吉林省西部鹽堿地5種林分類型土壤改良效果研究

王梓默，林士杰，張大偉，何懷江，陳思羽，包廣道，賈慶彬，張忠輝

（吉林省林業科學研究院，長春 130033）

0 引言

目前，世界鹽堿土總面積約9.5億hm2，占據陸地總面積的近10%，土地鹽堿化作為土壤退化的主要類型之一，已經成為了世界性資源問題和生態問題[1]。中國鹽堿土面積約3.5億hm2，是世界鹽堿地大國之一，在人口不斷增加、土地資源短缺的今天，鹽堿地的改良與利用在改善生態環境、保障糧食安全、促進經濟社會可持續發展等方面發揮著重要的作用[2-3]。作為北方地區重要的產糧基地和農牧業基地[4]，松嫩平原同時是中國主要的鹽堿土分布區之一，鹽堿化土地面積達3.73×106hm2，并且以每年1.5%左右的速率繼續擴展，鹽堿化程度持續加劇[5]。吉林省西部地區位于松嫩平原腹地的森林草原生態過渡帶，屬于半干旱半濕潤溫帶大陸性季風氣候，一直是環境、氣候變化的敏感區域[6]，不僅容易受自然地理因素影響，過度放牧、盲目墾荒、粗放經營等不合理的人類活動也導致吉西地區自然環境與生態平衡遭到破壞，土地鹽堿化、沙化與土地退化等問題日益嚴峻，土地資源質量變差與農業生產條件劣化已經成為了阻礙當地農業生產發展與資源可持續利用的主要障礙因子之一[7]。吉西鹽堿地作為潛在的耕地資源，其改良與利用已經成為了松嫩平原土地資源開發最關注的問題之一，開展具有區域性、典型性的植被恢復技術的研究，對不同植被下土壤理化性質進行分析，是了解吉西鹽堿地土壤退化機理、科學改良土壤的基礎。近年來，許多學者對西北黃土高原區、南方土石山區及濱海鹽漬區的人工林進行了大量研究，在造林技術及生態功能評價方面取得了豐碩的成果[8]，但相關研究多集中于困難立地的防護林的營建與恢復[9]，對于草原鹽堿土困難立地人工林的研究相對較少。在吉林省西部地區生態修復過程中已經形成了幾種典型的造林模式，但還缺乏對不同林分類型的土壤改良效果進行比較與評價，本研究選擇檉柳林、枸杞林、黑楊林、油松林及黑楊白榆混交林5種典型林分為研究對象，對不同林分類型土壤容重、孔隙度、土壤滲透能力、土壤pH值、全氮、水解氮、全磷、有效磷、有機質含量進行分析，綜合評價不同林分的土壤改良效果，研究結果不僅為吉西鹽堿地通過植被恢復實現土壤修復提供了更加具體的數據支撐，同時為吉西鹽堿地造林模式的選擇提供了借鑒，對于改善生態環境、促進吉林省西部地區農林業開發利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于吉林省松原市乾安縣水字鎮大師村，屬于松嫩平原西部鹽堿化的典型地區，該區屬于典型的半干旱半濕潤溫帶大陸性季風氣候，對環境變化敏感，春季多風干旱，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫4.6℃，年平均降水量420.6 mm，全年無霜期平均145天，凍結期長，凍層深度可達160～180 cm；附近鹽堿地面積達1022 hm2，鹽堿化程度不同。研究區植被以耐干旱耐鹽堿植物為主，草本植物如羊草、星星草等，木本植物主要有楊樹、檉柳、油松、枸杞、白榆等。區域物種組成相對單一，群落結構簡單，穩定性差，容易遭受自然因素及人為干擾影響[10]。

1.2 樣地設置與樣品采集

在2017年5月，對研究區進行實地踏查，選擇立地條件相似的典型檉柳林、枸杞林、黑楊林、黑楊白榆混交林、油松林的近熟林分作為研究對象。在喬木林中設置20 m×20 m的樣地3個，在灌木林中設置5 m×5 m的樣地5個，在每個樣地內按照“S”型挖掘土壤剖面，以距林地100 m的環境條件相同的未造林鹽堿地為對照，通過100 cm3環刀按0～10、10～20、20～30 cm分層進行土壤樣本的采集。將同一林分樣地土樣進行混合，去除根系與礫石等，風干后進行土壤理性能分析[11]。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤物理性質測定 土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度通過環刀法測定[12]。土壤滲透速率的測定采用雙環入滲法[13]。

1.3.2 土壤化學性質測定 土壤有機質含量(OM)：重鉻酸鉀氧化法測定，參照國標LY-T 1237—1999。土壤全磷含量(TP)：混合鹽消化—鉬銻抗比法測定，參照國標LY-T 1232—1999。土壤有效磷含量(AP)：雙酸浸提—鉬銻抗比色法測定，參照國標LY-T 1233—1999。土壤速效鉀含量(AK)：火焰光度計法測定，參照國標LY-T 1236—1999。土壤全鉀含量(TK)：混合鹽消化—火焰光度計法測定，參照國標LY-T 1234—1999。土壤pH：3H型酸度計測定，參照國標LY-T 1239—1999。土壤水解氮含量(HN)：堿解擴散法測定，參照國標LY-T 1229—1999。土壤全氮含量(TN)：凱氏定氮法測定[14]。

1.4 數據處理方法

試驗數據采用Excel 2007進行處理，不同林分類型土壤理化性質采用SPSS 21.0進行顯著性差異分析。土壤理化性質相關性分析采用Pearson相關分析法分析。各林分土壤改良效果綜合分析采用主成分分析法。

2 結果與分析

2.1 不同人工林土壤理化性分析

為了評價5種人工林的土壤改良效果，對林地及空白對照的土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤滲透速率、土壤有機質、全氮、水解氮、全鱗、有效磷、全鉀、速效鉀等理化性質指標進行測定，5種林分對土壤理化性質均有一定程度的改善。如表1所示，林地平均土壤容重約為1.57g/cm3，與未造林地相比降低了4.27%，表明樹木根系的穿插、枯枝落葉的分解等能夠降低土壤容重、改善土壤質地。各林分類型土壤容重與同層未造林地相比均顯著降低，其中檉柳林在0～20 cm土層深度土壤容重降幅最大，達到6.75%，而在20～30 cm土層深度林分土壤容重降低幅度減小，與裸地相比平均減少了2.65%，說明5種林分在表層土壤的容重改良方面表現更佳。由表2可知，林地土壤滲透性能也得到改善，其中檉柳林與枸杞林的林地土壤孔隙度最大，水分的滲透速率更快，林下土壤的透水通氣性相對更好，在40 min左右時5種林地土壤滲透速率趨于穩定，而未造林地在30 min左右即達到穩滲速率，表明在相同的立地條件下，樹木改善土壤結構的同時延長了水分滲透的過程，土壤達到穩滲速率的時間增加，進而減緩地表徑流的形成，降低徑流沖刷帶來土壤侵蝕的可能性。

表1 不同林分土壤容重及孔隙度的變化

表2 不同林分土壤滲透速率

圖1表明，5種林分土壤養分含量與未造林地相比均有所提升，土壤有機質、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀含量均顯著大于同土層深度的未造林地，不同林分對土壤養分改良能力有所不同。在5種林分中，黑楊林、黑楊白榆混交林土壤有機質含量增加最多，與裸地相比分別提升了137.36%與113.76%；枸杞林與黑楊林土壤水解氮含量提升最多，分別為裸地的1.63倍與1.56倍；枸杞林土壤有效磷含量最高，達到了裸地的1.66倍，其次是檉柳林土壤有效磷含量為裸地的1.60倍，二者有效磷含量顯著高于其他林分；枸杞林與黑楊白榆混交林土壤速效鉀含量最高，分別為裸地的1.39倍與1.27倍。土壤養分在垂直分布上主要集中于0～20 cm土層深度，可能是由于枯枝落葉分解產生腐殖質、土壤有機質等養分積累的過程主要發生在土壤表層，因此林地養分分布呈現出明顯的表聚特征。

圖1 土壤化學性質在不同林分及土層間的趨勢

5種林分土壤pH呈自上而下增加趨勢，而未造林地土壤剖面自上而下pH逐漸降低，各林分土壤pH均顯著小于同層未造林地，其中，枸杞林和黑楊白榆混交林在0～30 cm土層深度平均土壤pH最低。5種林分均表現為對表層鹽堿土pH降低作用更加明顯，與對照相比0～10 cm土層深度pH降低了3.69%～7.50%，可能由于地表經植被覆蓋后減少了水分的蒸發，抑制了土壤反鹽，同時根系將土壤水分吸收供給植物的蒸騰作用，使地下水位降低，抑制了表層土壤鹽堿化[15]。林木為主的植被恢復通過枯枝落葉的分解加強了土壤中微生物活動，促進土壤與植物間養分循環，增加土壤有機質等養分含量，同時降低土壤pH，進一步提高了鹽堿土困難立地條件下群落的穩定性。

2.2 土壤理化性質相關性分析

為了更好地分析各項土壤理化性質指標間的關系，對5種林分在0～30 cm土層深度土壤容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初滲速率(X5)、土壤穩滲速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全鉀(X11)、速效鉀(X12)、有機質(X13)、pH(X14)均值采用Pearson相關分析進行描述。結果如表3所示，林分土壤容重與土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度呈極顯著負相關關系；林地土壤滲透性能均與土壤容重呈顯著負相關關系；土壤全氮、全鉀、有效磷含量與土壤孔隙度呈極顯著正相關，與土壤容重呈極顯著負相關；土壤水解氮、全磷含量與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤總孔隙度呈極顯著正相關，土壤水解氮含量與土壤非毛管孔隙度呈顯著正相關；土壤速效鉀含量與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤孔隙度呈顯著正相關關系；土壤有機質含量與土壤容重呈極顯著負相關，與總土壤孔隙度呈極顯著正相關；土壤全氮含量與土壤水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機質含量呈極顯著正相關；土壤水解氮含量與土壤全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機質含量呈極顯著正相關；土壤全磷含量與土壤有效磷、全鉀、速效鉀含量呈極顯著正相關；土壤有效磷與土壤速效鉀呈極顯著正相關，與全鉀呈顯著正相關；土壤全鉀與速效鉀、有機質含量呈極顯著正相關；土壤速效鉀與有機質含量呈極顯著正相關；土壤pH與土壤容重呈極顯著正相關，與土壤水解氮含量呈顯著正相關，與全磷、有效磷含量呈顯著負相關，與土壤全氮、全鉀、速效鉀、有機質及總孔隙度呈極顯著負相關關系。相關性分析結果表明，土壤各項理化性質之間存在相關性，采用單獨的一個指標或幾個指標進行土壤改良作用分析都不全面，因此進行鹽堿地土壤改良效果評價時，需要全面考慮率各個因素的影響[16]。

表3 土壤理化性質各因子相關性分析

2.3 土壤改良效果綜合評價

土壤改良效果是土壤多項基本性質的綜合反映，除了不同樹種下各項土壤理化性質變化規律不同以外，各項理化性質對土壤改良效果的貢獻也存在一定區別[17]。從相關性分析結果可知，土壤改良效果各項評價指標相間關性較強，因此，為了全面客觀地對不同林分的土壤改良效果進行評價，選取土壤容重(X1)、總孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初滲速率(X5)、土壤穩滲速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全鉀(X11)、速效鉀(X12)、有機質(X13)、pH(X14)共14項指標，通過主成分分析法將多項復雜的評價指標簡化成相互獨立的綜合指標，消除重疊的土壤屬性[18]，利用新的綜合指標對不同林分的土壤改良作用進行分析評價，揭示不同林分類型對鹽堿地土壤的改良效果。

在主成分分析過程中，特征值可作為判斷各主成分對土壤改良效果影響大小的指標之一，當主成分的特征值大于1時，主成分即可作為評價土壤改良效果的依據[19]。從表4中可以看出，有3個主成分的特征值大于1，且前3個主成分累計方差貢獻率達到82.42%，占據變異的絕大部分，因此，選取前3個主成分作為土壤改良效果評價指標進行分析，能夠較好地反映土壤理化性質原始的數據信息。

表4 主成分特征值及貢獻率

第一主成分方差貢獻率最大，達到53.943%，作為評價土壤改良性質的綜合指標，如表5所示，土壤容重、土壤總孔隙度、土壤全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機質含量及pH值對第一主成分影響較大，說明土壤的物理性質與化學性質在評價土壤改良效果中都占據重要地位。第二主成分占變異總數的14.791%，其中土壤全氮、非毛管孔隙度、土壤水解氮的系數較大，說明氮素是該區土壤營養元素主要限制因子；第三主成分受土壤初滲速率影響最大，主要反映了土壤滲透性能，其次受土壤毛管孔隙度及土壤全鉀含量影響。為了進一步綜合評價不同人工林的土壤改良效果，根據3個主成分貢獻率大小計算綜合指數，3個主成分權重分別為0.6545、0.1795、0.1660，計算公式如(1)所示。

表5 主成分的標準化特征向量值

計算不同林地土壤改良效果綜合得分，如表6所示，各樣地綜合得分由大到小排列依次為：枸杞(43.81)＞檉柳(40.79)＞黑楊白榆混交林(40.33)＞黑楊(39.31)＞油松(39.03)＞未造林地(33.55)，說明5種人工林都具有改良土壤理化性質的作用，其中枸杞對鹽堿地的改良效果最佳，其次是檉柳，再次是黑楊白榆混交林及黑楊，油松的土壤改良效果相對較弱。

表6 不同林分土壤3個主成分得分分值

3 結論與討論

研究結果表明5種人工林植被均能夠有效改良鹽堿地土壤理化性質，一方面能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤的通氣性與透水性更好，另一方面能夠降低土壤pH值，增加土壤養分含量，這與邱月[20]、宋雪[21]、張平[22]、陳苗苗等[23]的研究結果一致，說明人工林植被對鹽堿地生態修復具有重要作用。相關性分析結果表明，各林地土壤理化指標之間具有復雜的相關性，尤其部分土壤養分指標間呈極顯著關系，與王麗琴[24]、劉桂民等[25]對堿地人工林土壤改良效果的研究結果不完全相同，說明吉西草甸鹽堿土與黃河三角洲濱海鹽鹽堿土在不同環境條件下土壤理化性質之間的關系也有所區別，土壤理化性質間如何互相影響仍有待進一步的探索。

通過主成分分析法對5種林分土壤理化性質進行綜合評價，結果表明5種林分中枸杞的土壤改良效果最佳，其次是檉柳林，二者具有耐鹽、耐寒、耐旱的特點，繁殖能力強[26]，鹽害與病蟲害輕，具有較高的經濟價值，因此，在吉林省西部鹽堿地改良與利用的實踐中，可優先考慮枸杞與檉柳作為人工植被恢復的優選樹種。黑楊白榆混交林的土壤改良效果綜合得分與檉柳林比較接近，而黑楊、白榆的葉量豐富、根系發達、生物量高，既適生于吉西鹽堿地特殊環境條件，又對鹽堿土有一定程度的改良作用，在輕度鹽堿地上種植黑楊及白榆，同時可用于用材林與農田林網的建設。相比之下油松林對吉西鹽堿地的土壤改良作用相對較弱。對5種典型林分的土壤改良效果進行綜合評價，為吉西鹽堿地通過植被恢復實現土壤修復提供了更加具體的數據支撐，研究結果為吉西鹽堿地高效人工林建設與鹽堿地資源的可持續利用提供了借鑒。