王嬌

（遼寧省生態(tài)公益林管理中心，遼寧 沈陽110036）

1 研究地區(qū)概況與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究樣地位于遼寧省西北部彰武縣（42°07′—42°51′N、121°53′—122°58′E）。彰武屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候，年均降雨量450～500mm，主要集中在夏季，占全年降雨量的70%，年蒸發(fā)量1 300～1 800 mm；全年主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)，冬春兩季風(fēng)大且持續(xù)時(shí)間長，風(fēng)速為4.5～5.0m·s－1；年平均溫度7.1℃，最高溫度37.4℃，最低溫度為－30.4℃，10℃以上積溫2 890℃；平均相對(duì)濕度61%，最大相對(duì)濕度78%，最小相對(duì)濕度48%，平均無霜期156d；平均凍土深度1.11m，最大凍土深度1.48m，最小凍土深度0.68m；地下水位2m以下。樹木30科54屬111種，森林覆被率40%，植物生長期（＞5℃）為180d。試驗(yàn)地0～100cm的土壤基質(zhì)為風(fēng)沙土層，沙粒含量＞98%，黏粉粒含量＜2%，沙層深厚，多達(dá)30m左右。

1.2 研究樣地及土壤特性情況

分別于2013年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日、10月20日在研究區(qū)域內(nèi)選定4種典型農(nóng)林復(fù)合模式樣地進(jìn)行研究，樣地基本情況見表1。每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地中，隨機(jī)采集0～20 cm、20～40cm土層土壤，每塊樣地重復(fù)采集3次。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用環(huán)刀浸水法測定2個(gè)土層的土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量等物理指標(biāo)。烘干碾碎后測定土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀等7個(gè)化學(xué)指標(biāo)，所得數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理。

表1 遼西北地區(qū)典型農(nóng)林復(fù)合模式

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)研究

2.1.1 土壤容重變化 土壤容重的大小與土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤緊實(shí)度、耕作措施等有關(guān)［1］。

圖1 土壤容重

從圖1中可以看出，3種模式下的土壤容重均低于對(duì)照（原始荒地）；0～20cm土層4種模式的土壤容重為A模式＜B模式＜C模式＜D模式；20～40cm土層4種模式的土壤容重為A模式＜C模式＜B模式＜D模式。一般來說，腐殖質(zhì)含量高的土壤容重較小，大扁杏－花生－玉米模式的枯落物較多，可以更有效地積累土壤腐殖質(zhì)含量。樟子松－花生模式在20～40cm深度上改善容重較其在0～20cm有所提高。

2.1.2 土壤孔隙度改良效果 從圖2中可以看出，0～20cm層次A和B模式的非毛管孔隙度幾乎一樣，C和D模式間差異不大，且A、B模式非毛管孔隙度遠(yuǎn)低于C和D模式，這可能是由于A、B模式下的沙化土壤得到改善，土壤團(tuán)聚體中黏粒數(shù)增加，導(dǎo)致非毛管孔隙度相對(duì)較低。20～40cm層次則是C樣地的非毛管孔隙度含量最高，其他A、B、D模式下土壤非毛管孔隙度均較低且差別不大，顯示對(duì)于20～40cm土壤層而言A、B模式的改良作用不大，C模式對(duì)此層具有增大非毛管孔隙度的作用。

圖2 土壤非毛管孔隙度

圖3 土壤毛管孔隙度

毛管孔隙是細(xì)小土粒緊密排列而成的小孔隙，決定著土壤的蓄水性。從圖3可以看出，0～20cm土層的毛管孔隙度是A模式＞B模式＞C模式＞D模式；20～40cm土層的毛管孔隙度與0～20cm土層的情況基本一致，但是4種模式下差異不顯著。由此可見，與D模式對(duì)照相比，其他3種模式能提高表土的土壤毛管孔隙度，根系的生長及對(duì)水分吸收涵養(yǎng)，改善了土質(zhì)，增加了土壤毛管孔隙度；相對(duì)于樟子松－花生模式而言，前2種模式對(duì)增加土壤毛管孔隙度更有效，在一定程度上提高了土壤的蓄水能力。

圖4 土壤總孔隙度

土壤總孔隙度是由毛管孔隙度和非毛管孔隙度2部分構(gòu)成的。由圖4可見，3種農(nóng)林復(fù)合模式通過地下根系的生長，地面枯落物的積累與分解，在一定程度上改善了土質(zhì)，使得土壤的孔隙狀況轉(zhuǎn)好。

2.1.3 土壤持水性能改良效果

圖5 土壤層次最大持水量

圖6 土壤層次毛管持水量

圖7 土壤層次田間持水量

在遼西北半干旱沙化地區(qū)，土壤水分狀況是作物生長的關(guān)鍵因子。土壤的持水能力可以用最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標(biāo)來表示。圖5、6、7反映了4種模式在0～20cm、20～40cm土層的土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量狀況。從中可以看出，3種模式具有提升土壤持水能力的作用，這種提升在0～20cm層次中最明顯，其中A模式＞B模式＞C模式＞D模式；對(duì)于20～40 cm土層而言，提升效果較0～20cm弱，且以A、C模式較好。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)研究

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)研究 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，它是土壤的重要組成物質(zhì)基礎(chǔ)，也是植物礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)的重要源泉［2］。它雖不能被植物吸收，但含有植物所需要的多種養(yǎng)分，是營養(yǎng)元素特別是氮素存在的主要場所：土壤表層中大約80%～97%的氮存在于有機(jī)質(zhì)之中［1］。

對(duì)于林地土壤來說，有機(jī)物質(zhì)主要來源于枯枝落葉，在林地土壤表面積累，然后在微生物以及其他環(huán)境條件的綜合作用下逐漸分解并通過腐殖化作用形成土壤有機(jī)質(zhì)，因而增加了表層土壤有機(jī)碳含量。從圖8可以看出：不同復(fù)合模式與對(duì)照相比，均能增加有機(jī)質(zhì)含量，0～20cm土層有機(jī)質(zhì)含量的高低依次為：B＞A＞C＞D，20～40cm土層有機(jī)質(zhì)含量高低依次為A＞B＞C＞D，顯示A模式下表土層分解能力較小，隨土層加深各種條件有利于枯枝落葉分解。

圖8 土壤有機(jī)質(zhì)

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分研究 土壤中氮素的積累，主要來源于動(dòng)植物殘?bào)w的分解、有機(jī)或無機(jī)肥的使用、土壤中微生物的固定。土壤中氮素是成土過程中由生物作用而積累的，絕大部分呈有機(jī)態(tài)，故氮素含量高低與有機(jī)碳的多少有關(guān)外，還與植被狀況、氣候、土壤質(zhì)地、地形及地勢、耕作利用等因素有關(guān)。由表2可以看出，3種模式能顯著提高土壤全氮含量，但是就3種模式來說，其提高土壤全氮含量的能力差異不大。

表2 土壤化學(xué)性質(zhì) g kg－1

磷對(duì)提高植物的抗病性、抗寒性和抗旱能力也有良好的作用。由表2可以看出，3種模式下土壤全磷含量相對(duì)原始荒地（D模式）有明顯的提升，且A模式＞B模式＞C模式，同時(shí)0～20cm土層土壤的磷素含量高于20～40cm。不同樹種林地表層土壤全磷含量產(chǎn)生差異，主要是由植物對(duì)土壤磷的吸收、歸還和再分布格局和強(qiáng)度的不同引起的。

土壤全鉀含量高低主要決定于成土母質(zhì)，一般而言一個(gè)地區(qū)內(nèi)土壤全鉀含量變異較小。由表2可以看出，A、B、C 3種模式下0～20cm層次土壤全鉀含量高于對(duì)照D模式，與對(duì)照處理間差異顯著，而3種模式之間差異不顯著，這是因?yàn)樵蓟牡乇婚_墾后，隨著種植年限增加，作物年年都要從土壤中獲取鉀素，這就消耗了土壤中的全鉀含量。本研究中各模式未施鉀肥，土壤中被作物帶走的鉀素不能及時(shí)得到補(bǔ)充，這就導(dǎo)致了3種模式的鉀素耗竭，所以在以后的種植生產(chǎn)中應(yīng)注重鉀肥的施用，防止鉀素的過度消耗。隨著土層的加深，土壤全鉀含量有所升高，這說明作物生長所需鉀素主要是以表層土壤鉀素為主。

2.2.3 土壤速效養(yǎng)分研究 通過本研究發(fā)現(xiàn)，3種模式能改善土壤氮素狀況，增加土壤氮素活性，對(duì)土壤氮素起到一定的改良作用。從圖9中可以看出，0～20cm層次A和B處理速效氮含量顯著高于C處理和對(duì)照處理；20～40cm層次速效氮含量高低順序是A＞B＞C＞D，各處理間均達(dá)到顯著差異。

圖9 土壤速效氮

圖10 土壤速效磷

植物生長必需的磷，幾乎全部由土壤供給，而磷在土壤中的移動(dòng)性和揮發(fā)性小，土壤中的磷大部分是以遲效性狀態(tài)存在，而只有速效磷的供應(yīng)和存在狀態(tài)才是土壤磷素供應(yīng)能力的表征［3］。由圖10可知，不同模式下土壤速效磷含量較低，各處理0～20 cm表層速效磷含量略高于20～40cm層次。同一土層不同復(fù)合模式進(jìn)行比較可知，0～20cm層次A和B處理速效磷含量高于C處理和對(duì)照。20～40 cm層次速效磷含量是A、B處理好于C、D處理。

由圖11可知，0～20cm表層土壤速效鉀含量低于20～40cm土層。對(duì)同一層次不同模式速效鉀含量比較可知，0～20cm表層土壤速效鉀含量以對(duì)照最高，分別與其他3種模式達(dá)到了顯著差異，而其他3種處理之間差異不顯著。造成這一現(xiàn)象出現(xiàn)是由于3種模式地面物生長需要大量鉀素，這就要從土壤中汲取，而對(duì)照處理地植物稀疏，所需速效鉀含量與其他處理比較相對(duì)較低，這就導(dǎo)致了對(duì)照處理的速效鉀含量高于其他3種模式。20～40cm土層速效鉀含量則是B處理和對(duì)照處理最高，兩者之間差異不顯著，其次是A處理，C處理的速效鉀含量最低，這是因?yàn)檫@一層次樟子松的細(xì)根分布相對(duì)集中，整株樹木生長所需的鉀素含量主要是在這一層次通過根系進(jìn)行吸收獲得，這就造成了這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。而這一層次的速效鉀雖然被根系吸收卻仍高于表層，一方面是由于土壤中鉀素的移動(dòng)性較強(qiáng)，降雨能夠?qū)?～20cm表層土壤的一部分鉀淋洗至這一層次中，另一方面是由于根系吸收造成這一層次出現(xiàn)養(yǎng)分虧缺，鉀濃度降低，這就與其他層次形成勢差，致使0～20cm層次的速效鉀向這一層次富集。

圖11 土壤速效鉀

2.3 土壤質(zhì)量綜合分析

土壤質(zhì)量是指土壤的生產(chǎn)力狀況或者健康狀況，特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和持續(xù)土地利用及環(huán)境管理、促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力［4］。不同模式下，土壤質(zhì)量發(fā)生了明顯的變化，僅從物理、化學(xué)指標(biāo)單獨(dú)的分析不足以反映土壤總體質(zhì)量變化差別。因此，對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，獲得土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果十分重要。

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的遴選 為了減少反映土壤質(zhì)量綜合信息的損失，經(jīng)過深入的分析以及針對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的考慮，所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、速效氮、田間持水量、總孔隙度。

2.3.2 土壤質(zhì)量因子分析 使用SPSS軟件對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行因子分析并綜合評(píng)價(jià)。9個(gè)主成分的共同度見表3。

表3 KMO檢驗(yàn)

KMO統(tǒng)計(jì)量為0.744，較為接近1，卡方統(tǒng)計(jì)量259.342，對(duì)應(yīng)的顯著性水平為P＝0.000＜0.001，表示本土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)使用因子分析合理。

表4 各因子的共同度

表4表明各變量的共同度均較大，大于0.75，表明提取的信息較完整。

表5 因子貢獻(xiàn)率

由表5看出，前3個(gè)特征根方差貢獻(xiàn)度都較大，后面的特征值貢獻(xiàn)度越來越小，因此，只提取出3個(gè)主成分是較為合適的。且各變量在因子分析后，因子變量解釋的方差都比較高。

表6 旋轉(zhuǎn)前因子（主成分）載荷矩陣

表6、表7、表8為旋轉(zhuǎn)前后各因子載荷矩陣和因子轉(zhuǎn)換矩陣，由此看出，第1個(gè)因子變量基本上反映了有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量、速效氮含量。第2個(gè)因子基本上反映了總孔隙度、田間持水量、全氮含量。第3個(gè)因子基本上反映了土壤容重、全鉀含量。

表7 旋轉(zhuǎn)后因子（主成分）載荷矩陣

表8 因子轉(zhuǎn)換矩陣

表9 因子得分矩陣

表10 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

通過對(duì)各模式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行因子分析，并且綜合評(píng)分結(jié)果如表10所示A模式＞B模式＞C模式＞D（對(duì)照）。在層次上說A、B模式對(duì)0～20 cm土層的土壤改良效果好于20～40cm土層；C模式對(duì)20～40cm土層的改良效果好于0～20cm土層土壤。所以從總體上來說，3種農(nóng)林復(fù)合模式中大扁杏－花生－玉米對(duì)土壤的質(zhì)量改良效果最好，大扁杏－麻黃草、樟子松－花生次之。

3 討論與結(jié)論

通過對(duì)4種模式下2個(gè)土層的各種土壤物理性質(zhì)改良的研究，結(jié)果表明，不同農(nóng)林復(fù)合模式具有降低土壤容重、增加土壤持水量、提升土壤孔隙度等作用，能明顯地改善遼西北荒漠化地區(qū)土壤的物理性質(zhì)，提高土壤生產(chǎn)力。這對(duì)于遼西北地區(qū)如何利用有限的降水、增加土壤持水能力等關(guān)鍵問題的解決具有重要意義。

通過對(duì)4種模式下2個(gè)土層的土壤化學(xué)性質(zhì)改良的研究，結(jié)果顯示，農(nóng)林復(fù)合模式相對(duì)于對(duì)照原始荒地具有改善土壤肥力，增大土壤內(nèi)氮、磷、鉀含量，提升有機(jī)質(zhì)含量，但各模式的提升效果并不明顯。對(duì)不同農(nóng)林模式下土壤質(zhì)量進(jìn)行的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，顯示農(nóng)林復(fù)合模式對(duì)于遼西北荒漠化地區(qū)的土壤質(zhì)量具有改良作用。總體上，3種農(nóng)林復(fù)合模式中大扁杏－花生－玉米對(duì)土壤的質(zhì)量改良效果最好、大扁杏－麻黃草、樟子松－花生次之。在層次上說大扁杏－花生－玉米模式和大扁杏－麻黃草模式對(duì)0～20cm土層的土壤改良效果好于20～40cm；樟子松－花生模式對(duì)20～40cm土層的改良效果好于0～20cm土層土壤。

［1］曹彧.遼西地區(qū)人工油松蒙古櫟混交林和油松純林土壤質(zhì)量的比較研究［D］.沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007

［2］趙斯，趙雨森，王林，等.東北黑土區(qū)農(nóng)林復(fù)合土壤效應(yīng)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：68－70

［3］Chulsang Yoo，Sangdan Kim.EOF analysis of surface soil moisture field variability［J］.Adv Water Resour，2004（27）：831－842

［4］Odum E P.生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：人民教育出版社，1981