刺槐+苜蓿复合系统土壤养分分布特征及边界影响域——以晋西黄土区为例

许华森，云雷，毕华兴，鲍彪，高路博，刘李霞，朱悦，王晓燕

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

刺槐+苜蓿复合系统土壤养分分布特征及边界影响域
——以晋西黄土区为例

许华森，云雷，毕华兴†，鲍彪，高路博，刘李霞，朱悦，王晓燕

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

以晋西黄土区典型刺槐+苜蓿复合系统为研究对象，分析0～40 cm土层中土壤有机质、全N、速效P和速效K质量分数在刺槐—苜蓿复合系统(包括刺槐林地斑块、苜蓿地斑块)的分布特征及边界影响域，旨在为该地区土壤养分改善、不同土地类型养分研究和林草复合系统的经营管理提供理论依据。结果表明:1)复合系统内4项土壤养分指标质量分数波动范围较大，且不同斑块类型土壤养分指标质量分数分布特征存在一定差异性，但总体上苜蓿地土壤养分各项指标质量分数均大于刺槐林地相应养分的质量分数;2)复合系统土壤养分空间分布特征为0～20 cm土层中的4项养分指标质量分数均高于20～40 cm土层中相应养分的质量分数，但各项养分指标质量分数的层次间差异性并不一致;水平方向上，在苜蓿地斑块内，除土壤全N质量分数整体水平变化趋势不明显外，其他养分指标质量分数随着距林缘距离的增加整体呈现上升的趋势;在刺槐林地斑块内，土壤有机质、全N和速效P质量分数随着距林缘距离的增加整体呈现下降的趋势，而速效K则相反;3)主成分分析结果表明，复合系统边界土壤养分影响域是从苜蓿地3 m到刺槐林地4 m，影响域宽度为7 m。

刺槐+苜蓿复合系统;土壤养分;分布特征;边界影响域;晋西黄土区

林草复合系统是有目的地把多年生木本植物与牧草有机结合(长期或短期)而形成的复合型土地利用和经营方式［1］，是我国西部地区生态环境建设中重要的生物治理措施［2］。针对我国黄土高原地区的退耕还林(草)生态环境建设，采用林草复合经营方式不仅能够充分发挥系统的生态防护和改良功能，而且可为畜牧业的发展提供相当数量的饲草补充，实现生态环境治理与经济社会发展的有效统一［3］。在农林复合系统中，养分元素(尤其是N、P、K)的投入及其效应研究历来受到重视［4］，尤其是在林地和草地相互转化的发生区——林草边界，受林地和草地的共同影响作用，土壤养分的分布特征和变异性变得更加复杂;因此，研究复合系统边界土壤养分的分布特征以及影响域范围和宽度将有助于认识与利用复合系统边界的土壤养分特性与动力学机制。而目前对于复合系统土壤养分的研究，大多数集中于对复合系统中单一系统与其对照进行比较研究［5-7］，而很少有涉及复合系统边界土壤养分分布特征及边界影响域的研究。笔者以晋西黄土区典型坡地上的刺槐(Robinia pseudoacacia)+紫花苜蓿(Medicago sativa)复合系统为研究对象，主要探讨刺槐+苜蓿复合系统土壤养分的分布特征及边界影响域，旨在丰富和完善林草复合系统土壤养分研究，为合理、有效地调控黄土区林草复合系统的养分过程提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地，属于典型的黄土残塬沟壑区，地理坐标为 E110°27'30″～ 111°07'20″，N35°53'10″～36°21'02″。多年平均年降水量 579 mm，6—9月份降水量一般占全年降水量的70%左右，最大降水变率为43.1%，年蒸发量1 729 mm，年平均气温9.9℃，≥10℃的年平均积温3 358℃，光照时间2 563.8 h，无霜期172 d。土壤类型为褐土，可分3个亚类:丘陵褐土、普通褐土和淋溶褐土。试验场位于所属研究站的蔡家川流域，基本情况见表1。刺槐+苜蓿复合系统中苜蓿的种类是紫花苜蓿。

表1 试验场基本情况Tab．1 Basic data of study site

2 研究方法

2.1 土壤养分取样点的布设与土壤养分测定

1)取样点的布设与取样方法:在典型的刺槐+苜蓿复合系统内，选取面积为300 m2的标准坡面，坡面上侧为人工刺槐林斑块，苜蓿地斑块位于坡面下侧。采用样线法进行土壤取样。将复合系统刺槐林地和苜蓿地的交界处定义为林缘(距刺槐栽植行0 m)，即0点;沿垂直于林缘的方向布设3条等间隔的样线;以林缘为中心，在样线上分别向刺槐林地方向和苜蓿地方向各延伸6 m布设样点，样点间距为1 m;每条样线上刺槐林地内共7个取样点(包括0点)，苜蓿地内共6个取样点，实验区内共取39个样点。为便于表示，规定复合系统林缘向苜蓿地方向为负方向，向刺槐林地方向为正方向，具体见图1。土壤取样用土钻取土，取土深度为40 cm，每20 cm为1层，分0～20和20～40 cm这2个层次进行。

图1 刺槐+苜蓿复合系统土壤养分样点布设图示Fig．1 Graphical representation of soil nutrient sample points in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system

2)土壤养分的测定:按常规方法测定土壤有机质、全N、速效P和速效K的质量分数。具体方法为:土壤有机质采用油浴加热消煮-重铬酸K法，全N采用蒸馏法，速效P采用0.5 mol/L的NaHCO3溶液浸提-硫酸钼锑抗混合比色法，速效K采用火焰光度计法。

3)取样时间:2009年典型生长季8月。

2.2 数据处理

采用经典统计学方法对实验数据进行标准差、方差分析和统计作图等处理，采用主成分分析方法对林草边界土壤养分影响域进行定量判定。统计软件采用Excel 2007和SPSS18.0。

3 结果与分析

3.1 刺槐+苜蓿复合系统刺槐、苜蓿斑块土壤养分特征

刺槐+苜蓿复合系统刺槐、苜蓿斑块土壤养分质量分数测定结果见表2。可以看出，土壤有机质、全N、速效P、速效K质量分数分别由苜蓿地0～20 cm土层的 7.49 g/kg、0.43 g/kg、4.16 mg/kg、178.92 mg/kg下降到刺槐林地0～20 cm土层的5.84 g/kg、0.29 mg/kg、2.43 mg/kg、167.93 g/kg;同时，在20～40 cm土层，苜蓿地斑块的4项土壤养分指标质量分数也均大于刺槐林地斑块相应的养分指标的质量分数。总体上看，在不同斑块类型的影响下，复合系统4项土壤养分指标质量分数波动范围比较大。依据《全国第二次土壤普查技术规程》规定的养分分级标准，研究区刺槐+苜蓿复合系统0～40 cm土层土壤有机质质量分数属于低水平，全N和速效P质量分数处于中等偏下水平，速效K质量分数处于中等水平。

在林草复合系统刺槐、苜蓿斑块类型下土壤养分指标质量分数存在一定的差异(表2)，主要表现为无论是0～20 cm土层还是20～40 cm土层，土壤有机质和全N质量分数在不同斑块类型间存在极显著的差异性(P＜0.01);而速效P质量分数在0～20 cm土层存在显著差异性(P＜0.05)，在20～40 cm土层则表现出极显著差异性(P＜0.01);对于速效K，不同斑块类型下则无显著差异(P＞0.05)。总体上可以看出，在0～40 cm土层，复合系统苜蓿地土壤4项养分指标质量分数均高于刺槐林地相应养分的质量分数。这主要是由于研究区位于半干旱黄土高原区，刺槐林地的土壤水分并不能满足林木的正常生长［8］，且刺槐林林龄较小，林下缺少草本灌木植物覆盖，一方面在雨季容易造成坡面上侧的刺槐林地土壤养分的流失，一方面由于枯枝落叶及植物根系归还量小、分解慢，导致刺槐林地土壤在短期内很难获取充足的养分补给;相反，坡面下侧的苜蓿地不仅能有效地截留坡上刺槐林地流失的土壤养分，又能通过根系为土壤补给大量的有机质以及N元素、P元素［9］。这说明坡面养分在水土流失过程中的再分配对坡面不同坡位土壤养分状况的影响和不同植被死地被物积累与分解、植物—土壤相互作用对土壤养分状况的影响，造成了坡面农林复合系统中不同斑块类型间土壤养分含量明显的差异，这与魏孝荣等［10］和巩杰等［11］的研究结果一致。

表2 刺槐+苜蓿复合系统刺槐、苜蓿斑块土壤养分质量分数Tab．2 Soil nutrient contents at Robinia pseudoacacia+Medicago sativa patches in silvopastoral system

3.2 刺槐+苜蓿复合系统土壤养分的空间分布特征

刺槐+苜蓿复合系统土壤养分质量分数统计结果见表3，垂直分布方差分析见表4。可以看出，在0～40 cm土层，复合系统土壤养分各项指标质量分数的变异系数均介于0.1～1.0之间，属于中等变异水平［12］，说明在复杂的林草复合系统中林木、草本植物、微生物等生物环境和光照、温度、土壤等非生物环境共同作用下，土壤养分各项指标在土壤剖面上的分布变异情况变得更加复杂。相比较而言，0～20 cm土层土壤养分由于受土壤环境及植被类型的影响较大，所以，其养分质量分数变异系数要大于20～40 cm土层。

表3 刺槐+苜蓿复合系统土壤养分质量分数统计结果Tab．3 Statistics of soil nutrient contents in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system

从表3可以看出，复合系统0～20 cm土层中的土壤有机质、全N、速效P和速效K质量分数均高于20～40 cm土层中相应养分的质量分数，这可能与0～20 cm土层中土壤养分不仅受植物根系的影响，而且更易受枯枝落叶、小气候等其他外界环境影响较大有关［11］，同时反映了植被对土壤养分的表聚效应［13-15］。从表 4可以看出，虽然复合系统中0～40 cm土层的4项养分指标质量分数随着土壤深度的加深整体呈现下降的趋势，但各项土壤养分指标的层次间差异性并不一致。其中，尤以土壤有机质和全N最为明显，它们质量分数的土层间差异性均达到极显著水平(P＜0.01)，而速效P和速效K质量分数的土层间差异性并不显著(P＞0.05)，说明林草复合系统中与苜蓿生长关系最密切的速效养分的供给能力更具持久性［16］。

表4 刺槐+苜蓿复合系统土壤养分质量分数垂直分布方差分析Tab．4 Variance analysis of vertical distribution of soil nutrient in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system

土地利用类型作为影响土壤养分的重要因子［11，17-18］，通过与生物、非生物环境的相互作用，直接影响土壤养分物质的输入、输出模式和过程，进而对土壤的养分储量和养分有效性等肥力状况产生影响［19］。因此，在不同土地利用类型的共同作用下，刺槐+苜蓿边界上0～20 cm土层和20～40 cm土层的养分表现出不同的分布特征(图2)。相对20～40 cm土层，土壤养分质量分数水平变化的波动范围在0～20 cm土层表现的更为明显。苜蓿地斑块内，除土壤全N质量分数整体水平变化趋势不明显外，其他养分指标质量分数随着距林缘距离的增加整体呈现上升的趋势;刺槐林地斑块内，土壤有机质、全N和速效P质量分数随着距林缘距离的增加整体呈现下降的趋势，而速效K则相反。总体上，从苜蓿地内经林缘至刺槐林地内，有机质、全N和速效P质量分数整体表现出下降的趋势，而土壤速效K质量分数则整体表现出高—低—高基本对称的趋势，并且相对其他养分指标，其质量分数水平波动幅度最大。

图2 刺槐+苜蓿复合系统不同土层土壤养分水平分布特征Fig．2 Horizontal distribution characteristics of soil nutrient in different layers in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system

3.3 刺槐+苜蓿复合系统土壤养分边界影响域

林草边界作为林地和草地的交错地带，兼有林木和草本植物的生物学和环境特征，而土壤养分作为共同的资源，受到刺槐和苜蓿2个系统互相作用产生的微环境影响，土壤养分过程较为复杂。对此，单一土壤养分指标并不能准确、有效地定量化描述林草边界土壤养分的影响域［20］，且土壤养分各指标间也存在一定程度的关联［21-22］;因此，应在具体分析复合边界单项土壤养分指标分布特征的基础上，通过引入各项指标间的相关性形成综合指标来定量化判定土壤养分的边界影响域。

应用主成分分析方法，并结合土壤有机质、全N、速效P和速效K在复合系统边界上的水平分布特征，判定土壤养分的边界影响域范围和宽度。对刺槐+苜蓿复合边界的土壤养分质量分数数据进行主成分分析，得出前2个主成分的累积贡献率为87.48%;因此，可以选用前2个主分量进行二维平面绘图、排序和分类(图3)。

结果表明，刺槐+苜蓿边界上水平样点可以通过4项土壤养分综合指标划分为3个类型区:1)刺槐林地内5与6 m为一类，即具有刺槐林地土壤养分分布特征的区域;2)苜蓿地内4、5与6 m为一类，即具有苜蓿地土壤养分分布特征的区域;3)从刺槐林地内4 m到苜蓿地3 m为一类，即具有刺槐林地、苜蓿地过渡区域内土壤养分分布特征的区域，即土壤养分综合影响边界效应范围。由此得出，刺槐+苜蓿土壤养分综合影响边界效应的范围为从刺槐林地内4 m到苜蓿地内3 m，影响域的宽度为7 m，复合系统边界土壤养分具有较明显的边界效应。

图3 刺槐+苜蓿边界沿样线土壤养分综合指标主成分分析结果Fig．3 Principal Component Analysis of integrated soil nutrient indicators in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system

4 结论与讨论

1)刺槐+苜蓿复合系统内土壤有机质、全N、速效P和速效K 4项土壤养分指标质量分数波动范围较大，且不同斑块类型下土壤养分指标质量分数分布特征存在一定差异性，但总体上苜蓿地土壤养分各项指标质量分数均大于刺槐林地相应养分的质量分数。

2)刺槐+苜蓿复合系统内土壤养分均处于中等变异水平，且各项指标的变异系数相差很大;但复合系统土壤养分的空间分布仍然存在一定的规律:垂直方向上，0～20 cm土层中4项养分指标的质量分数均高于20～40 cm土层中相应养分指标的质量分数;而在水平方向上，从苜蓿地内经林缘至刺槐林地内，土壤有机质、全N和速效P质量分数整体表现出下降的趋势，而土壤速效K质量分数则整体表现出高—低—高基本对称的趋势。

3)刺槐+苜蓿复合系统土壤养分综合指标的边界影响域范围是从刺槐林地4 m到苜蓿地3 m，影响域宽度为7 m。

林草复合系统是由林地斑块与草地斑块之间组成的复合生态系统，其土壤养分特征的阐释及林草边界土壤养分影响域的定量分析，更加科学地揭示了林地系统和草地系统，尤其是林草边界系统土壤养分的空间分布特点，丰富和完善了对林草复合系统土壤养分的研究;但综合分析土壤养分对物种关系、立地条件等因子的响应机制，并结合土壤水分、光照、生物多样性等数据对林草复合系统继续进行深入研究仍将是下一步工作的重点，以期优化系统结构配置和系统资源利用模式，实现系统生态、经济综合效益最大化。

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Distribution characteristics of soil nutrients and their depth of edge influence in Robinia pseudoacacia+Medicago sativa silvopastoral system:A case study in the loess region of western Shanxi Province

Xu Huasen，Yun Lei，Bi Huaxing，Bao Biao，Gao Lubo，Liu Lixia，Zhu Yue，Wang Xiaoyan

(College of Soil and Water Conservation，Key Laboratory of Soil and Water Conservation＆ Desertification Combating of Ministry of Education，100083，Beijing，China)

This study was conducted in Loess Plateau of western Shaanxi Province，Northwestern China by takingRobinia pseudoacacia+Medicago sativamodel as research object.Soil nutrients including organic matters，total N，available P and available K in 0-40 cm soil layer were measured and analyzed，The distribution characteristics of these soil nutrients and their depth of edge influence were studied to provide theoretical basis for soil nutrients improvement，nutrient research of different land use types and management of silvopastoral system in this region.Results showed that:1)The four nutrients indicators fluctuated on a large span in the silvopastoral system.The distribution characteristics of soil nutrient in different patches occurred difference to some extent.In general，the contents of soil nutrient indicators inMedicago sativafield were higher than those inRobinia pseudoacaciafield.2)Distribution characteristics of soil nutrients inRobinia pseudoacacia+Medicago sativasilvopastoral system were given as follows.The soil nutrient contents were higher in 0-20 cm soil layer than those in 20-40 cm，but the their changes were different.Horizontally，in theMedicago sativafield，apart from the content of total N without significant change，other soil nutrient indicators all increased with increasing distance from forest edge to grass area.Comparably，in theRobinia pseudoacaciafield，organic matters，total N，available P decreased with increasing distance from forest edge to forest area，but available K showed an opposite trend.3)According to the Principle Component Analysis，boundary soil nutrient in the silvopastoral system showed an edge effect of 4 m in grass exterior to 3 m in forest and a width of 7 m.

Robinia pseudoacacia+Medicago sativasilvopastoral system;soil nutrient;distribution characteristics;depth of edge influence;loess region of western Shanxi Province

2011-04-10

2011-07-01

项目名称:北京林业大学科技创新计划项目“晋西黄土区果农间作系统生理生态特性及生产力研究”(HJ2010-24);国家“十二五”科技支撑计划项目“高效可持续农林复合系统构建及调控技术研究”(2011BAD38B02)

许华森(1986—)，男，硕士研究生。主要研究方向:复合农林。E-mail:xuhuasen0811@163.com

†责任作者简介:毕华兴(1969—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向:林业生态工程。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)