沙质海岸防护林下土壤养分特征研究

任奕炜，衣华鹏，钟小瑛

(鲁东大学资源与环境工程学院，山东 烟台 264025)

山东半岛海岸线漫长曲折，是我国海岸线的重要组成部分。海岸带防护林在防风固沙、阻挡海雾、防范海洋自然灾害等方面具有一定作用，但海岸带防护林也面临着物种单一、结构单调、生态系统脆弱等问题。由于人类活动影响，中国的沿海防护林也正受到破坏和退化的威胁，烟台海岸带防护林多种植于20世纪50年代左右，树木老化带来的防护效能降低问题不可避免。因此，海岸带防护林的建设和保护显得尤为重要。土壤为其上生长的植物提供养分，并且不断为植物生长提供所需的肥力，前期研究表明，烟台海岸带防护林下土壤肥力较差，对烟台海岸带防护林下土壤养分的变化情况研究有利于海防林的可持续发展。土壤的质量是多方面的综合反映，对海防林的生长起着直接作用，与此同时还能够反映土壤养分循环过程等。土壤肥力是对土壤各项性质的综合反映，运用主成分分析对土壤肥力进行评价，可将养分指标集中，以反映土壤的生态功能，能较为客观地反映一个地区的土壤肥力情况。目前关于土壤养分研究和评价的研究大多集中在农业土壤和内陆森林土壤，对海岸带防护林下的土壤养分研究较缺乏。通过对烟台市海岸带防护林下土壤养分的测定及综合评价，旨在为海岸带防护林的建设与养护提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

烟台市地处胶东半岛，位于119°34′—121°57′ E,36°16′—38°23′ N。气候属温带季风性气候，四季分明，全年平均气温约13.4 ℃，气候宜人，全年平均降水约524.9 mm。地形为低山丘陵区，山丘起伏较为和缓，沟壑纵横交错。烟台沿海防护林省级自然保护区总面积14 046.3 hm,其中核心区面积2 329.6 hm，缓冲区面积1 160.2 hm，实验区面积10 556.5 hm，涉及芝罘区、莱山区、开发区、牟平区等11个市、区的沿海区域，主要造林树种有赤松()、黑松()、麻栎()、刺槐()等，林下灌木层主要有胡枝子()、牛奶子()，林下草本层有卵穗薹草()、马齿苋()、刺沙蓬()等。林下土壤为滨海沙质盐土，土壤孔隙度较大，透水性和通气性均较好，土壤容重大，黏结性、可塑性较差。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集 于2020年5月对烟台市芝罘区、开发区、莱山区、牟平区海岸带防护林下的土壤进行样品采集。芝罘区、莱山区、开发区的采样点均位于保护区的实验区内，牟平区样点均位于核心区内。沿着垂直于高潮线方向，每间隔300 m设置一采样点，由海向陆依次设置3个样点(部分样带为2个样点)，每个区域设5条采样带。防护林下的土壤均为滨海沙质盐土，发育程度差，尚未形成典型的发生层，故本次采集的土壤样本均采自于表层0～20 cm的土壤。

1.2.2 样品的测定 土壤pH的测定采用电位法，有机质的测定采用重铬酸钾容量法。采用0.5 mol·LNaHCO浸提钼锑抗比色法测定土壤速效磷，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮，采用火焰光度计法测定土壤速效钾。

1.2.3 数据处理 运用Microsoft Office Excel和SPSS 24进行数据处理，对各养分因子进行相关性分析和主成分分析，利用Oingin2018绘图。

1.2.4 土壤养分分级和综合评价 根据第二次全国土壤普查分级标准(表1)，对测定指标进行分级评价，而后用pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等5项指标作为评价依据对其进行土壤养分综合情况的评价。

表1 土壤养分含量分级标准

标准化处理后的数据代入条件函数，采用改进后的内梅罗公式进行土壤综合指数计算。此处设定土壤为中性时质量最佳，故pH须分情况代入条件函数。

土壤pH(pH>7.0)：

(1)

土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质及pH(pH<7.0)：

(2)

式中：为肥力系数;为指标测定值;、、为土壤属性分级标准(表2)

表2 土壤各属性分级标准

将标准化处理后的指标，代入改进后的内梅罗公式，进而计算出土壤养分的综合指数，以对土壤养分的综合状况进行评价，改进后的公式为：

(3)

式中：为土壤养分综合指数；为土壤属性的分系数；为属性个数

2 结果与分析

2.1 海防林下土壤养分情况及描述性特征

由图1可知，烟台市海防林下的土壤pH在4.74～8.97之间，平均值为6.16，开发区样本的平均pH为6.39，属于弱酸性土壤。芝罘区样本的平均pH为6，属于弱酸性土壤。莱山区和牟平区土壤样本pH平均值分别为5.62和6.59，分别属于弱酸性和中性，可以看出，烟台市海岸带防护林下土壤整体呈现弱酸性。

图1 土壤各养分因子含量

芝罘区土壤样本中有机质含量的均值为3.7 mg·kg，属于6级(极缺)。莱山区和牟平区的土壤样本中，其有机质含量的平均值分别为4.6 和22.7 mg·kg，分别归属于6级(极缺)和3级(中上)。综上，烟台市海岸带防护林下土壤的有机质含量处于比较低下的水平，且芝罘区和莱山区海防林下的土壤有机质含量处于极缺乏水平。

4个区的海岸带防护林下碱解氮的平均含量依次为牟平区>开发区>莱山区>芝罘区，牟平区的土壤碱解氮平均含量为6.44 mg·kg,最大值为12.6 mg·kg，低于土壤养分分级评价指标中的6级(极缺),表明烟台海防林下的土壤氮含量极低。

烟台海防林下土壤速效磷平均值为2.9 mg·kg，4个区的海岸带防护林下速效磷的平均含量依次为牟平区>开发区>芝罘区>莱山区，其中，牟平区的土壤速效磷含量平均值为3.87 mg·kg,达到了5级(缺乏)，其余3区的速效磷平均含量均低于3 mg·kg，属于6级(极缺)。芝罘区15号的样本速效磷含量最高，达到了10 mg·kg,属于3级(中上)水平。

4个区的海岸带防护林下土壤速效钾的平均含量依次为牟平区>开发区>芝罘区>莱山区，牟平区的平均速效钾含量达到了184.87 mg·kg,属于2级(丰富)水平。开发区和芝罘区的土壤速效钾平均含量较为接近，分别为107.3和105.64 mg·kg，达到了3级(中上)水平，而莱山区的土壤速效钾平均含量仅有35.71 mg·kg，只达到5级(缺乏)水平。

2.2 土壤各养分因子相关关系

对烟台海防林下土壤各养分之间相关关系的分析表明(表3)，土壤pH与速效磷、速效钾含量相关性极显著，且为正向相关；与碱解氮、有机质的含量相关性不显著。土壤有机质的含量与土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量均呈现极显著正相关关系。土壤碱解氮含量与速效磷、速效钾含量之间分别呈显著和极显著正相关关系，且土壤速效磷又与速效钾之间相关性极显著，为正向相关。

表3 各养分因子相关关系

2.3 土壤养分及肥力评价

2.3.1 基于内梅罗指数法的土壤养分综合指数评价 运用公式(1)、公式(2)计算土壤肥力系数，将结果代入公式(3)计算出土壤养分综合指数，进而对烟台市海防林下的土壤养分综合指数进行分析。由图2可知，土壤的碱解氮肥力系数最大值为0.21，且波动范围小，说明整体上氮素缺乏；土壤速效磷肥力系数均值为0.58，出现1个异常值，但整体波动幅度不大，含量水平较低；土壤速效钾肥力系数的范围为0.18～3.0，平均值为1.77，与氮、磷元素相比土壤肥力系数更高，但波动范围更大，说明钾元素分布不均；土壤有机质的肥力系数波动范为最大，平均值为1.03，属于较低水平。土壤pH肥力系数范围为1.03～3.00，分布也较均匀。

图2 各指标土壤肥力系数图

通过对烟台市各区和总体土壤养分综合指数的计算，牟平区的养分综合指数最高，为1.53。

根据表4，土壤养分评价为三级(一般)。其次是开发区和芝罘区，其土壤养分综合指数分别为1.16和0.93，评价等级同为三级(一般)。土壤养分综合指数最低的为莱山区，其养分指数为0.69，处于第四级(贫瘠)。烟台市海防林下土壤总体的土壤养分评价指数为1.17，属于三级(一般)。

表4 土壤养分等级划分标准

2.3.2 基于主成分分析的土壤肥力评价 首先在SPSS软件中对数据进行标准化处理后，进行KMO和巴特利特球形度检验，检验结果：KMO值为0.669>0.6，球形度检验sig值<0.05，由此说明各指标之间存在相关性，可进行主成分分析。利用软件中的主成分分析程序计算出各个主成分的特征值、贡献率及累计贡献率。根据特征值≥1，结合累计贡献率达到85%，提取了3个主成分。由表5可知，3个主成分的贡献率分别为53.464%、23.341%和10.791%，累计贡献率达到了87.596%，可以基本反映土壤的肥力状况。

表5 主成分特征及累计贡献

由表6可知，第1主成分受到土壤有机质和碱解氮的影响较大；第2主成分中土壤pH、碱解氮、速效钾为较大的正值，可以反映出酸碱度、氮元素和钾元素对土壤养分的影响；在第3主成分中，速效磷的主成分载荷较高，达到了0.930，可见，在第3主成分中，主要反映速效磷对土壤肥力的影响。

表6 因子载荷值和主成分得分系数

用X、 X、 X、 X、 X分别代表、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾，并利用公式计算出不同主成分综合得分的表达式为：

F=0.380X+0.456X+0.437X+

0.448X+0.508X

F=0.613X-0.467X-0.549X+

0.233X+0.227X

F=0.334X+0.052X+0.113X-

0.861X+0.366X

将标准化处理后的数据分别代入3个表达式，计算出各主成分的得分。由主成分的贡献率，且根据 IFI =λF+λF+…+λF(λ为主成分贡献率)可得出土壤肥力综合评价式：IFI=0535 F+0.233 F+0.108 F，将计算出的各主成分得分代入综合评价公式，计算出最终得分。IFI值越高说明海防林下的土壤肥力越好，反之则越差。

对烟台市4个区主成分分析结果(图3)表明，开发区和牟平区IFI值正值更多，莱山区和芝罘区负值更多，4个区的土壤肥力综合得分平均值为牟平区(0855 3)>开发区(0136 7)>芝罘区(-0272 1)>莱山区(-0788 6)，可以看出，开发区和牟平区的得分情况明显好于莱山区和芝罘区，开发区与牟平区海防林下土壤肥力水平相对较高。

图3 分区土壤肥力综合得分统计

采用分类功能中的系统聚类，对 58个样本的土壤肥力情况进行聚类分析，将其分为一、二、三、四共计4类，一类代表土壤肥力情况较好，四类则代表肥力情况差。聚类结果(表7)显示，58个样本中15个样本为四类，占比为2586；30个样本为三类，占比达到了5172，三、四类累计占比达到了7758。达到一类标准的样本有3个，仅占全部样本数的517，可知烟台市海岸带防护林下的土壤肥力情况处于中下等水平。从空间分布角度看，牟平区和开发区的所有样本均在三类以上，其中牟平区的样本超过半数均在二类以上，可见牟平区的土壤肥力情况相对最好，开发区次之。在第四类15个样本中，莱山区10个，芝罘区5个，比较之下芝罘区情况好于莱山区。

表7 土壤肥力综合得分分类统计

3 讨论

烟台海防林下土壤不同养分因子的含量情况各不相同。土壤反映的是土壤的酸碱度，研究结果显示，在烟台市4个区海岸带防护林中采集的58个土壤样本中，土壤整体上偏酸性,大部分样本处于弱酸性或中性，对海岸土壤来说，与降水或海水有关，更多反映降水或海水的离子组成，对大气浓度也较为敏感，酸性过高会导致海岸土壤的养分更快解离、淋溶。土壤中有机质的含量较低，超过半数的样本土壤有机质含量等级为极缺，田保状等在对山东沙质海岸带防护林的基干林带、灌木带等土壤养分研究表明，氮元素在海防林体系中含量很低，有机质含量普遍较低，这与本研究所采集的样本氮含量全部为极缺水平的结果高度一致，同时有机质含量在大部分样本中含量也很低，这可能是由于沙质土壤中矿质颗粒表面的离子结合位点极其有限，对有机质和养分的固持能力极低有关，此外，沙质土壤中养分的淋溶非常剧烈。同时，这可能也与海防林树种有关，如黑松、赤松等针叶树种其枯枝落叶量低，导致土壤有机质相对缺乏。

土壤碱解氮为植物生长提供必需的营养元素，且较容易被植物吸收利用。烟台海岸带防护林下氮元素缺乏可能由于其土壤盐碱偏重，林下生长的其他绿色植物较少，固氮量不足而淋溶流失。速效磷的含量情况稍好于碱解氮，但仍有超过70的样本速效磷含量处于缺乏的水平。磷元素也是土壤中重要的营养物质，章文龙等在研究中认为，植物根系对土壤中磷元素的吸收并以枯枝落叶形式归还到土壤中，可能与前文中针叶林枯枝落叶量低导致土壤中有机质含量低的结果相同，导致土壤中磷元素缺乏。速效钾的含量在3种养分中情况相对较好，超过80的样本达到了中等水平，在保护时可作为次重点元素考虑。

牟平区在烟台市海防林中土壤养分含量最高，其速效钾、有机质含量都明显好于其他几个区，这与王琼对牟平海岸带土壤理化性质分析的研究结果一致，且与牟平区样点位于保护区的核心区内，其生态系统完整，不良影响因素较少有关。开发区样点与莱山区、芝罘区同在实验区，但开发区土壤养分含量好于其余两区，这可能与开发区近年来开展的海防林下清表和种植土换填工作有关。莱山区的土壤偏酸性，均值为58,根据第二次全国土壤分类标准属于弱酸性，有机质、速效钾、速效磷含量都处于极缺状态，刘文光等在对烟台高新区沿海土壤理化分析的研究中，测得土壤为63～70，呈弱酸性到中性，与本研究结果相比，经过几年的演化，土壤有减小趋势，莱山区土壤养分状况本就不佳，土壤变酸更易导致土壤养分的流失。芝罘区除速效钾含量较高外，有机质、速效磷均为缺乏状态。所以，在对防护林和土壤进行保护时，应结合区域实际情况联合开展海防林建设保护工作，在确保能够有效防止土壤养分流失的前提下，在土壤中施加氮肥、磷肥以改善土壤氮、磷元素含量低的状况。

结合土壤养分综合评价结果，不同区域之间虽存在差异，但烟台海防林下的土壤养分状况整体不佳。在钟晓艳等关于烟台海岸带防护林下土壤养分特征的研究中，其所得结果为土壤呈微酸性，有机质、碱解氮和速效磷含量都极低，与本文研究结果总体一致，可以佐证烟台海岸带防护林下的土壤肥力状况不佳，土壤较为贫瘠。邢献予在研究中发现不同树种对增加土壤全氮、有效磷，降低有不同程度反响，在海防林改造保护时，结合烟台海防林营造时间早的情况，可选择不同耐贫瘠树种，及时对老化林带进行更新补种。

烟台海防林下土壤有机质与土壤中氮、磷、钾含量存在正相关关系，除与氮元素和有机质相关性较低外，其余各指标之间均存在着较显著的相关性，这与艾鹏等对连云港沙质海岸防护林的土壤特性研究的结果基本一致，在对土壤进行改良时可关注不同养分间的相关关系。同时，由于烟台市沙质海岸分布广，沙质海岸土壤疏松，不利于水肥的保持，进而使得烟台市海防林下的土壤较贫瘠，可通过覆土措施，减少水土和养分流失，修建防护堤坝及营造多重防护林，加强对防护林的保护。

4 结论

烟台市海防林下土壤平均为616，整体呈微酸性；土壤有机质平均含量为111·，有机质含量整体偏低；土壤碱解氮含量全部处在极缺水平；土壤速效磷含量的平均值为29·，整体处于缺乏的水平；土壤速效钾平均含量10966·，整体达到中级水平。烟台市海防林总体的土壤养分综合指数为117，为三级(一般)，结合土壤肥力综合得分的结果，烟台市海防林下土壤养分较缺乏。牟平区和开发区土壤养分综合指数分别为153和116，土壤养分等级为三级(一般)，芝罘区和莱山区分别为093和069，养分等级为四级(贫瘠)。土壤肥力综合指数(IFI)结果为：牟平区(0855 3)>开发区(0136 7)>芝罘区(-0272 1)>莱山区(-0788 6)。烟台海岸带防护林应首要解决水肥流失问题，而后可添加氮、磷肥以缓解养分的缺乏，但要注意适量，避免由此带来的浅海区域污染。同时，要结合不同区域的实际情况，将芝罘区、莱山区海岸带防护林作为重点区域进行管理。