吉林省西部盐碱地5种林分类型土壤改良效果研究

王梓默，林士杰，张大伟，何怀江，陈思羽，包广道，贾庆彬，张忠辉

（吉林省林业科学研究院，长春 130033）

0 引言

目前，世界盐碱土总面积约9.5亿hm2，占据陆地总面积的近10%，土地盐碱化作为土壤退化的主要类型之一，已经成为了世界性资源问题和生态问题[1]。中国盐碱土面积约3.5亿hm2，是世界盐碱地大国之一，在人口不断增加、土地资源短缺的今天，盐碱地的改良与利用在改善生态环境、保障粮食安全、促进经济社会可持续发展等方面发挥着重要的作用[2-3]。作为北方地区重要的产粮基地和农牧业基地[4]，松嫩平原同时是中国主要的盐碱土分布区之一，盐碱化土地面积达3.73×106hm2，并且以每年1.5%左右的速率继续扩展，盐碱化程度持续加剧[5]。吉林省西部地区位于松嫩平原腹地的森林草原生态过渡带，属于半干旱半湿润温带大陆性季风气候，一直是环境、气候变化的敏感区域[6]，不仅容易受自然地理因素影响，过度放牧、盲目垦荒、粗放经营等不合理的人类活动也导致吉西地区自然环境与生态平衡遭到破坏，土地盐碱化、沙化与土地退化等问题日益严峻，土地资源质量变差与农业生产条件劣化已经成为了阻碍当地农业生产发展与资源可持续利用的主要障碍因子之一[7]。吉西盐碱地作为潜在的耕地资源，其改良与利用已经成为了松嫩平原土地资源开发最关注的问题之一，开展具有区域性、典型性的植被恢复技术的研究，对不同植被下土壤理化性质进行分析，是了解吉西盐碱地土壤退化机理、科学改良土壤的基础。近年来，许多学者对西北黄土高原区、南方土石山区及滨海盐渍区的人工林进行了大量研究，在造林技术及生态功能评价方面取得了丰硕的成果[8]，但相关研究多集中于困难立地的防护林的营建与恢复[9]，对于草原盐碱土困难立地人工林的研究相对较少。在吉林省西部地区生态修复过程中已经形成了几种典型的造林模式，但还缺乏对不同林分类型的土壤改良效果进行比较与评价，本研究选择柽柳林、枸杞林、黑杨林、油松林及黑杨白榆混交林5种典型林分为研究对象，对不同林分类型土壤容重、孔隙度、土壤渗透能力、土壤pH值、全氮、水解氮、全磷、有效磷、有机质含量进行分析，综合评价不同林分的土壤改良效果，研究结果不仅为吉西盐碱地通过植被恢复实现土壤修复提供了更加具体的数据支撑，同时为吉西盐碱地造林模式的选择提供了借鉴，对于改善生态环境、促进吉林省西部地区农林业开发利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省松原市乾安县水字镇大师村，属于松嫩平原西部盐碱化的典型地区，该区属于典型的半干旱半湿润温带大陆性季风气候，对环境变化敏感，春季多风干旱，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温4.6℃，年平均降水量420.6 mm，全年无霜期平均145天，冻结期长，冻层深度可达160～180 cm；附近盐碱地面积达1022 hm2，盐碱化程度不同。研究区植被以耐干旱耐盐碱植物为主，草本植物如羊草、星星草等，木本植物主要有杨树、柽柳、油松、枸杞、白榆等。区域物种组成相对单一，群落结构简单，稳定性差，容易遭受自然因素及人为干扰影响[10]。

1.2 样地设置与样品采集

在2017年5月，对研究区进行实地踏查，选择立地条件相似的典型柽柳林、枸杞林、黑杨林、黑杨白榆混交林、油松林的近熟林分作为研究对象。在乔木林中设置20 m×20 m的样地3个，在灌木林中设置5 m×5 m的样地5个，在每个样地内按照“S”型挖掘土壤剖面，以距林地100 m的环境条件相同的未造林盐碱地为对照，通过100 cm³环刀按0～10、10～20、20～30 cm分层进行土壤样本的采集。将同一林分样地土样进行混合，去除根系与砾石等，风干后进行土壤理性能分析[11]。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤物理性质测定 土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度通过环刀法测定[12]。土壤渗透速率的测定采用双环入渗法[13]。

1.3.2 土壤化学性质测定 土壤有机质含量(OM)：重铬酸钾氧化法测定，参照国标LY-T 1237—1999。土壤全磷含量(TP)：混合盐消化—钼锑抗比法测定，参照国标LY-T 1232—1999。土壤有效磷含量(AP)：双酸浸提—钼锑抗比色法测定，参照国标LY-T 1233—1999。土壤速效钾含量(AK)：火焰光度计法测定，参照国标LY-T 1236—1999。土壤全钾含量(TK)：混合盐消化—火焰光度计法测定，参照国标LY-T 1234—1999。土壤pH：3H型酸度计测定，参照国标LY-T 1239—1999。土壤水解氮含量(HN)：碱解扩散法测定，参照国标LY-T 1229—1999。土壤全氮含量(TN)：凯氏定氮法测定[14]。

1.4 数据处理方法

试验数据采用Excel 2007进行处理，不同林分类型土壤理化性质采用SPSS 21.0进行显著性差异分析。土壤理化性质相关性分析采用Pearson相关分析法分析。各林分土壤改良效果综合分析采用主成分分析法。

2 结果与分析

2.1 不同人工林土壤理化性分析

为了评价5种人工林的土壤改良效果，对林地及空白对照的土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤渗透速率、土壤有机质、全氮、水解氮、全鳞、有效磷、全钾、速效钾等理化性质指标进行测定，5种林分对土壤理化性质均有一定程度的改善。如表1所示，林地平均土壤容重约为1.57g/cm3，与未造林地相比降低了4.27%，表明树木根系的穿插、枯枝落叶的分解等能够降低土壤容重、改善土壤质地。各林分类型土壤容重与同层未造林地相比均显著降低，其中柽柳林在0～20 cm土层深度土壤容重降幅最大，达到6.75%，而在20～30 cm土层深度林分土壤容重降低幅度减小，与裸地相比平均减少了2.65%，说明5种林分在表层土壤的容重改良方面表现更佳。由表2可知，林地土壤渗透性能也得到改善，其中柽柳林与枸杞林的林地土壤孔隙度最大，水分的渗透速率更快，林下土壤的透水通气性相对更好，在40 min左右时5种林地土壤渗透速率趋于稳定，而未造林地在30 min左右即达到稳渗速率，表明在相同的立地条件下，树木改善土壤结构的同时延长了水分渗透的过程，土壤达到稳渗速率的时间增加，进而减缓地表径流的形成，降低径流冲刷带来土壤侵蚀的可能性。

表1 不同林分土壤容重及孔隙度的变化

表2 不同林分土壤渗透速率

图1表明，5种林分土壤养分含量与未造林地相比均有所提升，土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾含量均显著大于同土层深度的未造林地，不同林分对土壤养分改良能力有所不同。在5种林分中，黑杨林、黑杨白榆混交林土壤有机质含量增加最多，与裸地相比分别提升了137.36%与113.76%；枸杞林与黑杨林土壤水解氮含量提升最多，分别为裸地的1.63倍与1.56倍；枸杞林土壤有效磷含量最高，达到了裸地的1.66倍，其次是柽柳林土壤有效磷含量为裸地的1.60倍，二者有效磷含量显著高于其他林分；枸杞林与黑杨白榆混交林土壤速效钾含量最高，分别为裸地的1.39倍与1.27倍。土壤养分在垂直分布上主要集中于0～20 cm土层深度，可能是由于枯枝落叶分解产生腐殖质、土壤有机质等养分积累的过程主要发生在土壤表层，因此林地养分分布呈现出明显的表聚特征。

图1 土壤化学性质在不同林分及土层间的趋势

5种林分土壤pH呈自上而下增加趋势，而未造林地土壤剖面自上而下pH逐渐降低，各林分土壤pH均显著小于同层未造林地，其中，枸杞林和黑杨白榆混交林在0～30 cm土层深度平均土壤pH最低。5种林分均表现为对表层盐碱土pH降低作用更加明显，与对照相比0～10 cm土层深度pH降低了3.69%～7.50%，可能由于地表经植被覆盖后减少了水分的蒸发，抑制了土壤反盐，同时根系将土壤水分吸收供给植物的蒸腾作用，使地下水位降低，抑制了表层土壤盐碱化[15]。林木为主的植被恢复通过枯枝落叶的分解加强了土壤中微生物活动，促进土壤与植物间养分循环，增加土壤有机质等养分含量，同时降低土壤pH，进一步提高了盐碱土困难立地条件下群落的稳定性。

2.2 土壤理化性质相关性分析

为了更好地分析各项土壤理化性质指标间的关系，对5种林分在0～30 cm土层深度土壤容重(X1)、总孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初渗速率(X5)、土壤稳渗速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全钾(X11)、速效钾(X12)、有机质(X13)、pH(X14)均值采用Pearson相关分析进行描述。结果如表3所示，林分土壤容重与土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度呈极显著负相关关系；林地土壤渗透性能均与土壤容重呈显著负相关关系；土壤全氮、全钾、有效磷含量与土壤孔隙度呈极显著正相关，与土壤容重呈极显著负相关；土壤水解氮、全磷含量与土壤容重呈极显著负相关，与土壤总孔隙度呈极显著正相关，土壤水解氮含量与土壤非毛管孔隙度呈显著正相关；土壤速效钾含量与土壤容重呈极显著负相关，与土壤孔隙度呈显著正相关关系；土壤有机质含量与土壤容重呈极显著负相关，与总土壤孔隙度呈极显著正相关；土壤全氮含量与土壤水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机质含量呈极显著正相关；土壤水解氮含量与土壤全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机质含量呈极显著正相关；土壤全磷含量与土壤有效磷、全钾、速效钾含量呈极显著正相关；土壤有效磷与土壤速效钾呈极显著正相关，与全钾呈显著正相关；土壤全钾与速效钾、有机质含量呈极显著正相关；土壤速效钾与有机质含量呈极显著正相关；土壤pH与土壤容重呈极显著正相关，与土壤水解氮含量呈显著正相关，与全磷、有效磷含量呈显著负相关，与土壤全氮、全钾、速效钾、有机质及总孔隙度呈极显著负相关关系。相关性分析结果表明，土壤各项理化性质之间存在相关性，采用单独的一个指标或几个指标进行土壤改良作用分析都不全面，因此进行盐碱地土壤改良效果评价时，需要全面考虑率各个因素的影响[16]。

表3 土壤理化性质各因子相关性分析

2.3 土壤改良效果综合评价

土壤改良效果是土壤多项基本性质的综合反映，除了不同树种下各项土壤理化性质变化规律不同以外，各项理化性质对土壤改良效果的贡献也存在一定区别[17]。从相关性分析结果可知，土壤改良效果各项评价指标相间关性较强，因此，为了全面客观地对不同林分的土壤改良效果进行评价，选取土壤容重(X1)、总孔隙度(X2)、毛管孔隙度(X3)、非毛管孔隙度(X4)、土壤初渗速率(X5)、土壤稳渗速率(X6)、全氮(X7)、水解氮(X8)、全磷(X9)、有效磷(X10)、全钾(X11)、速效钾(X12)、有机质(X13)、pH(X14)共14项指标，通过主成分分析法将多项复杂的评价指标简化成相互独立的综合指标，消除重叠的土壤属性[18]，利用新的综合指标对不同林分的土壤改良作用进行分析评价，揭示不同林分类型对盐碱地土壤的改良效果。

在主成分分析过程中，特征值可作为判断各主成分对土壤改良效果影响大小的指标之一，当主成分的特征值大于1时，主成分即可作为评价土壤改良效果的依据[19]。从表4中可以看出，有3个主成分的特征值大于1，且前3个主成分累计方差贡献率达到82.42%，占据变异的绝大部分，因此，选取前3个主成分作为土壤改良效果评价指标进行分析，能够较好地反映土壤理化性质原始的数据信息。

表4 主成分特征值及贡献率

第一主成分方差贡献率最大，达到53.943%，作为评价土壤改良性质的综合指标，如表5所示，土壤容重、土壤总孔隙度、土壤全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机质含量及pH值对第一主成分影响较大，说明土壤的物理性质与化学性质在评价土壤改良效果中都占据重要地位。第二主成分占变异总数的14.791%，其中土壤全氮、非毛管孔隙度、土壤水解氮的系数较大，说明氮素是该区土壤营养元素主要限制因子；第三主成分受土壤初渗速率影响最大，主要反映了土壤渗透性能，其次受土壤毛管孔隙度及土壤全钾含量影响。为了进一步综合评价不同人工林的土壤改良效果，根据3个主成分贡献率大小计算综合指数，3个主成分权重分别为0.6545、0.1795、0.1660，计算公式如(1)所示。

表5 主成分的标准化特征向量值

计算不同林地土壤改良效果综合得分，如表6所示，各样地综合得分由大到小排列依次为：枸杞(43.81)＞柽柳(40.79)＞黑杨白榆混交林(40.33)＞黑杨(39.31)＞油松(39.03)＞未造林地(33.55)，说明5种人工林都具有改良土壤理化性质的作用，其中枸杞对盐碱地的改良效果最佳，其次是柽柳，再次是黑杨白榆混交林及黑杨，油松的土壤改良效果相对较弱。

表6 不同林分土壤3个主成分得分分值

3 结论与讨论

研究结果表明5种人工林植被均能够有效改良盐碱地土壤理化性质，一方面能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤的通气性与透水性更好，另一方面能够降低土壤pH值，增加土壤养分含量，这与邱月[20]、宋雪[21]、张平[22]、陈苗苗等[23]的研究结果一致，说明人工林植被对盐碱地生态修复具有重要作用。相关性分析结果表明，各林地土壤理化指标之间具有复杂的相关性，尤其部分土壤养分指标间呈极显著关系，与王丽琴[24]、刘桂民等[25]对碱地人工林土壤改良效果的研究结果不完全相同，说明吉西草甸盐碱土与黄河三角洲滨海盐盐碱土在不同环境条件下土壤理化性质之间的关系也有所区别，土壤理化性质间如何互相影响仍有待进一步的探索。

通过主成分分析法对5种林分土壤理化性质进行综合评价，结果表明5种林分中枸杞的土壤改良效果最佳，其次是柽柳林，二者具有耐盐、耐寒、耐旱的特点，繁殖能力强[26]，盐害与病虫害轻，具有较高的经济价值，因此，在吉林省西部盐碱地改良与利用的实践中，可优先考虑枸杞与柽柳作为人工植被恢复的优选树种。黑杨白榆混交林的土壤改良效果综合得分与柽柳林比较接近，而黑杨、白榆的叶量丰富、根系发达、生物量高，既适生于吉西盐碱地特殊环境条件，又对盐碱土有一定程度的改良作用，在轻度盐碱地上种植黑杨及白榆，同时可用于用材林与农田林网的建设。相比之下油松林对吉西盐碱地的土壤改良作用相对较弱。对5种典型林分的土壤改良效果进行综合评价，为吉西盐碱地通过植被恢复实现土壤修复提供了更加具体的数据支撑，研究结果为吉西盐碱地高效人工林建设与盐碱地资源的可持续利用提供了借鉴。