营林措施和环境因子对黄河中游刺槐生长的影响

Impact of Forest Management Practices and Environmental Factors on the Growth of Robinia pseudoacacia in the Middle Reaches of the Yellow River

摘要

探究营林措施和环境因子对刺槐生长的综合影响，为黄河流域乃至其他类似生态环境下的造林和生态恢复提供重要的科学依据。以黄土高原刺槐林为研究对象，通过测量地形以及刺槐的生长指标，测定土壤理化性质，采用线性拟合、冗余分析和Pearson相关性分析各因素对刺槐生长的影响。结果表明，1）刺槐胸径与造林密度呈极显著负相关（P<0.01），树高与造林密度呈显著负相关（P<0.05），冠幅与造林密度、坡度呈显著负相关（P<0.05）;2）刺槐树高、冠幅与土壤全磷质量分数呈极显著正相关（P<0.01），胸径、冠幅与土壤铵态氮质量分数呈显著正相关（P<0.05）;3）海拔较高时，土壤结构更为疏松，但养分含量相对较低；坡度较大时土壤养分流失严重，对刺槐的生长产生不利影响；4）土壤毛管孔隙度是影响刺槐生长的最重要因素。因此，在造林和管理过程中，根据实际地形和土壤条件，合理确定造林密度，提升土壤肥力，促进刺槐的生长发育。

Abstract

Exploring the combined effects of forest management practices and environmental factors on the growth of Robinia pseudoacacia provides essential scientific evidence for afforestation and ecological restoration in the Yellow River Basin and other similar ecological environments. Focusing on Robinia pseudoacacia forests on the Loess Plateau， we measured topography， growth indicators of Robinia pseudoacacia， and soil physical and chemical properties， employing linear fitting， redundancy analysis， and Pearson correlation analysis to assess the impact of various factors on the growth of Robinia pseudoacacia. The results indicated： 1） Robinia pseudoacacia diameter at breast height （DBH） showed a highly significant negative correlation with afforestation density （P<0.01）， tree height had a significant negative correlation with afforestation density （P<0.05）， and canopy width was significantly negatively correlated with both afforestation density and slope （P<0.05）. 2） Tree height and canopy width of Robinia pseudoacacia showed a highly significant positive correlation with soil total phosphorus content （P<0.01）， while DBH and canopy width were significantly positively correlated with soil ammonium nitrogen content （P<0.05）. 3） At higher altitudes， the soil structure became more loose， but the nutrient content was relatively lower； when the slope was steeper， soil nutrient loss was severe， adversely affecting the growth of Robinia pseudoacacia. 4） Soil capillary porosity was the most important factor influencing the growth of Robinia pseudoacacia. Therefore， during afforestation and management， it is crucial to reasonably determine afforestation density and enhance soil fertility according to the actual topography and soil conditions to promote the growth and development of Robinia pseudoacacia.

Graphical abstract

关键词

造林密度 / 地形 / 土壤理化性质 / 刺槐 / 冗余分析 / 黄河流域

Key words

Afforestation density / topography / soil physical and chemical properties / Robinia pseudoacacia / redundancy analysis / Yellow River Basin

0 引言

黄河流域作为我国北方的重要生态屏障和农业生产基地，在国家生态文明建设中具有举足轻重的地位^［1］。近年来，随着国家对生态环境保护的重视，黄河流域的生态治理和修复工作得到显著推进。其中，植树造林作为恢复生态、改善环境的重要措施，在黄河流域的水土保持和生态修复中发挥了重要作用^［2］。刺槐（Robinia pseudoacacia）由于其适应性强、速生性好、固氮能力强，被广泛用于黄土高原地区的生态治理^［3］。然而，造林的效果并非总是令人满意，其成活率、生长状况及生态效益受到多种因素的制约，尤其是造林密度、地形条件和土壤理化性质等因素对刺槐生长的影响尤为显著^［4-6］。因此，深入研究这些因素对刺槐生长的影响，对于优化造林策略、提高生态工程的效益具有重要的理论和实践意义。

刺槐不仅具有良好的水土保持作用，还能够通过固氮作用改善土壤肥力，从而促进其他植被的恢复和生长^［7］。然而，在实际造林过程中，造林密度的选择直接影响着刺槐的生长发育及其生态功能的发挥。造林密度过高会导致树木之间竞争加剧，抑制单株树木的生长；而造林密度过低则可能导致植被覆盖不足，削弱水土保持效果^［8］。黄土高原地区的地形复杂多样，不同地形条件下，水分、养分的分布情况差异显著，从而对刺槐的生长产生不同影响^［9］。此外，坡向、坡度等地形因子还会影响光照条件和微气候环境，从而进一步影响刺槐的生长状况^［10］。黄土高原地区的土壤类型主要为黄绵土和褐土，具有土层深厚、质地较轻、养分含量低等特点^［11］。土壤的有机质含量、氮磷钾等养分元素的含量，以及土壤的物理结构，如土壤密度、孔隙度等，均对刺槐的生长产生重要影响^［12］。

尽管对这些因素与刺槐生长的关系已有一定研究^［8-10］，但多集中于单一因素的影响，缺乏对多因素综合作用的系统研究。因此，本研究旨在以山西省吉县为研究区，系统分析营林措施和环境因子对刺槐生长的综合影响。通过对不同造林密度、不同地形条件及不同土壤理化性质下刺槐生长状况的实地调查和数据分析，探讨各因素对刺槐生长的影响，为优化黄河流域的刺槐造林策略提供科学依据，进一步推动区域生态环境的改善和可持续发展。

1 研究区与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省吉县（110°24'~111°08'E，36°58'~37°20'N），地处黄河中游的黄土高原地区。吉县地处吕梁山南端，地势以丘陵和山地为主，地形复杂多样，海拔在500~1 500 m。研究区内气候属暖温带半干旱季风气候，年均气温约为10.2 ℃，年均降水量为500~600 mm，降水主要集中在7—9月的汛期，占全年降水量的60%以上。吉县土壤主要为黄绵土和褐土，土壤肥力较为贫瘠，质地以砂质壤土为主，具有典型的黄土高原土壤特性。研究区原生植被为森林和草原，由于长期的农业开发和不合理的土地利用，原生植被遭到严重破坏，导致水土流失严重。近年来，吉县通过大规模的造林和生态恢复工程，植被覆盖率有了显著提升，刺槐（Robinia pseudoacacia）作为主要造林树种在研究区得到广泛的种植和推广。

1.2 样地设置与调查

在研究区选择林龄为27 a的刺槐林为研究对象，设置20个20 m×20 m的样地，用GPS测量样地海拔，用罗盘仪测定坡度和坡向。对乔木进行每木检尺，测量胸径、树高和冠幅。在每个样地内选定标准木，并整株挖掘。对树干、枝条、叶片、根分别进行称其质量，将各器官取样带回试验室，在85 ℃烘箱中烘干至质量恒定，测量其干质量，计算生物量。样地基本情况见表1。

1.3 土壤理化性质测定

土壤物理性质采用“环刀法”测定，在各样地内通过土壤剖面，将0~100 cm深的土壤，每20 cm为一层采集环刀，将环刀带回试验室。用浸泡法和烘干法测定土壤容重和土壤孔隙度^［13］。土壤化学性质测定时，将土壤剖面的每一层土壤取样均匀混合，用保鲜袋盛装带回试验室，将土样自然风干^［14］。土壤全碳质量分数和全氮质量分数采用C—N元素分析仪测定^［15］，土壤全磷质量分数采用钼酸盐比色法测定^［16］，土壤有机碳质量分数采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定^［17］，土壤铵态氮质量分数和硝态氮质量分数采用KCI浸提-连续流动自动分析仪测定^［18］，土壤速效磷质量分数采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定^［19］。土壤理化性质结果见表2和表3。

1.4 数据处理

本研究运用线性拟合回归分析造林密度、地形与刺槐生长的关系、刺槐生长与生物量的关系，运用Person相关性分析土壤理化性质与刺槐生长的关系，用Canoco5.0进行冗余分析（redundancy analysis，RDA），分析各影响因子对刺槐生长的影响。使用Excel 2021进行数据处理，使用Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 刺槐生长与造林密度、地形的关系

由图1可知，通过刺槐生长指标与造林密度、地形因子的线性回归拟合发现，胸径与密度极显著相关（P<0.01），胸径随造林密度的增大呈减小趋势，胸径与地形的相关性不显著（P>0.05）。树高与密度显著相关（P<0.05），树高随造林密度的增大呈减小趋势，树高与地形的相关性不显著（P>0.05）。冠幅与密度显著相关（P<0.05），冠幅随造林密度的增大呈减小趋势，冠幅与坡度显著相关（P<0.05），冠幅随坡度的增加呈减小趋势，冠幅与海拔、坡向的相关性不显著（P>0.05）。

2.2 刺槐生长与土壤理化性质的关系

由表4可知，刺槐胸径与土壤铵态氮质量分数显著相关（P<0.05），胸径随土壤铵态氮质量分数增加呈增大趋势。树高与土壤全磷质量分数极显著相关（P<0.01），树高随土壤全磷质量分数增加呈增大趋势。冠幅与土壤全磷质量分数极显著相关（P<0.01），与毛管孔隙度、土壤有机碳质量分数、土壤铵态氮质量分数显著相关（P<0.05），刺槐冠幅随着土壤全磷质量分数、毛管孔隙度、土壤有机碳质量分数、土壤铵态氮质量分数的增加而增大。

2.3 地形因子与土壤理化性质的关系

由表5可知，土壤全氮质量分数与海拔极显著相关（P<0.01），土壤全氮质量分数随海拔升高呈减少趋势。土壤毛管孔隙度、总孔隙度与海拔显著相关（P<0.05），随海拔升高呈增大趋势。土壤全磷质量分数与坡度极显著相关（P<0.01），土壤全磷质量分数随坡度增大呈减少趋势。土壤有机碳质量分数与坡度显著相关（P<0.05），土壤有机碳质量分数随坡度增大呈减少趋势。土壤全磷质量分数与坡向显著相关（P<0.05），土壤全磷质量分数随坡向增大呈减少趋势。

2.4 造林密度和环境因子与刺槐生长的相关性

由表6可知，刺槐生长指标与各影响因子冗余分析结果中，解释率为87.10%，前2个排序轴的累计解释率为86.98%，因此，采用前两轴的数据作冗余分析排序图，如图2所示。由图2可知，刺槐胸径、冠幅、树高与土壤全磷质量分数、土壤铵态氮质量分数、土壤有机碳质量分数、毛管孔隙度、总孔隙度、海拔呈正相关，其中，刺槐胸径、冠幅、树高与土壤全磷质量分数、土壤铵态氮质量分数的相关性较强。刺槐胸径、冠幅、树高与造林密度、土壤硝态氮质量分数、坡度呈负相关，与造林密度的相关性最强。刺槐生物量与海拔、土壤全磷质量分数、土壤铵态氮质量分数等呈正相关，与土壤硝态氮质量分数、土壤速效磷质量分数等呈负相关。由表7可知，土壤速效磷质量分数的解释率最大，为16.0%，土壤毛管孔隙度和铵态氮质量分数的解释率也较大，分别为15.0%和14.1%。从显著性结果来看，土壤毛管孔隙度和全氮质量分数对刺槐生长的影响显著（P<0.05）。综合来看，土壤毛管孔隙度是影响刺槐生长的最主要因素。

3 讨论

刺槐的胸径、树高和冠幅均与造林密度呈显著负相关。该结论与吴多洋等^［20］的研究结果一致。随着造林密度的增加，刺槐个体的生长受到显著抑制，这可能与高密度下的植物间竞争加剧有关。在高密度的林地中，刺槐个体之间的光照、水分和养分竞争更加激烈，从而限制了个体的生长^［21］。具体而言，高密度条件下，刺槐树木的胸径和树高因资源匮乏而降低，而冠幅的减小则可能是由于光照不足导致的枝条生长受限^［22］。研究还发现，刺槐的冠幅与坡度呈显著负相关性。这与焦醒等^［23］的研究结果相似，其研究认为坡度显著影响刺槐生长，刺槐生长量随坡度的增大而下降。可能的原因是，随着坡度增大，坡面水土流失加剧，土壤水分和养分的流失会对刺槐的生长造成不利影响^［24］。此外，较大的坡度也可能导致土壤结构的变化，如土壤的紧实度增加、孔隙度减小等，从而进一步限制了根系的扩展和养分的吸收能力^［25］。

土壤全磷质量分数和土壤铵态氮质量分数与刺槐的胸径、冠幅、树高均呈现较强正相关性。该结论与Moshki等^［26］的研究结果一致。磷是植物生长必需的重要营养元素，特别在根系发育和能量转移过程中发挥着关键作用^［27］。土壤全磷质量分数较高，刺槐的根系能够更有效地吸收养分，促进树木整体生长。铵态氮作为一种速效氮源，能够迅速被植物吸收利用，促进叶片的光合作用和枝条的快速生长^［28］。但是，造林密度与刺槐的胸径、冠幅、树高均呈现较强的负相关性。密度过高导致林木对水分和养分的竞争更加激烈，使土壤中的养分利用效率下降^［29］。在这种情况下，尽管土壤中的全磷和铵态氮质量分数较高，但由于林木密度过大，个体对资源的获取不足，导致整体生长受到限制。

地形因子在塑造土壤理化性质方面起着重要作用^［30］。本研究发现，土壤全氮质量分数与海拔之间存在极显著的负相关关系。该结论与张世昌等^［31］的研究结果一致。这可能是由于高海拔地区气温较低，土壤微生物活动减弱，导致氮素矿化速率降低，进而减少了土壤中的全氮质量分数^［32］。此外，土壤毛管孔隙度和总孔隙度与海拔显著正相关，这可能与高海拔地区土壤湿润、有机质质量分数较高以及土壤结构发育良好有关^［33］。研究表明，土壤全磷质量分数与坡度和坡向均存在显著的相关关系。这与赵文东等^［34］的研究结果相似。随着坡度的增大，土壤侵蚀加剧，导致磷元素流失，进而降低了土壤中的全磷质量分数^［35］。同时，坡向的变化也可能影响土壤的温度、湿度和光照条件，从而影响土壤磷元素的转化和有效性^［36］。此外，土壤有机碳质量分数与坡度也呈显著负相关，这同样可能与土壤侵蚀导致的养分流失有关^［37］。

本研究还发现，土壤毛管孔隙度是影响刺槐生长的主要因素。毛管孔隙度不仅影响土壤的持水能力，还影响土壤的通气性和根系生长环境。良好的毛管孔隙度有助于刺槐根系吸收水分和养分，同时保持土壤的通气性，为根系提供适宜的生长条件^［38］。因此，在造林实践中，应注重改善土壤结构，提高土壤毛管孔隙度，以促进刺槐的生长。

本研究揭示黄河流域刺槐林的生长特征与造林密度及环境因子之间的关系。这些结果为区域生态恢复和植被管理提供重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探讨其他环境因子，如气候变化、土壤微生物活动等，对刺槐生长的长期影响，以全面提升黄河流域的生态系统健康与可持续发展。

4 结论

土壤毛管孔隙度是刺槐生长的最主要影响因素。刺槐的胸径、树高、冠幅随密度增大而减小，刺槐的冠幅与坡度呈显著负相关。土壤理化性质对刺槐生长具有显著影响。胸径随土壤铵态氮质量分数增加呈增大趋势；树高随土壤全磷质量分数增加呈增大趋势，说明土壤全磷对刺槐的垂直生长具有促进作用；冠幅随着土壤全磷质量分数、毛管孔隙度、土壤有机碳质量分数、土壤铵态氮质量分数的增加而增大。地形因子通过影响土壤理化性质，进而对刺槐的生长产生显著影响。

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基金资助

国家重点研发计划(2016YFC0503702)

2022年陕西省高等教育教学改革研究（22J21）