沙質(zhì)海岸防護林下土壤養(yǎng)分特征研究

任奕煒，衣華鵬，鐘小瑛

(魯東大學資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺 264025)

山東半島海岸線漫長曲折，是我國海岸線的重要組成部分。海岸帶防護林在防風固沙、阻擋海霧、防范海洋自然災(zāi)害等方面具有一定作用，但海岸帶防護林也面臨著物種單一、結(jié)構(gòu)單調(diào)、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題。由于人類活動影響，中國的沿海防護林也正受到破壞和退化的威脅，煙臺海岸帶防護林多種植于20世紀50年代左右，樹木老化帶來的防護效能降低問題不可避免。因此，海岸帶防護林的建設(shè)和保護顯得尤為重要。土壤為其上生長的植物提供養(yǎng)分，并且不斷為植物生長提供所需的肥力，前期研究表明，煙臺海岸帶防護林下土壤肥力較差，對煙臺海岸帶防護林下土壤養(yǎng)分的變化情況研究有利于海防林的可持續(xù)發(fā)展。土壤的質(zhì)量是多方面的綜合反映，對海防林的生長起著直接作用，與此同時還能夠反映土壤養(yǎng)分循環(huán)過程等。土壤肥力是對土壤各項性質(zhì)的綜合反映，運用主成分分析對土壤肥力進行評價，可將養(yǎng)分指標集中，以反映土壤的生態(tài)功能，能較為客觀地反映一個地區(qū)的土壤肥力情況。目前關(guān)于土壤養(yǎng)分研究和評價的研究大多集中在農(nóng)業(yè)土壤和內(nèi)陸森林土壤，對海岸帶防護林下的土壤養(yǎng)分研究較缺乏。通過對煙臺市海岸帶防護林下土壤養(yǎng)分的測定及綜合評價，旨在為海岸帶防護林的建設(shè)與養(yǎng)護提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

煙臺市地處膠東半島，位于119°34′—121°57′ E,36°16′—38°23′ N。氣候?qū)贉貛Ъ撅L性氣候，四季分明，全年平均氣溫約13.4 ℃，氣候宜人，全年平均降水約524.9 mm。地形為低山丘陵區(qū)，山丘起伏較為和緩，溝壑縱橫交錯。煙臺沿海防護林省級自然保護區(qū)總面積14 046.3 hm,其中核心區(qū)面積2 329.6 hm，緩沖區(qū)面積1 160.2 hm，實驗區(qū)面積10 556.5 hm，涉及芝罘區(qū)、萊山區(qū)、開發(fā)區(qū)、牟平區(qū)等11個市、區(qū)的沿海區(qū)域，主要造林樹種有赤松()、黑松()、麻櫟()、刺槐()等，林下灌木層主要有胡枝子()、牛奶子()，林下草本層有卵穗薹草()、馬齒莧()、刺沙蓬()等。林下土壤為濱海沙質(zhì)鹽土，土壤孔隙度較大，透水性和通氣性均較好，土壤容重大，黏結(jié)性、可塑性較差。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 于2020年5月對煙臺市芝罘區(qū)、開發(fā)區(qū)、萊山區(qū)、牟平區(qū)海岸帶防護林下的土壤進行樣品采集。芝罘區(qū)、萊山區(qū)、開發(fā)區(qū)的采樣點均位于保護區(qū)的實驗區(qū)內(nèi)，牟平區(qū)樣點均位于核心區(qū)內(nèi)。沿著垂直于高潮線方向，每間隔300 m設(shè)置一采樣點，由海向陸依次設(shè)置3個樣點(部分樣帶為2個樣點)，每個區(qū)域設(shè)5條采樣帶。防護林下的土壤均為濱海沙質(zhì)鹽土，發(fā)育程度差，尚未形成典型的發(fā)生層，故本次采集的土壤樣本均采自于表層0～20 cm的土壤。

1.2.2 樣品的測定 土壤pH的測定采用電位法，有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法。采用0.5 mol·LNaHCO浸提鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮，采用火焰光度計法測定土壤速效鉀。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 運用Microsoft Office Excel和SPSS 24進行數(shù)據(jù)處理，對各養(yǎng)分因子進行相關(guān)性分析和主成分分析，利用Oingin2018繪圖。

1.2.4 土壤養(yǎng)分分級和綜合評價 根據(jù)第二次全國土壤普查分級標準(表1)，對測定指標進行分級評價，而后用pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等5項指標作為評價依據(jù)對其進行土壤養(yǎng)分綜合情況的評價。

表1 土壤養(yǎng)分含量分級標準

標準化處理后的數(shù)據(jù)代入條件函數(shù)，采用改進后的內(nèi)梅羅公式進行土壤綜合指數(shù)計算。此處設(shè)定土壤為中性時質(zhì)量最佳，故pH須分情況代入條件函數(shù)。

土壤pH(pH>7.0)：

(1)

土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)及pH(pH<7.0)：

(2)

式中：為肥力系數(shù);為指標測定值;、、為土壤屬性分級標準(表2)

表2 土壤各屬性分級標準

將標準化處理后的指標，代入改進后的內(nèi)梅羅公式，進而計算出土壤養(yǎng)分的綜合指數(shù)，以對土壤養(yǎng)分的綜合狀況進行評價，改進后的公式為：

(3)

式中：為土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)；為土壤屬性的分系數(shù)；為屬性個數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 海防林下土壤養(yǎng)分情況及描述性特征

由圖1可知，煙臺市海防林下的土壤pH在4.74～8.97之間，平均值為6.16，開發(fā)區(qū)樣本的平均pH為6.39，屬于弱酸性土壤。芝罘區(qū)樣本的平均pH為6，屬于弱酸性土壤。萊山區(qū)和牟平區(qū)土壤樣本pH平均值分別為5.62和6.59，分別屬于弱酸性和中性，可以看出，煙臺市海岸帶防護林下土壤整體呈現(xiàn)弱酸性。

圖1 土壤各養(yǎng)分因子含量

芝罘區(qū)土壤樣本中有機質(zhì)含量的均值為3.7 mg·kg，屬于6級(極缺)。萊山區(qū)和牟平區(qū)的土壤樣本中，其有機質(zhì)含量的平均值分別為4.6 和22.7 mg·kg，分別歸屬于6級(極缺)和3級(中上)。綜上，煙臺市海岸帶防護林下土壤的有機質(zhì)含量處于比較低下的水平，且芝罘區(qū)和萊山區(qū)海防林下的土壤有機質(zhì)含量處于極缺乏水平。

4個區(qū)的海岸帶防護林下堿解氮的平均含量依次為牟平區(qū)>開發(fā)區(qū)>萊山區(qū)>芝罘區(qū)，牟平區(qū)的土壤堿解氮平均含量為6.44 mg·kg,最大值為12.6 mg·kg，低于土壤養(yǎng)分分級評價指標中的6級(極缺),表明煙臺海防林下的土壤氮含量極低。

煙臺海防林下土壤速效磷平均值為2.9 mg·kg，4個區(qū)的海岸帶防護林下速效磷的平均含量依次為牟平區(qū)>開發(fā)區(qū)>芝罘區(qū)>萊山區(qū)，其中，牟平區(qū)的土壤速效磷含量平均值為3.87 mg·kg,達到了5級(缺乏)，其余3區(qū)的速效磷平均含量均低于3 mg·kg，屬于6級(極缺)。芝罘區(qū)15號的樣本速效磷含量最高，達到了10 mg·kg,屬于3級(中上)水平。

4個區(qū)的海岸帶防護林下土壤速效鉀的平均含量依次為牟平區(qū)>開發(fā)區(qū)>芝罘區(qū)>萊山區(qū)，牟平區(qū)的平均速效鉀含量達到了184.87 mg·kg,屬于2級(豐富)水平。開發(fā)區(qū)和芝罘區(qū)的土壤速效鉀平均含量較為接近，分別為107.3和105.64 mg·kg，達到了3級(中上)水平，而萊山區(qū)的土壤速效鉀平均含量僅有35.71 mg·kg，只達到5級(缺乏)水平。

2.2 土壤各養(yǎng)分因子相關(guān)關(guān)系

對煙臺海防林下土壤各養(yǎng)分之間相關(guān)關(guān)系的分析表明(表3)，土壤pH與速效磷、速效鉀含量相關(guān)性極顯著，且為正向相關(guān)；與堿解氮、有機質(zhì)的含量相關(guān)性不顯著。土壤有機質(zhì)的含量與土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤堿解氮含量與速效磷、速效鉀含量之間分別呈顯著和極顯著正相關(guān)關(guān)系，且土壤速效磷又與速效鉀之間相關(guān)性極顯著，為正向相關(guān)。

表3 各養(yǎng)分因子相關(guān)關(guān)系

2.3 土壤養(yǎng)分及肥力評價

2.3.1 基于內(nèi)梅羅指數(shù)法的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)評價 運用公式(1)、公式(2)計算土壤肥力系數(shù)，將結(jié)果代入公式(3)計算出土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)，進而對煙臺市海防林下的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)進行分析。由圖2可知，土壤的堿解氮肥力系數(shù)最大值為0.21，且波動范圍小，說明整體上氮素缺乏；土壤速效磷肥力系數(shù)均值為0.58，出現(xiàn)1個異常值，但整體波動幅度不大，含量水平較低；土壤速效鉀肥力系數(shù)的范圍為0.18～3.0，平均值為1.77，與氮、磷元素相比土壤肥力系數(shù)更高，但波動范圍更大，說明鉀元素分布不均；土壤有機質(zhì)的肥力系數(shù)波動范為最大，平均值為1.03，屬于較低水平。土壤pH肥力系數(shù)范圍為1.03～3.00，分布也較均勻。

圖2 各指標土壤肥力系數(shù)圖

通過對煙臺市各區(qū)和總體土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)的計算，牟平區(qū)的養(yǎng)分綜合指數(shù)最高，為1.53。

根據(jù)表4，土壤養(yǎng)分評價為三級(一般)。其次是開發(fā)區(qū)和芝罘區(qū)，其土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分別為1.16和0.93，評價等級同為三級(一般)。土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)最低的為萊山區(qū)，其養(yǎng)分指數(shù)為0.69，處于第四級(貧瘠)。煙臺市海防林下土壤總體的土壤養(yǎng)分評價指數(shù)為1.17，屬于三級(一般)。

表4 土壤養(yǎng)分等級劃分標準

2.3.2 基于主成分分析的土壤肥力評價 首先在SPSS軟件中對數(shù)據(jù)進行標準化處理后，進行KMO和巴特利特球形度檢驗，檢驗結(jié)果：KMO值為0.669>0.6，球形度檢驗sig值<0.05，由此說明各指標之間存在相關(guān)性，可進行主成分分析。利用軟件中的主成分分析程序計算出各個主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率。根據(jù)特征值≥1，結(jié)合累計貢獻率達到85%，提取了3個主成分。由表5可知，3個主成分的貢獻率分別為53.464%、23.341%和10.791%，累計貢獻率達到了87.596%，可以基本反映土壤的肥力狀況。

表5 主成分特征及累計貢獻

由表6可知，第1主成分受到土壤有機質(zhì)和堿解氮的影響較大；第2主成分中土壤pH、堿解氮、速效鉀為較大的正值，可以反映出酸堿度、氮元素和鉀元素對土壤養(yǎng)分的影響；在第3主成分中，速效磷的主成分載荷較高，達到了0.930，可見，在第3主成分中，主要反映速效磷對土壤肥力的影響。

表6 因子載荷值和主成分得分系數(shù)

用X、 X、 X、 X、 X分別代表、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀，并利用公式計算出不同主成分綜合得分的表達式為：

F=0.380X+0.456X+0.437X+

0.448X+0.508X

F=0.613X-0.467X-0.549X+

0.233X+0.227X

F=0.334X+0.052X+0.113X-

0.861X+0.366X

將標準化處理后的數(shù)據(jù)分別代入3個表達式，計算出各主成分的得分。由主成分的貢獻率，且根據(jù) IFI =λF+λF+…+λF(λ為主成分貢獻率)可得出土壤肥力綜合評價式：IFI=0535 F+0.233 F+0.108 F，將計算出的各主成分得分代入綜合評價公式，計算出最終得分。IFI值越高說明海防林下的土壤肥力越好，反之則越差。

對煙臺市4個區(qū)主成分分析結(jié)果(圖3)表明，開發(fā)區(qū)和牟平區(qū)IFI值正值更多，萊山區(qū)和芝罘區(qū)負值更多，4個區(qū)的土壤肥力綜合得分平均值為牟平區(qū)(0855 3)>開發(fā)區(qū)(0136 7)>芝罘區(qū)(-0272 1)>萊山區(qū)(-0788 6)，可以看出，開發(fā)區(qū)和牟平區(qū)的得分情況明顯好于萊山區(qū)和芝罘區(qū)，開發(fā)區(qū)與牟平區(qū)海防林下土壤肥力水平相對較高。

圖3 分區(qū)土壤肥力綜合得分統(tǒng)計

采用分類功能中的系統(tǒng)聚類，對 58個樣本的土壤肥力情況進行聚類分析，將其分為一、二、三、四共計4類，一類代表土壤肥力情況較好，四類則代表肥力情況差。聚類結(jié)果(表7)顯示，58個樣本中15個樣本為四類，占比為2586；30個樣本為三類，占比達到了5172，三、四類累計占比達到了7758。達到一類標準的樣本有3個，僅占全部樣本數(shù)的517，可知煙臺市海岸帶防護林下的土壤肥力情況處于中下等水平。從空間分布角度看，牟平區(qū)和開發(fā)區(qū)的所有樣本均在三類以上，其中牟平區(qū)的樣本超過半數(shù)均在二類以上，可見牟平區(qū)的土壤肥力情況相對最好，開發(fā)區(qū)次之。在第四類15個樣本中，萊山區(qū)10個，芝罘區(qū)5個，比較之下芝罘區(qū)情況好于萊山區(qū)。

表7 土壤肥力綜合得分分類統(tǒng)計

3 討論

煙臺海防林下土壤不同養(yǎng)分因子的含量情況各不相同。土壤反映的是土壤的酸堿度，研究結(jié)果顯示，在煙臺市4個區(qū)海岸帶防護林中采集的58個土壤樣本中，土壤整體上偏酸性,大部分樣本處于弱酸性或中性，對海岸土壤來說，與降水或海水有關(guān)，更多反映降水或海水的離子組成，對大氣濃度也較為敏感，酸性過高會導致海岸土壤的養(yǎng)分更快解離、淋溶。土壤中有機質(zhì)的含量較低，超過半數(shù)的樣本土壤有機質(zhì)含量等級為極缺，田保狀等在對山東沙質(zhì)海岸帶防護林的基干林帶、灌木帶等土壤養(yǎng)分研究表明，氮元素在海防林體系中含量很低，有機質(zhì)含量普遍較低，這與本研究所采集的樣本氮含量全部為極缺水平的結(jié)果高度一致，同時有機質(zhì)含量在大部分樣本中含量也很低，這可能是由于沙質(zhì)土壤中礦質(zhì)顆粒表面的離子結(jié)合位點極其有限，對有機質(zhì)和養(yǎng)分的固持能力極低有關(guān)，此外，沙質(zhì)土壤中養(yǎng)分的淋溶非常劇烈。同時，這可能也與海防林樹種有關(guān)，如黑松、赤松等針葉樹種其枯枝落葉量低，導致土壤有機質(zhì)相對缺乏。

土壤堿解氮為植物生長提供必需的營養(yǎng)元素，且較容易被植物吸收利用。煙臺海岸帶防護林下氮元素缺乏可能由于其土壤鹽堿偏重，林下生長的其他綠色植物較少，固氮量不足而淋溶流失。速效磷的含量情況稍好于堿解氮，但仍有超過70的樣本速效磷含量處于缺乏的水平。磷元素也是土壤中重要的營養(yǎng)物質(zhì)，章文龍等在研究中認為，植物根系對土壤中磷元素的吸收并以枯枝落葉形式歸還到土壤中，可能與前文中針葉林枯枝落葉量低導致土壤中有機質(zhì)含量低的結(jié)果相同，導致土壤中磷元素缺乏。速效鉀的含量在3種養(yǎng)分中情況相對較好，超過80的樣本達到了中等水平，在保護時可作為次重點元素考慮。

牟平區(qū)在煙臺市海防林中土壤養(yǎng)分含量最高，其速效鉀、有機質(zhì)含量都明顯好于其他幾個區(qū)，這與王瓊對牟平海岸帶土壤理化性質(zhì)分析的研究結(jié)果一致，且與牟平區(qū)樣點位于保護區(qū)的核心區(qū)內(nèi)，其生態(tài)系統(tǒng)完整，不良影響因素較少有關(guān)。開發(fā)區(qū)樣點與萊山區(qū)、芝罘區(qū)同在實驗區(qū)，但開發(fā)區(qū)土壤養(yǎng)分含量好于其余兩區(qū)，這可能與開發(fā)區(qū)近年來開展的海防林下清表和種植土換填工作有關(guān)。萊山區(qū)的土壤偏酸性，均值為58,根據(jù)第二次全國土壤分類標準屬于弱酸性，有機質(zhì)、速效鉀、速效磷含量都處于極缺狀態(tài)，劉文光等在對煙臺高新區(qū)沿海土壤理化分析的研究中，測得土壤為63～70，呈弱酸性到中性，與本研究結(jié)果相比，經(jīng)過幾年的演化，土壤有減小趨勢，萊山區(qū)土壤養(yǎng)分狀況本就不佳，土壤變酸更易導致土壤養(yǎng)分的流失。芝罘區(qū)除速效鉀含量較高外，有機質(zhì)、速效磷均為缺乏狀態(tài)。所以，在對防護林和土壤進行保護時，應(yīng)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況聯(lián)合開展海防林建設(shè)保護工作，在確保能夠有效防止土壤養(yǎng)分流失的前提下，在土壤中施加氮肥、磷肥以改善土壤氮、磷元素含量低的狀況。

結(jié)合土壤養(yǎng)分綜合評價結(jié)果，不同區(qū)域之間雖存在差異，但煙臺海防林下的土壤養(yǎng)分狀況整體不佳。在鐘曉艷等關(guān)于煙臺海岸帶防護林下土壤養(yǎng)分特征的研究中，其所得結(jié)果為土壤呈微酸性，有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量都極低，與本文研究結(jié)果總體一致，可以佐證煙臺海岸帶防護林下的土壤肥力狀況不佳，土壤較為貧瘠。邢獻予在研究中發(fā)現(xiàn)不同樹種對增加土壤全氮、有效磷，降低有不同程度反響，在海防林改造保護時，結(jié)合煙臺海防林營造時間早的情況，可選擇不同耐貧瘠樹種，及時對老化林帶進行更新補種。

煙臺海防林下土壤有機質(zhì)與土壤中氮、磷、鉀含量存在正相關(guān)關(guān)系，除與氮元素和有機質(zhì)相關(guān)性較低外，其余各指標之間均存在著較顯著的相關(guān)性，這與艾鵬等對連云港沙質(zhì)海岸防護林的土壤特性研究的結(jié)果基本一致，在對土壤進行改良時可關(guān)注不同養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系。同時，由于煙臺市沙質(zhì)海岸分布廣，沙質(zhì)海岸土壤疏松，不利于水肥的保持，進而使得煙臺市海防林下的土壤較貧瘠，可通過覆土措施，減少水土和養(yǎng)分流失，修建防護堤壩及營造多重防護林，加強對防護林的保護。

4 結(jié)論

煙臺市海防林下土壤平均為616，整體呈微酸性；土壤有機質(zhì)平均含量為111·，有機質(zhì)含量整體偏低；土壤堿解氮含量全部處在極缺水平；土壤速效磷含量的平均值為29·，整體處于缺乏的水平；土壤速效鉀平均含量10966·，整體達到中級水平。煙臺市海防林總體的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為117，為三級(一般)，結(jié)合土壤肥力綜合得分的結(jié)果，煙臺市海防林下土壤養(yǎng)分較缺乏。牟平區(qū)和開發(fā)區(qū)土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)分別為153和116，土壤養(yǎng)分等級為三級(一般)，芝罘區(qū)和萊山區(qū)分別為093和069，養(yǎng)分等級為四級(貧瘠)。土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)結(jié)果為：牟平區(qū)(0855 3)>開發(fā)區(qū)(0136 7)>芝罘區(qū)(-0272 1)>萊山區(qū)(-0788 6)。煙臺海岸帶防護林應(yīng)首要解決水肥流失問題，而后可添加氮、磷肥以緩解養(yǎng)分的缺乏，但要注意適量，避免由此帶來的淺海區(qū)域污染。同時，要結(jié)合不同區(qū)域的實際情況，將芝罘區(qū)、萊山區(qū)海岸帶防護林作為重點區(qū)域進行管理。