豫西低山丘陵區不同植被修復模式下土壤養分評價

程立平　趙玉明　劉沛松

摘要：以荒草地為對照，測定了豫西低山丘陵區不同林草復合的植被修復模式下土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量，對其土壤養分狀況進行評價。結果表明：該區荒草地土壤養分除速效鉀外，其他各養分含量均偏低，說明該區荒草地土壤肥力處于低水平。植被修復措施對于土壤有機質、全氮、全磷、速效磷含量具有顯著提升作用，但對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。不同植被生態修復模式下土壤養分指數大小依次為側柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿草地，說明該區側柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養分方面表現較好。豫西低山丘陵區土壤貧瘠，養分有效性差，植被修復方式能夠使土壤養分得到一定程度恢復，但必然是一個漫長過程。

關鍵詞：低山丘陵區；生態修復；土壤養分；豫西；植被修復模式

中圖分類號：S158.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0423-03

豫西低山丘陵區水土流失嚴重、生態環境脆弱，是河南省生態建設的重點區域。植被建設作為傳統、有效的生態修復方式被廣泛應用于不同地區生態環境建設中[1-3]，土壤養分特征一直是評價生態修復效果的重要內容之一[4-6]。目前，有關不同生態修復模式土壤養分方面的研究已有很多[7-9]，但是針對豫西低山丘陵區土壤養分的研究則較少[10]，尤其是關于該地區不同植被修復模式下土壤養分狀況及其評價研究鮮有報道。本研究就豫西低山丘陵區5種林草復合植被修復模式下土壤養分狀況進行探討，以期為該地區生態修復樹種的合理配置以及土壤肥力的管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河南省魯山縣庫區鄉境內，地處伏牛山東麓低山丘陵地帶，土壤類型以褐土、潮土、黃棕壤土為主。該地區屬北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，年均氣溫14.8 ℃，大于10 ℃的年積溫 4 735 ℃，無霜期209 d。降水量年際變化大，多年平均降水量810 mm，其中70%以上的降水集中在7—9月份，高溫期與雨季同步。

1.2 研究方法

1.2.1 取樣及測定 野外采樣于2014年3月中旬進行，以低山丘陵區生態修復試驗示范基地為研究對象。該試驗基地于2009年建立，其自然地貌狀況與豫西低山丘陵區接近，坡向為西南，坡度22°。根據當地植被及生態環境特點，試驗基地設置5種林草復合的植被修復模式，分別為苜蓿樣地、楊樹+苜蓿樣地、側柏+苜蓿樣地、栓皮櫟+苜蓿樣地、刺槐+苜蓿樣地，同時設置荒草地為對照。每個樣地坡長25 m、寬15 m。各樣地按坡向從上至下分4個區段采樣（坡上、坡中上、坡中下、坡下），每個區段的同一水平等距離分別設置3個采樣點（圖1），采集0～20 cm土層土壤帶回實驗室備用。將帶回的土壤樣品剔除可見的動物、植物殘體和石塊并風干，用“四分法”取樣，過 0.25、1.00 mm 篩，按常規方法測定土壤樣品的有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。

1.2.2 土壤養分指數計算[11] 用土壤養分指數（SNI）綜合評價低山丘陵區不同生態修復模式下的土壤養分水平。先通過相對系數法將各指標量綱歸一化，得到各個肥力指標的隸屬度值：

Ci=fi/fmax。

式中：Ci為各養分指標的隸屬度值；fi為各養分指標的原始值；fmax為各養分指標的最大值。

然后根據主成分分析中各養分指標的公因子方差確定其權重系數，最后計算土壤養分指數SNI：

SNI=∑ni=1Ci×Ki 。

式中：Ki為各肥力指標的權重系數；Ci為各肥力指標的隸屬度值。

2 結果與分析

2.1 豫西低山丘陵區土壤養分分級

依據全國第2次土壤普查有關標準，將豫西低山丘陵區土壤養分含量分為6個級別，分別計算其土壤養分指數SNI。由表1可以看出，一級土壤養分指數大于4.8（很高），二級土壤養分指數為3.5～4.8（高），三級土壤養分指數為2.4～3.5（中上），四級土壤養分指數為1.4～2.4（中下），五級土壤養分指數為0.8～1.4（低），六級土壤養分指數小于0.8（很低）。

2.2 不同植被修復模式下的土壤養分特征

由表2可見，豫西低山丘陵區不同林草復合模式下土壤養分狀況差異明顯。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，是評價土壤質量的重要指標之一。由表1、表2可以看出，研究區荒草地土壤有機質含量屬于低水平，不同生態修復模式之間土壤有機質含量無顯著差異；但是相對于對照（荒草地），各修復模式處理均能顯著提高土壤有機質含量，從而使土壤有機質含量達到中下水平。其原因在于各植被修復模式下植物的凋落物、死亡的植物體及根系量均較荒草地大，從而提高了土壤有機質含量。5種生態修復模式中，栓皮櫟+苜蓿模式下土壤有機質含量最高，較荒草地提高了47.03%；速生楊+苜蓿模式下土壤有機質含量最低，較荒草地提高了37.12%。

氮、磷、鉀是植物的主要養分元素，也是土壤中常因供應不足而影響作物產量的三大要素。氮素作為活細胞的基本組成成分，是植物生長大量需要的養分要素。同有機質含量的規律一致，荒草地下土壤全氮含量同樣屬于低水平；不同生態修復模式均能顯著提高土壤全氮含量，從而使土壤全氮含量達到中下水平，其中側柏+苜蓿模式下土壤全氮含量最高，較荒草地提高了46.67%；速生楊苜蓿模式下土壤全氮含量最低，較荒草地提高了38.33%。在速效氮含量方面，雖然各生態修復模式下速效氮含量均略高于對照，但與其并無顯著差異，均處于很低的水平。其原因可能在于，苜蓿雖然作為固氮作物被引入，但是其固定的氮（尤其是速效氮）被修復植被消耗，因而各修復模式下土壤速效氮含量與荒草地無顯著差異。

磷在植物體中的含量僅次于氮、鉀，其對植物生理過程有重要作用。從表2可以看出，5種生態修復模式和荒草地下土壤全磷含量均屬于低水平，但不同模式下土壤全磷含量差異明顯，具體表現為側柏+苜蓿>速生楊+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>苜蓿>刺槐+苜蓿>荒草地；其中側柏+苜蓿、速生楊+苜蓿模式均顯著高于荒草地，而苜蓿、刺槐+苜蓿、栓皮櫟+苜蓿3種模式下土壤全磷含量與荒草地無顯著差異。在速效磷方面，荒草地屬于低水平，5種生態修復模式下均達到中下水平；但刺槐+苜蓿模式下土壤速效磷含量與荒草地無顯著差異，其他4種修復模式下土壤速效磷含量均顯著高于荒草地，其中苜蓿草地下土壤速效磷含量最高，較荒草地提高了36.0%。endprint

鉀在促進植物代謝過程、增強作物的抗逆性和抗病能力方面起著重要的作用。從表2可以看出，不同生態修復模式下，不管是土壤全鉀含量還是速效鉀含量均與對照荒草地無顯著差異；但從數值來看，荒草地下土壤鉀含量反而略高于各生態修復模式，如荒草地速效鉀含量達到了中上水平，而5種修復模式中除側柏+苜蓿外均屬于中下水平，其原因可能在于植被修復條件下對土壤鉀的消耗大于荒草地。

綜上，在豫西低山丘陵區采用林草復合的植被修復措施對于土壤有機質、全氮、全磷、速效磷含量具有顯著的提升作用，而對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。

2.3 不同植被修復模式下土壤養分綜合評價

為了綜合評價豫西低山丘陵區林草復合的植被修復模式土壤養分水平，借助主成分分析法計算了不同修復模式下土壤養分指數SNI（圖2）。從圖2可以看出，豫西低山丘陵區荒草地土壤養分指數僅為1.36，土壤養分處于低水平；不同修復模式均能提高土壤養分指數，從而使土壤養分均達到中下水平。各植被修復模式之間，土壤養分指數從大到小依次為側柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿，表明側柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養分方面表現較好。與荒草地對比，側柏+苜蓿模式下土壤養分水平提高了19.12%，而苜蓿草地模式土壤養分水平提高最小，僅為8.09%。

利用前文介紹的方法，對不同坡位土壤養分指數進行計算。從圖3可以看出，無論是植被生態修復模式還是對照，土壤養分指數均從坡上向坡下增加。這是由于研究區水土流失問題嚴重，在上坡位降水容易產生徑流，造成坡面表層土壤養分流失，土壤養分含量降低；下坡位的土壤侵蝕較上坡位輕，并能承接上坡位來的徑流和土壤養分，從而使土壤養分含量增加。

不同坡位荒草地土壤養分指數均為最低。坡上位土壤養分指數極差僅為0.09，表明荒草地和植被修復模式土壤養分水平在坡上位并無明顯差異。而坡中上、坡中下、坡下土壤養分指數最大的植被修復模式均為側柏+苜蓿，與荒草地差值分別為0.38、0.43、0.27，表明荒草地和植被修復模式在坡中位和坡下位土壤養分差異明顯。這是因為坡面上植被修復措施能夠有效阻止土壤侵蝕，從而達到保持土壤養分效果，在坡中位、坡下位表現尤為明顯。上述結果說明，坡面上側柏+苜蓿模式在保持土壤養分方面表現較好。

3 結論與討論

我國大面積的荒山荒坡由于嚴重的水土流失，土層淺薄，土壤貧瘠，土壤極度退化[12]。在豫西低山丘陵區荒草地土壤養分除速效鉀外，其他各養分含量均偏低，土壤養分指數僅為1.36，說明該區荒草地土壤養分處于低水平。

土壤養分是林木植被生長的基礎，土壤肥力水平直接影響林木生長發育[4]，而植被修復是保持水土、改善生態環境的重要手段，是生態脆弱區生態修復的重要內容。以往研究表明，荒山荒坡的治理和改良應以固氮植物作為先鋒植物，不僅可以改善土壤肥力和保持水土，而且固氮植物生長一定時間之后，實施造林成功率會大為提高[12]。將具有固氮作用的紫花苜蓿引入以鄉土樹種為主的林草復合的植被修復模式中，是對豫西低山丘陵區生態恢復的嘗試和創新[13]。以荒草地為對照，豫西低山丘陵區不同林草復合的植被修復模式對于土壤有機質、全氮、全磷、速效磷含量均有顯著的提升作用，但對土壤速效氮、全鉀、速效鉀含量無顯著提升作用。在植被恢復初期土壤有機質恢復較快，但植被恢復一定時期后，土壤有機質含量則趨于穩定[7]，這是因為在恢復前期，植被生長更新快，有利于有機質累積，提高土壤質量效果較好。土壤氮素多來源于有機質分解，諸多研究證明土壤全氮含量與有機質含量呈正相關關系[14-15]，因而植被恢復過程中土壤全氮含量變化趨勢與有機質含量變化規律一致。但是由于植被生長過程中吸收同化作用顯著，使土壤中速效氮含量并未得到顯著提升。土壤磷素、鉀素除受母質中礦物成分和有機質積累情況的影響[16]，還與水土流失狀況有關[10]。林草復合植被修復模式提升了地表植被覆蓋度，有效減少水土流失量，因而土壤磷素含量顯著提升；但是由于豫西低山丘陵區土壤鉀素本底值較高，植被生長反倒使荒草地下土壤鉀肥含量略高于各生態修復模式。

由于土壤肥力形成機制的復雜性，不同學者對土壤肥力內涵和外延理解不同，因此土壤肥力評價方法和評價指標也不一致[11]。但是對土壤養分進行綜合評價已成為區域生態建設與環境恢復的一項重要內容[17-19]。本研究中，低山丘陵區生態修復試驗示范基地建成4年后，不同林草復合植被修復模式下土壤養分指數大小依次為側柏+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生楊+苜蓿>苜蓿草地，表明側柏+苜蓿和栓皮櫟+苜蓿模式在改善土壤養分方面表現較好。與荒草地對比，側柏+苜蓿模式下土壤養分水平提高了19.56%，而苜蓿草地模式土壤養分水平提高最小，僅為8.33%。黃土丘陵區的研究表明，人工林土壤養分的恢復是一個漫長過程，至少需27年才能達到中等及以上養分水平[16]。綜合本研究結果，豫西低山丘陵區土壤貧瘠，養分有效性差，盡管林草復合的植被修復方式能夠使土壤養分得到一定程度恢復，但是其必然是一個漫長過程。因而從土壤肥力恢復的角度對該區植被修復模式樹種的合理配置以及管理都需要進一步研究。

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