黄河三角洲盐碱地衰退林分的更替改造模式

乔艳辉, 王月海, 姜福成, 夏江宝

(1.山东省林业科学研究院, 山东 济南 250014; 2.济南军区黄河三角洲综合训练基地, 山东 东营 257231;3.滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 山东 滨州 256603)

从20世纪80—90年代，黄河三角洲地区营造了以刺槐(Robiniapseudoacacia)树种为主，还有绒毛白蜡(Fraxinuvelutina)、白榆(Ulmuspumila)、八里庄杨(Populus×xiaozhuanica)、国槐(Sophorajaponica)、臭椿(Ailanthusaltissima)、旱柳(Salixmatshudana)等树种的大面积人工防护林。由于林龄较大、土壤次生盐渍化、天然降水不足、蒸降比大等因素，加速了防护林衰退的进程[1-4]，如出现了林木重度枯梢、枯冠甚至死亡，导致防护功能降低、林地退化等现象发生[1,5-6]。针对衰退林的更替改造，生产中主要采取全面皆伐后进行新植物材料的重建[7]。目前，对黄河三角洲盐碱地衰退林分改造的研究仅限于刺槐林，主要集中于不同改造方式对土壤的影响[7-8]，而未涉及改造后的林木生长和林地植被等因素，尤其缺乏其它树种的研究。本文在前期研究的基础上，针对生产中衰退白榆和八里庄杨两种纯林更替改造模式进行了林分生长、土壤及植被效益等方面的分析与评价，以明确更替改造效益较好的模式，为黄河三角洲盐碱地退化林分的改造提供理论依据和技术支撑。

1 试验地概况与研究方法

1.1 试验地概况

研究地点位于黄河三角洲地区北部的山东省东营市河口区黄河三角洲综合训练基地内(37°47′8.1″N，118°48′49.8″E)，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区。自2000年以来的年均气温12.1 ℃，无霜期201 d，≥10 ℃的积温4 200 ℃，年均降水量533 mm，多集中于夏季，7—8月降水量占全年的1/2以上，且多暴雨，降水量年际变化大，年均蒸发量1 746 mm。试验区地下水位浅、矿化度高、地势平坦，滩涂土壤为冲积性黄土母质在海浸母质上沉淀而成，机械组成以粉砂和淤泥质粉砂为主，沙粘相间，易于压实，渗透性差，层次变化复杂。目前试验区的人工林主要以刺槐、绒毛白蜡、竹柳(Salixamericana)、白榆、欧美类杂交杨(Populus)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、柽柳(Tamarixchinensis)等树种的中、幼龄林为主。天然植被主要以芦苇(Phragmitesaustralis)、白茅(Imperatacylindrical)、獐毛(Aeluropuslittoralis)、翅碱蓬(Suaedaheteroptera)、狗牙根(Cynodondactylon)、狗尾草(Setariaviridis)、藜(Chenopodiumalbum)、苦荬菜(Ixerisdenticulata)、萝藦(Metaplexisjaponica)和菌陈蒿(Artemisiacapillaris)等耐盐植物为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样地调查及样品采集 试验地点分别设在黄河三角洲综合训练基地六分场和十二分场。六分场的试验林建于2010年春季，是针对26 a生的退化白榆林分(U2)更替改造，分别营造竹柳纯林(S)、刺槐纯林(R)、白榆纯林(U1)和竹柳刺槐白榆混交林(S+R+U1)4种模式，株行距为2 m×4 m；十二分场的试验林是2015年春季针对30年生的成过熟衰退八里庄杨树林分(P)实施皆伐更替改造为盐柳纯林(Salixcheilophila)(SC)和白榆纯林(U3)2种模式，株行距为2 m×3 m。

2017年10月下旬，对2个试验地点不同更替改造模式的林分生长、林地土壤及植被进行了调查，并以各自未更替改造的衰退林分作为对照。在上述林分内分别设置3个20 m×20 m的样地进行每木检尺和林分外观生长状况观测，然后在每个乔木样地中设置3个1 m×1 m的样方调查林下植被。土壤调查采用多点采样法采集土样，每个样地按照S形均匀布设5个样点，每个样点在0—20 cm的树木根区附近调查并取样用于实验室测定土壤理化指标。

1.2.2 土壤理化性质测定方法 土壤理化性质的测定方法，按中国林业标准(1999年)，采用烘干法测定土壤含水量，环刀浸水法测定土壤容重、孔隙度、贮水性等各项水分物理指标，pH值测定采用pH计(水土比5∶1)，可溶性盐含量采用重量法测定(水土比5∶1)。参考章家恩法[9]，土壤有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法测定，有效磷用Olsen法(恒温水浴震荡浸提)测定，速效钾用中性NH4OAC浸提火焰光度法，硝态氮及铵态氮测定采用SmartChem全自动间断化学分析仪测定。

1.2.3 数据分析与处理 试验数据先用Excel软件进行统计处理，采用SAS 9.2软件进行分析处理，制图采用Origin 75，土壤理化指标采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验。

2 结果与分析

2.1 不同更替改造模式的林分生长

由表1可知，六分场衰退白榆林更替改造的4种林分模式8 a后的郁闭度以竹柳刺槐白榆混交林郁闭度(0.9)为最高，白榆纯林(0.8)次之，刺槐纯林为0.6，竹柳林分的郁闭度最低，仅有0.4。竹柳刺槐白榆混交林的林木平均保存率虽然只有86%，但竹柳、刺槐和白榆3个树种的保存率皆超过纯林模式中的相同树种，分别超出92.1%，18.4%和6.7%，以竹柳树种保存率提高幅度最大，刺槐树种提高次之，白榆树种的保存率亦有一定提高。由此可见，在盐碱地上营造混交林比单一纯林更有利于提高林分郁闭度和林木保存率。十二分场的衰退八里庄杨树林分更替改造为盐柳和白榆2种纯林模式3 a后，白榆林分的郁闭度高达0.95，而盐柳林分的郁闭度仅有0.6；从保存率看，白榆纯林的林木保存率达到100%，而盐柳纯林只有82%。从表1可以看出，六分场竹柳刺槐白榆混交林中的白榆和刺槐的胸径、树高和冠幅与各自的纯林相比较都有所提高，但不显著，而竹柳树种明显大于纯林竹柳，分别提高24.7%，50.3%和45.3%。十二分场更替改造的盐柳和白榆2个林分虽然树种不同，生长速度不一致，但在地力和管理措施一致的情况下，作为速生树种盐柳的生长指标(树高、胸径和冠幅)却低于生长速度较慢的白榆，尤其是二者的胸径相差较大，树高和冠幅相差相对较小。从林分的外观生长状况看不同更替改造模式，衰退白榆林的更替模式竹柳纯林有92%的林木树冠上部枯死，叶片受盐害率高达98%，生长势很差；刺槐纯林叶片受盐害率只有15%，生长势差；而白榆纯林叶片未受到盐害，但生长势一般；竹柳刺槐白榆混交林的刺槐和白榆树冠完好，且叶片皆未受到盐害，生长势分别表现为较好和好，但竹柳中有18%的树冠上部出现枯死现象，叶片受盐害率为21%，生长势较差。衰退八里庄杨的更替改造模式盐柳纯林叶片受害率高达95%以上，生长势差；而白榆纯林叶片无盐害症状，生长旺盛。

2.2 不同更替改造模式的林地土壤改良效应

2.2.1 土壤容重和孔隙度 土壤容重及土壤孔隙度能够较准确地反映土壤透水性、持水性、结构性及疏松性等方面的状况，是评价土壤水分物理特性的基本指标[10]。从表2可以看出，衰退白榆纯林更替改造为4种不同模式8 a后，竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林3种模式的土壤容重分别降低14.4%，12.1%和7.2%(p<0.01)；竹柳纯林仅降低2.4%(p>0.05)。衰退八里庄杨树纯林更替为白榆纯林和盐柳纯林3 a后，其土壤容重降低明显，分别降低13.8%和10.4%(p<0.05)。

由表2得知，衰退白榆纯林更替改造的4种模式和衰退八里庄杨更替改造的2种模式的土壤结构(总孔隙度、毛管孔隙度、孔隙比和非毛管孔隙度)皆有所提高，其中前3项指标与各自对照的差异极显著(p<0.01)和显著。

表2 不同更替改造模式的林地土壤容重和孔隙度

注：小写字母表示差异性显著(p<0.05)，大写字母表示差异性极显著水平(p<0.01)，同一指标不同字母表示差异显著或极显著。下同。

2.2.2 土壤的蓄水性能 土壤蓄水量是评价不同林地土壤理水调洪和涵养水源的重要指标，多用来反映林地土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[11-13]。由表3可知，衰退白榆纯林和其不同更替模式的土壤饱和蓄水量、毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量均表现为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林>衰退白榆林，但因模式的不同，差异较大。其中的土壤饱和蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林3种模式分别比衰退白榆林高20.0%，12.9%和7.3%(p<0.01)；竹柳纯林模式比衰退白榆林仅高1.8%。土壤毛管最大蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林分别比衰退白榆林高16.9%，11.0%和6.1%(p<0.01)；竹柳纯林仅高1.5%。土壤非毛管最大蓄水量中，竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林分别比衰退白榆林高107.2%，66.2%和39.9%(p<0.01)；竹柳纯林仅高11.8%。由此可见，4种更替模式的涵养水源功能提高幅度更大一些。4种更替模式林分均能提高土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量，表现为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林>衰退白榆林，但因更替模式的不同，差异亦较大，其中的竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林3种模式与竹柳纯林和衰退白榆林相比，提高明显(p<0.01)。衰退八里庄杨更替的盐柳和白榆纯林2种模式的土壤饱和蓄水量、毛管最大蓄水量、非毛管最大蓄水量、土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量均明显大于对照衰退八里庄杨(p<0.01)；两种更替模式之间在这5项指标上亦有明显差异(p<0.01)。

表3 不同更替林分模式的土壤涵蓄指标

2.2.3 土壤盐碱性 土壤pH值及含盐量能够反映土壤的盐碱状况，对土壤肥力和植物生长发育具有重要的影响。由图1可知，2个地点的不同更替模式下的林地土壤仍然偏碱性，但总体上看，与各自的纯林相比较，不同更替模式均不同程度地降低了土壤的pH值。

方差分析表明，马场六分场的竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林3种更替模式与衰退白榆林差异性达到了显著水平，马场十二分场的盐柳和白榆纯林与衰退八里庄杨皆差异显著。从土壤盐分含量看(图1)，马场六分场的刺槐纯林、白榆纯林和竹柳刺槐白榆混交林的土壤含盐量均小于0.3%，属于轻度盐碱地，方差分析表明其盐分含量与衰退白榆林差异显著；竹柳纯林的林地土壤含盐量(0.38%)虽然低于衰退白榆林(0.41%)，但下降的幅度较小，差异不显著(p>0.05)，亦属于中度盐碱地。十二分场更替的盐柳和白榆两种模式的含盐量都在0.3%以下，属于轻度盐碱地，与衰退八里庄杨树林分的盐分含量(0.39%)差异显著。

由以上分析可以看出，衰退林分经更替改造后的林分模式皆具有压碱降盐的效果，但随着更替改造模式不同，其效应差异较大。从衰退白榆纯林更替改造后的4种模式看，以竹柳刺槐白榆混交林、白榆纯林和刺槐纯林压碱降盐效果较好，竹柳纯林最差；衰退八里庄杨对林更替改造后的两种模式都具有较好的压碱降盐效果，其中以白榆纯林最为明显。

图1 不同更替改造模式的林地土壤pH值和含盐量

2.2.4 土壤肥力状况 土壤有机质能够促进土壤团粒结构的形成，增强对土壤水分、养分的供应和保持良好的土壤肥力，对于分析土壤盐分的组成和性质、盐渍土的改良具有重要的参考意义，是评价土壤质量的一个重要指标[14]。由表4可以看出，马场六分场更替改造的4种模式的林地有机质与衰退白榆林地相比，都有不同程度的提高，但提高的幅度差异较大，竹柳刺槐白榆混交林和白榆纯林提高幅度最大，分别提高51.4%和49.9%，与衰退白榆林差异极显著(p<0.01)；刺槐纯林提高39.4%，与衰退白榆林差异显著(p<0.05)；而竹柳纯林仅提高6.9%，与衰退白榆林差异不显著(p>0.05)。十二分场更替改造的白榆和盐柳2种林分的土壤有机质含量皆明显高于衰退八里庄杨，分别提高41.1%和74.2%，差异皆达到了显著性(p<0.05)。评价土壤肥力的主要指标除了土壤有机质外，速效钾、有效磷、铵态氮和硝态氮含量的多少也是土壤肥力的重要标志[14]。由表5得知，马场六分场和十二分场2个地点更替改造模式的速效养分N，P，K与各自衰退林分相比较，与有机质的变化规律基本相一致。六分场5种林分模式的速效养分含量从大到小的顺序为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林>衰退白榆纯林；十二分场3种林分模式的速效养分含量从大到小的顺序为：白榆纯林>盐柳纯林>衰退八里庄杨。

表4 不同更替改造模式的林地土壤有机质和养分

表5 不同更替改造模式的林下植被情况

注：各物种拉丁学名为白茅(Imperatacylindrica)，獐毛(Aeluropussinensis)，狗牙根(Cynodondactylon)，结缕草(Zoysiajaponica)，苦荬菜(Ixerischinensis)，狗尾草(Setariaviridis)，马唐(Digitariasanguinalis)，堇菜(Violaverecunda)，柽柳(Tamarixchinensis)，碱蓬(Suaedaglauca)。

由此可见，衰退林分经更替改造后的土壤肥力状况得到较大改善，土壤有机质和养分含量皆有所提高，但随着林分模式的不同，其提高程度差异较大。从衰退白榆纯林更替改造后的4种林分看，以竹柳刺槐白榆混交林对于土壤肥力的改善状况最为明显，其次是白榆纯林，刺槐纯林较差，竹柳纯林最差；衰退八里庄杨更替改造后的2种林分中以白榆纯林为最好。

2.3 不同更替改造模式的林下植被

由表5可以看出，马场六分场更替改造的竹柳纯林、刺槐纯林、白榆纯林和竹柳刺槐白榆混交林4种林分模式的植被种类分别只有4种、6种、3种和3种，植被多样性较差，但其植物种类因林分模式的不同而有差异，4种林分模式的植被都有白茅这一植物，说明白茅植物种对生境的适存能力较强。竹柳纯林土壤由于盐分含量较高(0.38%)加之干旱贫瘠，只有白茅、獐毛、狗牙根和结缕草4种耐旱耐中度盐碱的植物生存，其生长情况都较差；刺槐纯林由于其生境变好(土壤盐分含量0.29%)，不仅白茅、獐毛、狗牙根和结缕草4种植物生长较好，而且出现了苦荬菜和狗尾草2种耐轻—中度盐碱的植物；白榆纯林和竹柳刺槐白榆混交林2个林分的生境进一步好转(土壤盐分含量分别为0.27%和0.25%)，其林分郁闭度增大(分别为0.7和0.9)，獐毛、狗牙根、结缕草、苦荬菜和狗尾草这5种耐干旱但不耐荫的植物消失，取而代之的是马唐和堇菜这2种耐荫耐轻度盐碱的植物；衰退白榆纯林由于土壤盐分含量较高(0.41%)、郁闭度低(0.2)，出现了柽柳和碱蓬2种盐生植物，耐轻—中度盐碱的狗尾草和苦荬菜亦有零星分布，但生长极差。马场十二分场盐柳纯林和白榆纯林2种更替林分的植被种类分别为5种和3种(表5)。相比盐柳林分的植被，白榆林分由于郁闭度大(0.95)，白茅和苦荬菜2种不耐荫的植物消失，仅有耐荫马唐和堇菜及狗尾草，其生长状况也较差；衰退八里庄杨林分因土壤盐分含量高(0.39%)，仅有4种植物生存，与六分场情况相类似，亦出现了柽柳和碱蓬2种盐生植物，能耐中度盐碱的白茅和耐轻—中度盐碱的狗尾草生长亦较差。

3 结 论

(1) 黄河三角洲盐碱地的衰退白榆林和八里庄杨林不同更替改造模式在林分郁闭度、林木保存率方面有较大差异，但都好于各自的对照衰退林分，具体表现为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林，白榆纯林>盐柳纯林。在树高、胸径、冠幅等生长因子方面，衰退白榆林更替改造的竹柳刺槐白榆混交林皆高于白榆纯林、刺槐纯林和竹柳纯林的相同树种；衰退八里庄杨林更替改造的盐柳亦好于白榆模式。从林分的外观生长状况看，衰退白榆林更替改造的竹柳刺槐白榆混交林最好，林木叶片受盐害情况和生长势都要好于各树种的纯林；衰退八里庄杨林更替改造的白榆纯林模式叶片无盐害症状，生长势好，而更替改造的盐柳纯林叶片受害率高达95%以上，生长势差。

(2) 衰退白榆纯林更替改造为4种不同模式的林分8 a后，衰退八里庄杨树林更替改造为两种不同模式的林分3 a后，与各自的衰退纯林相比，在土壤透水持水性、疏松性和结构等土壤物理性能上皆得到显著提高，具体表现为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林>衰退白榆林，白榆纯林>盐柳纯林>衰退八里庄杨林。

(3) 不同更替模式下的林地土壤均偏碱性，但总体上看，与各自的衰退林分相比较，均不同程度地降低了土壤的pH值。中度盐碱地的衰退白榆纯林更替改造的刺槐林、白榆林和竹柳刺槐白榆混交林的土壤含盐量均小于0.3%，属于轻度盐碱地；竹柳林土壤含盐量下降的幅度较小，属于中度盐碱地。衰退八里庄杨林土壤含盐量高达0.39%，次生盐渍化严重，而更替改造的盐柳和白榆林的含盐量皆在0.3%以下，更替改造的林分两种模式降盐效果明显。

(4) 两种衰退林分更替改造模式的土壤有机质和养分皆有所提高，但随林分模式的不同，其幅度差异较大。具体表现为：竹柳刺槐白榆混交林>白榆纯林>刺槐纯林>竹柳纯林>衰退白榆林，白榆纯林>盐柳纯林>衰退八里庄杨树林。

(5) 不同林分模式的植被类型有所差异，但总体来说，因更替改造模式林分的生境好于衰退林分，出现了耐盐能力较低的植物，其植被种类增多，但随着林分郁闭度的增加，耐荫植物出现，耐干旱耐盐植物种类减少。

综合两种衰退林分更替改造为不同模式的生长、土壤及植被分析与评价，在衰退白榆林的更替改造中，以竹柳刺槐白榆混交林模式为最佳，白榆林次之，刺槐林亦可考虑，竹柳纯林模式则不宜选择；在衰退八里庄杨林的更替改造的两种模式中，白榆纯林为最好，盐柳纯林较差，不宜选用。因此，在衰退林分的更替改造中，首先应依据立地条件考虑选择在盐分、干旱等主要限制因子的表现上相当或者高于原有衰退林分的树种；其次，避免营造单一的纯林，尽可能营造2个树种以上的混交林。