王嬌

（遼寧省生態(tài)公益林管理中心，遼寧 沈陽110036）

1 研究地區(qū)概況與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究樣地位于遼寧省西北部彰武縣（42°07′—42°51′N、121°53′—122°58′E）。彰武屬溫帶季風大陸性氣候，年均降雨量450～500mm，主要集中在夏季，占全年降雨量的70%，年蒸發(fā)量1 300～1 800 mm；全年主導風向西南風，冬春兩季風大且持續(xù)時間長，風速為4.5～5.0m·s－1；年平均溫度7.1℃，最高溫度37.4℃，最低溫度為－30.4℃，10℃以上積溫2 890℃；平均相對濕度61%，最大相對濕度78%，最小相對濕度48%，平均無霜期156d；平均凍土深度1.11m，最大凍土深度1.48m，最小凍土深度0.68m；地下水位2m以下。樹木30科54屬111種，森林覆被率40%，植物生長期（＞5℃）為180d。試驗地0～100cm的土壤基質為風沙土層，沙粒含量＞98%，黏粉粒含量＜2%，沙層深厚，多達30m左右。

1.2 研究樣地及土壤特性情況

分別于2013年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日、10月20日在研究區(qū)域內選定4種典型農林復合模式樣地進行研究，樣地基本情況見表1。每塊標準樣地中，隨機采集0～20 cm、20～40cm土層土壤，每塊樣地重復采集3次。實驗室內用環(huán)刀浸水法測定2個土層的土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量等物理指標。烘干碾碎后測定土壤的有機質、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀等7個化學指標，所得數據采用SPSS統(tǒng)計軟件進行處理。

表1 遼西北地區(qū)典型農林復合模式

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質研究

2.1.1 土壤容重變化 土壤容重的大小與土壤的質地、結構、有機質含量、土壤緊實度、耕作措施等有關［1］。

圖1 土壤容重

從圖1中可以看出，3種模式下的土壤容重均低于對照（原始荒地）；0～20cm土層4種模式的土壤容重為A模式＜B模式＜C模式＜D模式；20～40cm土層4種模式的土壤容重為A模式＜C模式＜B模式＜D模式。一般來說，腐殖質含量高的土壤容重較小，大扁杏－花生－玉米模式的枯落物較多，可以更有效地積累土壤腐殖質含量。樟子松－花生模式在20～40cm深度上改善容重較其在0～20cm有所提高。

2.1.2 土壤孔隙度改良效果 從圖2中可以看出，0～20cm層次A和B模式的非毛管孔隙度幾乎一樣，C和D模式間差異不大，且A、B模式非毛管孔隙度遠低于C和D模式，這可能是由于A、B模式下的沙化土壤得到改善，土壤團聚體中黏粒數增加，導致非毛管孔隙度相對較低。20～40cm層次則是C樣地的非毛管孔隙度含量最高，其他A、B、D模式下土壤非毛管孔隙度均較低且差別不大，顯示對于20～40cm土壤層而言A、B模式的改良作用不大，C模式對此層具有增大非毛管孔隙度的作用。

圖2 土壤非毛管孔隙度

圖3 土壤毛管孔隙度

毛管孔隙是細小土粒緊密排列而成的小孔隙，決定著土壤的蓄水性。從圖3可以看出，0～20cm土層的毛管孔隙度是A模式＞B模式＞C模式＞D模式；20～40cm土層的毛管孔隙度與0～20cm土層的情況基本一致，但是4種模式下差異不顯著。由此可見，與D模式對照相比，其他3種模式能提高表土的土壤毛管孔隙度，根系的生長及對水分吸收涵養(yǎng)，改善了土質，增加了土壤毛管孔隙度；相對于樟子松－花生模式而言，前2種模式對增加土壤毛管孔隙度更有效，在一定程度上提高了土壤的蓄水能力。

圖4 土壤總孔隙度

土壤總孔隙度是由毛管孔隙度和非毛管孔隙度2部分構成的。由圖4可見，3種農林復合模式通過地下根系的生長，地面枯落物的積累與分解，在一定程度上改善了土質，使得土壤的孔隙狀況轉好。

2.1.3 土壤持水性能改良效果

圖5 土壤層次最大持水量

圖6 土壤層次毛管持水量

圖7 土壤層次田間持水量

在遼西北半干旱沙化地區(qū)，土壤水分狀況是作物生長的關鍵因子。土壤的持水能力可以用最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標來表示。圖5、6、7反映了4種模式在0～20cm、20～40cm土層的土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量狀況。從中可以看出，3種模式具有提升土壤持水能力的作用，這種提升在0～20cm層次中最明顯，其中A模式＞B模式＞C模式＞D模式；對于20～40 cm土層而言，提升效果較0～20cm弱，且以A、C模式較好。

2.2 土壤化學性質研究

2.2.1 土壤有機質研究 土壤有機質是土壤肥力的重要指標，它是土壤的重要組成物質基礎，也是植物礦質營養(yǎng)和有機營養(yǎng)的重要源泉［2］。它雖不能被植物吸收，但含有植物所需要的多種養(yǎng)分，是營養(yǎng)元素特別是氮素存在的主要場所：土壤表層中大約80%～97%的氮存在于有機質之中［1］。

對于林地土壤來說，有機物質主要來源于枯枝落葉，在林地土壤表面積累，然后在微生物以及其他環(huán)境條件的綜合作用下逐漸分解并通過腐殖化作用形成土壤有機質，因而增加了表層土壤有機碳含量。從圖8可以看出：不同復合模式與對照相比，均能增加有機質含量，0～20cm土層有機質含量的高低依次為：B＞A＞C＞D，20～40cm土層有機質含量高低依次為A＞B＞C＞D，顯示A模式下表土層分解能力較小，隨土層加深各種條件有利于枯枝落葉分解。

圖8 土壤有機質

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分研究 土壤中氮素的積累，主要來源于動植物殘體的分解、有機或無機肥的使用、土壤中微生物的固定。土壤中氮素是成土過程中由生物作用而積累的，絕大部分呈有機態(tài)，故氮素含量高低與有機碳的多少有關外，還與植被狀況、氣候、土壤質地、地形及地勢、耕作利用等因素有關。由表2可以看出，3種模式能顯著提高土壤全氮含量，但是就3種模式來說，其提高土壤全氮含量的能力差異不大。

表2 土壤化學性質 g kg－1

磷對提高植物的抗病性、抗寒性和抗旱能力也有良好的作用。由表2可以看出，3種模式下土壤全磷含量相對原始荒地（D模式）有明顯的提升，且A模式＞B模式＞C模式，同時0～20cm土層土壤的磷素含量高于20～40cm。不同樹種林地表層土壤全磷含量產生差異，主要是由植物對土壤磷的吸收、歸還和再分布格局和強度的不同引起的。

土壤全鉀含量高低主要決定于成土母質，一般而言一個地區(qū)內土壤全鉀含量變異較小。由表2可以看出，A、B、C 3種模式下0～20cm層次土壤全鉀含量高于對照D模式，與對照處理間差異顯著，而3種模式之間差異不顯著，這是因為原始荒地被開墾后，隨著種植年限增加，作物年年都要從土壤中獲取鉀素，這就消耗了土壤中的全鉀含量。本研究中各模式未施鉀肥，土壤中被作物帶走的鉀素不能及時得到補充，這就導致了3種模式的鉀素耗竭，所以在以后的種植生產中應注重鉀肥的施用，防止鉀素的過度消耗。隨著土層的加深，土壤全鉀含量有所升高，這說明作物生長所需鉀素主要是以表層土壤鉀素為主。

2.2.3 土壤速效養(yǎng)分研究 通過本研究發(fā)現，3種模式能改善土壤氮素狀況，增加土壤氮素活性，對土壤氮素起到一定的改良作用。從圖9中可以看出，0～20cm層次A和B處理速效氮含量顯著高于C處理和對照處理；20～40cm層次速效氮含量高低順序是A＞B＞C＞D，各處理間均達到顯著差異。

圖9 土壤速效氮

圖10 土壤速效磷

植物生長必需的磷，幾乎全部由土壤供給，而磷在土壤中的移動性和揮發(fā)性小，土壤中的磷大部分是以遲效性狀態(tài)存在，而只有速效磷的供應和存在狀態(tài)才是土壤磷素供應能力的表征［3］。由圖10可知，不同模式下土壤速效磷含量較低，各處理0～20 cm表層速效磷含量略高于20～40cm層次。同一土層不同復合模式進行比較可知，0～20cm層次A和B處理速效磷含量高于C處理和對照。20～40 cm層次速效磷含量是A、B處理好于C、D處理。

由圖11可知，0～20cm表層土壤速效鉀含量低于20～40cm土層。對同一層次不同模式速效鉀含量比較可知，0～20cm表層土壤速效鉀含量以對照最高，分別與其他3種模式達到了顯著差異，而其他3種處理之間差異不顯著。造成這一現象出現是由于3種模式地面物生長需要大量鉀素，這就要從土壤中汲取，而對照處理地植物稀疏，所需速效鉀含量與其他處理比較相對較低，這就導致了對照處理的速效鉀含量高于其他3種模式。20～40cm土層速效鉀含量則是B處理和對照處理最高，兩者之間差異不顯著，其次是A處理，C處理的速效鉀含量最低，這是因為這一層次樟子松的細根分布相對集中，整株樹木生長所需的鉀素含量主要是在這一層次通過根系進行吸收獲得，這就造成了這一現象的出現。而這一層次的速效鉀雖然被根系吸收卻仍高于表層，一方面是由于土壤中鉀素的移動性較強，降雨能夠將0～20cm表層土壤的一部分鉀淋洗至這一層次中，另一方面是由于根系吸收造成這一層次出現養(yǎng)分虧缺，鉀濃度降低，這就與其他層次形成勢差，致使0～20cm層次的速效鉀向這一層次富集。

圖11 土壤速效鉀

2.3 土壤質量綜合分析

土壤質量是指土壤的生產力狀況或者健康狀況，特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的生產力和持續(xù)土地利用及環(huán)境管理、促進動植物健康的能力［4］。不同模式下，土壤質量發(fā)生了明顯的變化，僅從物理、化學指標單獨的分析不足以反映土壤總體質量變化差別。因此，對所有指標進行綜合分析，獲得土壤質量的綜合評價結果十分重要。

2.3.1 評價指標的遴選 為了減少反映土壤質量綜合信息的損失，經過深入的分析以及針對當地實際情況的考慮，所選擇的評價指標包括土壤容重、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、速效氮、田間持水量、總孔隙度。

2.3.2 土壤質量因子分析 使用SPSS軟件對土壤質量進行因子分析并綜合評價。9個主成分的共同度見表3。

表3 KMO檢驗

KMO統(tǒng)計量為0.744，較為接近1，卡方統(tǒng)計量259.342，對應的顯著性水平為P＝0.000＜0.001，表示本土壤質量綜合評價使用因子分析合理。

表4 各因子的共同度

表4表明各變量的共同度均較大，大于0.75，表明提取的信息較完整。

表5 因子貢獻率

由表5看出，前3個特征根方差貢獻度都較大，后面的特征值貢獻度越來越小，因此，只提取出3個主成分是較為合適的。且各變量在因子分析后，因子變量解釋的方差都比較高。

表6 旋轉前因子（主成分）載荷矩陣

表6、表7、表8為旋轉前后各因子載荷矩陣和因子轉換矩陣，由此看出，第1個因子變量基本上反映了有機質含量、全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量、速效氮含量。第2個因子基本上反映了總孔隙度、田間持水量、全氮含量。第3個因子基本上反映了土壤容重、全鉀含量。

表7 旋轉后因子（主成分）載荷矩陣

表8 因子轉換矩陣

表9 因子得分矩陣

表10 土壤質量綜合評價

通過對各模式下的土壤質量進行因子分析，并且綜合評分結果如表10所示A模式＞B模式＞C模式＞D（對照）。在層次上說A、B模式對0～20 cm土層的土壤改良效果好于20～40cm土層；C模式對20～40cm土層的改良效果好于0～20cm土層土壤。所以從總體上來說，3種農林復合模式中大扁杏－花生－玉米對土壤的質量改良效果最好，大扁杏－麻黃草、樟子松－花生次之。

3 討論與結論

通過對4種模式下2個土層的各種土壤物理性質改良的研究，結果表明，不同農林復合模式具有降低土壤容重、增加土壤持水量、提升土壤孔隙度等作用，能明顯地改善遼西北荒漠化地區(qū)土壤的物理性質，提高土壤生產力。這對于遼西北地區(qū)如何利用有限的降水、增加土壤持水能力等關鍵問題的解決具有重要意義。

通過對4種模式下2個土層的土壤化學性質改良的研究，結果顯示，農林復合模式相對于對照原始荒地具有改善土壤肥力，增大土壤內氮、磷、鉀含量，提升有機質含量，但各模式的提升效果并不明顯。對不同農林模式下土壤質量進行的綜合質量評價，顯示農林復合模式對于遼西北荒漠化地區(qū)的土壤質量具有改良作用?？傮w上，3種農林復合模式中大扁杏－花生－玉米對土壤的質量改良效果最好、大扁杏－麻黃草、樟子松－花生次之。在層次上說大扁杏－花生－玉米模式和大扁杏－麻黃草模式對0～20cm土層的土壤改良效果好于20～40cm；樟子松－花生模式對20～40cm土層的改良效果好于0～20cm土層土壤。

［1］曹彧.遼西地區(qū)人工油松蒙古櫟混交林和油松純林土壤質量的比較研究［D］.沈陽：沈陽農業(yè)大學，2007

［2］趙斯，趙雨森，王林，等.東北黑土區(qū)農林復合土壤效應［J］.東北林業(yè)大學學報，2010（5）：68－70

［3］Chulsang Yoo，Sangdan Kim.EOF analysis of surface soil moisture field variability［J］.Adv Water Resour，2004（27）：831－842

［4］Odum E P.生態(tài)學基礎［M］.北京：人民教育出版社，1981