岩溶区典型根系地下生境的土壤质量分析

2012-02-11符裕红黄宗胜喻理飞

水土保持研究 2012年3期

符裕红，黄宗胜，喻理飞，杨瑞

（1.贵州大学林学院，贵阳 550025；2.贵州师范学院，贵阳 550018）

土壤是植物赖以生存的基础，岩溶地区石漠化较为严重、土层浅薄、土被不连续、成土速度慢［1－2］，生态环境一旦遭到破坏则难以恢复，严重影响了生态平衡、居民生存及经济发展。土壤质量是土壤在生态系统边界范围内维持作物生产，保持环境质量及促进动植物健康的能力［3］。

随着社会的不断发展和人口的迅速增加，一些不合理的开发利用导致人口、资源、环境之间的矛盾和可持续发展面临空前压力［4］，土壤作为一种非再生资源［5］，其质量问题受到各方面人士的广泛关注。针对岩溶地区，由于基岩可溶产生的裂隙［6－8］以及岩石产状倾角的影响［9］，使土壤水分分布出现差异，这在一定程度上造成了土壤理化性状及生物环境的改变，进而影响土壤质量；另外，植物根系由于其极强的穿串能力［10］，同时也生长于地下岩石的裂缝中，说明岩层下存在地下空间；而不同类型的地下空间土壤质量如何则未见报道。

前人对岩溶石漠化区的土壤质量研究也主要集中于地表小生境［1－2，11－14］，基于此，本文以地下根系生长空间为研究对象，针对其土壤理化性状、生物学指标等，对典型生境类型的土壤质量进行评价，了解其土壤条件的差异，为岩溶石漠化地区的土壤质量评价及改良提供相应的依据，促进岩溶地区石漠化的植被恢复、生态修复和治理。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市境内，贵阳市位于贵州省中部的云贵高原东斜坡地带，地处北纬26°11′—27°27′，东经106°07′—107°17′，属于亚热带湿润温和型气候，兼有高原性和季风性气候特点；境内山峦重叠，峡谷深幽，地势起伏较大，海拔506.5～1762 .7 m，相对高差1256 .2m。年平均气温15.3℃，年极端最高温35.1℃，年极端最低温度－7.3℃，年降水量1300 mm，年平均相对湿度为77%，日照时数1354 h，无霜期270d。境内植被类型丰富，碳酸盐岩分布广泛，主要岩石类型为石灰岩和白云岩；土壤类型多样，有黄壤、石灰土、紫色土、沼泽土和水稻土等；黄壤为地带性土壤，一般土层深厚，土壤呈条带状镶嵌分布，组合多样［15］。

根据野外植物根系地下生长空间的剖面调查所划分的18个生境类型；本研究选择了其中3个典型类型进行土壤质量的分析评定。分别为:白云岩水平产状多层空间类型（类型Ⅵ）、白云岩倾斜产状多层空间类型（类型Ⅸ）、白云岩直立产状多层空间类型（类型Ⅺ）；所选择的典型样地均位于贵阳市境内，其中，类型Ⅵ位于安迁，类型Ⅸ和类型Ⅺ均位于蔡家关。各样地及其典型类型的基本特征见表1。

表1 各样地及其典型类型基本特征

1.2 土样采集

土壤采集范围为三个岩石产状不同的样地，各样地均设置三个20m×15m的样方。在各样方内根据所选择的三个典型类型的基本特征，分别在样方内选取6个的同时具备样点处生境相似和大小一致的岩石产状倾角的代表性样点，三个样地共计54个样点。采样时，由于各典型类型存在不同的空间组合，故均选择“表层空间＋下层空间”的组合形式；表层空间土壤采样深度均为0—30cm；下层空间一般由于岩石裂缝关系一般土层较深，故均以除去表层空间土壤的100cm为限，以50cm分层，进行中、下层的分层采样；每层空间范围选择4～6个土样混合为一个土壤样品；共采集土壤样品162个。

1.3 试验设计

评价指标的选定是土壤质量评价的核心，关系到其评价结果的客观性及准确性。根据目标区的环境条件，选择土壤质量的物理学、化学、生物学指标进行土壤质量评定［16］。本研究选择的具体评价指标有:土壤pH值、土壤水分、土壤容重、土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶共18个指标，详见表2。

表2 土壤指标的方差分析结果

土壤pH值采用电位测定法；土壤水分采用烘干法；土壤容重采用环刀法［17］；土壤全氮采用采用蒸馏法测定；碱解氮采用扩散法；全磷、速效磷采用钼锑抗比色法；全钾、速效钾采用火焰光度法；土壤有机质采用重铬酸钾—硫酸—外加热法［17－18］。

蔗糖酶、淀粉酶的测定采用3，5－二硝基水杨酸比色法；脲酶采用苯酚钠—次氯酸钠比色法；蛋白酶采用茚三酮比色法；磷酸酶磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶采用容量法；多酚氧化酶采用碘量滴定法，过氧化物酶采用容量法［19］。

2 结果与分析

2.1 土壤指标的统计分析

根据原始数据，对各土壤指标变量进行独立、正态、齐性检验，得出各指标数据满足方差分析所要求的独立、正态、齐性三条件，可以进行方差分析。以各指标为变量对主体间双因子:植物根系地下生长空间典型类型（白云岩水平产状多层空间类型、白云岩倾斜产状多层空间类型、白云岩直立产状多层空间类型共3个水平）、空间土壤层次（上层、中层、下层共3个水平）进行双因素方差分析，以LSD进行差异检验（表2）。

表2显示，针对各个因变量，类型p＜0.01；层次p＜0.01；类型×层次p＜0.01，这说明类型和层次及其互作对土壤指标均有极显著的影响，其中，各个组的R2＞0.90、调整的R2＞0.90，说明该模型具有较好的解释能力，且模型拟合较好，这表明类型和层次是影响土壤指标值变化的主要因子。LSD检验得出不同的类型和不同的层次间土壤指标值存在极显著差异（p＜0.01）。上述分析表明本研究采样方法正确，数据科学、合理，具有很强的代表性，所选指标符合土壤质量评价指标要求。

2.2 土壤指标标准化

由于不同类型和层次之间的土壤指标值存在差异，因此，在各个土壤质量评价指标中，为减小其量纲差异，避免指标之间绝对值和变化幅度较大，故在进行数据分析之前对所测定的原始数据进行标准化处理。评价指标标准化公式［20］为:

式中:i——样本数；j——指标个数；xij′——标准化后的数据；¯xj——测定数据平均值；sj——第j个指标的标准差。各土壤指标具体数值及标准化值如表3—4所示。

表3 土壤质量评价指标养分数值

表4 土壤质量评价指标中各种酶类的数值

2.3 评价指标主成分分析

经过评价指标的主成分分析，提取了3个主成分y1，y2，y3，这3个变量包括了原始数据信息总量的91.329%。说明这3个主成分能够代表原来的18个指标来反映土壤质量（表5）。

表5 土壤指标成分矩阵、特征值及贡献率

从表5中可看出，第一主成分主要包括土壤水分（x2）、有机质（x4）、全氮（x5）、全磷（x7）、全钾（x9）、速效钾（x10）、淀粉酶（x12）、脲酶（x13）、蛋白酶（x14）、磷酸酶（x15）、过氧化物酶（x18），它们具有较大的荷载，分别为:0.919，0.861，0.963，0.910，0.953，0.901，0.840，0.954，0.885，0.702，0.851。第二主成分主要包括蔗糖酶（x11），其荷载为:0.888。第三主成分主要包括pH值（x1），其荷载为0.710。这说明第一主成分主要反映的是土壤大多数指标的影响，第二主成分主要反映土壤蔗糖酶的影响，而第三主成分主要反映土壤pH值的影响。

2.4 评价指标的综合评价

根据各指标主成分分析结果，各指标主成分得分矩阵如表6所示。

表6 土壤指标成分得分矩阵

根据表6中各主成分指标的得分，可以得到各主成分的函数表达式分别为:

将表3—4中的标准化数据带入上述函数表达式，可以得到各土壤指标3个主成分的得分值。为评价土壤质量，选择土壤肥力的综合指标值（integrated fertility index，IFI）来进行最终的综合评价。经变换，其计算公式［20］为:

式中:ai——第i个主成分的贡献率；yj——第j个主成分得分值。计算各得分值并排序，结果如表7所示。

表7 土壤指标主成分得分及排序

从表7中可以看出，不同类型不同层次的土壤由于其不同指标的影响，其质量存在差异；在第一主成分方面，以类型Ⅸ和类型Ⅺ的表层土占优势；在第二主成分方面，以类型Ⅵ的表层和中层土占优势；而在第三主成分方面，以类型Ⅺ的表层和下层土占优势。

在综合评价得分IFI的排序中，其大小顺序依次为类型Ⅸ表层＞类型Ⅺ表层＞Ⅵ类型表层＞类型Ⅸ中层＞类型Ⅺ中层＞类型Ⅸ下层＞类型Ⅺ下层＞类型Ⅵ中层＞类型Ⅵ下层。以上结果说明三种不同类型，类型Ⅵ（白云岩水平产状多层空间类型）、类型Ⅸ（白云岩倾斜产状多层空间类型）、类型Ⅺ（白云岩直立产状多层空间类型）的土壤质量存在差异。

表层土、中层土和下层土的大小顺序为类型Ⅸ＞类型Ⅺ＞类型Ⅵ。各类型下的土壤，层次分化性较为明显，其综合评分均表现为表层＞中层＞下层。

出现以上结果，主要是在岩溶石漠化区特殊的地质背景条件下，由岩石产状类型及土壤分布特点决定的；在岩石产状倾角为水平状态时，土壤分布主要集中于水平面，土层浅薄，植物根系大多为水平延伸，土壤养分容易被植物吸收利用；而在岩石产状倾角为直立状态时，土壤分布由于岩层的裂隙，主要填充于呈直立状态的岩石裂隙中，植物根系大多为垂直延伸，养分容易随水分的下渗而流失；当岩石产状倾角为倾斜状态时则居于二者之间，故土壤养分及质量相对较高。因此，由于根系生境分布的多层性特征，土壤质量也呈现出了层次分异，这些研究结果对揭示岩溶石漠化地区植物根系地下生境土壤质量提供依据，同时对石漠化区的植被恢复和治理均具有积极的促进和推动作用。

3 结论

（1）在研究对象上，本文选择的是典型根系地下生境类型的土壤，在前人的研究中，主要研究对象仅为地表生境的土壤［1－2，11－14］，这对揭示特殊地质条件下的根系地下生境具有非常重要的作用和意义。

（2）根据土壤采样，进行了各土壤指标的统计分析，证明所采土壤样品具有代表性，经方差分析得出:类型和层次是影响土壤指标值变化的主要因素，不同根系地下生境类型的不同层次土壤指标数值存在极显著差异。经过一系列的统计分析，保证了各样地典型类型样点上各采样点土壤样品质量的一致性和代表性，确保了各个典型类型间土壤质量分析比较的科学性、合理性及准确性；同时为后续的土壤质量评价提供了相应的依据和基础。

（3）经过主成分分析并结合土壤肥力综合指数的计算，对土壤质量进行评价得出:土壤化学指标在评价土壤质量时具有非常显著的地位及意义，土壤生物学指标及物理指标也起到了较大的作用；不同类型的土壤质量存在差异，且具有明显的层次性，土壤质量表现为白云岩倾斜产状多层空间类型＞白云岩直立产状多层空间类型＞白云岩水平产状多层空间类型，在各类型的空间层次上，土壤质量层次性明显，均随土壤深度的增加表现为下降趋势。这体现了同种岩石类型不同产状的相同空间类型的土壤质量差异；说明岩石的产状倾角对土壤质量的差异存在重要影响；曾有研究［9］指出，在喀斯特地区，岩石的产状倾角影响了土壤水分的分布；说明岩石产状倾角在一定程度上会造成土壤生态条件的改变，土壤水分及养分的变化，势必影响土壤质量的差异。因此，针对喀斯特地区不同岩石产状类型样地的典型样点进行土壤质量分析，有利于正确评价石漠化区植被的生境条件，充分认识岩溶石漠化区立地条件，促进植被恢复技术研究和石漠化治理。

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