踩踏干扰下紫金山土壤质量季节变化特征

刘倩倩，彭孝楠，刘 鑫，王舒甜，戴康龙，徐海兵，董丽娜，张金池*

(1．南京林业大学,南方现代协同创新中心,江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037；2.中山陵园管理局，江苏 南京 210014)

景区环境人为踩踏干扰作为旅游干扰的主要形式之一，受到研究者的广泛关注[1-2]。土壤是植物生长发育、生物生存延续不可缺少的载体，土壤的质量对植物生长和微生物的活性有严重影响[3]。在人为踩踏干扰的影响下，土壤性状正在发生明显的改变。主要表现为土壤肥力下降、土壤微生物减少以及对水土严重流失等。因此，研究踩踏干扰对土壤环境的影响具有重要意义。季节变化导致的降水、气温、土温等因素也会引起土壤理化性质、土壤养分、土壤酶和土壤微生物的季节变化差异[4-5]，其中降水变化是造成土壤环境变化的重要原因[6]。目前，许多学者研究了踩踏干扰对土壤理化性质、渗透性、土壤酶等指标的影响[6-11]，且卓有成效。但是，这些研究多集中在草地[12-13]、高山[14-15]、山地森林公园[16-17]，而有关国家城市森林公园的土壤环境影响研究较少。且踩踏干扰下土壤环境的季节变化研究多集中在放牧干扰[18-19]，而人为踩踏干扰研究较少。本研究以南京紫金山国家城市森林公园为研究对象，探讨不同踩踏干扰下国家城市森林公园土壤质量的季节变化特征，以期为城市森林公园的环境保护与建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

紫金山国家城市森林公园位于南京市玄武区东北部 (118°81′～118°88′E，32°04′～32°09′N)。属亚热带季风气候，年平均降水量1 530.1 mm，年平均气温19.6 ℃，无霜期322 d。土壤属黄棕壤和黄褐土，呈酸性或微酸性，盐基不饱和，介于北方土壤和南方土壤之间，一般发育于中性母质，南坡以侏罗纪的含砾石英砂岩为主。研究区域的植物资源丰富，种类繁多，森林覆盖率达67. 8%，是落叶阔叶林与常绿阔叶林混合生长地区，植物群落类型是长期人工抚育和自然发展逐渐恢复形成的，以麻栎(Quercusacutissima)、枫香(Liquidambarformosana)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、石楠 (Photiniaserrulata)和冬青(Ilexchinensis)等阔叶林为主，此外共栽植梅花 350 多种，总数超2万株。紫金山森林公园包含众多著名景点，例如中山陵风景区、灵谷寺景区、明孝陵景区、梅花山景区等，每年接待游客数百万人次。

1.2 样方设置及土壤采集

人为踩踏干扰会导致景区的道路及道路边的植被与土壤环境受到不同程度的影响，且对土壤影响主要集中在游道外侧3 m内[20]。本试验以森林公园内宽度为3 m的游人道路为研究对象，共设置8个重复，其中4 个位于流徽榭景点附近，2个位于梅花山，2个位于红楼艺文苑。在每条游道边缘的垂直方向向外延伸7 m，设置7 m×1 m的调查样带，在每条样带上均选择3个1 m×1 m样方，每条样带的土壤和植被类型等立地条件尽可能一致，每条游道长度为20～40 m。根据每个样方灌草层破坏情况和覆盖度对踩踏干扰强度进行分级。将样地归纳为活动区样方、缓冲区样方、背景区样方，3种样方分别距游道边缘1、3、7 m处。活动区，人类活动频繁，地面裸露程度较大，灌草层破坏十分严重，植被覆盖度小于20%；缓冲区，人类活动较少，灌草层有破坏现象，地表覆盖枯枝落叶，植被覆盖40%～60%；背景区，人未踏及，地被层生长旺盛，且覆盖较厚的枯枝落叶层，植被覆盖度大于80%[21]。分别在2016年7月、10月、12月,以及次年3月进行土壤采集，每个样方挖取土壤剖面，先用100 cm3环刀取表层土样，再分别取0～20 cm土壤；每个样方采用混合土样采集方法分别取5个样品，每点取500 g土壤，去除较大石砾后置于室内自然风干、过筛，以供土壤理化性质分析及土壤酶活性测定[22-23]。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤理化性质测定

土壤容重、孔隙度、最大持水量等物理性质采用环刀法测定；使用烘箱在105～110 ℃下将环刀烘干至质量恒定，各土壤物理性质的测定参照LY/T1215—1999《森林土壤水分-物理性质的测定》。土壤pH采用电位法测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；土壤全氮、速效磷含量分别采用半微量凯氏法、盐酸-硫酸浸提法测定[23]。

1.3.2 土壤酶活性测定

脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；酸性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法；蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶测定采用高锰酸钾滴定法[24]。

1.3.3 土壤综合质量指数计算

参考刘世平等[25]和吴玉红等[26]评价指标测定方法，采用因子分析法计算主成分的方差贡献率，并对各指标在各主成分线性组合中的系数进行加权平均，以确定权重。运用公式(1)对土壤孔隙度、持水量、有机质、全氮、速效磷含量及土壤酶活性的隶属度进行计算；运用公式(2)对土壤容重、pH的隶属度进行计算;运用公式(3)根据加法合成原则，将各因子隶属度值进行加权求和，计算土壤综合质量指数。计算公式如下：

(1)

F(x)=

(2)

(3)

式中：F(x)表示隶属函数，x为评价指标的实际测定值，x1、x2、x3、x4分别为评价指标的临界值；ISIQ为土壤综合质量指标；Wi和Ni分别为第i指标的权重和隶属度，n是样本数。

1.4 数据处理

采用Excel进行初步数据整理，对不同踩踏干扰强度和不同季节下土壤各指标采用单因素方差分析；对踩踏干扰强度和季节交互影响下土壤各指标采用双因素方差分析，结构平衡方程模型(SEM)用于检验各指标因子对土壤质量的综合影响。所有统计检验均采用SPSS 25.0软件完成，利用Canoco 5.0进行冗余分析，其余图均采用Origin 9.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 踩踏干扰条件下土壤物理性质季节变化

随踩踏干扰强度增强，土壤结构受到破坏，土壤紧实度增大，渗透性下降，进而导致土壤容重增加，活动区的土壤容重相比背景区上升了14.8%(表1)。土壤最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均有不同程度下降，与相关调查研究结果一致[27-31]。综合比较发现，土壤容重方面背景区显著低于活动区和缓冲区。另外最大持水量方面，活动区显著低于背景区，且缓冲区和活动区的春、夏、秋3季毛管持水量显著低于冬季。

表1 不同踩踏干扰强度下土壤物理性质季节变化

结合四季变化比较3个区域土壤物理性质的差异发现，4个季节的土壤容重变化趋势相同，以春、秋季较高，夏、冬季较低，都表现为背景区最低，活动区和缓冲区无显著差异。最大持水量以夏、冬季较高，春季较低；毛管持水量在冬季无明显差异，在其他季节均是背景区显著高于缓冲区和活动区。3个区域中最大持水量在夏季变化最大，而毛管持水量则在春季变化最大。毛管孔隙度方面，3个区域中春、秋两季显著低于夏、冬季；非毛管孔隙度方面，3个区域的4个季节变化情况一致，均为背景区最高，且活动区中夏季显著高于其他3季，与土壤容重呈负相关。

多指标的双因素方差分析发现，踩踏干扰强度和季节差异对土壤物理性质均存在极显著差异(P<0.01)，但在分析季节差异和踩踏干扰强度的交互作用影响方面，只有土壤最大持水量表现出显著差异(P<0.05)，其他物理性质指标均无显著差异。

紫金山属于亚热带季风气候，冬雨占全年降雨比例较高，温度较低，水分蒸发量较少，且地表枯落物层较厚，减少了地表径流，水分下渗量增加，使得土壤保水能力提高[32-33]。夏季是植物的生长期，地被植物多样性增加和根系生长有利于改变土壤环境，减小土壤的紧实度，增加土壤的吸水量和持水量[34]。春、秋两季节假日较多，因此游客人数较多，增加了对土壤的踩踏干扰，加剧了土壤的结构变化，因此与夏、冬季相比较，各土壤物理指标处于较低水平。

2.2 踩踏干扰条件下土壤化学性质及酶活性的季节变化

踩踏干扰条件下研究区土壤化学性质变化见表2，土壤酶活性变化见图1。随着踩踏干扰强度增强，土壤pH呈增大趋势，活动区相比背景区共增长了9.1%，活动区与背景区相比差异显著(P<0.05)(表2)。土壤有机质、全氮和速效磷含量随踩踏干扰强度增强快速降低，比背景区分别下降了30.5%、43.8%、43.2%。

不同小写字母表示同一踩踏干扰强度不同季节间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一季节不同踩踏干扰强度间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences in different seasons of the same trampling intensity (P<0.05).Different capital letters indicate significant differences among different trampling intensities in the same season (P<0.05).The same below.

表2 不同踩踏干扰强度下土壤化学性质季节变化

结合季节变化和3个区域综合考虑土壤化学性质差异，发现背景区土壤的有机质、全氮、速效磷含量均显著高于其他两个区域。在背景区夏季土壤pH和速效磷含量最高，分别为4.98和12.20 mg/kg；缓冲区夏季土壤pH和速效磷含量最高，春季土壤有机质和全氮含量最低。在背景区和缓冲区中，pH、有机质、全氮、速效磷含量4个指标的季节变化均无显著差异，在踩踏干扰强度低的情况下，土壤化学性质受季节影响较小。

双因素方差分析发现，踩踏干扰强度和季节差异对土壤化学性质存在显著差异(P<0.05)。

有研究表明，随踩踏干扰强度增加，土壤pH显著减小[15,35]，也有研究表明踩踏干扰下土壤pH无显著差异[36]。本研究表明，随踩踏干扰强度增强，土壤pH显著上升(P<0.05)，这主要是因为土壤pH与盐基饱和度有密切关系，踩踏干扰强度增大，致使土壤板结，土壤渗透性下降，水土流失增大，淋溶作用减弱，盐基离子淋溶减少[34]。从季节变化来看，由于夏季降雨量和降雨强度较大，有机质、有机酸和无机酸被冲刷，因此夏季土壤pH要高于春、秋、冬3季。

随着踩踏干扰强度增强，土壤中脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均表现出降低的趋势(图1)，其中,蔗糖酶和脲酶活性下降幅度最大，分别减少了70.2%和67.3%，酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别减少了31.8%和30.9%。

在背景区和缓冲区的土壤脲酶和酸性磷酸酶活性均以春、夏2个季节变化呈显著性差异，秋、冬2个季节变化幅度较小。另外，在背景区中土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均表现为夏季最大，冬季最小；与夏季相比，这3种酶的活性在冬季分别减少了40.68%、19.08%和9.43%，而土壤酸性磷酸酶活性表现为夏季最大，春季最小。缓冲区4种土壤酶活性均呈现为夏季最大，春季最小，夏季土壤蔗糖酶和过氧化氢活性显著高于春、秋、冬3季。活动区夏季土壤脲酶、蔗糖酶活性显著高于春、秋、冬3季(P<0.05)，土壤过氧化氢酶活性表现为夏季最大，秋季最小。

单因素方差分析发现，踩踏干扰强度和季节差异对4种土壤酶活均存在极显著差异(P<0.01)，蔗糖酶活性受交互作用影响显著(P<0.05)。

2.3 踩踏干扰条件下土壤综合质量指数季节变化

对各个评价指标的隶属度值进行加权求和，计算土壤综合质量指数(图2)。

图2 不同踩踏干扰强度下土壤综合质量指数季节变化

不同季节，土壤质量均随踩踏干扰强度的增强逐步下降。春、夏、秋、冬的土壤质量指数分别为0.355、0.632、0.410和0.595。不同踩踏干扰强度按照季节顺序(春—夏—秋—冬)，土壤质量综合指数呈现先增大后减小再增大的“波浪形”变化趋势。不同踩踏干扰强度下，秋季土壤质量均低于其他季节，活动区春、秋季的土壤质量均显著低于夏、冬两季(P<0.05)。同时，随踩踏程度增加土壤质量存在明显的下降。表明土壤质量可以反映人为干扰对土壤环境的整体影响。

2.4 土壤指标对土壤质量的影响

研究表明，土壤酶与土壤质量密切相关，土壤脲酶可以促进尿素氮肥水解，促进氮素循环，对提高尿素氮肥利用率有重要意义；土壤磷酸酶可以将有机磷酸水解为无机磷酸，增加土壤磷素；土壤蔗糖酶可以增加土壤中易溶性物质；土壤过氧化氢酶可以促进过氧化氢的分解，表现有机质积累程度[25]。踩踏干扰强度增强，土壤孔隙度减小，紧实度增大，微生物的呼吸作用受到影响，活性减弱，且踩踏干扰会使土壤板结，土壤养分减少，进而影响土壤酶活性[37]。从季节变化来看，夏季土壤酶活性要高于春、秋、冬3季，这是由于夏季植物生长迅速，植物多样性增加，根系活动频繁，根系向土壤释放的有机物质增加，进而提高土壤酶活性[38-39]；夏季高温多雨，为土壤微生物提供了一个良好的环境，微生物生长旺盛，活性增大，代谢活跃，会刺激土壤酶积聚在土壤表面[40-41]；有相关研究指出，土壤酶活性与土壤理化因子有较大关系，营养元素投入量减少会影响土壤酶活性，因此夏季营养元素含量升高可以提高土壤酶活性。

土壤生化因子主要包括土壤中营养成分磷、氮、有机质以及土壤酶活性等相关指标，其含量的高低对土壤养分和植物生长起着至关重要的作用。土壤物理因子则表示土壤的基础性质，土壤物理和生化因子对土壤质量影响的同时也存在相互影响，由冗余分析(RDA)结果(图3)可知，RDA排序图的前两个轴的特征值分别为0.213 6和0.042 4，即土壤生化指标与土壤物理因子的相关性在第1排序轴和第2排序轴分别为21.36%和4.24%。蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性与最大持水量、全氮、速效磷和有机质均呈正相关；蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性均与容重呈负相关；最大持水量、全氮、有机质、速效磷均与容重呈负相关(图3)。

图3 土壤生化因子与物理因子的RDA排序分析

研究表明，根系与地表枯落物是土壤有机质的重要来源，随着踩踏干扰强度增强，地表枯落物逐渐减少，进而地表出现裸露，根系受到严重损害，引起土壤有机质减少[42]。土壤养分主要来源于腐殖质层，人为踩踏干扰会破坏腐殖质层，因此土壤养分含量会受到影响[14]。从季节变化看，踩踏干扰下，春季为植物萌芽期，营养物质的消耗量要大于产生量，且地表凋落物较少，影响养分归还量，有机质的来源减少，因此土壤有机质含量在春天处于最低[42]。土壤中氮的来源主要依靠土壤有机质分解，氮素大部分储存在有机质的有机态含氮化合物中，且有机质有助于活化土壤中的磷，使磷库更加丰富，因此土壤有机质含量会影响土壤全氮、速效磷含量变化[43-44]。

通过结构平衡方程可以分析不同土壤指标对土壤质量的影响。土壤质量受到土壤全氮、速效磷含量、最大持水量、脲酶活性、蔗糖酶活性直接影响，其中蔗糖酶影响最大(图4)。土壤全氮、速效磷和土壤脲酶会通过蔗糖酶间接影响土壤质量。同时土壤最大持水量也会通过影响土壤理化指标和土壤酶活性从而间接影响土壤质量。可通过土壤全氮、速效磷含量、最大持水量、脲酶活性、蔗糖酶活性来动态监测紫金山国家森林公园的土壤综合质量。

直线箭头上数字为标准路径系数；AP为有效磷含量；TN为全氮； Mmc为最大持水量；Ua为脲酶活性； Sa为蔗糖酶活性；SIQI为土壤综合质量指数。The number on the straight arrow is the standard path coefficient; AP is available phosphorus content; TN is total nitrogen; Mmc is maximum water capacity; Ua is urease activity; Sa is sucrase activity; SIQI is soil comprehensive quality index.***P<0.001.

3 结 论

1)对不同踩踏干扰强度的土壤养分和理化指标进行分析后发现，持水量、孔隙度、有机质、全氮、速效磷含量、土壤酶活性等指标均有较大幅度下降，其中活动区4种土壤酶活性、有机质、全氮、速效磷含量相比背景区降低30%以上。

2)在对不同季节、不同踩踏干扰强度土壤的分析研究中发现，夏季植被生长旺盛，有利于改变土壤环境，减小土壤的紧实度，增加土壤的吸水量和持水量。春、秋季游客较多，踩踏干扰强度相对更强，土壤结构变化明显，其土壤物理指标相比夏、冬两季更低。其中，春季是植物萌芽期，营养物质消耗大，且春季地表凋落物较少，影响养分归还，导致土壤有机质在春天最低。相比之下，夏季温度高，水量也相对充足，使得植物、微生物生长旺盛，有机质增多，土壤化学指标的水平也最高。土壤中的氮来源主要依靠土壤有机质分解，而氮素大部分储存在有机质的有机态含氮化合物中，且有机质有助于活化土壤中的磷，使磷库更加丰富，因此土壤有机质含量也会影响土壤全氮、速效磷含量。同时使得夏季土壤中酶活性高于其他3个季节，说明土壤酶和土壤理化性质之间存在极强的相关性。

3)通过比较不同区域土壤的综合质量指数，不同季节的土壤质量指数表现为：夏季>冬季>秋季>春季。其中土壤质量受到土壤全氮、速效磷含量、最大持水量、蔗糖酶活性直接影响。此外，单因素方差分析结果表明，各项土壤理化指标分别受季节和踩踏强度影响显著。双因素方差分析发现，最大持水量和蔗糖酶存在季节差异和踩踏程度的交互作用影响显著。