陕南秦巴山区厚朴群落土壤肥力评价

王钰莹,孙　娇,刘政鸿,乔亚玲, 张枭将,李凤姣,郝文芳,*

1 西北农林科技大学生命科学学院, 杨凌　712100 2 陕西省水土保持生态环境监测中心, 西安　710004



陕南秦巴山区厚朴群落土壤肥力评价

王钰莹1,孙娇1,刘政鸿2,乔亚玲1, 张枭将1,李凤姣1,郝文芳1,*

1 西北农林科技大学生命科学学院, 杨凌712100 2 陕西省水土保持生态环境监测中心, 西安710004

以秦巴山区7个厚朴群落为对象,分析土壤养分含量的变化规律,同时对各群落土壤肥力进行评价,以期为该区土壤肥力的提高和厚朴群落配置模式的筛选提供理论依据和实践指导。结果表明,秦巴山区厚朴群落间土壤养分含量差异显著;除全磷和全钾外,随土层深度的增加,土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量逐渐减小。厚朴群落土壤肥力综合指数从大到小依次为：4a凹叶厚朴(1.054)>2a凹叶厚朴(0.882)>山茱萸-凹叶厚朴混交林(0.673)>7a尖叶厚朴(-0.243)>7a凹叶厚朴(-0.713)>杜仲-凹叶厚朴(-0.812)>11a凹叶厚朴(-0.840)。因此随着林龄的增大,厚朴群落土壤肥力有下降的趋势。结合厚朴群落土壤养分差异分析和厚朴群落土壤肥力评价结果,得出山茱萸-凹叶厚朴混交林的土壤肥力相对较好,为该区植被恢复的最佳营造模式。

秦巴山区;厚朴群落;土壤养分;肥力综合指数

土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征的反映,可为植物生长提供必需的营养物质[1]。不同的植被恢复类型必然影响到土壤结构与养分组成,土壤肥力可以作为度量退化生态系统生态恢复功能的关键指标[2]。影响土壤肥力的土壤因子很多,主要包括养分因素、化学因素和生物因素[3- 5]。其中土壤养分是土壤肥力的重要方面,土壤养分的空间分布特征直接影响着该地区土壤肥力的高低和生态恢复的途径和方向,其含量大小主要取决于土壤矿物质及有机质的数量和组成,包括土壤有机质、氮、磷、钾等指标[6]。土壤肥力综合指数(integrated fertility index,IFI)可以全面反映土壤肥力的状况,其大小表示土壤肥力的等级[7]。学者们把聚类分析、因子分析、主成分分析和模糊数学等方法应用于土壤肥力综合指数的计算[4, 8- 10]。其中主成分分析法(principle component analysis, PCA)是土壤肥力定量评价中应用较广泛的数理统计方法,能够客观的反映土壤肥力状况[11- 16]。

随着退耕还林还草等一系列西部大开发战略的实施,人工林在水土保持及生态环境建设中的作用日益突出。研究证明,随着植被的恢复,地表覆盖度增大,可有效地防止或减轻水蚀和风蚀的形成和程度,减少土壤养分的流失,因此对土壤养分有效的增源节流是人工林改善土壤特性、维持肥力的主要原因[17]。学者对植被恢复后土壤养分及水盐动态研究表明,林龄不同、林分树种组成以及结构配置不同,人工林的土壤肥力差异显著[18- 19]。不同林龄马尾松土壤有机质、总氮、有效磷含量均表现出近熟林<中龄林<成熟林[20]。山地黄壤上土壤肥力研究表明,自然林土壤肥力大于松林土壤肥力,大于西南桦林土壤肥力[21]。湘南红壤丘陵区乔、灌、草等不同植被类型土壤养分差异显著,枫树和梓树提高土壤综合肥力的效果较好[22]。人工林在防止土壤侵蚀和提高土壤肥力方面的研究主要集中在黄土丘陵区[23- 25]、三峡库区[15]和东北过伐林区[26]。目前对于秦巴山区土壤养分的研究较少,尤其对不同厚朴群落土壤肥力评价的研究尚未见报道。本研究拟以秦巴山区2a、4a、7a、11a厚朴纯林和杜仲-凹叶厚朴、山茱萸-凹叶厚朴混交林为研究对象,分析其土壤养分含量变化规律,利用主成分分析法对不同群落土壤肥力综合指标进行评价,筛选出最佳种植模式,为秦巴山区土壤肥力提高和树种选择提供支持。

1　材料和方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西洋县,属于秦巴山区,地理坐标为107°11′—108°33′E,33°02′—33°43′N,最高海拔3071m,最低海拔389m,形成东高南低中平的地势,山地面积占全县总面积的72.2%,成土母质主要为坡积母质,土壤类型为黄棕壤[27]。属北亚热带内陆性季风气候,年平均气温14.5℃;年平均日照1752.2h,日照率39%;年平均降水量839.7mm,最多1376.1mm,最少533.2mm,年平均降雨120d,月平均降雨10d,9、10月份的降雨最多[28]。

1.2研究方法1.2.1样地选择

通过走访和实地调查,在洋县的金水镇选取7个厚朴群落(均未施肥)为研究对象,分别为：凹叶厚朴(Magnoliaofficinalis)纯林(2a,4a,7a,11a)、7a尖叶厚朴、杜仲-凹叶厚朴混交林(Eucommiaulmoides-Magnoliaofficinalis)、山茱萸-凹叶厚朴混交林(Macrocarpiumofficinale-Magnoliaofficinalis)。其中杜仲-凹叶厚朴混交林中4a杜仲与4a凹叶厚朴的株数比为5∶1,山茱萸-凹叶厚朴混交林中13a山茱萸与7a凹叶厚朴的株数比为1∶1。样地面积为50m×50m。样地信息详见表1。

表1　样地概况

1.2.2样品采集与分析

于2013年7—8月采集土样,按S形选取5个样点,取0—60cm深度,每10cm一层,同层混匀,风干、研磨、过筛(1.00mm和0.25mm)备用。土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法(油浴)测定[29];全氮采用半微量凯氏法-流动分析仪测定[29];全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定[29];全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定[29];碱解氮采用碱解扩散法测定[29];有效磷采用0.5mol/L NaHCO3法[29];速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法[29]。

1.2.3数据处理

数据处理采用 SPSS 20.0 和Excel 2003软件。通过单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan 差异显著性检验各群落土壤养分含量差异,并采用主成分分析法对土壤肥力综合指数进行计算。

本研究以土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷及速效钾等作为土壤肥力评价的基本指标。由于这些评价指标量纲的不同,在数值上差异较大,研究前对各指标进行标准化处理。经主成分分析,得到主成分公因子方差、载荷矩阵和贡献率;主成分特征向量等于对应的载荷矩阵值除以该成分特征值的平方根[30]。将主成分特征向量与标准化数据相乘得到各群落主成分因子得分。采用加权法计算土壤肥力综合指数,其表达式为[31]：

IFI=∑Wi×Fi

式中,Wi为各主成分贡献率,Fi为各群落主成分因子得分。

2　结果分析

2.1陕南秦巴山区厚朴群落土壤养分差异分析

厚朴群落土壤有机质含量随土层深度增加而显著减小;在同一土层,厚朴群落间土壤有机质含量差异显著(P<0.05)。在0—60cm土层深度,4a凹叶厚朴、2a凹叶厚朴等低林龄群落土壤有机质含量高于7a凹叶厚朴、11a凹叶厚朴土壤有机质含量,山茱萸-凹叶厚朴混交林的土壤有机质含量也相对较高,杜仲-凹叶厚朴混交林有机质含量最低。

表2　秦巴山区厚朴群落间土壤有机质含量差异分析

同一土层的群落间进行单因素方差分析,小写字母(a、b、c、d)不同代表差异显著(P<0.05)

厚朴群落土壤全氮含量随土层深度增加而减小;同一土层厚朴群落间土壤全氮含量差异显著(P<0.05)。在0—60cm土层,4a凹叶厚朴的全氮含量最高,11a凹叶厚朴和杜仲-厚朴混交林的土壤全氮含量最低。可以看出,与土壤有机质含量变化规律一致,4a凹叶厚朴和2a凹叶厚朴等低林龄厚朴群落土壤全氮含量比7a凹叶厚朴和11a凹叶厚朴全氮含量要高;山茱萸-凹叶厚朴土壤全氮含量大于杜仲-凹叶厚朴全氮含量。

表3　秦巴山区厚朴群落间土壤全氮含量差异分析

随土层深度增加,厚朴群落土壤全磷和全钾含量无明显变化规律;同一土层厚朴群落间土壤全磷和全钾含量差异显著(P<0.05)。在0—60cm土层,7a凹叶厚朴的土壤全磷含量最高(0.94 g/kg),2a凹叶厚朴(0.63 g/kg)的全磷含量最低,杜仲-凹叶厚朴和山茱萸-凹叶厚朴土壤全磷平均含量相对较低。2a凹叶厚朴、4a凹叶厚朴、7a凹叶厚朴、11a凹叶厚朴、7a尖叶厚朴、杜仲-厚朴混交林和山茱萸-厚朴混交林0—60cm土壤全钾含量平均值大小分别为：8.03、8.55、6.88、8.98、7.22、9.24、9.37g/kg。

随土层深度的增加,厚朴群落土壤速效养分含量逐渐降低;同一土层群落间土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量差异显著(P<0.05)。在0—60cm土层深度,2a凹叶厚朴(172.13 mg/kg)土壤碱解氮含量最高,是杜仲-凹叶厚朴碱解氮含量的3倍;杜仲-凹叶厚朴混交林(56.18mg/kg)碱解氮含量最低。山茱萸-凹叶厚朴混交林(21.34mg/kg)的土壤速效磷含量最高,杜仲-凹叶厚朴混交林(4.79mg/kg)速效磷含量最低。4a凹叶厚朴(161.81mg/kg)土壤速效钾含量最高,杜仲-厚朴混交林(65.76mg/kg)土壤速效钾含量最低。由此看出,2a、4a凹叶厚朴和山茱萸-凹叶厚朴混交林的土壤速效养分含量相对较高,7a尖叶厚朴次之,而7a凹叶厚朴和11a凹叶厚朴土壤速效养分相对较低。相对同林龄纯林,山茱萸-凹叶厚朴的土壤速效养分含量有所提高,但杜仲-凹叶厚朴速效养分含量远低于4a凹叶厚朴速效养分含量。

表 4　秦巴山区厚朴群落间土壤全磷和全钾含量差异分析

表5　秦巴山区厚朴群落间土壤速效养分含量差异分析

2.2陕南秦巴山区厚朴群落土壤肥力评价

各指标的公因子方差较大,有机质的公因子方差最大,为0.999,速效磷的公因子方差最小,为0.769。按照特征值>1的原则,抽取了3个主成分,其特征值分别为2.864、2.087、1.325。这3个主成分的累计贡献率达97.546%,即这3个主成分反映出原始数据提供的信息总量的97.546%,根据累计贡献率达85%的原则,故对前3种主成分作进一步分析。主成分的初始因子载荷矩阵是原始指标与各主成分的相关系数。第一主成分的贡献率达40.920%,为最重要的影响因子,与全氮、有机质显著相关,载荷系数较大。第二主成分的贡献率为29.808%,该主成分在碱解氮上的负载较大。第三主成分的贡献率为18.935%,主要受土壤速效磷的支配。

表6　秦巴山区厚朴群落初始因子载荷矩阵及主成分的贡献率

表7　主成分特征向量

经因子分析,各群落的主成分因子得分(Fi)和方差贡献率(Wi)加权得到土壤肥力综合指数函数[30]。厚朴群落土壤肥力综合指数由大到小依次为：4a凹叶厚朴(1.054)>2a凹叶厚朴(0.882)>山茱萸-凹叶厚朴混交林(0.673)>7a尖叶厚朴(-0.243)>7a凹叶厚朴(-0.713)>杜仲-凹叶厚朴(-0.812)>11a凹叶厚朴(-0.840)。可以看出,与土壤养分变化规律一致,4a凹叶厚朴、2a凹叶厚朴等幼林龄群落土壤肥力综合指数大于7a尖叶厚朴、7a凹叶厚朴和11a凹叶厚朴等土壤肥力综合指数;山茱萸-凹叶厚朴混交林土壤肥力综合指数明显高于7a 凹叶厚朴纯林土壤肥力综合指数,但杜仲-凹叶厚朴土壤肥力综合指数低于4a凹叶厚朴纯林土壤肥力综合指数。

表 8　不同群落主成分因子得分及土壤肥力综合指数

3　讨论

不同土层之间土壤性质的差异反映出土壤性质在垂直剖面上的空间变异程度[32]。厚朴群落的土壤养分含量随土层深度的增加而减小,表现出表聚性特征,这主要取决于土壤腐殖质和凋落物的分解及有机物质不断的淀积、迁移、淋溶的过程[26];同时,植物根系不断吸收土壤中的养分,向下迁移的养分变少,所以土壤养分集中在表层,向下逐渐减少[33]。受土壤质地、土壤类型、母质风化程度等条件影响较大[34],厚朴群落土壤全磷和全钾含量具有一定稳定性,随土层加深,其含量变化规律不明显。土壤养分是土壤肥力的综合反映,是评价土壤肥力的重要因子[35]。研究表明,不同植被类型土壤养分含量不同,如对马尾松(Pinusmassoniana)[36]、木麻黄(Casuarinaequisetifolia)[37]、银杏(Ginkgobiloba)[38]等群落土壤养分的研究。受基质质量、凋落物产量、养分年归还量、养分周转率等因素影响,本研究中各厚朴群落土壤养分含量差异显著。

厚朴群落土壤肥力指数和土壤养分关系紧密且变化规律保持一致,即土壤养分高,土壤肥力综合指数大,土壤养分贫瘠,土壤肥力综合指数小。不同林龄群落土壤有机质、速效养分增加量不同,导致土壤肥力大小不同[24, 39- 40]。据笔者调查,4a凹叶厚朴密度大(表1),土壤环境处于半封闭状态,具有较好的光照和水热条件,植物凋落物在微生物作用下分解,土壤有机质大量积累,且有机质被微生物矿化和腐殖质化速度慢[39],土壤氮、磷、钾积累量多,土壤养分较好,土壤肥力综合指数最大。2a凹叶厚朴郁闭度较低,个体间竞争平缓,加上人工抚育措施,土壤微生物活动表现活跃,促进了枯落物的分解,使得土壤有机质、氮、磷、钾等养分含量高,但其凋落物少于4a凹叶厚朴,土壤有机质、全氮、全磷和速效钾等含量稍低于4a凹叶厚朴,土壤肥力仅次之。研究表明,随着林木的生长,郁闭度增大,养分竞争激烈,高林龄落叶松(Larixgmelinii)土壤的肥力较低林龄土壤肥力要低[26]。在本研究中7—11a凹叶厚朴较2—4a凹叶厚朴植被盖度大(表1),林下植被不断减少,枯落物数量明显减少,加之群落本身生长对养分的需求变大,土壤养分利用率升高,造成土壤养分“供”大于“还”,导致土壤肥力有所下降,建议通过保护林地枯枝落叶,适当增施有机肥等途径培肥土壤,提高土壤肥力水平。

研究表明,混交林能够有效的提高土壤肥力,改善土壤养分分布格局[41- 43]。如檀香(Santalumalbum)与降香黄檀(Dalbergiaodorifera)混交后土壤养分含量和土壤细菌数量显著升高,能提高土壤的持水能力,改善土壤的结构,促进有机质的转化以及氮磷的循环[33]。本研究中取得相似结果。山茱萸-凹叶厚朴混交林土壤养分含量较7a凹叶厚朴纯林养分含量显著升高,土壤肥力明显提高。在山茱萸-凹叶厚朴混交林中,山茱萸根系发达,能疏松土壤,加快腐殖质分解,为混交林提供大量有机质,达到保肥蓄水的作用[44];加之山茱萸-凹叶厚朴混交林坡度小,密度为440株/hm2,较7a凹叶厚朴纯林密度(330株/hm2)大,山茱萸和凹叶厚朴形成垂直分布格局,能够充分利用空间、光照和营养,有利于土壤肥力的改善,可作为退耕还林实践中的优选配置模式。但是杜仲-凹叶厚朴混交林土壤肥力一般,这是由于杜仲-凹叶厚朴混交林盖度为45%,林地凋落物少,通过凋落物分解向土壤返还养分不足,供给的功能较低,土壤肥力明显低于4a凹叶厚朴纯林土壤肥力,由此看出土壤肥力大小与植被盖度密切相关。

4　结论

秦巴山区厚朴群落间土壤养分含量差异显著;随土层深度的增加,土壤养分含量逐渐减小,全磷和全钾的变化规律不明显。厚朴群落土壤肥力指数从大到小顺序为：4a凹叶厚朴(1.054)>2a凹叶厚朴(0.882)>山茱萸-凹叶厚朴混交林(0.673)>7a尖叶厚朴(-0.243)>7a凹叶厚朴(-0.713)>杜仲-凹叶厚朴(-0.812)>11a凹叶厚朴(-0.840)。2—4a凹叶厚朴土壤肥力较7—11a凹叶厚朴土壤肥力好,山茱萸-凹叶厚朴混交林的土壤肥力较7a凹叶厚朴纯林土壤肥力好。因此,在秦巴山区厚朴种植区,应对7—11a凹叶厚朴纯林增施肥,以补充生长造成的养分亏缺;可营造较多的山茱萸-凹叶厚朴混交林,发挥更好的培肥保水的作用。目前对于厚朴土壤肥力评价方面的研究尚属空白,还未建立完善的土壤肥力评价指标体系,本文中选取的厚朴群落土壤肥力评价指标能否应用于其它群落,还需进一步实践和验证。

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Soil fertility quality assessment ofMagnoliaofficinaliscommunities in Qinba mountains

WANG Yuying1, SUN Jiao1, LIU Zhenghong2,QIAO Yaling1, ZHANG Xiaojiang1, LI Fengjiao1, HAO Wenfang1,*

1NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2SoilandWaterConservationandEcologicalEnvironmentMonitoringCenterofShaanxiProvince,Xi′an710004,China

Soil fertility is a reflection of the basic properties and essential features of the soil, and fertile soils can provide indispensable nutrients for plant growth. Soil nutrients are one of the most important parameters for the evaluation of soil fertility. Spatial orientation and distribution of soil nutrients directly affect the level of soil fertility and ecological restoration.Magnoliaofficinalisis a traditional medicinal tree species in China, and it is often used as the preferred tree on Qin-Ba Mountain. In order to clarify the distribution of soil nutrients and soil fertility status of differentMagnoliaofficinaliscommunities on Qin-Ba Mountain, five communities were analyzed: 2-year-old, 4-year-old, 7-year-old, and 11-year-oldMagnoliaofficinalisand 7-year-oldMagnoliaofficinalisofficinalis. Two other plant communities were also selected:Eucommiaulmoides-MagnoliaofficinalisandMacrocarpiumofficinale-Magnoliaofficinalis. The soil nutrients of the seven communities were determined using one-way analysis of variance, and the soil integrated fertility index of the seven communities was evaluated using the improved analytic hierarchy process. The results showed that the soil nutrients of the seven communities in the same soil layers were significantly different (P<0.05). In addition, the parameters in different soil layers also differed remarkably. Soil organic matter, total N, available N, available P, and available K in the seven communities decreased with soil depth in the profile distribution; however, total P and total K did not show any specific characteristics. A comprehensive evaluation showed that the soil integrated fertility index of 4-year-oldMagnoliaofficinaliswas the highest (1.054) among the seven communities, while that of 11-year-oldMagnoliaofficinaliswas the lowest (-0.840). With the growth of plantations, soil fertility ofMagnoliaofficinaliscommunities has declined. Soil fertility ofMacrocarpiumofficinale-Magnoliaofficinalis(0.673) was higher than that of 7-year-oldMagnoliaofficinalis, whereas the soil fertility ofEucommiaulmoides-Magnoliaofficinalis(-0.812) was lower than that of 4-year-oldMagnoliaofficinalis. Therefore,Macrocarpiumofficinale-Magnoliaofficinaliscould improve soil fertility on Qin-Ba Mountain.

Qin-Ba Mountain;Magnoliaofficinalis; soil nutrient; integrated fertility index

陕西省农业攻关项目(2013K01-06);中医药行业科研专项(201207002);中医药公共卫生专项(财社[2011]76号)

2015- 02- 02; 网络出版日期:2015- 11- 30

Corresponding author.E-mail: haowenfang@nwsuaf.edu.cn

10.5846/stxb201502020266

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