滨海盐碱地不同造林树种改良土壤效果研究

王合云, 李红丽, 董 智, 陈新闯

(山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室 山东农业大学林学院, 泰山森林生态定位站, 山东 泰安271018)



滨海盐碱地不同造林树种改良土壤效果研究

王合云, 李红丽, 董 智, 陈新闯

(山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室 山东农业大学林学院, 泰山森林生态定位站, 山东 泰安271018)

为探讨滨海盐碱地不同造林树种对土壤改良效果，采用野外取样与室内分析测试相结合的方法，选取不同造林树种林地及对照荒地为研究对象，运用隶属函数法和主成分分析法对土壤肥力特征和盐碱化特征进行综合评价。结果表明:造林可改善土壤结构，降低土壤容重，提高土壤肥力；降低土壤盐渍化程度，由中盐化向轻盐化转化，脱盐过程与碱化过程并存；不同造林地土壤的肥力状况为:刺槐林>冬枣林>杨树林>桑树林>白蜡林>榆树林>紫穗槐林>柽柳林；盐碱化状况为：紫穗槐林>柽柳林>榆树林>杨树林>白蜡林>刺槐林>冬枣林>桑树林。

造林树种; 土壤肥力; 盐碱化; 滨海盐碱地

土壤盐碱化是世界性的土壤退化问题，不仅造成资源的破坏，而且也给环境和经济发展带来了危害，严重影响现代农业和畜牧业的发展[1-2]。黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一，目前开发程度低，经济开发潜力较大，被誉为“金三角”地带[3]。潮土和盐土是研究区主要土壤类型[4]。盐渍化土地面积占整个区域面积的1/2以上，呈插花状分布。滨海盐土含盐量高，土壤水分有效性差，已成为该地区造林成活率和保存率最为主要的限制因子[5]。目前，国内外对盐碱化严重地区土壤的研究主要集中在土壤盐渍化的发生演化、改良利用、对环境的危害和综合治理等方面[6-9]，而且我国在物理改良、水利工程改良、化学改良等方面已积累了丰富的经验，收到了显著效果[10]，但对自然生境盐胁迫下不同造林树种改良土壤效果的研究较少。为揭示黄河三角洲滨海盐碱地不同造林树种对土壤的改良状况，以沾化县下洼镇枣旺林场盐碱地的8种造林地及对照荒地为研究对象，研究了不同造林树种林地的土壤基本理化性质，并对土壤肥力性质和盐碱化程度进行了综合评价，以期为进一步研究该区盐碱运移规律及盐碱化土壤的有效改良利用和造林树种的选择提供理论依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

选取研究区内8种造林林地为研究对象，分别为榆树(UlmuspumilaL.)、桑树(MorusalbaLinn. Sp.)、白蜡(FraxinuschinensisRoxb)、杨树(PopulusL.)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、刺槐(RobiniapseucdoacaciaL.)、冬枣(Ziziphusjujubacv.)和柽柳(TamarixchinensisLour.)，各树种均于2009年春季造林，2013年调查时苗龄为6 a。每年进行除草、松土、灌溉等工作。造林前各地块均为盐碱荒地，植被盖度<10%，土壤质地为粉质壤土，土壤容重为1.51～1.65 g/cm3，有机质质量分数平均为2.01 g/kg，土壤全氮质量分数0.62 g/kg，土壤全磷质量分数0.54 g/kg，土壤全钾质量分数6.01 g/kg。各树种的生长状况如表1所示。

表1　研究区不同造林树种生长状况

1.2土壤采集方法

2013年10月上旬，选取8种造林地及距造林地150 m外的荒地为研究对象，每种林分设立三个地块，在每个地块内选择有代表性的地段设立0.1 hm2的固定标准地，根据造林树种根系生长与分布状况，每个地块内选取3个样点，分别取0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm三个土层的土样500 g，带回室内自然风干后，过2，1，0.25和0.149 mm的土壤筛，测定土壤理化性质。

1.3土壤质量指标的测定

1.4参数标准化

土壤质量指标之间是不可加和的，但可进行标准化处理来消除各参数之间量纲的差别。本文采用模糊数学中隶属函数分析法，累加各造林树种林地理化指标的隶属值，求取平均值，根据各树种平均值大小来确定土壤改良效果[12]。计算方程为：

(1) 如果所测指标与土壤改良效果呈正相关，则：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2) 如果所测指标与土壤改良效果呈负相关，则：

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X(u)——各树种某一指标的隶属函数值；X——各树种某一指标的测定值；Xmax——所有树种此指标的最大值；Xmin——所有树种此指标的最小值。

1.5数据处理与分析

全部数据处理借助软件Excel 2007和SPSS 17.0。运用隶属函数法和主成分分析法进行土壤肥力特征和盐碱化特征评价，以揭示不同造林树种对土壤改良状况。

2　结果与分析

2.1不同树种造林地土壤理化性质特征分析

由表2可知，不同树种均对盐碱土有一定改良作用，可改善土壤结构，降低土壤容重，提高土壤肥力，但因树种的生物生态学特性不同，改土增肥能力也有所不同。人工造林林地土壤容重平均为1.36 g/cm3，比对照荒地降低10%。不同造林地及荒地土壤pH均在7.9以上，呈碱性。造林地土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量均值分别为6.49，1.14，1.20，7.17 g/kg，比对照荒地分别提高了206%，80%，224%，19%。林木从土壤下层吸收养分，通过凋落物途径归还土壤，枯落物及其分解增加了土壤的有机物质和养分含量。

不同造林树种对阳离子交换量的影响不同，其中紫穗槐、柽柳、榆树和杨树林地土壤阳离子交换量高于荒地；各树种林地的总碱度均高于荒地，紫穗槐林地土壤的平均总碱度最高，为1.17 cmol/kg，其次是柽柳林地，为0.99 cmol/kg，荒地最低，为0.48 cmol/kg。土壤碱化度在不同造林树种林地的差异较大，其中紫穗槐林地的平均碱化度最大，为10.55%，其次是柽柳林地，为8.90%，而荒地为5.95%。荒地土壤全盐量最高，平均为3.89 g/kg，为中度盐渍土，除冬枣林地土壤(2.09 g/kg)外，各林地土壤全盐量平均值均小于2.00 g/kg，为轻度盐渍化土，其中柽柳林地土壤全盐量最低，平均值为1.31 g/kg，各造林树种林地平均含盐量降低46%～66%，不同树种对土壤含盐量改良效果表现为:柽柳林>白蜡林>杨树林>桑树林>刺槐林>紫穗槐林>榆树林>冬枣林。交换性Na+与碱化度在各林地土壤中的变化趋势一致，紫穗槐林地土壤的平均交换性Na+质量摩尔浓度最高，为1.93 cmol/kg，其次是柽柳林地，为1.57 cmol/kg，桑树最低，为0.33 cmol/kg，桑树土壤交换性Na+与碱化度明显低于荒地，可能与种植试验前土壤存在不一致有关。

含有较多交换性Na+的土壤胶体在土壤有较多可溶盐的条件下，由于土壤溶液的浓度较大阻止了交换性Na+的水解，所以，土壤不发生碱化。只有当土壤脱盐到一定程度，土壤交换性Na+发生水解，土壤才呈现碱化特征。通常碱化过程与脱盐过程相伴发生。黄河三角洲滨海盐碱地地区，年降水量主要集中于6—8月份内，每降一次有效降雨，就淋洗一次土壤盐分，天晴后地表又因蒸发而重新积盐。在这样盐分反复地淋洗、积累的过程中，土壤较容易发生碱化。当土壤中脱盐和积盐过程频繁交替发生时，可溶性Na+进入土壤胶体取代Mg2+、Ca2+，土壤即发生碱化[13]。经过各林分改造作用，土壤盐渍化程度降低，由中盐化向轻盐化转化，脱盐过程与碱化过程同时发生，各林地土壤全盐量均低于荒地，而pH(桑树)高于荒地。

表2　不同造林树种林地土壤理化性质

2.2不同树种造林地土壤肥力特征评价

土壤质量的核心是土壤生产力，其基础是土壤肥力[14]。土壤肥力质量是土壤质量的重要组成部分，是土地生产力的基础，直接关系到生产的可持续性。在生产应用上，有机质和养分含量的大小常用来衡量土壤肥力的高低[15]。根据盐碱土壤特点，选取以下对植物生长发育影响较大的七个指标：土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾及阳离子交换量，构成评价的因子。应用隶属函数分析法对8种不同树种造林地土壤肥力进行综合评价，从表3可以看出，8种不同造林树种对土壤肥力的改良状况影响不一，刺槐林地土壤肥力的综合指标值最大，为0.803；冬枣林地土壤次之，为0.539；柽柳林地土壤最小，为0.138。其肥力指标综合排序为：刺槐林>冬枣林>杨树林>桑树林>白蜡林>榆树林>紫穗槐林>柽柳林。刺槐对土壤肥力的改良效果最好，这是因为刺槐林地土壤表层枯落物层较厚，经微生物分解后产生较多的腐殖质，增加了有机物的积累。柽柳对土壤肥力的改良效果最差，这是因为柽柳林地枯落物积累少，有机物积累也少，土壤肥力较低。

2.3不同树种造林地土壤盐碱化特征评价

不同造林地土壤盐碱化程度的定量评价对于该区土壤的有效改良利用具有重要意义。考虑到土壤盐碱化程度影响因素较多、相互之间密切相关的特点，根据所取土样各项理化指标的分析结果，取pH值、碱化度、总碱度、交换性Na+、全盐量5个指标对研究区土壤的盐碱化程度进行综合评价。运用主成分分析法[16]，以各主成分特征的贡献率为权重，加权计算[17]各林地土壤盐碱化综合指标值。盐碱化综合指标值越大，说明土壤盐碱化程度越高，对植物的危害性越大。通过对5个指标的主成分分析，得出主成分的特征值、贡献率及其特征向量，如表4所示。

表3　不同造林树种林地土壤肥力指标综合评价指数及顺序

由表4可知，前两个主成分Y1和Y2的方差和占全部方差的比例为95.736%，即基本上保留了原来指标的信息。选取Y1为第一主成分，Y2为第二主成分对上述5个指标的主成分分析，得到两个主成分方程为：

第一主成分方程：Y1=0.495x1+0.471x2+0.481x3-0.265x4+0.481x5

第二主成分方程：Y2=-0.051x1-0.201x2+0.354x3+0.839x4+0.357x5

式中：x1，x2，x3，x4，x5——pH值、总碱度、碱化度、全盐量、交换性Na+。从主成分特征向量可以看出，第一主成分Y1可以看成是x1，x2，x3，x5的综合变量。第二主成分依赖于变量x4，这标示着Y2反映的是全盐量的水平。

表4　不同造林树种林地土壤主成分特征值及其贡献率

由表4可知，所选前2项主成分的特征值分别是3.749，1.038，权重分别为0.783，0.217。将前2项主成分的特征向量分别乘以相对应的每一样点原始数据，得到每一样点的标准化原始数据矩阵，即得到每一样点前2项主分量值，并将每一样点前2项主成分值再乘以相应的权重，进行加权求和，得到每一样点的得分值，再对每一造林树种土壤的得分求其平均值，得到不同造林树种土壤盐碱化综合指标值。

由图1可知，不同造林树种对土壤盐碱化程度影响不一，紫穗槐林地土壤的盐碱化综合指标值最大，为9.239；柽柳林地土壤次之，为8.299；刺槐林地、冬枣林地和桑树林地土壤的盐碱化综合指标值低于荒地。不同造林地土壤的得分排序为：紫穗槐>柽柳>榆树>杨树>白蜡>刺槐>冬枣>桑树。

图1　不同造林树种土壤盐碱化综合指标值

3　结 论

(1) 不同造林树种均对盐碱土有一定改良作用，可改善土壤结构，降低土壤容重，提高土壤肥力，但因树种的生物生态学特性不同，改土保肥能力也有所不同。经过各林分改造作用，土壤盐渍化程度降低，由中盐化向轻盐化转化，而土壤碱化程度有所增加，土壤脱盐过程与碱化过程并存，各林地土壤全盐量均低于荒地，而pH(桑树)高于荒地。交换性Na+与碱化度在各林地土壤中的变化趋势一致。土壤碱化程度以紫穗槐林地最大，柽柳林地次之。

(2) 以隶属函数分析法对各造林地土壤肥力特征的综合评价结果为:刺槐林>冬枣林>杨树林>桑树林>白蜡林>榆树林>紫穗槐林>柽柳林，刺槐对土壤肥力的改良效果最好。

(3) 以主成分分析法对各造林地土壤盐碱化程度的综合评价结果为:紫穗槐林>柽柳林>榆树林>杨树林>白蜡林>刺槐林>冬枣林>桑树林，其中紫穗槐林地的土壤盐碱化程度最高，刺槐林地、冬枣林地和桑树林地土壤盐碱化程度低于荒地。

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Study on the Effects of Different Afforestation Species on the Soil Improvement in Coastal Saline Area

WANG Heyun, LI Hongli, DONG Zhi, CHEN Xinchuang

(College of Forestry, Shandong Agricultural University, Shandong Provincial Key Laboratory of Soil ErosionandEcologicalRestoration,TaishanForestEcosystemResearchStation,Tai′an,Shandong271018,China)

In order to study the soil improvement effects of different afforestation species, soil samples were collected from afforested woodlots different in tree species for lab analysis of fertility and alkalization characteristics, of which a systematic study was done with the mothed of subordinate function and principal component analysis. Results showed that afforestation could improve soil structure, reduce soil bulk density, improve soil fertility, reduce the degree of soil salinization, which transformed the medium salinization to light salinization, desalination process and alkalization process coexisted; soil fertility in different afforestation models decreased in the order: Black locust>Winter jujube>Poplar>Mulberry>Chinese ash>Elm>Amorpha>Tamarisk; soil alkalization levels decreased in the order: Amorpha>Tamarisk>Elm>Poplar>Chinese ash>Black locust>Winter jujube>Mulberry.

afforestation species; soil fertility; salinization; coastal saline soil

2015-03-21

2015-03-27

世界银行贷款山东生态造林项目“山东生态造林项目生态效益监测与评估”(SEAP-JC-2);中国水利水电科学研究院院专项“泥基本科研1575：基于含钙废弃物的盐碱土改良技术研究”

王合云(1990—),女,山东聊城人,硕士研究生,主要从事林业生态工程研究。E-mail:xaiqian@163.com

李红丽(1972—),女,内蒙古赤峰市人,副教授,硕士生导师,主要从事荒漠化防治与植被恢复研究。E-mail:lhl@sdau.edu.cn

S728.5

A

1005-3409(2016)02-0161-05