石漠化治理區(qū)主栽經(jīng)果林地土壤肥力診斷與評價

肖 杰，劉子琦，李開萍，文雅琴，陳 海

（貴州師范大學(xué)喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴陽 550001）

區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的耦合協(xié)同，是當(dāng)前石漠化治理的基礎(chǔ)理論、技術(shù)、發(fā)展模式成熟化的結(jié)果之一，也是對石漠化技術(shù)體系凝練與深化，推動石漠化治理邁出的重要一步[1]。在石漠化地區(qū)發(fā)展適宜品種的混農(nóng)林業(yè)，是石漠化治理技術(shù)體系中植被恢復(fù)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，也是將生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的相結(jié)合的技術(shù)手段之一，受石漠化治理后恢復(fù)的土壤，既是重建喀斯特生態(tài)系統(tǒng)和提供植被生長的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]，又是加速碳酸鹽巖的成土速率的傳輸介質(zhì)[3]?；燹r(nóng)經(jīng)果林治理模式下的林地土壤肥力，其強(qiáng)弱關(guān)系到石漠化植被群落演替程度、石山綠化效果及農(nóng)戶種植產(chǎn)出的提升。發(fā)展經(jīng)濟(jì)林是維持生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏模式，其土壤肥力的恢復(fù)是石漠化生態(tài)治理恢復(fù)的重要組成部分，而維持和提升土壤肥力程度是石漠化土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)[4-7]，因此，需要對石漠化治理區(qū)主栽品種林地的土壤肥力水平的高低，進(jìn)行深入的探討診斷和綜合評價，為了解林地的土壤養(yǎng)分狀況、指導(dǎo)林地水肥調(diào)控、林地合理經(jīng)營提供參考依據(jù)。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是一種常用的土壤肥力評價方法，可對農(nóng)田、草地以及城市綠地進(jìn)行土壤肥力評價[9]，該方法對土壤肥力中眾多指標(biāo)的最大值與平均值進(jìn)行了考量[8]，但在進(jìn)行土壤肥力評價中存在一定的問題，為客觀反映石漠化治理區(qū)主栽品種林地土壤肥力狀況，對傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)，使得求算土壤肥力評價計算過程更加簡單，評價結(jié)果真實(shí)可靠。目前石漠化地區(qū)土壤肥力評價有關(guān)成果主要集中于：以最小數(shù)據(jù)集的確立進(jìn)行評價植被恢復(fù)下的土壤質(zhì)量[10]；采取主成分分析評價石漠化演替過程中土壤肥力[11]；運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重，評價石漠化區(qū)人工種草治理后的土壤肥力[12]；采取模糊數(shù)學(xué)方法，分別評價石漠化治理區(qū)耕作層和縣域尺度的耕地土壤養(yǎng)分狀況[13-14]。本文選擇石漠化治理區(qū)中的朝營小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過對照全國第二次土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行主栽品種林地土壤肥力診斷，運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法，對主栽品種林地土壤肥力豐缺程度進(jìn)行診斷和評價，以期有針對性地為石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地土壤肥力水平提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇喀斯特高原山地的畢節(jié)撒拉溪朝營小流域作為研究區(qū)，朝營小流域位于貴州省西北部，畢節(jié)市六沖河流域支流區(qū)內(nèi)，經(jīng)緯度為東經(jīng)105°02′～105°08′，北緯 27°11′～27°16′。境內(nèi)分布二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖，是流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤主要分布為地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風(fēng)化石灰土。氣候與地貌類型分別為亞熱帶溫涼干旱氣候和喀斯特高原山地。年均氣溫15.3℃，年平均總降水1 124 mm。研究區(qū)域遍布的石漠化等級主要為潛在等級和輕度等級，該地區(qū)潛在與輕度等級石漠化面積占石漠化總面積的53.17%，中度與強(qiáng)度等級石漠化面積占石漠化總面積的11.66%，非石漠化面積占石漠化總面積的35.17%。小流域內(nèi)裸巖分布于較陡的坡地上，巖石裸露部分較少，石旮旯中伴有殘土覆蓋。當(dāng)?shù)匦纬傻闹脖活愋椭饕刑烊灰吧脖淮蟀锥霹N（Rhododendron decorum）、十大功勞（Mahonia fortunei）、金絲桃（Hypericum monogynum）等藤刺灌叢，以及少有分布的青岡（Cyclobalanopsis glauca）、云南松（Pinus yunnanensis）等喬木林。經(jīng)濟(jì)作物則以刺梨（Rosaroxbunghii）、核桃（Juglans regia）為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2017年4月對朝營小流域石漠化治理區(qū)進(jìn)行野外踏勘，選取小流域內(nèi)主要栽種的品種刺梨、核桃林地的土壤為研究對象。再對兩類林地分別劃分為9個20 m×20 m的細(xì)分樣地，取樣點(diǎn)布設(shè)方法為S形法，取樣土層為地表土（0～20 cm），各取3個點(diǎn)，所取土樣混合均勻?yàn)? kg。樣地信息詳情如表1所示。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)土壤樣品分析

將采集后的土樣帶回國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除石塊和雜質(zhì)后使用瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm土壤篩，取得待測土壤樣品，用于測定土壤肥力指標(biāo)。測定土壤肥力指標(biāo)為土壤pH值，其采用玻璃電位法，土壤有機(jī)質(zhì)則采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤全氮則使用全自動凱氏定氮儀進(jìn)行滴定、土壤全磷測定采用氫氧化鈉熔融——鉬銻抗比色法，土壤全鉀分析使用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法，土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提—紫外分光光度計法、乙酸銨浸提—火焰光度法。8個指標(biāo)樣品分析方法見參考文獻(xiàn)[15]，分析測定土壤樣品數(shù)據(jù)采取針對各指標(biāo)進(jìn)行3次平行測定，結(jié)果取其平均值。

表1 研究區(qū)樣地基本情況表Table 1 Sample plots of the study area

1.2.3 土壤評價方法

采用Microsoft Excel 2016對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)后內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的計算[8，16]，運(yùn)用SPSS22.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計及單因素方差分析。為消除各參數(shù)間量綱的差別，對上述指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。計算公式如下：

式中：pi表示為分肥力系數(shù)；ci表示為該土壤肥力指標(biāo)測定值。分級標(biāo)準(zhǔn)值（xa，xc，xp）（見表 2）主要參照全國第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)確立[17]（見表3）。參考前人研究[18]對土壤pH值確立標(biāo)準(zhǔn)分級，可以使同一種參數(shù)間的可比性較強(qiáng)，同一級別各屬性的分肥力系數(shù)比較接近，可比性高，當(dāng)測定的指標(biāo)值超過豐富標(biāo)準(zhǔn)時，分肥力系數(shù)不再提高，從而反映出作物對土壤屬性的要求不是越高越好的實(shí)際情況，同時繼續(xù)培肥也不能使作物出現(xiàn)增產(chǎn)的可能性。

表2 土壤肥力各屬性分級標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 The grading standard value of soil fertility attributes

表3 全國土壤二次普查分類標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The second national classification standard of soil survey

對內(nèi)梅羅公式進(jìn)行改進(jìn)加以計算：

式中：p表示為綜合肥力系數(shù)；與pimin分別表示該土壤點(diǎn)各指標(biāo)分肥力系數(shù)中的平均值和最小值；n為參與評價的土壤指標(biāo)數(shù)量。為改進(jìn)上述公式采用pimin代替原內(nèi)梅羅公式中的pimax，突出土壤指標(biāo)中某個最差指標(biāo)值對肥力的影響，以及評價結(jié)果的可信度，增加了修正項(xiàng)（n-1）/n。根據(jù)公式（1）和公式（2）所得的土壤肥力系數(shù)，按表4進(jìn)行土壤肥力分級。

表4 土壤綜合肥力等級Table 4 The soil comprehensive fertility grade

2 結(jié)果與分析

2.1 石漠化治理區(qū)刺梨、核桃林地土壤肥力指標(biāo)診斷

2.1.1 土壤pH值

土壤的pH值對推動土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、維持其存在形式和有效性，甚至對微生物的生存和活動具有極大作用[19]。由表5可知，石漠化治理區(qū)主栽品種刺梨和核桃的林地土壤pH值狀況不平衡，差異較明顯（P＜0.05）。其中刺梨林地和核桃林地的土壤pH值變幅分別為5.23～6.75和5.89～6.87之間，總體上處于現(xiàn)有文獻(xiàn)[23]所確定的大多數(shù)作物土壤生長的適宜范圍，但在對比兩類林地，刺梨林地土壤pH值呈弱酸性并低于核桃林地。

2.1.2 土壤全氮和堿解氮

受氣候變化、植被覆蓋和人為耕作措施等的影響，土壤氮素是限制植物生長的重要元素之一，其與土壤有機(jī)質(zhì)含量有密切的相關(guān)性[20]。由表5可知，就兩類樣地的土壤全氮平均含量來看，變幅分別為2.04～3.17 g/kg和 1.37～2.66 g/kg，存在顯著差異（P＜0.05）。其中全氮含量最多的為刺梨林地，達(dá)3.17 g/kg；而核桃林地土壤全氮變幅較大，最小為1.37 g/kg。根據(jù)表3的參考標(biāo)準(zhǔn)，總體上兩地土壤全氮均值處于高和極高水平。刺梨和核桃林地堿解氮的平均含量變幅，分別在95.14～129.50 mg/kg和97.63～113.18 mg/kg，總體上表現(xiàn)刺梨林地堿解氮變異系數(shù)高于核桃林地（10.92%＞4.60%），充分表現(xiàn)為核桃林地堿解氮含量變幅趨于平穩(wěn)。將兩地堿解氮含量均值對照表3的參考標(biāo)準(zhǔn)分別為中上等水平和高水平。

2.1.3 土壤全磷和速效磷

土壤磷素作為植物生長所必需的大量元素之一，在一定程度上表現(xiàn)出與土壤pH構(gòu)成一定的密切相關(guān)性[21]。由表5可知，兩地的土壤全磷含量變幅較為一致，其全磷含量均值達(dá)到了土壤肥力分級參考標(biāo)準(zhǔn)上的中上等水平。速效磷含量可反映植物對土壤中磷的吸收情況，刺梨林地和核桃林地的速效磷含量變幅分別在 15.41～20.59 mg/kg、21.17～31.96 mg/kg，并存在顯著差異（P＜0.05）。核桃林地變異系數(shù)高于刺梨林地變異系數(shù)（9.55%＜13.74%），核桃林地的速效磷含量分布差異較大。兩類林地速效磷含量均值分別為17.70 mg/kg和26.44 mg/kg，參照分類標(biāo)準(zhǔn)后發(fā)現(xiàn)，刺梨林地速效磷處于中上等水平，而核桃林地速效磷處于高水平。這表明石漠化治理區(qū)主栽品種刺梨和核桃林地在土壤磷素利用上還有提升和保持的空間。

表5 刺梨與核桃林地整體土壤肥力描述性統(tǒng)計Table 5 Descriptive statistics of overall soil fertility in the woodland Rosaroxbunghii and Juglans regia

2.1.4 土壤全鉀和速效鉀

土壤鉀素多以礦物態(tài)鉀而存在，受土壤母質(zhì)、水熱條件和土壤發(fā)育程度以及陪伴離子等影響較大[22]。從表5可知，刺梨林地和核桃林地土壤全鉀含量變幅分別在 5.37～8.32 g/kg、5.64～6.94 g/kg，存在明顯差異（P＜0.05）。其中刺梨林地變異系數(shù)（14.83%）高于核桃林地變異系數(shù)（7.29%），這表明刺梨林地土壤全鉀含量分布不均衡，而核桃林地全鉀含量分布趨于穩(wěn)定。再次根據(jù)表3的參考標(biāo)準(zhǔn)，兩類林地土壤全鉀均值含量較低且處于低水平。刺梨林地和核桃林地的速效鉀含量變幅分別67.28～96.41 mg/kg和80.18～102.14 mg/kg，其中核桃林地速效鉀變幅高于刺梨林地。兩地的速效鉀均值分別為81.93 mg/kg和92.20 mg/kg，處于中下等的水平，說明石漠化治理區(qū)主栽品種林地中存在土壤缺鉀的問題。

2.1.5 土壤有機(jī)質(zhì)

作為土壤中最重要的組成部分，土壤有機(jī)質(zhì)是決定土壤生產(chǎn)力的重要因素。土壤有機(jī)質(zhì)是由不同動、植物和微生物殘體腐敗分解而組成[23]。兩類林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量變幅在36.23～47.64 g/kg、40.25～52.46 g/kg，總體上差異不大。兩類林地的土壤有機(jī)質(zhì)均值含量分別為42.32 g/kg和44.02 g/kg。根據(jù)表3的參考標(biāo)準(zhǔn)為高水平以上。

綜上所述，從土壤肥力指標(biāo)含量看，除土壤pH、土壤鉀素之外，其他指標(biāo)含量相對較高，土壤pH表現(xiàn)為弱酸性，但在所處的土壤環(huán)境條件下，是適宜兩類林地果樹生長的酸堿度范圍，同時兩類林地面臨共同的問題是缺乏土壤鉀素，為進(jìn)一步維持土壤養(yǎng)分和促進(jìn)果樹生產(chǎn)，應(yīng)及時補(bǔ)充鉀素。

2.2 石漠化治理區(qū)土壤肥力綜合評價

由表6分析結(jié)果可見，石漠化治理區(qū)刺梨林地和核桃林地的土壤綜合肥力系數(shù)變幅在1.36～1.49之間，平均值為1.42±0.03，其變異系數(shù)為2.11%，兩類林地之間的土壤肥力程度差異不明顯（P＞0.05）。對照土壤肥力分級參考標(biāo)準(zhǔn)，兩類林地的最低土壤綜合肥力系數(shù)分別為1.36和1.38，其土壤綜合肥力系數(shù)表現(xiàn)為一般水平。由此可見，總體上兩類林地的土壤綜合肥力處于肥力等級的3級水平。從表6可知，以土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀8個土壤肥力性質(zhì)指標(biāo)的平均分肥力系數(shù)值分 別 為 2.59、2.82、1.85、0.62、2.97、1.85、2.08、1.37。其中以土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效磷的平均分肥力系數(shù)值為最高，可以作為該石漠化治理區(qū)兩類林地土壤肥力組成部分的重要影響因子。同時以土壤全鉀、土壤速效鉀的平均分肥力系數(shù)為最小，可作為該石漠化治理區(qū)兩類林地土壤肥力的限制因子。這表明經(jīng)營的刺梨和核桃林地，其土壤肥力中的全鉀和速效鉀較為缺乏，應(yīng)注意采取措施及時補(bǔ)施鉀肥。

表6 刺梨與核桃林地整體土壤綜合肥力系數(shù)Table 6 Soil comprehensive fertility coefficient of the woodland Rosaroxbunghii and Juglans regia

3 結(jié)論與討論

對研究區(qū)刺梨和核桃林地的土壤綜合肥力進(jìn)行評價，總體上兩類林地土壤綜合肥力系數(shù)變幅在1.36～1.49之間，處于一般水平。表明該石漠化治理區(qū)所處的地帶性黃壤，較非地帶性的石灰土具有更好的肥力水平。這與有關(guān)研究結(jié)果較為一致[24]，同時說明當(dāng)前采取以刺梨和核桃經(jīng)果林的混農(nóng)林業(yè)治理模式，并沒有降低土壤肥力，反而對土壤肥力水平有提升的空間。研究區(qū)位于高原山地地貌的喀斯特發(fā)育滯后區(qū)，受“長珠流域防護(hù)工程”的影響下，天然與人工的植被保護(hù)較好，現(xiàn)階段石漠化裸露面積較少，以潛在-輕度等級石漠化為主。由于土壤肥力是在母質(zhì)基巖與其周圍環(huán)境條件，發(fā)生物質(zhì)能量的循環(huán)交換，產(chǎn)生土壤腐殖質(zhì)與黏土礦物，出現(xiàn)具有肥力特性的土壤[25]，而種植經(jīng)果林枯落物在土壤中降解為腐殖質(zhì)，改善土壤并提高肥力水平具有重要的作用。本研究采取坡度水土保持模式種植刺梨，巧妙地利用了刺梨根系發(fā)達(dá)固土的作用，核桃果林多種植在較為平坦的侵蝕臺地中，在汲取充足的光源情況下，多以枯落物養(yǎng)分的輸入，為加速土壤腐殖質(zhì)的產(chǎn)生，對改善土壤土粒結(jié)構(gòu)帶來可能。

石漠化治理區(qū)刺梨和核桃林地土壤肥力各指標(biāo)的診斷，吻合內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法篩選的重要影響因子和限制性因子。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)以土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷是刺梨和核桃林地土壤肥力的重要影響因子，以土壤全鉀和速效鉀是刺梨和核桃林地土壤的限制性因子。土壤全氮在兩類林地中處于高-極高水平之間，且全氮含量達(dá)到肥沃的水平，與他人的研究結(jié)果一致[26]。這是由于研究區(qū)分布大片豆科類固氮植物，構(gòu)成根系固氮的作用，使土壤氮素聚集于根系附近。此外大氣氮沉降作用[27]也不容忽視，石灰性土壤比非石灰性土壤具有更高吸納氮能力[28]，增加了氮素在土層表面的匯集與輸入。土壤有機(jī)質(zhì)含量處于高與極高水平，與長期以來采取混農(nóng)經(jīng)果林治理模式，形成刺梨和核桃林地有機(jī)質(zhì)的積累密不可分，由于兩類林地的枯枝落葉刺激微生物活性激發(fā)分解效應(yīng)，誘發(fā)加速土壤原有有機(jī)物質(zhì)合成礦化有關(guān)[5]。土壤速效磷是植物可利用的部分，在本研究中其含量處于中上與高水平之間，受兩類林地枯落物的礦化及土壤礦質(zhì)顆粒的風(fēng)化作用，可能是兩類林地磷素豐富的來源。土壤全鉀和速效鉀含量較低，這與有關(guān)研究的結(jié)果相一致[29]，分別說明土壤有機(jī)質(zhì)的積累構(gòu)成全鉀含量的相對減少，在富含有機(jī)質(zhì)的土壤下，速效鉀的含量較少是受鹽基飽和度的干擾所致[30]，因此要注重鉀肥的施用，以免鉀素缺乏構(gòu)成植物生長不利。此外，兩類林地土壤pH值偏酸性，表明枯落物在分解過程中產(chǎn)生有機(jī)酸對土壤構(gòu)成淋溶作用。植被覆蓋較高的區(qū)域，土壤中微生物群落豐富，其死亡后的殘體被分解成有機(jī)酸性物質(zhì)，同時釋放H+離子運(yùn)移在土壤中有關(guān)[19]。