黄河下游丘陵地区人工林土壤养分与水文特征差异

Variations in Soil Nutrients and Hydrological Characteristics of Plantation Forests in the Hilly Area of the Lower Yellow River Basin

摘要

探究黄河下游鲁中南丘陵地区不同人工林林型（纯林与混交林）对土壤水文特性与养分状况的影响，为该区域水土保持林优化配置提供科学依据。选取麻栎纯林、刺槐纯林、油松纯林、阔叶混交林（麻栎×刺槐）和针阔混交林（油松×刺槐）5种典型林型，通过野外采样与室内分析，系统测定土壤容重、孔隙度、持水量、pH、有机碳以及氮、磷、钾等指标。结果表明，刺槐纯林表现出最优的土壤持水能力（田间持水量为52.6%）和较高的孔隙度，但通气性较差；油松纯林透气性与持水能力均弱于其他林型；混交林在土壤透气性和持水能力这2方面表现较为均衡，尤其针阔混交林田间持水量接近刺槐纯林。养分方面，阔叶混交林在有机碳（27.58 g·kg⁻¹）、全氮（4.76 g·kg⁻¹）及速效养分质量分数上显著优于纯林。相较于纯林，混交林（尤其是阔叶混交林）在“持水-通气平衡”和“养分供应”等土壤功能上更具优势，建议在该地区生态修复中优先采用混交造林模式，以实现水土保持与土壤肥力提升的双重目标。

Abstract

This study examines how different types of plantations （pure and mixed forests） affect soil hydrological properties and nutrient status in the hilly region of South-central Shandong， located in the lower Yellow River Basin. The goal is to provide a scientific basis for optimizing the management of soil and water conservation forests. Five typical plantation forest types were selected： Quercus acutissima pure forest （ML）， Robinia pseudoacacia pure forest （CH）， Pinus tabuliformis pure forest （YS）， broad-leaved mixed forest （KYH： Q.acutissima × R.pseudoacacia）， and coniferous-broadleaved mixed forest （ZKH： P.tabuliformis × Q.acutissima）. Through field sampling and laboratory analysis， several soil indicators were systematically measured， including bulk density， porosity， water-holding capacity， pH， organic carbon， nitrogen， phosphorus， and potassium. The results indicated that the Robinia pseudoacacia pure forest had the highest soil water-holding capacity （field capacity of 52.6%） and high porosity， but poor soil aeration. In contrast， the Pinus tabuliformis pure forest demonstrated lower levels of aeration and water-holding capacity. Mixed forests showed a more balanced performance between water retention and aeration， with the coniferous-broadleaved mixed forest showing a water-holding capacity close to that of the Robinia pseudoacacia pure forest. In terms of nutrients， the broad-leaved mixed forest significantly outperformed the pure forests， with levels of organic carbon （27.58 g·kg^-1）， total nitrogen （4.76 g·kg^-1）， and available nutrients. Overall， mixed forests， particularly broad-leaved mixed forest， exhibited superior soil functions regarding the balance between water retention and aeration as well as nutrient supply. Therefore， mixed afforestation models are recommended for ecological restoration in this region to achieve the dual goals of soil and water conservation and the enhancement of soil fertility.

Graphical abstract

关键词

黄河下游 / 水土流失治理 / 人工纯林 / 人工混交林 / 土壤理化性质

Key words

Lower Yellow River Basin / soil and water erosion control / artificial pure forest / artificial mixed forest / soil physicochemical properties

0 引言

水土流失是威胁区域生态安全与可持续发展的全球性环境问题，在我国黄河流域表现尤为突出^［1］。鲁中南丘陵地区位于黄河下游，是我国北方土石山区典型分布区域，因地质构造松散、土层薄、降水集中且人类活动干扰和水土流失问题严重，经多年治理后水土流失面积仍占土地总面积的21.82%（2023年统计）^［2］。该区域一直被列为国家级水土流失重点治理区，水利部、林业和草原局、农业部先后在这里实施了国家水土保持重点建设工程、退耕还林（草）等水土流失综合治理工程^［3］。同时，山东省在《水土保持规划（2016—2030）》中将该区域规划为“鲁中南低山丘陵土壤保持区”，提出以土壤保持为主导基础功能，构建鲁中南丘陵地区生态屏障的治理目标^［4］。生态造林可以有效地减少土壤侵蚀，是当前公认的治理水土流失的有效手段之一^［5-7］，在鲁中南丘陵地区被广泛应用。然而，大量研究表明，不同造林树种及林分结构对土壤改良效果存在显著差异^［8］。例如，纯林虽具有快速成林优势，但长期单一树种经营可能导致土壤养分失衡、水文功能退化等问题，而混交林通过物种互补效应，在增强土壤持水能力、促进养分循环方面更具潜力^［9］。因此，不同造林林型对土壤改良的效能存在差异，水土保持林配置模式优化成为水土流失治理工作关注的重点。

麻栎、刺槐和油松等是鲁中南丘陵地区主要的水土保持造林树种，在治理水土流失、改良土壤和保护生态环境等方面起到了重要的生态防护功能^［3，10］。生态造林的土壤改良效能主要从土壤水分、通气性和肥力（“水、气、肥”）3个方面进行评估。森林土壤的物理性质，如容重、孔隙状况等可以很好地反映“水、气”两部分的优劣。对于“肥”来说，主要针对特定的营养元素如氮、磷、钾以及有机碳等对土壤养分状况进行评价。虽然目前针对鲁中南丘陵地区典型植被类型土壤的理化特性已开展了大量研究^［11-14］。这些研究多集中于纯林或特定土壤指标的比较，关于混交林较纯林的土壤改良效能，特别是对土壤“水、气、肥”综合调控效应的系统研究仍相对缺乏。

本研究以黄河下游鲁中南丘陵国家级水土流失治理区为对象，选择麻栎纯林、刺槐纯林、油松纯林、阔叶混交林（麻栎×刺槐）及针阔混交林（油松×刺槐）5种典型造林林型，采用野外定点采样与室内分析相结合的方法，通过对各林型理化性质关键指标的系统测定，系统比较纯林与混交林在改善土壤理化性质（重点关注水文物理特性与养分特征）方面的差异，提出实现水土保持与土壤养分提升双重目标的林分配置模式，为黄河下游生态脆弱区人工林结构优化、水土资源可持续管理提供理论依据，对于支撑黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的实施具有重要意义。

1 研究区及方法

1.1 研究区域概况

本研究采样区位于黄河下游鲁中南丘陵地区山东药乡国家森林公园，依托山东泰山森林生态系统国家定位观测研究站开展。研究区属暖温带大陆性亚湿润季风气候区，多年平均气温为18.5 ℃，多年平均降水量758 mm，雨热同期，75%的降水集中在6—9月^［14］。地貌类型属山地丘陵，是北方土石山区鲁中南丘陵地区的典型区域，土壤类型主要是棕壤。植被类型为暖温带落叶阔叶林，林型以人工林为主，另外有次生灌丛和草丛植被。主要人工林植被有麻栎（Quercus acutissima）、刺槐（Robinia pseudoacacia）和油松（Pinus tabulaeformis）等；灌木有胡枝子（Lespedeza bicolor）、三裂绣线菊（Spiraea trilobata）以及南蛇藤（Celastrus orbiculatus）等。

1.2 试验设计

本研究选择该区域5种典型造林林型，分别为麻栎纯林（ML）、刺槐纯林（CH）、油松纯林（YS）、阔叶混交林（KYH）、针阔混交林（ZKH），设置30 m×30 m临时样地5块，开展以下工作：1）对临时样地内乔木进行每木检尺并记录，见表1，并对林下环境进行了调查记录，见表2；2）鉴于研究区为低山丘陵地形，所有临时样地均设置于坡地上，依照坡位（坡上、坡中、坡下）分别设置3个1 m×1 m的样方，每个临时样地共布设9个样方（每个坡位3个），如图1所示。

1.3 土壤采样与理化性质测定

本研究采用环刀法测定土壤水文物理性质。每个样方分别去除地表凋落物腐殖质层，挖出土壤剖面并分为2层：0~10 cm和10~20 cm。用100 cm³环刀分层采集原状土，并用已知质量的铝盒取约20 g土壤，每层重复取样3次，带回试验室内测算土壤质量含水量、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤饱和含水量等物理指标。土壤容重是指单位体积原状土壤干土的质量，通常用来反映土壤紧实程度^［15］，土壤容重过大，则表明土壤越紧实，不利于透水、根系的呼吸等^［16］。土壤田间持水量是衡量土壤持水能力的重要指标之一^［17］。土壤孔隙度通常用来表征土壤的通气透水性，土壤孔隙由毛管孔隙和非毛管孔隙构成，毛管孔隙是土壤孔隙的主要构成部分，不同林型因其林下植被和凋落物组成不同，土壤孔隙状况亦存在差异^［18］。

由图1可知，在每个坡位采用棋盘式取样法选取8个扰动土壤采样点，每个采样点分为0~10 cm、10~20 cm 2层取土壤样本，并将各层土壤样本分别混合，一个混合土壤样本的质量在1 kg左右，带回试验室利用pH计、元素分析仪、KCI提取法、Olsen法及乙酸铵提取ICP-OES法分别测定pH、有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾等化学指标。土壤有机碳是土壤肥力的重要物质来源^［19］。氮是林木生长所必需的大量元素之一，参与林木诸多重要物质代谢过程，其含量主要受成土母质和植被养分循环的影响^{［18， 20］}。土壤中的氮素绝大多数是以有机形式存在，不能被植物直接吸收利用，只有在土壤微生物的作用下转化成铵态氮和硝态氮形态的无机氮才能被植物所吸收利用^［21］。因此，土壤铵态氮和硝态氮质量分数是反映土壤养分的重要指标之一。此外，速效磷和速效钾是衡量土壤养分中可被植被吸收利用磷和钾的指标。本研究对土壤养分各指标质量分数的分级参照全国第二次土壤普查养分类标准。

1.4 数据处理

野外调查数据与室内分析数据使用Microsoft Excel进行整理；通过SPSS AU平台完成数据的统计分析，不同土壤样本理化性质之间进行显著性差异分析使用单因素方差分析（one-way ANOVA）；化学计量比以质量比表示；相关配图使用Origin 2021和R语言完成。

2 结果与分析

2.1 不同林型土壤物理水文特性

由表3可知，5种人工林土壤上层与下层容重平均值分别为1.04±0.20 g/cm³（0~10 cm）和1.19±0.15 g/cm³（10~20 cm），表明该区域林内土壤总体疏松情况较好。上层土壤麻栎纯林容重最高（1.19 g/cm³），显著高于刺槐（0.91 g/cm³）和油松纯林（0.97 g/cm³）（P<0.05）。该研究区土壤质量含水量数据均测定于5月初，其间日均温变化较小且无降水。刺槐纯林持水能力突出，上下层含水量（41.3%、23.2%）均显著高于其他林型（P<0.01）；油松纯林最低（上层9.7%、下层7.5%）；混交林介于二者之间（上层约20%、下层约10%）。刺槐纯林上层持水量达65.2%，显著高于其他林型（P<0.05）；油松纯林最低（26.1%）。下层刺槐（41.4%）仍保持较高水平，显著高于阔叶混交林（21.6%，P<0.05）。

由表4可知，刺槐纯林上层土壤毛管孔隙度最大（59.3%），针阔混交林次之（48.3%），均显著高于其他林型（P<0.05），油松纯林最低（24.4%）；下层土壤毛管孔隙度中，刺槐纯林与针阔混交林高于其他林型，阔叶混交林最小。阔叶混交林非毛管孔隙度在各层中最大，刺槐纯林相对较小。总孔隙度由大到小表现为刺槐纯林、针阔混交林、麻栎纯林、阔叶混交林、油松纯林，且上下层趋势一致。

综上所示，刺槐纯林具有低容重、高孔隙度和持水量优势，但通气性（非毛管孔隙）较弱；油松纯林因高容重、低孔隙度导致持水能力受限；针阔混交林水分保持与孔隙结构优于多数纯林，阔叶混交林则优化了通气性，表明混交策略可平衡土壤持水与通透能力。

2.2 不同林型森林土壤养分特征

研究区土壤整体呈酸性至强酸性（pH为4.71~6.32），其中，仅油松纯林土壤属于酸性（pH为5.5~6.32），其余各林型均属于强酸性（pH<5.5），酸性由弱到强表现为油松纯林、针阔混交林、刺槐纯林、麻栎纯林、阔叶混交林，如图2（a）所示。5种林型有机碳质量分数均达“较丰富”等级（>17.40 g/kg），阔叶混交林最高（27.58 g/kg），显著高于油松纯林（18.43 g/kg），由大到小表现为阔叶混交林、麻栎纯林、针阔混交林、刺槐纯林、油松纯林，如图2（b）所示。研究区各林型全氮质量分数均处于“丰富”水平（>2.0 g/kg），阔叶混交林（4.76 g/kg）最高，油松纯林（3.49 g/kg），显著低于其他林型，如图2（c）所示。5种林型中土壤铵态氨和硝态氮质量分数排序一致，由大到小均呈现为阔叶混交林、刺槐纯林、针阔混交林、麻栎纯林、油松纯林，如图2（d）和图2（e）所示。除阔叶混交林外，各林型中速效磷和速效钾质量分数随土壤深度的增加变化量较小，由大到小均表现为阔叶混交林、针阔混交林、刺槐纯林、麻栎纯林、油松纯林，如图2（f）和图2（g）所示。速效磷质量分数在油松纯林与麻栎纯林中属于“丰富”水平（10~20 mg/kg），其他林型为“较丰富”水平（20~40 mg/kg）。所有林型土壤速效钾质量分数均处于“中等”水平（50~100 mg/kg），且各林型排序与速效磷一致。综上所述，阔叶混交林在有机碳积累、全氮质量分数及速效磷供应方面均具一定优势，表明混交林（尤其阔叶混交）对维持土壤肥力均衡有积极作用。

2.3 不同林型森林土壤养分特征

为综合评估不同林型土壤理化特性的差异，对全部13项指标进行了主成分分析（PCA）。前2个主成分累计解释了总变异的72.8%（PC1：45%，PC2：27.8%），如图3所示。主成分1（PC1）主要代表了“水、肥”综合功能。PC1轴左侧（负值）与大部分土壤水文和肥力指标呈正相关，而右侧（正值）与土壤通气性指标呈正相关。因此，PC1从右到左的过程反映了土壤由“水、肥”综合功能的增加，以及土壤通气性的减弱。主成分2（PC2）主要体现了土壤“通气性与养分有效性的关系”。PC2轴上方（正值）与总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量和质量含水量等水文物理指标呈正相关，反映了土壤的持水能力；下方（负值）则与土壤有机碳质量分数、铵态氮、速效磷、非毛管孔隙度等呈正相关，主要反映了土壤的养分供给能力与通气性。因此，PC2值由负到正的变化，反映了土壤从养分优势向持水优势的变化。刺槐纯林位于PCA2轴的最上部，其位置与较高的田间持水量、毛管孔隙度和总孔隙度等水文物理指标高度相关，表现出较优的持水能力。油松纯林位于PC1坐标轴的最右侧，表明其各项土壤功能均相对较弱。麻栎纯林位于两轴的中心区域，其土壤特性介于各林型之间。2种混交林则集中于PCA1轴左部，其分布与较高的有机碳、全氮和速效磷等土壤肥力指标向量方向一致，其中阔叶混交林位于PCA2轴的下方，表明混交林在维持土壤“水、气、肥”方面有一定的优势，尤其在土壤肥力方面表现更具优势。

3 讨论

3.1 不同林型土壤水文物理特性差异

土壤的水源涵养能力与土壤孔隙度、土壤容重等各项指标有着密切关系^［22］，具体表现为土壤孔隙度越高，容重越低，土壤相对疏松，水分的持留量也相对较大^［23］。本研究中刺槐纯林土壤田间持水量达52.66%，毛管孔隙度达52.36%，显著高于其他林型，表明刺槐纯林能够有效地维持更多的土壤水分。但刺槐纯林的非毛管孔隙度较低（9.84%），土壤的通气性受限。相比之下，油松纯林虽然具有适应性强（耐旱）、生长迅速等优点^［24］，但其容重相对较高（1.19 g/cm³）、孔隙度较低（总孔隙度<30%）在一定程度上限制雨水入渗。田间持水量仅28.41%，含水量不足10%，表明其土壤持水能力低于刺槐纯林。有研究表明，油松为常绿针叶树种，凋落物输入少且分解缓慢，导致土壤有机质积累慢、结构紧实，进而削弱其水文功能^［23］。郭钰等^［25］对山西油松人工林、刺槐人工林及油松×刺槐混交林等林型研究发现，与纯林相比，混交林的根系生物量及其土壤养分、含水量更高。王启鑫等^［23］对胶东丘陵地区4种造林林型进行研究发现，混交林在提高土壤涵蓄水分能力，增加土壤养分积累方面较纯林有一定的优势。本研究结果表明，混交造林模式在土壤水分调控方面具有一定的优势，可以实现土壤涵养水源与通气的平衡。2种混交林（针阔混交林和阔叶混交林）的含水量和持水量指标介于刺槐纯林和油松纯林之间，显著优于油松纯林。特别是针阔混交林，其持水量（41.5%）显著高于油松纯林（28.4%）并接近刺槐纯林（52.6%），表明混交模式（如混交刺槐或其他阔叶树种）能在一定程度上保持刺槐纯林的持水效益。此外，混交林，特别是针阔混交林，在总孔隙度和毛管孔隙度上优于多数纯林（除刺槐），且阔叶混交林提高了非毛管孔隙度，表明混交策略能有效协同提升土壤的持水与通气能力。

3.2 不同林型土壤酸碱度及养分特征差异

土壤养分质量分数是反映土壤肥力状况的关键指标，直接影响森林生长及林分质量^［26］。研究区土壤整体呈酸性至强酸性（pH为4.71~6.32），由弱到强表现为油松纯林、针阔混交林、刺槐纯林、麻栎纯林、阔叶混交林的趋势。研究表明，这种差异主要源于不同树种凋落物的化学组成（如有机酸释放等）及其分解产物对土壤酸碱平衡的影响^［27］。各林型下不同土壤深度（0~10 cm与11~20 cm）的pH无显著差异，表明土壤酸度在剖面内相对稳定。Wu等^［28］研究表明，在强酸性森林土壤中，较低的pH抑制了土壤呼吸和微生物活性，更有利于土壤有机碳的积累。因此，各林型土壤有机碳质量分数表现出与pH相反的趋势，具体由大到小表现为阔叶混交林、麻栎纯林、针阔混交林、刺槐纯林、油松纯林。各林型中全氮质量分数均处于“丰富”水平（>2 g/kg），同样以阔叶混交林最高，油松纯林显著低于其他林型。铵态氮和硝态氮作为植物可直接利用的无机氮形态，其在各林型中的质量分数排序基本一致，具体由大到小表现为阔叶混交林、刺槐纯林、针阔混交林、麻栎纯林、油松纯林。阔叶混交林展现出在土壤速效养分（尤其是速效钾）供应方面的优势。李静鹏等^［29］对不同植被恢复类型的土壤肥力质量进行评价时指出，不同林型土壤养分“供”和“还”的差异导致土壤肥力质量的不同。这里的“供”主要指林内凋落物的输入，“还”主要指对凋落物进行分解。前人研究表明，针叶纯林的凋落物富含蜡质和木质素，有机质分解速率缓慢，不利于养分的归还，而阔叶树种的凋落物软质易分解，有利于养分的归还^［30］。杨承栋^［31］研究表明，针叶纯林土壤有机质质量分数及凋落物中的营养元素质量分数远低于相似立地条件的针阔混交林和次生阔叶林。混交林，特别是阔叶混交林所展现的土壤养分优势，可能是一个由地上输入驱动地下生物过程的协同效应。Li等^［32］研究表明，除了刺槐侧根具有大量的固氮根瘤的生物固氮作用直接增加氮源输入外，更为多样化的凋落物组合（麻栎与刺槐）为土壤微生物提供了种类更丰富、更均衡的基质。这能显著提升微生物群落多样性和关键酶活性，从而加速凋落物分解与养分矿化速率^［27］。此外，有研究发现，树种丰富度显著提高细根分解中的碳、氮和磷元素释放速率，即不同类型凋落物的混合促进分解过程中的协同效应，加速养分释放，提升速效养分的有效性^{［31，33-34］}。本研究结果与Guo等^［35］观点相一致。阔叶混交林在土壤有机碳积累、氮素总量及有效性（铵态氮、硝态氮）以及速效磷钾供应方面均表现出明显优势。因此，混交造林是提升生态脆弱区土壤多功能性的有效策略。

4 结论与展望

本研究系统比较了黄河下游鲁中南丘陵地区5种典型人工林型（麻栎纯林、刺槐纯林、油松纯林、阔叶混交林、针阔混交林）的土壤水文物理特性与养分特征，得出以下结论：刺槐纯林具有较低的土壤容重、较高的孔隙度和持水能力，但其非毛管孔隙度较低，通气性较差；油松纯林因容重高、孔隙度低，透气与持水能力均受限；混交林（尤其是针阔混交林）在持水量、孔隙结构等方面表现介于刺槐与油松纯林之间，且阔叶混交林显著提升了非毛管孔隙度，表明混交模式能有效平衡土壤持水与通气能力。阔叶混交林在有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾质量分数上均显著优于其他林型，表现出更优的土壤养分固持能力。混交林（特别是阔叶混交林）在协同优化“水-肥-气”综合功能方面优于纯林，具有良好的生态协同效应，是鲁中南丘陵地区水土保持与土壤改良的优选林分配置模式。

本研究存在2个主要的局限性。首先，受研究区破碎丘陵地形限制，样地坡长（30 m）相对较短，虽通过划分坡位并在每个坡位设置3个样方，且扰动土采用8点混合采样以增强代表性，但在空间代表性和重复性上仍存在不足。未来研究将增加空间重复样地数量来进一步验证和完善。其次，本研究仅对不同林型土壤理化特征进行了研究，接下来将进一步开展土壤微生物活性、细根分布和凋落物分解效率等方面的研究，更全面地探究造成混交林与纯林土壤养分差异的原因。

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基金资助

山东省自然科学基金青年基金(ZR2022QC132)

聊城大学博士启动基金(318052033)

聊城大学大学生创新创业训练计划项目(CXCY2024077)