干熱河谷石漠化區不同土地利用類型的土壤質量評價

楊丹麗，喻陽華，鐘欣平，秦仕憶

(1. 貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】土壤質量是維持生物生產力、環境質量以及促進生命健康的能力，其質量狀況是保證植物生長的重要前提[1-2]。隨著人地矛盾及環境污染問題的加劇，土壤質量的研究已受到國內外學者的廣泛關注[3-5]。【前人研究進展】土壤作為一個復雜的功能實體，其質量不能直接測定，但可以通過土壤質量指標來推測[6]。胡舉偉等[7-9]把土壤微生物、土壤酶活性、土壤物理特征和大量元素作為指標應用于土壤質量評價，其中土壤大量元素是土壤質量評價中較常見的指標。張璐等[10]運用大量元素的含量，研究湘南紅壤丘陵區不同植被類型土壤肥力特征認為，自然植被恢復比人工植被更有利于土壤肥力的提高。王鈺瑩等[11]分析陜南秦巴山區厚樸群落土壤養分含量表明，土壤肥力會隨林齡的增大呈下降趨勢。李菡等[9]分析魯西黃河沖擊平原農田不同種植模式下土壤大量元素的含量發現，農戶對農田的投入與管理水平是導致土壤養分含量存在顯著差異的主要原因。【本研究切入點】干熱河谷石漠化區氣候干旱，水熱分布不均，土壤貧瘠且不連續，土壤養分隨水土流失嚴重，由于對資源不合理的開發利用，加劇了生態功能退化，出現嚴重石漠化，導致該區土壤保水保肥能力下降，可耕地面積和植物多樣性減少[12-13]。近年來，針對干熱河谷石漠化區的土壤特性，采取了一系列生態恢復措施，其中花椒、金銀花和火龍果的種植模式已得到廣泛認可[14]。但由于干熱河谷石漠化區惡劣的生態環境、不合理的耕作制度與管理措施，導致花椒、金銀花和火龍果等物種呈退化趨勢，該種植模式對生態環境的恢復效果逐年下降，物種退化與土壤養分退化成為限制該區土地資源利用的重大生態環境問題。然而，關于干熱河谷石漠化區的土壤研究多集中于植物多樣性、不同植被恢復模式、植被養分的分布格局與土壤理化性質的關系等方面[15-17]，對不同土地利用類型的土壤質量系統研究相對較少。【擬解決關鍵問題】因此，筆者等選擇干熱河谷石漠化區花椒(Zanthoxylumbugeanum)、火龍果(HylocereusundulatusBritt)、核桃(Juglansregia)、金銀花(Lonicerajaponica)、玉米(ZeamaysLinn)和柚木(Tectona)等6種土地利用類型為對象，測定其土壤物理、化學指標，分析不同土地利用類型下土壤的質量特征，診斷影響養分質量的因素，集成土壤健康經營的策略。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選擇在貴州省關嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江花江河段干熱河谷流域兩岸，流域內以喀斯特地貌為主，境內海拔400～1000 m。該區域屬典型的南亞熱帶干熱河谷氣候，光熱資源十分充沛，年平均氣溫18.4 ℃，年極端最高氣溫為32.4 ℃，≥10 ℃積溫6542 ℃，平均相對濕度80 %。降水時空分布極其不均，降雨集中于5-10月，可達全年總降雨量的83 %[12]。研究區域內的巖石以白云巖和泥質白云巖為主。由于生態環境的退化、嚴重的石漠化，土地利用類型十分受限，農地作物以火龍果、玉米和花椒為主，林地主要樹種為核桃和柚木，灌叢以金銀花為主。各樣地基本信息見表1。

1.2 樣品采集與分析

在不同土地利用類型樣地中，按S形選取5～7個樣點，取樣深度為0～20 cm，不足20 cm的以實際深度為準。采樣時，先去除土體表面的枯枝落葉、動物殘體和石礫，將5～7個樣點的樣品混制成1個土壤樣品裝入自封袋保存并帶回實驗室。樣品于室內自然風干、研磨95 %通過2、0.15 mm篩保存備用。

土壤容重(Bulk density, BD)采用環刀法測定；pH值測定采用土水比1∶2.5(質量比)提取，電位電極法測定。大量元素測定采用文獻[18]的分析方法進行。其中，有機碳(Soil organic carban, SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮(Total nitrogen, TN)采用半微量開氏法，速效氮(Available nitrogen, AN)采用堿解擴散法，全磷(Total phosphorus, TP)采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色-紫外分光光度法，速效磷(Available phosphorus, AP)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色-紫外分光光度法；全鉀(Total potassium, TK)采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度計法測定；速效鉀(Available potassium, AK)采用中性乙酸銨溶液浸提，火焰光度計法測定。

表1 不同土地利用類型的基本特征

1.3 數據處理與分析

土壤質量指數計算參照文獻[19]的方法進行：

式中，Wi為各主成分貢獻率，Fi為各土地利用類型主成分因子得分。

采用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 8.6進行數據處理和制圖。Excel 2010進行前期數據處理；采用多元方差分析，運用LSD法(最小顯著性法, least significance difference)分析不同土地利用類型的土壤質量指標間的差異；采用Pearson相關系數分析土壤質量指標間的相關性；采用主成分分析確定各主成分貢獻率和各土地利用類型主成分因子得分，計算土壤質量指數；利用Origin8.6制圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤理化性質

從圖1可看出，在不同土地利用類型中，土壤容重(BD)、pH和養分組成的變化趨勢。

2.1.1 土壤容重 6種土地利用類型的土壤容重以柚木地最高(1.40 g/cm3)，之后依次為火龍果地(1.20 g/cm3)、核桃地(1.12 g/cm3)、玉米地(1.09 g/cm3)和金銀花地(1.03 g/cm3)，花椒地土壤容重最低，為1.00 g/cm3。柚木地、火龍果地與其余土地利用類型間差異均達顯著水平(P<0.05)。

2.1.2 土壤pH 6種土地利用類型的土壤pH為7.11～8.00，均呈弱堿性，其中以花椒地pH最高，為8.00；火龍果地和玉米地土壤pH分別為7.11和7.44，低于其余4種土地利用類型。

2.1.3 土壤養分組成 (1)有機碳(SOC)。SOC含量以金銀花地最高，為70.17 g/kg，其次為玉米和核桃地，兩者含量均顯著高于柚木與花椒地，且柚木地與花椒地間SOC含量無顯著差異，與其余5種樣地類型相比，火龍果地的SOC含量最低，為19.16 g/kg。

(2)全氮(TN)與速效氮(AN)。TN含量在不同土地利用類型間均表現出顯著差異(P<0.05)，總的趨勢為金銀花地>花椒地>核桃地>玉米地>火龍果地>柚木地。AN含量變化規律與SOC含量變化存在一定的相似性，金銀花樣地最高(273.20 mg/kg)，且顯著高于其余5種土地利用類型；以火龍果樣地最低，為83.58 mg/kg。

(3)全磷(TP)與速效磷(AP)。AP含量在任意兩種土地利用類型間差異均顯著(P<0.05)，且以金銀花地含量最高，為7.41 mg/kg，是含量最低的核桃地的17倍。不同土地利用類型的TP含量與AP含量不同，花椒地、金銀花地與其余4種土地利用類型差異均顯著(P<0.05)。

(4)全鉀(TK)與速效鉀(AK)。二者含量均以花椒地最高，核桃地最低。其中，土壤TK含量在火龍果地、金銀花地和柚木地間無顯著差異。AK含量在火龍果地與金銀花地間無顯著差異，其依次為花椒地>柚木地 >玉米地>金銀花地>火龍果地>核桃地。

2.2 土壤質量指標間的相關性

土壤質量指標間的相關性因不同土地利用類型而產生差異。由表2可見，土壤BD與TN呈極顯著負相關(P<0.01)；土壤pH與其余指標均呈正相關，其中，與TN呈極顯著正相關(P<0.01)，與AP呈顯著正相關(P<0.05)；土壤TP與TK、AK，AN與SOC，TK與AK均達極顯著正相關(P<0.01)，且相關系數較大，均在0.960以上；TN與SOC、AN、AP均表現顯著正相關(P<0.05)，相關系數為0.594～0.673。

2.3 不同土地利用類型的土壤質量綜合評價

通過對9個土壤質量指標進行Bartlett球形檢驗得知，顯著系數為0.00，小于0.05，表明數據適合做因子分析。采用最大方差法對數據進行旋轉，得到相關系數矩陣、特征值、各主成分貢獻率和因子載荷矩陣。

從表3看出，土壤AP的公因子方差最小，為0.607，AK的公因子方差最大，為0.991；按特征值大于1的原則，提取出2個主成分，特征值分別為4.586和3.076，2個主成分累計貢獻率達85.137 %，表明這2個主成分已提供了85.137 %的原始數據信息量，能夠充分解釋原始數據；因子載荷矩陣顯示：第1主成分與TP、TK和AK顯著相關，因子載荷系數均大于0.970；第2主成分主要受SOC、TN和AN支配，因子載荷系數均大于0.880。

將主成分特征向量(表4)與標準化數據加權，得出不同土地利用類型各主成分因子得分(表5)，進一步將各主成分因子得分與方差貢獻率加權，得到不同土地利用類型的土壤質量綜合指數。

圖柱上不同小寫字母表示不同土地利用類型間差異達顯著水平(P<0.05)Different lowercase letters in the columns indicate significant differences between different land use patterns(P<0.05)圖1 不同土地利用類型的土壤理化性質Fig.1 Soil physical and chemical properties of different land use patterns

因子FactorBDpHSOCTNANTPAPTKAKBD1 pH-0.3971 SOC-0.4610.4931 TN-0.826**0.708**0.673*1 AN-0.4610.3590.965**0.594*1 TP-0.4900.567-0.1700.463-0.3231 AP-0.3300.627*0.4040.665*0.1830.5511 TK-0.4330.426-0.2260.324-0.3810.964**0.5161 AK-0.4170.520-0.2230.378-0.3850.993**0.5430.983**1

注: *表示在P<0.05水平上顯著相關, **表示在P<0.01水平上極顯著相關； BD為容重, SOC為有機碳, TN為全氮, AN為速效氮, TP為全磷, AP為速效磷, TK為全鉀, AK為速效鉀(下同)。 Note: * represented significant correlation atP<0.05 level, and ** represented extremely significant correlation atP<0.01 level. BD: bulk density, SOC: soil organic carbon, TN: total nitrogen, AN: available nitrogen, TP: total phosphorus, AP: available phosphorus, TK: total potassium, AK: available potassium, the same as below.

表3 因子載荷矩陣及主成分貢獻率

表4 土壤質量指標主成分特征向量

表5 不同土地利用類型主成分因子得分

從圖2看出，干熱河谷石漠化區不同土地利用類型土壤質量的綜合指數不同，依次為花椒(2.334)>金銀花(1.283)>玉米(-0.330)>核桃(-0.386)>柚木(-1.153)>火龍果(-1.598)。

圖2 不同土地利用類型土壤質量的綜合指數Fig.2 Integrated soil quality index of different land use patterns

3 討 論

3.1 不同土地利用類型的土壤性質變化規律

土壤pH和BD通過影響土壤養分的形成、轉化和有效性，使土壤質量產生差異。研究中6種土地利用類型的土壤pH存在不同程度的差異。其中，以金銀花、花椒地的pH較高，可能是由于金銀花地凋落物數量大，花椒地伴生植物豐富，均利于微生物活動，腐殖質數量較多。腐殖質是一種帶負電荷的膠體，可吸附土壤中交換陽離子，避免陽離子流失，從而減弱土壤中H+的活性，同時，腐殖質具有較強的的吸附性能和陽離子代換能力，可有效緩解土壤酸化[20]。火龍果地無凋落物的同時長期施用化肥，加之強烈的人為干擾，導致土壤板結，土壤透氣性下降，加速了土壤酸化[21]，因而pH較低。通過分析不同土地利用類型土壤BD表明，花椒地土壤BD最小，即土壤疏松，這可能與花椒是淺根植物且根系發達有關；而火龍果樣地在管理與采摘期，受人為踩踏影響，導致土壤板結嚴重，因而具有較大的BD。

土壤養分含量組成表明，土壤SOC與土壤AN表現出耦合關系，不同土地利用類型土壤SOC與AN含量分布趨勢相對一致。本研究中，金銀花地的SOC和AN含量顯著高于火龍果地，可能是受到凋落物歸還量的影響。另外，土壤SOC含量受氣溫、降雨量和坡度等因素影響。因此，6種土地利用類型海拔和坡度的差異必將導致土壤SOC含量的差異。

土壤TP含量來源比較單一，且受成土母質影響較大[22]，6種土地利用類型的成土母質一致，但花椒地顯著高于其余5種土地利用類型，其原因是否與該地區長期單一種植花椒以及花椒對TP的吸收量有關尚待深入研究。土壤AP含量在任意2種土地利用類型間差異均顯著，而長期大量施用有機肥能夠在很大程度上提高土壤AP的含量[23]，因此，花椒地距離居民區較近，還土有機肥較多，可能是花椒地土壤AP含量較高的主要原因。地表覆被的差異使得土壤水分蒸發量不同，而水分的增加會減少磷肥的固定[23]，因此，高密度的地表覆蓋可能是導致金銀花地土壤AP含量處于較高水平的重要原因。

6種土地利用類型的土壤TK與AK含量均以核桃樣地最低，分別為8.58 g/kg、154.80 mg/kg，可能是由于核桃林為經果林，對養分的需求量較大，加之從未追肥，只能從土壤中獲取生長所需元素，導致土壤中鉀素含量較少，因此，該區在指導核桃生長過程中應注重鉀肥的施用。

3.2 土壤養分變化的相關性

土壤作為生態系統的組成部分，是發生一系列理化生反應的重要場所，其理化性質的改變會對元素的積累和循環產生重大影響[24-25]。研究結果表明，土壤BD和pH是影響TN與AP含量的主要原因，其中土壤BD與TN含量呈極顯著負相關，即TN含量隨土壤BD的增加而減少，與李紅林等[25]對塔里木盆地北緣綠洲土壤N含量與其理化因子關系研究結論一致。土壤BD通過影響植物根系生長、凋落物分解和微生物活動，導致元素在土壤生態過程中的遷移和積累數量產生差異，土壤BD愈大，土壤愈緊實，不利于植物根系伸展及微生物活動，同時減弱凋落物分解程度，阻礙元素間的交流，進一步減少TN含量。土壤的酸堿性對土壤元素的轉換、釋放以及有效性有密切關系[26]。研究結果顯示，pH與TN呈極顯著正相關，與AP呈顯著正相關，這與劉興華[27]研究濕地土壤C、N和P生態化學計量特征結果相似，即pH是影響N和P含量的關鍵原因之一。TP與TK、AK均呈極顯著正相關，這是由于K素與P素的主要來源均為成土母質，導致K素與P素含量同時增減。SOC與TN呈顯著正相關，與AN呈極顯著正相關，原因可能是大量N素參與有機質的合成，可降低N素的礦化效率，加之土壤有機質中含有大量富N物質，導致土壤N含量隨SOC的增多而增大[28-29]。

3.3 土壤養分管理策略

在不同土地利用類型下，不同農作物的根系活動深度不同，對養分的需求不同，及其對土壤養分的吸收程度不同[20]，導致土壤養分存在差異。研究結果表明，6種土地利用類型土壤養分存在不同程度的虧缺，具體表現：①除花椒地外，其余5種土地利用類型土壤的TP、TK、AK含量普遍較低；②花椒地的C、N元素含量較低；③火龍果地和柚木地的各土壤養分元素均處于較低水平。因此，采取合理的施肥方式及耕作制度，對控制養分分布、促進作物生長具有重要現實意義。

長期使用有機肥可提高土壤有機質含量，增加養分含量，減少N素的損失，降低土壤污染[23]，在花椒栽培管理過程中應適量增加有機肥的施用量，提高花椒產量的同時改善其土壤養分分布，預防土壤污染。施化肥是提高P素和K素含量最高效的措施，但不合理施用化肥并不能有效促進養分含量的提高，反而會使土壤板結、酸化，甚至導致土壤污染加劇[23]。因此，在施用化肥改善土壤P素和K素含量時，應充分掌握不同土地植被類型的需肥規律，按合理的P、K配比施用更有利于作物的生長。

4 結 論

干熱河谷石漠化區不同土地利用類型均表現為N、P、K不同程度虧缺，土壤質量綜合指數為花椒(2.334)>金銀花(1.283)>玉米(-0.330)>核桃(-0.386)>柚木(-1.153)>火龍果(-1.598)；不同土壤質量指標間存在相關關系，應注重養分作用效應的協調性。