長順冗雷河小流域草地治理模式下土壤肥力評價

羅忠志，高華端，李圓玥，孫泉忠，韋海霞

（1.貴州大學 林學院，貴陽550025；2.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴陽550002；3.貴州省花溪區生態文明建設局，貴陽550025）

貴州省政府于2000年發布的水土流失公告以來，說明了貴州省主要以水力侵蝕為主［1－3］，同時是喀斯特發育的嚴重石漠化地區［4－6］。在水土保持措施統計方面，水利行政部門進行了一些初步的統計和匯總，但是沒有進行規劃區之間防治模式的分析，特別是在效益分析評價方面［7］；在小流域防治模式研究方面，只設計在小流域設計中進行防治模式布設，水利行政單位對其審批，驗收以及初步統計。而對于小流域防治模式實施后對水土流失防治效果，土壤理化性質的影響及效益分析評價缺乏深入研究［8］。本文綜合國內外近期研究結果，以貴州省長順縣冗雷河小流域草地治理模式為研究對象，應用“空間代替時間”的方法，選取坡耕地、人工草地和天然草地為研究對象，對通過全氮和堿解氮含量、全磷和有效磷、全鉀和有效鉀、酸堿度、有機質8個土壤肥力指標進行分析，探索草地治理模式下土壤肥力的演變［9－10］，以期為貴州省水土流失中防治模式研究提供基礎性依據。

1 研究區概況

冗雷河小流域地處巖溶中低山區，國土總面積4 864.56hm2，屬低中山和中中山地貌，平均海撥1 300m。氣候為中亞熱帶季風性濕潤氣候區，年平均氣溫13.5～18.5℃，年平均日照時數為1 202h，年平均降雨量為1 399.9mm。土壤主要以碳酸巖發育而成的石灰土為主，另有黃壤等。長順縣冗雷河小流域是2008年石漠化綜合治理試點工程。石漠化治理工程旨在通過調整農業產業結構，在部分坡耕地上集中建設人工草地，保護天然荒草地，發展以草地治理為主生態畜牧業為核心的治理模式，提高農民經濟收入。

2 研究方法

2.1 研究方法及指標測定

2013年10月初至11月底在研究區進行野外調查。采樣選用典型樣地取樣法，調查坡耕地、人工草地和天然草地三個治理類型，調查長順冗雷河小流域內人工草地、荒草地及坡耕地分布情況，記錄海拔、坡度、坡位、植被蓋度、土壤類型等參數，其中坡耕地面積為987.9hm2，人工草地846.4hm2，種植6a，天然草地面積為1 238.3hm2，封育6a，本試驗分別選取3個人工草地，天然草地長勢和保存完好的典型樣地，再選取3個未種草的坡耕地樣地，共計9個樣地（表1）。

具體步驟：① 每個樣點按0—10cm，10—20cm，20—30cm三個土層深度開挖；② 記錄采樣地點土地利用類型、巖性、坡度、坡位、坡向、高程、天氣狀況等；③ 用土壤刀削取10cm×10cm×10cm原狀土，拿回后再削取標準5cm×5cm×5cm的原狀土用于土壤肥力指標試驗。

土壤有機質、pH值、全N、土壤堿解N、全P、速效P、全K、速效K等土壤化學性質指標測定依據中國科學院南京土壤研究所編制的《土壤理化分析》和《土壤物理性質測定法》。

表1 樣地基本情況調查表

2.2 數據分析

試驗數據采用Excel 2003進行處理，采用SPSS軟件進行統計分析，計算樣地測定值的平均值及標準差，對測定值進行多重比較（LSD法）及顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 土壤全氮和堿解氮含量

天然草地全氮含量最高，達到了2.31g／kg，是坡耕地全氮含量的1.70倍。天然草地與坡耕地全氮含量差異性極顯著（p＝0.000＜0.01），而人工草地與天然草地（p＝0.110＞0.05）、人工草地與坡耕地氮素含量（p＝0.210＞0.05）之間差異性均不明顯。天然草地具有相對較為穩定的植物種群和群落系統，草本植物物種豐富多樣，土壤長期受草本植物根系影響，氮素積累較大，供氮潛力大，而在坡耕地上實施人工種草后，土壤全氮含量雖有所提高，但相比天然草地還存在一定差距。綜合來看，土壤全氮含量大小排序為：天然草地［（2.31±0.21）g／kg］＞人工草地［（1.94±0.15）g／kg］＞坡耕地［（1.36±0.11）g／kg］。

天然草地土壤堿解氮含量最高，為167.16mg／kg，是坡耕地的1.60倍，人工草地土壤堿解氮含量是坡耕地的1.51倍。天然草地與坡耕地土壤堿解氮含量之間呈顯著差異（p＝0.010＜0.05），人工草地與坡耕地土壤堿解氮含量之間呈顯著差異（p＝0.029＜0.05），而天然草地與人工草地土壤堿解氮含量之間差異不明顯。這表明在坡耕地上實施人工種草可有效提高土壤堿解氮含量，增加植被吸收氮素的含量，促進植被生長。土壤堿解氮含量大小排序為：天然草地［（167.16±16.74）mg／kg］＞人工草地［（157.62±18.40）mg／kg］＞坡耕地［（104.48±11.88）mg／kg］，詳見表1。

表2 不同草地類型土壤化學指標總體平均值

從全氮和堿解氮垂直分布狀況看（圖1），天然草地、人工草地和坡耕地土壤全氮和堿解氮整體上隨土層深度增加而不斷減少。通過對比，在坡耕地實施人工種草后，可改善整個0—30cm土層土壤全氮和堿解氮含量，表層（0—10cm）、中層（10—20cm）和下層（20—30cm）土壤全氮含量分別增加了17.95%，53.73%和60.50%，中層和下層土壤全氮改善幅度較大。表層、中層和下層土壤堿解氮含量分別增加了42.37%，40.03%和74.73%，三層土壤堿解氮含量改善幅度都較大，均達到了40%以上，下層土壤全氮改善幅度最大。通過相關性分析（Pearson，2－tailed），土壤全氮和堿解氮呈極顯著正相關（p＝0.000＜0.01），相關性系數為0.855。說明三種土地利用方式下土壤全氮含量一定程度上影響著堿解氮的含量，植物吸收所需要的堿解氮含量多少依賴于土壤全氮含量的多少。

圖1 不同土層深度土壤全氮和堿解氮變化特征

3.2 土壤全磷和有效磷含量

人工草地土壤全磷含量最高，為0.61g／kg，是坡耕地的1.45倍，天然草地土壤全磷含量是坡耕地的1.31倍。通過差異性檢驗，人工草地與坡耕地土壤全磷含量之間呈極顯著差異（p＝0.000＜0.01），天然草地與坡耕地土壤全磷含量之間呈極顯著差異（p＝0.001＜0.01），而天然草地與人工草地土壤全磷含量之間差異不明顯。土壤全磷含量大小排序為：人工草地［（0.61±0.02）g／kg］＞天然草地［（0.55±0.03）g／kg］＞坡耕地［（0.42±0.02）g／kg］。但總體上看，土壤全磷含量偏低（均低于0.03%），在一定程度上影響有效磷含量。

通過對比分析土壤有效磷含量，土壤有效磷含量大小排序為：坡耕地［（6.28±1.04）mg／kg］＞人工草地［（4.49±0.38）mg／kg］＞天然草地［（4.24±0.28）mg／kg］。通過LSD檢驗，人工草地與坡耕地土壤有效磷含量之間呈顯著差異（p＝0.049＜0.05），天然草地與坡耕地土壤有效磷含量之間呈顯著差異（p＝0.024＜0.05），而天然草地與人工草地土壤有效磷含量之間差異不明顯（p＝0.076＞0.05）。坡耕地土壤表現出低的全磷含量，相對較高的供磷能力，有效磷含量是天然草地的1.48倍，是人工草地的1.40倍。說明與坡耕地相比草地在全磷含量上相對較為匱乏，但用于作物吸收的磷素高于草地，這可能與坡耕地地表徑流沖刷及作物磷素吸收有關系。地表徑流沖刷導致坡耕地土壤全磷含量明顯低于天然草地和人工草地，而坡耕地種植的作物可以改善磷素的轉換，增加有效磷的轉換速率，導致坡耕地土壤有效磷含量明顯高于天然草地和人工草地。

如圖2所示，從垂直角度看，人工草地表層、中層和下層土壤全磷含量均高于天然草地和坡耕地。但表層、中層和下層土壤有效磷含量變化卻較為復雜，坡耕地表層和下層土壤有效磷含量明顯高于天然草地和人工草地，而中層土壤有效磷含量卻低于人工草地。對比人工草地和坡耕地土壤全磷和有效磷含量，通過相關性分析，土壤全磷和有效磷呈負相關關系，但相關性不顯著（p＝0.215＞0.05），相關系數為－0.179。說明土壤有效磷的轉化不完全依賴于土壤全磷含量，而與植被生長等因子有關系。

圖2 不同土層深度土壤全磷和有效磷變化特征

3.3 土壤全鉀和有效鉀含量

坡耕地土壤全鉀含量最高，為13.03g／kg，是天然草地的1.26倍，是人工草地的1.76倍。LSD檢驗結果表明：人工草地與坡耕地土壤全鉀含量之間呈極顯著差異（p＝0.000＜0.01），天然草地與坡耕地土壤全鉀含量之間呈顯著差異（p＝0.046＜0.05），天然草地與人工草地土壤全鉀含量之間呈顯著差異（p＝0.023＜0.05）。土壤全鉀含量大小排序為：坡耕地［（13.03±1.27）g／kg］＞天然草地［（10.35±0.55）g／kg］＞人工草地［（7.39±0.91）g／kg］。

天然草地土壤有效鉀含量最高，為119.03g／kg，是坡耕地的1.20倍，是人工草地的1.91倍。LSD檢驗結果表明：人工草地與坡耕地土壤有效鉀含量之間呈顯著差異（p＝0.020＜0.05），天然草地與人工草地土壤有效鉀含量之間呈極顯著差異（p＝0.003＜0.01），而天然草地與坡耕地土壤有效鉀含量之間差異不明顯（p＝0.528＞0.05）。土壤有效鉀含量大小排序為：天然草地［（119.03±18.72）mg／kg］＞坡耕地［（99.32±8.28）mg／kg］＞人工草地［（62.26±5.60）mg／kg］。當坡耕地實施人工種草后，在不施入或者少量施入農家肥的情況下，土壤有效鉀含量明顯降低。由于天然草地植被地表枝葉枯落后導致鉀素回歸土壤，減少了鉀素的流失，導致天然草地土壤有效鉀含量明顯高于坡耕地和人工草地。人工種草初期，土壤中有效鉀被草本植物吸收，植物地表部分作為飼料進而進入動物體內，帶離原地塊，導致鉀素不能回歸于原土壤，致使鉀素含量低于天然草地和坡耕地。

如圖3所示，從垂直角度看，坡耕地0—30cm土層土壤全鉀含量均高于人工草地和天然草地，但在土壤有效鉀含量上，卻低于天然草地，高于人工草地。在垂直方向上，土壤全鉀含量變化不大，但天然草地和坡耕地有效鉀含量隨土層深度增加呈減小趨勢。坡耕地表層、中層和下層土壤全鉀含量分別是天然草地的1.26倍，1.29倍和1.23倍，但有效鉀含量卻只有天然草地表層、中層和下層土壤的85.97%，95.51%和90.89%。受人工耕作管理等影響，坡耕地土壤全鉀含量雖然高，但有效鉀含量卻不及天然草地。說明植物種群長期穩定的天然草地可以有效改善土壤有效鉀含量。另外，人工草地土壤全鉀和有效鉀含量均低于坡耕地，因此，在建植人工草地時，應該適當加強水肥管理，特別是鉀肥。

圖3 不同土層深度土壤全鉀和有效鉀變化特征

3.4 土壤pH值

土壤受土壤自身特性影響，在同一土類上變化不大。通過分析，土壤pH均小于7.0，呈酸性。土壤具有強大的緩沖能力，人為耕作等活動對土壤pH影響不明顯，通過LSD檢驗，三者之間無明顯差異。如圖4所示，隨著土層深度的增加，土壤pH值逐漸增加，表層土壤比中層和下層土壤偏酸。

圖4 不同土層深度土壤pH值變化

3.5 土壤有機質含量

土壤有機質含量大小排序為：天然草地土壤有機質含量［（55.30±5.77）g／kg］＞人工草地［（47.66±3.65）g／kg］＞坡耕地［（26.89±2.38）g／kg］。天然草地的土壤有機質含量最高，是坡耕地的2.06倍，是人工草地的1.16倍。通過LSD檢驗，天然草地與坡耕地土壤有機質含量之間呈極顯著差異（p＝0.000＜0.01），人工草地與坡耕地之間呈極顯著差異（p＝0.002＜0.01），而天然草地與人工草地之間無明顯差異（p＝0.212＞0.05）。這表明坡耕地改變為人工草地，土壤有機質含量增加明顯，當人工草地在無管護的狀況下，逐漸演替為天然草地時，土壤有機質含量增加更為明顯。有機質的增加提高了土壤抗蝕抗沖性能，減少水土流失，改變土壤結構狀況，為植被生長營造一個更好的土壤環境，建立一個良好的土壤—植被代謝和循環系統，促進植被恢復，不同程度上改變石漠化發生程度，如圖5所示，從垂直角度看，坡耕地表層、中層和下層土壤有機質含量明顯低于天然草地和人工草地，且隨著土層深度增加而不斷減小。受地表植被枯落物的影響，人工草地和天然草地表層土壤有機質存在差異，但中層和下層差異不明顯。當坡耕地實施人工種草后，表層、中層和下層土壤有機質含量分別提升48.06%，85.58%和107.78%，中層和下層土壤有機質含量改善幅度大，均達到了80%以上。由此表明，在人工種草可有效改善坡耕地土壤有機質含量，提高土壤肥力。

圖5 不同土層深度土壤有機質

3.6 土壤肥力綜合評價

3.6.1 土壤肥力指標權重 通過分析，天然草地、人工草地和坡耕地土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀等肥力指標變化各不相同，為有效評價草地治理模式下土壤肥力變化的綜合情況，對土壤肥力進行綜合評價，以此全面反映不同土地利用方式下土壤肥力差異狀況。土壤肥力指標權重值采用層次分析法來確定。重要值采用15級分級法。

表3 土壤肥力指標相對重要值矩陣

3.6.2 土壤肥力指標分級評分 各土壤肥力指標測定原始數據采用分級打分法進行無量綱化，各指標分級標準如表4所示。

表4 土壤肥力指標分級標準及評分

3.6.3 土壤肥力綜合評價 土壤肥力綜合評價采用如下公式進行計算：

式中：FI——綜合肥力指數；Ki——該樣品第i個指標的分值；Ci——為該指標的權重值。

通過采用公式（1），對研究區天然草地、人工草地和坡耕地土壤肥力綜合指數進行計算，如表5所示。

通過對天然草地、人工草地和坡耕地綜合肥力指數進行計算，天然草地綜合肥力指數最大，坡耕地最小，天然草地綜合肥力指數是人工草地的1.09倍，是坡耕地的1.14倍，人工草地是坡耕地的1.05倍，其三者大小排序為：天然草地（3.727）＞人工草地（3.418）＞坡耕地（3.263）。說明天然草地的綜合肥力狀況最佳，而坡耕地則相對較差，人工草地則介于兩者之間。當在坡耕地上采取人工種草的措施，可有效提高土壤肥力水平，若人工草地逐漸演變為天然草地時，則土壤肥力有進一步的提高。綜合來看，坡耕地實施人工種草后，土壤肥力改善效益明顯。

表5 不同土地利用方式土壤肥力綜合指數

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究通過對長順冗雷河小流域草地治理模式內人工草地、天然草地和坡耕地進行對比，分析三種地類的全氮和堿解氮，全磷和有效磷，全鉀和有效鉀，酸堿度，有機質進行研究，以層次分析法進行肥力綜合評價，揭示冗雷河小流域草地治理模式對土壤肥力的影響。通過對比分析：

（1）在坡耕地上實施人工種草后，土壤全氮含量雖有所提高，可有效提高土壤堿解氮含量，增加植被吸收氮素的含量，促進植被生長。但相比天然草地還存在一定差距。這與瓦慶榮等［11］的天然草地具有相對較為穩定的植物種群和群落系統，草本植物物種豐富多樣，土壤長期受草本植物根系影響，氮素積累較大，供氮潛力大相一致。

（2）坡耕地與草地相比，在全磷含量上相對較為匱乏，但用于作物吸收的磷素高于草地，這可能與坡耕地地表徑流沖刷及作物磷素吸收有關系。地表徑流沖刷導致坡耕地土壤全磷含量明顯低于天然草地和人工草地，而坡耕地種植的作物可以改善磷素的轉換，增加有效磷的轉換速率，導致坡耕地土壤有效磷含量明顯高于天然草地和人工草地。這與高華端等［12］土壤有效磷的轉化不完全依賴于土壤全磷含量，而與植被生長等因子有關系相一致。

（3）天然草地土壤有效鉀含量明顯高于坡耕地和人工草地。而人工草地鉀素含量低于天然草地和坡耕地。這可能是在不施入或者少量施入農家肥的情況下，土壤有效鉀含量明顯降低。由于天然草地植被地表枝葉枯落后導致鉀素回歸土壤，減少了鉀素的流失，人工種草初期，土壤中有效鉀被草本植物吸收，植物地表部分作為飼料進而進入動物體內，帶離原地塊，導致鉀素流失。這與劉世梁等［13］植物種群長期穩定的天然草地可以有效改善土壤有效鉀含量相一致。另外，人工草地土壤全鉀和有效鉀含量均低于坡耕地，與康冰等［14］在建植人工草地時，應該適當加強水肥管理，特別是鉀肥符合。

（4）坡耕地改變為人工草地，土壤有機質含量增加明顯，但是比天然草地低，這與羅海波，代全厚等［15－16］當人工草地在無管護的狀況下，逐漸演替為天然草地時，土壤有機質含量增加更為明顯。有機質的增加提高了土壤抗蝕抗沖性能，減少水土流失，改變土壤結構狀況，為植被生長營造一個更好的土壤環境，建立一個良好的土壤—植被代謝和循環系統，促進植被恢復，不同程度上改變石漠化發生程度相一致。

4.2 結 論

（1）研究區天然草地、人工草地和坡耕地土壤全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、pH值和有機質等化學指標分析結果顯示，坡耕地實施人工種草措施后，土壤全氮含量相對增加42.64%，堿解氮增加50.86%，中層和下層（20—30cm）土壤堿解氮改善最為明顯；土壤全磷含量相對增加45.24%，有效磷降低23.58%，坡耕地相比草地在全磷含量上相對較為匱乏，但用于作物吸收的有效磷素卻高于人工草地；坡耕地實施人工種草措施后，土壤全鉀和有效鉀含量降低，pH值無變化，其中全鉀含量相對降低43.28%，有效鉀降低37.32%；坡耕地實施人工種草措施后，土壤有機質含量相對增加77.24%，其中表層（0—10cm）、中層和下層土壤有機質含量分別提升48.06%，85.58%和107.78%，中層和下層土壤有機質含量改善幅度大。

（2）研究區土壤肥力綜合評價結果顯示，天然草地綜合肥力指數最大，坡耕地最小，天然草地綜合肥力指數是人工草地的1.09倍，是坡耕地的1.14倍，人工草地是坡耕地的1.05倍，其三者大小排序為：天然草 地 （3.727）＞ 人 工 草 地 （3.418）＞ 坡 耕 地（3.263）。說明當坡耕地實施人工種草后，土壤肥力整體水平上得到提升。

［1］ 劉震.全國水土保持普查及成果運用［J］.中國水利，2013，37（7）：55－57.

［2］ 王念忠，李建偉，張峰.松花江流域侵蝕環境及水土流失防治對策［J］.東北水利水電，2013，25（5）：10－14，24.

［3］ Middleton B.Wetland Restoration，Flood Pulsing，and Disturbance Dynamics［M］.New York：John Wiley ＆Sons，Inc.1999.

［4］ 黎家作.淮河流域綜合規劃水土流失解讀［M］.長春：吉林科學技術出版社，2013.

［5］ 李珂，楊永興，楊楊，等.頭屯河流域低山丘陵區水土流失防治對策［J］.安徽農業學，2013，39（11）：6714－6716，6719.

［6］ 白軍紅，歐陽華，崔保山，等.水土流失防治對策探析［J］.生態學報，2013，33（5）：2246－2252.

［7］ 劉紅玉，白云芳.若爾蓋水土流失防治變化過程與機制分析［J］.自然資源學報，2006，21（5）：810－818.

［8］ 雍國瑋，石承蒼，邱鵬飛.淺議水土流失防治［J］.山地學報，2013，21（6）：758－762.

［9］ 曾馥平，王克林.桂西北喀斯特地區6種退耕還林（草）模式的效應［J］.農村生態環境2005，21（2）：18－22.

［10］ 吳佳海，牟瓊，唐成斌，等.石漠化山區種草養羊技術開發［J］.草業科學，2009，26（1）：126－128.

［11］ 瓦慶榮.加快石漠化地區草地植被恢復促進喀斯特地區生態環境建設［J］.草業科學，2008，25（3）：18－21.

［12］ 高華端，孫泉忠，袁勇.喀斯特地區不同土地利用類型土壤侵蝕特征研究［J］.水土保持通報，2010，30（2）：92－96.

［13］ 劉世梁，傅伯杰，馬克明，等.岷江上游高原植被類型與景觀特征對土壤性質的影響［J］.應用生態學報，2004，15（1）：26－30.

［14］ 康冰，劉世榮，蔡道雄，等.南亞熱帶不同植被恢復模式下土壤理化性質［J］.應用生態學報，2010，21（10）：2479－2486.

［15］ 羅海波，錢曉剛，劉方，等.喀斯特山區退耕還林（草）保持水土生態效益研究［J］.水土保持學報，2003，17（4）：31－34，41.

［16］ 代全厚，張力，劉艷軍，等.嫩江大堤植物根系固土護堤功能研究［J］.水土保持通報，1998，18（6）：8－11.