豫西低山丘陵區(qū)不同植被修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分評價

程立平　趙玉明　劉沛松

摘要：以荒草地為對照，測定了豫西低山丘陵區(qū)不同林草復(fù)合的植被修復(fù)模式下土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量，對其土壤養(yǎng)分狀況進行評價。結(jié)果表明：該區(qū)荒草地土壤養(yǎng)分除速效鉀外，其他各養(yǎng)分含量均偏低，說明該區(qū)荒草地土壤肥力處于低水平。植被修復(fù)措施對于土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷含量具有顯著提升作用，但對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。不同植被生態(tài)修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分指數(shù)大小依次為側(cè)柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿草地，說明該區(qū)側(cè)柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)較好。豫西低山丘陵區(qū)土壤貧瘠，養(yǎng)分有效性差，植被修復(fù)方式能夠使土壤養(yǎng)分得到一定程度恢復(fù)，但必然是一個漫長過程。

關(guān)鍵詞：低山丘陵區(qū)；生態(tài)修復(fù)；土壤養(yǎng)分；豫西；植被修復(fù)模式

中圖分類號：S158.3 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0423-03

豫西低山丘陵區(qū)水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱，是河南省生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域。植被建設(shè)作為傳統(tǒng)、有效的生態(tài)修復(fù)方式被廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中[1-3]，土壤養(yǎng)分特征一直是評價生態(tài)修復(fù)效果的重要內(nèi)容之一[4-6]。目前，有關(guān)不同生態(tài)修復(fù)模式土壤養(yǎng)分方面的研究已有很多[7-9]，但是針對豫西低山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分的研究則較少[10]，尤其是關(guān)于該地區(qū)不同植被修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分狀況及其評價研究鮮有報道。本研究就豫西低山丘陵區(qū)5種林草復(fù)合植被修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分狀況進行探討，以期為該地區(qū)生態(tài)修復(fù)樹種的合理配置以及土壤肥力的管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省魯山縣庫區(qū)鄉(xiāng)境內(nèi)，地處伏牛山東麓低山丘陵地帶，土壤類型以褐土、潮土、黃棕壤土為主。該地區(qū)屬北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，年均氣溫14.8 ℃，大于10 ℃的年積溫 4 735 ℃，無霜期209 d。降水量年際變化大，多年平均降水量810 mm，其中70%以上的降水集中在7—9月份，高溫期與雨季同步。

1.2 研究方法

1.2.1 取樣及測定 野外采樣于2014年3月中旬進行，以低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)試驗示范基地為研究對象。該試驗基地于2009年建立，其自然地貌狀況與豫西低山丘陵區(qū)接近，坡向為西南，坡度22°。根據(jù)當(dāng)?shù)刂脖患吧鷳B(tài)環(huán)境特點，試驗基地設(shè)置5種林草復(fù)合的植被修復(fù)模式，分別為苜蓿樣地、楊樹+苜蓿樣地、側(cè)柏+苜蓿樣地、栓皮櫟+苜蓿樣地、刺槐+苜蓿樣地，同時設(shè)置荒草地為對照。每個樣地坡長25 m、寬15 m。各樣地按坡向從上至下分4個區(qū)段采樣（坡上、坡中上、坡中下、坡下），每個區(qū)段的同一水平等距離分別設(shè)置3個采樣點（圖1），采集0～20 cm土層土壤帶回實驗室備用。將帶回的土壤樣品剔除可見的動物、植物殘體和石塊并風(fēng)干，用“四分法”取樣，過 0.25、1.00 mm 篩，按常規(guī)方法測定土壤樣品的有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。

1.2.2 土壤養(yǎng)分指數(shù)計算[11] 用土壤養(yǎng)分指數(shù)（SNI）綜合評價低山丘陵區(qū)不同生態(tài)修復(fù)模式下的土壤養(yǎng)分水平。先通過相對系數(shù)法將各指標(biāo)量綱歸一化，得到各個肥力指標(biāo)的隸屬度值：

Ci=fi/fmax。

式中：Ci為各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值；fi為各養(yǎng)分指標(biāo)的原始值；fmax為各養(yǎng)分指標(biāo)的最大值。

然后根據(jù)主成分分析中各養(yǎng)分指標(biāo)的公因子方差確定其權(quán)重系數(shù)，最后計算土壤養(yǎng)分指數(shù)SNI：

SNI=∑ni=1Ci×Ki 。

式中：Ki為各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Ci為各肥力指標(biāo)的隸屬度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 豫西低山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分分級

依據(jù)全國第2次土壤普查有關(guān)標(biāo)準，將豫西低山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分含量分為6個級別，分別計算其土壤養(yǎng)分指數(shù)SNI。由表1可以看出，一級土壤養(yǎng)分指數(shù)大于4.8（很高），二級土壤養(yǎng)分指數(shù)為3.5～4.8（高），三級土壤養(yǎng)分指數(shù)為2.4～3.5（中上），四級土壤養(yǎng)分指數(shù)為1.4～2.4（中下），五級土壤養(yǎng)分指數(shù)為0.8～1.4（低），六級土壤養(yǎng)分指數(shù)小于0.8（很低）。

2.2 不同植被修復(fù)模式下的土壤養(yǎng)分特征

由表2可見，豫西低山丘陵區(qū)不同林草復(fù)合模式下土壤養(yǎng)分狀況差異明顯。土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由表1、表2可以看出，研究區(qū)荒草地土壤有機質(zhì)含量屬于低水平，不同生態(tài)修復(fù)模式之間土壤有機質(zhì)含量無顯著差異；但是相對于對照（荒草地），各修復(fù)模式處理均能顯著提高土壤有機質(zhì)含量，從而使土壤有機質(zhì)含量達到中下水平。其原因在于各植被修復(fù)模式下植物的凋落物、死亡的植物體及根系量均較荒草地大，從而提高了土壤有機質(zhì)含量。5種生態(tài)修復(fù)模式中，栓皮櫟+苜蓿模式下土壤有機質(zhì)含量最高，較荒草地提高了47.03%；速生楊+苜蓿模式下土壤有機質(zhì)含量最低，較荒草地提高了37.12%。

氮、磷、鉀是植物的主要養(yǎng)分元素，也是土壤中常因供應(yīng)不足而影響作物產(chǎn)量的三大要素。氮素作為活細胞的基本組成成分，是植物生長大量需要的養(yǎng)分要素。同有機質(zhì)含量的規(guī)律一致，荒草地下土壤全氮含量同樣屬于低水平；不同生態(tài)修復(fù)模式均能顯著提高土壤全氮含量，從而使土壤全氮含量達到中下水平，其中側(cè)柏+苜蓿模式下土壤全氮含量最高，較荒草地提高了46.67%；速生楊苜蓿模式下土壤全氮含量最低，較荒草地提高了38.33%。在速效氮含量方面，雖然各生態(tài)修復(fù)模式下速效氮含量均略高于對照，但與其并無顯著差異，均處于很低的水平。其原因可能在于，苜蓿雖然作為固氮作物被引入，但是其固定的氮（尤其是速效氮）被修復(fù)植被消耗，因而各修復(fù)模式下土壤速效氮含量與荒草地?zé)o顯著差異。

磷在植物體中的含量僅次于氮、鉀，其對植物生理過程有重要作用。從表2可以看出，5種生態(tài)修復(fù)模式和荒草地下土壤全磷含量均屬于低水平，但不同模式下土壤全磷含量差異明顯，具體表現(xiàn)為側(cè)柏+苜蓿>速生楊+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>苜蓿>刺槐+苜蓿>荒草地；其中側(cè)柏+苜蓿、速生楊+苜蓿模式均顯著高于荒草地，而苜蓿、刺槐+苜蓿、栓皮櫟+苜蓿3種模式下土壤全磷含量與荒草地?zé)o顯著差異。在速效磷方面，荒草地屬于低水平，5種生態(tài)修復(fù)模式下均達到中下水平；但刺槐+苜蓿模式下土壤速效磷含量與荒草地?zé)o顯著差異，其他4種修復(fù)模式下土壤速效磷含量均顯著高于荒草地，其中苜蓿草地下土壤速效磷含量最高，較荒草地提高了36.0%。endprint

鉀在促進植物代謝過程、增強作物的抗逆性和抗病能力方面起著重要的作用。從表2可以看出，不同生態(tài)修復(fù)模式下，不管是土壤全鉀含量還是速效鉀含量均與對照荒草地?zé)o顯著差異；但從數(shù)值來看，荒草地下土壤鉀含量反而略高于各生態(tài)修復(fù)模式，如荒草地速效鉀含量達到了中上水平，而5種修復(fù)模式中除側(cè)柏+苜蓿外均屬于中下水平，其原因可能在于植被修復(fù)條件下對土壤鉀的消耗大于荒草地。

綜上，在豫西低山丘陵區(qū)采用林草復(fù)合的植被修復(fù)措施對于土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷含量具有顯著的提升作用，而對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。

2.3 不同植被修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分綜合評價

為了綜合評價豫西低山丘陵區(qū)林草復(fù)合的植被修復(fù)模式土壤養(yǎng)分水平，借助主成分分析法計算了不同修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分指數(shù)SNI（圖2）。從圖2可以看出，豫西低山丘陵區(qū)荒草地土壤養(yǎng)分指數(shù)僅為1.36，土壤養(yǎng)分處于低水平；不同修復(fù)模式均能提高土壤養(yǎng)分指數(shù)，從而使土壤養(yǎng)分均達到中下水平。各植被修復(fù)模式之間，土壤養(yǎng)分指數(shù)從大到小依次為側(cè)柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿，表明側(cè)柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)較好。與荒草地對比，側(cè)柏+苜蓿模式下土壤養(yǎng)分水平提高了19.12%，而苜蓿草地模式土壤養(yǎng)分水平提高最小，僅為8.09%。

利用前文介紹的方法，對不同坡位土壤養(yǎng)分指數(shù)進行計算。從圖3可以看出，無論是植被生態(tài)修復(fù)模式還是對照，土壤養(yǎng)分指數(shù)均從坡上向坡下增加。這是由于研究區(qū)水土流失問題嚴重，在上坡位降水容易產(chǎn)生徑流，造成坡面表層土壤養(yǎng)分流失，土壤養(yǎng)分含量降低；下坡位的土壤侵蝕較上坡位輕，并能承接上坡位來的徑流和土壤養(yǎng)分，從而使土壤養(yǎng)分含量增加。

不同坡位荒草地土壤養(yǎng)分指數(shù)均為最低。坡上位土壤養(yǎng)分指數(shù)極差僅為0.09，表明荒草地和植被修復(fù)模式土壤養(yǎng)分水平在坡上位并無明顯差異。而坡中上、坡中下、坡下土壤養(yǎng)分指數(shù)最大的植被修復(fù)模式均為側(cè)柏+苜蓿，與荒草地差值分別為0.38、0.43、0.27，表明荒草地和植被修復(fù)模式在坡中位和坡下位土壤養(yǎng)分差異明顯。這是因為坡面上植被修復(fù)措施能夠有效阻止土壤侵蝕，從而達到保持土壤養(yǎng)分效果，在坡中位、坡下位表現(xiàn)尤為明顯。上述結(jié)果說明，坡面上側(cè)柏+苜蓿模式在保持土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)較好。

3 結(jié)論與討論

我國大面積的荒山荒坡由于嚴重的水土流失，土層淺薄，土壤貧瘠，土壤極度退化[12]。在豫西低山丘陵區(qū)荒草地土壤養(yǎng)分除速效鉀外，其他各養(yǎng)分含量均偏低，土壤養(yǎng)分指數(shù)僅為1.36，說明該區(qū)荒草地土壤養(yǎng)分處于低水平。

土壤養(yǎng)分是林木植被生長的基礎(chǔ)，土壤肥力水平直接影響林木生長發(fā)育[4]，而植被修復(fù)是保持水土、改善生態(tài)環(huán)境的重要手段，是生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要內(nèi)容。以往研究表明，荒山荒坡的治理和改良應(yīng)以固氮植物作為先鋒植物，不僅可以改善土壤肥力和保持水土，而且固氮植物生長一定時間之后，實施造林成功率會大為提高[12]。將具有固氮作用的紫花苜蓿引入以鄉(xiāng)土樹種為主的林草復(fù)合的植被修復(fù)模式中，是對豫西低山丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)的嘗試和創(chuàng)新[13]。以荒草地為對照，豫西低山丘陵區(qū)不同林草復(fù)合的植被修復(fù)模式對于土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷含量均有顯著的提升作用，但對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。在植被恢復(fù)初期土壤有機質(zhì)恢復(fù)較快，但植被恢復(fù)一定時期后，土壤有機質(zhì)含量則趨于穩(wěn)定[7]，這是因為在恢復(fù)前期，植被生長更新快，有利于有機質(zhì)累積，提高土壤質(zhì)量效果較好。土壤氮素多來源于有機質(zhì)分解，諸多研究證明土壤全氮含量與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系[14-15]，因而植被恢復(fù)過程中土壤全氮含量變化趨勢與有機質(zhì)含量變化規(guī)律一致。但是由于植被生長過程中吸收同化作用顯著，使土壤中速效氮含量并未得到顯著提升。土壤磷素、鉀素除受母質(zhì)中礦物成分和有機質(zhì)積累情況的影響[16]，還與水土流失狀況有關(guān)[10]。林草復(fù)合植被修復(fù)模式提升了地表植被覆蓋度，有效減少水土流失量，因而土壤磷素含量顯著提升；但是由于豫西低山丘陵區(qū)土壤鉀素本底值較高，植被生長反倒使荒草地下土壤鉀肥含量略高于各生態(tài)修復(fù)模式。

由于土壤肥力形成機制的復(fù)雜性，不同學(xué)者對土壤肥力內(nèi)涵和外延理解不同，因此土壤肥力評價方法和評價指標(biāo)也不一致[11]。但是對土壤養(yǎng)分進行綜合評價已成為區(qū)域生態(tài)建設(shè)與環(huán)境恢復(fù)的一項重要內(nèi)容[17-19]。本研究中，低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)試驗示范基地建成4年后，不同林草復(fù)合植被修復(fù)模式下土壤養(yǎng)分指數(shù)大小依次為側(cè)柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿草地，表明側(cè)柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養(yǎng)分方面表現(xiàn)較好。與荒草地對比，側(cè)柏+苜蓿模式下土壤養(yǎng)分水平提高了19.56%，而苜蓿草地模式土壤養(yǎng)分水平提高最小，僅為8.33%。黃土丘陵區(qū)的研究表明，人工林土壤養(yǎng)分的恢復(fù)是一個漫長過程，至少需27年才能達到中等及以上養(yǎng)分水平[16]。綜合本研究結(jié)果，豫西低山丘陵區(qū)土壤貧瘠，養(yǎng)分有效性差，盡管林草復(fù)合的植被修復(fù)方式能夠使土壤養(yǎng)分得到一定程度恢復(fù)，但是其必然是一個漫長過程。因而從土壤肥力恢復(fù)的角度對該區(qū)植被修復(fù)模式樹種的合理配置以及管理都需要進一步研究。

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