喀斯特山區無籽刺梨種植基地土壤質量特性

楊皓+李婕羚+范明毅+胡繼偉+李朝嬋

摘要： 以貴州喀斯特山區典型無籽刺梨（Rosa sterilis S.D.Shi）種植基地的根際土壤為對象，運用野外定點采樣和室內分析方法，研究不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤質量特征；采用空間替換時間的方法，分析土壤質量因子之間的關系及其影響因素，研究不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤質量對植被恢復的響應。結果表明：不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤化學、物理和生物指標差異明顯，并且隨著種植年限的增加，土壤質量有所改善；有機質、氮素、土壤酶活性、磷素和鉀素是影響土壤質量的重要因子，對研究區的土壤養分循環與積累有重要的作用；無籽刺梨的種植有利于喀斯特石漠化地區生態修復和土壤質量的改善，可作為生態重建的經濟樹種。

關鍵詞： 土壤質量；無籽刺梨；喀斯特山區；種植基地；林齡；植被恢復

中圖分類號：S182；S714.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0385-05

貴州喀斯特山區石漠化是一種脆弱生態地質背景下與人類活動相關聯的土地退化，人為干擾加劇了土壤質量的下降[1]，主要表現在地表形態的變化、土壤質量變劣和植被衰退[2-3]，其中土壤質量變化是石漠化的本質，重點表現在水土流失，土壤物理、化學和生物學性質退化以及土壤發生層次變化[3]。植物修復是治理山區石漠化的一項重要措施，但由于石漠化的土壤碳酸鹽成土速率較低，水土易流失，導致土壤貧瘠和肥力下降，極不利于植物生長，選擇適應性好的植物種類至關重要。當前，學者們側重于對沙漠地區土壤質量變化進行研究[4]，且以地表形態和植被變化分析為主，對喀斯特山區退化生態環境恢復與重建的研究相對較少，且針對無籽刺梨（Rosa sterilis S.D.Shi）進行植被恢復的研究未見報道。

無籽刺梨別稱金刺梨，為薔薇科薔薇屬植物，為淺根性果樹，環境適應力強，產量高，結果期較長，果實營養豐富，含糖量高，富含多種維生素、氨基酸和微量元素[5-7]。在植被恢復過程中，無籽刺梨因其較高的經濟、社會與生態效益，成為貴州石漠化地區生態重建的首選經濟樹種之一，適宜在喀斯特地區栽種。利用無籽刺梨進行植被恢復有別于闊葉植物，對土壤性質變化的研究具有典型性和代表性[8-10]。因此，本試驗選擇喀斯特山區植被恢復過程中的土壤質量變化進行研究，探討無籽刺梨對土壤質量的影響程度和機理，以期為貴州喀斯特山區生態建設提供科學依據及理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

土壤質量是維持地球生物圈最重要的因子之一，易受成土環境和外部干擾的影響[11]。試驗根據果樹林齡的不同，選擇喀斯特山區不同林齡的無籽刺梨種植基地作為研究區，包括貴陽市烏當區、安順市西秀區和黔西南州興仁縣，均位于貴州中西部，屬于巖溶高原與丘陵地貌，也屬于國家科技部劃定的石漠化工程治理區域；屬中亞熱帶季風濕潤性氣候，降水集中，無嚴寒和酷暑；研究區種植基地的無籽刺梨長勢較好，初具規模和示范效應。以空間替換時間的方法研究無籽刺梨種植過程中土壤質量的變化，興仁縣為無籽刺梨的原產地，選擇種植年限1～2年的無籽刺梨基地；西秀區為人工種植的較早產地，選擇種植年限8～9年的無籽刺梨基地；烏當區為近年發展較好的產地，選擇種植年限3～4年的無籽刺梨基地（表1）。

1.2 樣品采集

于2014年11月中旬，在選定的3個采樣地，采用GPS定位每個采樣點的位置；在對研究區前期實地走訪調查的基礎上，按“S”形混合取樣法，采集10～15個根際0～20 cm土層深度的土樣，包括環刀樣和農化分析樣；室內剔除石粒、植物塊根，研磨，過100目篩，供試驗與測試分析用。

1.3 樣品分析

根據實驗室條件，參照《森林土壤分析方法》和《土壤酶及其研究法》[12-13]，測定pH值、有機質含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有效鋅含量、有效鐵含量、有效銅含量和有效錳含量等土壤化學指標，土壤含水量、容重、田間持水量、總孔隙度和毛管持水量等物理指標以及土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性等生物指標，均做平行測定和空白試驗。有機質、全氮、全磷、全鉀含量單位為g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、有效鐵、有效銅、有效錳含量單位為mg/kg；土壤容重單位為 g/cm3，土壤含水量、田間持水量、總孔隙度和毛管持水量單位為%；過氧化氫酶單位為mL/（g·20 min）[以消耗的0.1 mol/L KMnO4 體積數（mL）計算]，蔗糖酶單位為mg/（g·d）[以葡萄糖質量（mg）計算]，脲酶單位為mg/（g·d）[以NH3-N 質量（mg）計算]。

1.4 數據分析

對數據進行K-S正態性檢驗；采用Excel 2003和SPSS 19.0對土壤質量指標進行描述性分析、相關性分析和主成分分析等。

2 結果與分析

2.1 不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤化學指標差異

喀斯特山區生態修復是一個長期而艱難的任務，具備植被恢復的氣候條件，但長期的水土流失致使土體淺薄，土壤養分流失，土壤的調節與緩沖功能下降，導致植被生存的基礎環境惡化，植被恢復極為困難。喀斯特山區生態修復的首要問題是提高該地區土壤的數量與質量，減少肥沃土壤的流失，為植被恢復提供適宜的土壤條件。有資料表明，土地利用方式變化，會導致土壤肥力情況也發生相應的變化[14]。對不同林齡的無籽刺梨種植基地根際土壤樣品進行分析（圖1）發現，無籽刺梨的種植對喀斯特山區土壤肥力的影響是積極的，隨種植年限的增加，土壤pH值從6.83降至6.38，土壤酸堿度呈下降趨勢，可能是凋落物分解與根系分泌物作用所致；研究區有機質含量較為豐富，林齡3～4年達到最高值，這可能與種植初期基地加強管理有關，興仁縣有機質平均含量略低于貴州省第二次土壤普查有機質含量均值38.7 g/kg的結果[15]；全氮、堿解氮含量的變化趨勢與有機質一致，這可能是土壤氮素有95%以上以有機態存在，礦化后才被植物利用，與貴州省耕地土壤耕層全氮含量均值1.71 g/kg和堿解氮平均含量148.94 mg/kg相比[16-17]，興仁縣個別樣點存在缺氮情況，3地土壤均缺乏堿解氮；土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量與全國第二次土壤普查結果相比[18]，興仁縣 1～2年的林地均處于缺乏狀態，經過一段年限種植，土壤磷素、鉀素變化顯著，烏當區和西秀區的磷素、鉀素水平已處于適量狀態。果樹生長必需的微量元素鋅、鐵、銅、錳等微量元素主要靠土壤和施肥供給與維持，供求失衡將導致果樹體內生理機能異常，出現病變[19-20]。結果表明，研究區土壤微量元素變幅及變異系數較大，參照土壤微量元素分級標準[17]，興仁縣 1～2年林地的微量元素含量較缺乏，處于較低水平，但隨種植年限增加，微量元素含量有所增加，但平均含量差異不大。

2.2 不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤物理指標差異

土壤含水量、容重、田間持水量、總孔隙度和毛管持水量是表征土壤質量的重要物理指標。由圖2可知，隨種植年限的增加，土壤物理指標變化明顯，并呈現出種植時間越長，土壤質量提高越明顯的趨勢，這可能與種植活動中土壤的翻動和管理有關，說明喀斯特地區植被恢復與土壤質量改善具有長期性；隨林齡增加，田間持水量、總孔隙度和毛管持水量呈逐漸增加趨勢，土壤含水量出現一個小幅下降或平穩發展再

增加的趨勢；一般認為，總孔隙度、田間持水量、礦質土壤水分含量分別為40%～50%、11.49%～26.90%、25%～60%時土壤質量較好，而研究區除興仁縣、烏當區的土壤含水量略低，且近4年變化不大外，其余指標均有所改善；土壤容重直接影響土壤孔隙度、通氣狀況和排蓄水能力，土壤容重越高，蓄水能力越差[21]，研究區土壤容重值均低于作物生長的土壤容重極值（1.6 g/cm3）；3個研究區土壤毛管持水量有明顯差異，分別為11.53%、13.14%、13.39%。隨著無籽刺梨林齡的增加，研究區植物根際土壤比例逐步提高，土壤疏松，再加上無籽刺梨的枯落物和根際分泌的有機酸作用，土壤生物活動加強，土壤容重逐年下降，土壤物理結構改善，土壤質量變好。由此可見，無籽刺梨的林齡越長，不僅有利于從宏觀上改變當地面貌，而且對土壤物理指標有明顯的改善作用。

2.3 不同林齡的無籽刺梨種植基地土壤生物學指標差異

土壤微生物活動和植物根系分泌物產生的土壤酶，在土壤物質能量轉化中起到重要的催化作用，其活性時效性較強，對土壤環境條件變化表現較為敏感[22]，可作為反映土壤質量的生物學指標[23]。研究土壤酶的活性強度，可及時反映土壤質量的現狀和演變。由圖3可知，喀斯特山區3個不同林齡無籽刺梨種植基地根系土壤酶活性大小為西秀（林齡8～9年）>烏當（林齡3～4年）>興仁（林齡1～2年），隨林齡增加，酶活性有遞增趨勢，且不同酶間差異較大；土壤蔗糖酶與土壤有機質、氮磷含量及微生物活動有關，其酶促作用直接影響作物的正常生長[24]，隨林齡增加，研究區蔗糖酶活性增加趨勢較另外2種酶明顯。另外，無籽刺梨冠幅較大，根系發達，可以增加截流降水，有助于中和土壤酸堿度，進而刺激土壤酶活性[25]。喀斯特山區植被恢復是個復雜過程，無籽刺梨作為喀斯特山區生態修復的經濟樹種，隨種植林齡的增加，土壤酶活性發生相應變化，有利于提高土壤質量。

2.4 無籽刺梨種植基地土壤指標的相關性

無籽刺梨種植基地土壤指標相關性分析（表2）表明，土壤化學、物理和生物指標兩兩之間存在一定的相關性；土壤有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、全磷含量、速效磷含量、全鉀含量和速效鉀含量與3種酶活性多數有顯著或極顯著正相關關系，這表明土壤酶活性對土壤質量提高有獨特作用，與土壤氮、磷、鉀、有機質含量等密切相關[26]；有機質含量與全氮含量、堿解氮含量、全鉀含量、有效鐵含量、總孔隙度和毛管持水量呈極顯著正相關，與速效鉀含量、田間持水量呈顯著正相關；全氮含量與有機質含量、堿解氮含量、有效鐵含量呈極顯著正相關，與全鉀含量、土壤含水量、田間持水量呈顯著正相關；堿解氮含量與有機質含量、全氮含量、土壤含水量、總孔隙度呈極顯著正相關，與有效鐵含量、田間持水量呈顯著正相關；全磷含量與速效磷含量、速效鉀含量、有效銅含量呈極顯著正相關，與全鉀含量呈顯著正相關；速效磷含量與速效鉀含量、有效銅含量和有效錳含量呈極顯著正相關，與pH值呈顯著正相關；全鉀含量與有機質含量、速效鉀含量呈極顯著正相關，與全氮含量、全磷含量、毛管持水量呈顯著正相關；速效鉀含量與全磷含量、速效磷含量、全鉀含量、pH值呈極顯著正相關，與有機質含量、有效錳含量、毛管持水量均呈顯著正相關；pH值與速效鉀含量、有效銅含量呈極顯著正相關，與速效磷含量呈顯著正相關，與有效鐵含量呈顯著負相關；土壤物理指標除土壤容重外，其余指標與土壤化學、生物指標都存在明顯的相關性，特別是與有機質含量、氮素含量（全氮和水解氮）、土壤酶活性之間相關性較高。因此，有機質含量、氮素含量、土壤酶活性、磷素含量和鉀素含量是影響土壤質量的重要因子，對該地區土壤養分循環與積累有重要作用。

2.5 喀斯特山區無籽刺梨種植基地土壤因子的主成分分析

選取喀斯特地區無籽刺梨種植基地土壤的有機質含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、pH值、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、有效鋅含量、有效鐵含量、有效銅含量、有效錳含量、土壤含水量、容重、田間持水量、總孔隙度、毛管持水量等20個影響土壤質量的因子進行主成分分析，經KMO和Bartlett檢驗，結果表明，KMO值為0.674，Bartlett球形度檢驗卡方近似值為449.437，自由度為190，P值小于顯著水平0.01，這表示各因子比較適合作分析。由表3可見，無籽刺梨種植基地土壤的主分量特征值和貢獻率存在一定差異，有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷含量這6個主成分的特征值均大于1，累計方差貢獻率達到82.104%，說明這6個主成分基本可以作為評價喀斯特地區無籽刺梨基地土壤質量變化的依據。

土壤質量受土壤理化性質與酶活性的綜合影響，僅考慮單一特性無法準確判斷土壤質量的變化特征。在分析過程中，為減少主成分之間的相關性，對因子載荷矩陣進行方差最大化正交旋轉，根據各指標在某一主成分的載荷大小確定其作用。由表4可見，有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性和脲酶活性6項指標對因子有機質貢獻較大，載荷值均超過 0.710，這說明主成分有機質主要反映與土壤氮素變化有關的信息；土壤有機質含量、氮素含量、酶活性、磷素和鉀素含量等是基于喀斯特山區無籽刺梨種植基地土壤質量評價的關鍵指標，這與現有研究結論[27-28]類似。

3 討論與結論

基于喀斯特山區不同林齡無籽刺梨種植基地土壤質量的描述性、相關性和主成分分析結果顯示，雖然無籽刺梨種植時間不長，僅為8～9年林齡的中年林，但不同林齡種植基地的土壤大部分指標發生變化，土壤質量明顯改善，這與伊田等研究結論[29]類似，一定程度上說明土壤質量的積極變化與無籽刺梨種植年限的長短存在同步性。

喀斯特石山區土壤形成受碳酸鹽巖母巖的影響較大，具有獨特的成壤過程[30]，但強烈的人為活動使該區域原本脆弱的生態環境與土壤質量進一步惡化。值得注意的是，雖然研究區土壤有機質和全氮含量總體上處于適宜水平，但貴州喀斯特地區有機質或氮素累積，可能與長期干熱條件下巖石基質強烈礦化作用遺留下來的結合態腐殖質或非酸水解有機氮有關，而本身活性較低，對土壤質量的貢獻較小，這印證了興仁縣無籽刺梨種植基地的作物長勢較遜于烏當區和西秀區的現象，也說明喀斯特山區土壤肥力較低，需要有針對性地增加肥料投入[31]。土壤有機質、氮素和土壤酶活性對喀斯特山區無籽刺梨基地土壤影響較大，兩兩之間相關性較高，這與現有研究結論[32-33]吻合。此外，根據主成分分析，土壤磷素和有效成分中的鉀、錳對土壤質量影響也較大。根據全國第二次土壤普查標準[34]，研究區土壤磷素含量較低，喀斯特地區土壤普遍存在缺磷的問題[35]，其中興仁縣、烏當區的磷素水平均在缺乏與極缺乏狀態，特別是種植4年以下的基地，全磷、速效磷含量呈較低水平，應注意補施磷肥。土壤鉀素含量除西秀區稍好外，其余2地的平均水平較低，種植4年以下的基地同樣存在缺鉀問題，且處于全國第二次土壤普查的極缺乏水平。究其原因，喀斯特山區基質發育的土壤總體表現為缺乏鉀元素[32]，而該地區土壤鉀元素多形成于成土母質中的礦物質緩慢釋放，由于鉀溶于水，加上石灰巖基質的裂隙發育強烈，土壤中鉀元素易受夏季集中降水而下滲和流失。從無籽刺梨的生活周期來看，無籽刺梨栽植3年便可全面掛果，掛果前一階段的生長主要由單株向郁閉方向發展，個體間對本就已經退化的土壤養分競爭加強，這也恰恰解釋了1～2年林齡種植基地的土壤指標較其他林齡種植基地變異系數更大的原因。喀斯特山區無籽刺梨種植基地土壤質量的影響因素包括有機質、氮磷鉀含量、土壤酶活性以及有效錳含量，但具體影響或其他影響因素還有待進一步研究。另外，由于受到采樣次數和各種時空條件限制，再加上種植時間較短，關于無籽刺梨種植過程中對土壤質量的影響成因，還需要進行多次采樣比較研究才能得到更為準確的結論。

土壤質量的核心是土地生產力，即土壤肥力，包括土壤的物理性狀、化學性狀和生物性狀，土壤物理、化學和生物指標是相互影響、相互制約的，其中某個指標的變化會引起其他指標的相應變化[36]。對作物來說，良好的土壤質量可為保證作物正常生長發育提供水、熱、氣、肥[37]。本研究結果表明，隨著無籽刺梨種植年限的增加，土壤指標變化明顯，土壤肥力不斷積累，土壤生產力與生態功能得到一定程度的恢復，土壤pH值接近刺梨生長適宜的偏酸性土壤環境[38]，刺梨基地土壤的變化與無籽刺梨的種植年限有一定的相關性。植被是喀斯特山區重要的生態環境組成，其植物根系分泌物和枯枝落葉的積淀具有含蓄水源、促進土壤質量的改善等作用。研究結果表明，無籽刺梨種植初期，土壤中氮、磷、鉀較為缺乏，呈偏堿性，自然狀態下，肥力缺乏脅迫著原生植被正常的生長發育；經過種植無籽刺梨一定時間，土壤的化學、物理和生物指標均有所改善，土壤酶活性增加趨勢明顯，根系分泌物質對土壤質量的改善有促進作用，植被恢復程度明顯提高，這對喀斯特山區石漠化的遏制和水土保持具有積極的意義。

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