石漠化治理区主栽经果林地土壤肥力诊断与评价

肖 杰，刘子琦，李开萍，文雅琴，陈 海

（贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵阳 550001）

区域经济与生态环境保护的耦合协同，是当前石漠化治理的基础理论、技术、发展模式成熟化的结果之一，也是对石漠化技术体系凝练与深化，推动石漠化治理迈出的重要一步[1]。在石漠化地区发展适宜品种的混农林业，是石漠化治理技术体系中植被恢复技术的重要环节，也是将生态效益与经济效益的相结合的技术手段之一，受石漠化治理后恢复的土壤，既是重建喀斯特生态系统和提供植被生长的物质基础[2]，又是加速碳酸盐岩的成土速率的传输介质[3]。混农经果林治理模式下的林地土壤肥力，其强弱关系到石漠化植被群落演替程度、石山绿化效果及农户种植产出的提升。发展经济林是维持生态效益和经济效益的双赢模式，其土壤肥力的恢复是石漠化生态治理恢复的重要组成部分，而维持和提升土壤肥力程度是石漠化土壤生态系统可持续发展的研究热点[4-7]，因此，需要对石漠化治理区主栽品种林地的土壤肥力水平的高低，进行深入的探讨诊断和综合评价，为了解林地的土壤养分状况、指导林地水肥调控、林地合理经营提供参考依据。

内梅罗综合指数法是一种常用的土壤肥力评价方法，可对农田、草地以及城市绿地进行土壤肥力评价[9]，该方法对土壤肥力中众多指标的最大值与平均值进行了考量[8]，但在进行土壤肥力评价中存在一定的问题，为客观反映石漠化治理区主栽品种林地土壤肥力状况，对传统算法进行改进，使得求算土壤肥力评价计算过程更加简单，评价结果真实可靠。目前石漠化地区土壤肥力评价有关成果主要集中于：以最小数据集的确立进行评价植被恢复下的土壤质量[10]；采取主成分分析评价石漠化演替过程中土壤肥力[11]；运用层次分析法确定权重，评价石漠化区人工种草治理后的土壤肥力[12]；采取模糊数学方法，分别评价石漠化治理区耕作层和县域尺度的耕地土壤养分状况[13-14]。本文选择石漠化治理区中的朝营小流域为研究区，通过对照全国第二次土壤普查分级标准，进行主栽品种林地土壤肥力诊断，运用改进的内梅罗指数法，对主栽品种林地土壤肥力丰缺程度进行诊断和评价，以期有针对性地为石漠化治理区经果林地土壤肥力水平提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本文选择喀斯特高原山地的毕节撒拉溪朝营小流域作为研究区，朝营小流域位于贵州省西北部，毕节市六冲河流域支流区内，经纬度为东经105°02′～105°08′，北纬 27°11′～27°16′。境内分布二叠系灰岩夹白云岩和砂页岩，是流域内岩石质地构造的主要代表。土壤主要分布为地带性黄壤，少部分分布黄棕壤和风化石灰土。气候与地貌类型分别为亚热带温凉干旱气候和喀斯特高原山地。年均气温15.3℃，年平均总降水1 124 mm。研究区域遍布的石漠化等级主要为潜在等级和轻度等级，该地区潜在与轻度等级石漠化面积占石漠化总面积的53.17%，中度与强度等级石漠化面积占石漠化总面积的11.66%，非石漠化面积占石漠化总面积的35.17%。小流域内裸岩分布于较陡的坡地上，岩石裸露部分较少，石旮旯中伴有残土覆盖。当地形成的植被类型主要有天然野生植被大白杜鹃（Rhododendron decorum）、十大功劳（Mahonia fortunei）、金丝桃（Hypericum monogynum）等藤刺灌丛，以及少有分布的青冈（Cyclobalanopsis glauca）、云南松（Pinus yunnanensis）等乔木林。经济作物则以刺梨（Rosaroxbunghii）、核桃（Juglans regia）为主。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

2017年4月对朝营小流域石漠化治理区进行野外踏勘，选取小流域内主要栽种的品种刺梨、核桃林地的土壤为研究对象。再对两类林地分别划分为9个20 m×20 m的细分样地，取样点布设方法为S形法，取样土层为地表土（0～20 cm），各取3个点，所取土样混合均匀为1 kg。样地信息详情如表1所示。

1.2.2 实验土壤样品分析

将采集后的土样带回国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心实验室自然风干，剔除石块和杂质后使用玛瑙研钵研磨，过0.149 mm土壤筛，取得待测土壤样品，用于测定土壤肥力指标。测定土壤肥力指标为土壤pH值，其采用玻璃电位法，土壤有机质则采用重铬酸钾外加热法，土壤全氮则使用全自动凯氏定氮仪进行滴定、土壤全磷测定采用氢氧化钠熔融——钼锑抗比色法，土壤全钾分析使用氢氧化钠熔融—火焰光度计法，土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提—紫外分光光度计法、乙酸铵浸提—火焰光度法。8个指标样品分析方法见参考文献[15]，分析测定土壤样品数据采取针对各指标进行3次平行测定，结果取其平均值。

表1 研究区样地基本情况表Table 1 Sample plots of the study area

1.2.3 土壤评价方法

采用Microsoft Excel 2016对实验数据进行改进后内梅罗综合指数法的计算[8，16]，运用SPSS22.0数据统计分析软件对实验数据进行描述性统计及单因素方差分析。为消除各参数间量纲的差别，对上述指标参数进行标准化处理。计算公式如下：

式中：pi表示为分肥力系数；ci表示为该土壤肥力指标测定值。分级标准值（xa，xc，xp）（见表 2）主要参照全国第二次土壤普查标准确立[17]（见表3）。参考前人研究[18]对土壤pH值确立标准分级，可以使同一种参数间的可比性较强，同一级别各属性的分肥力系数比较接近，可比性高，当测定的指标值超过丰富标准时，分肥力系数不再提高，从而反映出作物对土壤属性的要求不是越高越好的实际情况，同时继续培肥也不能使作物出现增产的可能性。

表2 土壤肥力各属性分级标准值Table 2 The grading standard value of soil fertility attributes

表3 全国土壤二次普查分类标准Table 3 The second national classification standard of soil survey

对内梅罗公式进行改进加以计算：

式中：p表示为综合肥力系数；与pimin分别表示该土壤点各指标分肥力系数中的平均值和最小值；n为参与评价的土壤指标数量。为改进上述公式采用pimin代替原内梅罗公式中的pimax，突出土壤指标中某个最差指标值对肥力的影响，以及评价结果的可信度，增加了修正项（n-1）/n。根据公式（1）和公式（2）所得的土壤肥力系数，按表4进行土壤肥力分级。

表4 土壤综合肥力等级Table 4 The soil comprehensive fertility grade

2 结果与分析

2.1 石漠化治理区刺梨、核桃林地土壤肥力指标诊断

2.1.1 土壤pH值

土壤的pH值对推动土壤养分转化、维持其存在形式和有效性，甚至对微生物的生存和活动具有极大作用[19]。由表5可知，石漠化治理区主栽品种刺梨和核桃的林地土壤pH值状况不平衡，差异较明显（P＜0.05）。其中刺梨林地和核桃林地的土壤pH值变幅分别为5.23～6.75和5.89～6.87之间，总体上处于现有文献[23]所确定的大多数作物土壤生长的适宜范围，但在对比两类林地，刺梨林地土壤pH值呈弱酸性并低于核桃林地。

2.1.2 土壤全氮和碱解氮

受气候变化、植被覆盖和人为耕作措施等的影响，土壤氮素是限制植物生长的重要元素之一，其与土壤有机质含量有密切的相关性[20]。由表5可知，就两类样地的土壤全氮平均含量来看，变幅分别为2.04～3.17 g/kg和 1.37～2.66 g/kg，存在显著差异（P＜0.05）。其中全氮含量最多的为刺梨林地，达3.17 g/kg；而核桃林地土壤全氮变幅较大，最小为1.37 g/kg。根据表3的参考标准，总体上两地土壤全氮均值处于高和极高水平。刺梨和核桃林地碱解氮的平均含量变幅，分别在95.14～129.50 mg/kg和97.63～113.18 mg/kg，总体上表现刺梨林地碱解氮变异系数高于核桃林地（10.92%＞4.60%），充分表现为核桃林地碱解氮含量变幅趋于平稳。将两地碱解氮含量均值对照表3的参考标准分别为中上等水平和高水平。

2.1.3 土壤全磷和速效磷

土壤磷素作为植物生长所必需的大量元素之一，在一定程度上表现出与土壤pH构成一定的密切相关性[21]。由表5可知，两地的土壤全磷含量变幅较为一致，其全磷含量均值达到了土壤肥力分级参考标准上的中上等水平。速效磷含量可反映植物对土壤中磷的吸收情况，刺梨林地和核桃林地的速效磷含量变幅分别在 15.41～20.59 mg/kg、21.17～31.96 mg/kg，并存在显著差异（P＜0.05）。核桃林地变异系数高于刺梨林地变异系数（9.55%＜13.74%），核桃林地的速效磷含量分布差异较大。两类林地速效磷含量均值分别为17.70 mg/kg和26.44 mg/kg，参照分类标准后发现，刺梨林地速效磷处于中上等水平，而核桃林地速效磷处于高水平。这表明石漠化治理区主栽品种刺梨和核桃林地在土壤磷素利用上还有提升和保持的空间。

表5 刺梨与核桃林地整体土壤肥力描述性统计Table 5 Descriptive statistics of overall soil fertility in the woodland Rosaroxbunghii and Juglans regia

2.1.4 土壤全钾和速效钾

土壤钾素多以矿物态钾而存在，受土壤母质、水热条件和土壤发育程度以及陪伴离子等影响较大[22]。从表5可知，刺梨林地和核桃林地土壤全钾含量变幅分别在 5.37～8.32 g/kg、5.64～6.94 g/kg，存在明显差异（P＜0.05）。其中刺梨林地变异系数（14.83%）高于核桃林地变异系数（7.29%），这表明刺梨林地土壤全钾含量分布不均衡，而核桃林地全钾含量分布趋于稳定。再次根据表3的参考标准，两类林地土壤全钾均值含量较低且处于低水平。刺梨林地和核桃林地的速效钾含量变幅分别67.28～96.41 mg/kg和80.18～102.14 mg/kg，其中核桃林地速效钾变幅高于刺梨林地。两地的速效钾均值分别为81.93 mg/kg和92.20 mg/kg，处于中下等的水平，说明石漠化治理区主栽品种林地中存在土壤缺钾的问题。

2.1.5 土壤有机质

作为土壤中最重要的组成部分，土壤有机质是决定土壤生产力的重要因素。土壤有机质是由不同动、植物和微生物残体腐败分解而组成[23]。两类林地的土壤有机质含量变幅在36.23～47.64 g/kg、40.25～52.46 g/kg，总体上差异不大。两类林地的土壤有机质均值含量分别为42.32 g/kg和44.02 g/kg。根据表3的参考标准为高水平以上。

综上所述，从土壤肥力指标含量看，除土壤pH、土壤钾素之外，其他指标含量相对较高，土壤pH表现为弱酸性，但在所处的土壤环境条件下，是适宜两类林地果树生长的酸碱度范围，同时两类林地面临共同的问题是缺乏土壤钾素，为进一步维持土壤养分和促进果树生产，应及时补充钾素。

2.2 石漠化治理区土壤肥力综合评价

由表6分析结果可见，石漠化治理区刺梨林地和核桃林地的土壤综合肥力系数变幅在1.36～1.49之间，平均值为1.42±0.03，其变异系数为2.11%，两类林地之间的土壤肥力程度差异不明显（P＞0.05）。对照土壤肥力分级参考标准，两类林地的最低土壤综合肥力系数分别为1.36和1.38，其土壤综合肥力系数表现为一般水平。由此可见，总体上两类林地的土壤综合肥力处于肥力等级的3级水平。从表6可知，以土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全钾、土壤有机质、土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾8个土壤肥力性质指标的平均分肥力系数值分 别 为 2.59、2.82、1.85、0.62、2.97、1.85、2.08、1.37。其中以土壤全氮、土壤有机质、土壤速效磷的平均分肥力系数值为最高，可以作为该石漠化治理区两类林地土壤肥力组成部分的重要影响因子。同时以土壤全钾、土壤速效钾的平均分肥力系数为最小，可作为该石漠化治理区两类林地土壤肥力的限制因子。这表明经营的刺梨和核桃林地，其土壤肥力中的全钾和速效钾较为缺乏，应注意采取措施及时补施钾肥。

表6 刺梨与核桃林地整体土壤综合肥力系数Table 6 Soil comprehensive fertility coefficient of the woodland Rosaroxbunghii and Juglans regia

3 结论与讨论

对研究区刺梨和核桃林地的土壤综合肥力进行评价，总体上两类林地土壤综合肥力系数变幅在1.36～1.49之间，处于一般水平。表明该石漠化治理区所处的地带性黄壤，较非地带性的石灰土具有更好的肥力水平。这与有关研究结果较为一致[24]，同时说明当前采取以刺梨和核桃经果林的混农林业治理模式，并没有降低土壤肥力，反而对土壤肥力水平有提升的空间。研究区位于高原山地地貌的喀斯特发育滞后区，受“长珠流域防护工程”的影响下，天然与人工的植被保护较好，现阶段石漠化裸露面积较少，以潜在-轻度等级石漠化为主。由于土壤肥力是在母质基岩与其周围环境条件，发生物质能量的循环交换，产生土壤腐殖质与黏土矿物，出现具有肥力特性的土壤[25]，而种植经果林枯落物在土壤中降解为腐殖质，改善土壤并提高肥力水平具有重要的作用。本研究采取坡度水土保持模式种植刺梨，巧妙地利用了刺梨根系发达固土的作用，核桃果林多种植在较为平坦的侵蚀台地中，在汲取充足的光源情况下，多以枯落物养分的输入，为加速土壤腐殖质的产生，对改善土壤土粒结构带来可能。

石漠化治理区刺梨和核桃林地土壤肥力各指标的诊断，吻合内梅罗综合指数法筛选的重要影响因子和限制性因子。研究结果发现以土壤全氮、有机质和速效磷是刺梨和核桃林地土壤肥力的重要影响因子，以土壤全钾和速效钾是刺梨和核桃林地土壤的限制性因子。土壤全氮在两类林地中处于高-极高水平之间，且全氮含量达到肥沃的水平，与他人的研究结果一致[26]。这是由于研究区分布大片豆科类固氮植物，构成根系固氮的作用，使土壤氮素聚集于根系附近。此外大气氮沉降作用[27]也不容忽视，石灰性土壤比非石灰性土壤具有更高吸纳氮能力[28]，增加了氮素在土层表面的汇集与输入。土壤有机质含量处于高与极高水平，与长期以来采取混农经果林治理模式，形成刺梨和核桃林地有机质的积累密不可分，由于两类林地的枯枝落叶刺激微生物活性激发分解效应，诱发加速土壤原有有机物质合成矿化有关[5]。土壤速效磷是植物可利用的部分，在本研究中其含量处于中上与高水平之间，受两类林地枯落物的矿化及土壤矿质颗粒的风化作用，可能是两类林地磷素丰富的来源。土壤全钾和速效钾含量较低，这与有关研究的结果相一致[29]，分别说明土壤有机质的积累构成全钾含量的相对减少，在富含有机质的土壤下，速效钾的含量较少是受盐基饱和度的干扰所致[30]，因此要注重钾肥的施用，以免钾素缺乏构成植物生长不利。此外，两类林地土壤pH值偏酸性，表明枯落物在分解过程中产生有机酸对土壤构成淋溶作用。植被覆盖较高的区域，土壤中微生物群落丰富，其死亡后的残体被分解成有机酸性物质，同时释放H+离子运移在土壤中有关[19]。