干热河谷石漠化区不同土地利用类型的土壤质量评价

2018-08-04杨丹丽喻阳华钟欣平秦仕忆

西南农业学报 2018年6期

杨丹丽，喻阳华，钟欣平，秦仕忆

(1. 贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550025；2.贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001)

【研究意义】土壤质量是维持生物生产力、环境质量以及促进生命健康的能力，其质量状况是保证植物生长的重要前提[1-2]。随着人地矛盾及环境污染问题的加剧，土壤质量的研究已受到国内外学者的广泛关注[3-5]。【前人研究进展】土壤作为一个复杂的功能实体，其质量不能直接测定，但可以通过土壤质量指标来推测[6]。胡举伟等[7-9]把土壤微生物、土壤酶活性、土壤物理特征和大量元素作为指标应用于土壤质量评价，其中土壤大量元素是土壤质量评价中较常见的指标。张璐等[10]运用大量元素的含量，研究湘南红壤丘陵区不同植被类型土壤肥力特征认为，自然植被恢复比人工植被更有利于土壤肥力的提高。王钰莹等[11]分析陕南秦巴山区厚朴群落土壤养分含量表明，土壤肥力会随林龄的增大呈下降趋势。李菡等[9]分析鲁西黄河冲击平原农田不同种植模式下土壤大量元素的含量发现，农户对农田的投入与管理水平是导致土壤养分含量存在显著差异的主要原因。【本研究切入点】干热河谷石漠化区气候干旱，水热分布不均，土壤贫瘠且不连续，土壤养分随水土流失严重，由于对资源不合理的开发利用，加剧了生态功能退化，出现严重石漠化，导致该区土壤保水保肥能力下降，可耕地面积和植物多样性减少[12-13]。近年来，针对干热河谷石漠化区的土壤特性，采取了一系列生态恢复措施，其中花椒、金银花和火龙果的种植模式已得到广泛认可[14]。但由于干热河谷石漠化区恶劣的生态环境、不合理的耕作制度与管理措施，导致花椒、金银花和火龙果等物种呈退化趋势，该种植模式对生态环境的恢复效果逐年下降，物种退化与土壤养分退化成为限制该区土地资源利用的重大生态环境问题。然而，关于干热河谷石漠化区的土壤研究多集中于植物多样性、不同植被恢复模式、植被养分的分布格局与土壤理化性质的关系等方面[15-17]，对不同土地利用类型的土壤质量系统研究相对较少。【拟解决关键问题】因此，笔者等选择干热河谷石漠化区花椒(Zanthoxylumbugeanum)、火龙果(HylocereusundulatusBritt)、核桃(Juglansregia)、金银花(Lonicerajaponica)、玉米(ZeamaysLinn)和柚木(Tectona)等6种土地利用类型为对象，测定其土壤物理、化学指标，分析不同土地利用类型下土壤的质量特征，诊断影响养分质量的因素，集成土壤健康经营的策略。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择在贵州省关岭县与贞丰县交界处的北盘江花江河段干热河谷流域两岸，流域内以喀斯特地貌为主，境内海拔400～1000 m。该区域属典型的南亚热带干热河谷气候，光热资源十分充沛，年平均气温18.4 ℃，年极端最高气温为32.4 ℃，≥10 ℃积温6542 ℃，平均相对湿度80 %。降水时空分布极其不均，降雨集中于5-10月，可达全年总降雨量的83 %[12]。研究区域内的岩石以白云岩和泥质白云岩为主。由于生态环境的退化、严重的石漠化，土地利用类型十分受限，农地作物以火龙果、玉米和花椒为主，林地主要树种为核桃和柚木，灌丛以金银花为主。各样地基本信息见表1。

1.2 样品采集与分析

在不同土地利用类型样地中，按S形选取5～7个样点，取样深度为0～20 cm，不足20 cm的以实际深度为准。采样时，先去除土体表面的枯枝落叶、动物残体和石砾，将5～7个样点的样品混制成1个土壤样品装入自封袋保存并带回实验室。样品于室内自然风干、研磨95 %通过2、0.15 mm筛保存备用。

土壤容重(Bulk density, BD)采用环刀法测定；pH值测定采用土水比1∶2.5(质量比)提取，电位电极法测定。大量元素测定采用文献[18]的分析方法进行。其中，有机碳(Soil organic carban, SOC)采用重铬酸钾-外加热法，全氮(Total nitrogen, TN)采用半微量开氏法，速效氮(Available nitrogen, AN)采用碱解扩散法，全磷(Total phosphorus, TP)采用高氯酸-硫酸消煮-钼锑抗比色-紫外分光光度法，速效磷(Available phosphorus, AP)采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色-紫外分光光度法；全钾(Total potassium, TK)采用氢氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度计法测定；速效钾(Available potassium, AK)采用中性乙酸铵溶液浸提，火焰光度计法测定。

表1 不同土地利用类型的基本特征

1.3 数据处理与分析

土壤质量指数计算参照文献[19]的方法进行：

式中，Wi为各主成分贡献率，Fi为各土地利用类型主成分因子得分。

采用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 8.6进行数据处理和制图。Excel 2010进行前期数据处理；采用多元方差分析，运用LSD法(最小显著性法, least significance difference)分析不同土地利用类型的土壤质量指标间的差异；采用Pearson相关系数分析土壤质量指标间的相关性；采用主成分分析确定各主成分贡献率和各土地利用类型主成分因子得分，计算土壤质量指数；利用Origin8.6制图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型的土壤理化性质

从图1可看出，在不同土地利用类型中，土壤容重(BD)、pH和养分组成的变化趋势。

2.1.1 土壤容重 6种土地利用类型的土壤容重以柚木地最高(1.40 g/cm3)，之后依次为火龙果地(1.20 g/cm3)、核桃地(1.12 g/cm3)、玉米地(1.09 g/cm3)和金银花地(1.03 g/cm3)，花椒地土壤容重最低，为1.00 g/cm3。柚木地、火龙果地与其余土地利用类型间差异均达显著水平(P<0.05)。

2.1.2 土壤pH 6种土地利用类型的土壤pH为7.11～8.00，均呈弱碱性，其中以花椒地pH最高，为8.00；火龙果地和玉米地土壤pH分别为7.11和7.44，低于其余4种土地利用类型。

2.1.3 土壤养分组成 (1)有机碳(SOC)。SOC含量以金银花地最高，为70.17 g/kg，其次为玉米和核桃地，两者含量均显著高于柚木与花椒地，且柚木地与花椒地间SOC含量无显著差异，与其余5种样地类型相比，火龙果地的SOC含量最低，为19.16 g/kg。

(2)全氮(TN)与速效氮(AN)。TN含量在不同土地利用类型间均表现出显著差异(P<0.05)，总的趋势为金银花地>花椒地>核桃地>玉米地>火龙果地>柚木地。AN含量变化规律与SOC含量变化存在一定的相似性，金银花样地最高(273.20 mg/kg)，且显著高于其余5种土地利用类型；以火龙果样地最低，为83.58 mg/kg。

(3)全磷(TP)与速效磷(AP)。AP含量在任意两种土地利用类型间差异均显著(P<0.05)，且以金银花地含量最高，为7.41 mg/kg，是含量最低的核桃地的17倍。不同土地利用类型的TP含量与AP含量不同，花椒地、金银花地与其余4种土地利用类型差异均显著(P<0.05)。

(4)全钾(TK)与速效钾(AK)。二者含量均以花椒地最高，核桃地最低。其中，土壤TK含量在火龙果地、金银花地和柚木地间无显著差异。AK含量在火龙果地与金银花地间无显著差异，其依次为花椒地>柚木地 >玉米地>金银花地>火龙果地>核桃地。

2.2 土壤质量指标间的相关性

土壤质量指标间的相关性因不同土地利用类型而产生差异。由表2可见，土壤BD与TN呈极显著负相关(P<0.01)；土壤pH与其余指标均呈正相关，其中，与TN呈极显著正相关(P<0.01)，与AP呈显著正相关(P<0.05)；土壤TP与TK、AK，AN与SOC，TK与AK均达极显著正相关(P<0.01)，且相关系数较大，均在0.960以上；TN与SOC、AN、AP均表现显著正相关(P<0.05)，相关系数为0.594～0.673。

2.3 不同土地利用类型的土壤质量综合评价

通过对9个土壤质量指标进行Bartlett球形检验得知，显著系数为0.00，小于0.05，表明数据适合做因子分析。采用最大方差法对数据进行旋转，得到相关系数矩阵、特征值、各主成分贡献率和因子载荷矩阵。

从表3看出，土壤AP的公因子方差最小，为0.607，AK的公因子方差最大，为0.991；按特征值大于1的原则，提取出2个主成分，特征值分别为4.586和3.076，2个主成分累计贡献率达85.137 %，表明这2个主成分已提供了85.137 %的原始数据信息量，能够充分解释原始数据；因子载荷矩阵显示：第1主成分与TP、TK和AK显著相关，因子载荷系数均大于0.970；第2主成分主要受SOC、TN和AN支配，因子载荷系数均大于0.880。

将主成分特征向量(表4)与标准化数据加权，得出不同土地利用类型各主成分因子得分(表5)，进一步将各主成分因子得分与方差贡献率加权，得到不同土地利用类型的土壤质量综合指数。

图柱上不同小写字母表示不同土地利用类型间差异达显著水平(P<0.05)Different lowercase letters in the columns indicate significant differences between different land use patterns(P<0.05)图1 不同土地利用类型的土壤理化性质Fig.1 Soil physical and chemical properties of different land use patterns

因子FactorBDpHSOCTNANTPAPTKAKBD1 pH-0.3971 SOC-0.4610.4931 TN-0.826**0.708**0.673*1 AN-0.4610.3590.965**0.594*1 TP-0.4900.567-0.1700.463-0.3231 AP-0.3300.627*0.4040.665*0.1830.5511 TK-0.4330.426-0.2260.324-0.3810.964**0.5161 AK-0.4170.520-0.2230.378-0.3850.993**0.5430.983**1

注: *表示在P<0.05水平上显著相关, **表示在P<0.01水平上极显著相关； BD为容重, SOC为有机碳, TN为全氮, AN为速效氮, TP为全磷, AP为速效磷, TK为全钾, AK为速效钾(下同)。 Note: * represented significant correlation atP<0.05 level, and ** represented extremely significant correlation atP<0.01 level. BD: bulk density, SOC: soil organic carbon, TN: total nitrogen, AN: available nitrogen, TP: total phosphorus, AP: available phosphorus, TK: total potassium, AK: available potassium, the same as below.

表3 因子载荷矩阵及主成分贡献率

表4 土壤质量指标主成分特征向量

表5 不同土地利用类型主成分因子得分

从图2看出，干热河谷石漠化区不同土地利用类型土壤质量的综合指数不同，依次为花椒(2.334)>金银花(1.283)>玉米(-0.330)>核桃(-0.386)>柚木(-1.153)>火龙果(-1.598)。

图2 不同土地利用类型土壤质量的综合指数Fig.2 Integrated soil quality index of different land use patterns

3 讨论

3.1 不同土地利用类型的土壤性质变化规律

土壤pH和BD通过影响土壤养分的形成、转化和有效性，使土壤质量产生差异。研究中6种土地利用类型的土壤pH存在不同程度的差异。其中，以金银花、花椒地的pH较高，可能是由于金银花地凋落物数量大，花椒地伴生植物丰富，均利于微生物活动，腐殖质数量较多。腐殖质是一种带负电荷的胶体，可吸附土壤中交换阳离子，避免阳离子流失，从而减弱土壤中H+的活性，同时，腐殖质具有较强的的吸附性能和阳离子代换能力，可有效缓解土壤酸化[20]。火龙果地无凋落物的同时长期施用化肥，加之强烈的人为干扰，导致土壤板结，土壤透气性下降，加速了土壤酸化[21]，因而pH较低。通过分析不同土地利用类型土壤BD表明，花椒地土壤BD最小，即土壤疏松，这可能与花椒是浅根植物且根系发达有关；而火龙果样地在管理与采摘期，受人为踩踏影响，导致土壤板结严重，因而具有较大的BD。

土壤养分含量组成表明，土壤SOC与土壤AN表现出耦合关系，不同土地利用类型土壤SOC与AN含量分布趋势相对一致。本研究中，金银花地的SOC和AN含量显著高于火龙果地，可能是受到凋落物归还量的影响。另外，土壤SOC含量受气温、降雨量和坡度等因素影响。因此，6种土地利用类型海拔和坡度的差异必将导致土壤SOC含量的差异。

土壤TP含量来源比较单一，且受成土母质影响较大[22]，6种土地利用类型的成土母质一致，但花椒地显著高于其余5种土地利用类型，其原因是否与该地区长期单一种植花椒以及花椒对TP的吸收量有关尚待深入研究。土壤AP含量在任意2种土地利用类型间差异均显著，而长期大量施用有机肥能够在很大程度上提高土壤AP的含量[23]，因此，花椒地距离居民区较近，还土有机肥较多，可能是花椒地土壤AP含量较高的主要原因。地表覆被的差异使得土壤水分蒸发量不同，而水分的增加会减少磷肥的固定[23]，因此，高密度的地表覆盖可能是导致金银花地土壤AP含量处于较高水平的重要原因。

6种土地利用类型的土壤TK与AK含量均以核桃样地最低，分别为8.58 g/kg、154.80 mg/kg，可能是由于核桃林为经果林，对养分的需求量较大，加之从未追肥，只能从土壤中获取生长所需元素，导致土壤中钾素含量较少，因此，该区在指导核桃生长过程中应注重钾肥的施用。

3.2 土壤养分变化的相关性

土壤作为生态系统的组成部分，是发生一系列理化生反应的重要场所，其理化性质的改变会对元素的积累和循环产生重大影响[24-25]。研究结果表明，土壤BD和pH是影响TN与AP含量的主要原因，其中土壤BD与TN含量呈极显著负相关，即TN含量随土壤BD的增加而减少，与李红林等[25]对塔里木盆地北缘绿洲土壤N含量与其理化因子关系研究结论一致。土壤BD通过影响植物根系生长、凋落物分解和微生物活动，导致元素在土壤生态过程中的迁移和积累数量产生差异，土壤BD愈大，土壤愈紧实，不利于植物根系伸展及微生物活动，同时减弱凋落物分解程度，阻碍元素间的交流，进一步减少TN含量。土壤的酸碱性对土壤元素的转换、释放以及有效性有密切关系[26]。研究结果显示，pH与TN呈极显著正相关，与AP呈显著正相关，这与刘兴华[27]研究湿地土壤C、N和P生态化学计量特征结果相似，即pH是影响N和P含量的关键原因之一。TP与TK、AK均呈极显著正相关，这是由于K素与P素的主要来源均为成土母质，导致K素与P素含量同时增减。SOC与TN呈显著正相关，与AN呈极显著正相关，原因可能是大量N素参与有机质的合成，可降低N素的矿化效率，加之土壤有机质中含有大量富N物质，导致土壤N含量随SOC的增多而增大[28-29]。

3.3 土壤养分管理策略

在不同土地利用类型下，不同农作物的根系活动深度不同，对养分的需求不同，及其对土壤养分的吸收程度不同[20]，导致土壤养分存在差异。研究结果表明，6种土地利用类型土壤养分存在不同程度的亏缺，具体表现：①除花椒地外，其余5种土地利用类型土壤的TP、TK、AK含量普遍较低；②花椒地的C、N元素含量较低；③火龙果地和柚木地的各土壤养分元素均处于较低水平。因此，采取合理的施肥方式及耕作制度，对控制养分分布、促进作物生长具有重要现实意义。

长期使用有机肥可提高土壤有机质含量，增加养分含量，减少N素的损失，降低土壤污染[23]，在花椒栽培管理过程中应适量增加有机肥的施用量，提高花椒产量的同时改善其土壤养分分布，预防土壤污染。施化肥是提高P素和K素含量最高效的措施，但不合理施用化肥并不能有效促进养分含量的提高，反而会使土壤板结、酸化，甚至导致土壤污染加剧[23]。因此，在施用化肥改善土壤P素和K素含量时，应充分掌握不同土地植被类型的需肥规律，按合理的P、K配比施用更有利于作物的生长。