李 貴， 陳 瑞， 劉振華， 童 琪， 吳 敏， 童方平

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004; 2.貴州省植物園， 貴州 貴陽 550004)

石漠化是喀斯特地區(qū)土壤質(zhì)量退化的終極形式，已成為威脅區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全的重要生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。湖南省是石漠化大省，巖溶面積達(dá)5.4萬km2，全省65.6%的縣不同程度地受到石漠化困擾。湘西武陵地區(qū)主要為湘西少數(shù)民族地區(qū)，貧困人口集中，人地矛盾突出，石漠化已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要因素之一。石漠化綜合治理及生態(tài)修復(fù)已成為我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要內(nèi)容[3]。土壤理化性質(zhì)是體現(xiàn)土壤質(zhì)量的重要參數(shù)，對石漠化地區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的演變起到了一定的指示作用[4-5]，在生產(chǎn)上常用氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量來衡量土壤質(zhì)量狀況[6]。許多學(xué)者通過對土壤養(yǎng)分綜合分析來確定土壤質(zhì)量水平[7-10]。近年來，對于石漠化的治理多采用生態(tài)恢復(fù)的辦法[11]，通過人工造林來增加植被覆蓋率，固持水土，涵養(yǎng)水源，減少侵蝕。然而，在石漠化區(qū)開展人工造林，除水分、土壤問題外，還需要選擇適宜的樹種及其配置模式，否則可能會導(dǎo)致造林成活率低或林木生長受阻等一系列問題[12-13]。許多研究[14-15]報(bào)道了石漠化對土壤理化性質(zhì)的影響，認(rèn)為石漠化造成了土壤物理性質(zhì)惡化、土壤養(yǎng)分含量降低，影響了植物的生長發(fā)育。在湖南省龍山縣石漠化治理示范區(qū)內(nèi)，近十幾年來營造了多種植物配置模式的人工林，為找出該區(qū)石漠化最佳植被修復(fù)模式，進(jìn)而推廣到周邊立地相似區(qū)域的石漠化地區(qū)，本研究以該石漠化區(qū)為研究對象，比較不同修復(fù)模式林地的土壤理化性質(zhì)，探討石漠化修復(fù)模式對土壤理化性質(zhì)的影響，為探索合理的石漠化生態(tài)修復(fù)模式與石漠化森林生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

龍山縣屬湘西武陵山區(qū)典型的石漠化區(qū)域，位于湘西北邊陲，地處武陵山脈腹地，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，適宜多種植物生長。其氣候特征是四季分明，夏半年受夏季風(fēng)影響，降水較豐沛，氣候溫暖濕潤；冬半年受冬季風(fēng)控制，氣溫較低，降水較少，氣候較寒冷；年平均氣溫15.8 ℃。該區(qū)地貌以高原山地地貌為主，地勢起伏較大。研究區(qū)海拔1000～1200m，土壤類型主要為黃壤；林下植被是以球核莢蒾(Viburnumpropinquum)、火棘(Pyracanthafortuneana)、薄葉鼠李(Rhamnusleptophylla)、野薔薇(Rosemultiflora)、芒(Miscanthussinensis)等為主的藤、刺、灌叢，以及零星分布的青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、馬尾松(Pinusmassoniana)等。研究區(qū)內(nèi)共有7種石漠化修復(fù)模式，含1種對照模式(荒山荒地)；優(yōu)勢植物主要是楓香(Liquidambarformosana)、馬褂木(Liriodendronchinense)、燈臺樹(Bothrocaryumcontroversum)、藍(lán)果樹(Nyssasinensis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、絲茅(Imperatakoenigii)等，喬木樹種樹齡均為 12 年，郁閉度為 90%～95%；土壤類型均為黃壤。不同修復(fù)模式石漠化林地基本信息見表1。

表1 不同修復(fù)模式石漠化林地基本信息Tab.1 Basic information of different restoration modes模式號修復(fù)模式優(yōu)勢植物海拔/m經(jīng)緯度S15楓香+5馬褂木楓香、馬褂木1 048109°46'31″E;29°23'32″NS26馬褂木+4燈臺樹馬褂木、燈臺樹1 126109°42'32″E;29°30'54″NS3藍(lán)果樹純林藍(lán)果樹1 150109°29'36″E;29°58'26″NS4楓香純林楓香1 090109°18'38″E;29°54'33″NS5杉木純林杉木1 001109°18'38″E;29°54'31″NS63楓香+4燈臺樹+3杉木楓香、燈臺樹、杉木1 136109°33'22″E;29°20'45″NCK荒山荒地絲茅1 177109°23'21″E;29°54'21″N

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)的楓香-馬褂木混交林、馬褂木-燈臺樹混交林、楓香-燈臺樹混交林、藍(lán)果樹純林、楓香純林、杉木純林和荒山荒地(對照)等7種不同石漠化修復(fù)模式的代表性地段內(nèi)，各選擇相應(yīng)代表性區(qū)域設(shè)置20 m×20 m樣地，在樣地內(nèi)沿對角線布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)間距在10 m之內(nèi)。分別在各采樣點(diǎn)10 cm土層處采集土壤環(huán)刀樣品，作為土壤物理性質(zhì)待測樣本；同時(shí)，采集0～20 cm土層的混合土壤樣品300 g，重復(fù)3 次，均勻混合組成待測土樣，裝入自封袋，經(jīng)風(fēng)干、研磨后供土壤理化性質(zhì)測定用。土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)表Tab.2 National soil nutrient content classification standard指標(biāo)級別極高高中上中低極低有機(jī)質(zhì)/(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堿解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 土壤理化性質(zhì)測定

2.2.1 土壤物理性質(zhì)測定 容重、含水量、毛管孔隙度測定均采用環(huán)刀法，其測試方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 1121—2006》[16]。

總孔隙度的計(jì)算公式：

Pt=93.947-32.995×b

(1)

式中：b為容重；Pt為總孔隙度。

非毛管孔隙度的計(jì)算公式：

Po=Pt-Pc，

(2)

式中：Po為非毛管孔隙度；Pc為毛管孔隙度。

2.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測定 有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全N含量采用蒸餾定氮法測定；堿解N含量采用堿解擴(kuò)散法測定；全P、速效P含量采用鉬銻抗比色法測定；全K、速效K含量采用火焰光度計(jì)法測定；pH 值采用電位法測定。以上測定方法均參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[17]。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；利用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析以及主成分分析等。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤物理性質(zhì)

方差分析結(jié)果(表3)表明：不同修復(fù)模式的石漠化林地，其土壤物理性質(zhì)存在一定的差異。CK(荒山荒地)的土壤容重顯著或極顯著大于6種修復(fù)模式林地的，其中與S3模式林地的差異達(dá)到顯著性水平，與其它5種模式林地的差異達(dá)到極顯著性水平；6種修復(fù)模式中，只有S3模式林地的土壤含水量與CK的有顯著性差異；除S3模式外，其它5種模式林地的土壤總孔隙度與CK的均有極顯著性差異；6種修復(fù)模式林地的土壤毛管孔隙度與CK的均有極顯著性差異；CK的土壤非毛管孔隙度與S1、S6模式林地的差異均不明顯，與S3模式林地的有顯著差異，與其它3種模式林地的差異均達(dá)到極顯著性水平。

表3 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤物理性質(zhì)比較Tab.3 Comparisons of soil physical properties of different restoration modes模式號修復(fù)模式容重/(g·cm-3)含水量/%總孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%S15楓香+5馬褂木1.16**32.2248.63**38.44**10.19S26馬褂木+4燈臺樹1.17**33.0953.23**42.16**11.07**S3藍(lán)果樹純林1.24*29.46*45.6335.54**10.09*S4楓香純林1.23**32.8248.38**36.70**11.68**S5杉木純林1.16**32.7650.06**38.01**12.06**S63楓香+4燈臺樹+3杉木1.23**31.9448.23**38.11**10.12 CK荒山荒地1.2734.0144.8734.6810.19 注: “*”表示與對照(CK)存在顯著性差異,顯著性水平為0.05;“**”表示與對照(CK)存在極顯著性差異,顯著性水平為0.01。下同。

3.2 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤化學(xué)性質(zhì)

方差分析結(jié)果(表4)表明：不同修復(fù)模式的石漠化林地，其土壤化學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異。除S6模式林地的土壤堿解N含量與CK的差異不顯著外，6種修復(fù)模式林地的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解N、速效P、速效K含量與CK的差異都達(dá)到了顯著或極顯著性水平。除S3模式外，其它5種修復(fù)模式林地的土壤全N含量均極顯著大于CK(荒山荒地)的；除S5、S6模式外，其它4種修復(fù)模式林地的土壤全P含量均顯著或極顯著大于CK的，其中S1、S4模式林地的土壤全P含量與CK的差異均達(dá)到極顯著水平；S5模式林地的土壤全K含量與CK的差異均達(dá)到顯著水平，S6模式林地的土壤全K含量與CK的差異達(dá)到極顯著水平，其它4種修復(fù)模式林地的土壤全K含量與CK的差異均沒有顯著性。6種修復(fù)模式林地的土壤pH值與CK的差異均不顯著。對照全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，發(fā)現(xiàn)造林12年后，石漠化區(qū)林地土壤除堿解N、全P含量尚處于較低水平外，其它養(yǎng)分含量均已經(jīng)恢復(fù)至中上水平。

表4 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤化學(xué)性質(zhì)Tab.4 Comparisons of soil chemical properties of different restoration modes模式號土壤養(yǎng)分含量有機(jī)質(zhì)/(g·kg-1)全N/(g·kg-1)堿解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質(zhì)相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明， 石漠化林地的土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N、全P、全K含量等相互間均呈正相關(guān)，表明這些性質(zhì)的變化規(guī)律具有相似性；土壤容重與其它理化性質(zhì)(pH值除外)均呈負(fù)相關(guān)，表明土壤容重越大，含水量、孔隙度及各種養(yǎng)分含量越低。由此可見，石漠化林地表層土壤疏松能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)與富集，而土壤致密板結(jié)會影響土壤養(yǎng)分的淋溶及遷移。

表5 石漠化林地土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Tab.5 Correlation of soil physical-chemical factors rocky desertification forest land因素容重含水量總孔隙度毛管孔隙度非毛管孔隙度有機(jī)質(zhì)含量全N含量堿解N全P含量速效P全K含量速效KpH值容重1含水量-0.0391總孔隙度-0.8000.2701毛管孔隙度-0.7660.1880.9581非毛管孔隙度-0.4350.3540.5400.2761有機(jī)質(zhì)含量-0.8560.1710.8300.0770.5041全N含量-0.8360.3640.9200.8570.5680.9641堿解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 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤質(zhì)量評價(jià)

基于土壤理化性質(zhì)13個(gè)指標(biāo)的石漠化林地土壤質(zhì)量主成分分析結(jié)果(表6)表明，主成分 1 的貢獻(xiàn)率為47.577%，主成分 2 的貢獻(xiàn)率為16.633%，主成分 3 的貢獻(xiàn)率為 13.921%，主成分4 的貢獻(xiàn)率為 9.960%，累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)88.090%。這些主成分保留了評價(jià)石漠化林地土壤質(zhì)量的絕大部分信息，因此，選取這4個(gè)主成分作為石漠化林地土壤質(zhì)量評價(jià)的依據(jù)。主成分 1 占比最大，其中容重、總孔隙度、毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、全N含量、堿解N含量的權(quán)重系數(shù)較大，均超過了 0.800，表明主成分 1 主要反映土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N含量等石漠化林地土壤理化性質(zhì)。

表6 石漠化林地土壤質(zhì)量主成分因子矩陣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總孔隙度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有機(jī)質(zhì)含量0.9110.3070.164-0.100全N含量0.9520.1750.213-0.118堿解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方差貢獻(xiàn)率/%47.57716.63313.9219.960累計(jì)貢獻(xiàn)率/%47.57764.21078.13188.090

根據(jù)回歸法計(jì)算出各因子的得分系數(shù)，得到反映土壤質(zhì)量狀況的主成分得分函數(shù)：

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分別代表土壤容重、含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N、全P、速效P、全K、速效K含量及pH值。將這些指標(biāo)代入表達(dá)式中，計(jì)算各主成分得分，并根據(jù)其方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行加權(quán)求和，得出石漠化不同修復(fù)模式土壤質(zhì)量綜合得分(表7)。

由表7可知，6馬褂木+4燈臺樹混交模式的林地土壤質(zhì)量得分最高，其次為3楓香+4燈臺樹+3杉木混交林模式的，藍(lán)果樹純林模式的排名第3，杉木純林模式的排名第4，5楓香+5馬褂木、楓香純林模式的分別排在第5、6 位，CK(荒山荒地)模式的排名最后?？偟膩砜?，造林有利于提高石漠化區(qū)土壤質(zhì)量，且混交林的土壤質(zhì)量普遍優(yōu)于純林的。

表7 不同修復(fù)模式石漠化林地土壤質(zhì)量得分Tab.7 Soil comprehensive fertility scores of different restoration mode模式號修復(fù)模式F1F2F3F4綜合得分S15楓香+5馬褂木32.318-8.83718.27382.32434.190S26馬褂木+4燈臺樹47.233-9.37421.93894.56942.686S3藍(lán)果樹純林42.793-10.50217.31077.29337.799S4楓香純林47.223-9.37421.93894.56933.381S5杉木純林47.995-5.21919.96297.22234.429S63楓香+4燈臺樹+3杉木54.675-15.54821.094137.36240.044CK荒山荒地42.505-11.88216.45472.59927.768

4 結(jié)論與討論

林地土壤質(zhì)量受地形、氣候、母質(zhì)及植被類型等多種因素的綜合影響，不同石漠化修復(fù)模式，因樹種及其配置不同，會對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響[18]。本研究中，造林12 年后石漠化林地的土壤養(yǎng)分水平已經(jīng)有了一定程度的提高，除堿解N、全P含量尚處于較低水平外，有機(jī)質(zhì)、全N、速效P、全K、速效K含量等均已經(jīng)恢復(fù)到中上至較高水平。在7種模式中，荒山荒地土壤各種養(yǎng)分含量均最低，這表明造林后土壤養(yǎng)分得到了改善，造林有利于提高石漠化區(qū)土壤質(zhì)量，這與伏文兵等、楊同珂等[19-20]的研究結(jié)論一致。

石漠化林地的土壤含水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N、全P、全K含量等相互間均呈正相關(guān)，表明這些性質(zhì)的變化規(guī)律具有相似性，而土壤容重與其它理化性質(zhì)(pH值除外)均呈負(fù)相關(guān)，表明土壤容重越大，含水量、孔隙度及各種養(yǎng)分含量越低。主成分分析表明土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和有機(jī)質(zhì)、全N、堿解N含量的權(quán)重系數(shù)較大，均超過了0.8，表明這些指標(biāo)可以作為表征石漠化林地土壤理化特征的主要指標(biāo)。

根據(jù)方差貢獻(xiàn)率加權(quán)求和對各模式林地的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評分，得分大小排序?yàn)椋?馬褂木+4燈臺樹﹥3楓香+4燈臺樹+3杉木﹥藍(lán)果樹純林﹥杉木純林﹥5楓香+5馬褂木﹥楓香純林﹥荒山荒地。6種修復(fù)模式林地的土壤質(zhì)量綜合得分均高于對照(荒山荒地)的，進(jìn)一步說明造林有利于提高石漠化區(qū)土壤質(zhì)量?；纳交牡匾蜷L期撂荒，優(yōu)勢植物為絲茅草，草地根系密集，土壤透氣與透水性較差，土壤板結(jié)不利于有機(jī)質(zhì)向土壤輸入，因而其土壤容重大于修復(fù)模式林地的，而有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分含量則相對較低，這與李淵等[14]的研究結(jié)論一致。混交林模式S2(6馬褂木+4燈臺樹)和S6(3楓香+4燈臺樹+3杉木)的林地土壤質(zhì)量綜合得分均高于藍(lán)果樹純林、杉木純林、楓香純林模式的，只有混交林模式S1(5楓香+5馬褂木)的林地土壤質(zhì)量得分略低于藍(lán)果樹純林、杉木純林的，說明混交林模式普遍比純林模式更適合石漠化區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)綜合治理，這與楊同珂等、邵水仙等[20-21]的研究結(jié)論一致。

綜上所述，人類耕作活動是影響石漠化林地土壤理化性質(zhì)的主要因素。在石漠化區(qū)土壤的演變過程中，土壤有機(jī)質(zhì)、氮含量及容重和持水狀況等性質(zhì)是其關(guān)鍵因子[22-23]。土壤理化性質(zhì)隨著植被的演替在不斷地發(fā)生變化。在人工造林一定時(shí)間后，石漠化區(qū)的土壤理化性質(zhì)有所改善，植被和土壤之間存在相互作用，一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養(yǎng)分不斷積累、物理性能不斷改善的過程，而植物群落的逆向演替是土壤不斷退化的過程，因此，在石漠化綜合治理實(shí)際應(yīng)用中不僅要考慮植物多樣性，還要結(jié)合植物物種的石漠化適應(yīng)性[24]，充分考慮適地適樹、尊重自然的原則。