沙質海岸防護林下土壤養分特征研究

任奕煒，衣華鵬，鐘小瑛

(魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264025)

山東半島海岸線漫長曲折，是我國海岸線的重要組成部分。海岸帶防護林在防風固沙、阻擋海霧、防范海洋自然災害等方面具有一定作用，但海岸帶防護林也面臨著物種單一、結構單調、生態系統脆弱等問題。由于人類活動影響，中國的沿海防護林也正受到破壞和退化的威脅，煙臺海岸帶防護林多種植于20世紀50年代左右，樹木老化帶來的防護效能降低問題不可避免。因此，海岸帶防護林的建設和保護顯得尤為重要。土壤為其上生長的植物提供養分，并且不斷為植物生長提供所需的肥力，前期研究表明，煙臺海岸帶防護林下土壤肥力較差，對煙臺海岸帶防護林下土壤養分的變化情況研究有利于海防林的可持續發展。土壤的質量是多方面的綜合反映，對海防林的生長起著直接作用，與此同時還能夠反映土壤養分循環過程等。土壤肥力是對土壤各項性質的綜合反映，運用主成分分析對土壤肥力進行評價，可將養分指標集中，以反映土壤的生態功能，能較為客觀地反映一個地區的土壤肥力情況。目前關于土壤養分研究和評價的研究大多集中在農業土壤和內陸森林土壤，對海岸帶防護林下的土壤養分研究較缺乏。通過對煙臺市海岸帶防護林下土壤養分的測定及綜合評價，旨在為海岸帶防護林的建設與養護提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

煙臺市地處膠東半島，位于119°34′—121°57′ E,36°16′—38°23′ N。氣候屬溫帶季風性氣候，四季分明，全年平均氣溫約13.4 ℃，氣候宜人，全年平均降水約524.9 mm。地形為低山丘陵區，山丘起伏較為和緩，溝壑縱橫交錯。煙臺沿海防護林省級自然保護區總面積14 046.3 hm,其中核心區面積2 329.6 hm，緩沖區面積1 160.2 hm，實驗區面積10 556.5 hm，涉及芝罘區、萊山區、開發區、牟平區等11個市、區的沿海區域，主要造林樹種有赤松()、黑松()、麻櫟()、刺槐()等，林下灌木層主要有胡枝子()、牛奶子()，林下草本層有卵穗薹草()、馬齒莧()、刺沙蓬()等。林下土壤為濱海沙質鹽土，土壤孔隙度較大，透水性和通氣性均較好，土壤容重大，黏結性、可塑性較差。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 于2020年5月對煙臺市芝罘區、開發區、萊山區、牟平區海岸帶防護林下的土壤進行樣品采集。芝罘區、萊山區、開發區的采樣點均位于保護區的實驗區內，牟平區樣點均位于核心區內。沿著垂直于高潮線方向，每間隔300 m設置一采樣點，由海向陸依次設置3個樣點(部分樣帶為2個樣點)，每個區域設5條采樣帶。防護林下的土壤均為濱海沙質鹽土，發育程度差，尚未形成典型的發生層，故本次采集的土壤樣本均采自于表層0～20 cm的土壤。

1.2.2 樣品的測定 土壤pH的測定采用電位法，有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法。采用0.5 mol·LNaHCO浸提鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮，采用火焰光度計法測定土壤速效鉀。

1.2.3 數據處理 運用Microsoft Office Excel和SPSS 24進行數據處理，對各養分因子進行相關性分析和主成分分析，利用Oingin2018繪圖。

1.2.4 土壤養分分級和綜合評價 根據第二次全國土壤普查分級標準(表1)，對測定指標進行分級評價，而后用pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀等5項指標作為評價依據對其進行土壤養分綜合情況的評價。

表1 土壤養分含量分級標準

標準化處理后的數據代入條件函數，采用改進后的內梅羅公式進行土壤綜合指數計算。此處設定土壤為中性時質量最佳，故pH須分情況代入條件函數。

土壤pH(pH>7.0)：

(1)

土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質及pH(pH<7.0)：

(2)

式中：為肥力系數;為指標測定值;、、為土壤屬性分級標準(表2)

表2 土壤各屬性分級標準

將標準化處理后的指標，代入改進后的內梅羅公式，進而計算出土壤養分的綜合指數，以對土壤養分的綜合狀況進行評價，改進后的公式為：

(3)

式中：為土壤養分綜合指數；為土壤屬性的分系數；為屬性個數

2 結果與分析

2.1 海防林下土壤養分情況及描述性特征

由圖1可知，煙臺市海防林下的土壤pH在4.74～8.97之間，平均值為6.16，開發區樣本的平均pH為6.39，屬于弱酸性土壤。芝罘區樣本的平均pH為6，屬于弱酸性土壤。萊山區和牟平區土壤樣本pH平均值分別為5.62和6.59，分別屬于弱酸性和中性，可以看出，煙臺市海岸帶防護林下土壤整體呈現弱酸性。

圖1 土壤各養分因子含量

芝罘區土壤樣本中有機質含量的均值為3.7 mg·kg，屬于6級(極缺)。萊山區和牟平區的土壤樣本中，其有機質含量的平均值分別為4.6 和22.7 mg·kg，分別歸屬于6級(極缺)和3級(中上)。綜上，煙臺市海岸帶防護林下土壤的有機質含量處于比較低下的水平，且芝罘區和萊山區海防林下的土壤有機質含量處于極缺乏水平。

4個區的海岸帶防護林下堿解氮的平均含量依次為牟平區>開發區>萊山區>芝罘區，牟平區的土壤堿解氮平均含量為6.44 mg·kg,最大值為12.6 mg·kg，低于土壤養分分級評價指標中的6級(極缺),表明煙臺海防林下的土壤氮含量極低。

煙臺海防林下土壤速效磷平均值為2.9 mg·kg，4個區的海岸帶防護林下速效磷的平均含量依次為牟平區>開發區>芝罘區>萊山區，其中，牟平區的土壤速效磷含量平均值為3.87 mg·kg,達到了5級(缺乏)，其余3區的速效磷平均含量均低于3 mg·kg，屬于6級(極缺)。芝罘區15號的樣本速效磷含量最高，達到了10 mg·kg,屬于3級(中上)水平。

4個區的海岸帶防護林下土壤速效鉀的平均含量依次為牟平區>開發區>芝罘區>萊山區，牟平區的平均速效鉀含量達到了184.87 mg·kg,屬于2級(豐富)水平。開發區和芝罘區的土壤速效鉀平均含量較為接近，分別為107.3和105.64 mg·kg，達到了3級(中上)水平，而萊山區的土壤速效鉀平均含量僅有35.71 mg·kg，只達到5級(缺乏)水平。

2.2 土壤各養分因子相關關系

對煙臺海防林下土壤各養分之間相關關系的分析表明(表3)，土壤pH與速效磷、速效鉀含量相關性極顯著，且為正向相關；與堿解氮、有機質的含量相關性不顯著。土壤有機質的含量與土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量均呈現極顯著正相關關系。土壤堿解氮含量與速效磷、速效鉀含量之間分別呈顯著和極顯著正相關關系，且土壤速效磷又與速效鉀之間相關性極顯著，為正向相關。

表3 各養分因子相關關系

2.3 土壤養分及肥力評價

2.3.1 基于內梅羅指數法的土壤養分綜合指數評價 運用公式(1)、公式(2)計算土壤肥力系數，將結果代入公式(3)計算出土壤養分綜合指數，進而對煙臺市海防林下的土壤養分綜合指數進行分析。由圖2可知，土壤的堿解氮肥力系數最大值為0.21，且波動范圍小，說明整體上氮素缺乏；土壤速效磷肥力系數均值為0.58，出現1個異常值，但整體波動幅度不大，含量水平較低；土壤速效鉀肥力系數的范圍為0.18～3.0，平均值為1.77，與氮、磷元素相比土壤肥力系數更高，但波動范圍更大，說明鉀元素分布不均；土壤有機質的肥力系數波動范為最大，平均值為1.03，屬于較低水平。土壤pH肥力系數范圍為1.03～3.00，分布也較均勻。

圖2 各指標土壤肥力系數圖

通過對煙臺市各區和總體土壤養分綜合指數的計算，牟平區的養分綜合指數最高，為1.53。

根據表4，土壤養分評價為三級(一般)。其次是開發區和芝罘區，其土壤養分綜合指數分別為1.16和0.93，評價等級同為三級(一般)。土壤養分綜合指數最低的為萊山區，其養分指數為0.69，處于第四級(貧瘠)。煙臺市海防林下土壤總體的土壤養分評價指數為1.17，屬于三級(一般)。

表4 土壤養分等級劃分標準

2.3.2 基于主成分分析的土壤肥力評價 首先在SPSS軟件中對數據進行標準化處理后，進行KMO和巴特利特球形度檢驗，檢驗結果：KMO值為0.669>0.6，球形度檢驗sig值<0.05，由此說明各指標之間存在相關性，可進行主成分分析。利用軟件中的主成分分析程序計算出各個主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率。根據特征值≥1，結合累計貢獻率達到85%，提取了3個主成分。由表5可知，3個主成分的貢獻率分別為53.464%、23.341%和10.791%，累計貢獻率達到了87.596%，可以基本反映土壤的肥力狀況。

表5 主成分特征及累計貢獻

由表6可知，第1主成分受到土壤有機質和堿解氮的影響較大；第2主成分中土壤pH、堿解氮、速效鉀為較大的正值，可以反映出酸堿度、氮元素和鉀元素對土壤養分的影響；在第3主成分中，速效磷的主成分載荷較高，達到了0.930，可見，在第3主成分中，主要反映速效磷對土壤肥力的影響。

表6 因子載荷值和主成分得分系數

用X、 X、 X、 X、 X分別代表、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀，并利用公式計算出不同主成分綜合得分的表達式為：

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

將標準化處理后的數據分別代入3個表達式，計算出各主成分的得分。由主成分的貢獻率，且根據 IFI =λF+λF+…+λF(λ為主成分貢獻率)可得出土壤肥力綜合評價式：IFI=0535 F+0.233 F+0.108 F，將計算出的各主成分得分代入綜合評價公式，計算出最終得分。IFI值越高說明海防林下的土壤肥力越好，反之則越差。

對煙臺市4個區主成分分析結果(圖3)表明，開發區和牟平區IFI值正值更多，萊山區和芝罘區負值更多，4個區的土壤肥力綜合得分平均值為牟平區(0855 3)>開發區(0136 7)>芝罘區(-0272 1)>萊山區(-0788 6)，可以看出，開發區和牟平區的得分情況明顯好于萊山區和芝罘區，開發區與牟平區海防林下土壤肥力水平相對較高。

圖3 分區土壤肥力綜合得分統計

采用分類功能中的系統聚類，對 58個樣本的土壤肥力情況進行聚類分析，將其分為一、二、三、四共計4類，一類代表土壤肥力情況較好，四類則代表肥力情況差。聚類結果(表7)顯示，58個樣本中15個樣本為四類，占比為2586；30個樣本為三類，占比達到了5172，三、四類累計占比達到了7758。達到一類標準的樣本有3個，僅占全部樣本數的517，可知煙臺市海岸帶防護林下的土壤肥力情況處于中下等水平。從空間分布角度看，牟平區和開發區的所有樣本均在三類以上，其中牟平區的樣本超過半數均在二類以上，可見牟平區的土壤肥力情況相對最好，開發區次之。在第四類15個樣本中，萊山區10個，芝罘區5個，比較之下芝罘區情況好于萊山區。

表7 土壤肥力綜合得分分類統計

3 討論

煙臺海防林下土壤不同養分因子的含量情況各不相同。土壤反映的是土壤的酸堿度，研究結果顯示，在煙臺市4個區海岸帶防護林中采集的58個土壤樣本中，土壤整體上偏酸性,大部分樣本處于弱酸性或中性，對海岸土壤來說，與降水或海水有關，更多反映降水或海水的離子組成，對大氣濃度也較為敏感，酸性過高會導致海岸土壤的養分更快解離、淋溶。土壤中有機質的含量較低，超過半數的樣本土壤有機質含量等級為極缺，田保狀等在對山東沙質海岸帶防護林的基干林帶、灌木帶等土壤養分研究表明，氮元素在海防林體系中含量很低，有機質含量普遍較低，這與本研究所采集的樣本氮含量全部為極缺水平的結果高度一致，同時有機質含量在大部分樣本中含量也很低，這可能是由于沙質土壤中礦質顆粒表面的離子結合位點極其有限，對有機質和養分的固持能力極低有關，此外，沙質土壤中養分的淋溶非常劇烈。同時，這可能也與海防林樹種有關，如黑松、赤松等針葉樹種其枯枝落葉量低，導致土壤有機質相對缺乏。

土壤堿解氮為植物生長提供必需的營養元素，且較容易被植物吸收利用。煙臺海岸帶防護林下氮元素缺乏可能由于其土壤鹽堿偏重，林下生長的其他綠色植物較少，固氮量不足而淋溶流失。速效磷的含量情況稍好于堿解氮，但仍有超過70的樣本速效磷含量處于缺乏的水平。磷元素也是土壤中重要的營養物質，章文龍等在研究中認為，植物根系對土壤中磷元素的吸收并以枯枝落葉形式歸還到土壤中，可能與前文中針葉林枯枝落葉量低導致土壤中有機質含量低的結果相同，導致土壤中磷元素缺乏。速效鉀的含量在3種養分中情況相對較好，超過80的樣本達到了中等水平，在保護時可作為次重點元素考慮。

牟平區在煙臺市海防林中土壤養分含量最高，其速效鉀、有機質含量都明顯好于其他幾個區，這與王瓊對牟平海岸帶土壤理化性質分析的研究結果一致，且與牟平區樣點位于保護區的核心區內，其生態系統完整，不良影響因素較少有關。開發區樣點與萊山區、芝罘區同在實驗區，但開發區土壤養分含量好于其余兩區，這可能與開發區近年來開展的海防林下清表和種植土換填工作有關。萊山區的土壤偏酸性，均值為58,根據第二次全國土壤分類標準屬于弱酸性，有機質、速效鉀、速效磷含量都處于極缺狀態，劉文光等在對煙臺高新區沿海土壤理化分析的研究中，測得土壤為63～70，呈弱酸性到中性，與本研究結果相比，經過幾年的演化，土壤有減小趨勢，萊山區土壤養分狀況本就不佳，土壤變酸更易導致土壤養分的流失。芝罘區除速效鉀含量較高外，有機質、速效磷均為缺乏狀態。所以，在對防護林和土壤進行保護時，應結合區域實際情況聯合開展海防林建設保護工作，在確保能夠有效防止土壤養分流失的前提下，在土壤中施加氮肥、磷肥以改善土壤氮、磷元素含量低的狀況。

結合土壤養分綜合評價結果，不同區域之間雖存在差異，但煙臺海防林下的土壤養分狀況整體不佳。在鐘曉艷等關于煙臺海岸帶防護林下土壤養分特征的研究中，其所得結果為土壤呈微酸性，有機質、堿解氮和速效磷含量都極低，與本文研究結果總體一致，可以佐證煙臺海岸帶防護林下的土壤肥力狀況不佳，土壤較為貧瘠。邢獻予在研究中發現不同樹種對增加土壤全氮、有效磷，降低有不同程度反響，在海防林改造保護時，結合煙臺海防林營造時間早的情況，可選擇不同耐貧瘠樹種，及時對老化林帶進行更新補種。

煙臺海防林下土壤有機質與土壤中氮、磷、鉀含量存在正相關關系，除與氮元素和有機質相關性較低外，其余各指標之間均存在著較顯著的相關性，這與艾鵬等對連云港沙質海岸防護林的土壤特性研究的結果基本一致，在對土壤進行改良時可關注不同養分間的相關關系。同時，由于煙臺市沙質海岸分布廣，沙質海岸土壤疏松，不利于水肥的保持，進而使得煙臺市海防林下的土壤較貧瘠，可通過覆土措施，減少水土和養分流失，修建防護堤壩及營造多重防護林，加強對防護林的保護。

4 結論

煙臺市海防林下土壤平均為616，整體呈微酸性；土壤有機質平均含量為111·，有機質含量整體偏低；土壤堿解氮含量全部處在極缺水平；土壤速效磷含量的平均值為29·，整體處于缺乏的水平；土壤速效鉀平均含量10966·，整體達到中級水平。煙臺市海防林總體的土壤養分綜合指數為117，為三級(一般)，結合土壤肥力綜合得分的結果，煙臺市海防林下土壤養分較缺乏。牟平區和開發區土壤養分綜合指數分別為153和116，土壤養分等級為三級(一般)，芝罘區和萊山區分別為093和069，養分等級為四級(貧瘠)。土壤肥力綜合指數(IFI)結果為：牟平區(0855 3)>開發區(0136 7)>芝罘區(-0272 1)>萊山區(-0788 6)。煙臺海岸帶防護林應首要解決水肥流失問題，而后可添加氮、磷肥以緩解養分的缺乏，但要注意適量，避免由此帶來的淺海區域污染。同時，要結合不同區域的實際情況，將芝罘區、萊山區海岸帶防護林作為重點區域進行管理。