚体质量分数提高，稳定性增强，有机质质量分数增加，说明防护林种植具有较好的土壤改良功能，这与其它地区防护林的研究结果相似［3，15］。但也有部分防护林林下土壤性状变化不明显，甚至退化。比较二者林地环境发现，人为干扰(放牧、开垦农田)是造成土壤退化的主要原因之一。同时调查还发现，防护林建设现状存在诸多问题，如:树木萌生枝条多，病虫害严重，植株生长不良;放牧现象普遍，地表植被盖度低，生物量下降，枯落物减少;甚至围封的防护林出现了开荒种地和放牧活动，使已经改良的土壤又发生了退化。

抚育措施缺乏导致林木生长不良，人为活动干扰引起土壤退化;因此，应将辽西北防护林体系建设重点从林木种植转移到抚育管理。首先要加强抚育工作，如浇水、施肥、防治病虫害、修枝、间伐等，保障林木成活并正常生长;其次应重视监督管理，保护与恢复林下地表植被及枯落物，杜绝放牧、开垦农田等破坏防护林现象发生。从而改良土壤，改善生态环境，促进辽西北防护林体系可持续发展。

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