冀东滨海盐碱地造林密度对白榆生长和土壤理化性质的影响

蔺 鑫，李 想，王安宁，李玉灵*，王玉忠，李晓刚

河北省东部，渤海湾西岸的滨海平原北起曹妃甸，南至黄骅市［1］，属于滨海湿润-半湿润海水浸渍盐渍区，其盐碱土和地下水中盐分主要来自海水，土壤由盐渍淤泥发育而来，盐分积累过程先于成土过程，盐分含量高、分散性强、低洼易涝、脱盐困难，造成土地生产力十分低下［2］。其中冀东沧州地区盐碱地不仅具有上述特点，且地下水埋深，农作物难以生长，以致绝大部分土地长期处于荒芜状态。目前，该区域盐碱荒地总面积21.3万hm2，占该地区耕地总面积33.6%，呈连片分布。随着“京津冀”一体化的提出与发展，以及人民生活水平的提高对滨海生态环境状况提出更高的要求，对这些大面积长期闲置的滨海盐碱地的治理和改良利用，现已成为河北省急需解决的困难［3-4］。对盐碱地治理的根本途径在于恢复植被［5］。密度是影响林分生长(树高、材积、胸径)和林分稳定性的重要因子，揭示其对林木生长的作用规律以及通过人为干扰措施，使林木处在最佳密度下生长，一直都是森林经理学中的重要研究任务之一。但目前有关林分密度与土壤之间的关系研究，几乎全部集中于研究不同林分密度对土壤水文效应的影响，而与土壤结构、养分等非水文特性之间的相互关系则极少［6-8］。

白榆(Ulmus pumila)是华北地区重要的乡土树种［9］，生长快、材质好、适应性强，特别是耐盐碱、抗寒、抗旱、耐瘠薄，同时，对烟和有毒气体也有较强抗性。此外，白榆还有一定的经济价值，树皮所含纤维非常坚韧，高达16.14%，可代麻用，制绳索、麻袋或人造棉。

本研究选择白榆为研究对象，在冀东滨海盐碱地上进行不同密度植苗造林试验，揭示造林密度对盐碱地上白榆生长的影响和对盐碱地土壤理化性质的改良作用，确定盐碱地上白榆造林的适宜密度，为盐碱地造林并进一步构建生态经济型造林模式，促进盐碱地改良等生态环境建设提供技术支撑与理论依据［10］。

1 研究区概况

试验地位于河北省沧州市盐山县小营乡许庄子村(37°49'－38°06'N，116°56'－117°30'E)，属暖温带半湿润季风气候，光、热资源充足，年平均气温17.1℃，全年≥10℃的天数为246 d，活动积温5 380℃，降雨788 mm，无霜期为285 d。试验地土壤由红土、黏土构成，地下水矿化度较高，土壤全盐含量1.98‰～10.73‰。境内植物稀少，造林前试验地是以稀少乡土草本植物芦苇(Phragmites australias)和碱蓬(Suaeda glauca)构成的盐碱撂荒地。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验所用树种为白榆，所选苗木均为根系发达、枝叶强壮的两根一干苗(2年生苗)。试验采取植苗造林，共设置3个密度梯度，即株行距分别为高密型(1 m×4 m)、中密型(2 m×4 m)、稀疏型(3 m×4 m)。其中1 m×4 m和2 m×4 m两个水平均栽植4行，3 m×4 m水平栽植2行，小区外围设置1列(行)保护行。试验地总面积约1 hm2。

2015年春季，先进行开沟处理，开沟深度为80～100 cm，将下层坚硬有黏层的土壤翻到土壤表层，并在沟底铺一层10～20 cm厚的麦秆与杂草粗粉碎末，最后栽植苗木。

2.2 植物生长情况调查

2016年8月，对各造林密度下存活的全部苗木进行每木检尺，测量树高和胸径。根据每木检尺结果，选取标准株3株，采用全收获法测定生物量［10］。

2.3 土样采集

2016年8月，植物生长情况调查后，在各造林密度下沿行间、树木周围随机设3个取样点，同时，在对照空地也随机设置3个取样点，挖取60 cm深土壤剖面。每10 cm为一层，分别用环刀、土壤自封袋采集一定量土样，进行编号后带回实验室，测定理化性质。

采用环刀法［11］测定土壤容重、孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)、自然含水量及持水量(田间持水量、毛管持水量)。

将土壤自封袋内所采集土样放于室内阴干，全部过20目筛，取一定量的样品测定化学性质各指标。土壤全盐含量按1∶5的土水比例浸提测定［12-13］，pH值采用pH计测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法-外稀释法测定;全N含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，全P含量采用碱溶钼蓝比色法测定，速效磷含量采用0.5 mol·L－1NaHCO3浸提钼蓝比色法测定;全K含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定，速效钾含量采用2 mol·L－1HNO3溶液浸提-火焰光度法测定。

2.4 数据处理

利用Excel 2010和SPSS V 17.0统计软件对数据进行方差分析，比较不同造林密度下各项指标的差异显著性，用Duncan法进行多重比较(α=0.05)。采用模糊数学隶属函数分析法，对3种造林密度土壤肥力改良效果综合评价，肥力综合指标值计算方法如下［14］。

2.4.1 各指标的隶属函数值 毛管持水量、有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K与土壤改良效果呈正相关，则:

容重、EC、pH与土壤改良效果呈负相关，则:

式中，X(u)为各密度下某一指标的隶属函数值，X为各密度下某一指标的测定值，Xmax为所有密度下该指标的最大值，Xmin为所有密度下该指标的最小值。

2.4.2 累加每个密度 各个指标的隶属函数值，计算其平均值，根据各密度平均值大小确定土壤改良效果。

3 结果与分析

3.1 造林密度对林木生长的影响

由表1可以看出，白榆的胸径、地上生物量和地下生物量均在中密型密度下最大，分别达到29.13 mm、1 604.2 g 和 519.8 g。对于根冠比，同样是在中密型密度下最大，这说明中密型造林密度下白榆地上、地下2部分养分分配较均衡，生长较协调，长势比其他2密度较好。通过不同密度对土壤理化性质改良效果分析，中密型密度白榆长势好，多数是因为中密型密度对土壤改良作用最好，土壤又反过来为该密度下白榆生长提供了良好的生存环境。而其他2密度白榆长势较差的原因，可能是盐碱地本身养分贫瘠，不利于植物生长，而高密型密度过大，林木个体间在光照、土壤养分等各方面存在资源竞争。因此，仅就植物生长情况而言，中密型密度可作为盐碱地改良的适宜造林密度。

表1 不同造林密度林地植物生长情况Table 1 Plant growth in different planting density treatments

3.2 造林密度对土壤理化性质的影响

3.2.1 物理性质 表2为不同造林密度下0～60 cm层土壤自然含水量。不同密度及CK间比较时，土壤自然含水量平均值在CK最小，随造林密度增大而逐渐增大，高密型和中密型分别达到22.78%和22.52%;此外，在30～40 cm 层，高密型和中密型自然含水量均显著＞CK(P＜0.05)。可见相对高密度造林对盐碱土壤自然含水量的提高作用优于低密度。同一密度的不同土层间比较时，3种密度土壤自然含水量均在0～20 cm表层较低，随土层深度的增加而增大，这可能由于夏季温度高，造林后植被增多，促使蒸发散量较大所致。

表3为不同造林密度下0～60 cm层土壤持水量状况。可以看出，CK土壤持水能力较差，而各造林密度下不同土层的3种持水量多数较CK相同土层都有提高，且2种持水量均有随造林密度的增大而增大的趋势。其中，高密型和中密型2种持水量指标平均值均显著＞CK(P＜0.05)，特别是田间持水量，高密型和中密型不仅明显＞CK(P＜0.05)，且显著高于稀疏型密度(P＜0.05)，分别为 25.79%和 25.55%。此外，在30～40 cm这一土层，高密型和中密型2密度的田间持水量和毛管持水量也均显著＞CK(P＜0.05)。可见，相对高密度造林可显著提高盐碱地土壤持水量能力。同一密度的不同土层间比较时，稀疏型密度的2种持水量均在0～10 cm层较低，随深度增大逐渐增大，且不同土层间存在显著差异(P＜0.05);而高密型和中密型2密度2种持水量在不同土层间均无显著差异(P＞0.05)，且无明显变化规律。

表2 不同造林密度林地土壤自然含水量Table 2 Soil natural water capacity in different planting density treatments

表4为不同造林密度下0～60 cm层土壤孔隙状况。相关研究表明［16］，水气关系协调、结构良好的土壤，总孔隙度在40%～50%，非毛管孔隙度＞10%，非毛管孔隙度与毛管孔隙度比例为0.50～0.25。表4可以看出，CK盐碱荒地土壤结构较差，总孔隙度多数＜40%，非毛管孔隙度仅3.57%，而各密度对土壤孔隙结构均有不同程度的改善。3种孔隙度平均值均在中密型下最大，且毛管孔隙度和总孔隙度均显著＞CK(P＜0.05)，分别达到 38.24%和42.11%。同一密度的不同土层之间，毛管孔隙度在各层间虽差异不显著(P＞0.05)，但有随土层深度增大先增大后减小的趋势，而非毛管孔隙度和总孔隙度不同土层间无明显变化规律。

3.2.2 化学性质 表5为不同造林密度下0～60 cm层土壤全盐含量。全盐含量是盐碱土壤分析中的重要指标，而在一定浓度范围内，土壤电导率与全盐含量呈正相关，可直接反映出混合盐的含量，同时土壤电导率测定具有操作简捷、速度快、精度高的优点。近年来，国内外许多学者直接采用电导率表示土壤全盐含量［17-19］。本研究中，CK全盐含量整体较高，最高达 1 381.0 μS·cm－1，而 3 种造林密度对土壤含盐量均有降低作用，平均值均显著＜CK(P＜0.05)，在 283.7～729.3 μS·cm－1。这说明植树造林对盐碱土壤盐分含量的降低作用非常明显，其原因可能一方面是植物本身对土壤中盐分的吸附和富集，另一方面盐分具有“盐随水来，盐随水去”的特点，造林后植被增加蒸发散增大，同时植物消耗及对土壤结构改良使地下水位降低的结果。同一密度的不同土层间比较，中密型密度土壤全盐含量有随深度增加而降低的趋势。

表3 不同造林密度林地土壤持水量Table 3 Soil moisture capacity in different planting density treatments

图1为不同造林密度下0～60 cm层土壤pH，可以看出，CK及各造林密度下土壤pH值＞8.00，在8.18～8.49之间。其中，CK 和高密型密度 pH 在各层均较高，而中密型和稀疏型2密度则较低，且平均值均明显低于CK和高密型密度(P＜0.05)(表6)，分别为8.29和8.23。同一密度的不同土层间，高密型和稀疏型2密度土壤pH随土层加深先增高后降低，中密型密度土壤pH值则随土层加深逐渐增大。

表4 不同造林密度林地土壤孔隙度Table 4 Soil porosity in different planting density treatments

高密型 0～10 36.30 aA 4.11 aA 40.41 aA 10～20 37.21 aA 3.43 aA 40.64 aA 20～30 37.72 aA 2.85 aA 40.58 aAB 30～40 37.72 aA 4.55 aA 42.27 aA 40～50 38.03 aA 3.84 aA 41.87 aA 50～60 36.16 aA 4.18 aA 40.34 aA平均值 37.19 AB 3.83 A 41.02 AB中密型 0～10 37.69 aA 3.36 aA 41.05 aA 10～20 38.17 aA 3.23 aA 41.39 aA 20～30 38.50 aA 3.77 aA 42.27 aAB 30～40 38.37 aA 3.63 aA 42.00 aA 40～50 38.64 aA 4.79 aA 43.43 aA 50～60 38.06 aA 4.45 aA 42.51 aA平均值 38.24 A 3.87 A 42.11 A稀疏型 0～10 34.94 aA 2.27 aA 37.21 aA 10～20 37.18 aA 2.14 aA 39.32 abA 20～30 36.98 aA 2.07 aA 39.05 abA 30～40 38.10 aA 2.68 aA 40.78 abcA 40～50 37.69 aA 4.21 aA 41.90 bcA 50～60 39.42 aA 3.97 aA 43.39 cA平均值 37.38 AB 2.89 A 40.28 AB CK 0～10 35.67 A 3.83 A 39.50 A 10～20 36.73 A 2.13 A 38.87 A 20～30 39.80 A 3.90 A 43.70 B 30～40 31.90 A 4.60 A 36.50 A 40～50 36.43 A 4.20 A 40.63 A 50～60 34.23 A 2.77 A 37.00 A平均值 35.79 B 3.57 A 39.37 B

表5 不同造林密度林地土壤全盐含量Table 5 Soil salt content in different planting density treatments

图2为不同造林密度下0～60 cm层土壤有机质含量。土壤有机质作为土壤的重要组成物质，是土壤养分的来源，直接关系到土壤肥力。不同造林密度下各层土壤有机质含量为 3.22～9.50 g·kg－1。CK有机质含量虽相对较高，但仅在0～20 cm显著高于稀疏型密度(P＜0.05)，与高密型和中密型2密度并未达到差异显著水平(P＞0.05)。3种密度相比，中密型密度不仅有机质含量的平均值最大，且10～50 cm 4层的有机质含量也均高于其他，特别是10～20 cm 层显著＞稀疏型密度(P＜0.05)。同一密度的不同土层间比较，各密度均无显著差异(P＞0.05)。

图1 不同造林密度林地土壤pHFig.1 Soil pH in different planting density treatments

表6 不同造林密度林地各化学性质指标平均值Table 6 The average of each index of chemical property in different planting density treatments

图3为不同造林密度下0～60 cm层土壤全N含量。整体而言，不同造林密度土壤全N含量均较低，为 0.17～0.29 g·kg－1，CK 相对较高。3 种密度间比较，土壤全N含量平均值在稀疏型密度下最大，为 0.23 g·kg－1，中密型密度次之，高密型密度最小，可能是因为盐碱地土壤养分贫瘠，本身N含量低，林木生长又需要消耗，且造林时间段，林木对其改良效果还未体现，而稀疏型密度植被少，消耗量小，导致土壤中遗留量大。不同土层间各密度全N含量均无显著差异(P＞0.05)。

图2 不同造林密度林地土壤有机质含量Fig.2 Soil organic matter contents in different planting density treatments

图3 不同造林密度林地土壤全N含量Fig.3 Soil total nitrogen contents in different planting density treatments

图4 为不同造林密度下0～60 cm层土壤碱解氮含量。整体而言，0～60 cm各层，CK碱解氮含量均较低，3种造林密度多数都＞CK。土壤碱解氮平均值在中密型造林密度下最高，达到23.03 mg·kg－1，且明显＞CK(P＜0.05)。同一密度不同土层间比较，3种造林密度均无明显变化规律。

图4 不同造林密度林地土壤碱解N含量Fig.4 Soil hydrolysis nitrogen contents in different planting density treatments

图5 为不同造林密度下0～60 cm层土壤全P含量。整体来看，0～60 cm各层中密型密度全P含量均最高，且各层均显著高于CK、高密型和稀疏型密度(P＜0.05)，最高达 0.76 g·kg－1。同样，中密型密度下全 P 含量平均值也最高，为 0.70 g·kg－1，亦显著高于CK、高密型和稀疏型密度(P＜0.05)。同一密度的不同土层间比较时，3种密度的不同土层间均无明显变化规律。

图5 不同造林密度林地土壤全P含量Fig.5 Soil total phosphorus contents in different planting density treatments

图6 为不同造林密度下0～60 cm层土壤速效磷含量。CK速效磷含量整体较高，在高密型密度最低仅0.24 mg·kg－1。同一土层下不同密度及CK间比较，土壤速效磷含量差异较大，但速效磷含量平均值有随密度增大而降低的趋势。高密型、中密型、稀疏型密度速效磷含量平均值分别为 0.81、1.20 mg·kg－1和 1.68 mg·kg－1。同一密度的不同土层间比较，3种密度土壤速效磷含量亦均变化较大，且无明显变化规律。

图6 不同造林密度林地土壤速效磷含量Fig.6 Soil available phosphorus contents in different planting density treatments

图7 为不同造林密度下0～60 cm层土壤全K含量。3种密度土壤全K含量均较高，且平均值均显著＞CK(P＜0.05)，其中中密型和稀疏型较大，高密型密度最低，为 12.80 g·kg－1。同一密度的不同土层间比较时，3种密度不同土层间虽均无显著差异(P＞0.05)，但各密度全钾含量均有随土层加深先降低后增加的趋势，3种密度都是在10～30 cm层最低。这可能是林木消耗利用所致，因白榆为浅根性树种，至调查时林木生长4 a，根系恰好分布在该范围内。

图7 不同造林密度林地土壤全K含量Fig.7 Soil total potassium contents in different planting density treatments

图8 为不同造林密度下0～60 cm层土壤速效K含量。3种造林密度各层土壤速效钾含量均＞CK，且在 10～20、20～30、40～50 cm，各密度与 CK 均达到差异显著水平(P＜0.05)。同时，3种密度土壤速效钾含量平均值也均明显＞CK(P＜0.05)，稀疏型密度最高达到 822.97 mg·kg－1，中密型密度次之。各密度的不同土层间均无明显变化规律。

图8 不同造林密度林地土壤速效K含量Fig.8 Soil available potassium contents in different planting density treatments

3.3 不同密度造林土壤肥力改良效果综合评价

在生产应用上，有机质与N、P、K等养分含量的高低通常用来衡量土壤肥力状况。本研究根据盐碱土壤特点，选取对植物生长发育影响较大的土壤容重、毛管持水量、全盐含量、pH、有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P及速效K，构成评价因子。因各评价因子有量纲，不可叠加，但可经标准化处理消除量纲差异。故本研究采用模糊数学隶属函数分析法，对3种造林密度及CK土壤进行综合肥力指标值计算，以评价对盐碱土壤的改良效果。

由表7可以看出，不同密度造林对土壤肥力改良状况不同，但各密度造林地土壤肥力综合评价值均＞CK，可见3种密度造林对盐碱土壤均有改良作用。其中中密型密度土壤肥力综合指标值最大，为0.560，稀疏型密度次之，高密型密度最小。说明中密型造林密度对盐碱土壤肥力改善作用最好，这可能是中密型密度林内光照等各生态因子适宜，植被增多，枯落物较厚，分解产生较多腐殖质，以及土壤一定程度改良后土壤微生物和动物增加，通过各种生物、非生物共同作用导致土壤有机物积累较多，肥力最高。

表7 不同密度造林地下土壤肥力指标综合评价指数Table 7 The comprehensive evaluation index of soil fertility in different planting density treatments

4 结论与讨论

4.1 结论

1)CK盐碱荒地土壤持水能力和孔隙结构性均差，而3种造林密度对各项物理性质指标均有改善，土壤自然含水量和3种持水量均随密度增大而增高，3种孔隙度指标平均值均在中密型密度下最大，且毛管孔隙度和总孔隙度显著＞CK(P＜0.05)。

2)3种造林密度对盐碱土壤pH和全盐含量均有降低作用，对土壤全K、速效钾、碱解氮、全P含量均有提高。其中中密型密度改善效果最好，pH、全盐含量和以上4种养分含量平均值均与CK有显著差异(P＜0.05)，特别是全P含量，中密型密度的0～60 cm各层整体均最高，不仅显著＞CK，且明显高于高密型、稀疏型(P＜0.05)。同一密度不同土层间各种养分含量基本均无无明显变化规律。

3)中密型密度白榆长势好于高密型、稀疏型。胸径、地上生物量、地下生物量和根冠比均在中密型密度下最大。仅就植物生长情况而言，中密型是盐碱地改良的适宜白榆造林密度。

4)3种造林密度对盐碱地土壤肥力均有提高作用，综合评价值均＞CK。中密型密度土壤肥力改善效果最好，土壤肥力综合指标值最大，为0.560，稀疏型密度次之。

综合考虑，就本研究结果而言，中密型密度白榆长势和对盐碱土壤理化性质改良均较好，是冀东滨海盐碱地改良的适宜造林密度。

4.2 讨论

结果显示，CK盐碱荒地0～60 cm层土壤3种孔隙度指标均较低，可见，对盐碱地土壤进行改良的必要性。而各密度造林对3种孔隙结构均有改善，这说明通过在盐碱地上植树造林，对盐碱土壤结构有明显改良作用。特别是中密型密度改善效果最好，3种孔隙度指标平均值均在该密度下最大，且毛管孔隙度和总孔隙度显著高于CK(P＜0.05)，分别达到38.24%和42.11%。表明中密型密度对盐碱地土壤结构性改良作用非常明显，且优于高密型密度和稀疏型密度。其原因可能是密度过大时，林木个体间存在竞争，且地下空间有限，从而限制了根系的分布，进而影响林木对土壤的改良作用;密度过小时，达不到土壤结构改良所需的要求，而中密型密度在各方面恰好适宜。另外，植苗造林时开沟处理对土壤有松动作用，同时造林后生物多样性增加，土壤动物和微生物活动增加，最终各种生物、非生物共同作用改良土壤，这也符合恢复生态学脆弱生态系统生态修复的原理。另外，中密型密度对盐碱土壤持水能力改善效果也较好，2种持水量均显著＞CK(P＜0.05)。可见，中密型密度对盐碱地土壤物理性质的改良作用非常明显［13］。

本研究中3种密度的土壤全K、速效K、碱解N、全P含量均＞CK，这无疑是林木对盐碱土壤的改良作用。但3种密度土壤有机质、全N、速效P含量则均＜CK，且全N、全K、速效P和速效K含量都有随密度增大而降低的趋势，这多数是因为盐碱土壤本身养分贫瘠，而植物又消耗利用，且造林时间较短，林木通过微生物分解其凋落物途径归还土壤养分，改良土壤的作用还不明显［17］。但随着时间的延长，林木对土壤的改良效果可能更显著。另外，本研究结果显示，中密型密度土壤全盐含量随深度增加而降低，而pH值则随土层加深逐渐增大，这可能因为深层土壤含水量较大，从而导致深层土壤中CO32－、HCO3－等强碱弱酸盐离子水解量增多，土壤中OH－离子浓度增加，pH增大，全盐含量逐渐下降。这也与上文土壤自然含水量在表层较低，随土层加深逐渐增大的变化规律相符，同时，也间接说明了中密型密度对土壤改良效果较好，土壤理化性质指标间已相互切合变化。

研究采用的是白榆纯林造林，通过研究结果可以看到改良效果也较好，但纯林造林具有容易诱发病虫害等潜在弊端。同时，白榆为浅根性树种，对深层土壤的改良亦存在一定局限。因此，今后可采用与白蜡(Fraxinus chinensis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等深根性树种，进行多树种及不同林龄混交造林模式，对盐碱土壤的改良效果可能更好。