不同修复模式石漠化林地土壤理化性质分析

李 贵， 陈 瑞， 刘振华， 童 琪， 吴 敏， 童方平

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004; 2.贵州省植物园， 贵州 贵阳 550004)

石漠化是喀斯特地区土壤质量退化的终极形式，已成为威胁区域社会经济发展和生态安全的重要生态环境问题之一[1-2]。湖南省是石漠化大省，岩溶面积达5.4万km2，全省65.6%的县不同程度地受到石漠化困扰。湘西武陵地区主要为湘西少数民族地区，贫困人口集中，人地矛盾突出，石漠化已经成为制约当地区域经济社会发展的主要因素之一。石漠化综合治理及生态修复已成为我国社会经济建设中的重要内容[3]。土壤理化性质是体现土壤质量的重要参数，对石漠化地区土壤生态系统的演变起到了一定的指示作用[4-5]，在生产上常用氮、磷、钾、有机质等养分含量来衡量土壤质量状况[6]。许多学者通过对土壤养分综合分析来确定土壤质量水平[7-10]。近年来，对于石漠化的治理多采用生态恢复的办法[11]，通过人工造林来增加植被覆盖率，固持水土，涵养水源，减少侵蚀。然而，在石漠化区开展人工造林，除水分、土壤问题外，还需要选择适宜的树种及其配置模式，否则可能会导致造林成活率低或林木生长受阻等一系列问题[12-13]。许多研究[14-15]报道了石漠化对土壤理化性质的影响，认为石漠化造成了土壤物理性质恶化、土壤养分含量降低，影响了植物的生长发育。在湖南省龙山县石漠化治理示范区内，近十几年来营造了多种植物配置模式的人工林，为找出该区石漠化最佳植被修复模式，进而推广到周边立地相似区域的石漠化地区，本研究以该石漠化区为研究对象，比较不同修复模式林地的土壤理化性质，探讨石漠化修复模式对土壤理化性质的影响，为探索合理的石漠化生态修复模式与石漠化森林生态保护提供参考。

1 研究区概况

龙山县属湘西武陵山区典型的石漠化区域，位于湘西北边陲，地处武陵山脉腹地，属中亚热带季风湿润气候区，适宜多种植物生长。其气候特征是四季分明，夏半年受夏季风影响，降水较丰沛，气候温暖湿润；冬半年受冬季风控制，气温较低，降水较少，气候较寒冷；年平均气温15.8 ℃。该区地貌以高原山地地貌为主，地势起伏较大。研究区海拔1000～1200m，土壤类型主要为黄壤；林下植被是以球核荚蒾(Viburnumpropinquum)、火棘(Pyracanthafortuneana)、薄叶鼠李(Rhamnusleptophylla)、野蔷薇(Rosemultiflora)、芒(Miscanthussinensis)等为主的藤、刺、灌丛，以及零星分布的青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)、马尾松(Pinusmassoniana)等。研究区内共有7种石漠化修复模式，含1种对照模式(荒山荒地)；优势植物主要是枫香(Liquidambarformosana)、马褂木(Liriodendronchinense)、灯台树(Bothrocaryumcontroversum)、蓝果树(Nyssasinensis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、丝茅(Imperatakoenigii)等，乔木树种树龄均为 12 年，郁闭度为 90%～95%；土壤类型均为黄壤。不同修复模式石漠化林地基本信息见表1。

表1 不同修复模式石漠化林地基本信息Tab.1 Basic information of different restoration modes模式号修复模式优势植物海拔/m经纬度S15枫香+5马褂木枫香、马褂木1 048109°46'31″E;29°23'32″NS26马褂木+4灯台树马褂木、灯台树1 126109°42'32″E;29°30'54″NS3蓝果树纯林蓝果树1 150109°29'36″E;29°58'26″NS4枫香纯林枫香1 090109°18'38″E;29°54'33″NS5杉木纯林杉木1 001109°18'38″E;29°54'31″NS63枫香+4灯台树+3杉木枫香、灯台树、杉木1 136109°33'22″E;29°20'45″NCK荒山荒地丝茅1 177109°23'21″E;29°54'21″N

2 研究方法

2.1 样地设置

在研究区的枫香-马褂木混交林、马褂木-灯台树混交林、枫香-灯台树混交林、蓝果树纯林、枫香纯林、杉木纯林和荒山荒地(对照)等7种不同石漠化修复模式的代表性地段内，各选择相应代表性区域设置20 m×20 m样地，在样地内沿对角线布设3个采样点，各采样点间距在10 m之内。分别在各采样点10 cm土层处采集土壤环刀样品，作为土壤物理性质待测样本；同时，采集0～20 cm土层的混合土壤样品300 g，重复3 次，均匀混合组成待测土样，装入自封袋，经风干、研磨后供土壤理化性质测定用。土壤养分含量分级标准见表2。

表2 全国土壤养分含量分级标准表Tab.2 National soil nutrient content classification standard指标级别极高高中上中低极低有机质/(g·kg-1)﹥40.0030.00～40.0020.00～30.0010.00～20.006.00～10.00﹤6.00全N/(g·kg-1)﹥2.001.50～2.001.00～1.500.75～1.000.50～0.75﹤0.50碱解N/(mg·kg-1)﹥150.00120.00～150.0090.00～120.0060.00～90.0030.00～60.00﹤30.00全P/(g·kg-1)﹥2.001.50～2.001.00～1.500.75～1.000.50～0.75﹤0.50速效P/(mg·kg-1)﹥40.0020.00～40.0010.00～20.005.00～10.003.00～5.00﹤3.00全K/(g·kg-1)﹥20.0015.00～20.0010.00～15.005.00～10.003.00～5.00﹤3.00速效K/(mg·kg-1)﹥200.00150.00～200.00100.00～150.0050.00～100.0030.00～50.00﹤30.00

2.2 土壤理化性质测定

2.2.1 土壤物理性质测定 容重、含水量、毛管孔隙度测定均采用环刀法，其测试方法参照行业标准《NY/T 1121—2006》[16]。

总孔隙度的计算公式：

Pt=93.947-32.995×b

(1)

式中：b为容重；Pt为总孔隙度。

非毛管孔隙度的计算公式：

Po=Pt-Pc，

(2)

式中：Po为非毛管孔隙度；Pc为毛管孔隙度。

2.2.2 土壤化学性质测定 有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全N含量采用蒸馏定氮法测定；碱解N含量采用碱解扩散法测定；全P、速效P含量采用钼锑抗比色法测定；全K、速效K含量采用火焰光度计法测定；pH 值采用电位法测定。以上测定方法均参照土壤农业化学分析方法[17]。

2.3 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行数据处理；利用SPSS 19.0 软件进行方差分析、相关性分析以及主成分分析等。

3 结果与分析

3.1 不同修复模式石漠化林地土壤物理性质

方差分析结果(表3)表明：不同修复模式的石漠化林地，其土壤物理性质存在一定的差异。CK(荒山荒地)的土壤容重显著或极显著大于6种修复模式林地的，其中与S3模式林地的差异达到显著性水平，与其它5种模式林地的差异达到极显著性水平；6种修复模式中，只有S3模式林地的土壤含水量与CK的有显著性差异；除S3模式外，其它5种模式林地的土壤总孔隙度与CK的均有极显著性差异；6种修复模式林地的土壤毛管孔隙度与CK的均有极显著性差异；CK的土壤非毛管孔隙度与S1、S6模式林地的差异均不明显，与S3模式林地的有显著差异，与其它3种模式林地的差异均达到极显著性水平。

表3 不同修复模式石漠化林地土壤物理性质比较Tab.3 Comparisons of soil physical properties of different restoration modes模式号修复模式容重/(g·cm-3)含水量/%总孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%S15枫香+5马褂木1.16**32.2248.63**38.44**10.19S26马褂木+4灯台树1.17**33.0953.23**42.16**11.07**S3蓝果树纯林1.24*29.46*45.6335.54**10.09*S4枫香纯林1.23**32.8248.38**36.70**11.68**S5杉木纯林1.16**32.7650.06**38.01**12.06**S63枫香+4灯台树+3杉木1.23**31.9448.23**38.11**10.12 CK荒山荒地1.2734.0144.8734.6810.19 注: “*”表示与对照(CK)存在显著性差异,显著性水平为0.05;“**”表示与对照(CK)存在极显著性差异,显著性水平为0.01。下同。

3.2 不同修复模式石漠化林地土壤化学性质

方差分析结果(表4)表明：不同修复模式的石漠化林地，其土壤化学性质存在明显的差异。除S6模式林地的土壤碱解N含量与CK的差异不显著外，6种修复模式林地的土壤有机质、碱解N、速效P、速效K含量与CK的差异都达到了显著或极显著性水平。除S3模式外，其它5种修复模式林地的土壤全N含量均极显著大于CK(荒山荒地)的；除S5、S6模式外，其它4种修复模式林地的土壤全P含量均显著或极显著大于CK的，其中S1、S4模式林地的土壤全P含量与CK的差异均达到极显著水平；S5模式林地的土壤全K含量与CK的差异均达到显著水平，S6模式林地的土壤全K含量与CK的差异达到极显著水平，其它4种修复模式林地的土壤全K含量与CK的差异均没有显著性。6种修复模式林地的土壤pH值与CK的差异均不显著。对照全国土壤养分含量分级标准(表2)，发现造林12年后，石漠化区林地土壤除碱解N、全P含量尚处于较低水平外，其它养分含量均已经恢复至中上水平。

表4 不同修复模式石漠化林地土壤化学性质Tab.4 Comparisons of soil chemical properties of different restoration modes模式号土壤养分含量有机质/(g·kg-1)全N/(g·kg-1)碱解N/(mg·kg-1)全P/(g·kg-1)速效P/(mg·kg-1)全K/(g·kg-1)速效K/(mg·kg-1)pH值S136.09**1.94**33.77**0.41**15.07**13.01192.18**5.83 S236.16**2.02**36.56**0.39*15.80**15.04218.95**5.39 S325.16*1.7127.88**0.31*16.32**14.20183.56*5.53 S431.93**2.11**38.75**0.55**15.70*14.99223.27**5.68S538.19**1.94**38.01**0.3612.80**15.85*226.04**5.61 S634.88**1.91**25.070.3615.53*21.42**316.65**6.00 CK 22.961.7124.910.3514.3212.70172.445.69

3.3 石漠化林地土壤理化性质相关性

土壤理化性质相关性分析结果(表5)表明， 石漠化林地的土壤含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及有机质、全N、碱解N、全P、全K含量等相互间均呈正相关，表明这些性质的变化规律具有相似性；土壤容重与其它理化性质(pH值除外)均呈负相关，表明土壤容重越大，含水量、孔隙度及各种养分含量越低。由此可见，石漠化林地表层土壤疏松能够促进土壤养分循环与富集，而土壤致密板结会影响土壤养分的淋溶及迁移。

表5 石漠化林地土壤理化性质的相关性Tab.5 Correlation of soil physical-chemical factors rocky desertification forest land因素容重含水量总孔隙度毛管孔隙度非毛管孔隙度有机质含量全N含量碱解N全P含量速效P全K含量速效KpH值容重1含水量-0.0391总孔隙度-0.8000.2701毛管孔隙度-0.7660.1880.9581非毛管孔隙度-0.4350.3540.5400.2761有机质含量-0.8560.1710.8300.0770.5041全N含量-0.8360.3640.9200.8570.5680.9641碱解N含量-0.6930.2260.6910.5000.8490.6290.6791全P含量-0.0590.3570.2480.1120.5000.2590.3110.3251速效P含量-0.255-0.6940.3420.390-0.0010.2770.1820.2510.1831全K含量-0.7180.0760.4450.2520.7530.6140.5670.6900.028-0.0721速效K含量-0.054-0.0160.3150.3360.0680.5180.446-0.1020.0770.305-0.0441pH值0.2340.032-0.349-0.269-0.3800.119-0.026-0.4350.077-0.157-0.2480.5541

3.4 不同修复模式石漠化林地土壤质量评价

基于土壤理化性质13个指标的石漠化林地土壤质量主成分分析结果(表6)表明，主成分 1 的贡献率为47.577%，主成分 2 的贡献率为16.633%，主成分 3 的贡献率为 13.921%，主成分4 的贡献率为 9.960%，累计贡献率已达88.090%。这些主成分保留了评价石漠化林地土壤质量的绝大部分信息，因此，选取这4个主成分作为石漠化林地土壤质量评价的依据。主成分 1 占比最大，其中容重、总孔隙度、毛管孔隙度、有机质含量、全N含量、碱解N含量的权重系数较大，均超过了 0.800，表明主成分 1 主要反映土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和有机质、全N、碱解N含量等石漠化林地土壤理化性质。

表6 石漠化林地土壤质量主成分因子矩阵Tab.6 Principal component factor matrix of rocky desertifi-cation forest land因子主成分1234容重-0.872-0.0590.2130.299含水量0.264-0.4580.745-0.144总孔隙度0.9320.135-0.060-0.085毛管孔隙度0.8190.320-0.096-0.180非毛管孔隙度0.722-0.4840.0800.242有机质含量0.9110.3070.164-0.100全N含量0.9520.1750.213-0.118碱解N含量0.851-0.382-0.1300.311全P含量0.379-0.2110.3280.806速效P含量0.2810.565-0.6020.488全K含量0.683-0.347-0.107-0.247速效K含量0.2730.7480.4190.114pH值-0.2580.5300.6660.059方差贡献率/%47.57716.63313.9219.960累计贡献率/%47.57764.21078.13188.090

根据回归法计算出各因子的得分系数，得到反映土壤质量状况的主成分得分函数：

F1=-0.140X1+0.137X2+0.285X3+0.371X4-0.131X5+0.114X6+0.189X7-0.037X8-0.100X9+0.04X10-0.157X11+0.063X12-0.123X13

(1)

F2=-0.185X1-0.200X2-0.159X3-0.280X4+0.290X5+0.150X6+0.018X7+0.156X8-0.126X9-0.121X10+0.581X11-0.030X12+0.120X13

(2)

F3=0.204X1+0.124X2+0.004X3-0.077X4+0.239X5-0.056X6-0.016X7+0.272X8+0.642X9+0.190X10-0.173X11+0.037X12+0.007X13

(3)

F4=0.037X1-0.037X2-0.106X3-0.118X4-0.007X5+0.207X6+0.100X7-0.113X8+0.063X9-0.015X10+0.068X11+0.437X12+0.539X13

(4)

(1)～(4)式中X1、X2、X3、……X13分别代表土壤容重、含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有机质、全N、碱解N、全P、速效P、全K、速效K含量及pH值。将这些指标代入表达式中，计算各主成分得分，并根据其方差贡献率进行加权求和，得出石漠化不同修复模式土壤质量综合得分(表7)。

由表7可知，6马褂木+4灯台树混交模式的林地土壤质量得分最高，其次为3枫香+4灯台树+3杉木混交林模式的，蓝果树纯林模式的排名第3，杉木纯林模式的排名第4，5枫香+5马褂木、枫香纯林模式的分别排在第5、6 位，CK(荒山荒地)模式的排名最后。总的来看，造林有利于提高石漠化区土壤质量，且混交林的土壤质量普遍优于纯林的。

表7 不同修复模式石漠化林地土壤质量得分Tab.7 Soil comprehensive fertility scores of different restoration mode模式号修复模式F1F2F3F4综合得分S15枫香+5马褂木32.318-8.83718.27382.32434.190S26马褂木+4灯台树47.233-9.37421.93894.56942.686S3蓝果树纯林42.793-10.50217.31077.29337.799S4枫香纯林47.223-9.37421.93894.56933.381S5杉木纯林47.995-5.21919.96297.22234.429S63枫香+4灯台树+3杉木54.675-15.54821.094137.36240.044CK荒山荒地42.505-11.88216.45472.59927.768

4 结论与讨论

林地土壤质量受地形、气候、母质及植被类型等多种因素的综合影响，不同石漠化修复模式，因树种及其配置不同，会对土壤理化性质产生不同的影响[18]。本研究中，造林12 年后石漠化林地的土壤养分水平已经有了一定程度的提高，除碱解N、全P含量尚处于较低水平外，有机质、全N、速效P、全K、速效K含量等均已经恢复到中上至较高水平。在7种模式中，荒山荒地土壤各种养分含量均最低，这表明造林后土壤养分得到了改善，造林有利于提高石漠化区土壤质量，这与伏文兵等、杨同珂等[19-20]的研究结论一致。

石漠化林地的土壤含水量、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有机质、全N、碱解N、全P、全K含量等相互间均呈正相关，表明这些性质的变化规律具有相似性，而土壤容重与其它理化性质(pH值除外)均呈负相关，表明土壤容重越大，含水量、孔隙度及各种养分含量越低。主成分分析表明土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和有机质、全N、碱解N含量的权重系数较大，均超过了0.8，表明这些指标可以作为表征石漠化林地土壤理化特征的主要指标。

根据方差贡献率加权求和对各模式林地的土壤质量进行综合评分，得分大小排序为：6马褂木+4灯台树﹥3枫香+4灯台树+3杉木﹥蓝果树纯林﹥杉木纯林﹥5枫香+5马褂木﹥枫香纯林﹥荒山荒地。6种修复模式林地的土壤质量综合得分均高于对照(荒山荒地)的，进一步说明造林有利于提高石漠化区土壤质量。荒山荒地因长期撂荒，优势植物为丝茅草，草地根系密集，土壤透气与透水性较差，土壤板结不利于有机质向土壤输入，因而其土壤容重大于修复模式林地的，而有机质、氮、磷等养分含量则相对较低，这与李渊等[14]的研究结论一致。混交林模式S2(6马褂木+4灯台树)和S6(3枫香+4灯台树+3杉木)的林地土壤质量综合得分均高于蓝果树纯林、杉木纯林、枫香纯林模式的，只有混交林模式S1(5枫香+5马褂木)的林地土壤质量得分略低于蓝果树纯林、杉木纯林的，说明混交林模式普遍比纯林模式更适合石漠化区植被恢复及生态综合治理，这与杨同珂等、邵水仙等[20-21]的研究结论一致。

综上所述，人类耕作活动是影响石漠化林地土壤理化性质的主要因素。在石漠化区土壤的演变过程中，土壤有机质、氮含量及容重和持水状况等性质是其关键因子[22-23]。土壤理化性质随着植被的演替在不断地发生变化。在人工造林一定时间后，石漠化区的土壤理化性质有所改善，植被和土壤之间存在相互作用，一定程度上，植物群落的正向演替是土壤养分不断积累、物理性能不断改善的过程，而植物群落的逆向演替是土壤不断退化的过程，因此，在石漠化综合治理实际应用中不仅要考虑植物多样性，还要结合植物物种的石漠化适应性[24]，充分考虑适地适树、尊重自然的原则。