黄土高原地区的水土流失问题形势严峻，不仅导致自然环境的恶化，还严重影响人民的生命财产安全^[1]。新中国成立以后，国家采取一系列措施进行水土流失治理工作，黄土高原地区也一直是治理的重点区域^[2]。1979年我国进行三北防护林的建设，这些人工林是植物措施防治水土流失的重点^[3]。刺槐因兼具良好的生态效益和经济效益，成为黄土高原引种最成功的水土保持树种之一, 也是黄土高原地区造林面积最大的树种之一^[4]，为该区的水土流失防治工作发挥重要的作用^[5]；但随着刺槐林龄增大，林分生长达到一定阶段时，由于受到土壤水分和养分等因子的限制，部分刺槐林地退化、生态功能低效的问题也凸显出来^[6]。

目前已有研究表明现阶段黄土高原地区植被恢复与生态重建的重点应聚焦在对现存人工林的管理方面^[7]。王舒等^[8]调查了晋西黄土区10、15和20 a坡面刺槐人工林植被恢复过程中林下植被演替和0~400 cm土层土壤水的分布情况，认为随林龄增加，林下植被结构发育变好，土壤水分随坡位下降而增大的趋势有所改变；韩国忠等^[9]对晋西黄土区不同退耕年限刺槐林对土壤水分、养分的影响进行研究，认为刺槐林对浅层土壤水分和养分的改善作用较大；刘愿^[10]分析黄土丘陵区刺槐林植被的组成、结构特征和林地土壤水分、养分特征，探讨了不同林龄刺槐林结构优化与功能提升的水分和养分调控机制。

已有的研究大多集中在刺槐林地土壤水分效应、养分效应及生理机能等方面，而对林下植被与土壤养分的系统变化特征研究较少。笔者选取18、22、26、31和36 a的刺槐林，采用空间代替时间的研究方法，对不同林龄刺槐林的林木生长特征、林下植被生长特征和林地土壤养分特征进行分析，研究结果有助于了解该区人工刺槐林的整体特征，并为研究区植被恢复和刺槐林的经营管理提供科学依据，提高该区生态系统的稳定性。

研究区位于山西省临汾市吉县蔡家川流域(E 110°39′45″~110°47′45″，N 36°14′27″~36°18′23″)，该流域属于典型的黄土残塬沟壑区。流域东高西低，面积39.33 km²，长约14 km，海拔900~1 513 m。吉县属于暖温带大陆性季风气候，该区多年平均降水量575.9 mm，其中最大年降水量为828.6 mm，最小年降水量为365.1 mm，最大降水变率可达43.11%，降水季节分配不均，6—9月降水量最大，约占全年降水量的70%，年潜在蒸发量为1 724 mm，远大于年均降水量。研究区的土壤类型主要为褐土，黄土母质。吉县的植物资源比较丰富，常见木本植物有194种，草本植物有180种，中草药有141种。蔡家川流域内森林覆盖率为84%，上游主要是以山杨(Populus davidiana)、辽东栎(Quercus liaotungensis)等为主的天然次生林；中游主要是人工营造水土保持防护林及人工营造经济林，水土保持林是以刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)等树种组成的纯林及混交林，经济林由苹果(Malus pumila)、杏(Armeniaca vulgaris)、梨(Pyrus)等树种组成；下游为荒草坡和农地。

进行林业调查时，用生长锥法获得人工刺槐林的实际林龄。在研究区内分别选取18、22、26、31和36 a的刺槐林为研究对象。在不同林龄林地内分别设置20 m×20 m的样方并进行样地调查(每个林龄选取3块标准林地，共调查标准林地15块)。林地调查内容包括样地基本情况：经纬度、坡向、坡度、坡位、海拔、和刺槐林的胸径、树高、密度等。另在标准样地内用五点取样法分别设置5个5 m×5 m的灌木样方和5个1 m×1 m的草本样方，分别调查灌草的种类、数量、高度、冠幅和盖度。所有调查于2019年6—8月完成，样地基本信息见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同林龄刺槐林样地基本情况 Tab. 1 Basic situation of Robinia pesudoacacia forest in different stand age 样地 No. 林龄 Stand age/a 经度 Longitude 纬度 Latitude 坡向 Aspect 坡度 Slope/(°) 坡位 Slope position 海拔 Altitude/m 林分密度Stand Density/(Trees·hm-2) 1 18 110°45′26″ 36°16′13″ 阳坡Sunny 23 坡上Uphill 1 091 1 525 2 18 110°45′43″ 36°16′23″ 阳坡Sunny 20 坡中Middle slope 960 1 450 3 18 110°45′43″ 36°16′23″ 阳坡Sunny 22 坡上Uphill 970 1 500 4 22 110°45′26″ 36°16′16″ 阳坡Sunny 25 坡上Uphill 1 150 1 550 5 22 110°45′25″ 36°16′18″ 阳坡Sunny 25 坡上Uphill 1 160 1 500 6 22 110°45′17″ 36°15′53″ 阳坡Sunny 26 坡中Middle slope 1 040 1 525 7 26 110°44′16″ 36°16′53″ 阳坡Sunny 22 坡上Uphill 1 220 1 225 8 26 110°44′15″ 36°16′54″ 阳坡Sunny 24 坡上Uphill 1 210 1 350 9 26 110°44′16″ 36°16′55″ 阳坡Sunny 25 坡上Uphill 1 200 1 525 10 31 110°44′10″ 36°14′42″ 阳坡Sunny 27 坡上Uphill 1 220 1 625 11 31 110°45′25″ 36°16′18″ 阳坡Sunny 25 坡上Uphill 1 140 1 325 12 31 110°44′03″ 36°14′45″ 阳坡Sunny 27 坡上Uphill 1 210 1 550 13 36 110°44′08″ 36°14′44″ 阳坡Sunny 25 坡上Uphill 1 226 1 525 14 36 110°46′13″ 36°16′13″ 阳坡Sunny 18 坡中Middle slope 950 1 625 15 36 110°44′24″ 36°14′39″ 阳坡Sunny 28 坡上Uphill 1 220 1 400

表 1 不同林龄刺槐林样地基本情况 Tab. 1 Basic situation of Robinia pesudoacacia forest in different stand age

林分生长特征的调查包括胸径、树高和冠幅。分别取每个林龄阶段3个标准样地的平均胸径、平均树高和平均冠幅，并作柱状图进行比较。

林下植被形态特征的调查包括物种数量、平均高度、平均盖度。分别取每个林龄阶段3个标准样地调查数据的平均值，并做柱状图进行比较。

试验共15个样地，在每个样地中心点挖掘土壤剖面1个，剖面深度为1 m，每10 cm为一层进行土壤样品采集，将采集的土样带回实验室风干、研磨并过2 mm筛，称取一定质量的土样进行土壤养分含量的测定。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法；土样经过相应的预处理后，使用全自动化学分析仪“SmartChem-200”(AMS-Westco)对全氮、全磷、速效氮和速效磷含量进行测定。

不同林龄刺槐林平均胸径、树高和冠幅随林龄的变化如图 1所示。随着林龄增大，刺槐林平均胸径和树高逐渐增大，18 a刺槐林的平均胸径(9.90 cm)和树高(7.21 m)最小，36 a刺槐林的平均胸径(11.85 cm)和树高(8.98 m)最大。而冠幅随着林龄的增大整体呈现先增大后减小的趋势，其中26 a刺槐林的平均冠幅最大(1.46 m)。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同林龄刺槐林生长特征 Fig. 1 Growth characteristics of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

对不同林龄刺槐林的平均胸径和平均树高进行方差分析(表 2)，5个林龄刺槐林之间平均胸径和平均树高差异均为显著。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同林龄刺槐林胸径、树高方差分析 Tab. 2 Variance analysis of DBH and tree height of Robinia pseudoacacia forest in different stand age 项目Item 18 a 22 a 26 a 31 a 36 a 平均胸径Average DBH/cm 9.9±0.01a 10.18±2.21b 10.73±1.24c 10.74±0.05d 11.85±0.81e 平均树高Average tree height/m 7.7±0.18a 8.27±1.22b 8.98±0.22c 7.63±0.11d 7.41±1.63e 注：同行中不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。Notes：Different miniscule letters indicate significant different (P < 0.05).

表 2 不同林龄刺槐林胸径、树高方差分析 Tab. 2 Variance analysis of DBH and tree height of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

研究区刺槐林下植被主要由灌木和草本组成，灌木优势种主要有黄刺玫(Rosa xanthina)、杠柳(Periploca sepium)和山桃(Amygdalus davidiana)等，草本优势种主要有铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、虉草(Phalaris arundinacea)和蒌蒿(Artemisia selengensis)等，且不同林龄阶段林下灌草的优势种不同。对不同林龄刺槐林下灌草的种类、高度及盖度等进行分类统计并比较，结果如图 2所示。随着刺槐林龄增大，林下植物种数呈现逐渐增加的趋势，36 a刺槐林下植物种数最多(47种)，18 a刺槐林下植物种数最少(32种)；灌草平均盖度随着刺槐林龄的增大总体呈减小趋势，31 a刺槐林下植被盖度最小(65%)；而林下植被的平均高度随着刺槐林龄的增大先减小后增大，26 a刺槐林下植被平均高度最小(0.90 m)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同林龄刺槐林下植被形态特征 Fig. 2 Morphological characteristics of undergrowth vegetation of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

由图 3和图 4可知，刺槐林地土壤有机质含量和全氮含量的垂直分布均表现为随土层深度的增加而减小，且表层含量显著大于下层，0~30 cm土层土壤有机质含量和全氮含量占0~100 cm土层含量>50%。31 a刺槐林地土壤有机质质量浓度和全氮质量分数均高于其他林龄，分别为16.05 g/cm³和0.51 g/kg，其他林龄刺槐林地土壤有机质平均质量浓度在4.74~5.88 g/cm³范围内，全氮质量分数在0.38~0.41 g/kg范围内，总体来说，研究区刺槐人工林土壤有机质含量和全氮含量水平普遍较低。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同林龄刺槐林地土壤有机质含量 Fig. 3 Soil organic matter content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

图 4(Fig. 4)

图 4 不同林龄刺槐林地土壤全氮含量 Fig. 4 Soil and nitrogen content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

由图 5和图 6可知，不同林龄刺槐林地土壤氨氮、硝氮含量随土层深度的增加呈减小趋势。在0~60 cm土层，土壤氨氮和硝氮含量的减小趋势明显，而在60~100 cm土层逐渐稳定。31 a刺槐林地土壤硝氮质量分数最大，为18.74 mg/kg，36 a刺槐林地土壤氨氮质量分数最大，为15.13 mg/kg。其他林龄刺槐林地土壤硝氮质量分数在8.78~10.98 mg/kg之间，氨氮质量分数在7.70~1.68 mg/kg之间。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同林龄刺槐林地氨氮含量 Fig. 5 Soil ammonia nitrogen content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

图 6(Fig. 6)

图 6 不同林龄刺槐林地土壤硝氮含量 Fig. 6 Soil nitrate content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

由图 7和图 8可知，土壤全磷含量的空间分布比较均匀，随土层深度的增加基本保持稳定。方差分析结果亦表明，同一林龄刺槐林在0~100 cm不同土层的全磷含量差异不显著(P < 0.05)。其中，26 a刺槐林的全磷质量分数最高(0.55 g/kg)，其他林龄刺槐林地土壤全磷质量分数在0.34~0.50 g/kg之间。土壤速效磷含量随土层深度的增加呈不明显的减小趋势，随着林龄增大也呈减小趋势，其中，22 a刺槐林土壤速效磷质量分数最大(39.46 mg/kg)，其他林龄刺槐林地土壤速效磷质量分数在33.23~39.10 mg/kg之间。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同林龄刺槐林地土壤全磷质量分数 Fig. 7 Soil total phosphorus content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

图 8(Fig. 8)

图 8 不同林龄刺槐林地土壤速效磷质量分数 Fig. 8 Soil available phosphorus content of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

对刺槐林下植被特征、刺槐的生长特征与林地土壤养分特征共13项指标进行相关性分析(表 3)。结果表明，刺槐林的恢复过程对其林下植被的种类、密度、盖度和高度都有显著的影响。刺槐林下植被的物种数量和密度与刺槐的生长特征相关性较高，林下灌草的盖度和高度与刺槐林的生长特征相关性不大，而与土壤养分有较好的相关性，说明刺槐林下植被的生长状况受土壤条件的影响较大^[11]。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同林龄刺槐林地植被与土壤养分相关性 Tab. 3 Correlation between undergrowth vegetation and soil nutrients of Robinia pseudoacacia forest in different stand age 项目Item 刺槐林地植被Undergrowth vegetation of Robinia pseudoacacia 物种数 Plant species 密度 Density 盖度 Coverage 高度 Height 刺槐生长特征 Growth characteristics of Robinia pseudoacacia 胸径DBH 0.494 0.290 -0.391 -0.339 树高Height 0.793* 0.858** -0.209 -0.195 冠幅crown diameter 0.603 0.565 -0.249 -0.321 土壤养分特征 Soil nutrients 有机质Organic matter 0.857** 0.755 0.885** 0.736* 全氮Total nitrogen 0.867** 0.871** 0.812* 0.728* 全磷Total phosphorus content 0.804 0.316 0.682 0.618 硝态氮Nitrate 0.737* 0.244 0.588 0.661 铵态氮Ammonia nitrogen 0.773* -0.275 0.745* 0.779* 速效磷Available phosphorus 0.903* 0.814* 0.727* 0.855** 注：*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著Notes: * and ** indicate significant differences at the level of 0.05 and 0.01, respectively.

表 3 不同林龄刺槐林地植被与土壤养分相关性 Tab. 3 Correlation between undergrowth vegetation and soil nutrients of Robinia pseudoacacia forest in different stand age

刺槐林在恢复过程中，树木的平均胸径和树高随林龄增大而增大，这与很多研究结果一致^[12-13]。林分的平均冠幅先增大后减小，刺槐林在造林之初，单株树木之间的竞争很小，冠幅不断增大，林分总体的平均冠幅也增大，而恢复至30 a后，刺槐林已经发育成熟，单株林木之间和刺槐与林下灌草之间的竞争均增大，加之林分的“自然稀疏”^[14]现象，导致林分总体的平均冠幅减小。

土壤养分含量受到多方面因素影响，例如树木的生长特征、土壤的水热条件、土壤结构等^[11]。在自然土壤中，土壤养分主要来源于土壤矿物质和土壤有机质^[15]，而土壤有机质的主要来源则是地面植被残落物和根系，因此凡能影响土壤微生物分解速率的因素皆会影响土壤养分含量。刺槐林在恢复过程中，随着林分逐渐郁闭以及林下植被的生长，影响着土壤的水分含量、土壤结构、土壤pH值及土壤温度等因素，进而影响了林下枯落物的蓄积量和有机物质的归还速率，最终影响了土壤养分含量。

从土壤养分的垂直分布来看，不同林龄刺槐林地土壤有机质和全氮含量具有明显的“表聚”性^[9]，0~10 cm土层含量显著(P < 0.05)高于30 cm以下土层，这与很多研究结果^[16-17]一致。且土壤有机质含量和全氮含量的垂直分布具有相似性，方差分析结果亦显示，土壤有机质含量和全氮含量存在显著的正相关关系(P < 0.05)，这可能是由于土壤中氮元素含量较少，其中氮元素和有机质的结合形态占绝大部分^[18]。土壤速效氮含量随土壤层深度增加而减小，这与濮阳雪华等^[19]的研究结果一致。而土壤全磷含量在0~100 cm土层分布基本稳定，这可能是由于磷元素的获取途径主要来自于岩石风化和淋洗，比较单一^[7]；加之磷元素属于沉积性矿物，在土壤中的迁移率较弱^[10]，因此速效磷含量的减小趋势并不明显。

随着林龄增大，刺槐林地土壤养分含量呈现先增大后减小的趋势，这主要是由于刺槐林恢复过程对林下植被和土壤养分库的影响较大^[20]。刺槐林恢复初期，林下植物种数较少，此时林分尚未郁闭，光照条件较好，喜光植物居多^[21]，且单株植物间的竞争小，因此植被的高度和盖度均比较大，此时枯落物的蓄积量较少，相应的对土壤有机质的补充量少，因此土壤养分含量较低；刺槐林恢复至26 a时，生长处于旺盛期，林下植物种数增加，枯落物蓄积量增大，土壤水分和温度条件也得到改善，土壤微生物活性增加，分解速率加快，因此土壤有机质的归还量大，土壤养分含量也增大，而此时由于林分郁闭度较大，光照减弱，抑制了灌草生长，因此植被的平均盖度和高度减小；当刺槐林生长至36 a以上，林分已经完全成熟，林下物种丰富度继续增大，导致对土壤水分和养分的需求量增加，所以此时林地土壤水分含量减少，土壤养分含量也减少，这也说明刺槐林对土样养分的改善有一定的阈值^[11]，到一定的林龄，这种改善作用减弱。

随着刺槐林龄增大，林分的胸径和树高均增大，但冠幅呈现先增大后减小的趋势，26 a刺槐林的平均冠幅最大；刺槐林下植物种数增多，植被平均高度和平均密度先减小后增大。随着刺槐林的恢复，林下灌草的生长与土壤养分含量均发生了显著变化，且林下植被的生长受刺槐的生长特征与土壤养分的影响。

不同林龄刺槐林地土壤养分含量均具有表聚性，随着土层深度增加，土壤有机质、全氮含量、速效氮含量和速效磷含量均呈减小趋势，且有机质含量和全氮含量的空间垂直分布和变化规律具有相似性，而土壤全磷含量基本稳定。随着刺槐林龄增大，林地土壤有机质含量、全氮含量和全磷含量均呈先增大后减小的趋势，而土壤速效磷含量呈减小趋势，土壤速效氮含量有不明显的增加趋势。刺槐林恢复过程对林下植被生长和土壤养分库影响较大。刺槐林的恢复能够改善土壤养分，但这种作用有一定的阈值。