不同混交比例马尾松和红锥人工混交林水土流失特征和土壤理化性质

李 鹏，杨章旗，颜培栋，吴东山

（广西壮族自治区林业科学研究院 a.国家林草局马尾松工程技术研究中心；b.广西马尾松工程技术研究中心；c.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002）

水土流失作为我国南方丘陵地区主要的环境问题之一，造成植被多样性减少、石漠化加剧等问题，严重制约了我国经济社会的可持续发展，如何控制和减缓水土流失已成为全球范围内的亟待解决热点问题之一[1,2]。红水河小流域是我国农业退耕还林还草水土保持的综合治理区域，森林植被措施被广泛应用于该区域的水土流失综合防治，其中，2009—2020年新营造了100 hm2的水土保持林，主要为马尾松人工林、马尾松和红锥混交林，防治效果显著，有效提高了林地面积，最大的限度提高涵养水源的能力，使水土流失得到进一步控制，生态系统逐步向良性循环发展[3]。但不同林分类型下，如：不同比例马尾松混交林及其与马尾松纯林之间，林下水土流失特性，林地的保水、保土和保肥综合能力的强弱尚不明晰。因此，有必要进行不同密度类型下水土流失、水源涵养和土壤养分特征的研究。

马尾松Pinus massoniana是我国南方亚热带地区先锋造林树种，具有速生、丰产、适生性强、用途广等优点，但同时许多研究表明，长期纯林种植易造成土壤退化、引发水土流失、造成土壤水源涵养能力下降等问题[4]，林分改造也成为单一纯林发展的重要途径，林木混交也被作为改善人工林土壤生态环境的有效途径之一[5]。同时，红锥Castanopsis hystrix作为我国珍贵材树种之一，具有极高的经济价值和应用价值，是一种分布在热带、亚热带地区低海拔树种，也是亚热带季风常绿阔叶林中的优势树种[6]。该树种凭借其材质优良、生长速度较快、效益高等优良特性，在我国广西、广东、福建南部等地区被广泛种植，并有着良好的发展前景[7]。开发和研究马尾松与红锥的混交模式对于提高人工林纯林的生态效益和经济效益具有重要意义。研究表明，马尾松和红椎混交林较单一纯林经营，能够显著提高林地养分，促进凋落物分解，改善林地生态环境[8-9]。目前，关于马尾松、红椎混交林水土流失、水源涵养功能和土壤理化性质方面已有不少研究，孙艳等[10]通过对红水河流域地区马尾松和红椎混交林水土流失特征研究，表明混交比例为9∶1 的马尾松红椎混交林，产流量和产沙量排序均随着种植时间的增加越来越小。罗金旺[11]以马尾松与山杜英、枫香、拟赤杨和光皮桦等阔叶树混交为研究对象，表明土壤持水量大小顺序为：马尾松纯林＞混交林＞阔叶树纯林；枯落物层持水量的大小顺序为：阔叶树纯林＞混交林＞马尾松纯林；土壤综合持水能力大小顺序为：混交林＞阔叶树纯林＞马尾松纯林。这些研究大多集中于单独或特定角度下林分水土流失和养分流失、水源涵养或土壤养分方面进行研究，而未将植物-枯落物-土壤作为整体考虑，对森林生态系统的地表径流，枯落物和土壤持水特性，以及土壤的养分含量相结合进行研究。此外，在水土流失研究中，许多学者将地表径流产生的养分流失作为研究的中心[12-13]，从而间接评价林地土壤肥力质量的大小，而未对土壤现有养分含量进行直接描述。因此，在森林的生产的过程中，有必要将水土流失特性、水源涵养能力和土壤现有养分含量相结合，进而综合评估林分的保水、保土和保肥的综合能力。

本研究以南方红壤丘陵区红水河小流域不同比例马尾松和红锥混交林为研究对象，从水土流失、水源涵养和土壤养分的角度，运用因子分析和隶属度分析综合评估不同混交密度类型下生态系统的综合功能，以期为林分的升级改造、生态稳定性和人工林的可持续经营提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区河池市大化瑶族自治县红水河小流域（107°30′22″～108°03′34″E，23°35′14″～24°22′15″N），是我国农业退耕还林还草水土保持的综合治理区域。属南亚热带季风湿润气候区，日照充足，气候温暖，雨量充沛，年降水量1 416.2 mm，年均气温21.1℃，极端最低气温零下3.0℃，极端最高气温39.7℃，年均日照时数1 825.3 h。属喀斯特地貌类型，峰丛密布，东北部和西南部为峰丛洼地，东南部多为峰丛谷地，中西部为低山丘陵。土壤类型为石灰岩山地的黄色石灰土和石灰岩黄红壤等，林区水土流失以水力侵蚀为主，水土流失面积401.4 hm2，占总面积的41%，年平均土壤侵蚀模数为3 150 t/(km2·a)，年土壤侵蚀总量为1.26 万t，主要原因是毁林开荒，顺坡种植和乱砍滥伐林木，植被不断遭受破坏。红水河小流域水土流失经过长期治理，形成了以马尾松和红锥混交林为主的初步治理区域。

1.2 试验设计

根据红水河小流域马尾松红锥混交林初步治理区域的自然条件，选择坡度、坡向、海拔、土壤等立地因子和植被状况基本一致的不同比例10年生马尾松红锥混交林试验样地，分别为：马尾松红锥混交比例4∶1（M4H1）、6∶1（M6H1）、9∶1（M9H1）和马尾松纯林对照（10∶0，M10），4种混交类型。每种混交类型分上、中和下坡建立3块20 m×20 m 的标准径流小区，共12 个标准径流小区，小区边界用水泥砌筑30 cm 的围墙，上方及两侧设截水沟及排水沟，下方设集水槽，承接小区产流、产沙。集水槽下设集流池，池内设置1 m 的固定水位尺。样地基本概况见表1。

表1 不同比例马尾松和红锥混交林样地基本概况Table 1 Basic overview of the mixed forests of Pinus massoniana and Castanopsis hystrix with different mixing ratios

采用株间混交的方式，于2008年按照不同混交比例造林，株行距1.5 m×2.0 m，定植密度3 333 株/hm2，明坎，坎位直径和深为：30 cm×35 cm，每穴施基肥复合肥150 g（N∶P∶K=15∶15∶15）。定植后前两年5—6月和10—11月份各砍草抚育1 次，并于2013年生进行1 次间伐。

1.3 样品的采集与指标的测定

1.3.1 水土流失特征指标的测定

1）降水量。于2018 和2019年，利用雨量计，持续记录2年间每次降水所产生的降水量和降水时间。

2）径流量。采用体积计量法，根据水尺卡的水位数采用体积法计算各次降水的产流量（mm）和年径流量（mm）。

3）侵蚀泥沙量。侵蚀泥沙量采用混合取样法，即将径流槽的水搅匀取泥沙浓度样品，并称取鲜重后放入105℃烘箱，烘干至恒质量，测定径流泥沙百分比，根据产流量和泥沙占比计算各次降水泥沙量（kg/km2）和年侵蚀泥沙量（kg/(km2·a)）。

1.3.2 枯落物样品的采集与测定

分别于2018年12月和2019年12月，在每块准样地内按“S”字形均匀地布设5 个0.5 m×0.5 m 的小样方，并测定枯落物层厚度，采用直接收获法将样方内枯落物进行混合，每个样地混合为1 袋，在实验室内称量作为烘干前的鲜质量（计算自然含水量），再将其置于烘箱中80℃下烘至恒质量后称重，并计算枯落物总的蓄积量（即单位面积的干物质量，计算方法：烘干后的干物质量除以样方总面积）。采用室内浸泡法对枯落物进行持水量的测定，以浸水24 h 为最大持水量，最大持水量与自然含水量的差值为有效持水量。

1.3.3 土壤样品的采集与测定

1）土壤样品的采集。采用剖面法，在枯落物采集完成后的样方内开挖土壤剖面，使用环刀（容积为100 cm3）采集（0～20 cm）环刀土，用于土壤物理性质和持水量的测定；并采集相应的剖面土进行混合，混合后采用四分法取其中一份，装入针封袋中，实验室内放入专用的土样风干盘中，摊成2～3 cm 的薄层，室温下自然风干，避免阳光直射或暴晒。土样半干时，为避免完全风干后难以磨碎，用手将大块的土粒捏碎。土壤样品完全风干后，磨碎，过2 mm 筛，装入自封袋，用于土壤化学性质的测定。

2）土壤样品的测定。土壤含水量、容重、孔隙度和持水量采用环刀法进行测定；土壤pH 采用水土比2.5∶1 的酸度计法；有机质（SOM）采用高铬酸钾高温外加热法，紫外-可见分光光度计测定；全氮（TN）采用凯氏定氮法；全磷（TP）和全钾（TK）采用氢氧化钠熔融法，全磷用全自动间断化学分析仪测定，全钾用火焰光度计测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散法；有效P（AP）采用Mehlich-3 浸提法，全自动间断化学分析仪测定；速效K（AK）采用Mehlich-3 浸提法，火焰光度计测定。

1.4 数据分析与处理

1.4.1 因子分析

因子分析是采用降维的思想，将错综复杂关系的变量综合为少数几个因子，以减少因变量之间的相关性带来的综合评价结果的冗余，以多个综合因子代替原始变量，并根据各成分的荷载值构建因子荷载矩阵，并根据回归（R）估计的方法求出公因子的因子得分矩阵。

1.4.2 权重的确定

式（1）中，Wi表示第i个主成分的权重，Ei表示第i个主成分的解释方差贡献率，表示累积方差贡献率。

1.4.3 隶属度函数

为了对数据进行标准化（归一化），本研究运用隶属度函数法，其中隶属度公式为：

式（2）中，Ni表示第i个主成分的归一化数值，Fi表示第i个主成分的因子得分，Fmin表示第i个主成分的因子得分的最小值，Fmax表示第i个主成分的因子得分的最大值。

1.4.4 综合评价值

式（3）中，CEV 表示不同比例混交林样地的综合评价值，其值的大小表明林地保水、保土和保肥能力的强弱。

1.4.5 数据的处理

采用Excel 2016、SPSS 20.0 和Origin 2018 软件进行数据的运算和图表的绘制。对不同比例混交林各指标进行方差分析（ANOVA），采用LSD差异显著性检验（n=3）比较差异显著性，利用Pearson 相关性分析土壤养分含量与持水性和水土流失特征的相关性，利用因子分析和隶属度函数分析综合评价不同比例混交林林地保水、保土和保肥能力。

2 结果与分析

2.1 不同比例马尾松和红锥混交林水土流失特征

红水河小流域降水丰富，在全年均有分布（图1），尤其是2018 和2019年6—10月降水次数最多，均为9 次，最大降水量分别为116 和70 mm，月平均降水量分别为73.66 和59.08 mm。而不同处理间的产流次数与降水次数之间无显著差异，这表明红水河小流域降水量较为丰富，降水能够显著影响地表产流，导致土壤泥沙的流失，荒漠化不断加剧，尤其是更应该注意6—10月份时间阶段水土流失的防治工作。

图1 不同比例马尾松和红锥混交林样地降水状况和月产流次数Fig.1 Precipitation status and monthly runoff frequency of the mixed forest of Pinus massoniana and Castanopsis hystrix in different proportions

图2 不同混交比例林地径流量和径流泥沙量Fig.2 Forest runoff yield and runoff sediment yield of forests with different mixing ratios

不同比例马尾松和红锥混交林年产流量和径流泥沙量均具有显著差异（P＜0.05，图2），尤其是M10 林分的年产流量显著高于M6H1 和M9H1，M4H1 林分年的产沙量显著高于M6H1 和M9H1，径流量和径流泥沙量随混交比例的增加呈“V”形变化，均在M9H1 时最低，且M4H1 与M10 之间、M6H1 与M9H1 之间均无显著差异。2018年 和2019年林地年平均径流量分别为4.13 和6.81 mm，年平均径流泥沙量为10.28 和14.39 t/km2，其中，M10 林分年径流量最大，分别为5.21 和7.65 mm，其次是M4H1，分别为4.29 和6.80 mm；M4H1 林分年径流泥沙量最大，分别为12.32 和16.16 t/km2，其次是M10，分别为11.97 和15.97 t/km2，均显著高于M6H1 和M9H1，M9H1 林分的年径流泥沙量最小分别为7.18 和12.17 t/km2。不同混交比例每次径流量和径流泥沙量主要集中于6—10月之间，其中，M10 林分的径流量普遍较大，而径流泥沙量却并非最大，这表明林地径流泥沙量的大小不仅与径流量有关，还与林地枯落物层和土壤层的保水保土能力有关。M6H1 和M9H1 比例类型下径流量和径流泥沙量显著低于M10 林分，这表明M6H1 和M9H1 两种混交比例马尾松和红锥混交林较马尾松纯林具有更好的保水保土能力。

2.2 不同比例马尾松和红锥混交林枯落物层和土壤层持水特性

除土壤稳渗时间外，不同比例马尾松和红锥混交林枯落物蓄积量、持水特性和土壤持水特性、渗透率指标均具有显著差异（P＜0.05，图3），且各指标的变化规律并不一致。2018年和2019年林地年平均枯落物蓄积量分别为1.34 和1.42 t/km2，年平均最大持水量分别为2.39 和2.60 t/km2，年平均有效持水量分别为1.45 和1.53 t/km2，其蓄积量和持水性指标均随混交比例的增加呈倒“N”形变化，均在M10 时最低，显著低于M4H1和M9H1，且两者之间无显著差异。2018年和2019年林地土壤容重随混交比例的增加呈“V”形变化，均在M9H1 时最低，显著低于M4H1 和M10，而M9H1 和M6H1 之间及M4H1 和M10之间土壤容重无显著差异；土壤最大持水量和有效持水量的变化并不一致，其中，最大持水量在M6H1 最大，显著高于其他林地，而有效持水量、土壤初渗速率和稳渗速率具有相似的变化规律，均呈倒“V”形变化，均在M9H1 最大，显著高于M10 密度类型，而不同混交比例土壤稳渗时间无显著差异，这表明降水在渗入土壤过程中，土壤对水的渗透性能并不一致，其中M9H1 具有更好的透水性能，雨水能够充分渗入土壤，有效降低地表径流和水土流失。

图3 不同混交比例林地枯落物层和土壤层持水特性Fig.3 The water-holding characteristics of the litter layer and soil layer of forests with different mixing ratios

2.3 不同比例马尾松和红锥混交林土壤养分分布

不同比例马尾松和红锥混交林土壤pH 值、有机质、阳离子交换量、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾的含量均存在显著差异（P＜0.05，图4），且各指标增大或减小的变化规律并不一致。2018年和2019年林地土壤pH 值、有机碳和阳离子交换量的含量具有相似的变化规律，随混交比例的增加均呈先增加后减小的趋势，M6H1 密度类型最大，显著高于M10 密度类型，而M6H1 和M9H1密度类型之间无显著差异。全氮和全磷的含量随混交比例的增加呈先增大后减少的趋势，M9H1 密度类型最大，M10 最小显著低于其他密度类型。全钾的含量在M4H1 中最大，显著高于M10 密度类型，而碱解氮、有效磷和速效钾的含量则在M4H1 中最小，显著低于M6H1 和M10 密度类型。

图4 不同混交比例林地土壤养分的含量Fig.4 The water-holding characteristics of the litter layer and soil layer of forests with different mixing ratios

2.4 相关性分析

不同比例马尾松和红锥混交林土壤养分含量与林地持水特性之间，以及水土流失特征之间均呈现较好的相关性水平，且径流量、径流泥沙量与土壤养分含量、持水特性均呈显著负相关关系（表2）。其中，凋落物蓄积量与土壤pH、SOM、CEC、TN均呈显著正相关关系，与土壤AN、AK 和径流量、径流泥沙量均呈显著负相关关系；凋落物层最大持水量与土壤pH 值、CEC、TN、TK 均呈显著正相关关系，与土壤AP 呈显著负相关关系；凋落物层有效持水量与土壤SOM、TN、TK 均呈显著正相关关系，与土壤AN、AP 均呈显著负相关关系；土壤容重与pH 值、SOM、CEC、TN、TP、AN、AK 和径流量、径流泥沙量均呈显著负相关关系；土壤最大持水量与pH 值、CEC 均呈显著正相关关系，与土壤TK、AP 和径流量、径流泥沙量均呈显著负相关关系；土壤有效持水量与pH 值、CEC、TN 均呈显著正相关关系，与AP 呈显著负相关关系；土壤初渗速率与pH 值、SOM、CEC、TN、TP、TK 和AK 均呈显著正相关关系，与径流量、径流泥沙量均呈显著负相关关系；土壤稳渗速率与pH 值、SOM、CEC、TN、TP、AN 和AK 均呈显著正相关关系，与径流量、径流泥沙量均呈显著负相关关系；土壤稳渗时间仅与AN 显著负相关关系。此外，径流量和径流泥沙量与土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK 均呈显著负相关关系，这表明随着地表径流的增加、土壤颗粒的流失，土壤养分随径流大量流失，易造成土壤养分的流失以及水体富营养化的过程。

表2 土壤养分含量与持水性和水土流失特征的相关性系数†Table 2 Correlation coefficients of soil nutrient content,water holding capacity and soil erosion characteristics

2.5 因子分析和隶属度函数分析

为避免指标间的相关性造成的信息重叠，客观反映不同混交比例下马尾松和红锥混交林林地保水、保土和土壤养分的供应能力，本研究将2个水土流失指标（RY 和RSY）、3 个枯落物层持水性指标（TLA、LM-WHC 和LE-WHC）、6 个土壤持水性指标（SBD、SM-WHC、SE-WHC、SIIR、SIR 和ST）和9 个土壤养分指标（pH 值、SOM、CEC、TN、TP、TK、AN、AP、AK），共20 个指标进行因子分析。根据KMO 和球形Bartlett 检验结果显示，球形Bartlett 检验显著性水平小于0.05 且KMO 值为0.643 大于0.7，适合因子分析。选择特征值大于1 的成分共4 个，总累积解释方差贡献率为96.19%（表3）。其中，第1 主成分（PC1）解释方差贡献率为41.14%，包括RY、RSY、SBD、SIIR、SIR、SOM、TN、TP 和AK 共9 个指标，反映水分的径流-入渗-养分信息；第2 主成分（PC2）解释方差贡献率为28.81%，包括TLA、LM-WHC、SM-WHC、SE-WHC、pH和CEC，反映凋落物-土壤的持水性能信息；第3 主成分（PC3）解释方差贡献率为15.37%，包括LE-WHC 指标，反映凋落物有效持水性能；第4 主成分（PC4）解释方差贡献率为10.86%，包括ST 指标，反映水分渗透时间信息。因此，水分的径流-入渗-养分、凋落物-土壤的持水性能、凋落物有效持水性能和水分渗透时间可作为马尾松和红锥混交林保水、保土和保肥能力评价的鉴定指标。

根据因子分析运算结果，得到各主成分的因子得分矩阵，并对其进行隶属度函数分析，得到标准化后的因子得分矩阵，并根据各主成分的解释方差贡献率与累积解释方差贡献率的商值求得各成分的权重，进而根据加权归一化公式求得不同比例马尾松和红锥混交林林地综合得分（表4）。其中，2018年和2019年不同比例马尾松和红锥混交林综合评价值均表现为M9H1 密度类型最大，分别为：0.81 和0.80，其次是M6H1，分别为：0.76 和0.68，M10 的综合评价值最低，分别为0.05和0.07，均显著低于其他密度类型。这表明混交林较纯林对林地具有更好的保水、保土和保肥效果，其中M9H1 密度类型下综合效果最佳，其次是M6H1 密度类型。

表3 不同混交比例下各指标的成分荷载矩阵和方差贡献率Table 3 Component load matrix and variance contribution rate of each index under different mixing ratios

表4 不同混交比例下各处理因子得分矩阵和综合评价值Table 4 Score matrix and comprehensive evaluation value of each treatment factor under different mixing ratios

3 结论与讨论

3.1 混交比例对林地水土流失特征的影响

水土流失特征作为反映林地保水和保土能力的强弱，林地径流量和径流泥沙量的大小直接反映了林分所具有阻挡雨水对地表冲刷能力的强弱[14]。本研究中，不同比例马尾松和红锥混交林年产流量和径流泥沙量均具有显著差异（P＜0.05），尤其是M9H1 混交密度下径流量和径流泥沙量均最低，表明马尾松和红锥的混交比例为9∶1 时，林地具有更好的保水和保土的能力，其原因可能由于马尾松数量的增多，林地生物量和凋落物的增加，有效增加降水的截六、水分入渗和减少地表径流及其对土壤的冲刷能力，从而使林分具有更好的保水和保土能力[15-16]。径流量和径流泥沙量随混交比例的增加呈“V”形变化，其中：M10林分的年产流量中显著高于M6H1 和M9H1，M4H1 林分年的产沙量显著高于M6H1 和M9H1，且M4H1 与M10 之间、M6H1 与M9H1 之间均无显著差异。这表明混交林较纯林具有更好的保水保土的能力，且随着混交林中马尾松数量的增加其效果逐渐显著，可能是由于混交林下凋落物组分的多样性及其凋落物的分解，能够对改善土壤质地、提高涵养水源的能力并对水土流失起到一定的阻挡作用[17]。罗兴录等[18]通过比较桉树林、龙眼树、混交林3 种植被下水流失量、土壤流失量及土壤养分流失量，表明混交林较桉树和龙眼树纯林具有更好地保持水土的作用，这与本研究结果相似。此外，6—10月作为红水河小流域降雨旺季，其径流量和径流泥沙量显著高于其他月份，尤其应该做好雨季的水土流失防护工作。

3.2 混交比例对林地枯落物层和土壤层持水特征的影响

不同比例马尾松和红锥混交林枯落物层蓄积量、最大持水量和有效持水量指标均具有显著差异（P＜0.05），均在M10 时最低，显著低于M4H1 和M9H1，且两者之间无显著差异。这表明混交林枯落物层较纯林林下枯落物层的拦蓄能力更具优势，而马尾松纯林中仅存在马尾松针叶和灌草植被其枯落物层拦蓄能力较弱。研究表明，混交密度和枯落物蓄积量与枯落物拦蓄能力呈显著正相关关系，且能够作为林分水源涵养能力的直接体现[19]。土壤容重和持水特性是决定土壤涵养水源能力的重要指标，两者直接影响土壤蓄水和通气性能[20]。本研究中，M9H1 密度类型下土壤容重最低，显著低于M4H1 和M10；M6H1 密度类型下土壤最大持水量最大，显著高于其他林地；M9H1 密度类型下土壤有效持水量最大，显著高于M4H1 和M10，表明M9H1 密度较其他密度类型和纯林机油更好的水源涵养的能力。这可能是由于混交林较纯林具有更加复杂的枯落物类型，从而促进枯落物分解改善土壤环境，使土壤毛管孔隙度增大，土壤有效涵养水源能力增加[21]。此外，土壤水分的入渗规律的掌握是探讨地表径流的基础条件，适宜的换教龄能够更好改善土壤的入渗性能，最大限度地减少地表径流和水土流失[22]。本研究中，除土壤稳渗时间外，土壤初渗速率和稳渗速率均随混交密度的增加呈先增后减的趋势，均在M9H1 时最大，M10 最小，可见混交林对增加土壤入渗和减缓地表径流具有显著效果，尤其是在M9H1 密度类型下。而不同混交比例土壤稳渗时间无显著差异，这表明降水在渗入土壤过程中，土壤对水的渗透性能并不一致，其中M9H1具有更好的透水性能，雨水能够充分渗入土壤，有效降低地表径流和水土流失。

3.3 混交比例对林地土壤养分含量的影响

土壤pH 值作为反映土壤环境的重要指标，每种植物的生长存在与之相适宜的pH 范围[23]，红水河小流域土壤pH 值的变化范围为4.22～4.70之间，土壤类型主要属于偏酸性土壤，这种酸性环境是林木长期环境适应性的结果。土壤有机质作为土壤非营养元素，但为土壤养分养分元素的释放和分解提供了重要的物质来源和动力，直接影响土壤环境中微生物及其一系列物理和化学活动的关键因子，是林木生长的重要养分来源[24]。本研究中，有机质随混交比例的增加均呈先增加后减小的趋势，其中M6H1 密度类型最大，其次是M9H1 密度类型，显著高于M4H1 和M10，表明M6H1 和M9H1 密度类型较马尾松纯林能够促进土壤有机质的积累，这可能归因于M6H1 和M9H1 密度类型是马尾松和红锥最佳的枯落物搭配类型，有助于促进枯落物的分解，碳输入量的增加则导致长期养分的积累。众所周知，土壤有机质的大量积累，有助于改善土壤环境，从而改善土壤肥力的不同方面[25-26]。土壤N、P 和K 是植物各器官生长和发育的重要三大基本元素，其含量的大小直接反映土壤肥力的强弱[27]。根据这一概念，我们的研究结果表明，全氮和全磷的含量均随混交比例的增加呈先增大后减少的趋势，M9H1 密度类型最大，M10 最小显著低于其他密度类型。全钾的含量在M4H1 中最大，显著高于M10 密度类型，而碱解氮、有效磷和速效钾的含量则在M4H1 中最小，显著低于M6H1 和M10 密度类型。这表明不同密度类型下，其土壤养分的丰缺状况并不一致，土壤肥力质量指标在不同密度中的波动显著，在进行土壤肥力质量评判的过程中应该采用综合评价的方式，以期更加准确、客观评价土壤肥力质量的大小。此外，土壤阳离子交换量作为反映土壤中微量元素，如Ga、Mg、Fe、Mn、Cu 和Zn 等速效元素的流动能力，其大小直接反映植物吸收养分元素的难易程度[28]。本研究中，阳离子交换量随混交比例的增加均呈先增加后减小的趋势，M6H1 密度类型最大，显著高于M10，而M4H1 和M9H1 分别与其他密度类型无显著差异，这表明M6H1 密度类型较马尾松纯林具有更加高效的阳离子交换速率，这种阳离子交换量的指标应该被引入土壤肥力质量的评价体系中，以期更加科学评判样地土壤肥力质量的大小。

3.4 混交比例对林地水土流失和土壤养分综合评价

植物-枯落物-土壤作为森林生态系统水源涵养能力的综合系统[29]，植物通过自身冠层和树干对降雨产生初次接触并进行截留，而土壤表层枯落物对降雨产生拦蓄作用，一方面避免降雨直接击打土壤，另一方面减缓径流和水土流失，起到涵养水源的作用，而土壤作为林木生长的基质，其依靠毛管孔隙和非毛管孔隙储存水肥和养分供给植物生长，三者之间相互作用、相互关联共同承担森林生态系统的水土保持效益。本研究中不同比例马尾松和红锥混交林土壤养分含量与林地持水特性之间，以及水土流失特征之间均呈现较好的相关性水平，且径流量、径流泥沙量与土壤养分含量、持水特性均呈显著负相关关系。这表明林地径流量和径流泥沙量与枯落物和土壤层的持水特性，以及土壤养分含量均呈现负相关关系，对于林地减缓径流和减少径流泥沙的产生，有助于林地水土保持工作的恢复，这对于南方石漠化地区水土保持工作的开展具有一定的指导意义，Neris 等[30]也有类似的研究结果。李小倩等[31]通过对鲁中南石灰岩山地针阔混交林土壤理化性状及水文效应的综合研究，选择出适宜鲁中南石灰岩山地的针阔混交林模式，优先选择侧柏刺槐混交林和侧柏苦楝混交林，其次侧柏五角枫混交林和侧柏臭椿混交林，而应该避免侧柏纯林。而本研究中，通过对红水河小流域马尾松和红锥混交林的水土流失特征、水源涵养能力和土壤养分三个方面进行研究，基于因子分析和隶属度函数分析得到：2018年和2019年连续两年，马尾松和红锥混交林综合评价值均表现为M9H1 密度类型最大，分别为0.81 和0.80，其次是M6H1，分别为0.76 和0.68，M10 的综合评价值最低，分别为0.05 和0.07，均显著低于其他密度类型。这表明混交林较纯林对林地具有更好的保水、保土和保肥效果，其中M9H1 密度类型下综合效果最佳，其次是M6H1 密度类型。此外，本研究仅对不同混交比例马尾松和红锥人工林的水土流失特征和土壤理化性质研究，而未涉及林分水循环和水平衡特征、养分流失等方面的研究，在接下来的研究中重点是应该将森林作为一个完整的生态系统，从水循环和水平衡特征、养分流失进行结合探讨，并与森林生态系统的功能稳定性进行衔接，以期更加深入了解混交林的生态服务功能及其对混交密度的响应，同时本研究拟为马尾松纯林的改造和提升提供一定的参考意见。