昆陽磷礦植被修復土壤理化與生物學性狀的典型相關分析

和麗萍, 方向京, 李貴祥, 孟廣濤, 邵金平, 畢 波

(云南省林業科學院， 昆明 650204)

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昆陽磷礦植被修復土壤理化與生物學性狀的典型相關分析

和麗萍, 方向京, 李貴祥, 孟廣濤, 邵金平, 畢 波

(云南省林業科學院， 昆明 650204)

深入了解昆陽磷礦植被修復土壤理化性狀指標與生物學各個性質指標之間的關系，可為進一步篩選土壤質量評價指標提供參考依據。選擇了昆陽磷礦旱冬瓜人工林6個不同植被恢復年限樣地，研究其土壤厚度、容重、孔隙度、毛管孔隙度、含水量、pH值、有機質、堿解氮、全氮、有效磷、全磷、速效鉀、全鉀和土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、氮礦化速率、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、脲酶的關系，綜合土壤13個理化性狀指標和6個生物學性狀指標的典型相關分析得到4對典型變量，其典型相關系數分別為0.997 0，0.988 9，0.879 9，0.856 8，均達到極顯著水平(p≤0.01)，說明土壤理化性狀和生物學性狀存在顯著相關關系，而這兩組性狀的顯著相關主要是由土壤堿解氮、有機質、有效磷、全磷、pH值和微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、氮礦化速率、脲酶的密切相關引起的，其中有機質與微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、脲酶之間呈極顯著相關，有效磷、全磷與氮礦化速率、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量碳(MBC)也呈極顯著相關，堿解氮、pH值與微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、脲酶呈極顯著相關，全氮與β-葡萄糖苷酶、氮礦化速率、微生物生物量氮(MBN)呈極顯著相關。

土壤理化性狀; 生物學性質; 典型相關分析; 昆陽磷礦植被修復

昆陽磷礦是中國大型露天磷礦石生產基地之一，在國內磷礦生產企業中具有重要的地位，為我國的磷化工業和農業生產的發展做出了重大貢獻[1]。但是多年來的開采，對地質環境造成了一定影響與破壞，誘發了一系列地質災害和地質環境問題。項目組前期通過植被修復，在保持磷礦開采同時有效扼制了礦區生態環境的退化，并逐步恢復已退化的礦區生態系統[2-3]。同時，植被的恢復與重建也促進了土壤的形成發育，使土壤的性質得到改善，土壤質量及肥力明顯提高[4-9]，植被的恢復增加了礦山廢棄地土壤的養分含量[10]。

當環境條件發生改變時，土壤性質隨之改變，各性質之間的關系也會發生相應的變化[4]。典型相關分析是研究兩組變量之間相關關系的一種統計方法，是把兩組變量間的相關變為兩個新的變量之間的相關，而又不拋棄原來變量的信息[11-13]。這兩個新的變量分別是由第一組變量和第二組變量的線性組合構成的。同時，相關系數的大小可以反映出變量之間所包含信息的重疊程度，這也是篩選土壤質量評價指標的參考依據[14]。為了更深入地研究各個性質之間的關系，本文通過典型相關性分析，探討昆陽磷礦廢棄地植被恢復土壤質量之間的相互效應，以尋求它們之間的內在關系，為進一步篩選土壤質量評價指標提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

昆陽磷礦位于昆明市西南72 km，東經103°31′10″—103°34′48″；北緯24°12′58″，滇池南端西側2 km處。研究區氣候屬于北亞熱帶季風氣候。雨量充沛，日照充足，年平均溫度14.5℃，歷年平均降水量為917.7 mm，降雨占全年降水量的87%，屬于氣候溫和雨量適中的地區。，按“中國植被區劃”，該區在亞熱帶常綠闊葉林區域之內，土壤主要為紅壤及沖積土。因長期遭受人為破壞，常綠闊葉林已不存在，現有的各種植被類型都是在原有植被破壞后，經過植被恢復過程而形成的次生植被。廣大的采區及排土場主要為平臺覆土。礦區周圍的植被大體可分為森林、灌叢、灌草叢和栽培植被四大類型。礦區附近的森林以暖溫性針葉林為主，主要有云南松(Pinusyunnanensis)次生林和華山松(Pinusarmandii)林，此外有以旱冬瓜為主的落葉闊葉林。灌叢主要由落葉灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)組成，其中也有一些常綠種類如杜鵑(Rhododendronsimsii&R.spp)、水紅木(Viburnumcylindricum)、楊梅(Myricarubra)等，但數量較少，另外在灌叢中零星生長著云南松、華山松等喬木樹種，形成稀樹灌叢。灌草叢主要是由喬本科植物組成的禾草灌草叢。在禾草灌草叢中除草本植物外，常有少量灌木種類存在。栽培植被主要為旱地作物，在靠近村莊附近水分條件好處有小面積菜地。

1.2 試驗材料

本研究所選樣地都是采用平臺覆土的方式進行植被恢復的，但是覆土的厚度不一致，主要成分都是以采場剝離表土—紅壤為主，同白云巖、黑頁巖和風化巖石混合而成，通過昆陽磷礦提供的2005年，2006年，2007年和2008年平臺覆土化學物理性質比較，差異不明顯，所以在分析時只考慮0—20 cm土壤層的狀況。在礦區已經植被恢復的土地上根據不同年代組合恢復模式選擇出8塊旱冬瓜人工林樣地(樣地概況詳見表1，2，其中以平臺覆土A，B為對照)作為研究對象，分別設定4個20 m×20 m的大樣方，然后在每個大樣方內，根據研究的目的不同再分別設置2個小樣方進行試驗。于2010年7月中旬至8月中旬采樣。采樣方法為S形5點取樣混合四分法。對采回的土壤樣品先放在無太陽直射、相對無風、清潔的房間自然風干，再取風干樣品100 g，用木錘搗碎后過20目尼龍篩，然后從中取50 g左右在瑪瑙研缽中進一步磨細，充分研磨后使其全部過100目尼龍篩，研磨過后的樣品混勻，裝袋密封保存，貼標簽、編號，以待測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤理化性質指標測定 土壤容重、孔隙度測定采用環刀法、烘干法；土壤有機質測定采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法；土壤全氮、堿解性氮測定采用硫酸—高氯酸消化—堿解擴散法、堿解擴散法；土壤全磷、有效磷測定采用硫酸—高氯酸消化—鉬銻抗比色法、氟化銨—鹽酸提取—鉬銻抗比色法；土壤全鉀、速效鉀測定分別采用硫酸—高氯酸消化—火焰分光光度法、乙酸銨提取—火焰分光光度法；土壤pH值采用電位法[15]。

1.3.2 土壤生物學性狀指標測定土壤微生物生物量C(MBC)和N(MBN)根據氯仿熏蒸提取法[16]測定；土壤礦化氮(N)采用厭氧培養法測定；土壤β-葡萄糖苷酶采用p-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷(PNG)作底物，37℃恒溫振蕩培養箱中培養1 h，400 nm 處比色法測定[17-18]；脲酶活性按姚槐應[16]的方法測定：稱新鮮土10 g，加入2 ml 甲苯，10 ml 100 g/kg 尿素溶液和20 ml pH值為6.8檸檬酸—磷酸緩沖液，搖勻后于38℃下培養3 h。培養結束后，用38℃水稀釋至100 ml，搖蕩，過濾，測定578 nm 處的吸光度。脲酶活性按釋放NH3-N mg/(kg·3 h)表示；酸性磷酸酶活性測定[16]：用ρ-硝基苯基磷酸酯為底物，加pH 5.5，0.1 mol/L的Tris的緩沖液測定酸性磷酸酶活性。

表1 各樣地概況一覽表

1.4 土壤數據分析

典型相關分析是一種研究兩組變量間相關關系的多元統計分析方法，用以找出第一組p個變量的線性組合，同時找出第二組q個變量的線性組合，使其具有最大的相關，然后又在每一變量中找出第二對線性組合，使它們具有次大的相關，將此進行下去，直到每組變量間相關系數被提取完為止，每對變量的表達式為：

U=a1x1+a2x2+…+apxp

(1)

V=b1y1+b2y2+…+bqyq

(2)

式中:a1，a2，…，ap和b1,b2,…，bq——待定系數，U和V間的相關系數，即“典型相關系數”，用來度量2個線性函數間的聯系強度，以提示“兩組”指標間的內部聯系，而這兩組指標的內容可以不同，研究中利用SAS軟件，以土壤理化性狀為“一組”指標，土壤生物學性質為“一組”指標進行分析。

2 結果與分析

2.1 礦區植被恢復地土壤理化性狀

昆陽磷礦廢棄地土壤隨著恢復年限的增加，土壤物理結構在不斷地改善，風化逐步增強，致使大顆粒在逐漸減少，小顆粒在逐漸增加；土壤容重均比對照(1.50 g/cm3)大大減少，說明經過植物的改良作用，對土壤特別是表層土壤的改良效果明顯，表層土壤的容重確實減小了，土壤的抗蝕性能也提高了；植被恢復初期，土壤孔隙度和毛管孔隙度總體增大，在群落恢復至10 a后，表層土壤孔隙度穩定在50%以上，毛管孔隙度穩定在42%以上；隨恢復年限的增加，礦區植被修復土壤含水量和土壤pH值隨恢復年限的增加，呈現先增后減現象，礦區恢復地表層土壤含水量10 a生林地達最大，pH值趨于中性；不同恢復年限土壤全氮量和堿解氮總的變化趨勢是隨著恢復年代的增加先減小再增大；礦區恢復地土壤全磷和速效P含量、全K和速效K隨植被恢復年限的增加呈增大的趨勢；不同恢復年限土壤有機質隨恢復年代的增加呈現遞增的趨勢，從植被恢復土壤與對照土壤中有機質比較分析來看，恢復初期的有機質增長速度最快，各樣地的土壤理化含量顯著高于未進行植被恢復的對照樣地土壤含量水平。

2.2 礦區植被恢復地土壤生物學性狀

分析結果顯示，土壤微生物生物量隨恢復年限增加明顯，MBC和MBN比對照樣地CK(平臺覆土)分別增長9%～14%(見表5)。氮礦化速率和三種酶活性也隨植被恢復年限增加顯著。經過24 a的恢復，N礦化、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和脲酶分別大于對照組為2.5，2.6，1.3，2.7倍。

研究顯示，磷脂脂肪酸總和及指示器磷脂脂肪酸的比率在植被恢復期間大大的增加，表示不同的官能團也發生了較大的變化(表6)。土壤叢枝菌根真菌磷酸脂肪酸標記16∶1 ω5c隨植被恢復年限增加逐漸增加。另一種真菌磷酸脂肪酸標記18∶2 ω6,9c 也隨恢復年限的增加而增加。此外，觀察到放線菌磷酸脂肪酸標記17∶0 10Me和18∶0 10Me也顯著增加。革蘭氏陰性菌磷酸脂肪酸標記18∶1 ω7c和17∶0 cyclo隨恢復年限增加而減少；而革蘭氏陽性菌磷酸脂肪酸標記15∶0 iso隨恢復年限的增加而增加，從而導致明顯高于G+∶G-。植被修復后土壤比污染土壤具有較高的真菌/細菌比，但在恢復的整個過程中沒有顯著差異。

表2 不同恢復年限的土壤物理性質

表3 不同恢復年限的土壤pH值及土壤全量養分

表4 不同恢復年限的土壤有機質及土壤速效養分

表5 不同的恢復年限土壤微生物生物量和酶活性的變化

注：數值為三次重復的平均值和標準差，同一列中不同字母表示存在差異(p<0.05)。MBC：微生物碳，MBN：微生物氮。下同

表6 不同恢復年限磷酸脂肪酸標記的變化 μg/g

2.3 礦區植被恢復地土壤理化性狀與生物學性狀的典型相關分析

設土壤理化性質為變量x，生物學特性為變量y，理化性狀指標：土壤厚度(x1)、容重(x2)、孔隙度(x3)、毛管孔隙度(x4)、含水量(x5)、pH值(x6)、有機質(x7)、堿解氮(x8)、全氮(x9)、有效磷(x10)、全磷(x11)、速效鉀(x12)、全鉀(x13)；生物學特性指標：微生物生物量碳(MBC)(y1)、微生物生物量氮(MBN)(y2)、氮礦化速率(y3)、β-葡萄糖苷酶(y4)、酸性磷酸酶(y5)和脲酶(y6),進行典型相關分析，得到6組典型變量。

表7 礦區植被恢復地土壤理化性狀與生物學性狀的典型相關分析結果

注：**表示相關性達極顯著水平(p≤0.01)，*表示相關性達顯著水平(p≤0.05)。

從表8可以看出，第1組相關系數(0.997 0)、第2組相關系數(0.988 9)、第3組相關系數(0.879 9)和第4組相關系數(0.856 8)達到極顯著水平，第5，第6組均不顯著。

2.4 典型變量和與典型變量有關形狀的相關系數

提取前4組典型變量數據進行分析，其中U表示土壤理化性狀綜合含量；V表示土壤生物學性狀綜合質量。

礦區植被恢復地土壤化學性狀與物種多樣性性狀的第1組、第2組、第3組和第4組典型變量(U1，V1，U2，V2，U3，V3，U4，V4)具有顯著性意義，由于數據單位不統一，可通過換算的標準變量的典型相關換算系數來分析變量(U，V)間的相關關系，標準化線性組合由表8可知，第1組標準化線性組合為：

表8 典型變量和與典型變量有關形狀的相關系數

U1=0.0618x1+0.0546x2+0.0919x3+0.0598x4-0.0916x5+0.1372x6-1.1795x7-0.2985x8+0.3092x9-0.1255x10+0.0998x11-0.0171x12-0.0249x13V1=1.2589y1-0.1763y2-0.0401y3-0.2996y4+0.2276y5+0.0000y6

第2組標準化線性組合為：

U2=0.1860x1+0.2461x2-0.0756x3+0.1880x4-0.4134x5-0.1654x6-2.2626x7+0.8665x8+0.6544x9-2.4677x10+2.0871x11+0.5075x12-0.0702x13

V2=0.2163y1-0.8913y2+1.4065y3+0.2503y4-0.5905y5-0.2491y6

第3組標準化線性組合：

U3=-0.2348x1-0.4330x2-0.0476x3-0.1192x4+0.4212x5-2.2412x6-6.0717x7+6.6234x8-1.5867x9-4.0176x10+3.1081x11+1.9957x12+0.4528x13

V3=1.4933y1-1.6028y2+0.7868y3-0.5552y4+0.5740y5-0.9804y6

第4組標準化線性組合：U4=-0.2683x1+0.1392x2-0.9174x3-0.5411x4+0.3447x5+0.8831x6+1.0113x7+2.1290x8-2.0469x9+1.4021x10-0.9755x11-0.9435x12+0.5072x13V4=-0.6013y1-1.7453y2-2.5739y3+3.8294y4+0.5710y5+0.5161y6

從以上4組標準化線性組合中可以看出，達到極顯著的第1，2，3和4組典型變量中，在U1各系數中，土壤理化性狀起主要作用的是x7，即土壤有機質，土壤生物學性狀中起主要作用的是y1，即微生物生物量碳(MBC)，說明土壤有機質與微生物生物量碳(MBC)顯著相關；U2各系數中，土壤理化性狀起主要作用的是x7，x10和x11，即有機質、有效磷和全磷，生物學性狀中起主要作用的是y3和y2，即氮礦化速率和微生物生物量氮(MBN)，說明土壤有機質、有效磷和全磷與氮礦化速率和微生物生物量氮(MBN)顯著相關；U3各系數中，土壤理化性狀起主要作用的是x8，x7，x10，x11和x6，即堿解氮、有機質、有效磷、全磷和pH值，生物學性狀中起主要作用的是y1，y2和y6，即微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和脲酶，說明土壤堿解氮、有機質、有效磷、全磷和PH值與微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和脲酶顯著相關；在U4各系數中，土壤理化性狀起主要作用的是x8和x9，即堿解氮和全氮，生物學性狀中起主要作用的是y4，y3，y2即β-葡萄糖苷酶、氮礦化速率、微生物生物量氮(MBN)，說明土壤堿解氮和全氮與樣β-葡萄糖苷酶、氮礦化速率、微生物生物量氮(MBN)關系密切。

3 結論與討論

1) 恢復初期，昆陽磷礦植被修復土壤孔隙度和毛管孔隙度總體增大；隨著恢復年限的增加，土壤容重均比對照大大減少，土壤含水量和pH值呈現先增后減現象；全氮和堿解氮含量總的變化趨勢是先減小再增大；全磷和速效磷、全鉀和速效鉀含量呈增大趨勢；有機質呈現遞增的趨勢；植被恢復促進了土壤微生物群體的生長，也刺激了土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。

2) 研究發現，隨著植被恢復年限的增加，土壤性質隨之改變，各性質之間的關系也發生了相應的變化。研究不同植被修復土壤理化性狀及生物學性狀指標之間的相關關系不僅可以反映出土壤各個性質之間的密切程度，有助于合理解釋植被恢復與土壤性質的變化之間的響應，而且還可以通過土壤各個性質的直接、間接影響程度建立土壤各屬性指標之間的轉換函數。同時，相關系數的大小可以反映出變量之間所包含信息的重疊程度，這也是篩選土壤質量評價指標的參考依據[14]?；谳^多的目標性狀，本研究借助新的多元統計方法——典型相關分析法對包含不同數量性狀指標的兩組變量進行相關關系研究，并使兩組變量構成彼此獨立而不相關的典型變量，而且每組變量的數目可以是不等的，進行多個數量性狀綜合選擇。

3) 標準化線性組合系數反映了各單個變量對典型變量這個綜合指標的影響，系數值越大影響越顯著，對應的變量即為該典型變量的主要變量。研究表明，土壤理化性狀和生物學性狀存在相關關系，而這兩組性狀的顯著相關主要是由土壤堿解氮、有機質、有效磷、全磷和pH值和微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、氮礦化速率、脲酶的密切相關引起的，其中有機質與微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、脲酶呈極顯著相關，有效磷、全磷與氮礦化速率、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量碳(MBC)呈極顯著相關，堿解氮、pH值與微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、脲酶極顯著相關。

4) 土壤各個性質之間相關系數的大小可作為篩選土壤質量評價指標的參考依據[5]，通過典型相關分析，初步篩選出土壤堿解氮、有機質、有效磷、全磷和pH值可作為昆陽磷礦植被修復土壤質量評價的理化特性指標，微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、氮礦化速率和脲酶可作為昆陽磷礦植被修復土壤質量評價的生物學特性指標。

5) 本研究僅對礦區修復土壤的物理和化學性質中的主要影響土壤質量的指標作了初步的研究，土壤質地、土壤機械組成、土壤抗沖性沒有研究，這些都是土壤物理性質中較重要的參數，下一步應對此進行深入的研究。

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Analysis of Canonical Correlation Between Soil Physical, Chemical and Soil Biological Properties in Vegetation Restoration Area of Kunyang Phosphorite Mine

HE Liping, FANG Xiangjing, LI Guixiang, MENG Guangtao, SHAO Jinping, BI Bo

(YunnanAcademyofForestry,Kunming,Yunnan650204;China)

In order to understand the relationship between soil physical and chemical properties as well as biological charateristics of the various indicators in vegetation restoration area of Kunyang phosphoritemine, apatite plantations with eight different vegetation restoration years in Kunyang were selected to examine the soil thickness, bulk density, porosity and capillary porosity, water content, pH value, organic matter, alkali-hydro nitrogen, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium, total potassium and soil microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN), nitrogen mineralization rate, beta glycosidase enzymes, acid phosphatase, urease, 4 typical variables were obtained through canonical correlation analysis for the relationship between 13 soil physicochemical property indexes and 6 soil biological character indexes, and the canonical correlation coefficients were 0.997 0, 0.988 9, 0.879 9 and 0.997 0, respectively, which have reached very significant level (p≤0.01) .There were significant correlation between soil physical and chemical properties and biological properties. Organic matter and MBC, MBN were very significantly correlated, urease, effective phosphorus, total phosphorus and nitrogen mineralization rate and MBN, MBC were significantly correlated, alkali solution nitrogen, pH, MBC, MBN, urease were significantly related to total nitrogen and beta glycosidase enzymes, MBN, nitrogen mineralization rate were significantly related.

soil physical and chemical properties; biological properties; analysis of canonical correlation; vegetation restoration area of Kunyang phosphorite mine

2014-05-21

2014-07-14

國家自然科學資助項目(41361076)；“十二五”環境領域國家科技計劃課題(2012 BAC09 B03)

和麗萍(1972—),女,云南麗江人,副研究員,主要從事土壤生態學和山地災害恢復研究。E-mail:kmhlp@sina.com

李貴祥(1975—),男,云南祿豐人,副研究員,主要從事林業生態工程、水土保持研究。E-mail:lguxiang7558@126.com

S156

1005-3409(2015)02-0058-06