王添樂, 郭青霞, 王海斌, 丁 一, 杜 軼, 陳水英
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)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(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)安全[1],為此,我國于1999年開始實(shí)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(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn),但大都針對(duì)退耕還林工程下的生態(tài)林地土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究,對(duì)生態(tài)林地與經(jīng)濟(jì)林地土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合研究則鮮有報(bào)道。對(duì)于生態(tài)林和經(jīng)濟(jì)林養(yǎng)分特征開展綜合研究,有助于對(duì)退耕還林工程水土保持效益展開全面綜合的評(píng)價(jià),進(jìn)而更好地維護(hù)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(shí),亦栽植了部分以核桃(Juglansregia)為主的經(jīng)濟(jì)林,而不同林地類型下土壤理化性質(zhì)會(huì)存在明顯差異[2-3],進(jìn)而影響不同退耕還林地的養(yǎng)分特性。
對(duì)岔口流域退耕還林工程下生態(tài)林地與經(jīng)濟(jì)林地的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行多重對(duì)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(jī)質(zhì)含量的關(guān)系,并以修正的內(nèi)梅羅公式對(duì)不同類型退耕還林地養(yǎng)分等級(jí)做出評(píng)價(jià),旨在對(duì)岔口流域不同退耕還林地的養(yǎng)分保持進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),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(fù)提供借鑒。
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(yán)重,氣候?qū)儆谂瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)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(dāng)?shù)刂饕N植作物,年產(chǎn)量約5 000 kg/hm2,于2000年開始進(jìn)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(jì)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。
以岔口流域不同退耕還林樣地為取樣對(duì)象,以坡耕地為對(duì)照,筆者于2019年4月中旬(作物施肥前)對(duì)流域刺槐、柏樹(生態(tài)林地)、核桃(經(jīng)濟(jì)林地)以及坡耕地進(jìn)行土壤取樣(表1),每種取12塊樣地,每塊樣地采用“S”型布點(diǎn)法均勻采取5~6個(gè)樣點(diǎn),用土鉆進(jìn)行0~20和20~40 cm的取樣后分層混合。土樣風(fēng)干后研磨并過篩待測(cè)[4]。
實(shí)驗(yàn)于2019年5月初在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土壤實(shí)驗(yàn)室開始進(jìn)行。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定,全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀采用氫氧化鈉熔融分光光度法測(cè)定,速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測(cè)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
2.2.1 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(jì)分析軟件SPSS 22.0的多重比較(one-way ANOVA)進(jìn)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(yàn)[6],以Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)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(píng)價(jià) 土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)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(píng)的各養(yǎng)分指標(biāo)之間的平均肥力系數(shù),量剛為1;Emin為各養(yǎng)分指標(biāo)間的肥力系數(shù)最小值,量剛為1;n為參評(píng)養(yǎng)分指標(biāo)數(shù), 量剛為1。
各養(yǎng)分指標(biāo)的分肥力系數(shù)(Ei)計(jì)算參考已有研究成果[7-9]。
(2)
式中:Ei為各養(yǎng)分指標(biāo)的肥力系數(shù)(i為參評(píng)養(yǎng)分指標(biāo));Si為各養(yǎng)分指標(biāo)的實(shí)際測(cè)定值;Xa、Xp、Xc為計(jì)算肥力系數(shù)時(shí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),參考闕文杰等[8]研究成果。該方法計(jì)算后,1個(gè)突出的特點(diǎn)是各養(yǎng)分指標(biāo)的肥力系數(shù)介于0~3之間,反應(yīng)出土壤肥力對(duì)于植被來說不是越高越好[7]。
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(huì)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(jī)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(gè)土層的差異較其他指標(biāo)而言較小,與李占斌等[14]對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)的研究結(jié)果一致,可能與磷的難移動(dòng)性有關(guān)[15]。
3.2.1 土壤有機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)含量極顯著(P<0.01)高于核桃林(經(jīng)濟(jì)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(jì)林)土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)含量的變化呈現(xiàn)出生態(tài)林地>經(jīng)濟(jì)林地>坡耕地的現(xiàn)象。有研究表明,土壤有機(jī)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(duì)充足,有機(jī)質(zhì)含量較高[17],柏樹次之。而流域核桃林(經(jīng)濟(jì)林)歷年所施肥料主要以化肥為主,幾乎不施有機(jī)肥料,造成其有機(jī)質(zhì)含量并未因施肥得到提高,加之受到經(jīng)濟(jì)效益的影響,林內(nèi)易受到人和機(jī)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(jī)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?,以旱地為主,林木生長靠天然降水,又經(jīng)常受季節(jié)性凍災(zāi)影響,導(dǎo)致了核桃林的正常生長發(fā)育受限,林木枯落物的回歸進(jìn)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(jì)林有機(jī)質(zhì)含量顯著低于生態(tài)林。對(duì)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(jī)肥料施用過少有關(guān),據(jù)調(diào)研得知,與經(jīng)濟(jì)林施肥情況類似,流域坡耕地施肥主要以化學(xué)肥料為主,導(dǎo)致其有機(jī)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(duì)比關(guān)系與有機(jī)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)林地和坡耕地的土壤機(jī)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(jì)林與坡耕地歷年存在施用化肥(不施有機(jī)肥)現(xiàn)象,但在采樣時(shí)(4月中旬)并未施肥,經(jīng)過長時(shí)間的揮發(fā)、淋溶以及作物的吸收利用,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林與坡耕地的土壤氮素含量顯著低于生態(tài)林,而經(jīng)濟(jì)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(gè)土層的全磷含量差異并不顯著;生態(tài)林與經(jīng)濟(jì)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(duì)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(duì)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(dǎo)致各樣地間全磷含量差異并不顯著[18]。而對(duì)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(jī)制的存在[19],使得其速效磷含量相對(duì)較低[20],經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)林地、坡耕地雖往年存在施肥現(xiàn)象,但所施化肥是以復(fù)合肥(含磷量<10%)和氮肥為主,加之采樣時(shí)間距離上一年施肥時(shí)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(jì)林)地和坡耕地,但不同樣地間的差異相對(duì)較??;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(duì)含量[15],對(duì)于速效鉀而言,林木及林下微生物活動(dòng)能夠促進(jìn)礦物態(tài)鉀向有效鉀的轉(zhuǎn)化[21],加之有機(jī)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。
現(xiàn)有研究多表明,土壤有機(jī)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(jìn)而更合理地引導(dǎo)對(duì)于林地管護(hù),對(duì)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(jī)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(jī)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。
通過修正的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)流域生態(tài)林地與經(jīng)濟(jì)林地土壤的有機(jī)質(zhì)與速效養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果見表4。
參考魏志紅等[7]對(duì)于土壤養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),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(jí)均為“中”;核桃林地則為0.74,小于0.8,其養(yǎng)分等級(jí)為“差”。
通過對(duì)岔口流域退耕還林地2個(gè)土層的養(yǎng)分含量進(jìn)行對(duì)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(biāo)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(duì)于黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果一致,有研究認(rèn)為可能與磷的難移動(dòng)性有關(guān)[15]。
表4 養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)表Tab.4 Nutrient rating scale
通過對(duì)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(jì)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(jī)質(zhì)的主要來源之一[16],有機(jī)質(zhì)含量的提高能夠不同程度的影響其他養(yǎng)分含量,對(duì)其他養(yǎng)分含量的提高亦有貢獻(xiàn)[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(shí)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(jì)效益,很少存在不同形式的人工擾動(dòng),有效地保護(hù)了土壤的養(yǎng)分積累。廖曉勇等[30]認(rèn)為人工擾動(dòng)少的林地土壤氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)含量高。
與人工林草地不同,經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致流域經(jīng)濟(jì)林(核桃林)正常生長受限,其產(chǎn)生的凋落物和植物殘?bào)w較生態(tài)林而言更加匱乏,此外,受經(jīng)濟(jì)效益的影響,經(jīng)濟(jì)林地土壤的人工擾動(dòng)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(duì)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(yán)重,加之沒有林木進(jìn)行固土保肥,是導(dǎo)致其有機(jī)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(jì)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(fù)合肥等化學(xué)肥料為主,不施有機(jī)肥料,而化學(xué)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(shí)當(dāng)年并無施肥,且距上一次施肥時(shí)間跨度將近一年,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林地和坡耕地的土壤有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分含量不高。
通過不同退耕還林樣地養(yǎng)分含量對(duì)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(duì)陜北風(fēng)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(jìn)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(duì)黃土高原區(qū)各植被的土壤養(yǎng)分進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)其全磷含量在不同生態(tài)恢復(fù)措施下的差異性也沒有達(dá)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(diǎn)[15]。對(duì)于速效磷來說,蔡立佳等[20]認(rèn)為,一方面由于林木吸收,另一方面由于養(yǎng)分內(nèi)循壞機(jī)制的存在[19],使得林地土壤速效磷含量普遍相對(duì)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(jìn)一步論證不同植被類型會(huì)對(duì)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(dǎo)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(dòng), 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]。
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(jī)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(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行修正的內(nèi)羅公式評(píng)價(jià),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(jì)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(jī)質(zhì)含量、N含量總體上顯著(P<0.05)高于經(jīng)濟(jì)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(duì)岔口流域不同退耕還林模式下的土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分進(jìn)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(fù)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(xì)致的研究仍有待開展。