树种差异对哈尔滨市土壤理化性质影响及造林启示

路嘉丽 沈 光,2 王 琼 任蔓莉 裴忠雪 魏晨辉 王文杰*

(1.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040； 2.黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040)

树种差异对哈尔滨市土壤理化性质影响及造林启示

路嘉丽1沈 光1,2王 琼1任蔓莉1裴忠雪1魏晨辉1王文杰1*

(1.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040；2.黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040)

东北地区的城市造林树种很多，树种差异对土壤理化性质的影响及其在不同土层深度差异对于适宜树种选择意义重大，但是基于野外长期定位研究结果匮乏。本文选择东北林业大学实验林场和哈尔滨市植物园的8个树种(水曲柳、胡桃楸、云杉、松树、杨树、榆树、黄檗、落叶松)进行0～20、20～40和40～60 cm分层土壤采样，对土壤pH、土壤电导率、有机碳、碱解氮、全N、速效磷、全P、速效钾、全K等9个指标进行研究。多因素方差分析显示,长期定植于类似土壤条件下，树木能够显著影响土壤各理化指标，但不同土壤层间存在明显差异。基于多重比较结果对各指标进行标准化处理、获得综合得分排名发现，榆树具有较好的土壤肥力维持能力(有机碳、碱解氮、全N、全P、速效磷、速效钾、全K)，综合得分38，而杨树表现最差；降低土壤盐碱能力(pH和电导率)来看，黄檗、落叶松得分比较高(>15)，胡桃楸表现最差(7.5)。城市立地是典型困难立地，我们研究结果说明绿化树种选择对于改良城市土壤的重要性：对于贫瘠盐碱的核心区域，造林树种可以选择养分消耗少和降盐碱能力强的树种，对于土壤水肥条件优越的地区(如河道、湿地周边)可以考虑一些养分消耗快、生产力高的树种。

种间差异；城市森林；土壤肥力维持能力；降盐碱能力

城市园林绿化树种选择的过程中，应当根据当地的气候条件、土壤条件、地形条件等选择适合本地的树种，做到“因地制宜，适地适树”的原则，以利于树木的正常生长发育，抵御自然灾害，保持稳定的绿化效果[1～2]。树种选择恰当，树木生长健壮，则绿地效益发挥的较好。如果选择失误，树木生长不良，就需要多次变更树种，城市绿化面貌长时间得不到改善，既损失时间又损失经济[3]。因此选择出适合东北地区的城市造林树种非常重要。短期室内控制实验以及野外短期的研究现在进行的较多，但是其得出结论的可靠性值得商榷。而长期定位研究所获得的结果，将更加有益于适宜城市造林树种的选择[4～5]。

东北地区造林树种很多[6]，针对哈尔滨市而言，大面积的城市森林多集中在哈尔滨市植物园和东北林业大学哈尔滨实验林场，地处二、三环之间的城市核心区，树种丰富多样[7]。土壤立地条件基本一致，这为开展树种差异对土壤影响提供了理想的实验材料。城市立地是典型的造林困难立地，开展相关综合分析将有助于从改良困难立地(增肥土壤、降低土壤盐碱度)等角度进行优质树种选择。

1 研究地点、材料与方法

1.1 研究地点、材料与样品采集

研究区选择东北林业大学实验林场和哈尔滨市植物园西区，直线距离900 m，地理坐标(E126°37′，N45°43′)，海拔平均150 m，土地总面积75 ha。研究区属温带半湿润季风气候区。研究区的土壤为地带性黑钙土，地形平缓且水分条件良好[8]。

于2013年7～8月在东北林业大学实验林场和哈尔滨市植物园选择在两个样地都具有重复样地的8个树种水曲柳(Fraxinusmandschurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、松树(Pinusspp.)(包括樟子松和红松)、云杉(Piceaspp.)(包括红皮云杉和鱼鳞云杉)、杨树(Populusspp.)、榆树(Ulmuspumila)、黄檗(Phellodendronamurense)、落叶松(Larixgmelinii)，可以去除地点间差异的影响。每个树种在两个地点各选5块样地以上。每块样地随机选择4个点，做出剖面，沿土壤剖面划分0～20、20～40、40～60 cm 3个土层，100 cm3环刀采样。每个样地的树木年龄，至少用生长锥采集4个树心、查年轮并平均值代表[9～10]。

1.2 土壤相关9个指标的测定

土壤样品风干至恒重，去除石块、植物根系等杂物，并过2 mm、0.25 mm土壤筛。备用土壤指标测定[10]。土壤pH采用Sartorius PB10型精密酸度计测定，而土壤电导率采用DDS-307电导率测定仪测定(采用1土∶5水的土壤溶液测定)；有机碳含量的测定方法是重铬酸钾容量法一外加热法；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用NaOH熔融一钼锑抗比色法测定；速效磷含量采用碳酸氢钠法测定；全钾含量的测定方法是NaOH熔融一火焰光度法；速效K含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定；以上碳氮磷钾的相关测定方法，均参照鲍士旦的土壤农化分析[10～11]。

1.3 数据处理

以8个树种类型和3个土壤深度为固定因子(自变量)，以9个土壤相关指标为因变量，进行多因素方差分析。8个树种类型间存在差异显著(P<0.05)，说明不同类型间具有显著不同的上述土壤相关指标，否则说明种间差异不明显。当种间差异显著时，使用多重比较确认种间差异的大小和发生在哪些植被类型之间，使用不同字母法标示这种差异，这种标示方法也是1.4中数据标准化的基础。

类型与深度的交互作用分析(类型×深度)用于分析树种类型间差异是否在不同土壤深度表现一致：当类型×深度交互作用P<0.05时，说明类型间的差异在不同深度显著不同；反之，当类型×深度交互作用P>0.05时，说明类型间的差异在不同土壤深度基本一致(即差异不显著)。

1.4 数据标准化综合得分处理方法

种间差异分析的难点在于不同指标的种间差异不尽一致，如何能够在综合这些指标获得更为可信的结果。一般来讲多是通过降维的方法，把数据归结为几类进行分析。本研究在逐个指标种间差异分析的基础上(如1.3所述)，把9个指标分为土壤肥力(有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾)、盐碱度(土壤pH和电导率)2组。首先根据1.3结果将各个指标的数值按照从好到坏(比如肥力指标，越高越好；降盐碱能力，pH和电导率越低越好)的顺序排序并根据多重比较的结果使用顺序a、b、c字母法进行显著性差异标注：相同指标种间差异显著使用不同字母标示(P<0.05)，而差异不显著使用相同字母标示(P>0.05)。

数据标准化处理步骤：

(1)首先将多重比较所标示的字母a、b、c、d分别用数字4、3、2、1进行转换，当某一指标标有多个字母时取其算术平均值(如ab，则取值为(4+3)/2=3.5)；

(2)然后将2组指标类型的各个指标得分相加，相加所得和来代表这一功能(土壤肥力维持能力和降盐碱化能力)的标准化得分；

(3)上述标准化得分越高，说明该树种土壤肥力维持能力、降低土壤盐碱度能力越好。

上述数据处理均采用SPSS17.0软件进行，用Excel 2007绘制相关图表。

2 结果与分析

2.1 树木生长状况差异

8个树种密度在565～1 506 株/ha，树高在8.1～14.7 m，胸径在18.7～23.3 cm，地径在22.8～29.1 cm，树基部面积比在0.33～1.24，树龄在27～53年(表1)。

表1 不同树种的基本情况

2.2 树种对土壤影响的多因素方差分析

树种类型间对于9个指标中的6个(pH、电导率、有机碳、全氮、速效磷、全磷)差异显著(P<0.05)；不同深度土层之间9个指标中的7个(土壤pH、电导率、碱解氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾)差异显著(P<0.05)；种间和土壤深度间存在显著交互作用的指标有电导率、全K(P<0.05)，其它指标均不具有明显的交互作用(表2)。

2.3 树种对土壤影响的多重比较

0～20 cm土层种间差异达到显著的指标是pH、土壤电导率、碱解氮、全氮、速效磷(表3)；20～40 cm土层只有碱解氮、速效磷2个指标的种间差异不显著；40～60 cm土层6个指标的种间差异达到显著，除了速效磷、全磷、速效钾3个指标。

土壤盐碱度的种间差异主要表现在土壤pH和电导率。0～20 cm土层：pH在5.26(落叶松)～6.26(杨树)，从低到高依次是落叶松、黄檗、松树、水曲柳、云杉、胡桃楸、榆树、杨树；榆树的电导率显著高于其余树种，是最小值落叶松的1.8倍左右。20～40 cm土层：胡桃楸的pH为7.63，显著高于其余树种。电导率从低到高依次是黄檗、落叶松、榆树、松树、水曲柳、胡桃楸、杨树、云杉。40～60 cm土层：胡桃楸的pH显著高于其余树种。云杉的电导率最高，是最低值黄檗的2.4倍。

表2 树种类型、土壤深度对9个土壤指标的影响及交互作用

表3 树种类型差异对不同土层、不同指标的影响方式及差异大小

注：表中小写字母表示同层土壤不同种间的差异显著性，不同字母表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05)。

Note:The lowercase letters indicate the significant difference between different species in the same layer.Different letters were used to denote significant differences(P<0.05),whereas the same letter suggested no marked differences among them(P>0.05).

土壤肥力维持能力的种间差异主要表现在有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾7个指标。0～20 cm土层：有机碳、全磷、速效钾、全钾4个指标种间差异不显著；碱解氮含量最高的是黄檗(50.28 mg·kg-1)，是最低值落叶松的1.4倍左右；全氮含量由高到低依次是黄檗、胡桃楸、榆树、水曲柳、云杉、松树、落叶松、杨树；榆树的速效磷含量是黄檗的4倍左右。20～40 cm土层：碱解氮、速效磷2个指标的种间差异不显著；有机碳含量由高到低依次是水曲柳、胡桃楸、云杉、榆树、落叶松、松树、黄檗、杨树；杨树的全氮含量最低(0.43 g·kg-1)；云杉的全磷含量最高为0.45 g·kg-1，是最低值黄檗的2.2倍左右；速效钾含量由高到低依次是：黄檗、榆树、松树、落叶松、杨树、云杉、水曲柳、胡桃楸；杨树的全钾含量最高(100.5 g·kg-1)，是最小值胡桃楸的2倍左右。40～60 cm土层：速效磷、全磷、速效钾3个指标种间差异不显著；杨树的有机碳含量最低(10.48 g·kg-1)，和其余7个树种差异显著；榆树的碱解氮含量最高(65.8 mg·kg-1)，是最低值胡桃楸的2倍左右；榆树的全氮含量最高(0.67 g·kg-1)，是最低值杨树的1.7倍左右；全钾含量由高到低依次是黄檗、胡桃楸、落叶松、水曲柳、松树、云杉、榆树、杨树。

2.4 土壤肥力维持和降土壤盐碱度综合分析

综合所有土层结果，土壤肥力维持能力的平均分数线是32.13。位于平均分数线以上的树种是榆树(38)、云杉(36)、松树(33)，它们的土壤肥力维持能力比较高；水曲柳(32)接近于平均分数线；而位于平均分数线以下的树种是胡桃楸(30.5)、黄檗(30.5)、落叶松(30.5)、杨树(26.5)，它们的土壤肥力维持能力比较低，而且杨树的肥力维持能力最低。对比表3，肥力维持能力比较高的树种组(榆树、云杉、松树)土壤有机碳、碱解氮、全N、速效磷、全P、速效钾、全K平均值多高于肥力维持能力比较低的树种组(胡桃楸、黄檗、落叶松、杨树)相应值，相应平均值分别高出10%、14%、10%、49%、28%、22%、3%。

降低土壤盐碱度方面：综合所有土层结果，降低土壤盐碱能力平均分数线是12.38。位于平均分数线以上的树种是黄檗(17)、落叶松(15)、松树(14.5)、榆树(13.5)、杨树(12.5)，它们降盐碱能力比较高；而水曲柳(9.5)、云杉(9.5)、胡桃楸(7.5)3个树种得分低于平均分数线，它们降盐碱能力比较低。对比表3，降盐碱能力比较高的树种组(黄檗、落叶松、松树、榆树、杨树)土壤pH、土壤电导率低于水曲柳、云杉、胡桃楸相应值的5%、19%。

3 讨论

土壤养分含量状况是土壤肥力的重要标志。在陆地生态系统中，土壤具有高度的空间变异性[12]。因此，监测养分空间分布特性对土壤养分管理及精确施肥等具有重要的意义。本文所选择的东北林业大学实验林场和哈尔滨市植物园西区均位于哈尔滨市二环和三环之间，建立的初衷是为城市森林建设提供支撑，我们选择的8类树种在两个地点均存在，而且林龄都达到了中龄林(30～50年)(表1)，这为我们的比较创造了很好的条件。通过对有机碳、碱解氮、全N、全P、速效磷、速效钾、全K7个土壤肥力维持指标进行数据标准化处理时我们发现：榆树具有较好的土壤肥力维持能力，而杨树表现最差。综合所有土层结果，土壤肥力维持能力比较好的树种是榆树、云杉、松树，适合用于城市造林树种；而胡桃楸、黄檗、落叶松、杨树4个树种的土壤肥力维持能力比较低。

由于城市环境中的土壤因为人类活动而发生极大改变，而且这种改变可以区别其他系统以及不同城市环境中的土壤[13]。对于河道周边土壤水肥条件优越的地区，也可以考虑一些养分消耗快、生产力高的树种。另外对于城市N、P沉降比较严重的工厂周围，我们也可以考虑种植那些相对比较耗肥的树种(如杨树)，有助于土壤富营养化的处理。而对于相对比较贫瘠的城市核心区域，人为干扰较大，我们应该选择土壤肥力维持能力比较强的树种如榆树等。Scandinavia半岛在为城市铺砌路面选择森林树种时，除了考虑美学效果和功能特性外，还会优先选择耐逆性强的树种[15]。这与我们的研究观点基本一致：植树造林过程中，应该根据具体条件选择合适的树种，并通过树种来改良恶劣土壤条件。随着人口的增长，洛杉矶通过种植和管理百万树木来改善城市环境，为树木提供更多的生长空间以利于更好的整合绿色基础设施与灰色基础设施[16]。针对树种肥力消耗的种间比较研究对南方树种进行的较多[18]和林分密度影响[17]等，而针对东北地区城市造林绿化树种的研究还少见报道。

图1 种间肥力维持能力和降盐碱能力及不同土层差异综合比较分析 松树和云杉：常绿树种；其它树种：落叶树种Fig.1 Inter-species comparison on the comprehensive scores for soil fertility maintenance and salinity-alkalinity declining capacity and differences at different soil layers Evergreen:pine and Picea; Deciduous:all other trees

东北地区是我国土地盐碱化最严重的地区之一，同时也是世界三大苏打盐碱土分布区之一。松嫩平原是主要的盐碱土分布区，哈大齐工业走廊等建设项目要求城镇区域绿化先行，东北地区盐碱土的改良治理是一个意义重大的战略规划[19]。在城市造林树种选择过程中，我们应该避免选择具有降盐碱能力高的树种。通过对土壤pH、土壤电导率2个降盐碱度指标进行数据标准化处理时我们发现：长期种植水曲柳、云杉、胡桃楸的土壤pH和EC维持在较高的水平上，而黄檗、落叶松、松树、榆树等种植则更好的降低了土壤pH值和EC，降盐碱得分最高(图1)。另外，我们的结果与植物耐盐碱相关研究结果也一致[20～21]。魏晨辉等研究指出，在松嫩平原盐碱地地区适合盐碱地造林的树种有落叶松、榆树等树种，不适合盐碱地造林的树种有水曲柳[21]。长期以来，哈尔滨市道路冬季除雪化冰都是用盐水(即氯化钠溶液)作为融雪剂，这导致道路周边等受盐碱胁迫严重。已经发现比较一些针叶树如云杉的死亡。因此城市绿化适宜树种选择将提升绿化成功率。

城市造林树种选择过程中，我们经常考虑常绿树种和落叶树种搭配的种植方式。在本文所调查的8个树种中，也可分为常绿树种(松树、云杉)和落叶树种。对常绿与落叶树种土壤肥力维持和降盐碱综合得分比较分析可知，所有差异均未达到显著(P>0.05)。常绿树种和落叶树种土壤肥力维持和降盐碱得分平均值相差很小，说明二者在土壤肥力维持和降盐碱度方面差异不大。

此外，我们得出结论也存在一些不确定性。比如，树木种植能够更大的降低土壤pH值和EC能够一定程度上缓解土壤盐碱的胁迫，但是植物是否能够在盐碱环境下更好的生长也是需要考虑的指标[21]，这也需要进一步研究树种生长能逆境生理生态学指标。

4 结论

我们对8个树种研究结果发现，针对哈尔滨市造林绿化，榆树具有较好的土壤肥力维持能力，而杨树表现最差。降低土壤盐碱能力来看，黄檗、落叶松、松树、榆树等降低土壤盐碱能力比较好。常绿树种和落叶树种在土壤肥力维持方面和降盐碱度能力方面差异不显著。这些数据为哈尔滨市城市绿化树种选择奠定了基础。

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E Project of Central University(2572014EA01);National Natural Science Foundation of China(31179575,41373075);One-hundred Talent Program of Chinese Academy of Sciences

introduction：LU Jia-Li(1990—),female,master student,Mainly engaged in the study of Forest Plant Ecology.

date:2015-12-20

EffectofUrbanTreeSpeciesonSoilPhysicochemicalPropertiesinHarbin,NortheasternChina,andAfforestationImplications

LU Jia-Li1SHEN Guang1,2WANG Qiong1REN Man-Li1PEI Zhong-Xue1WEI Chen-Hui1WANG Wen-Jie1*

(1.Key Laboratory of Forest Plant Ecology Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040；2.Heilongjiang Academy of Sciences Institute of Natural Resources,Harbin 150040)

Owing to diversified urban tree species in Northeast China, their possible impact on soil fertility and salinity-alkalinity and different patterns on soil profile are significant for appropriate species selection, and data from long-term permanent plots are very limited. Eight species(Fraxinusmandschurica,Juglansmandshurica,Piceaspp.,Pinusspp.,Populusspp.,Ulmuspumila,Phellodendronamurense,Larixgmelinii) were selected from the long-term plots in Harbin Experimental Forest Farm of Northeast Forestry University and Harbin Botanical Garden, and samples from 0-20, 20-40 and 40-60 cm soils were collected for measuring nine parameters of soil pH, electrical conductance(EC), soil organic carbon(SOC), alkali-hydrolyzed nitrogen(AN), total nitrogen(TN), available phosphorus(AP), total phosphorus(TP), available potassium(AK) and total potassium(TK). By a multivariate analysis of variance, tree species can significantly influence most of soil parameters at the same soil conditions, and different soil depth had significant differences. Based on multiple comparison results, all tested parameters were standardized as scores, and comprehensive scores for soil fertility maintaining ability(SOC, N, P, K and its effective state) and for reducing soil saline-alkali degree(pH and EC) were respectively computed from above soil parameters. Much higher comprehensive scores in soil fertility maintaining ability were observed in different soil layers in species ofUlmuspumila(scores at 38), while lowest scores were generally found inPopulusspp.( scores at 26.5). In the case of reducing soil saline-alkali ability,PhellodendronamurenseandLarixgmeliniihad higher scores(>15), whileJuglansmandshuricahad the lowest scores(7.5). When we divided trees into evergreen and deciduous species, no differences were found in fertility maintaining ability and saline-alkali declining ability(less than 15.6% differences). Our findings highlights that species selections for urban afforestation are important for tough site improvement. In the site of downtown with infertile soil and high saline-alkali degree, some species with high soil fertility maintaining should be chosen for their successful survival, while in fertile sites, such as river banks and wetlands, some species with high nutrient consumption and high growth rate could be selected for fast forest function rehabilitation. In the case of roadsides usually affected by high saline-alkali degrees from winter snow-melting, species with less saline-alkali declining ability should be avoided in afforestation practices.

inter-specific differences;urban forest;soil fertility maintaining ability;reducing soil salinity ability

中央高校E类项目(2572014EA01)；国家自然科学基金(31179575，41373075)；中科院百人计划

路嘉丽(1990—)，女，硕士研究生，主要从事森林植物生态学研究。

* 通信作者：E-mail:Wjwang225@hotmail.com

2015-12-20

* Corresponding author：E-mail:Wjwang225@hotmail.com

Q948.113

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.04.010