不同树种下雅连土壤肥力综合评价

吴虎平，孙海，金桥，阮音音，钱佳奇，梁浩，严光玉，张亚玉1,※

[1.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112；2.成都大学药学与生物工程学院，四川 成都 610106；3.吉林省中药材种植（养殖）重点实验室，吉林 长春 130112；4.瓦屋山药业有限责任公司，四川 眉山 620365]

雅连为毛莨科植物三角叶黄连（Coptis deltoidea C.Y. Cheng et Hsiao），属多年草本植物，以根入药，是四川著名道地药材[1]。雅连味苦，性寒，入心、肝、胃、大肠经，具有清热燥湿、泻火解毒的功效[2]，曾被古代医者推崇，视为黄连中的珍品[3-5]。《本草纲目》中记载“黄连今虽吴、蜀皆有，惟以雅州、眉州为良”[1]，其中所述的黄连正是如今的雅连。目前，面对野生雅连濒临灭绝的现状，人们采用仿生栽培模式种植雅连，在实际生产中，选林不当会造成雅连病害严重，影响雅连的存苗及产量，而关于林地环境条件对雅连生长发育的研究尚属于空白。依据仿生栽培建立的林药复合体系中，已经明确了林下参的存苗率、病虫害发病率、根部的生长发育及品质的形成与其生长的森林生态环境条件密切相关[6-8]，通过雅连实际种植地的调查研究也发现了类似的问题。因此，选择适宜的林种是雅连仿生栽培技术关键步骤之一。

雅连生长发育及其次生代谢产物积累与其生境条件密切相关，生境条件中主要包括土壤特性、伴生树种、海拔高度、坡度坡向、光照强度和遮阴度等因素[9]，其中土壤特性是影响雅连最直接因素之一。而伴生树种是影响土壤质量的关键性因素。其原因如下：一是凋落物形成层是森林生态系统中植物和土壤两个亚系统之间物质循环和能量转化的中间环节，是土壤养分的主要来源，同时影响植物和土壤间碳氮循环[10,11]；二是森林生态系统中的凋落物如枯枝落叶等的腐烂分解、树木根系在土壤中的穿插和死亡留下的孔隙都会使得土壤变得疏松，从而改变土壤松紧度和保持水分的能力等[12]。在森林生态系统内，植物从土壤中吸收的超90%的氮和磷以及超过60%的其他矿质元素均来自于树种等凋落物的分解[11]。不同树种凋落物的输入量显著提高表层土壤的碱解氮和有机质含量，对于提高土壤养分具有重要的意义[13]。

土壤肥力是保障中药材生产的根本，其高低直接影响着中药材的生长发育和次生代谢产物积累[14]。科学评价土壤肥力对于指导农业生产至关重要，由于土壤肥力指标较多，如何对指标进行去冗余的同时能最大程度地反映土壤质量特征是土壤质量评价中首要考虑的问题。鉴于此，本文以雅连主产区土壤为研究对象，利用典范对应分析（Canonical Correlation Analysis,CCA）和因子分析相结合的方式，以期全面合理评价不同树种下雅连土壤肥力质量，为雅连选林和仿生栽培提供技术支撑。

1 试验材料及方法

1.1 采样区概况

雅连土壤样品采自四川省眉山市洪雅县瓦屋山镇，该区域是雅连的主产区。多年平均气温13.2 ℃，1 月平均气温8.5 ℃，7 月平均气温23.1 ℃，生长期多年平均200 d左右，无霜期较长，平均为240 d。年平均日照时数2 100 h。年平均降水量2 500 mm，年平均降水日数230 d。土壤类型以山地黄棕壤为主，雅连主产区树种信息见表1。

表1 雅连主产区土壤样点地理信息Table 1 Geographical information of soil samples in C.deltoidea main producing area

1.2 试验材料与方法

1.2.1 试验材料 同一基地，采集不同树种少花桂（Cinnamomum pauciflorum Nees）、珙桐（Davidia involucrate Baill）、核桃树（Juglans）、猫儿屎（Decaisnea insignis）、枫杨（Pterocarya stenoptera）、漆树（Rhus verniciflua Stokes）和对照组（无树种植雅连地）的雅连及其土壤，采样时间为2020 年9 月20 日，采集雅连时，从雅连主产区选择了具有代表性的4 个采样基地，每一基地选择相同的树种，树种间距大于50 m，在每一树种下选择3~5 个采样点，每个样点随机采3~5 株雅连。采集土壤时，首先去除枯枝落叶层，取雅连根部周围的土壤，去除土壤中石砾碎屑，再将土壤带回实验室风干，利用0.85 mm 和0.150 mm 网格筛分均匀，装入自封袋，备用。

1.2.2 测试方法 土壤pH 按照土水比1: 2.5 比例，采用梅特勒SK220 pH 计测定；土壤全氮、全碳利用元素分析Vario EL Ⅲ（德国产）测定；土壤有机质含量为全碳含量1.724；土壤全磷用HNO3-HCIO4消化-钼锑抗比色法；土壤全钾用NaOH 熔融 火焰光度法；土壤铵态氮和硝态氮用1mol/L KCl 浸提，AA-3 流动分析仪测定（Brawn Luyy，德国）；速效磷采用碳酸氢钠浸提 钼锑抗比色测定；速效钾采用乙酸铵浸提 火焰光度法测定；中微量元素铁、锰、铜和锌等采用HNO3-HCIO4消解ICP710ES 法测定，土壤含水量利用烘干法测定[15]。

1.3 分析方法

1.3.1 数据分析方法 运用Excel 2019 和SPASS 对得到的数据进行基本统计分析，单因素方差分析（Oneway ANOVA）和LSD 差异显著性检验默认设定水平为P ＜0.05。不同树种下雅连土壤指标对雅连单支重量和折干率的影响利用Canoco5.0 进行典范对应分析并排序，筛选出影响不同树种下雅连单支重量和折干率的主要土壤质量指标。

1.3.2 土壤肥力质量的综合评价方法 经CCA 排序后确定的土壤肥力质量指标，去掉不需要的指标，在SPASS 中经过数据标准化，继而进行Bartlett 球形度检验。检验后的数据经因子分析得到相关因子特征值和方差贡献率、因子载荷矩阵、各群落因子得分和综合评价值及其排名，由公式（1）计算各群落类型下土壤肥力质量评价分值[16,17]。

式中，SFQAV 为土壤肥力质量评价分值；ai为各因子的方差贡献率；zi为因子得分，zi=∑wijxij，wij为第i 个变量在第j 个因子处的因子得分系数，xij为第i 个变量在第j 个因子处的标准化值。

2 结果与分析

2.1 不同树种下雅连土壤理化性质比较

结合全国第2 次土壤普查土壤养分分级标准[18]，对洪雅县雅连主产区不同树种下土壤理化性质统计分析表明（表2）：6 种不同树种和对照组的雅连土壤理化性质均存在不同程度的差异。在珙桐、少花桂、猫儿屎和枫杨下的土壤含水率较高，分别为56%、57%、53%和55%，显著高于核桃树、漆树和对照土壤含水率，其中对照组土壤含水量最低为37%。表明林地土壤保持水分的能力明显得到提高，但是不同类型的树种保持水分的能力不相同。

表2 不同树种下雅连土壤pH 和理化性质Table 2 Soil pH and physical and chemical properties of C.deltoidea under different tree species

不同树种下土壤pH不同，除漆树下土壤pH（4.43）小于对照（4.88）外，其余树种下土壤pH 总体大于对照，其中猫儿屎、漆树和对照组土壤pH 小于5，酸性较强，珙桐下雅连土壤pH（6.22）最高，除珙桐外，其余6 种不同树种下土壤的平均pH范围为4.7~5.35，不同树种下土壤pH 存在显著性差异。有机质含量在猫儿屎和珙桐树下的土壤中含量最高，在少花桂下的土壤中含量低，且其含量远远高于国家一级水平标准（40 g/kg）。

不同树种下土壤有机质以猫儿屎最高（196.37g/kg），少花桂最低（79.361 g/kg），二者呈显著差异水平（P ＜0.05），其他树种下土壤有机质含量差异不显著。不同树种下土壤全氮含量差异不显著，但是全磷和全钾存在显著性差异且均为少花桂下土壤中含量最高，其中土壤全磷在漆树下含量最低（3.3 g/kg），且高于国家一级标准（1g/kg）；土壤全钾在核桃树下含量最低（7.2g/kg），处于国家五级水平，在少花桂下含量最高（13.56 g/kg），处于国家四级水平，不同树种下土壤全钾含量总体均低；速效磷在少花桂下含量最高（312.5 mg/kg），在天竺桂下含量最低（81.15 mg/kg），其含量高于国家一级水平（40 mg/kg），速效钾在珙桐下含量最高（780 g/kg），在漆树下含量最低（247.04 mg/kg），其含量高于国家一级水平（200 mg/kg）。

通过对不同树种下雅连土壤中微量元素的分析，见图1，除铁元素外，土壤中的中微量元素钠、镁、铝、钙等均存在差异性，其中，铝、钙和锌元素在珙桐和少花桂下总体含量最高，在枫杨和漆树下土壤中总体含量最低；钠和铜元素在猫儿屎下土壤中含量最高，在少花桂和枫杨下土壤中含量最低。结果表明，少花桂和珙桐树下土壤中的各种矿质元素含量较高，而漆树下土壤中的各种矿质元素含量较低。

图1 不同树种下雅连土壤的矿质元素含量Fig.1 Contents of mineral elements in C.deltoidea soil under different tree species

2.2 不同树种与其下雅连土壤相关性分析

不同树种下雅连的生长发育受各种环境因子的综合影响，CCA 排序的结果表明，不同的树种类型和土壤理化性质有极显著的相关性（Monte Carlo Test，P =0.002 ＜0.01），图2 中第一排序轴和第二排序轴中的贡献率分别为51.52%和20.69%，二者累计贡献率达到72.21%，说明CCA 结果可用于筛选土壤因子。在影响不同树种下雅连的土壤理化性质中（图2），AK（速效钾）、pH 和AP（速效磷）的箭头较长且与所在坐标轴的夹角较小，说明这3 个因子对不同树种下土壤理化性质影响大且相关性高。由CCA 分析可知AK、pH和AP 在不同树种下土壤中存在显著性，其中珙桐和少花桂下土壤中pH 高于其他树种和对照组，且珙桐下土壤中pH 与其他树种下土壤pH 存在显著性（P ＜0.01），少花桂下土壤中AP 高于其他树种下土壤AP且在不同树种下土壤中存在显著性差异（P ＜0.05），珙桐下土壤中AK 高于其他树种下土壤AK 且在不同树种下土壤中存在极显著性差异（P＜0.001）。结合图2 结果可知这3 个土壤因子在一定程度可以作为不同树种下土壤的理化性质的关键因子。

图2 不同树种与土壤因子的典范对应分析Fig.2 Canonical correspondence analysis between different tree species and soil factors

Cu、Mg、Na 和OM（土壤有机质）等4 个因子的箭头连线较短，与所在坐标轴的夹角较大，且与树种无显著的相关性（monte carlo test，P ＜0.05），结果表明，这4 种因子对不同树种下土壤理化性质的影响不明显。为了使所得结果更加准确，选择CCA 和箱型图相结合的分析方式，进一步对筛选所得的14 个土壤理化指标进行土壤质量综合评价。

2.3 不同树种下雅连土壤综合评价

因子分析是从多个变量里面筛选部分综合变量的一种降维多元统计方法，用以达到数据简化的目的[14]。本研究对除去Cu、Mg、OM 和Na 等因子后的14 个土壤理化性质进行的Bartlett 球形检验的显著系数为P=0.00 ＜0.05，表明数据适合做因子分析。经因子分析得到因子特征值和方差贡献率、因子载荷矩阵、不同树种下土壤的因子得分及综合评价值，通过各个土壤因子量化的方法得到最后的综合评价，用以筛选出不同树种下土壤综合质量排名。

按照特征值＞1 的原则，抽取了4 个公因子（表3），其特征值分别为5.12、2.95、2.17 和1.40，累计方差贡献率达83.13%，表明因子分析用于评价土壤质量是可靠的。由因子载荷矩阵（表4）及因子特征值和方差贡献率（表3）可知，因子1 包含了原始信息的36.57%，主要支配TK、TP、Ca、Fe、Mn 和Zn 等指标（因子载荷值的绝对值＞0.65）；因子2包含了原始信息的21.09%，主要支配指标为AP、NH4+-N 和NO3--N；因子3 包含了原始信息的15.47%，主要支配pH、AK；因子4 包含了原始信息的10.00%，主要支配指标为Al。

表3 因子特征值和方差贡献率Table 3 Factor eigenvalue and variance contribution rate

表4 因子载荷矩阵Table 4 Factor load matrix

经因子分析进行处理的14 个土壤理化指标，其得分系数矩阵和标准化数据值加权，4 个公因子可获得在不同树种下土壤水平中的得分，所以由各因子得分和方差贡献率加权得到不同树种下土壤质量综合评价分为（表5）：少花桂（0.337）＞珙桐（0.240）＞对照（0.037）＞核桃树（-0.067）＞猫儿屎（-0.070）＞枫杨（-0.096）＞漆树（-0.381）。这一结果表明相比对照组，少花桂和珙桐下土壤综合质量高且与对照差异明显，核桃树、猫儿屎、枫杨和漆树下土壤质量较低，其中核桃树和猫儿屎综合评分几乎相同，漆树下土壤质量评分最低且与其他树种下土壤评分差异明显。

3 讨论

土壤中重要的化学因子pH 是影响仿生栽培类植物选地的关键性指标之一，其对有机质的积累和分解以及营养元素的释放、转化、迁移及其有效性都有直接的影响[19,20]。本研究发现，珙桐、少花桂、猫儿屎、核桃树和枫杨下土壤pH 高于对照组，漆树下土壤pH 低于对照组，这与雷泽勇等[21]研究相类似。分析原因可能是树种类型、树龄和所取土壤的深度（本研究取土为雅连根部土壤，范围为15~30cm）和含水率等会影响凋落物在土壤中的分解、分解后的养分组成类型和比例以及土壤微生物群落等，从而影响土壤酸碱度。另外，已有研究表明适宜雅连生长的土壤pH为5.5~6.5[22]，但随着雅连种植年限的增加，土壤趋向于酸化[23]，本研究也发现珙桐和少花桂下的土壤pH 接近最适pH的范围，但漆树下土壤pH 较低，可能会出现酸化现象。由于每种药材的生长都有其适宜的pH，土壤过酸或过碱都会抑制药材的生长[24]，可见选择适宜的树种后土壤pH 改变，这可能有助于提高雅连生长过程中抵抗环境胁迫的能力，提升雅连品质和存苗率等。

不同树种对雅连生长土壤中的有机质、钾元素和磷元素均有影响。在森林生态系统中，凋落物是土壤养分主要来源，树种和落叶量更是直接影响土壤养分含量[25]，但是不同树种对土壤养分产生不同的影响，如张璐等[26]研究发现樟树和唐竹有利于提高土壤碱解氮，但不利于提高磷含量。本研究中珙桐树下的土壤速效钾和有机质的含量高于其他处理，可能是珙桐在该地区的生长年限较长，产生了较厚的枯落层，经过微生物分解所产生的腐殖质较多，因此珙桐树下土壤中的有机质含量也较多。同时，作为植物生长所需的主要肥力之一，钾元素也是影响雅连生长的主要因素，虽然速效钾是能够被植物直接吸收的类型，但容易发生淋溶与洗脱，因此在山地环境中，速效钾会因降雨而发生沿坡向流失或积累，这将导致其碎片化随机分布[27]。本文采样地坡度范围为55~60°，坡度较陡，在6 种不同树种中珙桐的树龄较高，枝叶覆盖面积较广，能够有效地缓解由降雨带来的速效钾流失的现象，而漆树树龄较低且分布不广，则使速效钾含量较低，所以这可能是造成珙桐和漆树下土壤速效钾差异较大的原因之一。另外，本研究还发现少花桂下雅连土壤中速效磷和全磷的含量高于其他处理，由于磷是一种长期沉积性矿物质元素，主要来源于岩石的风化和凋落物的矿化[28-30]，此过程相对漫长，而该地区存在较多人工种植的少花桂，其凋落物层较厚，所以这些凋落物可能通过影响岩石分化，进一步影响磷的含量，最终使少花桂下土壤的磷含量总体较高，这一结果也与许彦崟[31]的研究相符。总体而言，本研究发现少花桂和珙桐下土壤养分供应能力总体大于其他树种和对照组，而氮、磷、钾是植物生长发育的三要素，全量和速效养分含量分别代表土壤养分潜在供应能力和实时供应能力[32]，说明这两种树种有利于雅连的生长发育。

某些无机元素对中药材的生长、药效物质的积累及功效的发挥具有重要的作用，如钾、硼、钼、铜、锌等元素是植物体内酶或辅酶的重要组成部分，在植物生长发育过程中起着不可缺少的作用[33]，周利和郭兰萍等[34]研究表明不同产地的黄连样品中无机元素的含量差异较大，其中K、Mg、Mn、Zn、Fe 含量最高，还有研究认为土壤中的中微量元素含量会在一定程度上影响植物药材的微量元素的含量，并对植物的不同部位产生不同的影响[35,36]。在本研究中，土壤中的Fe、K、Mn、Zn等在不同树种和对照存在差异（图1 和图2），在少花桂和珙桐树下的总体含量高，可能的原因是珙桐树和少花桂的凋落层多，影响土壤中的中微量元素的积累。另外，这些元素的积累可能影响雅连有效成分和品质，所以在后续的研究中，我们将针对土壤中的中微量元素、雅连中的中微量元素及其有效成分和独特的功效展开研究。

4 结论

本文通过典型对应分析和因子分析，对四川省眉山市洪雅县瓦屋山镇6 种不同树种下的土壤质量进行了综合评价，发现土壤pH、速效钾和速效磷是影响最大的土壤因子；土壤无机元素（Ca、K、Mn 和Zn 等）在不同树种均存在差异性，且在少花桂和珙桐树下土壤中含量最高。本研究表明少花桂和珙桐树下雅连土壤质量综合评价最佳，适宜于雅连的仿生栽培；漆树和枫杨下综合评价最低，不宜于雅连的仿生栽培。综上所述，土壤pH、速效磷、有效钾及钙、锰、锌可以作为雅连产区土壤质量评价监视因子，并建议优先选择少花桂和珙桐作为选林的树种。