柯柯牙城郊防护林主要造林类型土壤改良效应研究∗

玉米提哈力克，塔依尔江艾山，张利霞，阿布都拉阿不力孜，Martin Welp，Siegmund Missall

(1.新疆大学资源与环境科学学院，绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；2.德国艾希施泰特—英格尔斯塔特大学数学与地理学院，德国艾希施泰特85071；3.德国埃伯斯瓦尔德应用技术大学森林与环境学院，德国埃伯斯瓦尔德16225)

0 引言

城郊防护林是城市生态系统的主要组成部分，也是城市中具有负反馈调节功能的生态支持系统和城市健康持续发展的基础.研究表明，一个城市的森林覆被率达到30%以上且分布均匀，才能起到城市生态安全的作用[1].在我国城市的林地要达到这一指标难度较大，只能在城郊区大力发展森林，以补充市区森林的不足，才能有效维护城市生态环境的良好状况.因此，经营和管理好城郊防护林已成为建设城市森林生态系统的重要内容.

以城郊森林建设与保护来改善城市居住环境已成为干旱区绿洲城市的可持续发展模式和城市市民的迫切需求.城市森林不仅改善城市人居环境，维持生态平衡，同时促进人与自然协调发展.在城郊区建立以防护林为主题的森林体系，即构建具有空间结构和生态经济功能的森林资源群体[2]，具有改善城市气候、降低空气污染、有效改良土壤、防止土地退化及水土流失、减少自然灾害等多方面的生态系统服务功能[3].人工防护林建设对土壤的改良作用既关系到土壤动植物健康更关系到区域生态环境质量[4,5]；在我国，对城郊防护林的土壤改良作用进行专门研究并开展科学规划的还不多见.部分学者探索研究了人工造林活动对土壤理化性质的影响，主要内容涉及到土壤水分及涵养功能变化的研究[6,7]，对土壤质量与肥力的提升情况分析[8−10]，对土壤重金属含量与水溶性盐的影响[11]，对土壤物理结构及颗粒分形特征的改善作用等[12,13].

柯柯牙地处新疆南部塔克拉玛干沙漠北缘，位于阿克苏市与温宿县之间的黄土地上，过去土壤贫瘠、沟壑纵横、土壤盐渍化极为严重，是阿克苏市风沙灾害的主要源头[14].随着1986年起开展的持续性大规模义务植树造林工程的推进，昔日的荒漠如今已变成林海.本文通过对柯柯牙防护林工程不同造林类型的林地进行土壤理化性质的测试计量研究，试图揭示人工造林对土壤理化性质影响的程度与特点，旨在为干旱区城郊防护林建设与生态恢复实践提供基础参考.

图1 阿克苏市郊柯柯牙防护林区示意图

1 材料与方法

1.1 研究区概况

柯柯牙城郊防护林基地位于新疆南部阿克苏市北郊，地理坐标为(图1).平均海拔高度1 056∼1 300 m，地面坡降1/80∼1/1500，属于暖温带干旱型气候，平均年降水量56.7 mm，年蒸发量1 900∼2 600 mm；年平均气温为的积温为2 200◦C，气温年较差和日较差较大；全年晴天多，光照充足，光热资源丰富，年日照时数达2 854 h，无霜期为211 d.柯柯牙阶地是发育在砾石基质层上的棕漠土，成土母质大致为洪积冲击性的红土母质，分布有沙丘土、盐化土，土质自北向南由砂砾土向沙壤土过度.原始植被主要有骆驼刺（Alhagi pseudalhagi），骆驼蓬（Peganum harmala），蒿（Artemisia sp.），芦苇（Phragmites australis），甘草（Glycyrrhiza inflata），铃铛刺（Halimodendron halodendron），柽柳（Tamarix chinensis），芨芨草（Achnatherum splendens），胖姑娘（Karelinia caspica）等，但数量极少、疏散，分布不均.土壤类型主要是棕漠土(brown desert soil)，土壤结构主要为沙土、沙壤土、粘土、重粘土、盐碱土.

1986年，阿克苏地区启动了柯柯牙人工防护林建设工程，至2010年已完成造林绿化面积1.39×104hm2，建成了集多种经济林、生态防护林于一体的“绿色长城”.阿克苏市也因此先后荣获“中国人居环境范例奖（2001年），“全国园林绿化先进城市”（2003年）、“国家森林城市”（2008年）的称号[15].

1.2 样地选取及土样的采集

根据柯柯牙城郊林区立地条件，结合不同地段风沙危害程度、地下水位及天然植被的分布情况，在温宿县境内沿柯柯牙防护林延伸方向选取一条长约10 km的样带，在样带内选定4种人工造林类型（红枣林、香梨林、苹果林和杨树林）（表1）.每个类型林地分别设置2个样地；为了对照有无林地土壤性质差异，在水土条件相同的无植被裸露沙地选取样地2个，每个样地设3个重复样方.春季灌溉施肥开展前（4月中旬），在所选样地内用“五点法”取土样，同类样地同部位同层样品混合后，分析其主要理化性质.

表1 人工防护林主要造林类型样地概况

1.3 测定方法与数据处理

对采回的样品进行预处理，并在2013年5月28日至8月13日期间陆续完成各项土壤因子的测定和分析工作.在试验中，土壤含水率的测定用烘干法，土壤容重采用环刀法，土壤的机械组成分析用筛分法，pH值用玻璃电极法，土壤水溶性盐总量用质量法测定；含量的测定用EDTA滴定法含量用双指示剂中和滴定法，Cl−用硝酸银滴定法，用EDTA间接络合滴定法，K++Na+用差量法测定并计量；土壤有机质采用油浴加热重铬酸钾容量法外加热法，土壤全氮用凯氏定氮法，土壤全磷用HCIO4-H2SO4法测定；土壤碱解氮用碱解扩散法，土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法，速效钾用醋酸铵—火焰光度计法测定.

土壤质量综合分析采用模糊数学的隶属函数法[16,17]，综合考虑各项指标优劣，计算出隶属函数均值并进行排序，均值越大，则土壤质量就越优.由于反映土壤质量的各个因子具有连续性，故各个因子采用连续性质的隶属度函数，对土壤质量影响呈正相关性的因子，采用升型分布函数；而对土壤质量影响呈负相关的因子，采用降型分布函数，计算公式如下：

升型分布函数

降型分布函数

隶属函数均值

公式中，Zij为i样地、j指标的隶属函数值；Xij为i样地、j指标的测定值，和分别为各样地中指标最大和最小测定值；为样地的隶属函数平均值；n为指标数.根据试验的各指标数据，计算隶属函数值.

2 结果与讨论

2.1 不同林型土壤盐分含量分析

土壤水溶性盐对土壤的理化性质和作物生长都能产生直接影响，是限制作物生长的重要因素，它作为盐碱土的一个重要属性，是盐碱土改良效果的重要依据.不同造林活动对土壤盐分含量的影响也存在一定的差异.测试得知，四种造林类型均明显降低了土壤中Ca2+、Mg2+、Cl−、SO2−4和K++Na+的含量，从而大大减少了土壤总盐的含量，其总盐含量排序为：杨树林>苹果林>红枣林>香梨林（图2）.

图2 不同造林类型土壤水溶性盐分离子组成（mg/kg）

果树经济林样地中不同土层盐含量表现为：30∼50 cm>0∼10 cm>10∼30 cm.在杨树防护林带的样地中0∼10 cm土层盐含量较高.由此可看出，不同树种的造林活动对不同林型各土层的盐分含量也产生不同程度的影响.栽种果树经济林后，果农定期的漫灌起到了很好的“压盐”作用，使得原来聚集在表层土壤中的盐分向下迁移，一方面更有利于果树生长，另一方面也促进了林下草灌木植被的发育，增加林内下垫面粗糙度，从而起到更好的防护作用.

2.2 不同林型土壤理化性质与养分含量分析

通过对不同林型下土壤因子的测试分析可知，人工造林过程对土壤理化性质的影响显著，表现为：与对照样地（裸露沙地）相比，四种林型各土层均呈现土壤容重降低、含水量明显提高、细砂百分比增加的趋势.城郊防护林不同类型造林活动均有效降低了土壤碱度，提高了土壤有机质和养分含量（表2）.

各林型土壤的容重均低于对照区（裸露沙地）土壤的容重，并且它们之间有显著差异性；从土壤改良效果来看，以红枣最好，其次排序为苹果、杨树和香梨，这说明各种造林模式均明显降低了土壤容重，改善了土壤结构.土壤水分是土壤诸多因素中最活跃、最重要的指标之一，它不仅是土壤系统养分流动与循环的载体，而且积极参与土壤中物质的转化过程.各林型改善土壤含水量的能力差别不显著，总体表现为：红枣>杨树>苹果>香梨.土壤机械组成是各层土壤各粒级所占的重量百分比.机械组成不同的土壤，它们之间的水、肥、热、物理机械性质、分散体系性质及土壤团聚性都不同.长期的耕作影响着表层土壤颗粒组成的变化.从表2可知，不同造林类型的土壤机械成分表现出一定的差异性，且各层土壤中细沙、极细沙、粉沙的含量明显高于对照样地，各层土壤<0.25 mm的细沙含量以杨树样地最高，较对照样地相同土层均高出近一倍.计算并对比不同造林类型各土层不同粒径含量百分比的平均值，<0.25 mm的细沙含量表现为：杨树>苹果>红枣>香梨，分别较对照样地高35.37%、30.80%、22.28%、19.43%，因此杨树样地的土壤细沙含量最高，土壤质地为最好.随着柯柯牙造林工程的实施，各林型的土壤机械组成均发生不同程度的改变，从而影响了土壤的结构以及入渗、保墒等性状.差异原因与人工扰动、植被根系活动和覆盖程度有关.

表2 不同造林类型各土层土壤理化性质与养分含量分析

土壤pH值是土壤形成以及熟化培肥过程的重要指标[18].它对土壤中养分存在形式及其有效性，土壤的理化性质以及作物生理生长都能产生直接影响，可以作为衡量盐碱土改良效益的重要依据[19]，合适的pH值环境更有利于植被对土壤养分的吸收和利用.4种造林类型样地内土壤都呈碱性，且pH值都比对照样地低，其中杨树样地对土壤pH值的改良作用最为明显.从土层变化上看，pH值变化规律不是很明显，基本上符合0∼30 cm土层较其它土层稍偏大，较小的pH值在一定程度上更促进了林下植被的生长.不同林带下生长的草本植物凋落物的降解所产生的有机酸可以改变土壤的pH值，人工抚育措施在一定程度上可以增加土壤的通气性，提高土壤氧化还原电位，从而改变土壤pH值.

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，其含量是衡量土壤肥力高低的重要指标.全氮量通常用于衡量土壤氮素的基础肥力，而土壤有效氮量与植物生长关系密切，在推广施肥中意义更大[20].研究表明，不同造林类型各土层营养物质含量均成倍高于对照的裸露样地，如香梨样地土壤有机质含量均值为214.68 g/kg，是对照样地的5倍多，苹果样地土壤碱解氮含量均值为27.28 mg/kg，是对照样地的近12倍，其速效钾含量均值为2 015.45 mg/kg，是对照样地的近7倍.由此可见，造林活动大幅度提高了各层土壤的有机质、全量养分和有效养分的含量，有效提升了土壤肥力.果树经济林样地土壤中各营养元素与杨树防护林相比高出很多，其原因是经济林树种受到较强人为活动的影响，每年不断的翻耕使得大量有机质被埋在下层土壤中，随着微生物的分解含量逐渐降低.

2.3 土壤各因子相关性分析

通过对土壤理化性质因子之间的相关程度进行分析可知（表3），土壤各因子之间存在着较为密切的相关性，pH值与粒径呈高度负相关性，与其他因子均无显著相关性；水溶性盐与容重之间呈极显著正相关性，它们均与除pH值以外的其它因子之间存在极显著负相关性.

对于有机质含量而言，随着土壤容重的下降，土壤中微生物活动的频繁，土壤中凋落物和动植物残体的分解速度加快，有利于有机质的积累.土壤容重和颗粒组成之间呈极显著负相关性，细颗粒物含量高，即土壤容重校 它们均与土壤养分因子存在密切联系.一般情况下，细颗粒物含量比例增加，质地细密有利于营养元素的吸收和储存；反之，营养元素的增加，也更加有利于土壤团粒结构的形成，提高土壤的稳定性[21].土壤有机质、全氮、全磷及碱解氮、有效磷与土壤容重均呈现出极显著负相关，与土壤细砂含量呈正相关，土壤速效钾含量与土壤容重呈极显著正相关，与土壤细砂的含量呈负相关.由此可知，随着土壤中细沙含量的增加，土壤容重呈降低趋势，会使土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷的含量增加，同时使速效钾的含量减少.

表3 土壤性质各因子间相关性分析

2.4 不同造林类型的土壤改良状况分析

根据不同造林类型的土壤各指标试验数据的平均值，计算隶属函数值.结果显示，改良后土壤质量的优劣程度排序为：苹果林地（0.749 7）>红枣林地（0.615 9）>香梨林地（0.381 4）>杨树林地（0.348 4）.产生该结果的主要原因是人工造林活动对不同林型样地的影响有所差异.通过调查发现，果树经济林中香梨样地的土壤质量与苹果和红枣样地相比较差，因为当地果农种植果树时，鉴于香梨的耐盐碱等特点，选择了盐碱化比较严重的区域作为香梨的种植地，导致香梨标准地的土壤原始质量偏低，这与研究结果是一致的.另外，人类对于果树经济林采取的耕作方式是每年全垦抚育，通过施肥、灌溉等方式对其土壤质量的改善程度更大；而杨树防护林则采用的是带状整地抚育，其人类活动影响仅限于定期灌溉.

总之，人工造林活动对土壤的改良作用明显，不仅改善了当地土壤环境状况，与此同时还带来了较高的经济效益.

3 结论

柯柯牙城郊防护林工程开展以来，对土壤的理化性质产生了极大的影响，体现在土壤结构得以改善、土壤水分大幅提升、pH值和可溶性盐含量有效降低、土壤有机质和养分含量明显提高.

防护林建设所选用的树种不同，改良效果也存在差异.四种林型中，红枣样地内土壤容重最小、含水量最高，其改良效果最好.杨树防护林样地的土壤水溶性盐含量比果树经济林样地低，经济林样地中层土壤（10∼30 cm）的水溶性盐含量高于表层（0∼10 cm）和底层（30∼50 cm），说明果农对经济林树种定期漫灌的“压盐”作用效果明显.各林型对土壤化学性质的改良效果存在差异，总体上均大幅提高了各层土壤的有机质、全量养分和有效养分的含量，有效提升了土壤肥力.

土壤理化性质各因子之间存在着较为密切的相关性，水溶性盐与容重之间呈极显著正相关性，它们均与除pH值以外的其它因子之间存在极显著负相关性，表明水溶性盐含量对土壤各因子有显著影响；土壤容重、机械组成与土壤肥力因子间的相关性分析结果表明，随着土壤中细沙含量的增加，土壤容重降低，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷的含量将增加，且速效钾的含量将减少.

通过不同造林类型土壤改良状况的综合分析得出，改良后土壤优劣程度排序为：苹果林地>红枣林地>香梨林地>杨树林地.其主要原因是人类活动的影响程度与植物生理代谢等生命活动的差异性.