晋北风沙区小叶杨林地退化修复对土壤理化性状的影响

段世宇，薛斌龙

(山西省桑干河杨树丰产林实验局，山西 大同 037000)

小叶杨(Populussimonii)人工林是新中国成立后开始大面积营造的以防风固沙、保持水土为主要目的的防护林，栽植多年后退化严重，逐渐形成“小老树”[1]。最早从20世纪70年代开始山西省杨树林局采用多种方式进行退化林分修复，主要修复方式有片状皆伐改造、带(块)状间伐改造、林冠下植苗改造、伐桩嫁接改造、针阔灌混交与伐桩嫁接改造相结合5种模式[2-3]。经40多年持续修复改造，退化林树木逐步恢复生机并逐渐成林，修复后的林地水土保持等防护功能逐渐增强，并对林地土壤的孔性、土壤质量、养分等产生了重要影响。分析比较和研究晋北风沙区不同修复模式对退化小叶杨林地土壤理化性状改良效果，可为选择适宜修复造林树种及其配置方式提供依据和参考。

1 研究区概况

晋北风沙区横跨山西省大同、朔州2市，地处雁门关外。属于温带大陆性季风气候，年均气温4～7 ℃，常年多风沙，无霜期100～120 d，年降水量290～400 mm[4]，海拔从982～1 100 m,土壤以栗钙土、沙壤、淡褐土为主。试验调查样地都是小叶杨人工林退化后的修复林地(表1)。

2 材料与方法

2.1 样地选取与样品采集

2019年9月上旬，选取晋北风沙区小叶杨退化林分修复代表性林地共计34块，未经修复林地1块作为对照，共计样地35块。调查样地中，包括针阔叶混交林、针叶纯林、针叶混交林、乔灌混交林、阔叶纯林及阔叶混交林，涉及樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(P.tabuliformis)、小叶杨(Populussimonii)、群众杨(PopulusבPopularis’)、侧柏(Platycladusorientalis)、榆树(Ulmuspumila)、中金杨(Populus×zhongjinnensis)、金白杨(P.×albajinbaiyang’)、河北杨(P.hopeiensis)、欧洲山杨(Populus×zhongjinnensis)、新疆杨(Populus×zhongjinnensis)、柠条(Caraganakorshinskii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、杏树(Armeniacavulgaris)等共计15个树种。样地JST13曾尝试过多种修复方式，原始树种小叶杨为20世纪60年代栽植，经采伐后最早在1982年栽植第一代群众杨，之后1993年进行萌芽更新，1996年在行间栽植油松，株间栽植柠条，又在2010年伐桩嫁接金白杨。样地LZY28原始树种为小叶杨，1982-1983年栽植第一期群众杨丰产林，1990年进行萌芽更新，之后2006-2007年伐桩嫁接中金杨。

各样地按机械选点法选择4个样点采集土样，采集深度为0～80 cm，间隔20 cm(0～20 cm间隔10 cm)为一层采集原状土。采用环刀法测定土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度[7]。原状土带回实验室测定土壤养分，每样点重复3次。

2.2 样品分析与处理

土壤pH值,有机质、全N、全K、全P、铵态N、速效K、速效P等含量按常规方法测定[8-9]。

2.3 数据整理与分析

数据整理、分析及图表制作采用软件EXCEL2003、SPSS19.0、Origin 2018。采用Duncan氏新复极差法进行多重比较，采用pearson相关性分析土壤化学性质，数据均以平均数±标准差表示。

3 结果与分析

3.1 不同修复方式和林型对土壤容重和孔隙度的影响

植物根系可以改善土壤结构、孔隙度和通透性等物理性状[10-11]。由表2可知，调查各样地的土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度等3个指标，不同土层、不同更新修复方式之间都具有极显著差异(P<0.01)，不同更新修复方式与土壤土层深度交互效应也具有极显著差异(P<0.01)。

表2、图1显示，调查样地不同恢复更新方式、不同更新后林型的土壤容重、土壤孔隙度在不同深度土层间变化规律基本一致，即0～10 cm层土壤容重均值最低(1.510 g·cm-3)，其次为60～80 cm层(1.551 g·cm-3)，而10～20 cm或20～40 cm层土壤容重均值最高；土壤总孔隙度、毛管孔隙度都是0～10 cm最高， 分别为53.26%、49.24%，土壤总孔隙度除针叶混交林和带状更新外，都是60～80 cm层土壤次之，而10～20 cm土壤层土壤总孔隙度最低(45.64%)，土壤毛管孔隙度为41.76%。

注：大写字母代表同一更新林分类型(同一更新修复方式)不同土层间差异显著(P<0.05)，小写字母代表同一土层不同更新林分类型(不同更新修复方式)间差异显著(P<0.05)；下同。图1 不同更新林分类型与不同更新修复方式下的林地土壤物理指标

表2 更新林分类型、更新林分修复方式与土层深度对林分土壤容重及孔隙度影响

针叶混交林、针阔叶混交林、阔叶纯林3种更新林分类型的土壤总孔隙度均值分别为57.78%、49.74%、49.49%，都极显著高于对照43.38%(P<0.01)。针叶混交林、阔叶纯林土壤毛管孔隙度分别为43.95%、45.76%，显著高于对照39.42%(P<0.01)。带状更新、林冠下植苗等2种退化林分更新修复方式平均土壤容重分别为1.524 7、1.572 g·cm-3较对照低9.86%、7.09%。林冠下植苗、伐桩嫁接等更新修复方式的土壤总孔隙度分别为50.56%、50.55%，显著高于对照43.38%(P<0.05)，两种修复方式土壤毛管孔隙度分别为44.29%、46.10%显著高于对照39.42%(P<0.05)。

总之，退化林分修复能够有效改善土壤孔隙度和通透性。晋北风沙区小叶杨退化林分修复采用针叶混交林最有利于改善土壤孔隙度，而阔叶纯林与针阔叶混交林也具有良好的效果。林冠下植苗、伐桩嫁接两种退化林分更新修复方式能够有效改善土壤容重和土壤孔隙度。植物根系在土壤中穿插，有利于土质疏松和土壤结构改良[19]。针叶混交林能够充分利用林分空间，根系较纯林地密集。林冠下植苗同样充分利用了林地空间，根系得到舒展。样地XJZ17为林龄34 a油松、小叶杨混交林，油松1985-1986年间伐。样地XJZ19为林龄22 a油松、樟子松混交林，曾进行过修枝，调查发现两块样地均有针叶树自然更新情况，说明样地土壤物理状况能够满足种子发芽基本条件。样地JST13采用包括伐桩嫁接在内的多种方式修复后，土壤孔隙度有明显改善。

3.2 不同修复方式和林型对土壤pH值与有机质含量的影响

土壤pH能够影响物种的适应性[12]。如表3所示，调查各样地的土壤pH值不同更新林分类型、不同更新修复方式、土层深度均具有极显著差异(P<0.01)，各样地土壤有机质含量仅不同深度土层间差异极显著(P<0.01)，而不同更新林分类型、不同更新修复方式与对照相比，没有显著差异(表3、4、5)。如图2所示，针叶混交林、阔叶纯林土壤pH值均值分别为7.827、8.120显著低于对照样地的8.39。更新修复方式中仅块状间伐pH值均值为8.008显著低于对照8.39(P<0.01)。土壤pH值在0～10 cm土层最低，40～60 cm土层最高。0～10 cm土层土壤有机质远高于其他土层。

表3 更新林分类型、更新林分修复方式、林地土层深度对林分土壤养分的影响

图2 不同更新林分类型与不同更新修复方式林地土壤pH和有机质的影响

表4 更新林分类型对林分土壤养分的影响

表5 更新林分修复方式对林分土壤养分的影响

退化林分经多年修复后，土壤pH值发生明显变化。有研究表明，土壤pH值与有机质呈显著负相关关系[13]。同时，土壤pH值还与年均降水量、年均气温及林木对养分的吸收及分泌物有关[14]。针叶树或针阔混交林含树脂和单宁等酸性物质，可引起土壤酸性增加[15]。调查样地中样地JST7、JST10降低最明显。样地JST7树种为侧柏，样地JST10树种为欧洲山杨，两块样地土壤有机质、氮磷钾等养分处于较低水平，并且表层土壤pH值降低大于土壤pH均值，推测两块样地土壤pH值降低与林木分泌物或凋落物有关。退化林分修复后样地有机质含量较低，可能与当地气候干燥寒冷有关，凋落物难以分解还田且林木对有机质需求较大。

3.3 不同修复方式和林型对土壤全N、全P、全K含量的影响

退化林分修复后所有样地土壤全N含量有明显提高，多数样地全K、全P含量有明显提高。如表3所示，调查各样地的土壤全N含量不同更新林分类型、不同更新修复方式具有极显著差异(P<0.01)，调查各样地土壤全K含量不同更新林分类型具有极显著差异(P<0.01)、不同更新修复方式具有显著差异(P<0.05)，调查各样地土壤全P含量不同更新修复方式具有极显著差异(P<0.01)。

如图3所示，对照样地土壤全N含量均值为170.45 mg·kg-1，不同更新林分类型中阔叶混交林、乔灌混交林分别为536.266、457.46 mg·kg-1，显著高于对照(P<0.01)。针叶纯林、针阔叶混交林、阔叶纯林分别为424.955、332.05、319.433 mg·kg-1，显著高于对照(P<0.05)。不同更新修复方式中带状更新、片状皆伐的土壤全N含量均值分别为466.308、420.951 mg·kg-1，显著高于对照(P<0.01)。块状间伐、伐桩嫁接土壤N含量均值分别为380.214、292.600 mg·kg-1,显著高于对照(P<0.05)。

土壤对照样地全K含量均值为9.40 g·kg-1，不同更新林分类型中乔灌混交林、阔叶混交林分别为15.680、15.046 g·kg-1，显著高于对照(P<0.01)；针叶纯林、针阔叶混交林分别为11.558、11.368 g·kg-1，显著高于对照(P<0.05)；不同更新修复方式中林冠下植苗、带状更新土壤全K均值为13.574、13.183 g·kg-1,显著高于对照(P<0.05)。

对照样地土壤全P含量均值为260.80 mg·kg-1，不同更新修复方式中伐桩嫁接、林冠下植苗分别为1 013.700、631.400 mg·kg-1显著高于对照(P<0.01)。

综上所述，退化林分修复采用乔灌混交林、阔叶混交林有利于土壤全N、全K含量的积累。采用带状更新修复方式，土壤全N、全K含量有明显改善，而采用伐桩嫁接的更新方式有利于土壤全P含量的积累。混交林可以明显改善植物对水分、养分以及资源空间利用的有效性[19]。阔叶凋落物中含有较多灰分，能够有效提升土壤N、K含量[20]。P元素在土壤中扩散较小，只有在根系附近才能被植物吸收。而伐桩嫁接能够保留原根系不动，不需要形成新的根系，全P含量在土壤中含量较高。样地JST32为河北杨、榆树、柠条混交林，河北杨自然更新较多；样地JST33为刺槐、榆树、柠条混交林，两块样地位于应县栗家坊桑干河畔，水分充足，生长良好，均为阔叶混交林，并采用带状更新修复方式。

3.4 不同修复方式和林型对土壤速效K、铵态N、速效P含量的影响

退化林分修复后样地土壤速效K、铵态N有明显变化。如表3所示，调查各样地的土壤速效K含量不同更新林分类型间具有极显著差异(P<0.01)，经修复后林地速效K含量较为丰富。调查各样地土壤铵态N含量不同更新林分类型间具有显著差异(P<0.05)，而土壤速效P含量没有显著差异。由表4、5可知，对照样地土壤速效K含量均值为24.296 mg·kg-1, 不同更新林分类型中乔灌混交林、阔叶混交林分别为843.910、811.600 mg·kg-1，极显著高于对照(P<0.01)，针叶纯林为395.571 mg·kg-1，显著高于对照(P<0.05)。对照样地土壤铵态N含量9.622 mg·kg-1，经修复后样地土壤铵态N含量均值降低，其中针叶混交林、针阔叶混交林分别为3.215、4.519 mg·kg-1，显著低于对照(P<0.05)。这可能是由于土壤速效K、铵态N、速效P含量能够迅速被植物利用，调查样地中植物密集，对速效养分需求量较大。

图3 不同更新林分类型与不同更新修复方式下的林地土壤全N、全P、全K含量

样地JST5、JST12树种均为以小叶杨为母本，钻天杨和旱柳混合花粉为父本的杂交品种群众杨[17]。两块样地速效K含量较高，且表层土壤速效K含量远高于均值，可以认为表层土壤速效K含量与树木凋落物有关。

3.5 土壤化学性质相关性分析

表6结果显示pearson相关性分析，调查样地中土壤速效K分别与土壤pH值、全N、全P、全K含量存在极显著正相关性(P<0.01)，与有机质存在显著负相关性(P<0.05)。土壤铵态N含量与有机质和全N含量存在极显著正相关性(P<0.01)。土壤全K含量与pH值及全P含量具有显著正相关(P<0.05)，与全N含量具有极显著正相关(P<0.01)。土壤pH值与有机质含量存在显著负相关(P<0.05)，与速效K含量(P<0.01)、全K含量(P<0.05)呈现显著正相关。研究区pH值多高于8，呈碱性，有利于K元素的积累，但不利于有机质和铵态N积累。

表6 调查样地土壤化学性质及养分含量的相关性

4 结论与讨论

(1)小叶杨退化林修复后的稳定林分对土壤物理性质有良好的影响。多数林地土壤容重降低、土壤总孔隙度和毛管孔隙度提高，说明土壤通气性好有利于土壤养分转化；针叶混交林较有利于土壤孔隙度的增加，而林冠下植苗、伐桩嫁接能够有效改善土壤通气性。

(2)晋北风沙区小叶杨退化林修复林地土壤有机质多处于匮乏状况，而土壤pH值略下降，原因有二：一是调查地域土壤呈碱性，有机质与铵态N难以积累，但有利于K元素含量的提高；二是森林土壤中不同养分存在不同的循环机制[18]。土壤有机质的积累与枯落物分解转化及林木的吸收相关，在晋北风沙区气候干旱寒冷，枯落物分解较困难且林木对有机质需求较大，土壤中积累的有机质较少。

(3)稳定林分树木与土壤形成了动态平衡，土壤较缺乏铵态N，大多数林分土壤全N、全P含量大幅提升，部分林分土壤全K含量大幅提升；乔灌混交林、阔叶混交林有利于土壤全N、全K含量的积累。采用带状更新修复方式，土壤全N、全K含量有明显改善，而采用伐桩嫁接的更新方式有利于土壤全P含量的积累。

综上所述，晋北风沙区退化林分修复宜采取适地适树的原则。在水源较丰富平坦地区宜采用乔灌混交林或阔叶树混交林以及带状更新修复方式，树种宜采用河北杨、榆树、刺槐、群众杨等；而在山坡或海拔较高等地区，可采用针叶混交林及林冠下植苗更新修复方式，构建的稳定林分土壤通气性较好，有利于自然更新；针阔叶混交林具有广泛的适应性，适合大多数地区。在晋北风沙区构建稳定林分，必须特别注重有机肥使用，有条件者应在整地过程中施入适量经腐熟的有机肥以弥补土壤的欠缺。