喀斯特山區退耕還林地土壤養分效應及評價

周 濤，戴全厚，吳秀芹，董亞輝，鄧伊晗

（1.北京林業大學 水保學院，北京 100083；2.貴州大學 林學院，貴陽 550025；3.教育部 水土保持重點實驗室，北京 100083）

喀斯特山區退耕還林地土壤養分效應及評價

周 濤1，3，戴全厚2，吳秀芹1，3，董亞輝2，鄧伊晗2

（1.北京林業大學 水保學院，北京 100083；2.貴州大學 林學院，貴陽 550025；3.教育部 水土保持重點實驗室，北京 100083）

土壤養分是植被恢復生長的物質基礎，文章以六盤水鐘山區老鷹山鎮不同年限退耕地為研究對象，以中度石漠化地為對照，采用空間代替時間的方法對其土壤養分演變動態進行測定分析，并運用均方差決策法對不同年限退耕還林地的土壤養分恢復狀況進行了定量評價。結果表明：該區退耕還林地土壤養分與退耕時間之間呈現正相關關系。坡耕地退耕還林后，退耕坡耕地土壤養分指數較對照中度石漠化參照地高出6～14倍，土壤養分與中度石漠化對照地相比均有一定程度的提高，且隨退耕還林年限的遞增總體呈增大趨勢。

喀斯特；退耕還林；柳杉林；土壤養分評價

中國西南喀斯特山區是“世界上最大的喀斯特連續帶”［1］，其危害和北方沙漠化、黃土高原的水土流失一起，被并稱為中國的三大生態災害，土壤有機質和土壤養分含量減少被認為是喀斯特石漠化過程的重要驅動力之一［2］。1998年后進行的退耕還林是全國范圍內生態恢復、重建和維持的一個重要舉措，對恢復坡耕地的土壤養分、治理水土流失具有重要的作用。針對不同恢復年限、不同退耕還林模式間的土壤養分恢復研究在黃土高原丘陵溝壑區［3－4］、四川盆地［5］和青海山區［6－8］地區較多。喀斯特石漠化治理中，土壤有機質和土壤養分恢復因石漠化程度不同而不同［9－12］，因而研究主要集中在不同的尺度上退耕還林模式之間和石漠化程度之間［13－15］。但對喀斯特退耕還林地土壤養分的演變規律及對土壤養分演變過程中的定量評價涉及較少。本文旨在探索喀斯特山區退耕還林區域（柳杉林）土壤養分演變、效應規律，定量評價該區退耕還林地土壤養分，為開展石漠化治理和生態環境建設決策提供科學理論依據。

1 研究區概況

研究區位于貴州省六盤水市鐘山區老鷹山鎮竹林河小流域，地理位置104°30′－105°10′E，26°26′－26°53′N，該區基巖裸露面積大，土層瘠薄，地形破碎，地形相對高差大，海拔介于1 700～2 205m，年平均氣溫12.2℃，年降雨量約1 240mm，年日照時數為1 415～1 556h，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，森林覆蓋率33.3%。土壤為山地黃棕壤土，土壤多呈中性、微酸性，pH值為5.5～7.5，耕作層厚20cm左右。研究區內具有典型的喀斯特石漠化類型和多時相不同退耕方式的土地，是珠江流域的峰叢谷地輕、中度石漠化生態修復與農田基本建設導向型綜合治理小區。

在研究區根據實際情況，選擇退耕方式一致，土壤和發育母質基本相同的不同退耕年限退耕還林地作為試驗地，以中度喀斯特石漠化未治理地（參照地CK）為對照，樣地基本特征如表1所示。

表1 樣地基本特征

2 研究方法

2.1 土樣采集

本研究采用時空替代的方法，于2008年7月分別在不同退耕年限的柳杉林退耕樣地和石漠化對照樣地上，按照“S”型多點（4～6點）采集土壤表層（0－20cm）的混合樣，3次重復，將土壤樣品帶回實驗室，除去其中的有機殘體和大的石礫，風干過篩，充分混勻后儲藏備用測量土壤養分及有機質。有機質（OM）用重鉻酸鉀氧化外加熱法，全氮（TN）用高氯酸－硫酸消化法，堿解氮（N）用堿解擴散吸收法，全磷（TP）用高氯酸－硫酸酸融－鉬銻抗比色法，全鉀（TK）用高氯酸－硫酸消化火焰光度計法，速效鉀（K）用火焰光度計法、速效磷（P）采用氫氧化鈉法，pH值用PhS－3S型pH 計測定［16］。

2.2 數據標準化

為了消除量綱與量綱單位的影響，在決策和排序之前，應首先將評價指標進行無量綱化處理［17］，即數據的標準化。一般來說，在濕熱條件較好的南方喀斯特地區，土壤瘠薄是影響當地植被的一個重要方面，一定范圍內土壤養分含量越大，土壤肥力就越高，土壤養分值就越高，本研究所用指標為“效益型”指標，即屬性值越大越好的指標。其標準化的方法為：

式中：yij——數據的標準化值；xjmax，xjmin——第j個指標的最大值和最小值；xij——第j個指標的第i個屬性值。

2.3 均方差決策法

設多指標綜合評價問題中方案集合為A＝｛A1，A2，…，An｝，指標集為G＝｛G1，G2，…，Gn｝，若指標Gj對所有決策方案而言均無差別，則其對方案決策與排序不起作用，可令其權系數為0；若指標Gj使所有決策方案的屬性值存在較大差異，則其對方案決策與排序將起重要作用，應給予較大的權數［18］，即在多指標決策與排序的情況下，各指標相對權重系數的大小取決于在該指標下各方案屬性值的相對離散程度，離散程度越大，權系數越大［17］。均方差決策法確定評價指標離散程度最常用的指標是其均方差。首先求出各方案在各指標下無量綱化屬性值的均方差。將其歸一化，結果即為各指標的權重系數，并以其權重值求得各個年限的土壤養分指標值。

2.4 數據處理

由SPSS 11.5中分析來處理數據間的相關性分析。在Excel中借助均值命令（average）、標準差命令（stdev）、求和命令（sum）以及求平方根命令（sqrt）對土壤養分數據進行標準化處理，并根據均方差法得到各指標的權重系數。

3 結果與分析

3.1 土壤有機質及土壤養分的演變

土壤中有機質在土壤肥力形成過程中具有重要作用，它對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要作用的意義［19］。其不僅能增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養分的有效性，而且可促進團粒結構的形成，改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性，增強土壤的緩沖性等。由圖1可以看出，以退耕7a的有機質含量最高，且與參照地相比，各個年份的含量均有不同程度的增加，最低增長幅度達78%。退耕還林后，土壤內的有機質都有一定的積累，但每個年份的積累量不同。

圖1 有機質的演變過程

退耕5～8a后，全磷含量為0.25～0.49g/kg，全鉀含量為0.37～1.2g/kg，全氮含量為0.7～1.16g/kg，土壤堿解氮含量為131.08～358.05mg/kg，速效鉀含量為140.8～257.7mg/kg，速效磷含量為4.8～11.90mg/kg，除退耕5a全鉀含量比石漠化低之外，各退耕年限土壤養分均有所提高，增長幅度在7%～123%之間。堿解氮以退耕6a的為最高，全磷、全鉀含量以退耕7a的為最高，全氮、速效磷和速效鉀含量以退耕8a的含量最高，與參照地相比，各個退耕年限的土壤養分隨著退耕時間的延長而逐漸提高。

圖2 全磷、全氮、全鉀隨退耕年限的演變

圖3 速效鉀、堿解氮、速效磷隨退耕年限的變化

3.2 有機質與土壤養分間的相關關系

有機質與全磷、全鉀和全氮呈正相關關系，這主要是有機質作為土壤養分的主要來源，可以緩慢地改良土壤，對土壤養分具有緩釋效應。土地進行退耕還林后，樹木和林下豐富的雜草植被枯落后，加上良好的氣候條件，枯落物很快轉為腐殖質并隨時間而積累，有機質含量得到一定程度的提高，土壤養分隨著有機質的緩釋而緩慢提高。

3.3 土壤養分演變過程中的相關關系

退耕還林過程中，各種土壤養分的演變規律各不相同，土壤養分間也具有一定的關系（表2），隨著退耕還林的進行，各種養分的恢復是整體性的恢復，協同進行，通過Pearson相關關系可知，全磷與全氮具有顯著相關關系，與速效鉀具有極顯著相關關系，說明這三者之間在養分恢復上協同關系密切，另外也不排除退耕之前耕地內人工施肥的影響。

表2 土壤養分之間的Pearson相關關系

3.4 土壤養分演變定量評價

土壤有機質是植物營養的重要源泉，是土壤肥力高低的重要指標之一。它的存在還改變或影響著土壤的一系列物理、化學和生物的性質，而全鉀、全磷、全氮、速效鉀、速效磷和堿解氮是土壤養分含量使用最為普遍的指標，另全磷與全氮、速效鉀的關系較為顯著，為了更好地反映土壤養分指標情況，本研究選擇有機質、全鉀、全氮、速效鉀、速效磷和堿解氮等6個指標進行計算，并進一步求出各個年份的土壤養分指標值，土壤養分與有機質指標標準化值、權重值及土壤養分指標值如表3所示。

表3 樣地評價指標標準化值、權重值及土壤養分指標值

從表3中可以看出，與參照地相比，退耕5a土壤養分指標增加了6倍，退耕6a增加了7.4倍，退耕7 a增加了14倍，退耕8a增加了10.7倍，土壤養分效果改善明顯，主要是退耕還林后，植物的枯落物含量較未退耕前增加，隨著退耕年限的延長和枯落物的分解，增加了土壤中的養分含量，同時植被和枯落層的增加，減少了降水對土壤養分的淋溶，使10－20cm處的土壤養分得以富集，土壤養分含量在研究期內得到提高。

4 結論與討論

（1）根據均方差法得到的喀斯特山區土壤養分指標值表明，喀斯特山區柳杉退耕還林的早期，土壤養分含量增加，土壤養分指數都較未退耕還林地區的土壤養分含量增加6～14倍，退耕還林對土壤養分提高的效果明顯。

（2）土壤養分和有機質與退耕年限之間呈正相關性關系，在退耕還林早期隨著退耕年限的延長可以提高中度石漠化地區的土壤養分含量，土壤養分和有機質含量與退耕年限之間的相關性研究需要進一步的觀察。

（3）喀斯特地區土層淺薄且不連續，土壤養分差異大，使用均方差法進行土壤養分定量研究可以排除人為因素的干擾，便于不同地域土壤養分的對比研究，為未來喀斯特石漠化評定等級提供了參考依據，可以在未來的研究中對這種方法進行驗證和擴大土壤養分指標值在農林業中的應用。

（4）雖然均方差法可以消除人為影響，但沒有人為參與的情況下，土壤養分含量之間的權重值確定與實際土壤養分所占比例是否一致，這是一個需要繼續解決的問題。

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Effect of Forest Rehabilitation from Slope Agricultural Land on Soil Nutrient and Its Evaluation in Karst Hilly

ZHOU Tao1，3，DAI Quan－hou2，WU Xiu－qin1，3，DONG Ya－hui2，DENG Yi－han2
（1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing100083，China；2.College of Forestry，Guizhou University，Guiyang550025，China；3.Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education，Beijing100083，China）

Soil nutrient is the material foundation for vegetation restoration and growth.The method of space representing time scale is used to examine the soil nutrient dynamics with moderate rocky desertification as background in the different reclaimed terms at Hawks Town，Zhongshan District of Liupanshui City.Standard deviation decision－making is used for different period of forest rehabilitation from slope agricultural land on the restoration of soil nutrients for a quantitative evaluation.Correlation analysis showed that soil nutrient has positive correlation with period of the forest rehabilitation from slope agricultural land.The results of quantitative evaluation showed that the soil nutrient index of slope converted farmland is 6～14times higher than the moderate rocky desertification，and its soil nutrients could be restored significantly and increased with the growing of the abandoned terms.

karst；conversion of cultivated land into forest；Chinese cryptomeria；soil nutrient evaluation

S157；S153.6

A

1005－3409（2011）06－0071－04

2011－05－18

2011－06－20

貴州省優秀科技教育人才省長專項資金項目（黔科教辦［2008］04號）；貴州省自然科學基金項目（黔科合J字［2007］2150號）；貴州大學林學院SRT項目

周濤（1987－），男，河南駐馬店人，在讀碩士，研究方向：“3S”技術在水土保持中的應用研究。E－mail：zhoutao2006－05＠163.com

戴全厚（1969－），男，陜西長武人，教授，博士，主要研究方向：水土保持與生態恢復重建。E－mail：qhdairiver＠163.com