不同母巖發(fā)育土壤質(zhì)量評價

熊忠華+周瑋

摘要：本文以土壤化學性質(zhì)、物理性質(zhì)及可氧化有機碳為指標，應(yīng)用數(shù)值綜合評價法對8種母巖發(fā)育的土壤進行質(zhì)量評價，最后得出，土壤的質(zhì)量指數(shù)從大到小的排序為：煤系砂頁巖>第四紀粘土>長石石英砂巖>石英砂巖>紫色砂頁巖>變余砂巖>玄武巖>灰質(zhì)白云巖。土壤質(zhì)量最好的為煤系砂頁巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.90，土壤質(zhì)量最差的為灰質(zhì)白云巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.038。

關(guān)鍵詞：評價；土壤質(zhì)量；母巖

中圖分類號： S152；S153 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.09.036

成土母巖不同，其發(fā)育的土壤也不一樣，其土壤的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)也受到影響，導(dǎo)致形成的土壤質(zhì)量也有差異。貴州氣候復(fù)雜、地形多樣，有高山、中低山、丘陵，土壤形成過程中的關(guān)鍵是風化和沉積，同時，貴州巖石豐富多樣，從而形成豐富多樣的土類。因此對不同母巖發(fā)育形成的土壤質(zhì)量進行評價有重要的意義。土壤質(zhì)量的評價方法主要有數(shù)值綜合評價法（曹承綿，1983）、指數(shù)和法（Edward，1999；孫波，1999）、分數(shù)定級法、Fuzzy綜合評判法、聚類分析法及地統(tǒng)計學方法（Doran，1994；Pennock，1994；Shen，2004；Smith，1993）等，本文應(yīng)用數(shù)值綜合評價法對母巖—煤系砂頁巖、第四紀粘土、長石石英砂巖、石英砂巖、紫色砂頁巖、變余砂巖、玄武巖、灰質(zhì)白云巖共8種發(fā)育的土壤進行評價，為土壤的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集

本實驗樣品采自貴州大學林學院苗圃場樣地，了解土壤可氧化態(tài)有機碳與土壤的發(fā)育母巖的關(guān)系，土樣采集時直接從發(fā)育母巖的c層心土層采樣，發(fā)育母巖是煤系砂頁巖（來自花溪）、第四紀粘土（來自貴州大學南區(qū)）、長石石英砂巖（來自花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)）、石英砂巖（來自黔南龍里）、紫色砂頁巖（來自花溪孟關(guān)）、變余砂巖（來自清鎮(zhèn)云歸鄉(xiāng)）、玄武巖（來自清鎮(zhèn)市干溝林場）、灰質(zhì)白云巖（來自花溪），見圖1。樣品采集后拿回室內(nèi)風干，用2毫米篩過篩，共采集土壤樣品五十二個（煤系砂頁巖、第四紀粘土、石英砂巖、變余砂巖、玄武巖分別采集八個樣品；灰質(zhì)白云巖、長石石英砂巖、紫色砂頁巖分別采集四個樣品），所有土壤樣品分別為三個重復(fù)。

1.2 研究方法

堿解N：擴散法；全N：半微量開氏發(fā)；速效P：雙酸浸提—分光光度計發(fā)；速效K：1N醋酸浸提——火焰光度計法：pH值：電位法；石礫含量：簡易比重法；土壤容重：環(huán)刀法；有機質(zhì)：重鉻酸鉀——硫酸氧化法；可氧化態(tài)有機碳：高錳酸鉀氧化法（姜培坤，2005）。

1.3數(shù)據(jù)處理

一般的數(shù)據(jù)處理采用Excel計算，主成分分析采用SPSS應(yīng)用軟件進行處理。

2評價體系的選擇

土壤質(zhì)量的評價需要有規(guī)范科學的評價指標體系，在指標體系的建立中應(yīng)包括土壤的化學性質(zhì)、物理性質(zhì)及生物學特性，同時要滿足最小指標的需要，也要合符可度量、可測量的特點（Edward，1999）。參考過去經(jīng)驗可分為三類：物理性質(zhì)指標（見表1）：土壤顆粒組成、土壤容重；土壤化學性質(zhì)（見表2）：有機質(zhì)，全氮，速效氮，速效磷，速效鉀，pH值；土壤酶可氧化有機碳含量：研究表明（Biederbeck，1994；Herrick，1997； Karlen，1999），土壤有機碳在很大程度上影響土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性、土壤的持水性能、植物營養(yǎng)的生物有效性以及土壤的緩沖能力和土壤生物多樣性等，緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化以及土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列土壤過程。因此本文采用土壤化學性質(zhì)、物理性質(zhì)、土壤可氧化有機碳含量對土壤肥力狀況進行評價。具體的土壤質(zhì)量評價指標體系，如圖2。

3 土壤的質(zhì)量評價

3.1 每個因子隸屬度的確定

在土壤質(zhì)量的綜合評價中一般分為三步，一是因子的選擇，二是權(quán)重的確定，三是綜合指標的獲得。由于土壤因子變化具有連續(xù)性質(zhì)，故各評價指標采用連續(xù)質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負荷量值的正負性確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。升型分布函數(shù)和降型分布函數(shù)的計算公式如下（劉世梁，1999；張慶費，1999）。

Q（xi）=（xij-ximin）/（ximax-ximin） 升型函數(shù)

Q（xi）=（ximax - xij）/（ximax-ximin） 降型函數(shù)

其中，Q（xi）表示各土壤因子的隸屬度值，xij表示各因子值ximax，ximin.分別表示第 i 項因子中的最大值和最小值。本文通過土壤因子中的化學性質(zhì)、土壤可氧化有機碳以及物理性質(zhì)的含量來評價土壤質(zhì)量的高低。因此采用升型函數(shù)計算化學性質(zhì)、土壤酶的隸屬度，用降型函數(shù)計算土壤物理性質(zhì)的隸屬度，見表3～表5。

3.2 土壤中每一個因子權(quán)重的確定

土壤肥力質(zhì)量的各個因子的狀況與重要性常有差異，故一般用權(quán)重系數(shù)來表示各個因子的重要性程度。這次實驗中采用了SPSS 軟件計算各因子主成分的貢獻率和累計貢率，利用主成分分析因子負荷量，計算各因子作用的大小，確定它們的權(quán)重（胡小平，2001），見表6。

3.3 土壤肥力質(zhì)量綜合評價指標值

土壤的最終質(zhì)量質(zhì)素由土壤物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、土壤可氧化有機碳等質(zhì)量指數(shù)采用加權(quán)求和法（鄭昭佩，2003）進行計算：

SQR 是土壤質(zhì)量指數(shù)，Ci是各個評價指標的隸屬度值，Ki是第 i 個評價指標的權(quán)重，n 是評價指標的個數(shù)。

從圖3中可以看出，在8種母巖發(fā)育土壤中，土壤質(zhì)量指數(shù)大小順序為：煤系砂頁巖>第四紀粘土>長石石英砂巖>石英砂巖>紫色砂頁巖>變余砂巖>玄武巖>灰質(zhì)白云巖。土壤質(zhì)量最好的為煤系砂頁巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.90，土壤質(zhì)量最差的為灰質(zhì)白云巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.038。

4 結(jié)論與討論

發(fā)育母巖不同，土壤質(zhì)量存在明顯差異，分析研究不同母巖、母質(zhì)發(fā)育的土壤特性，對指導(dǎo)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。本文研究8種母巖發(fā)育土壤的土壤質(zhì)量指數(shù)變化幅度為0.038～0.90。在8種母巖發(fā)育土壤中，土壤質(zhì)量指數(shù)大小順序為：煤系砂頁巖>第四紀粘土>長石石英砂巖>石英砂巖>紫色砂頁巖>變余砂巖>玄武巖>灰質(zhì)白云巖。土壤質(zhì)量最好的為煤系砂頁巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.90，土壤質(zhì)量最差的為灰質(zhì)白云巖發(fā)育的土壤，質(zhì)量指數(shù)為0.038。質(zhì)量指數(shù)最大的是煤系砂頁巖發(fā)育的土壤，煤系砂頁巖發(fā)育的土壤為壤質(zhì)粘土，土壤的通氣、透水性能較好，土壤的呼吸作用較強，有利于微生物的活動；石礫含量最低，為3.84%，土壤的蓄水能力相對較好；第四紀黏土是黏土，石英砂巖是砂質(zhì)黏土，灰質(zhì)白云巖為砂質(zhì)黏壤土。說明石英砂巖的通氣、透水性能要好一些，但它的保水性能較差，容易發(fā)生水土流失。第四紀黏土的保水性能要好，水土不容易流失，但通透性能較差，從而影響微生物活動。第四紀粘土發(fā)育土壤的水解性氮、速效磷、速效鉀含量高于其他巖石發(fā)育土壤的含量。紫色砂頁巖、變余砂巖發(fā)育土壤的含量相對要低。有機質(zhì)含量最高的是第四紀黏土發(fā)育的土壤，為0.732 g·kg-1。最低的長石石英巖石發(fā)育的土壤，為0.135 g·kg-1。但土壤的有機質(zhì)含量只是作為評價土壤肥力的其中一個指標，不能只由土壤的有機質(zhì)的含量來簡單評價土壤肥力。第四紀黏土的土壤肥力比其他的要好，但土壤的通透性差，抑制了土壤中微生物的活動。土壤微生物的活動、土壤有機質(zhì)的分解、土壤營養(yǎng)元素的釋放與轉(zhuǎn)化以及土壤的發(fā)生過程中營養(yǎng)的遷移等，都與土壤酸堿度有關(guān)。由這8種巖石發(fā)育形成的土壤的pH值在4.82～7.36，最大的灰質(zhì)白云巖發(fā)育的土壤，最小的是長石石英砂巖發(fā)育的土壤，說明長石石英砂巖發(fā)育的土壤酸度最大。除灰質(zhì)白云巖發(fā)育的土壤屬于中性土壤，其他土壤多為酸性或弱酸性土壤。

土壤的可氧化態(tài)有機碳又叫有效碳、水溶性有機碳、易氧化碳、可礦化碳、微生物量碳（李淑芬，2002）。盡管這部分碳素的比例很小，但它對土壤碳素的轉(zhuǎn)化則很重要，而且與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān)（蘇永中，2002；俞元春，2003）。研究表明（Lal，1994），土壤可氧化態(tài)有機碳是衡量土壤有機質(zhì)的敏感性指標，可以指示土壤有機質(zhì)的早期變化。三種濃度高錳酸鉀處理的土壤中石英砂巖、煤系砂頁巖和長石石英砂巖發(fā)育形成的土壤可氧化有機碳含量最多，從它的形成過程來看，砂巖、砂頁巖屬于沉積巖，它是粘土經(jīng)過壓實，縮水，膠結(jié)硬化而形成的，并且在石英砂巖中，石英的含量占95%，石英的抗風化能力較強，形成的土壤質(zhì)地較輕，土壤中的水分含量相對較少，微生物也較少，并且微生物的活動受到抑制，土壤的呼吸作用較少，有機碳不容易散失，所以土壤可氧化有機碳的含量均較高。煤系砂頁巖發(fā)育的土壤本身的有機質(zhì)的含量高，而速效磷和速效鉀的成分則相對較少，植物的生長受到限制，通過植物根的呼吸作用帶走CO2較少，所以土壤可氧化有機碳的含量相對較高。而玄武巖發(fā)育土壤的含量最低，這是因為玄武巖發(fā)育的土壤石礫含量較大，土壤的容重則較小，通透性好，有利于微生物活動，并且這種土壤的速效磷和速效鉀的含量也較高，能促進植物根的生長。因此，土壤微生物以及植物根的呼吸作用促使土壤有機碳均以CO2的形式釋放到空氣中，減少了土壤可氧化有機碳的含量，并且玄武巖屬于巖漿巖，巖漿巖的形成是由于地下的壓力和溫度，使巖漿從地下噴出，并經(jīng)過搬運過程的一系列的物理、化學冷凝形成的。它的主要成分是斜長石和輝石，抗風化的能力比較強，從而增強了土壤的呼吸作用，因此它的可氧化有機碳的含量低，變余砂巖發(fā)育土壤可氧化有機碳的含量則比玄武巖發(fā)育土壤的含量高。灰質(zhì)白云巖發(fā)育土壤在0.167 mol·L-1高錳酸鉀濃度處理時可氧化有機碳的含量比較高，說明土壤中較容易分解的可氧化有機碳的含量較高。灰質(zhì)白云巖為不同于砂巖一類的沉積巖，它屬于化學生物巖石，由化學分解和生物化學的共同作用形成，其質(zhì)地比砂巖粘重，但比玄武巖一類的質(zhì)地輕。

參考文獻

[1]曹承綿，嚴長生.多因素土壤肥力質(zhì)量綜合評價比較研究[J].土壤通報， 1983，4：13-15.

[2]Edward C J， Laura L L. A soil-quality index and it relation-ship to efficiency and productivity growth measures： Two decompositions [J]. Amer. J. Agric. Ecol.， 1999.81：881-893.

[3]胡小平，王長發(fā). SAS 基礎(chǔ)及統(tǒng)計實例教程[M].地圖出版社，2001.

[4]姜培坤.2005.不同林分下土壤活性有機碳庫研究[J]. 林業(yè)科學，41（01）：10～13.

[5]李淑芬，俞元春，何晟，等.土壤溶解有機碳的研究進展[J].土壤與環(huán)境，2002，11（04）：422～429.

[6]劉世梁，傅伯杰，陳利頂.兩種土壤質(zhì)量變化的定量評價方法比較[J].長江流域資源與環(huán)境，1999，12（05）：422-426.

[7]孫波，趙其國.退化紅壤土壤質(zhì)量評價方法及評價指標[J].地理科學進展，1999，18（02）：118-128.

[8]蘇永中，趙哈林. 土壤有機碳儲量、影響因素及其對環(huán)境效應(yīng)的研究進展[J].中國沙漠，2002，22（03）：220-228.

[9]俞元春，李淑芬.江蘇下蜀林區(qū)土壤溶解有機碳與土壤因子的關(guān)系[J].土壤， 2003，35（05）：424-428.

[10]張慶費，宋永昌，由文輝.浙江天童植物群落次生演替與土壤肥力的關(guān)系[J].生態(tài)學報，1999，2（02）：174-179.

[11]鄭昭佩，劉作新.土壤質(zhì)量及其評價[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2003，14（01）：1-4.

[12]Biederbeck BO. 1994. Labile soil organic matter as influenced by cropping practices in an arid environment [J]. Soil Biol. Biochem.， 26（12）：1656～1574.

[13]Dopan J W， Parkin T B. Defining and assessing soil quality[A].In：Doran J W， eds. Defining Soil Quality for a Sustainable Environment. Madison[C]， WI： SSSA Spec. Pub. No. 1994.35：3-2.

[14] Herrick JE， Wander MM. 1997. Relationships between soil organic carbon and soil quality in cropped and rangeland soils： The importance of distribution， composition and soil biological activity [A] In： Lal R， Kimble JM， Follett RF， et al.， eds. Soil Processes and the Carbon Cycle [C]. Boca Raton： CRC Press， 405～426.

[15]Karlen DL， Rosek KK， Garden JC， et al. 1999. Conservation reserve program effects on soil quality indication [J]. J. Soil Water Conserv.， 54（1）：439～444.

[16]Lal R， Logan TJ， Fausey NR. 1990. Long-term tillage effects on Mollic Ochhraquslf in northwestern Ohio soil nutrient profile [J]. Soil Tillage Res.， 15：315～317.

[17]Pennock D J， Anderson D W，etal. Landscape-scale changes in indicators of soil quality due to cultivation in Saskatchewan [J]. Can. Geoderma， 1994.64：1-19.

[18]Shen Z Q，Shi J B，Wang K， etal. Neural net worken sembleres idual Kriging application for spatial variability of soil properties [J] .Pedosphere， 2004.14（3）：289-296.

[19]Smith J L， Halvorson J J， etal. Using multiple-variable indicator kriging for evaluating soil quality [J]. Soil Sci. Soc. Am. J.， 1993.57：743-749.

作者簡介：熊忠華，副教授，研究方向：林木、花卉栽培的教學和科研。