濱海鹽堿地不同造林模式下土壤肥力特征評(píng)價(jià)

王合云 楊晨輝 董 智

（1聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東聊城 252000；2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東泰安 271018）

土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因?yàn)橥寥缹?duì)可持續(xù)發(fā)展有重要作用，所以土壤質(zhì)量在世界范圍內(nèi)受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-2]。土壤質(zhì)量是特定類型土壤在自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)范疇內(nèi)保持動(dòng)植物生產(chǎn)力、保持或改善大氣和水的質(zhì)量以及保持人類健康和居住的能力[3]，是在土壤不同功能間尋求平衡和綜合而確定的土壤本身的內(nèi)在屬性，是土壤肥力大小和優(yōu)劣程度的綜合量度[4]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量研究的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容之一。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了一種評(píng)價(jià)人類管理決策對(duì)環(huán)境直接和間接影響的有效方法[3]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)可以直接或者間接反映生態(tài)系統(tǒng)的變化，也可以反映人類干擾所產(chǎn)生的效應(yīng)，是評(píng)價(jià)土壤管理方式的必要工具。

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)根據(jù)已知的土壤外部性質(zhì)對(duì)土壤內(nèi)在屬性進(jìn)行量化表達(dá)，因而土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)必須建立在不同土壤屬性閾值與最適值的基礎(chǔ)上。目前，國(guó)際上比較常用的評(píng)價(jià)方法有多變量指標(biāo)克立格法（MVIT）、土壤質(zhì)量動(dòng)力學(xué)方法、土壤質(zhì)量綜合評(píng)分法以及土壤相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)法等[5-6]。隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)以及計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)等在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法已呈多樣化發(fā)展[7-9]，評(píng)分法、分等定級(jí)法、模糊評(píng)判法、聚類分析法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)方法[10-12]也經(jīng)常用到，使用者可以根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象、功能以及范圍選擇適宜的評(píng)價(jià)方法。

濱海鹽堿地土壤含鹽量高且土壤水分有效性差，是該地區(qū)植被分布、造林成活率及林木生長(zhǎng)最為主要的限制因子[13]。為揭示黃河三角洲濱海鹽堿地不同造林模式對(duì)土壤質(zhì)量的改良狀況，以沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)棗旺林場(chǎng)鹽堿地的8種造林模式林地及對(duì)照空地為研究對(duì)象，研究不同造林模式下的土壤基本理化性質(zhì)和鹽堿化特征，對(duì)土壤肥力性質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為進(jìn)一步研究該地區(qū)鹽堿運(yùn)移規(guī)律、鹽堿化土壤有效改良利用和造林樹種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為山東濱海鹽堿地生態(tài)造林項(xiàng)目區(qū)，位于山東省濱州市沾化區(qū)西部的下洼鎮(zhèn)棗旺林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為北緯 37°43′92″、東經(jīng) 118°02′07″。研究區(qū)屬暖溫帶半干旱東亞季風(fēng)區(qū)，多年平均溫度12℃，平均降水量610.3 mm，降水多集中于6—9月，年蒸發(fā)量為2 095.1 mm，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 699 h。多年平均大風(fēng)日數(shù)為21 d，多在3—5月發(fā)生。研究區(qū)地勢(shì)平坦，地貌類型為黃河沖積平原淺平洼地，海拔1.6～2.4 m。土壤類型為鹽化潮土，平均含鹽量在0.3%～1.0%之間，局部地塊高達(dá)2.0%～3.0%，pH值>7.5。鹽分陰離子以 Cl-、SO42-為主，陽離子以 Na+為主。

選取研究區(qū)內(nèi)8種造林模式林地為研究對(duì)象，分別為桑樹（Morus alba L.）、白蠟（Fraxinus chinensis Roxb）、紫穗槐（Amorphafruticosa Linn.）、楊樹（Populus spp.）、 冬 棗 （Zizyphus jujube Mill）、 刺 槐 （Robinia pseucdoacacia L.）、 榆 樹 （Ulmus pumila L.） 和 檉 柳（Tamarixchinensis Lour.）。各樹種調(diào)查時(shí)苗齡為5年，每年進(jìn)行除草、松土、灌溉等工作。造林前各地塊均為荒地，植被蓋度<10%，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤容重為 1.51～1.65 g/cm3，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.21%、0.62‰、0.51‰、0.59‰。各樹種的生長(zhǎng)狀況如表1所示。

表1 研究區(qū)不同造林模式樹種生長(zhǎng)狀況

1.2 土壤采集方法

選取8種造林地及距造林地150 m外的空地為研究對(duì)象，每種林分設(shè)立3個(gè)地塊，在每個(gè)地塊內(nèi)選擇有代表性的地段設(shè)立0.1 hm2的固定標(biāo)準(zhǔn)地。根據(jù)造林樹種根系生長(zhǎng)與分布狀況，每個(gè)地塊內(nèi)選取3個(gè)樣點(diǎn)， 按 0～20 cm、20～40 cm 和 40～60 cm 深度取土樣500 g帶回室內(nèi)自然風(fēng)干。挑去石塊、根莖及各種新生體和侵入體，再將土樣碾碎，過2 mm、1 mm、0.25 mm和0.149 mm的土壤篩，測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.3 土壤質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀浸水法測(cè)定；pH值采用雷磁pH計(jì)電位計(jì)法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用NaOH堿熔-火焰光度法測(cè)定；交換性Na+采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法測(cè)定；陽離子交換量（CEC）采用乙酸鈉-火焰光度法測(cè)定；總堿度為HCO3-和CO32-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和，HCO3-和CO32-采用雙指示劑法測(cè)定；堿化度（ESP）為交換性Na+占陽離子交換量的百分率，即ESP（%）=交換性 Na+（cmol/kg）/陽離子交換量（cmol/kg）×100[14]；土壤全鹽量采用殘?jiān)娓?質(zhì)量法測(cè)定（浸提液土∶水=1∶5）。

1.4 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

土壤質(zhì)量指標(biāo)之間不可直接加和，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除各參數(shù)之間量綱的差別。常見的標(biāo)準(zhǔn)化方法中有除以標(biāo)準(zhǔn)差或一個(gè)豐富級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等，這些方法存在可比性較差的缺點(diǎn)。本文將采用下列方式計(jì)算：

當(dāng)因子的測(cè)定值屬于“極差”級(jí)時(shí)，即Xi≤Ximin，Pi=Xi/Ximin（Pi＜1）；當(dāng)因子的測(cè)定值屬于“差”級(jí)時(shí)，即Ximin＜Xi≤Ximid，Pi=1+（Xi-Ximin）/（Ximid-Ximin）（1≤Pi＜2）；當(dāng)因子的測(cè)定值屬于“中等”級(jí)時(shí)，即 Ximid＜Xi≤Ximax，Pi=2+（Xi-Ximid）/（Ximax-Ximid）（2≤Pi＜3）；當(dāng)因子的測(cè)定值屬于“良好”級(jí)時(shí)，即 Xi＞Ximax，Pi=3。 式中：Pi為單質(zhì)量指數(shù)，Xi為某因子的測(cè)定值，Ximin為“差”級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Ximid為“中等”級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Ximax為“良好”級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，i為因子。各因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）主要參照第二次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)。

表2 土壤各屬性因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 綜合肥力系數(shù)計(jì)算

本文采用修正的內(nèi)梅羅（Nemerow）公式計(jì)算綜合肥力系數(shù)：

式中：Q為土壤綜合肥力系數(shù)，Pi為土壤各屬性分肥力系數(shù)平均值，Pimin為土壤各分肥力系數(shù)中的最小值，n為參評(píng)土壤屬性的項(xiàng)數(shù)。

此公式用Pimin代替了原內(nèi)梅羅公式中的Pimax，并加上修正項(xiàng)（n-1）/n，一方面突出了土壤屬性因子中最差的一個(gè)因子對(duì)肥力的影響，反映了作物生長(zhǎng)的最小因子定律；另一方面提高了該評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，參與評(píng)價(jià)的因子越多，（n-1）/n的值越大，可信度越高。將土壤各分肥力系數(shù)分別假定為3、2和1，計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的綜合肥力系數(shù)分別為2.571、1.714和0.857。當(dāng)某土壤肥力系數(shù)Q≥2.571時(shí)，表示土壤很肥沃；當(dāng)1.714≤Q＜2.571時(shí)，表示土壤肥沃；當(dāng)0.857≤Q＜1.714時(shí)，表示土壤肥力水平一般；Q＜0.857時(shí)，表示土壤貧瘠。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

依據(jù)上述方法進(jìn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，全部數(shù)據(jù)采用軟件Excel 2007和SPSS 17.0處理。運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行土壤肥力特征評(píng)價(jià)，以揭示不同造林樹種對(duì)土壤質(zhì)量的改良狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同造林模式下土壤理化性質(zhì)分析

由表3可以看出，不同造林地土壤容重平均為1.36 g/cm3，比空地降低10%；不同造林地及空地的土壤pH值均在7.9以上，呈堿性；有林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的含量均比空地高，其均值分別為6.49、1.14、1.20、7.17 g/kg，比空地分別提高了 206%、78%、122%、19%；紫穗槐、檉柳、榆樹和楊樹林地土壤陽離子交換量高于空地；有林地的堿化度均高于空地；紫穗槐林地的平均堿化度最大，平均交換性Na+質(zhì)量摩爾濃度最高；有林地土壤全鹽量比空地平均降低46%～66%。

表3 不同造林模式下土壤理化性質(zhì)

2.2 不同造林模式下土壤肥力特征評(píng)價(jià)

在生產(chǎn)應(yīng)用上，常用有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的多少來衡量土壤肥力的高低[15]。土壤生產(chǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)盡量考慮與土地生產(chǎn)力有關(guān)的土壤性狀。土壤養(yǎng)分狀況與植物生產(chǎn)及產(chǎn)量有著極密切的關(guān)系。根據(jù)該地區(qū)土壤特點(diǎn)，選取了對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響較大的幾個(gè)因素，包括土壤容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及陽離子交換量，構(gòu)成評(píng)價(jià)因子（表4）。

表4 不同造林模式下土壤肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

應(yīng)用修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)8種不同造林模式林地及空地土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯觯?種不同造林模式下，有林地最小分肥力系數(shù)、平均分肥力系數(shù)以及綜合肥力系數(shù)均比空地高，但是存在一定的差異。有林地最小分肥力系數(shù)在0.532～0.775之間，平均為0.621，比空地增長(zhǎng)了1.93倍；紫穗槐林地增長(zhǎng)最多，比空地增長(zhǎng)了2.66倍；檉柳林地增長(zhǎng)最少，比空地增長(zhǎng)了1.51倍。有林地平均分肥力系數(shù)比空地提高了36%；刺槐林地增長(zhǎng)最多，比空地提高了65%，平均分肥力系數(shù)為1.737；其次是冬棗林地，比空地提高了44%，平均分肥力系數(shù)為1.517；檉柳林地增長(zhǎng)最少，比空地提高了10%，平均分肥力系數(shù)為1.158。有林地土壤綜合肥力系數(shù)在0.772～1.151之間，平均為0.945；刺槐林地綜合肥力系數(shù)最高，但是仍未超過1.714，即土壤肥力處于一般水平；榆樹林地和檉柳林地土壤肥力貧瘠。不同造林地的綜合肥力系數(shù)排序如下：刺槐林>冬棗林>桑樹林>楊樹林>紫穗槐林>白蠟林>榆樹林>檉柳林>空地。不同造林模式林地土壤的最小分肥力系數(shù)均是有機(jī)質(zhì)，說明該地區(qū)土壤中的有機(jī)質(zhì)含量缺乏。

表5 不同造林模式下土壤綜合肥力系數(shù)

3 結(jié)論

（1）不同樹種均對(duì)鹽堿土有一定改良作用，可改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重、提高土壤肥力、降低土壤鹽漬化程度。

（2）不同造林模式林地土壤綜合肥力系數(shù)均比空地高，但存在差異。不同造林地土壤綜合肥力系數(shù)在0.772～1.151之間，平均為0.945。該林場(chǎng)鹽堿地的土壤肥力處于一般水平。其綜合肥力系數(shù)的排序?yàn)榇袒绷?冬棗林>桑樹林>楊樹林>紫穗槐林>白蠟林>榆樹林>檉柳林>空地。