林草复合系统是广义农林复合生态系统的模式之一。系统在原有的食物链中加入了新的生产环节, 从而能更充分地利用自然资源, 提高初级产品的转化率和利用率, 有益于改善土壤肥力和生态环境, 促进林牧业的协调发展。近年来, 随着林牧业的相互渗透及生态经济环境综合治理的需要, 林草复合经营日益受到国内外的重视(赵粉侠等, 1996; 安树青等, 2001)。但对林草复合系统土壤的演变规律和土壤养分动态变化情况研究较少。本研究对四川西部低山丘陵区退耕还林后所建人工林草复合模式的土壤进行定位观测和研究, 以期探索退耕还林后林草复合模式土壤养分变化规律, 为今后控制坡地土壤养分流失和林草模式的经营管理提供科学依据。

1 研究区概况

本研究选取国家首批退耕还林(草)工程试验示范县四川省雅安市天全县作为研究基地。研究区地处四川盆地西缘, 二郎山东麓, 102° 16′—102° 53′ E, 29° 49′—30° 21′ N, 属岷江水系青衣江上游。全区属亚热带湿润季风气候, 冬春干燥, 夏秋多雨, 四季分明, 垂直差异显著。平均年降雨量为1 735.6 mm, 年平均蒸发量922.6 mm, 累计年平均降雨236 d; 年平均气温15.1 ℃, 1月平均气温5.1 ℃, 7月平均气温24.1 ℃。本区地貌属龙门山区低山丘陵, 主要分布土壤是紫色土。定位研究区土层厚度约40 cm左右, 坡度26°, 坡向SE25°。2000年退耕后栽植三倍体毛白杨(Populus tomentosa)+黑麦草(Lolium multiflorum), 构建人工林草复合模式。毛白杨平均高度6.1 m, 胸径6.0 cm, 郁闭度0.6, 人工种植黑麦草高0.2 m, 盖度100 %。另外, 在试验地旁, 选择与退耕林地立地条件相近的陡坡耕地作为对照, 四季以种植玉米、萝卜、白菜、油菜为主。

2 研究方法

本研究采用定位研究法; 土壤养分分析采用常规方法测定土壤本底值; 为尽可能接近野外的实际情况, 采集新鲜土壤制备平衡土壤溶液分析速效养分(罗承德, 1993)。2003年4月在林地内布设典型样地, 确定定位研究点。同时, 挖掘土壤剖面, 按0 ~ 20、20 ~ 40 cm分层采集土样, 带回实验室按常规法测定各项理化指标作为土壤本底值。自2003年5月开始定时在定位研究区分层采集新鲜土样, 带回实验室制备平衡土壤溶液并进行养分测定。采样时间生长季节每月1次, 非生长季节每2月1次。常规土壤分析方法参照《中华人民共和国国家标准》、中国科学院南京土壤研究所《土壤理化分析》和《土壤农化分析》, 平衡土壤溶液制备及养分分析方法参考《森林土壤酸化及其化学研究方法》。数据分析使用统计软件SPSS11.5进行。

3 结果与分析 3.1 土壤本底值结果与分析

研究区土壤各项本底值指标如表 1所示。

土壤全N量是衡量土壤N素供应状况的重要指标。水解性N是NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质的总和, 是土壤中有效N的主要形式(范世华等, 2004), 其数值大小反映了土壤近期可被植物利用的有效N状况。从表 1可以看出, 各层土壤全N含量和水解性N含量均是林草模式>农耕地。水解性N作为土壤有效N的指标, 可以用水解性N在全N含量中的百分比作为N素有效率, 即N素有效率=(水解性N/全N含量)×100 %, 计算结果由表 2列出。可以看出, 林草模式各层土壤N素有效率均高于农耕地, 说明林草复合模式不仅能促进土壤N素的积累, 而且可以有效提高土壤N素供应能力。

退耕还林构建林草复合模式改变了局部范围内的小气候, 影响了土壤无机态铵的固定与释放及土壤有机N的矿化过程, 从而使得林草模式与农耕地之间NH₄⁺-N和NO₃^--N的状况有所差异。上下土层间N素组成和含量的差异则是由于水热状况、物质来源、土壤结构和生物活性等差异所造成。从表 1可见, 各层土壤NH₄⁺-N含量是林草模式>农耕地, 而各层土壤NO₃^--N含量则是农耕地>林草模式。林草模式土壤NO₃^--N含量较少而NH₄⁺-N含量较多可能有2方面原因:一方面, 根据范世华等(2004)研究得出杨树为阳性阔叶树种, 对N素的吸收主要以NO₃^--N为主, 使林地土壤硝态氮含量减少; 另一方面则可能是由于NO₃^--N易流失, 在土壤N素中所占比例较小。

从表 1可见, 各层土壤全P和速效P含量农耕地均高于林草模式, 可能是由于林草模式对P素养分的需求量较大。其中林草模式0 ~ 20 cm层土壤全P和速效P含量最少, 是由于林草模式中黑麦草根系较为发达, 且主要占据0 ~ 20 cm层, 对土壤P素吸收量较大。农耕地经常施肥补充养分, 也是P素相对含量较多的原因。

土壤速效K反应土壤K素的现实供应状况, 缓效K虽不能被植物迅速吸收, 但与速效钾保持一定的平衡关系, 对K素的保持和供给起着调节作用。从表 1可见, 林草模式0 ~ 20 cm层土壤速效K含量要低于农耕地, 这可能与林草模式对速效K吸收量较大有关; 林草模式各层土壤缓效K含量均高于农耕地, 所以可以满足K素的持续供给。

从表 1可见, 林草模式表层土壤有机质含量略高于农耕地, 说明退耕还林后由于枯枝落叶层的积累和转化, 有助于土壤有机质的积累, 但由于时间较短, 变化尚不明显; 而农耕地下层土壤有机质含量高于林草模式下层可能是由于农耕地经常翻耕的缘故。2块样地上下土层土壤pH值相差不大, 林草模式上层土壤pH值略低, 可能是由于土壤表层累积较多的枯落物, 分解产生的腐植酸等物质积累所导致。

土壤阳离子代换量与盐基饱和度的大小是反映土壤保肥供肥能力及其缓冲性能强弱的重要指标。本研究中, 林草模式土壤阳离子代换量高于农耕地, 其原因可能与有机质含量有关。因为有机质的增加可以提高土壤阳离子代换量。而林草模式土壤盐基饱和度低于农耕地, 其原因可能与土壤pH值有关。因为在较低的pH值土壤环境中, 盐基离子更容易被淋失。

3.2 土壤各化学性质之间的相关分析

通过土壤各化学性质之间相关性分析, 可以初步推断出各化学性质之间的影响关系。相关分析结果如表 3所示。

土壤有机质的提高可以改善土壤的物理性质, 提高土壤的保肥力和缓冲性。从表 3可看出, 土壤有机质与土壤全N、水解性N、NO₃^--N、速效P、速效K之间呈显著相关, 说明有机质对于提高各种养分的有效率有一定的作用。诸多研究指出, 土壤P素有效性受到土壤pH值的影响, 本文中也得出土壤速效P与土壤全P之间相关性不显著, 而与pH值之间的相关性极显著。从表 3可见, 土壤速效K同土壤全N、NO₃^--N、水解性N、速效P之间呈极显著相关, 其原因可能是由于K易移动, 且易与有机质等物质结合, 因而与其他养分相互作用、相互影响的程度较大(夏汉平等, 1997)。阳离子代换量(CEC)反映了土壤保存速效养分的能力大小, 是土壤供肥蓄肥能力的指标。本文得出阳离子代换量与全N、NO₃^--N、水解性N、速效P、速效K之间均达到极显著或显著相关。而盐基饱和度(BSP)则与土壤NH₄⁺-N及土壤pH之间相关关系显著。

3.3 平衡土壤溶液养分及pH值动态变化分析

土壤溶液中的养分与土壤固相中的养分在不停交换中达到一种动态平衡, 这种动态平衡状态时的养分含量受到诸多因素的影响。其中温度和降水不但能够直接影响速效养分的释放和固定, 而且还会影响土壤微生物的活性和植物体的新陈代谢过程, 影响微生物对有机物质的分解和养分元素的释放, 影响根系对养分元素的吸收, 从而间接影响土壤溶液养分含量的变化。图 1列出了平衡土壤溶液养分、pH值及气温、降水在2003年5月至2004年11月间的动态变化。

1) 平衡土壤溶液N素动态  从图 1可见, 林草模式和农耕地的上下土层NH₄⁺-N含量变化趋势相同, 即2003年和2004年的夏季6、7月含量均较低, 而后逐渐升高, 2003年9月和2004年10月分别达到最大值。土壤NH₄⁺-N含量的变化受气温的影响较大, 气温高则矿化作用增强, NH₄⁺-N含量也相应提高(夏汉平等, 1997)。但在本文中NH₄⁺-N含量的峰值并未出现在气温最高的夏季, 可能是由于植物在春夏季处于生长旺盛阶段, 对NH₄⁺-N的吸收量较大, 而9、10月植物生长速度减缓, 使NH₄⁺-N峰值偏移。土壤NO₃^--N含量的变化则为: 7、8月和10、11月分别达到峰值, 10、11月达到最大值。2003年林草模式最大值出现在10月, 而农耕地最大值出现在11月, 2004年则都出现在10月。这种差异可能与各年的气温降水状况不同有关。农耕地上下土层的NO₃^--N含量平均值分别大于林草模式上下土层, 可能是由于农耕地土壤人为扰动较大, 土壤较为疏松, 有利于N素硝化作用的进行。

2) 平衡土壤溶液PO₄^{3 -}动态  从图 1可见, 2块样地不同土层的PO₄^{3 -}含量动态变化趋势相同, 最大和最小值分别出现在9月和6月。在生长季节由于植被吸收而含量较低。上下土层含量相差不大, 且变化趋势相似。2004年平均含量比2003年略有下降, 但下降趋势不明显。

3) 平衡土壤溶液K⁺动态  从图 1可见, 林草模式各层土壤K⁺含量在整个生长季节内呈先下降后上升趋势, 这与林草植被对K⁺的吸收有密切关系。上层土壤含量的波动较大, 下层较为平稳。2003年7月和9月的峰值可能是由于气温较高K⁺释放较快, 而8月由于降水较多使得K⁺淋失较多。10月之后K⁺含量有所回升, 是由于植物生长减缓, 对K素的吸收量减少。而且土壤表层的枯落物在秋季易分解, 也使得K素释放到土壤中。林草模式K⁺含量动态变化同农耕地比较相对平稳。2003至2004年, 土壤K⁺总体呈下降趋势。2004年各样地土壤K⁺的变化相对平稳, 可能与2004年降水较为均匀有关。农耕地的K⁺含量变化较为复杂, 分别出现几次峰值, 这可能与农耕地的耕作措施有关。

4) 平衡土壤溶液pH值动态  从图 1可见, 2块样地上下土层pH值相差不大, 2年内变化趋势基本相似, 最高值均出现在7月, 而后又逐渐降低, 10月出现最小值后缓慢回升。pH值最小值出现在秋季, 是因为秋季水热条件适宜土壤微生物活动, 分解有机物质产生有机酸类使土壤溶液pH值有所下降。对平衡土壤溶液pH值和月均温、降水量进行相关分析得出, pH值与气温之间具有显著线性相关关系(表 4)。

4 讨论

对四川省雅安市天全县退耕还林林草复合模式的定位研究与分析表明, 人工构建林草复合模式3年后, 土壤养分同未退耕的农耕地相比有明显差异。林草模式土壤全N、水解N、有机质含量同农耕地比较均有所提高, 速效K含量低于农耕地, 而缓效K则均高于农耕地, 具有较强的潜在供K能力。因此退耕还林后, 该地区的土壤养分状况得到有效改善, 该模式值得推广和应用。

土壤溶液中的NH₄⁺-N、NO₃^--N、PO₄^{3 -}和K⁺含量及pH值的动态变化受到植物生长、大气降水和温度等多重因素的共同影响。经相关分析得出, 土壤pH值与气温之间存在线性相关关系, 而土壤溶液养分含量与气温和降水之间并非是简单的线性关系。这可能是由于土壤溶液中养分含量受到的影响因素较多, 而且各因素间相互关系比较复杂。

有效土壤养分含量与植物生长密切相关, 决定了土壤短期内对植物的养分供给状况。通常认为, 土壤溶液中的可溶态养分是最易被植物吸收利用的速效养分, 决定于养分的输入和输出平衡, 土壤溶液养分浓度变化比土壤中有效养分的数量更能反映土壤养分的动态(孙明德等, 2001; 特鲁吉尔, 1985)。但土壤溶液养分受环境因素影响而变动较大, 短时间段内得出的数据并不能反映出太多问题, 只有通过进一步长期监测, 才能从总体变化趋势中寻求其动态变化规律, 为经营管理提供可靠依据。