冀北沙地人工林土壤逆转特征研究

马增旺，范少辉，官凤英，邢存旺

（1. 国际竹藤中心，北京 100102；2. 河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；3. 河北省林木良种工程技术研究中心，河北 石家庄 050061）

冀北沙地人工林土壤逆转特征研究

马增旺1,2,3，范少辉1，官凤英1，邢存旺2,3

（1. 国际竹藤中心，北京 100102；2. 河北省林业科学研究院，河北 石家庄 050061；3. 河北省林木良种工程技术研究中心，河北 石家庄 050061）

为了掌握零星沙地人工林营造后林地土壤的逆转变化特征，通过标准地调查，对榆树（Ulmus pumila）、侧柏（Platycladus orientalis）和小叶杨（Populus simonii）3个树种进行了调查。结果表明：人工固沙林不同程度地起到了拦截风沙、降低风蚀的作用，对改善输沙率以及土壤的机械组成、理化性质发挥了作用；不同林分的输沙率不同，但80% ～ 90%的输沙集中发生在距离地面4 cm高度范围内，影响输沙量的主要林分结构因子是林分郁闭度，按输沙率大小排序9年生小叶杨林 ＞ 7年生侧柏林 ＞ 15年生小叶杨林 ＞ 17年生侧柏林 ＞ 7年生榆树林 ＞= 13年生榆树林；所有林地土壤的有机质、N素、P素仍然处于极低水平，呈极贫瘠状态，造林后地力的自然恢复进程非常缓慢。

零星沙地；人工固沙林；输沙率；土壤理化性质；逆转特征

防风固沙林是以降低风速、减缓风蚀、固定沙地、防治风沙侵蚀为目的防护林[1]。在沙漠化地区，通过人工营造植被，既能逆转植被退化趋势，又能遏制沙漠化蔓延，因此，在沙漠化防治中发挥着重要作用。自京津风沙源治理工程实施以来，河北省加快了人工固沙林的造林步伐。据2004年、2009年河北省沙化土地监测结果表明，京津风沙源工程区沙化土地面积由上世纪末的快速扩展转变为目前的逐年缩减，平均每年减少沙化土地面积0.59万hm2，土地沙化的趋势正在逆转。通过观测分析与土壤有关的输沙量、机械组成、养分含量等主要特征因子，可以客观地反映植被建植后土壤特征的变化情况，从而为人工林的防沙治沙效果做出评价。

1 研究区自然概况

研究区位于河北省张家口市宣化林场黄羊滩，115º 2′ 34″ ～ 115º 12′ 30″ E，40º 25′ 12″ ～ 40º 32′ 06″ N[2]，总面积10 200 hm2，是河北省北部零星沙地中面积最大的沙滩，海拔600 ～ 1 000 m，土壤以风蚀沙土为主。黄羊滩地处内蒙古高原向山地过渡的间山盆地，同时也是落叶阔叶林向干旱草原的过渡地带[3]，北部为内蒙古草原的南缘，南部为暖温带落叶阔叶林区，两种植被类型交互存在，现有植被种类稀少，且盖度较低。生态环境脆弱。气候为半湿润区向半干旱区的过渡地带，具备大陆性季风气候特征，年均气温7.6℃，极端最高气温38℃，极端最低气温－25.8℃，无霜期130 d，年均降水量365 mm，年均蒸发量2 000 mm，大风天数37 ～40 d，年有效积温2 368 ～ 3 573℃。主要灾害性天气有干旱、沙尘暴、冻害、干热风等。由于其独特的地理位置，形成了风多、风大、干旱、沙割和沙压等特殊的灾害类型，土壤风蚀沙化严重。

2 研究方法

2.1 标准地调查

从近年来在半固定沙地上逐渐恢复的人工林中，选择榆树（Ulmus pumila）、侧柏（Platycladus orientalis）和小叶杨（Populus simonii）作为代表性树种，采取标准地调查方法[4]，设置6块20 m×30 m的标准地，进行林分主要因子的调查，测定并记录林地的树种、株数、年龄、胸径、树高、冠幅、郁闭度、林下草本层盖度、林分健康状况等因子。由于人工固沙林的营造集中在近二十年，林龄的分布范围较窄，根据现实林分状况，每个树种分别选择林龄相对较大和较小的2块样地进行调查研究。6块标准地所处的自然气候条件相同，立地类型一致，造林和经营管理技术措施也相似。

2.2 林内输沙率测定

输沙量是指风沙流搬运的沙粒质量，单位时间内搬运的沙粒质量也叫输沙率[5]，用以评价近地表的风蚀情况。沙粒在气流的作用下会跳跃到不同高度，在一定风速条件下沿垂线方向形成特定的分布并遵循一定的规律[6]。采用10孔阶梯式集沙仪观测林内输沙量，观测高度范围为地面以上20 cm，每2 cm为一层，共10层。观测时将集沙仪竖立在观测样地内，进沙口与主风向垂直，底部与地面平齐。观测开始时打开各个集沙仪的口盖，并同时记录观测起始时间，观测集沙的时间为72 h，观测结束时关闭集沙仪的口盖。每次观测结束后，将集沙仪的集沙进行分层称重。在春季选择不同时段分别观测3次，取平均值，作为该林分该时段的输沙量，并计算林分日输沙率。其计算公式为：

式中，Q为输沙率（g·cm－1·d－1）；W为输沙量（g）；ΔT为观测时间（d）。

2.3 林内土壤理化性质测定

按照自然剖面取土样，测定样地土壤理化性质，取样深度为 30 cm。土壤机械组成采用筛分法结合吸管法测定[7]；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定[8]。

3 结果分析

3.1 林地输沙率

人工固沙林的首要经营目标就是防风固沙，控制风沙流活动。而风沙流活动的重要危害过程是输沙，林地沙面输沙率变化情况表明了固沙功能实现的程度，是沙漠化治理效果最重要的评价指标。由于人工固沙植被对近地层风速的削弱作用，明显地抑制了风的侵蚀能力，降低了地表输沙率，因而不同程度地实现了防风固沙目标。从表1中可以看出近地表0 ～ 20 cm高度范围内输沙率分布规律。

表1 林地近地表0 ～ 20 cm平均输沙率Table 1 Mean sand transporting rate at 20 cm height range above ground

（1）不同树种的林分输沙率不同。无论是7年生榆树林，还是13年生榆树林都未监测到输沙，说明风蚀现象已经彻底得到控制，林内不再有流沙发生。2块不同林龄的侧柏林有不同程度的流沙发生，尽管7年生与17年生侧柏林具有相同的林分郁闭度，且草本层盖度比17年生侧柏林大0.2，但由于林龄偏小，林分平均高较低，因此，防护功能较弱，输沙率比17年生侧柏林高1.0 g·cm－1·d－1，输沙高度也比17年生侧柏林高约2 cm。相比较而言，小叶杨林内的输沙量最大，分别达到了6.6和3.2 g·cm－1·d－1。

（2）从输沙高度来看，侧柏和小叶杨林均呈现一致的分布规律，随着高度的增加，输沙率明显下降。3、4号侧柏样地的输沙高度分别为地面上0 ～ 12 cm和0 ～ 10 cm。5、6号小叶杨样地的输沙则发生在0 ～ 8 cm高度范围内。50%左右的输沙发生在近地表的0 ～ 2 cm高度，80% ～ 90%的输沙集中发生在距离地面4 cm高度范围内。总体来讲，小叶杨林在垂直方向的防护高度比侧柏高，效果更好，7年生、17年生侧柏林分别在超过地面12 cm、10 cm高度，才不再有风蚀沙发生，而小叶杨林内的流沙只发生在8 cm范围内，这可能是因为小叶杨林的平均高大于侧柏林所致。总体来说，黄羊滩杨树林分内输沙高度同样集中于地表沙面以上较小的范围，但不同的是，显然低于沙漠地区稀疏植被条件下的输沙分布高度[9]。这一结果说明，由于人工林分的阻滞作用，降低了风速，林内的沙粒多以蠕移或跃移形式活动，很少被搬运到较高的位置而悬浮。

（3）不同样地的输沙在地面以上垂直高度上具有一定的分布规律，且所有样地的规律表现出一致性，即越靠近地面，输沙越多，越远离地面，输沙量减少，呈指数递减规律。各层次输沙量表现出0 ～ 2 cm ＞ 2 ～ 4 cm ＞ 4～ 6 cm＞ 6 ～ 8 cm ＞ 8 ～ 10 cm的规律。可见，受风力和沙粒移动高度的双重影响，达到一定高度后，沙粒的动能减弱并开始沉积。不同样地的输沙率在垂直高度上的分布规律完全符合风沙移动原理[10]，与Bagnold[11]、Chepil[12]、Williams[13]和吴正[14]等人的研究结果基本一致。

（4）通过比较6块林地的输沙率可以看出，榆树林在降低输沙率、减少风蚀方面效果最好，其次是侧柏林，最差的是小叶杨林。

3.2 林地输沙量与林分结构因子的关系

由于不同树种生物学特性存在很大差异，因此林分结构组成也存在很大不同。根据以往的文献资料[15～19]，以及不同类型人工固沙林结构因子的调查分析，初步筛选出决定输沙量的主要结构因子：林分平均高、平均冠幅、林分郁闭度和草本植物盖度。林地输沙量与主要林分结构因子调查统计结果见表 2。人工固沙林的固沙效能与其结构有着密切的关系。不同结构类型的林分，由于树种组成及树木各部分在林内空间分布、搭配状况的差异，形成了特定的内部结构和外部形态，对风沙流的影响也有着不同的特点。进一步对输沙量与林分平均高、平均冠幅、林分郁闭度和草本植物盖度4项结构因子进行回归分析，得出林分输沙量与其结构因子的数量关系，并可确定各因子在结构中的权重大小。由数据分析结果可以看出，经过逐步回归，最终引入的林分结构因子只有郁闭度，建立的回归方程为Y = 35.613－58.539 X3，方差分析F值为15.709，相关系数为－0.893，显著性概率为0.017，回归在0.05的水平上达到显著，由此可见，对3个树种现有人工固沙林的固沙效果影响最大的结构因子是林分郁闭度。各结构因子对固沙作用的大小顺序依次为林分郁闭度 ＞ 林分平均高 ＞ 平均冠幅 ＞ 草本层盖度。

表2 林地输沙量与林分结构因子调查结果Table 2 Mass of transported sand and forest structural factors

3.3 林地土壤机械组成

土壤机械组成是指土壤中矿物颗粒的大小及其组成比例[20]，是构成土壤结构体的基本单元。它不仅是土壤质地分类、命名的基础，而且直接影响土壤的理化性质和生物学特性，与植物生长所需的环境条件及养分供给关系十分密切，关系着土壤松紧程度、孔隙数量，进而影响着土壤通气、透水及土壤环境背景值、能量转化等性能，是评价土壤基本性质和形成环境的一个重要指标。从一定意义上说，土壤的形成就是粘粒的形成与机械组成的变化[21]。

不同类型的人工林土壤机械组成的测定结果如图 1。由图1可知，在所有样地的土壤机械组成中，1 ～ 0.1 mm的颗粒含量最高，且该粒级含量都大于40%，其中以1号样地的含量最高，达到了 92.3%。其次，0.1 ～ 0.05 mm的颗粒含量也比较高。1 ～ 0.05 mm颗粒含量在所有样地中都超过了72%。根据南京土壤研究所制定的“我国土壤质地分类制”，粒径 ＞ 1 mm、1 ～ 0.05 mm、0.05 ～ 0.005 mm和 ＜0.005 mm分别划为石砾、砂粒、粉粒和粘粒[22]，黄羊滩人工林地的土壤具有典型的砂砾特征，充分反映了土壤的风积沙特征。

图1 不同样地土壤机械组成Figure 1 Soil mechanical composition of different stands

在6块样地土壤中，粒径在0.01 ～ 0.005 mm的粉粒的含量最小，其中，1、2号榆树样地中不存在该粒径的土壤颗粒。粉粒主要对土壤的可塑性、机械性与耕性造成影响，其中细粉粒对土壤水分物理性质有显著影响。说明林地中的成土母质较粗，来源相对单一，受风选影响大，是风蚀与堆积反复作用的结果。

粒径 ＜ 0.005 mm的粘粒含量在风沙土机械组成中具有标志性地位。一方面粘粒含量决定着风沙土的持水与保肥能力，另一方面土壤机械组成的变化是沙化土地逆转过程最为普遍而且有代表性的现象，从外形上表现为地表物质颗粒组成中细粒逐渐增加，即产生地表细化过程。所以利用粘粒含量的差异和变化，可以判断人工固沙林防护功能实现程度，对其防护功能进行评价。不同林地土壤机械组成中粘粒含量对比结果表明，同一树种中，年龄较大林地的粘粒含量较之林龄较小的林地高，而在不同树种的近似林龄的林地中，粘粒含量为小叶杨林＞侧柏林＞榆树林，而且，随着林龄的增加，这种差异有增大的趋势。土壤中粘粒的增加，一方面，由于植被截流了近地层气流所携带的土粒，另一方面，林木阻止了风对土壤的侵蚀作用，从而使林地的土壤细粒逐渐增加，使土壤机械组成发生变化。由于生物生态学特性的差异，以及植被盖度的不同，不同林地的土壤机械组成表现出一定差异。

3.3 林地土壤养分状况

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，它与土壤矿质部分共同作为林木营养的来源[23]，它的存在一定程度上影响和改变着土壤的保墒性、缓冲性、可耕性、通气状况和土壤温度，是土壤肥力高低的重要指标之一。

图2是不同林地下土壤养分含量的组成情况。由图2可知，所有样地中土壤有机质含量普遍小于6.0 g/kg的极低标准。不同树种间，以小叶杨为造林树种的2块样地有机质含量大于其它样地，说明小叶杨在改良土壤方面比其它树种具有一定优势。在森林土壤中，凋落物是土壤有机物主要来源，也是补充有机质的主要方式。黄羊滩人工固沙林土壤中有机质总体上呈极贫瘠状态，主要原因是由于风蚀的影响，凋落物难以归还到土体当中。该地区风蚀作用强烈，林草凋落后，正值季风盛行期，全部或绝大多数被风沙流带走，留存量极少。枯朽根系成为土壤有机质重要来源，而这部分仅占生物量的很小一部分，不足以维持土壤养分平衡。小叶杨与其它固沙树种相比具有叶片大、落叶量大等特点，林地留存量相对多，而且小叶杨叶片分解容易，所以归还量较大。

根据《全国第二次土壤普查暂行技术规程》土壤养分分级标准[24]，将大量元素分为6级，即很高、高、中等、低、很低、极低。不同林地0 ～ 30 cm土壤化学性质呈现出一致的规律性，所有林地的土壤有机质、N素、P素均处于极低水平，全K含量处于很高水平，速效K处于很低水平至极低水平。一方面表明了造林地养分本底水平太低，另一方面表明了风蚀沙地经过人工造林后，虽然对土壤性状产生了一定的影响，但各项肥力指标均未发生显著性的变化，造林后地力的自然恢复进程非常缓慢。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）人工固沙林的建立，增加了地面粗糙度，起到了拦截风沙、降低风速的作用，从而减小了风沙流的挟沙量，降低了输沙率。不同林分内近地表0 ～ 20 cm高度范围内输沙率呈现出如下规律：不同树种的林分输沙率不同。6块林地的输沙率按照大小排序分别为9年生小叶杨林＞7年生侧柏林＞15年生小叶杨林＞17年生侧柏林＞7年生榆树林 = 13年生榆树林。榆树在减少风蚀方面的作用发挥得更早、更好。从输沙高度来看，侧柏和小叶杨林均呈现一致的分布规律，随着高度的增加，输沙率明显下降。50%左右的输沙发生在近地表的0 ～ 2 cm高度，80% ～ 90%的输沙集中发生在距离地面4 cm高度范围内。影响输沙量的主要林分结构因子是林分郁闭度。6块林地中，近似年龄的不同树种中，榆树的输沙率最小，其次是侧柏林，最差的是小叶杨林。

（2）沙地土壤是一类成土过程很缓慢，营养贫瘠的土壤，其有机质与氮的含量远远低于一般植物生长所必需的含量。人工固沙林能够加速沙地土壤成土过程，使土壤肥力有所提高，减小土壤风蚀，减少就地起沙。由于植被截流了近地表气流所携带的土粒，同时阻止了风对土壤的侵蚀作用，从而使林地的土壤细粒增加，使土壤机械组成发生变化。由于生物生态学特性的差异，以及盖度的不同，不同植被对土壤机械组成的影响存在一定差异。黄羊滩人工固沙林土壤中有机质、N素、P素都均处于极低水平，全K含量处于很高水平，速效K处于很低水平至极低水平。

4.2 讨论

（1）河北省北部的张家口市，由于独特的地理位置、地形地貌和气候条件，沿永定河上游零星分布着淮安金沙滩、宣化黄羊滩、阳原开阳滩、怀来甘家滩以及南马场滩五大沙滩。近年来，结合京津风沙源治理工程，开展了以营造防风固沙林、遏制沙漠化为目的的植被建设。其中，黄羊滩作为冀北零星沙地的代表，调查研究结果既具有一定的特殊性，又具有一定的代表性，能够为人工营造的固沙林做出比较科学的评价，但该研究结果在其它区域的适用性有待进一步对比和验证。

（2）为了评价人工林的防护效果，利用近二十年来营造的人工林开展了该项研究，但由于现实林分类型在树种、林龄、密度、数量等方面的限制，该项研究采取了调查研究的方式，研究结果有待于在今后的研究中进一步跟踪观测。

（3）通过对林地的风蚀情况和土壤物理化学性质的研究，还能够为现有人工林的经营管理提供依据。由于土壤地力的恢复过程非常缓慢，加强林地的管理，严格禁牧等措施，才能够保证林地物质循环的正常进行，从而根本上改善林分的立地条件。

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Study on Soil Properties of Artificial Forest in the Northern Hebei

MA Zeng-wang1,2,3，FAN Shao-hui1，GUAN Feng-ying1，XING Cun-wang2,3
（1. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China; 2. Hebei Academy of Forestry, Shijiazhuang 050061, China; 3. Hebei Research Center for Improved Trees Varieties, Shijiazhuang 050061, China）

Ulmus pumila, Platycladus orientalis and Populus simonii plantations on scattered sandy land were selected for sample plot investigation in the Northern Hebei province. The results showed that tested plantations played an important role in wind and sand break, wind erosion reducing, lowering sand transporting rate, improving mechanical composition and physiochemical characteristics of sandy soil. Different stands had different sand transporting rates, but 80%-90% of sand was shifted only under the height of 4cm above ground. Canopy density of stands was the main influencing factor for mass of transported sand. The order of sand transporting rate was as follows: 9-year P. simonii＞7-year P. orientalis＞15-year P. simonii ＞17-year P. orientalis ＞7,13-year U. pumila. The contents of organic, nitrogen and phosphorus in soil of all the sample stands were extremely low, and the courses of soil restoration were very slow.

scattered sandy land; sand fixation plantation; sand transporting rate; physiochemical characteristics of soil

S727.23

A

1001-3776（2013）04-0023-06

2013-04-14；

2013-06-15

国家林业局林业公益性行业科研专项“冀北防风固沙林优化经营调控技术研究”（201104104）；河北省林业厅科研项目“环北京地区荒漠化监测站建设及荒漠化动态监测”（0527293）

马增旺（1970－），男，河北涞水人，教授级高级工程师，博士，从事荒漠化防治研究。