姬生勛，劉玉濤，董 智，李紅麗，劉 振

(山東農業(yè)大學林學院/山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室/泰山森林生態(tài)站，山東泰安271018)

土壤風蝕是干旱、半干旱以及部分半濕潤地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災害的首要環(huán)節(jié)，也是世界上許多國家和地區(qū)的主要環(huán)境問題之一[1]。山東魯西北地區(qū)因歷史上黃河頻繁改道與決口泛濫，形成多條故道與大面積的黃泛沖積平原，因其風沙化嚴重而被聯(lián)合國列為高度荒漠化威脅區(qū)[2]。莘縣位于魯西平原，屬莘縣-冠縣-臨清-夏津-陵縣故道形成的故道風沙區(qū)，區(qū)內沙物質沉積豐富，在春、秋、冬季，風沙吹揚嚴重，土壤風蝕明顯、土地沙化普遍，是聊城市中、強度侵蝕集中分布區(qū)[3]。土地風沙化給區(qū)域人民群眾的生產和生活帶來極大的危害。為防治風沙危害，該區(qū)域開展了以林為主的人工防護林、農林復合經營與速生豐產林等林業(yè)生態(tài)建設工程。近年來，許多學者就黃泛平原區(qū)林業(yè)建設模式、更新、楊樹人工林無性系蒸騰特性、改善小氣候效應、土壤水文效應、改良土壤效應、經濟效益及農林間作增產效應等進行了研究[4-9]。然而針對林地土壤風蝕及其理化性質隨造林時間延長而變化的研究較為少見。很多地區(qū)在造林時并未進行土壤風蝕及理化性質的測定，這也給研究不同造林時間對造林地土壤風蝕及理化性質的影響造成了困難。基于此，本文采用空間替代時間法，研究不同造林年限的人工林地對土壤風蝕及理化性質的影響，同時就各造林地內行間與樹下各參數(shù)的變化進行研究，以期揭示造林時間長短對土壤風蝕狀況和土壤理化性質的影響，為林地的合理經營及防沙治沙提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于莘縣西北部，處于莘縣、冠縣和大名縣三縣交界處，總面積83 km2。研究區(qū)屬溫帶亞濕潤季風性大陸氣候，春秋季干燥多風，夏季降水集中，冬季寒冷干燥多風。多年平均氣溫13.2℃，平均降水量為545 mm，年均風速3.4 m/s。研究區(qū)屬黃河沖積平原，土層深厚，土地風沙化嚴重，冬春季極易引起土壤風蝕和揚沙現(xiàn)象。土壤類型為褐化潮土，土壤養(yǎng)分含量低。由于地力貧瘠，該區(qū)大部分以花生、小麥、玉米等作為主要種植作物，并實行一年一作制，冬春季有大量裸露土地出現(xiàn)。該區(qū)曾是聯(lián)合國2606造林項目建設區(qū)，也是楊樹防護林與速生豐產林的主要建設區(qū)，區(qū)內有不同造林年限的楊樹人工林地。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

在詳細調查研究區(qū)土壤、造林年限及造林前土地利用方式的基礎上，分別選定土壤類型一致、造林前利用方式相同或相近的1 a造林地、3 a造林地，5 a造林地和8 a造林地為研究對象。各造林地均為片林，各林地的具體狀況見表1。

表1 各造林地具體狀況表

2.2 土壤風蝕測定

在各樣地內，沿對角線分別選擇5 m×10 m的樣方各5塊，于2009年10月30日在樣方內按1 m×2 m的規(guī)格設置測釬，測釬頂端距地面高度為1 cm，每月30日測量測釬頂端距地面的高度，直至2010年4月30日止;以前后兩次測定高度之差做為蝕積厚度，其中正值為風蝕，負值為堆積。1，3，5 a的造林地，測釬在行間按1 m間距布設，即樹下、行間各3行，株間按2 m布設，每樣地共布設36根測釬。8 a的造林地測釬布設樣方10 m×20 m，測釬均按2 m×2 m布設，每樣地24根測釬。

2.3 土樣理化性質測定及分析

土壤風蝕測定結束后，在每根測釬周圍，挖取土壤剖面，用環(huán)刀法測定0-5 cm土層的土壤孔隙度、容重，并用烘干法測定土壤含水量，同時取土樣，帶回室內風干，用鉻酸氧還滴定法測定土壤有機質。所有數(shù)據采用SPSS軟件處理分析。

3 結果與分析

3.1 不同造林年限林地土壤風蝕的時空變化

3.1.1 不同造林年限林地土壤風蝕總體狀況 人工造林是黃泛平原風沙區(qū)防風固沙的重要手段，但不同造林年限的造林地，其對于土壤風蝕的控制作用不同。圖1為1，3，5，8 a造林地當年11月至次年4月的蝕積狀況。由圖看出，當年11月至次年4月的觀測期間，不同造林年限的林地其土壤風蝕狀況差異明顯，且隨著造林年限的增加，土壤風蝕強度降低，風蝕深度減少，并出現(xiàn)堆積。總體上，1 a、3 a的造林地均處于風蝕狀態(tài);5 a造林地則表現(xiàn)為蝕積平衡狀態(tài);而8 a造林地表現(xiàn)為堆積。1 a造林地的平均風蝕深度1.11 cm，3 a造林地的平均風蝕深度為0.25 cm，僅是1 a造林地風蝕深度的22.5%。5 a造林地蝕積平衡，風蝕深度為0.01 cm，僅為1 a造林地風蝕深度的0.9%;而8 a造林地主要表現(xiàn)為風積，其堆積深度為0.29 cm。據水利行業(yè)標準《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)中土壤風力侵蝕強度的劃分標準分析，1 a造林地為中度風蝕，3 a造林地為輕度風蝕，5 a造林地無明顯侵蝕，為微度風蝕，8 a造林地為風積。

不同造林年限林地的風蝕現(xiàn)狀表明，雖然造林能夠有效降低風速，防治風蝕現(xiàn)象的發(fā)生，但在造林初期尚不能完全防止風蝕。這是因為新造林尚不能形成一定的郁閉度，達不到一定的枝葉量，其防風控蝕作用較弱，加之1 a造林地因當年造林，林地地表土壤結構松散，抗蝕性差，因而其風蝕深度最大。隨著造林年限的延長，楊樹根系增多，對土壤的固持作用增強，而且林分內開始出現(xiàn)枯落物的覆蓋，土壤有機質含量相對較高，提高了土壤的團粒結構，相應地增加了土壤的抗蝕性，使得風蝕量大大減少。此外，由于楊樹人工林的進一步生長，枝葉增多，樹體的防風效應逐漸增強，不僅減弱了風蝕，而且開始能夠攔蓄風沙。野外調查表明，5 a、8 a的造林地內出現(xiàn)苔蘚、地衣等結皮層，結皮層的出現(xiàn)主要與沉積細粒物質有關。

圖1 不同造林年限林地土壤總體蝕積深度

圖2 不同造林年限林地土壤蝕積月際變化

3.1.2 不同造林年限林地土壤風蝕的月際變化 由圖2可知，不同造林年限林地在不同月份其蝕積表現(xiàn)差異明顯。1 a造林地在各個月份均為風蝕狀態(tài)，且11月風蝕深度最大，次之為4月，而2月風蝕深度最小，11月和4月的風蝕深度分別為2月風蝕深度的4.38倍和3.85倍。3 a造林地在11月至次年2月處于風蝕狀態(tài)，且以12月風蝕最大，3月、4月處于風積狀態(tài)。5 a造林地在11月、3月、4月處于風積狀態(tài)，而12月至次年2月一直為風蝕狀態(tài)，且以12月風蝕深度最大。8 a造林地僅在1月、2月有輕微的風蝕現(xiàn)象，其他月份均處于風積狀態(tài)。各個月份土壤蝕積深度上的變化，一方面與該地區(qū)風速的季節(jié)性變化有關，11月、12月和3月、4月為該地區(qū)風速較大的月份，且風速差別不大，而1月和2月風速小，僅為4月份風速的71.4%和80.1%，因風速大小的不同而造成蝕積量在各月間的差異。另一方面，蝕積量也與樹木的生長有較大關系，11月葉子尚未完全落盡，仍能發(fā)揮一定削弱風速的作用，而在4月份時，新葉開始展放，使其具有降低風速的作用。12月至翌年3月僅有樹體在發(fā)揮作用，由于不同造林年限林地的胸徑斷面積差別明顯，造成了對風速作用的不同。但對于1 a造林地而言，因造林年限短，樹體尚難發(fā)揮作用，因而與其他年限的林地有較大的差別。此外，1月、2月蝕積量小還可能與溫度低，地表凍結有關。

3.1.3 不同造林年限林地土壤風蝕的空間變化 由圖1看出，不同造林年限行間與樹下的蝕積狀況差異較大。1 a、3 a的造林地行間與樹下雖然均處于風蝕狀態(tài)，但行間的風蝕量卻高于樹下，1 a、3 a造林地行間風蝕深度分別是樹下的1.13倍和1.55倍;5 a造林地則表現(xiàn)為行間風蝕、樹下堆積，總體上平衡的態(tài)勢;而8 a造林地則行間和樹下均表現(xiàn)為堆積，但行間的堆積深度卻小于樹下的堆積深度，后者是前者的

1.76 倍。行間與樹下的蝕積表現(xiàn)的差異可能與二者的微地形起伏及有無樹體遮擋有關，行間地勢稍高，且無樹體的遮擋，風速流場暢通，因而風速就大;而樹下則地勢稍低，行間稍高的地勢在其上風向形成了類似高壟的功能，可以起到降低風速的作用，而且因樹體的遮擋與分流，風速在樹體前減弱，因而風蝕降低甚至于會引起沉積。二者的共同作用使得行間風蝕深度略大于樹下。1 a和3 a生樹下的風蝕深度分別為行間的88.1%和64.5%，分別較行間減小11.9%和35.5%。

不同造林年限林地行間與樹下在月份間的土壤蝕積規(guī)律相互一致，但在蝕積深度上有差別。風蝕發(fā)生時行間風蝕深度大于樹下，堆積時則相反，樹下的堆積較行間大。

3.2 不同造林年限對土壤理化性質的影響

3.2.1 不同造林年限林地土壤物理性質的變化 土壤容重與孔隙度是表征土壤物理性質的重要指標，可綜合反映土壤結構性能和緊實程度，對土壤的透氣性、入滲性能、持水能力以及土壤的抗侵蝕能力都有非常大的影響。由表2可知，隨造林年限的增加，土壤容重減小，土壤總孔隙度、毛管孔隙度及含水量增加，非毛管孔隙度減小;而在達到一定造林年限(5 a)后，容重及總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化趨勢減緩，數(shù)值上趨于穩(wěn)定。這與黃承標等的研究結果一致，人工林林地的土壤容重、孔隙度、含水量隨造林年限增加趨于穩(wěn)定[10]。

利用SPSS軟件對各指標進行的方差分析表明，容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙和含水量差異明顯。多重比較結果顯示，1 a造林地與其他造林地在各物理性狀指標上差異明顯，容重、孔隙度與含水量等指標上均差異顯著;3 a造林地與5 a造林地除毛細孔隙度差異不顯著外，其他指標均差異明顯;3 a造林地與8 a造林地在各指標上差異明顯，但5 a造林地與8 a造林地在各指標上差異均不明顯。

對于行間和樹下各物理性狀指標而言，方差分析表明，行間的容重、非毛管孔隙度大于樹下，且差異明顯;而總孔隙度、毛管孔隙度和土壤含水量均小于樹下，且總孔隙度、毛管孔隙度差異不明顯，土壤含水量差異顯著。這與行間與樹下微地形起伏及受光程度、根系生長等因素有關。樹下地形稍低，降水后形成的地表徑流向其集中，且樹干周圍受樹冠遮陰明顯重于行間，地面正常蒸散量低于樹下，因而樹下的土壤含水量高于壟上。而隨著造林年限的增加，樹干周圍衍生出的須根及根系的正常死亡，加大了土壤中非毛管孔隙的數(shù)量。

表2 不同造林年限林地土壤物理性狀

由表2可知，各林地的表層土壤含水量差異明顯，造林年限大者其表層含水量也高，而土壤水分能增大土壤顆粒間的粘附力，增強土壤的抗風蝕性[11]。因而，隨著造林年限的增加，有效地提高了土壤的抗風蝕性，使其風蝕量大大減少;而且樹下土壤含水量的提高也加大了其抗蝕性，造成樹下風蝕深度小于行間的特征。

圖3 不同造林年限林地土壤有機質的變化

3.2.2 不同造林年限林地土壤有機質的變化 由圖3看出，無論是行間還是樹下，土壤有機質含量均隨著造林年限的增加而增加，方差分析表明，造林能夠有效提高土壤有機質含量，不同造林年限林地有機質含量差異顯著，且樹下的有機質含量均高于行間的有機質。有機質含量的差異歸因于枯落物的積聚與苔蘚、地衣的生長。隨著造林年限的增加，林內枯枝落葉積聚增加，通過微生物分解作用而形成有機質，而且，林地在5 a時地面出現(xiàn)苔蘚和地衣結皮，而苔蘚與地衣形成的生物結皮對土壤理化性質的改變和增加土壤有機質含量起著重要作用[12-13]，并能顯著提高土壤的抗蝕性能[14]。結合不同造林年限林地風蝕深度的變化可知，有機質含量的增大有利于增大土壤水分含量，有利于增強土壤的抗蝕性能。

4 結論

(1)造林是黃泛平原風沙區(qū)控制風沙活動的主要措施，但造林年限不同其控制土壤風蝕效果差異明顯。隨著造林年限的延長風蝕深度下降，風蝕強度降低并出現(xiàn)風積現(xiàn)象。不同造林年限林地風蝕深度時空變化明顯，不同林地在各月份間的蝕積狀態(tài)不同，在空間上，林地行間風蝕深度大于樹下，堆積深度小于樹下。

(2)年際尺度上，土壤容重、非毛管孔隙度隨造林年限增大而呈降低趨勢，總孔隙度、毛管孔隙度、土壤含水量、有機質含量則與之相反，呈增大趨勢，但造林5 a后，各性狀的變化趨勢減緩并趨于穩(wěn)定?？臻g尺度上，林地內微地形起伏造成行間風蝕深度、容重、非毛管孔隙大于樹下，總孔隙度、毛管孔隙度和含水量小于樹下。

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