纳板河流域不同植被类型下土壤肥力综合评价

宋艳红,史正涛∗,王连晓,冯泽波

(1云南师范大学旅游与地理科学学院,昆明650500;2云南省水文水资源局,昆明650106)

土壤是自然环境和生态系统的重要组成部分,也是人类赖以生存的物质基础。土壤肥力是土壤的基本属性和本质特征,为植物生长提供必需的物质养分与机械支撑,土壤肥力的高低直接影响着植物的生长[1-4]。在耕作过程中,不同的土地利用方式和管理措施均会影响土壤肥力的变化。因此,科学、合理、实用地评价土壤肥力,不仅对充分发挥土壤潜力具有十分重要的意义,并且还可以为土地利用规划和管理提供重要理论依据。目前,国内外关于土壤肥力评价的方法主要有：主成分分析法[5]、层次分析法[6]、模糊综合评价法[7]、聚类分析法[8]和综合指数法[9]等;其中,主成分分析法、聚类分析法和综合指数法应用比较广泛。在我国,唐健等[10]运用主成分分析法对广西杉木主产区土壤肥力进行综合评价得出,广西部分杉木林地的土壤肥力较低,且1代杉木幼林的土壤肥力低于2代幼林;纪浩等[11]则运用层次分析法对大兴安岭低质林改造后的土壤肥力进行综合评价;刘茂等[12]应用GIS技术和模糊综合评价法,对库尔勒市100个香梨园的土壤肥力进行评价;杨晓娟等[13]采用主成分分析与聚类分析相结合的方法评价东北过伐林区不同林分类型的土壤肥力;王钰莹等[14]运用肥力综合指数法对陕南山区厚朴群落土壤肥力进行评价。在国外,Arias等[15]运用主成分分析法对土壤属性进行归一化处理,以确保结果的完整性;Potashev等[16]采用聚类分析法对植物进行分组,研究它们在发芽阶段对碳氢化合物土壤污染的耐受性;Liang等[17]则运用层次分析法对土壤硒资源进行综合评价。针对云南省西双版纳地区的土壤类型,科学工作者从不同的角度做了研究,主要集中在土壤养分、土壤水分和土壤微生物等方面。徐武美等[18]研究表明,有机质、有效氮的变异系数与Pielou均匀度指数呈正相关,表明土壤养分的空间异质性可能在一定程度上缓解种间竞争、促进树种共存。胡晓聪等[19]研究表明,不同海拔热带山地雨林土壤水文调节功能具有很大差异,土壤含水量、土壤最大持水量和最大持水率以及有效持水量随海拔的增加而增加,但局部有所波动。徐佳晶等[20]在不同森林类型土壤微生物生物量的变化研究中得出,鸡血藤次生林、曼安次生林和沟谷次生林土壤微生物生物量高于热带季风常绿阔叶林和热带季节雨林,表明次生林相较于热带季风常绿阔叶林和热带季节雨林具有较高的土壤微生物活性。就土壤肥力而言,唐炎林等[21]研究表明,次生林＞人工橡胶林＞季节雨林。李涛等[22]研究表明,未开割橡胶林土壤肥力优于已开割橡胶林,且表层土肥力显著高于深层土。谢瑾等[23]则采用综合指数法研究得出,不同土地利用类型土壤肥力排序为：自然林＞混合林＞茶园＞玉米地＞橡胶林＞水稻田。土壤肥力是维持森林及农作物可持续发展的重要因子之一,因此,本研究在前人研究的基础上采用主成分分析法对纳板河流域不同植被类型下土壤肥力进行综合评价,以期为合理施肥及土地利用规划和管理提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

纳板河流域自然保护区(22°04′N—22°17′N,100°32′E—100°44′E)位于云南省西双版纳傣族自治州中北部,景洪市与勐海县的接壤地带,总面积266.6 km2。保护区地势呈西北部高东南部低,海拔相对高差达1 765 m,垂直高差较大,山地气候垂直带明显。纳板河流域总体气候类型属北热带湿润气候,年日照时数1 800—2 300 h,年均气温18—22℃,年降雨量1 100—1 600 mm,雨量充沛且干湿季分明。由于保护区地形复杂,土壤类型有黄壤、红壤、赤红壤、砖红壤。其中,在海拔800 m以下为砖红壤,海拔800—1 500 m为赤红壤,另外石灰岩土和粗骨性紫色土等在赤红壤和砖红壤地带交织分布。保护区内植物种质资源丰富,植被类型主要有热带雨林、热带季雨林、落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林、暖性针叶林和次生植被及河漫滩灌丛等植被类型。

1.2 样品采集与测定

2016年5月,通过实地调查并结合林相图,在纳板河流域国家级自然保护区按坡度和坡向在茶树林、甘蔗地、火龙果地、香蕉地和不同年限橡胶林地布设采样点样地,并在每个林地设置20 m×20 m的样地。每块样地按对角线选取3个具有代表性的采样点,挖40 cm的土壤剖面,用100 cm3的环刀按照自然发生层次取原状土样,分为表层(0—10 cm)、中层(10—20 cm)、底层(20—40 cm)3个层次,共105个土壤样品。取好的土壤样品带回实验室,置于通风清洁无灰尘污染的室内进行自然风干,样品风干后拣去动植物残体(如根、茎、叶等)和石块,将风干后的土壤进行研磨并分别过2 mm、1 mm和0.25 mm目筛。

采用中国分析标准方法[24]测定土壤自然含水率、土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾等指标。其中,土壤自然含水率的测定采用烘干法;土壤容重的测定采用环刀法;pH的测定采用电位法;有机质的测定采用重络酸钾容量法;全氮的测定采用半微量开氏法;全磷测定采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法;全钾测定采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法;速效钾测定采用1 mol∕L乙酸铵浸提-火焰光度法。

1.3 数据处理

采用Excel 2003进行数据分析,利用SPSS 22.0对各因子数据分布形态用单一样本K-S进行检验;并对原始数据进行标准化处理、描述性统计分析、主成分分析和聚类分析。

1.4 土壤肥力评价方法

根据加乘法原理计算土壤肥力值[25],计算公式为

式中：ωi为权重值,Ni为标准化后的数值。根据土壤肥力评价指标选取的主导性、敏感性、独立性和实用性原则[26]以及结合相关研究和纳板河流域的土壤特性,本研究选取土壤自然含水率、容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾和速效钾作为土壤肥力评价的指标。运用SPSS 22.0软件对参评因子进行相应的因子载荷矩阵分析,得出各评价因子的公因子方差,方差值代表了各因子对土壤肥力的贡献,因此可根据各评价因子的公因子方差计算得出它们各自的权重(表1)。

表1 各参评因子的公因子方差及权重Table 1 Common factor variance and weight of each factor

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

对研究区各因子数据进行K-S检验表明,各因子数据均属于正态分布,并对各因子数据进行描述性统计分析、方差分析及多重比较。

由表2可知,不同植被类型下土壤自然含水率的变化范围为8.31%—35.79%,其中8 a橡胶林自然含水率均值为35.62%,显著高于香蕉地、甘蔗地、20 a茶树林、15—20 a橡胶林、5 a橡胶林和火龙果地。变异系数范围是0.48%—29.42%,其中8 a橡胶林和15—20 a橡胶林变异系数最小,分别为0.48%和9.12%,属于弱变异,而20 a茶树林、甘蔗地、5 a橡胶林、火龙果地和香蕉地属中等强度变异。土壤容重质量分数为1.05—1.89 g∕cm3,其中尤以火龙果地土壤容重最高,均值为1.74 g∕cm3,5 a橡胶林土壤容重最低,均值为1.28 g∕cm3。除甘蔗地变异系数为18.12%,属中等强度变异,20 a茶树林、5 a橡胶林、8 a橡胶林、15—20 a橡胶林、火龙果地和香蕉地由于变异系数均低于10%,所以它们均属于弱变异。土壤pH变化范围是4.1—5.4,其中尤以5 a橡胶林土壤pH最高,8 a橡胶林土壤pH最低。而不同植被类型土壤变异系数范围为1.13%—6.94%,且均属于弱变异。土壤有机质质量分数为9.40—95.10 g∕kg,其中20 a茶树林和甘蔗地的有机质质量分数显著高于其他植被类型。变异系数的范围是7.93%—38.99%,其中变异系数最小的是香蕉地,属于弱变异,变异系数最大的是15—20 a橡胶林,属于中等强度变异;20 a茶树林、甘蔗地、5 a橡胶林、8 a橡胶林和火龙果地也都属于中等强度变异。土壤全氮的质量分数在0.13—1.32 g∕kg,甘蔗地和20 a茶树林的全氮质量分数显著高于其他植被类型。均属于中等强度变异。土壤全磷质量分数在0.43—1.04 g∕kg,其中5 a橡胶林的全磷质量分数均值为1.01 g∕kg,显著高于其他植被类型土壤全磷质量分数。甘蔗地和火龙果地土壤全磷变异系数分别为20.88%和14.53%,均属于中等强度变异,而20 a茶树林、5 a橡胶林、8 a橡胶林、15—20 a橡胶林和香蕉地由于其变异系数均低于10%,所以它们都属于弱变异。土壤全钾质量分数在0.08—8.92 g∕kg,火龙果地的全钾质量分数较高(7.96 g∕kg),而8 a橡胶林的土壤全钾质量分数明显较低(0.47 g∕kg)。变异系数以8 a橡胶林最高为82.50%,20 a茶树林、15—20 a橡胶林和火龙果地的变异系数分别为26.58%、12.60%和12.06%,均属中等强度变异;而甘蔗地、5 a橡胶林和香蕉地的变异系数分别为5.90%、3.34%和9.65%,均属于弱变异。土壤速效钾质量分数在9.17—330.09 g∕kg,其中8 a橡胶林、15—20 a橡胶林和火龙果地的速效钾质量分数显著低于其他植被类型下土壤速效钾质量分数。变异系数除甘蔗地、8 a橡胶林和15—20 a橡胶林及香蕉地较高,均属于中等强度变异。

表2 不同植被类型下土壤肥力因子描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil fertility factors under different vegetation types

2.2 土壤肥力评价分析(IFI)

通过土壤肥力评价计算公式得出甘蔗地土壤肥力值最大,香蕉地、火龙果地、15—20 a橡胶林和8 a橡胶林的土壤肥力值较低,不同种植年限的橡胶林土壤肥力值以5 a橡胶林最高,不同植被类型土壤肥力变化趋势为：甘蔗地＞20 a茶树林＞5 a橡胶林＞香蕉地＞火龙果地＞15—20 a橡胶林＞8 a橡胶林(表3)。

表3 不同植被类型土壤综合肥力指数Table 3 Soil comprehensive Fertility Index under different vegetation types

2.3 不同植被类型土壤肥力等级划分

根据聚类分析法划分土壤肥力等级,如以5.0作为分类标准,可将纳板河流域不同植被类型下土壤肥力划分为两类(图1),其中第一类包括1号、2号和3号,属于肥力质量较好等级;第二类包括4号、5号、6号和7号,属于肥力质量较差等级。由此划分等级可以得出：甘蔗地、20 a茶树林和5 a橡胶林＞香蕉地、火龙果地、15—20 a橡胶林和8 a橡胶林。

图1 不同植被类型土壤肥力聚类树形图Fig.1 Clustering tree of soil fertility under different vegetation types

3 讨论

不同土地利用方式及人为干扰程度对土壤肥力具有重要影响[27-28]。本研究中利用主成分分析法,对原始指标进行降维,并提取出2个主成分,累计贡献率达到85.04%。对参评因子进行描述性统计分析得出,土壤各肥力因子表现为弱变异或中等强度变异,且甘蔗地土壤肥力质量比20 a茶树林、5 a橡胶林、8 a橡胶林、15—20 a橡胶林、火龙果地和香蕉地要高,这可能与研究区自然条件及施肥等管理措施有关。甘蔗作为纳板河流域重要的经济作物之一,定期进行施肥等管理措施保障土壤养分的供给,促进甘蔗又好又快生长,因此甘蔗地的土壤肥力质量较好;而20 a茶树林属于茶树的成年期,生育条件好且产量和品质也均处于高峰阶段,再加上科学管理等措施,使20 a茶树林的土壤肥力质量也较好;而不同年限橡胶林的土壤肥力质量呈现出5 a橡胶林IFI值高于15—20 a橡胶林IFI值,8 a橡胶林的土壤肥力质量最差,这可能是因为5 a橡胶林处于热带雨林砍伐后橡胶种植的初始阶段,此阶段微生物大量分解热带雨林凋落物获得土壤养分,再加上植胶初期胶农人为施加有机肥增加土壤肥力,因此5 a橡胶林的土壤肥力质量较好;而8 a橡胶林处于橡胶树开割的初级阶段,割胶流失大量的营养元素,及割胶时人为踩踏致使土壤紧实度增加,容重降低,导致土壤孔隙度下降,土壤的保肥和保水能力也随之下降,再加上橡胶林是单层林且树种单一、生物多样性较热带雨林低,土壤养分循环受到影响,土壤肥力质量最差;15—20 a橡胶林相对于8 a橡胶林土壤肥力质量较好,这是因为随着橡胶林的生长其林冠层逐渐变大,相应的凋落物也不断增加,通过微生物的分解活动,使15—20 a橡胶林林下土壤肥力质量高于8 a橡胶林林下土壤肥力质量。谢瑾等[23]对纳板河流域自然保护区6种土地利用类型表层土壤肥力性状进行比较分析得出,6种不同土地利用类型之间的土壤肥力评价因子具有明显的异质性,其肥力变化趋势是：自然林＞混合林＞茶园＞玉米地＞橡胶林＞水稻田,自然林的土壤肥力值最高,而受人为干扰影响下的水稻田肥力值最低。这是由于自然林转变为其他农作物用地后,在耕地管理措施下,土壤结构分散,孔隙度降低,养分流失,导致土壤质量降低;丘秀灵等[29]对海南胶园土壤肥力评价研究得出,土壤普遍偏酸,且阳离子代换量低,土壤的综合评价指标在0.25—0.50,综合肥力水平低。这可能由于土壤阳离子交换量低,保肥能力较差,再加上降水加剧了土壤养分的流失;低频割胶技术的推广加剧了胶园养分的消耗;以及农场投入与产出不成正比,造成土壤养分投入和流出极端不平衡[30-31];而李涛等[14]在研究不同林龄橡胶林土壤肥力的变化中得出,未开割橡胶林的土壤肥力高于开割橡胶林的土壤肥力,且两者的土壤肥力均处于中等偏下肥力程度;这可能是开割林的种植时间大于未开割林,且橡胶生长过程中已消耗大量的土壤养分,导致养分供需平衡出现失衡状态,开割橡胶林的土壤肥力下降;二是由于未开割橡胶林处于幼林阶段,土壤养分仅需满足橡胶树的正常生长,没有产胶的负担,再加上人工施肥等管理,所以未开割橡胶林的土壤肥力高于已开割橡胶林。据研究表明,就巴西橡胶树而言,土壤容忍的pH在3.5—7.3,它的适应范围较大。而对于甘蔗地而言,虽然甘蔗地具有耐酸性、耐贫瘠的特点,但土壤过酸会降低磷肥的利用率和影响甘蔗的生长发育[32]。一般说来,茶树生长最适宜的pH为5.0—6.0,轻微的土壤酸化可以提高土壤中元素的有效性,有助于茶树对营养元素的吸收;但是,严重的土壤酸化则会抑制茶树根系对营养元素的吸收,不利于茶树的生长[33]。据杨道富等[34]研究表明,火龙果适应土壤pH能力较强,既能在pH为4.5的强酸性土壤上生长,也能在pH为8.12的沿海盐碱地生长。而贺柳梅等[35]对广西武鸣县香蕉地研究表明,香蕉种植区土壤pH在4.9—7.48。土壤pH对土壤矿质养分的有效性影响很大,是影响土壤肥力的重要因素之一。

4 结论

(1)西双版纳纳板河流域不同植被类型土壤肥力因子多处于弱变异和中等强度变异,且土壤肥力的变化趋势为：甘蔗地＞20 a茶树林＞5 a橡胶林＞香蕉地＞火龙果地＞15—20 a橡胶林＞8 a橡胶林,表明耕作管理会引起土壤质量的下降。

(2)纳板河流域土壤综合肥力值处于-0.442270—0.498973,通过聚类分析将肥力等级分为两类,其中甘蔗地、20 a茶树林和5 a橡胶林为第一类,表示土壤肥力质量较好;香蕉地、火龙果地、15—20 a橡胶林和8 a橡胶林为第二类,表示土壤肥力质量较差。土壤肥力等级的每一类均表示了不同的土壤肥力状况。