喀斯特山區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分效應(yīng)及評價(jià)

周 濤，戴全厚，吳秀芹，董亞輝，鄧伊晗

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水保學(xué)院，北京 100083；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550025；3.教育部 水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

喀斯特山區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分效應(yīng)及評價(jià)

周 濤1，3，戴全厚2，吳秀芹1，3，董亞輝2，鄧伊晗2

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水保學(xué)院，北京 100083；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550025；3.教育部 水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

土壤養(yǎng)分是植被恢復(fù)生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，文章以六盤水鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)不同年限退耕地為研究對象，以中度石漠化地為對照，采用空間代替時(shí)間的方法對其土壤養(yǎng)分演變動態(tài)進(jìn)行測定分析，并運(yùn)用均方差決策法對不同年限退耕還林地的土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況進(jìn)行了定量評價(jià)。結(jié)果表明：該區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分與退耕時(shí)間之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。坡耕地退耕還林后，退耕坡耕地土壤養(yǎng)分指數(shù)較對照中度石漠化參照地高出6～14倍，土壤養(yǎng)分與中度石漠化對照地相比均有一定程度的提高，且隨退耕還林年限的遞增總體呈增大趨勢。

喀斯特；退耕還林；柳杉林；土壤養(yǎng)分評價(jià)

中國西南喀斯特山區(qū)是“世界上最大的喀斯特連續(xù)帶”［1］，其危害和北方沙漠化、黃土高原的水土流失一起，被并稱為中國的三大生態(tài)災(zāi)害，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量減少被認(rèn)為是喀斯特石漠化過程的重要驅(qū)動力之一［2］。1998年后進(jìn)行的退耕還林是全國范圍內(nèi)生態(tài)恢復(fù)、重建和維持的一個(gè)重要舉措，對恢復(fù)坡耕地的土壤養(yǎng)分、治理水土流失具有重要的作用。針對不同恢復(fù)年限、不同退耕還林模式間的土壤養(yǎng)分恢復(fù)研究在黃土高原丘陵溝壑區(qū)［3－4］、四川盆地［5］和青海山區(qū)［6－8］地區(qū)較多?？λ固厥卫碇?，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分恢復(fù)因石漠化程度不同而不同［9－12］，因而研究主要集中在不同的尺度上退耕還林模式之間和石漠化程度之間［13－15］。但對喀斯特退耕還林地土壤養(yǎng)分的演變規(guī)律及對土壤養(yǎng)分演變過程中的定量評價(jià)涉及較少。本文旨在探索喀斯特山區(qū)退耕還林區(qū)域（柳杉林）土壤養(yǎng)分演變、效應(yīng)規(guī)律，定量評價(jià)該區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分，為開展石漠化治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河小流域，地理位置104°30′－105°10′E，26°26′－26°53′N，該區(qū)基巖裸露面積大，土層瘠薄，地形破碎，地形相對高差大，海拔介于1 700～2 205m，年平均氣溫12.2℃，年降雨量約1 240mm，年日照時(shí)數(shù)為1 415～1 556h，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，森林覆蓋率33.3%。土壤為山地黃棕壤土，土壤多呈中性、微酸性，pH值為5.5～7.5，耕作層厚20cm左右。研究區(qū)內(nèi)具有典型的喀斯特石漠化類型和多時(shí)相不同退耕方式的土地，是珠江流域的峰叢谷地輕、中度石漠化生態(tài)修復(fù)與農(nóng)田基本建設(shè)導(dǎo)向型綜合治理小區(qū)。

在研究區(qū)根據(jù)實(shí)際情況，選擇退耕方式一致，土壤和發(fā)育母質(zhì)基本相同的不同退耕年限退耕還林地作為試驗(yàn)地，以中度喀斯特石漠化未治理地（參照地CK）為對照，樣地基本特征如表1所示。

表1 樣地基本特征

2 研究方法

2.1 土樣采集

本研究采用時(shí)空替代的方法，于2008年7月分別在不同退耕年限的柳杉林退耕樣地和石漠化對照樣地上，按照“S”型多點(diǎn)（4～6點(diǎn)）采集土壤表層（0－20cm）的混合樣，3次重復(fù)，將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，除去其中的有機(jī)殘?bào)w和大的石礫，風(fēng)干過篩，充分混勻后儲藏備用測量土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)（OM）用重鉻酸鉀氧化外加熱法，全氮（TN）用高氯酸－硫酸消化法，堿解氮（N）用堿解擴(kuò)散吸收法，全磷（TP）用高氯酸－硫酸酸融－鉬銻抗比色法，全鉀（TK）用高氯酸－硫酸消化火焰光度計(jì)法，速效鉀（K）用火焰光度計(jì)法、速效磷（P）采用氫氧化鈉法，pH值用PhS－3S型pH 計(jì)測定［16］。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除量綱與量綱單位的影響，在決策和排序之前，應(yīng)首先將評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理［17］，即數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。一般來說，在濕熱條件較好的南方喀斯特地區(qū)，土壤瘠薄是影響當(dāng)?shù)刂脖坏囊粋€(gè)重要方面，一定范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分含量越大，土壤肥力就越高，土壤養(yǎng)分值就越高，本研究所用指標(biāo)為“效益型”指標(biāo)，即屬性值越大越好的指標(biāo)。其標(biāo)準(zhǔn)化的方法為：

式中：yij——數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值；xjmax，xjmin——第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值；xij——第j個(gè)指標(biāo)的第i個(gè)屬性值。

2.3 均方差決策法

設(shè)多指標(biāo)綜合評價(jià)問題中方案集合為A＝｛A1，A2，…，An｝，指標(biāo)集為G＝｛G1，G2，…，Gn｝，若指標(biāo)Gj對所有決策方案而言均無差別，則其對方案決策與排序不起作用，可令其權(quán)系數(shù)為0；若指標(biāo)Gj使所有決策方案的屬性值存在較大差異，則其對方案決策與排序?qū)⑵鹬匾饔?，?yīng)給予較大的權(quán)數(shù)［18］，即在多指標(biāo)決策與排序的情況下，各指標(biāo)相對權(quán)重系數(shù)的大小取決于在該指標(biāo)下各方案屬性值的相對離散程度，離散程度越大，權(quán)系數(shù)越大［17］。均方差決策法確定評價(jià)指標(biāo)離散程度最常用的指標(biāo)是其均方差。首先求出各方案在各指標(biāo)下無量綱化屬性值的均方差。將其歸一化，結(jié)果即為各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，并以其權(quán)重值求得各個(gè)年限的土壤養(yǎng)分指標(biāo)值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

由SPSS 11.5中分析來處理數(shù)據(jù)間的相關(guān)性分析。在Excel中借助均值命令（average）、標(biāo)準(zhǔn)差命令（stdev）、求和命令（sum）以及求平方根命令（sqrt）對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并根據(jù)均方差法得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分的演變

土壤中有機(jī)質(zhì)在土壤肥力形成過程中具有重要作用，它對土壤形成、土壤肥力、環(huán)境保護(hù)及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著極其重要作用的意義［19］。其不僅能增強(qiáng)土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分的有效性，而且可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強(qiáng)土壤的緩沖性等。由圖1可以看出，以退耕7a的有機(jī)質(zhì)含量最高，且與參照地相比，各個(gè)年份的含量均有不同程度的增加，最低增長幅度達(dá)78%。退耕還林后，土壤內(nèi)的有機(jī)質(zhì)都有一定的積累，但每個(gè)年份的積累量不同。

圖1 有機(jī)質(zhì)的演變過程

退耕5～8a后，全磷含量為0.25～0.49g/kg，全鉀含量為0.37～1.2g/kg，全氮含量為0.7～1.16g/kg，土壤堿解氮含量為131.08～358.05mg/kg，速效鉀含量為140.8～257.7mg/kg，速效磷含量為4.8～11.90mg/kg，除退耕5a全鉀含量比石漠化低之外，各退耕年限土壤養(yǎng)分均有所提高，增長幅度在7%～123%之間。堿解氮以退耕6a的為最高，全磷、全鉀含量以退耕7a的為最高，全氮、速效磷和速效鉀含量以退耕8a的含量最高，與參照地相比，各個(gè)退耕年限的土壤養(yǎng)分隨著退耕時(shí)間的延長而逐漸提高。

圖2 全磷、全氮、全鉀隨退耕年限的演變

圖3 速效鉀、堿解氮、速效磷隨退耕年限的變化

3.2 有機(jī)質(zhì)與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系

有機(jī)質(zhì)與全磷、全鉀和全氮呈正相關(guān)關(guān)系，這主要是有機(jī)質(zhì)作為土壤養(yǎng)分的主要來源，可以緩慢地改良土壤，對土壤養(yǎng)分具有緩釋效應(yīng)。土地進(jìn)行退耕還林后，樹木和林下豐富的雜草植被枯落后，加上良好的氣候條件，枯落物很快轉(zhuǎn)為腐殖質(zhì)并隨時(shí)間而積累，有機(jī)質(zhì)含量得到一定程度的提高，土壤養(yǎng)分隨著有機(jī)質(zhì)的緩釋而緩慢提高。

3.3 土壤養(yǎng)分演變過程中的相關(guān)關(guān)系

退耕還林過程中，各種土壤養(yǎng)分的演變規(guī)律各不相同，土壤養(yǎng)分間也具有一定的關(guān)系（表2），隨著退耕還林的進(jìn)行，各種養(yǎng)分的恢復(fù)是整體性的恢復(fù)，協(xié)同進(jìn)行，通過Pearson相關(guān)關(guān)系可知，全磷與全氮具有顯著相關(guān)關(guān)系，與速效鉀具有極顯著相關(guān)關(guān)系，說明這三者之間在養(yǎng)分恢復(fù)上協(xié)同關(guān)系密切，另外也不排除退耕之前耕地內(nèi)人工施肥的影響。

表2 土壤養(yǎng)分之間的Pearson相關(guān)關(guān)系

3.4 土壤養(yǎng)分演變定量評價(jià)

土壤有機(jī)質(zhì)是植物營養(yǎng)的重要源泉，是土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一。它的存在還改變或影響著土壤的一系列物理、化學(xué)和生物的性質(zhì)，而全鉀、全磷、全氮、速效鉀、速效磷和堿解氮是土壤養(yǎng)分含量使用最為普遍的指標(biāo)，另全磷與全氮、速效鉀的關(guān)系較為顯著，為了更好地反映土壤養(yǎng)分指標(biāo)情況，本研究選擇有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮、速效鉀、速效磷和堿解氮等6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步求出各個(gè)年份的土壤養(yǎng)分指標(biāo)值，土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值、權(quán)重值及土壤養(yǎng)分指標(biāo)值如表3所示。

表3 樣地評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值、權(quán)重值及土壤養(yǎng)分指標(biāo)值

從表3中可以看出，與參照地相比，退耕5a土壤養(yǎng)分指標(biāo)增加了6倍，退耕6a增加了7.4倍，退耕7 a增加了14倍，退耕8a增加了10.7倍，土壤養(yǎng)分效果改善明顯，主要是退耕還林后，植物的枯落物含量較未退耕前增加，隨著退耕年限的延長和枯落物的分解，增加了土壤中的養(yǎng)分含量，同時(shí)植被和枯落層的增加，減少了降水對土壤養(yǎng)分的淋溶，使10－20cm處的土壤養(yǎng)分得以富集，土壤養(yǎng)分含量在研究期內(nèi)得到提高。

4 結(jié)論與討論

（1）根據(jù)均方差法得到的喀斯特山區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)值表明，喀斯特山區(qū)柳杉退耕還林的早期，土壤養(yǎng)分含量增加，土壤養(yǎng)分指數(shù)都較未退耕還林地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量增加6～14倍，退耕還林對土壤養(yǎng)分提高的效果明顯。

（2）土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)與退耕年限之間呈正相關(guān)性關(guān)系，在退耕還林早期隨著退耕年限的延長可以提高中度石漠化地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量，土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量與退耕年限之間的相關(guān)性研究需要進(jìn)一步的觀察。

（3）喀斯特地區(qū)土層淺薄且不連續(xù)，土壤養(yǎng)分差異大，使用均方差法進(jìn)行土壤養(yǎng)分定量研究可以排除人為因素的干擾，便于不同地域土壤養(yǎng)分的對比研究，為未來喀斯特石漠化評定等級提供了參考依據(jù)，可以在未來的研究中對這種方法進(jìn)行驗(yàn)證和擴(kuò)大土壤養(yǎng)分指標(biāo)值在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用。

（4）雖然均方差法可以消除人為影響，但沒有人為參與的情況下，土壤養(yǎng)分含量之間的權(quán)重值確定與實(shí)際土壤養(yǎng)分所占比例是否一致，這是一個(gè)需要繼續(xù)解決的問題。

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Effect of Forest Rehabilitation from Slope Agricultural Land on Soil Nutrient and Its Evaluation in Karst Hilly

ZHOU Tao1，3，DAI Quan－h(huán)ou2，WU Xiu－qin1，3，DONG Ya－h(huán)ui2，DENG Yi－h(huán)an2
（1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing100083，China；2.College of Forestry，Guizhou University，Guiyang550025，China；3.Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education，Beijing100083，China）

Soil nutrient is the material foundation for vegetation restoration and growth.The method of space representing time scale is used to examine the soil nutrient dynamics with moderate rocky desertification as background in the different reclaimed terms at Hawks Town，Zhongshan District of Liupanshui City.Standard deviation decision－making is used for different period of forest rehabilitation from slope agricultural land on the restoration of soil nutrients for a quantitative evaluation.Correlation analysis showed that soil nutrient has positive correlation with period of the forest rehabilitation from slope agricultural land.The results of quantitative evaluation showed that the soil nutrient index of slope converted farmland is 6～14times higher than the moderate rocky desertification，and its soil nutrients could be restored significantly and increased with the growing of the abandoned terms.

karst；conversion of cultivated land into forest；Chinese cryptomeria；soil nutrient evaluation

S157；S153.6

A

1005－3409（2011）06－0071－04

2011－05－18

2011－06－20

貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項(xiàng)資金項(xiàng)目（黔科教辦［2008］04號）；貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（黔科合J字［2007］2150號）；貴州大學(xué)林學(xué)院SRT項(xiàng)目

周濤（1987－），男，河南駐馬店人，在讀碩士，研究方向：“3S”技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用研究。E－mail：zhoutao2006－05＠163.com

戴全厚（1969－），男，陜西長武人，教授，博士，主要研究方向：水土保持與生態(tài)恢復(fù)重建。E－mail：qhdairiver＠163.com