岔口流域不同退耕還林地土壤養(yǎng)分分析

王添樂， 郭青霞， 王海斌， 丁 一， 杜 軼， 陳水英

(山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，030801，山西晉中)

水土流失是黃土高原各類生態(tài)問題的集中體現(xiàn)，嚴重威脅著區(qū)域生態(tài)安全[1],為此，我國于1999年開始實施退耕還林工程，隨著工程的不斷開展，退耕還林地的土壤養(yǎng)分特征逐漸成為學術(shù)界關(guān)注和研究的熱點，但大都針對退耕還林工程下的生態(tài)林地土壤養(yǎng)分進行研究，對生態(tài)林地與經(jīng)濟林地土壤養(yǎng)分進行綜合研究則鮮有報道。對于生態(tài)林和經(jīng)濟林養(yǎng)分特征開展綜合研究，有助于對退耕還林工程水土保持效益展開全面綜合的評價，進而更好地維護還林成果。

岔口流域主體位于臨汾市永和縣，有關(guān)政府考慮到農(nóng)民的收入問題，在陡坡耕地上栽植刺槐(Robiniapseudoacacia)、柏樹(Platycladusorientalis)等生態(tài)林的同時，亦栽植了部分以核桃(Juglansregia)為主的經(jīng)濟林，而不同林地類型下土壤理化性質(zhì)會存在明顯差異[2-3]，進而影響不同退耕還林地的養(yǎng)分特性。

對岔口流域退耕還林工程下生態(tài)林地與經(jīng)濟林地的土壤養(yǎng)分含量進行多重對比分析，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來探究各養(yǎng)分含量與有機質(zhì)含量的關(guān)系，并以修正的內(nèi)梅羅公式對不同類型退耕還林地養(yǎng)分等級做出評價，旨在對岔口流域不同退耕還林地的養(yǎng)分保持進行綜合分析與評價，為岔口流域乃至黃土高原地區(qū)不同退還林模式下的土壤養(yǎng)分管理與生態(tài)修復提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

岔口小流域(E 110°38′01″～110°50′02″，N 36°47′26″～36°57′14″)位于山西省西南部的永和縣、隰縣與石樓縣的交界地帶。屬于黃土高原腹地范圍，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴重，氣候?qū)儆谂瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，年均降水量為510 mm左右，降水集中于6—9月,約占全年降水量的74%，以旱作農(nóng)業(yè)為主，玉米為當?shù)刂饕N植作物，年產(chǎn)量約5 000 kg/hm2，于2000年開始進行退耕還林，截止2018年，共完成退耕面積950 hm2左右，其中經(jīng)濟林(以核桃林為主)約占1/4，其余均為生態(tài)林(以柏樹、刺槐林為主)。主要退耕年限為2000—2002年，其退耕面積占迄今為止退耕總面積的70%左右。

2 材料與方法

2.1 取樣設(shè)計與實驗

以岔口流域不同退耕還林樣地為取樣對象，以坡耕地為對照，筆者于2019年4月中旬(作物施肥前)對流域刺槐、柏樹(生態(tài)林地)、核桃(經(jīng)濟林地)以及坡耕地進行土壤取樣(表1)，每種取12塊樣地，每塊樣地采用“S”型布點法均勻采取5～6個樣點，用土鉆進行0～20和20～40 cm的取樣后分層混合。土樣風干后研磨并過篩待測[4]。

實驗于2019年5月初在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院土壤實驗室開始進行。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉熔融分光光度法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法[5]。

表1 樣地描述Tab.1 Description of characteristics of plot land

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 不同樣地土壤養(yǎng)分多重比較及相關(guān)性分析 采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 22.0的多重比較(one-way ANOVA)進行不同樣地土壤養(yǎng)分含量差異的多重比較及顯著性檢驗[6]，以Pearson相關(guān)系數(shù)進行退耕還林樣地土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析。

2.2.2 土壤養(yǎng)分評價 土壤養(yǎng)分等級評價借助修正的內(nèi)梅羅[7-9]公式

(1)

式中：E為土壤綜合肥力系數(shù)，量剛為1；E平均為參評的各養(yǎng)分指標之間的平均肥力系數(shù),量剛為1；Emin為各養(yǎng)分指標間的肥力系數(shù)最小值,量剛為1；n為參評養(yǎng)分指標數(shù), 量剛為1。

各養(yǎng)分指標的分肥力系數(shù)(Ei)計算參考已有研究成果[7-9]。

(2)

式中:Ei為各養(yǎng)分指標的肥力系數(shù)(i為參評養(yǎng)分指標)；Si為各養(yǎng)分指標的實際測定值；Xa、Xp、Xc為計算肥力系數(shù)時的分級標準，參考闕文杰等[8]研究成果。該方法計算后，1個突出的特點是各養(yǎng)分指標的肥力系數(shù)介于0～3之間，反應(yīng)出土壤肥力對于植被來說不是越高越好[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計特征描述

受母質(zhì)、氣候、植被覆蓋類型等的影響，土壤養(yǎng)分含量變異范圍較寬，可以以變異系數(shù)來衡量流域退耕還林地的變異程度。如表2所示，總體而言，流域退耕還林地的土壤變異系數(shù)多集中在20%～30%之間，屬于中等變異，反映出流域退耕還林地土壤養(yǎng)分含量總體上比較穩(wěn)定[10]。

表2 岔口流域退耕還林地養(yǎng)分特征描述Tab.2 Nutrient characteristics of lands via Returning Farmland to Forest in Chakou Watershed

由表2可見，表層土(0～20 cm)的各養(yǎng)分含量不同程度的高于下層土(20～40 cm)，體現(xiàn)林地土壤的養(yǎng)分表聚效應(yīng)。林地土壤表層所聚集的枯落物可分解轉(zhuǎn)化為大量的營養(yǎng)元素并富集在其土壤表層[11-12]，研究普遍表明土壤養(yǎng)分含量多會隨著土層深度的增加有所下降[13]。其中，表層土(0～20 cm)的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量較20～40 cm土層分別高出71.3%、28.6%、5.1%、9.1%；速效氮、速效磷、速效鉀含量則分別高出34.2%、33.0%和37.3%。不難發(fā)現(xiàn)，全磷含量在這2個土層的差異較其他指標而言較小，與李占斌等[14]對黃土丘陵溝壑區(qū)的研究結(jié)果一致，可能與磷的難移動性有關(guān)[15]。

3.2 土壤養(yǎng)分含量對比分析

3.2.1 土壤有機質(zhì)含量分析 由圖1可見，4種樣地在表層土(0～20 cm)的有機質(zhì)含量表現(xiàn)為刺槐>柏樹>核桃>坡耕地，其中，刺槐和柏樹林(生態(tài)林地)的有機質(zhì)含量極顯著(P<0.01)高于核桃林(經(jīng)濟林)和坡耕地，生態(tài)林地之間的差異并不顯著(P>0.05)，核桃林(經(jīng)濟林)土壤有機質(zhì)含量在這一土層要高于坡耕地，但差異較小(P>0.05)。在20～40 cm土層,4種樣地之間土壤的有機質(zhì)含量差異呈現(xiàn)出與表層土一致的變化。

不同土層不同大寫字母表示差異極其顯著(P<0.01)，不同土層上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。 Different capital letters in different soil layers represent very significant differences (P<0.01), while different lowercase letters in different soil layers represent significant differences (P<0.05). The same below. 圖1 不同樣地間土壤有機質(zhì)含量變化特征Fig.1 Variation characteristics of soil organic matter contents in different plots

總體而言，岔口流域退耕還林地土壤有機質(zhì)含量的變化呈現(xiàn)出生態(tài)林地>經(jīng)濟林地>坡耕地的現(xiàn)象。有研究表明，土壤有機質(zhì)含量隨著地表枯落物積累的增多而提高[16]，刺槐為闊葉樹種，枯落物相對充足，有機質(zhì)含量較高[17],柏樹次之。而流域核桃林(經(jīng)濟林)歷年所施肥料主要以化肥為主，幾乎不施有機肥料，造成其有機質(zhì)含量并未因施肥得到提高，加之受到經(jīng)濟效益的影響，林內(nèi)易受到人和機械的踩踏、鎮(zhèn)壓，土壤易出現(xiàn)板結(jié)，一定程度上延緩了有機質(zhì)的分解，此外，水分在核桃林的生長發(fā)育過程中起著十分關(guān)鍵的作用，而岔口流域?qū)儆诎敫珊禋夂颍院档貫橹鳎帜旧L靠天然降水，又經(jīng)常受季節(jié)性凍災(zāi)影響，導致了核桃林的正常生長發(fā)育受限，林木枯落物的回歸進一步減少，受到人為干擾與自然條件的雙重限制，流域經(jīng)濟林有機質(zhì)含量顯著低于生態(tài)林。對于坡耕地而言，除了耕作影響以及沒有足夠的枯落物回歸土壤外，還與其有機肥料施用過少有關(guān)，據(jù)調(diào)研得知，與經(jīng)濟林施肥情況類似，流域坡耕地施肥主要以化學肥料為主，導致其有機質(zhì)以及其他養(yǎng)分含量偏低。

3.2.2 土壤N含量分析 由圖2可見，4類樣地土壤的全氮含量的對比關(guān)系與有機質(zhì)含量趨于一致，其中，刺槐林地和柏樹林地(生態(tài)林地)在表層土均極顯著(P<0.01)的高于核桃林地(經(jīng)濟林)和坡耕地，而刺槐林地和柏樹林地之間的差異并不顯著(P>0.05)，核桃林地在表層土中的全氮含量要顯著高于坡耕地(P<0.05)；核桃林地與坡耕地在20～40 cm土層中土壤的全氮含量差異并不顯著(P>0.05)。與全氮對比稍顯不同的是，柏樹、核桃林地在20～40 cm土層中的速效氮含量差異并不顯著(P>0.05)。

圖2 不同樣地間土壤氮含量變化特征Fig.2 Variation characteristics of soil nitrogen contents in different plots

圖3 不同樣地土壤磷含量變化特征Fig.3 Variation characteristics of soil phosphorus contents in different plots

可以得出，經(jīng)濟林地(核桃林地)和坡耕地的土壤氮含量總體而言顯著低于生態(tài)林地(刺槐林地、柏樹林地)，這與經(jīng)濟林地和坡耕地的土壤機質(zhì)含量偏低有關(guān)，更深層次的原因歸結(jié)于其土壤中的生物量積累較生態(tài)林而言不足[10]。此外，在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)流域經(jīng)濟林與坡耕地歷年存在施用化肥(不施有機肥)現(xiàn)象，但在采樣時(4月中旬)并未施肥，經(jīng)過長時間的揮發(fā)、淋溶以及作物的吸收利用，導致經(jīng)濟林與坡耕地的土壤氮素含量顯著低于生態(tài)林，而經(jīng)濟林地由于其地表生物量和腐殖質(zhì)高于坡耕地，土壤中氮素含量也高于坡耕地。

3.2.3 土壤P含量分析 由圖3可以發(fā)現(xiàn)，4類樣地在2個土層的全磷含量差異并不顯著；生態(tài)林與經(jīng)濟林地在表層土中的速效磷含量要高于坡耕地，其中，核桃林地表層土速效磷含量要顯著(P<0.05)高于坡耕地，略高于生態(tài)林地但并不顯著(P>0.05)；20～40 cm土層中各類樣地的速效磷差異與表層土一致。

通過對4種樣地的土壤磷含量分析發(fā)現(xiàn)，流域不同退耕還林樣地的磷含量，尤其是全磷含量差異并不突出。對于岔口流域土壤中的全磷養(yǎng)分來說，其含量主要受黃土母質(zhì)影響，導致各樣地間全磷含量差異并不顯著[18]。而對于速效磷來說，一方面由于林木吸收，另一方面由于養(yǎng)分內(nèi)循壞機制的存在[19]，使得其速效磷含量相對較低[20]，經(jīng)濟林地的速效磷含量雖然在5%的顯著性水平下高于坡耕地，但經(jīng)濟林與生態(tài)林地、生態(tài)林與坡耕地之間土壤的速效磷含量在5%的顯著性水平下皆不顯著。研究區(qū)經(jīng)濟林地、坡耕地雖往年存在施肥現(xiàn)象，但所施化肥是以復合肥(含磷量<10%)和氮肥為主，加之采樣時間距離上一年施肥時間較長，在土壤中存留量有限，以上因素可能是其磷含量沒有顯著高于生態(tài)林的原因之一。

3.2.4 土壤K含量分析 由圖4可見，流域生態(tài)林地的全鉀含量略高于核桃林(經(jīng)濟林)地和坡耕地，但不同樣地間的差異相對較小；與全鉀含量不同的是，生態(tài)林地土壤的速效鉀含量總體上極顯著(P<0.01)高于坡耕地。

圖4 不同樣地土壤鉀含量變化特征Fig.4 Variation characteristics of soil potassium contents in different plots

可以得出，全鉀含量在各類樣地間的差異并不明顯，表明研究區(qū)全鉀含量主要與母質(zhì)有關(guān)，退耕還林并沒有能夠顯著增加鉀的絕對含量[15]，對于速效鉀而言，林木及林下微生物活動能夠促進礦物態(tài)鉀向有效鉀的轉(zhuǎn)化[21]，加之有機質(zhì)的吸附作用[15,17],使退耕還林地，特別是生態(tài)林地的土壤的速效鉀含量高于坡耕地。

3.3 土壤各養(yǎng)分與有機質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

現(xiàn)有研究多表明，土壤有機質(zhì)含量與其他養(yǎng)分含量特別是氮含量間存在一定的相關(guān)關(guān)系，為了探究岔口流域退耕還林地土壤養(yǎng)分的相關(guān)性，進而更合理地引導對于林地管護，對流域退耕還林地土壤養(yǎng)分做相關(guān)分析。流域退耕還林地各養(yǎng)分與有機質(zhì)之間的相關(guān)性如表3所示。

表3 土壤各養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients among soil nutrients

如表3所示，有機質(zhì)含量與全氮、速效氮及速效鉀含量呈顯著相關(guān)，與類似研究結(jié)果[13，15，22-23]一致。

3.4 土壤養(yǎng)分評價

通過修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對流域生態(tài)林地與經(jīng)濟林地土壤的有機質(zhì)與速效養(yǎng)分進行綜合評價。計算結(jié)果見表4。

參考魏志紅等[7]對于土壤養(yǎng)分的分級標準，流域刺槐林地的土壤綜合肥力系數(shù)為0.90，柏樹林地為0.85，二者皆介于0.8和1.6之間，其養(yǎng)分等級均為“中”；核桃林地則為0.74，小于0.8，其養(yǎng)分等級為“差”。

4 討論

4.1 土壤養(yǎng)分含量的表聚特征

通過對岔口流域退耕還林地2個土層的養(yǎng)分含量進行對比發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層土壤的各養(yǎng)分含量總體上高于20～40 cm土層，這與目前大多數(shù)的研究結(jié)果一致，體現(xiàn)林地土壤的“表聚效應(yīng)”[18,24-29]，但是其差異程度在不同養(yǎng)分指標間存在不同，其中，全磷含量的差異性最小(表層土含量僅比下層土高出5.1%)，與李占斌等[14]對于黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果一致，有研究認為可能與磷的難移動性有關(guān)[15]。

表4 養(yǎng)分等級評價表Tab.4 Nutrient rating scale

4.2 生態(tài)林樣地土壤養(yǎng)分含量特征

通過對不同樣地土壤養(yǎng)分含量的多重比較得出，流域生態(tài)林地土壤養(yǎng)分含量總體上顯著(P<0.05)高于經(jīng)濟林和坡耕地，這可能與生態(tài)林地土壤的枯落物與腐殖質(zhì)積累較多有關(guān)，大量的林木枯落物是土壤有機質(zhì)的主要來源之一[16]，有機質(zhì)含量的提高能夠不同程度的影響其他養(yǎng)分含量，對其他養(yǎng)分含量的提高亦有貢獻[30-31]。岔口流域生態(tài)林不存在施肥現(xiàn)象，其林木生長主要靠土壤自然肥力，在此過程中，林木以根系分泌物和枯落物的形式提供土壤肥力[32]。此外，在流域調(diào)研時發(fā)現(xiàn)流域生態(tài)林(刺槐林地和柏樹林地)因無法帶來直接的經(jīng)濟效益，很少存在不同形式的人工擾動，有效地保護了土壤的養(yǎng)分積累。廖曉勇等[30]認為人工擾動少的林地土壤氮、磷、鉀及有機質(zhì)含量高。

4.3 經(jīng)濟林地與坡耕地土壤養(yǎng)分含量特征

與人工林草地不同，經(jīng)濟林地缺乏大量的林木枯落物回歸土壤[10]，而且據(jù)調(diào)研得知，受水分和管理因素的限制，加之3、4月經(jīng)常出現(xiàn)的“凍災(zāi)”影響，導致流域經(jīng)濟林(核桃林)正常生長受限，其產(chǎn)生的凋落物和植物殘體較生態(tài)林而言更加匱乏，此外，受經(jīng)濟效益的影響，經(jīng)濟林地土壤的人工擾動頻繁，不利于養(yǎng)分的正常積累，綜合造成其土壤養(yǎng)分較生態(tài)林而言較為貧瘠[18]。而對于坡耕地來說，除了人為干擾以及回歸土壤的生物量少之外，還由于流域深處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，水土流失嚴重，加之沒有林木進行固土保肥，是導致其有機質(zhì)及其他部分養(yǎng)分含量較低的主要原因[33]。岔口流域經(jīng)濟林地和坡耕地都存在施肥現(xiàn)象，但所是肥料皆以氮肥和復合肥等化學肥料為主，不施有機肥料，而化學肥料本身存在易揮發(fā)、淋溶、被作物吸收等特性，加之采樣時當年并無施肥，且距上一次施肥時間跨度將近一年，導致經(jīng)濟林地和坡耕地的土壤有機質(zhì)及其他養(yǎng)分含量不高。

4.4 不同樣地土壤的磷含量分析

通過不同退耕還林樣地養(yǎng)分含量對比還可以發(fā)現(xiàn)，全磷含量在不同樣地植被覆蓋下的差異并不顯著。李文斌等[13]對陜北風沙區(qū)黃土高原與鄂爾多斯高原過渡帶不同植被的全磷含量進行研究后發(fā)現(xiàn)全磷含量在不同植被覆蓋下的差異并不顯著，李占斌等[14]對黃土高原區(qū)各植被的土壤養(yǎng)分進行對比研究后發(fā)現(xiàn)其全磷含量在不同生態(tài)恢復措施下的差異性也沒有達到顯著性水平，與本文的研究結(jié)果一致，研究區(qū)全磷含量可能主要受黃土母質(zhì)的影響[18]，全鉀含量也有類似的特點[15]。對于速效磷來說，蔡立佳等[20]認為，一方面由于林木吸收，另一方面由于養(yǎng)分內(nèi)循壞機制的存在[19]，使得林地土壤速效磷含量普遍相對較低。

岔口流域各類退耕還林樣地土壤養(yǎng)分保持的差異性進一步論證不同植被類型會對土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生一定的影響[34]，具體而言，植被類型與土地利用方式的不同，導致了各類樣地土壤中林木枯落物及其他生物量積累程度產(chǎn)生差異，也造成了不同形式的人工擾動, 由此影響和改變了岔口流域不同退耕還林地的土壤養(yǎng)分保持特征[35-36]。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)退耕還林土壤各養(yǎng)分體現(xiàn)出不同程度的表聚效應(yīng)，其中有機質(zhì)和速效養(yǎng)分(速效氮、速效磷、速效鉀)的表聚效應(yīng)更為明顯，表層(0～20 cm)土壤的以上各養(yǎng)分含量均比下層(20～40 cm)高出30%以上。

2)通過不同退耕還林地土壤養(yǎng)分含量的多重比較以及對各養(yǎng)分指標進行修正的內(nèi)羅公式評價，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分含量高于坡耕地，但生態(tài)林、經(jīng)濟林地之間土壤養(yǎng)分含量存在較大差異，其中，生態(tài)林地的土壤有機質(zhì)含量、N含量總體上顯著(P<0.05)高于經(jīng)濟林。受母質(zhì)影響，不同退耕還林地與坡耕地土壤的全P含量在0～20、20～40 cm土層差異均不顯著(P>0.05)。

筆者通過對岔口流域不同退耕還林模式下的土壤有機質(zhì)、速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分進行綜合分析，可為退耕還林地的土壤養(yǎng)分管理與生態(tài)修復提供一定參考，但我國退耕還林工程涉及地域廣袤、林種多樣，更加全面細致的研究仍有待開展。