豫西低山丘陵区不同植被修复模式下土壤养分评价

程立平　赵玉明　刘沛松

摘要：以荒草地为对照，测定了豫西低山丘陵区不同林草复合的植被修复模式下土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量，对其土壤养分状况进行评价。结果表明：该区荒草地土壤养分除速效钾外，其他各养分含量均偏低，说明该区荒草地土壤肥力处于低水平。植被修复措施对于土壤有机质、全氮、全磷、速效磷含量具有显著提升作用，但对土壤速效氮、全钾、速效钾含量无显著提升作用。不同植被生态修复模式下土壤养分指数大小依次为侧柏+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生杨+苜蓿>苜蓿草地，说明该区侧柏+苜蓿和栓皮栎+苜蓿模式在改善土壤养分方面表现较好。豫西低山丘陵区土壤贫瘠，养分有效性差，植被修复方式能够使土壤养分得到一定程度恢复，但必然是一个漫长过程。

关键词：低山丘陵区；生态修复；土壤养分；豫西；植被修复模式

中图分类号：S158.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0423-03

豫西低山丘陵区水土流失严重、生态环境脆弱，是河南省生态建设的重点区域。植被建设作为传统、有效的生态修复方式被广泛应用于不同地区生态环境建设中[1-3]，土壤养分特征一直是评价生态修复效果的重要内容之一[4-6]。目前，有关不同生态修复模式土壤养分方面的研究已有很多[7-9]，但是针对豫西低山丘陵区土壤养分的研究则较少[10]，尤其是关于该地区不同植被修复模式下土壤养分状况及其评价研究鲜有报道。本研究就豫西低山丘陵区5种林草复合植被修复模式下土壤养分状况进行探讨，以期为该地区生态修复树种的合理配置以及土壤肥力的管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省鲁山县库区乡境内，地处伏牛山东麓低山丘陵地带，土壤类型以褐土、潮土、黄棕壤土为主。该地区属北亚热带向暖温带过渡地带，年均气温14.8 ℃，大于10 ℃的年积温 4 735 ℃，无霜期209 d。降水量年际变化大，多年平均降水量810 mm，其中70%以上的降水集中在7—9月份，高温期与雨季同步。

1.2 研究方法

1.2.1 取样及测定 野外采样于2014年3月中旬进行，以低山丘陵区生态修复试验示范基地为研究对象。该试验基地于2009年建立，其自然地貌状况与豫西低山丘陵区接近，坡向为西南，坡度22°。根据当地植被及生态环境特点，试验基地设置5种林草复合的植被修复模式，分别为苜蓿样地、杨树+苜蓿样地、侧柏+苜蓿样地、栓皮栎+苜蓿样地、刺槐+苜蓿样地，同时设置荒草地为对照。每个样地坡长25 m、宽15 m。各样地按坡向从上至下分4个区段采样（坡上、坡中上、坡中下、坡下），每个区段的同一水平等距离分别设置3个采样点（图1），采集0～20 cm土层土壤带回实验室备用。将带回的土壤样品剔除可见的动物、植物残体和石块并风干，用“四分法”取样，过 0.25、1.00 mm 筛，按常规方法测定土壤样品的有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量。

1.2.2 土壤养分指数计算[11] 用土壤养分指数（SNI）综合评价低山丘陵区不同生态修复模式下的土壤养分水平。先通过相对系数法将各指标量纲归一化，得到各个肥力指标的隶属度值：

Ci=fi/fmax。

式中：Ci为各养分指标的隶属度值；fi为各养分指标的原始值；fmax为各养分指标的最大值。

然后根据主成分分析中各养分指标的公因子方差确定其权重系数，最后计算土壤养分指数SNI：

SNI=∑ni=1Ci×Ki 。

式中：Ki为各肥力指标的权重系数；Ci为各肥力指标的隶属度值。

2 结果与分析

2.1 豫西低山丘陵区土壤养分分级

依据全国第2次土壤普查有关标准，将豫西低山丘陵区土壤养分含量分为6个级别，分别计算其土壤养分指数SNI。由表1可以看出，一级土壤养分指数大于4.8（很高），二级土壤养分指数为3.5～4.8（高），三级土壤养分指数为2.4～3.5（中上），四级土壤养分指数为1.4～2.4（中下），五级土壤养分指数为0.8～1.4（低），六级土壤养分指数小于0.8（很低）。

2.2 不同植被修复模式下的土壤养分特征

由表2可见，豫西低山丘陵区不同林草复合模式下土壤养分状况差异明显。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是评价土壤质量的重要指标之一。由表1、表2可以看出，研究区荒草地土壤有机质含量属于低水平，不同生态修复模式之间土壤有机质含量无显著差异；但是相对于对照（荒草地），各修复模式处理均能显著提高土壤有机质含量，从而使土壤有机质含量达到中下水平。其原因在于各植被修复模式下植物的凋落物、死亡的植物体及根系量均较荒草地大，从而提高了土壤有机质含量。5种生态修复模式中，栓皮栎+苜蓿模式下土壤有机质含量最高，较荒草地提高了47.03%；速生杨+苜蓿模式下土壤有机质含量最低，较荒草地提高了37.12%。

氮、磷、钾是植物的主要养分元素，也是土壤中常因供应不足而影响作物产量的三大要素。氮素作为活细胞的基本组成成分，是植物生长大量需要的养分要素。同有机质含量的规律一致，荒草地下土壤全氮含量同样属于低水平；不同生态修复模式均能显著提高土壤全氮含量，从而使土壤全氮含量达到中下水平，其中侧柏+苜蓿模式下土壤全氮含量最高，较荒草地提高了46.67%；速生杨苜蓿模式下土壤全氮含量最低，较荒草地提高了38.33%。在速效氮含量方面，虽然各生态修复模式下速效氮含量均略高于对照，但与其并无显著差异，均处于很低的水平。其原因可能在于，苜蓿虽然作为固氮作物被引入，但是其固定的氮（尤其是速效氮）被修复植被消耗，因而各修复模式下土壤速效氮含量与荒草地无显著差异。

磷在植物体中的含量仅次于氮、钾，其对植物生理过程有重要作用。从表2可以看出，5种生态修复模式和荒草地下土壤全磷含量均属于低水平，但不同模式下土壤全磷含量差异明显，具体表现为侧柏+苜蓿>速生杨+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>苜蓿>刺槐+苜蓿>荒草地；其中侧柏+苜蓿、速生杨+苜蓿模式均显著高于荒草地，而苜蓿、刺槐+苜蓿、栓皮栎+苜蓿3种模式下土壤全磷含量与荒草地无显著差异。在速效磷方面，荒草地属于低水平，5种生态修复模式下均达到中下水平；但刺槐+苜蓿模式下土壤速效磷含量与荒草地无显著差异，其他4种修复模式下土壤速效磷含量均显著高于荒草地，其中苜蓿草地下土壤速效磷含量最高，较荒草地提高了36.0%。endprint

钾在促进植物代谢过程、增强作物的抗逆性和抗病能力方面起着重要的作用。从表2可以看出，不同生态修复模式下，不管是土壤全钾含量还是速效钾含量均与对照荒草地无显著差异；但从数值来看，荒草地下土壤钾含量反而略高于各生态修复模式，如荒草地速效钾含量达到了中上水平，而5种修复模式中除侧柏+苜蓿外均属于中下水平，其原因可能在于植被修复条件下对土壤钾的消耗大于荒草地。

综上，在豫西低山丘陵区采用林草复合的植被修复措施对于土壤有机质、全氮、全磷、速效磷含量具有显著的提升作用，而对土壤速效氮、全钾、速效钾含量无显著提升作用。

2.3 不同植被修复模式下土壤养分综合评价

为了综合评价豫西低山丘陵区林草复合的植被修复模式土壤养分水平，借助主成分分析法计算了不同修复模式下土壤养分指数SNI（图2）。从图2可以看出，豫西低山丘陵区荒草地土壤养分指数仅为1.36，土壤养分处于低水平；不同修复模式均能提高土壤养分指数，从而使土壤养分均达到中下水平。各植被修复模式之间，土壤养分指数从大到小依次为侧柏+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生杨+苜蓿>苜蓿，表明侧柏+苜蓿和栓皮栎+苜蓿模式在改善土壤养分方面表现较好。与荒草地对比，侧柏+苜蓿模式下土壤养分水平提高了19.12%，而苜蓿草地模式土壤养分水平提高最小，仅为8.09%。

利用前文介绍的方法，对不同坡位土壤养分指数进行计算。从图3可以看出，无论是植被生态修复模式还是对照，土壤养分指数均从坡上向坡下增加。这是由于研究区水土流失问题严重，在上坡位降水容易产生径流，造成坡面表层土壤养分流失，土壤养分含量降低；下坡位的土壤侵蚀较上坡位轻，并能承接上坡位来的径流和土壤养分，从而使土壤养分含量增加。

不同坡位荒草地土壤养分指数均为最低。坡上位土壤养分指数极差仅为0.09，表明荒草地和植被修复模式土壤养分水平在坡上位并无明显差异。而坡中上、坡中下、坡下土壤养分指数最大的植被修复模式均为侧柏+苜蓿，与荒草地差值分别为0.38、0.43、0.27，表明荒草地和植被修复模式在坡中位和坡下位土壤养分差异明显。这是因为坡面上植被修复措施能够有效阻止土壤侵蚀，从而达到保持土壤养分效果，在坡中位、坡下位表现尤为明显。上述结果说明，坡面上侧柏+苜蓿模式在保持土壤养分方面表现较好。

3 结论与讨论

我国大面积的荒山荒坡由于严重的水土流失，土层浅薄，土壤贫瘠，土壤极度退化[12]。在豫西低山丘陵区荒草地土壤养分除速效钾外，其他各养分含量均偏低，土壤养分指数仅为1.36，说明该区荒草地土壤养分处于低水平。

土壤养分是林木植被生长的基础，土壤肥力水平直接影响林木生长发育[4]，而植被修复是保持水土、改善生态环境的重要手段，是生态脆弱区生态修复的重要内容。以往研究表明，荒山荒坡的治理和改良应以固氮植物作为先锋植物，不仅可以改善土壤肥力和保持水土，而且固氮植物生长一定时间之后，实施造林成功率会大为提高[12]。将具有固氮作用的紫花苜蓿引入以乡土树种为主的林草复合的植被修复模式中，是对豫西低山丘陵区生态恢复的尝试和创新[13]。以荒草地为对照，豫西低山丘陵区不同林草复合的植被修复模式对于土壤有机质、全氮、全磷、速效磷含量均有显著的提升作用，但对土壤速效氮、全钾、速效钾含量无显著提升作用。在植被恢复初期土壤有机质恢复较快，但植被恢复一定时期后，土壤有机质含量则趋于稳定[7]，这是因为在恢复前期，植被生长更新快，有利于有机质累积，提高土壤质量效果较好。土壤氮素多来源于有机质分解，诸多研究证明土壤全氮含量与有机质含量呈正相关关系[14-15]，因而植被恢复过程中土壤全氮含量变化趋势与有机质含量变化规律一致。但是由于植被生长过程中吸收同化作用显著，使土壤中速效氮含量并未得到显著提升。土壤磷素、钾素除受母质中矿物成分和有机质积累情况的影响[16]，还与水土流失状况有关[10]。林草复合植被修复模式提升了地表植被覆盖度，有效减少水土流失量，因而土壤磷素含量显著提升；但是由于豫西低山丘陵区土壤钾素本底值较高，植被生长反倒使荒草地下土壤钾肥含量略高于各生态修复模式。

由于土壤肥力形成机制的复杂性，不同学者对土壤肥力内涵和外延理解不同，因此土壤肥力评价方法和评价指标也不一致[11]。但是对土壤养分进行综合评价已成为区域生态建设与环境恢复的一项重要内容[17-19]。本研究中，低山丘陵区生态修复试验示范基地建成4年后，不同林草复合植被修复模式下土壤养分指数大小依次为侧柏+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>刺槐+苜蓿>速生杨+苜蓿>苜蓿草地，表明侧柏+苜蓿和栓皮栎+苜蓿模式在改善土壤养分方面表现较好。与荒草地对比，侧柏+苜蓿模式下土壤养分水平提高了19.56%，而苜蓿草地模式土壤养分水平提高最小，仅为8.33%。黄土丘陵区的研究表明，人工林土壤养分的恢复是一个漫长过程，至少需27年才能达到中等及以上养分水平[16]。综合本研究结果，豫西低山丘陵区土壤贫瘠，养分有效性差，尽管林草复合的植被修复方式能够使土壤养分得到一定程度恢复，但是其必然是一个漫长过程。因而从土壤肥力恢复的角度对该区植被修复模式树种的合理配置以及管理都需要进一步研究。

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