植被重建對(duì)沙地采伐跡地土壤肥力的作用研究

王 婷，呂 剛，王道涵，王 凱，彭 舒

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

植被重建對(duì)沙地采伐跡地土壤肥力的作用研究

王 婷，呂 剛，王道涵，王 凱，彭 舒

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

以植被重建后的科爾沁沙地為研究對(duì)象，采用野外采樣與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析相結(jié)合的方法，對(duì)其南緣樟子松固沙林采伐跡地上的更新樹(shù)種林下土壤特性演變特征進(jìn)行研究，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法，選用7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)植被重建后土壤肥力特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，植被重建后，土壤肥力各指標(biāo)均有所提高，其中五角楓林地有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀增幅最大，紅刺榆林地堿解氮、全鉀增幅最大，彰武松、樟子松林地全磷、有效磷增幅最大；4種植被重建類(lèi)型對(duì)土壤肥力的綜合改良效果為五角楓（0.8735）＞彰武松（0.6494）＞紅刺榆（0.5618）＞樟子松（0.4814），該評(píng)價(jià)結(jié)果可為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供一定參考。

樟子松固沙林；采伐跡地；植被重建；評(píng)價(jià)指標(biāo)；土壤肥力質(zhì)量

土壤肥力是土壤本質(zhì)特征的反映，是植物生長(zhǎng)必需的機(jī)械支撐與養(yǎng)分源泉［11-12］，其質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有直接的影響［13］，因此選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。單純運(yùn)用有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量或作物產(chǎn)量作為衡量土壤肥力高低的標(biāo)準(zhǔn)［14］，忽略了影響土壤肥力的各因子間的協(xié)調(diào)作用，不能科學(xué)、準(zhǔn)確地反應(yīng)土壤肥力質(zhì)量狀況。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，可標(biāo)準(zhǔn)化、定量化評(píng)價(jià)土壤肥力［15］，用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的土壤肥力作出總體評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀，符合實(shí)際情況。土壤肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)科爾沁沙地進(jìn)一步進(jìn)行植被重建樹(shù)種的選育有一定的參考價(jià)值，對(duì)防治該地區(qū)土地進(jìn)一步沙化具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省固沙造林研究所章古臺(tái)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)萬(wàn)畝林工區(qū)（42°43′N(xiāo)，122°22′ E），位于科爾沁沙地東南端，分為流動(dòng)沙地、半流動(dòng)和固定沙地。該區(qū)屬溫和半濕潤(rùn)的季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，年均氣溫6.0℃，干旱多風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)25 m/s，無(wú)霜期154 d，該地區(qū)降水年際變化也很大，最大年降水量為744.8 mm，最小年降水量為262.3 mm，年均降水量500 mm左右，且多集中于6～8月份。研究區(qū)植被為蒙古植物區(qū)系、華北植物區(qū)系和長(zhǎng)白植物區(qū)系的交替地帶，多為抗旱性較強(qiáng)的沙生植物，地帶性植被主要有差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、小黃蒿（Artemisia annua）、綠珠藜（Chenopodium acuminatum）、狗尾草（Setaria viridis）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、細(xì)葉胡枝子（Lespedeza hedysaroides）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、羊草（Leymus chinensis）、中華隱子草（Cleistogenes chinessis）等，林地主要造林樹(shù)種為樟子松、彰武松、油松（Pinus tabuliformis）、山杏（Prunus sibirica）、小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、彰武小鉆楊（Populus xiaozhuanica W.Y.Hsuet L.cv.Zhangwu）、紅刺榆、白丁香（Syringa oblata）、五角楓等。

1.2 樣方設(shè)置

在章古臺(tái)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)萬(wàn)畝林工區(qū)選取五角楓、樟子松、彰武松和紅刺榆4種植被重建類(lèi)型（林齡均為13年生）及采伐后未進(jìn)行更新的跡地（荒地）為研究對(duì)象。在每個(gè)樣地下設(shè)置面積20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個(gè)樣地隨機(jī)確定3個(gè)取樣點(diǎn)，樣地基本情況見(jiàn)表1。

1.3 土樣采集及理化性質(zhì)分析

野外采樣于2014年7月開(kāi)展，對(duì)5個(gè)樣地的土壤在1 m×1 m范圍內(nèi)采集0～20 cm土樣，樣品采集后混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤性質(zhì)的測(cè)定。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定，全氮用重鉻酸鉀-硫酸消化、凱氏定氮法測(cè)定，全磷用NaOH熔融后鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀用火

焰光度計(jì)測(cè)定，堿解氮采用擴(kuò)散皿中加FeS04和NaOH、水解反應(yīng)后用酸滴定，速效磷采用碳酸氫鈉浸取、鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀用醋酸銨浸取后火焰光度計(jì)測(cè)定［16］。

表1 不同植被恢復(fù)類(lèi)型林分生長(zhǎng)狀況

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量變化

研究不同植被恢復(fù)類(lèi)型林下土壤養(yǎng)分含量，可以得出植被恢復(fù)對(duì)土壤肥力的影響狀況［17］，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供可靠依據(jù)。本研究選取與土壤肥力密切關(guān)系的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀等指標(biāo)，分析植被重建13年后，不同植被類(lèi)型林下相比采伐跡地土壤養(yǎng)分含量變化狀況。不同植被類(lèi)型下土壤養(yǎng)分含量見(jiàn)表2。從表2可以看出，不同植被重建類(lèi)型林下土壤有機(jī)質(zhì)含量相較于采伐跡地增加幅度排序?yàn)槲褰菞鳎?3.25%）＞彰武松（64.42%）＞紅刺榆（43.56%）＞樟子松（38.65%）。五角楓林地有機(jī)質(zhì)含量最高可能是由于林地的枯落物較多，覆蓋于地面，枯落物的分解及微生物的作用使有機(jī)質(zhì)含量提高，另一方面可能是林地樹(shù)木及草本植物的根系分泌物的作用。此外，植被重建后根系的固土作用以及林木及地表枯落物的攔截降水能力增強(qiáng)，減少了養(yǎng)分的流失。有學(xué)者提出，植被降塵及攔截風(fēng)蝕顆粒物質(zhì)也有利于有機(jī)質(zhì)在土壤表層的積累［9］。

表2 不同植被類(lèi)型土壤養(yǎng)分含量

與土壤有機(jī)質(zhì)含量相同，不同植被重建類(lèi)型林下土壤全氮含量增加幅度最大的為五角楓林地，相較于采伐跡地提高24.14%，已有研究表明，氮素的主要來(lái)源是有機(jī)質(zhì)［18］，因此本研究中各植被類(lèi)型下土壤中氮素的提高與林下有機(jī)質(zhì)含量的增加有密切關(guān)系；土壤堿解氮與植物生長(zhǎng)有密切關(guān)系，相比衡量土壤氮素基礎(chǔ)肥力的全氮，變化較大，彰武松林地相比采伐跡增幅最小，為77.40%。

植被重建后，采伐跡地對(duì)全磷含量的影響效果不明顯，土壤全磷含量相比采伐跡地增加不顯著，彰武松林地全磷含量增幅最大，僅為15.79%，可見(jiàn)植被恢復(fù)對(duì)全磷含量的影響是一個(gè)長(zhǎng)期而緩慢的過(guò)程。紅刺榆林地有效磷含量72.00%，相較于采伐跡地增幅最小，可能是因?yàn)橥翗硬杉瘯r(shí)正好為果實(shí)生長(zhǎng)成熟期，而果實(shí)的生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分有一定消耗。

鉀能增強(qiáng)植物對(duì)各種不良狀況如干旱、低溫、含鹽量、病蟲(chóng)危害等的忍受能力，樟子松林地土壤全鉀、速效鉀含量相較于采伐跡地增幅均最小，可見(jiàn)樟子松林地耐受力較其他林地差。

2.2 土壤肥力特性綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 確定土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重 利用有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀7個(gè)指標(biāo)測(cè)定值，分析得出各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣，通過(guò)計(jì)算各因子與其他因子相關(guān)系數(shù)的平均值，求出該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值之和的百分率即得各項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重Wi，相關(guān)系數(shù)矩陣與各肥力指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3、表4。

2.2.2 確定指標(biāo)隸屬度 由于各土壤肥力指標(biāo)對(duì)土壤的作用效果不一致，在計(jì)算土壤肥力綜合指標(biāo)時(shí)需要將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化［19］，以此得出表征各肥力質(zhì)量指標(biāo)的狀態(tài)值的隸屬度值。本研究中隸屬度函數(shù)屬S型，指標(biāo)數(shù)值與評(píng)價(jià)對(duì)象呈正相關(guān)關(guān)系，到一定臨界值之后趨于恒定。對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)如下，

式中，x1、x2分別為該指標(biāo)的最小值和最大值。通過(guò)上式計(jì)算出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度值Ni在

0.1～1.0之間，當(dāng)隸屬度為最大值1.0時(shí)，表示土壤肥力指標(biāo)完全適合植物生長(zhǎng)，反之，最小值0.1則代表土壤肥力指標(biāo)嚴(yán)重缺乏，隸屬度值Ni見(jiàn)下表5。

表3 各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 各參評(píng)土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重

2.2.3 確定土壤肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)值 根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，計(jì)算土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值IFI，IFI=∑Wi×Ni，式中Ni為隸屬度值，Wi為權(quán)重系數(shù)。與隸屬度值相同，各項(xiàng)肥力指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值在0.1～1.0之間，從表5可以看出，采伐跡地肥力綜合評(píng)價(jià)值為0.1，肥力指標(biāo)嚴(yán)重缺乏，植被重建后四種林分下土壤肥力綜合指標(biāo)均顯著大于0.1，大小排序?yàn)椋何褰菞鳎?.8735）＞彰武松（0.6494）＞紅刺榆（0.5618）＞樟子松（0.4814）?？梢?jiàn)用模糊綜合評(píng)判法得出科爾沁沙地樟子松固沙林采伐跡地植被更新后相比采伐跡地土壤肥力質(zhì)量明顯提高。五角楓林地改良土壤肥力效果最佳，其林下土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀隸屬度值均達(dá)到了適合植物生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，全磷（0.85）、全鉀（0.2）、有效磷（0.67）和堿解氮（0.42）的隸屬度值與其他林地相比也較大，這可能是因?yàn)槲褰菞髁值氐乇砜萋湮镙^多且覆蓋地表，此外楓葉分解速度相比其他樹(shù)種快，枯落物的分解作用于土壤表層［20］有利于營(yíng)養(yǎng)元素的積累。曹文生等研究表明，樟子松和彰武松在科爾沁沙地南緣的章古臺(tái)地區(qū)都具有適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)量高的特點(diǎn)，適宜在該地種植［21］，相比之下，彰武松林全氮（0.81）、全磷（1）、全鉀（0.21）及速效鉀（0.4）隸屬度值均優(yōu)于樟子松林，故彰武松林地改良采伐跡地土壤的能力較樟子松強(qiáng)。彰武松是赤松和油松的天然雜交種［22］，與樟子松相比，彰武松更具有速生性、抗旱性、抗寒性和耐鹽堿性，特別是無(wú)明顯病蟲(chóng)害［23-24］，不易感染對(duì)樟子松造成嚴(yán)重危害的松枯梢病。與彰武松相同，紅刺榆具有抗旱、抗寒、耐瘠薄、防風(fēng)固沙等特點(diǎn)，是理想的生物圍欄和固定沙丘的良好樹(shù)種［25］，紅刺榆林地全鉀和堿解氮隸屬度值均為1，達(dá)到了適合植物生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，且全磷（0.7）和速效鉀（0.37）隸屬度值均高于樟子松林地，故紅刺榆林地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)值高于樟子松林地。

表5 各項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度值和IFI

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，樟子松固沙林采伐跡地植被重建后，土壤養(yǎng)分性質(zhì)相比采伐跡地明顯改善，五角楓林下有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀增幅最大，相比采伐跡地提高了93.25%、24.14%、48.14%；紅刺榆林地堿解氮、全鉀相比采伐跡地提高了217.40%、31.97%，相比其他林地增幅較大；各林地全磷含量提高均不顯著，彰武松林地相比采伐跡地最大提高了15.79%；樟子松林地有效磷含量3.9±2.58 mg/kg，較采伐跡地提高212.00%。

本研究4種植被重建類(lèi)型土壤肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)值依次為五角楓（0.8735）＞彰武松（0.6494）＞紅刺榆（0.5618）＞樟子松（0.4814），表明五角楓、彰武松、紅刺榆林地提高土壤肥力的能力較樟子松林地強(qiáng)，該地區(qū)植被恢復(fù)可優(yōu)先考慮五角楓和彰武松。

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（責(zé)任編輯 鄒移光）

Effects of vegetation restoration on soil fertility of cutting-blank sand

WANG Ting，LYU Gang，WANG Dao-han，WANG Kai，PENG Shu
（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

Horqin sandy land after vegetation restoration was selected as the research object，by using the field sampling investigation and laboratory testing method，the evolution characteristics of soil properties under the regeneration trees，which located in the Pinus sylvestris var. Mongolica forest of the south edge of Horqin sandy land，were studied. According to the fuzzy comprehensive evaluation，the soil organic matter，total nitrogen，total phosphor，total potassium，alkaline nitrogen，available phosphorus and available potassium were select to evaluate the soil fertility quality after vegetation restoration. The results showed that all the soil fertility indexes improved after vegetation restoration. The increment in soil organic matter，total nitrogen and available potassium of Acer mono，the increment in alkaline nitrogen and total potassium of Hemiptelea davidii and the increment in total soil phosphor，available phosphorus of P. densiflora and P. sylvestris was the maximum. The effect of comprehensive improvement of soil fertility for 4 types of vegetation restoration was in the order of A. mono （0.8735） ＞ P. densiflora （0.6494） ＞ H. davidii （0.5618） ＞ P. sylvestris （0.4814）. This result will provide scientific basis for the local ecological restoration.

Pinus sylvestris var. Mongolica；cutting-blank；vegetation restoration；evaluation index；soil fertility quality

S158.3

A

1004-874X（2016）10-0077-05

2016-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（31400613）

王婷（1992-），女，在讀碩士生，E-mail：18854802729@163.com

呂剛（1979-），男，博士，副教授，E-mail：lvgang2637@126.com

王婷，呂剛，王道涵，等. 植被重建對(duì)沙地采伐跡地土壤肥力的作用研究 ［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（10）：77-81.

荒漠化致使土地生產(chǎn)力下降，土壤肥力損失，加劇整個(gè)生態(tài)環(huán)境惡化，阻礙地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。科學(xué)的植被恢復(fù)重建及合理的植被恢復(fù)模式能控制土地進(jìn)一步沙化［1-2］，提高不同類(lèi)型沙地植被恢復(fù)潛力［3］，使荒漠化土地土壤特性經(jīng)過(guò)植被-土壤兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)雙重的交互影響后得以改良［4-5］?？茽柷呱车乜鐑?nèi)蒙古、遼寧、吉林等省區(qū)，總面積約13.7萬(wàn)km2，其中，內(nèi)蒙古

通遼市和遼寧阜新市受風(fēng)沙侵害較嚴(yán)重。為防止沙地侵蝕面積進(jìn)一步擴(kuò)大、減少流沙危害，遼寧省固沙造林研究所在1978年“三北”防護(hù)林體系工程建設(shè)的樟子松林地采伐跡地上進(jìn)行植被重建。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者針對(duì)科爾沁沙地的時(shí)空演變、土地利用格局以及植被恢復(fù)后物種多樣性改善、封育對(duì)植被恢復(fù)和土壤特性的影響及烏蘭敖都地區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤的改良效應(yīng)［6-10］進(jìn)行了相關(guān)研究，而關(guān)于樟子松固沙林采伐跡地植被重建13年后土壤養(yǎng)分含量變化及土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究較少。為此，我們以樟子松固沙林采伐跡地為對(duì)照，研究了植被重建后五角楓（Acer mono）、樟子松（Pinus sylvestris）、彰武松（Pinus densiflora）和紅刺榆（Hemiptelea davidii）林地土壤養(yǎng)分含量的改變，對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。