科尔沁沙地南缘退化杨树人工林改造对土壤理化性质影响研究

Analysis of Physical and Chemical Properties of the Soil in the Artificial Forest on the Southern Edge of Horqin Sandy Land

摘要

为了解退化林改造对土壤理化性质的影响，以科尔沁沙地南缘敖汉旗退化杨树人工林为研究对象，设置樟子松和山桃林（PE）、云杉和家榆林（PU）、樟子松和杨树林（PP）3种混交改造模式及未改造模式（CK）4个处理为研究样地，分析和探讨科尔沁沙地退化杨树人工林改造对土壤理化性质的影响。研究表明：PE和PU改造模式相对PP模式对土壤理化性质有显著影响（P<0.05）。在不同土层深度，PE和PU组土壤容重显著低于CK组（P<0.05），而PE和PU组土壤孔隙度和土壤含水率均显著高于CK组（P<0.05）。3种混交改造模式随着土层深度增加，土壤氮含量下降趋势趋于平缓。不同土层深度PP组碱解氮含量显著高于CK组（P<0.05）；PE和PU组全碳含量高于CK组且PE组土壤全碳含量在40~60 cm最大；4个处理对土壤pH值和有效磷含量无显著影响（P>0.05）。随土层深度增加，4个处理土壤有机质含量均呈现下降趋势；除土层0~10 cm各组土壤有机质含量无显著差异（P>0.05），其他土层PE、PU和PP组土壤有机质含量均高于CK组。研究结果对森林生态系统土壤管理和退化植被恢复具有重要意义。

Abstract

To understand the impact of degraded forest transformation on soil physical and chemical properties， a study was conducted on degraded poplar plantations at the southern edge of the Horqin Sandy Land in Aohan Banner. Four experimental treatments were set up， i.e.， three mixed-planting transformation models（PE： Pinus sylvestris var.mongolica and Prunus persica， PU： Picea asperata and Caragana microphylla， and PP： Pinus sylvestris var.mongolica and Populus）， and a control （CK） without transformation. The study investigated and analyzed the effects of the transformation of degraded poplar plantations in the Horqin Sandy Land on soil physical and chemical properties. The results showed that the PE and PU transformation models had a significant impact on soil physical and chemical properties compared to the PP model （P<0.05）. At different soil depths， the soil bulk density of the PE and PU groups was significantly lower than that of the CK group （P<0.05），while the soil porosity and soil moisture content of the PE and PU groups were significantly higher than those of the CK group （P<0.05）.With the increase in soil depth，the trend of soil nitrogen content decline in the three mixed-planting transformation models tended to level off. The alkali-hydrolyzable nitrogen content of the PP group was significantly higher than that of the CK group at different soil depths （P<0.05）. The total carbon content of the PE and PU groups was higher than that of the CK group， and the total carbon content of the PE group was the highest at 40~60 cm. Soil pH and available phosphorus content were not significantly affected by the four treatments （P>0.05）.With the increase in soil depth， the soil organic matter content of all four treatments showed a decreasing trend， except for the 0~10 cm soil layer where there was no significant difference in soil organic matter content among the groups （P>0.05）， the soil organic matter content of the PE，PU， and PP groups was higher than that of the CK group in other soil layers. The research results are of great significance for soil management in forest ecosystems and the restoration of degraded vegetation.

关键词

科尔沁沙地 / 人工林 / 退化 / 改造 / 土壤理化性质

Key words

Horqin sandy land / Artificial forest / Degradation / Transformation / Soil physical and chemical properties

科尔沁沙地是我国北方典型的农牧交错区，也是“三北”建设工程的重点研究区域^［1］，由于受干旱多风等气候和“三滥”等人为活动影响，近些年生态环境发生了剧烈变化，土地沙化现象仍然突出^［2］。杨树人工林等生态系统退化较为严重^［3］，出现了大面积的退化人工林，立地条件差，林分生产力水平降低^［4］，对生态系统功能造成极为严重影响，对此修复退化人工林生态系统显得尤为重要^［5］。土壤是森林生态系统的重要组成部分，对维持环境质量及安全发挥着重要作用^［6］，直接或间接地影响林分的健康状况^［7］。土壤理化性质在维持植物生长和能量转化中具有关键作用^［8］，能够为揭示地上植被与土壤间相互作用和机理及调控森林结构、提高土壤肥力等提供科学依据^［9］。特别是在干旱半干旱区，土壤水分是陆地生态系统中水分循环、物质能量交换等过程的关键环节，是制约植物分布与动态变化的限制因子^［10-12］。土壤为林分供给水分及养分的能力受到土壤物理性质的直接影响，林木生长促进土壤的改良，降低土壤容重^［13］，土壤理化性质与许多外部因素有着很强的关联性^［14-15］，任启文等^［16］对小五台山18块土壤样地研究表明，高海拔地区土壤容重较低，而总孔隙度与海拔呈现正相关性，毛管孔隙度与海拔没有显著的相关性。陈传信等^［17］研究表明，土壤物理性质不但对土壤水分含量、湿度、温度和生物状况存在影响，还与植被营养物质的吸收效率和生长情况存在关联，是衡量土壤结构和评价土壤质量的关键指标。

本文对科尔沁沙地南缘退化杨树人工林及3种混交改造模式下土壤理化性质开展调查研究，重点分析和探讨了土壤容重、含水率、孔隙度、持水量、全碳、全磷、有效磷、全氮、有机质和pH值等指标动态变化，揭示了退化杨树人工林及不同改造模式下土壤理化性质的变化情况，拟为科尔沁沙地人工林建设和区域退化人工林恢复改造提供理论参考，为“科尔沁沙地歼灭战”及促进农牧业可持续发展等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古敖汉旗位于赤峰市东南部，东部与通辽市奈曼旗接壤，位于科尔沁沙地南缘。地理坐标位于41°42´-42°02´N、119°30´-120°53´E。总体地势为南高北低，海拔高度多为600~800 m，水土流失、风蚀危害比较严重。气候为大陆性气候，干燥少雨，年平均降水量310~460 mm，多集中在7~8月，年蒸发量2 000~2 600 mm，年平均气温5~7 ℃，最低温度-30.9 ℃、最高温度39.7 ℃。主要分布有棕壤、褐土、栗褐土、栗钙土、草甸土、沼泽土、风沙土等。南部为低山丘陵森林草原区，树种以白桦（Betula platyphylla）、蒙椴（Tilia mongolica）、榆树（Ulmus pumila）等为主；北部为风沙坨沼区，主要以柠条（Caragana korshinskii）、黄柳（Salix gordejevii）、沙蒿（Artemisia desertorum）等沙生植物为主，主要造林树种有小叶杨（Populus simonii）、柠条、羊柴（Corethrodendron fruticosum）、樟子松（Pinus sylvestris）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地的选取与分组

本试验样地选取退化杨树人工林的樟子松×山桃林（PE）、云杉×家榆林（PU）、樟子松×杨树林（PP）3种混交改造模式及未改造对照样地（CK）等4个处理。每组处理设置3个50 m×50 m的重复样地，样地基本信息如表1所示：

1.2.2 土壤样品采集处理

在每个样地内沿对角线设置3个采样点，每个采样点由上至下依照0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm 4层采集土壤样品，将同一样地、同一层次的土壤样品混匀成1份土壤样品，采用“四分法”取其中1份；同时使用体积100 cm³的环刀分层采集环刀样品。将混合均匀的土样和环刀土样装入塑封袋并做好标记带回实验室。混合均匀的土样晾干后去除植物根系和杂质，研磨后过0.15 mm以及2 mm筛子筛选，随后装入塑封袋，用于土壤理化性质的测试与分析。

1.2.3 室内样品测试与分析

1）土壤容重测定

将环刀土壤样品放入铝盒之内，置于105 ℃的恒温烘箱中烘干至恒重，称取干重。具体公式如下：

V=\frac{g_{\mathrm{1}}-g_{\mathrm{0}}}{v}（1）

式中：V表示土壤容重（g/cm³），g₁表示环刀干土重，g₀表示环刀重，v表示环刀的体积（cm³）。

2）土壤含水率测定

将环刀土样置于105 ℃烘箱烘干并反复称量至恒重，具体公式如下：

W=\frac{g_{\mathrm{2}}-g_{\mathrm{1}}}{g_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

式中：W为土壤含水率（%），g₂为土壤鲜重（g）；g₁为土壤干重（g）。

3）土壤孔隙度测定

采用环刀法进行测定，土壤比重取2.65 g/cm³计算，具体公式如下：

N=\mathrm{1}-\frac{V}{\mathrm{2.65}}（3）

式中：N表示土壤孔隙度，V表示土壤容重（g/cm³）。

4）土壤全氮含量测定

采用半微量凯氏定氮法测定，将消化液定量转入蒸馏瓶中，沿瓶内壁加入同比例水和所需实验成分，再用硫酸标准溶液滴定。具体公式如下：

\omega \left(\mathrm{N}\right)=\frac{C(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}})(V-V_{\mathrm{0}})\times \mathrm{14.0}}{m}（4）

式中：ω\left(\mathrm{N}\right)表示土壤全氮含量（g/kg），V表示滴定样品1/2硫酸标准溶液体积（mL），m表示烘干土壤质量（g），V₀表示空白试验所用1/2硫酸标准溶液体积（mL），C表示0.010 0 mol/L（1/2H₂SO₄）标准溶液；14.0 g/mol表示氮元素\left(\mathrm{N}\right)的摩尔质量。

5）土壤全碳含量测定

采用干烧法利用元素分析仪测定全碳含量：

\omega \left(\mathrm{C}\right)=\mathrm{100}\times \frac{T\times V}{m}（5）

式中：ω\left(\mathrm{C}\right)表示土壤全碳含量（g/kg），m为称样量（g），T为滴定液对碳的滴定度（g/mL），V为所用滴定液的体积（mL）。

6）土壤全磷含量测定

采用酸溶-钼锑抗比色法测定，在酸性条件下让土壤中的磷酸与钼酸铵发生反应，从而生成黄色钼酸铵膦酸盐，并通过分光光度计测定其吸光度来计算土壤中磷含量。具体公式如下：

\omega \left(\mathrm{P}\right)=\frac{\rho \times V\times t}{W\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{6}}}\times \mathrm{100}（6）

式中：\omega \left(\mathrm{P}\right)表示土壤全磷含量（g/kg），W表示土样重量（g），ρ为标准曲线查得的磷质量浓度（mg/L），V为待测液体积（L），t为分取倍数。

7）土壤有机质的测定采用重铬酸钾-外加热法；土壤pH值的测量运用电极电位法检测（水∶土=1∶1）。

1.2.4 数据处理

数据处理采用Microsoft Excel 2010进行初步整理和计算，应用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析（ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质分析

2.1.1 土壤容重垂直变化

不同试验处理样地土壤容重分析结果如表2所示。土层深度0~10 cm，CK和PE组土壤容重显著高于PU和PP组（P<0.05），PU组土壤容重值最低；土层深度10~20 cm和20~40 cm，CK和PP组土壤容重显著高于PE和PU组（P<0.05）；土层深度20~40 cm，土壤容重从高到低依次为PP、CK、PE和PU组，且不同处理容重差异显著（P<0.05）。CK和PU组土壤容重均随土层深度增加而降低；土层深度40~60 cm，土壤容重显著低于其余深度（P<0.05）；PU组土壤容重在40~60 cm最低，显著低于其余深度（P<0.05）；PP组土壤容重呈现先上升后下降趋势，土层深度20~40 cm显著高于其余各组（P<0.05）；PE和PU组在不同土层深度土壤容重显著低于CK（P<0.05）。

2.1.2 土壤孔隙度垂直变化

不同试验处理样地土壤总孔隙度分析结果如表3所示。0~10 cm土层各组土壤总孔隙率均无显著性差异（P≥0.05）；土层深度10~20 cm，PE和PU组孔隙度显著大于PP和CK组（P<0.05）；4个处理土壤总孔隙度随深度的增加均无显著性差异（P≥0.05）；PE和PU组在不同土层深度总孔隙度高于CK组。

不同实验处理样地土壤毛管孔隙度分析结果见表4。4个实验处理不同土层土壤毛管孔隙度均不存在显著差别（P≥0.05）。此外，CK以及PE组的土壤毛管孔隙度随着土层深度的增加，也均未表现出显著差异（P≥0.05）；PP组在土层0~10 cm时土壤毛管孔隙度最大。

不同试验处理样地土壤不同层次非毛管孔隙度分析结果如表5所示，土层深度0~10 cm，土壤非毛管孔隙度均无显著性差异（P≥0.05）；在不同土层深度，PE和PU组土壤非毛管孔隙度显著高于对照组CK（P<0.05）；PP和CK组土壤非毛管孔隙度无显著差异（P≥0.05）。

2.1.3 土壤含水率垂直变化

不同试验处理样地不同土层最大持水量分析结果如表6所示。土层深度0~10 cm，PU和PP组土壤最大持水量显著高于CK组（P<0.05）；4个试验处理土壤最大持水量随土层深度的增加呈现出先降低后增加的趋势；在不同土层深度，PE与PU组土壤最大持水量均显著高于CK组（P<0.05）。

不同试验处理样地土壤最小持水量分析结果如表7所示。土层0~10 cm，PP组土壤最小持水量明显高于CK组（P<0.05）；在10~20 cm，PE组土壤最小持水量明显高于CK组（P<0.05）；在20~40 cm，PP 组土壤最小持水量明显低于其他组（P<0.05）。在40~60 cm，PE、PU组土壤最小持水量显著高于PP和CK组（P<0.05）；在不同土层深度，PU组的土壤最小持水量高于CK组。

不同土层毛管持水量分析结果如表8所示。土层0~10 cm，PU、PP组土壤毛管持水量明显大于CK组（P<0.05）；在10~20 cm时，PE和PU组土壤毛管持水量明显高于CK组（P<0.05）；在不同土层深度，PE和PU组土壤毛管持水量显著大于CK组（P<0.05）。

2.2 土壤化学性质分析

2.2.1 土壤全氮含量垂直变化

土壤中的氮元素是植物生长的关键元素，全氮含量是土壤中各类氮含量的总和，是衡量土壤营养供给的重要参量。不同试验处理土壤全氮含量结果分析如表9所示。土层深度0~10 cm，PE组土壤全氮含量明显高于CK组（P<0.05）。随着土壤深度的增加，CK组相对PE、PU和PP组土壤全氮含量呈明显下降趋势（P<0.05）；在不同土层深度，PE、PU和PP组土壤全氮含量显著高于CK组（P<0.05），其中PE和CK组在不同土层深度全氮含量的差异最为明显（P<0.05）。

碱解氮能反映土壤的供氮能力，能够准确反映出土壤氮素的供应情况。4个试验处理不同土层深度碱解氮含量分析如表10所示。土层深度0~10 cm，PP组土壤碱解氮含量显著高于CK组（P<0.05），PE、PU组土壤碱解氮含量显著低于CK组（P<0.05）。PE组在不同土层深度差异显著（P<0.05），可能与退化林不同改造模式对土壤层扰动和林木不同配置模式有关。不同土层深度PP组碱解氮含量显著高于CK组（P<0.05）。

2.2.2 土壤全碳含量垂直变化

不同试验处理土壤全碳含量分析结果如表11所示。土层深度0~10 cm，PP组土壤中全碳含量显著低于CK组（P<0.05）；土层深度40~60 cm，PE和PP组土壤全碳含量显著高于CK和PU组（P<0.05），且CK与PU组无显著性差异（P≥0.05）。土层深度40~60 cm，PE组全碳含量显著高于PU、PP和CK组（P<0.05），且PE组全碳含量在土层40~60 cm最大。PE组土壤全碳含量随土层深度增加有显著增加的趋势（P<0.05），而PP组呈现出先降低后增加的趋势。在不同土层深度，PE和PU组全碳含量高均于CK组。

2.2.3 土壤全磷含量垂直变化

磷元素是林分生长发育不可或缺的元素之一，在植物体的组织发育、蛋白质合成和能量转化中发挥着关键作用，对植物生长有着重要意义。不同试验处理土壤全磷分析结果如表12所示。随着土层深度增加，PE、PU和PP组的全磷含量呈明显降低的趋势（P<0.05）。在不同土层深度下，4个处理土壤全磷含量无明显差异（P≥0.05）。

不同试验处理土壤有效磷分析结果如表13所示。试验处理土壤有效磷含量随不同土层深度增加呈现出先降低后升高的趋势。在土层10~20 cm和20~40 cm时，PE、PU和PP组土壤有效磷含量均显著高于CK组（P<0.05）。

2.2.4 土壤pH值垂直变化特征

土壤pH值是考察土壤理化性质的重要指标，与植物吸收土壤养分效果有较高的相关性，能够有效影响土壤肥力。不同试验处理土壤pH值分析结果如表14所示。土层深度0~10 cm，PE和PP组土壤pH值显著高于CK组（P<0.05）；除PU与CK组无显著性差异外（P≥0.05），PE和PP组相对CK组pH值有显著上升的趋势（P<0.05）。

2.2.5 土壤有机质含量垂直变化

不同试验处理土壤有机质含量分析结果如表15所示。土壤有机质大量储存在土壤表层（0~20 cm）， PP组土壤有机质最高。土层深度40~60 cm，CK组土壤有机质含量明显低于PE、PU和PP组（P<0.05）。随土层深度增加，4个处理土壤有机质含量均呈现下降趋势；除土层0~10 cm各组土壤有机质含量无显著差异外（P≥0.05），其他土层PE、PU和PP组土壤有机质含量均高于CK组。

3 讨论与结论

3.1 讨论

4种不同改造模式对土壤的物理性质有显著影响，樟子松和山桃林（PE）、云杉和家榆林（PU）混交模式的土壤容重均显著低于退化杨树人工林（CK），表明退化杨树人工林土壤密度大，透气性差，林分的改造促进了土壤团粒结构的形成，因而降低了容重。土壤容重作为衡量土壤物理性质的重要指标，反映土壤压实程度，在很大程度上影响土壤透气性和持水能力，对树木根系的生长有显著影响^［18］。土壤孔隙度衡量土壤的贮水性能和肥力水平^［18］，关系着植物生长环境及土壤的水分状况^［19］。樟子松和山桃林（PE）、云杉和家榆林（PU）混交模式的总孔隙度和最大持水量均显著高于退化杨树人工林（CK）。本研究中，PE和PU组混交模式的总孔隙度和最大持水量均显著高于CK组，且与PE和PU组混交模式的土壤容重均显著低于CK组相对应，表明混交模式改造降低土壤紧实度并增加孔隙度，从而提升土壤持水能力。CK组容重高，土壤更为紧实，水分入渗与贮存条件受限，导致土壤含水率相对偏低且保水保肥能力较弱，不利于退化人工林恢复。不同林分改造模式与土壤容重、含水率与孔隙度之间密切相关^［20］。有研究表明，通过对林分改造，改良了土壤结构，树木根系可以吸收深层土壤水分，促进了植被恢复，并进一步稳定了土壤水分，避免水分流失^［21］，与本文结果一致。

退化林改造促进了土壤的化学性质的改善，退化杨树人工林（CK）土壤全氮及土壤有机质含量均随土层厚度增加呈明显下降趋势，而混交改造模式下的土壤全氮及土壤有机质含量下降的趋势均趋于平稳，这是因为退化林通过混交改造改善了林下微环境，显著提高了林下植被生物量和凋落物产量，有效促进了凋落物分解和植被恢复，促进了土壤养分积累，林分改造提高了生态效益^［22］。樟子松和山桃林（PE）、云杉和家榆林（PU）混交改造模式的土壤全碳含量均显著高于退化杨树人工林（CK），不同处理对土壤全磷含量和pH无显著影响。林分混交改造对土壤碳含量影响显著，提升了土壤养分^［23］，这与张浩等^［24］对人工林改造提高林分土壤碳含量，土壤碳含量在改善土壤稳定性与土壤肥力中具有重要潜力的研究结论一致，而pH值和有效磷的含量对林分改造及物种多样性变化影响较小^［25］。林分改造改善土壤有机质的积累，有利于促进土壤肥力以及生态系统的稳定^［26］。

3.2 结论

1）科尔沁沙地退化杨树人工林PE及PU组改造显著减缓土壤肥力退化，有效优化土壤保水及透气能力，PE及PU组土壤容重在不同土层深度显著低于CK组（P<0.05），而PE及PU组的土壤孔隙度及土壤含水率在不同土层深度显著高于CK组（P<0.05）。

2）随土层深度增加，PE、PU改造的土壤全氮和PU改造的土壤有机质含量相对稳定，PE及PU组土壤全碳含量均显著高于CK组（P<0.05），CK组土壤全氮和有机质含量均呈明显下降趋势（P<0.05）。

3）不同改造处理对土壤pH值和有效磷含量无显著影响（P≥0.05）。研究结果对退化森林生态系统的管理、植被恢复与重建具有重要意义。

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基金资助

内蒙古自治区科技计划项目(2022YFDZ0030-01)

内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(BR251008)