貴州喀斯特山區花椒林小生境的土壤質量特征

喻陽華，秦仕憶，鐘欣平

(1.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;2.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州貴陽 550025)

【研究意義】以貴州為中心的西南喀斯特地區，生態環境脆弱，系統穩定性較低［1］，復雜巖石組合的微地形構成了多種小生境［2］，形成了喀斯特生境的高度異質性［3］。土壤養分含量是評價土壤質量的重要指標，為植物生長發育提供營養來源［4－5］，土壤養分水平與植株生長狀況密切相關。研究區已經有近40年的花椒(Zanthoxylum bungeamun)大規模栽培歷史，面臨土壤退化、產量下降、品質降低等一系列問題，亟需采取多種措施對花椒人工林生態系統進行綜合調控?！厩叭搜芯窟M展】已有研究表明，不同小生境表層土壤質量表現出較大差異，以石溝和石坑小生境較高，石槽和石洞則較低，石坑和石溝成為喀斯特山區農業生產中重點開發和利用的對象［6－7］;喀斯特山區規模化種植花椒后，應當注重長期維護管理［8］，防止土壤質量退化。土壤C、N、P等大量元素在土壤結構維持和養分循環中發揮著重要作用，是植物生長所需要的基本元素，一些學者圍繞大量元素對土壤質量特征的影響進行研究［9－10］，取得了豐富的研究成果。Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl等礦質元素亦同樣對土壤的結構和功能產生重要影響，是植物生長必需的營養元素［11］，在維持土壤質量和提高作物品質方面具有顯著作用;礦質元素在植物生理生化及生長發育過程中具有重要的作用，如調節其花芽分化，元素缺乏或積累過多均會導致植物提早衰退，開花頻繁［12］?！颈狙芯壳腥朦c】將更多礦質元素引入到土壤質量評價中，是對土壤質量評估的重要補充。土壤養分在空間上呈不同的分布格局［13］，其分布狀況直接影響植物的生長發育，因而掌握養分隨空間的變化特征有助于實現快速培肥和提升土壤質量?！緮M解決的關鍵問題】為此，選擇貴州喀斯特山區花椒林內石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小生境為研究對象，探討不同小生境土壤性質的空間變化特征，弄清其土壤養分的變化規律，為花椒種植的合理布局提供科學依據，以促進喀斯特地區石漠化的生態恢復。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于貞豐縣北盤江鎮查耳巖村(東經105°38'48.48″，北緯 25°39'35.64″)，生境具有以下3個方面的明顯獨特性:①干熱氣候。年均降雨量1100 mm，季節分配極不均勻，冬春旱及伏旱嚴重;氣候類型主要為亞熱帶濕潤季風氣候，熱量資源豐富，年均溫為18.4℃，年均極端最高溫為32.4℃，年均極端最低溫為6.6℃，年總積溫達6542.9℃，冬春溫暖干旱、夏秋濕熱。②河谷地形。區域內河谷深切，地下水深埋，海拔370～1473 m，垂直高差約1100 m，具有典型的河谷氣候特征。③石漠化發育。屬珠江上游北盤江流域，基巖裸露率達50%～80%，碳酸鹽巖類巖石占78.45%，土壤以石灰巖、泥灰巖為成土母質的石灰土為主，地表破碎，發育有完整的石縫、石坑、石溝、土面和石槽等小生境類型，多處于中度、重度石漠化等級。

1.2 材料

土壤樣品:每個小生境類型均采集5～7個土壤樣品組成1個混合樣品，每個類型設3個平行，共計15個混合樣品，采樣地點位于貞豐縣北盤江鎮查耳巖村查耳巖組的不同小生境類型，均為0～20 cm的表層土壤。

1.3 土壤樣品采集與預處理方法

設置環境條件較為一致的3塊花椒林地作為典型樣地，每塊樣地內設置20 m×20 m的樣方1個，依據巖體、植被、凋落物、土壤分布和土體等劃分小生境類型，具體參照劉方等［2］的方法，選取花椒林地中的石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小生境為研究對象，每個類型設置3個平行。其中，土面是出露的巖石中間多邊狀分布的土壤，石縫是出露的巖石裂隙或巖溶裂隙，石溝是出露的巖石溶蝕溝或侵蝕溝，石洞是出露的巖層或巖石水平突出構成的半開放洞穴，石槽是出露的巖石溶蝕或侵蝕的半開放凹槽，石坑是出露的巖石溶蝕凹地。由于小生境空間分布的規律性較弱，采取隨機取樣法采集0～20 cm的土壤，將采集的15個混合樣品帶回實驗室［7］;剔除土樣中可見的動物殘體、植物殘根和凋落物，置于通風干燥處，避免陽光直射，自然風干后研磨至95%以上土壤樣品通過2和0.15 mm篩，裝入玻璃瓶備用。

1.4 指標測定

研究以土壤pH、SOC、TN、AN等28項因子作為小生境土壤質量評價的基本指標。pH采用土水比1∶2.5(質量比)提取，電位電極法測定。大量元素采用《土壤農化分析》［14］中的分析方法測定。其中，有機碳(Soil organic carbon，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(A-vailable phosphorus，AP)采用氟化銨－鹽酸浸提－鉬銻抗比色－紫外分光光度法。硼(B)、砷(As)、硒(Se)按照《區域地球化學勘查規范》(DZ/T0167-2006)進行測定，二氧化硅(SiO2)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈉(Na2O)、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、氯(Cl)、總硫(TS)依據《多目標區域地球化學調查規范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)進行測定。

由于這些評價指標量綱不一致，在數值上存在較大差異，研究前對各指標值進行標準化預處理。通過主成分分析，得到主成分公因子方差、載荷矩陣和貢獻率;主成分特征向量為對應的載荷矩陣值除以該成分特征值的平方根［15］。將主成分特征向量與標準化數據的乘積得到各小生境主成分得分。采用加權法計算土壤質量綜合值(IFI)，其表達式為［16］:

表1 不同小生境土壤各種氧化物質的組成情況Table 1 Chemical composition of soils in different micro-habitats (%)

式中，Wi為各主成分的貢獻率，Fi為各小生境主成分的得分。

1.5 數據處理與分析方法

試驗數據采用Excel 2010進行計算與整理，使用Origin 8.6作圖，使用SPSS21.0進行統計分析;采用單因素方差分析(One-way ANOVA)方法，置信度為95%，檢驗土壤參數在不同小生境類型之間的差異性;運用Pearson相關系數法檢驗各土壤指標之間的相關性;運用主成分分析法提取可以反映原來多個指標的綜合性指標，進行土壤質量特征評價。顯著性水平均設定為P＜0.05，極顯著性水平均設定為 P ＜0.01。

2 結果與分析

2.1 不同小生境土壤各種氧化物質、pH及養分的含量

2.1.1 氧化物質的組成 從表1可見，不同小生境的 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 和 Na2O 含量的差異較小，除CaO在5種小生境類型之間的波動范圍大于100%外，其余指標的變幅多在10%以內，原因可能與母質類型和成土作用相似有關。

2.1.2 pH 土壤pH可影響土壤微生物活動、礦質元素的有效狀態和有機質的礦化等。從圖1可知，小生境pH以土面最低，為7.86，與其余4種小生境類型的土壤pH差異顯著;石坑小生境土壤pH為7.95，與石溝小生境土壤差異不顯著，與石縫、石槽小生境土壤差異顯著;石縫、石槽、石溝小生境土壤pH 分別為 8.06、8.05 和 7.99，3 者之間差異不顯著。

圖1 不同小生境土壤pH及C/N/P元素的含量Fig.1 pH value and C，N，P content in soil of different micro-habitats

圖2 不同小生境土壤Mn/Cu/Zn/Pb/Cr/Cd的含量Fig.2 Contents of Mn，Cu，Zn，Pb，Cr，Cd content in soil of different micro-habitats

2.1.3 C/N/P元素 從圖1還看出，SOC含量為土面(50.03 g/kg) ＞石槽(48.14 g/kg) ＞石縫(42.68 g/kg) ＞石坑(38.16 g/kg) ＞石溝(26.62 g/kg);TN的變化規律與SOC一致，含量分別為8.78 g/kg、7.24 g/kg、7.17 g/kg、5.92 g/kg、5.06 g/kg;AN含量則為石縫＞石槽，其余小生境的變化規律也較為一致;TP含量為土面(1.68 g/kg)＞石槽(1.43 g/kg) ＞石溝(1.22 g/kg)=石縫(1.22 g/kg)＞石坑(1.14 g/kg)，AP 含量為土面(0.04 g/kg)＞石槽(0.16 g/kg)＞石縫=石溝=石坑(0.01 g/kg)。總體上看，土面、石槽的養分含量較高，石坑、石溝的養分含量較低。

圖3 不同小生境土壤Ti/Ni/Co/Sr/Mo的含量Fig.3 Contents of Ti，Ni，Co，Sr，Mo in soil of different micro-habitats

圖4 不同小生境土壤Cl/TS/As/Se/B的含量Fig.4 Contents of Cl，TS，As，Se，B content in soil of different micro-habitats

2.1.4 中/微量元素 ①Mn/Cu/Zn/Pb/Cr/Cd。Mn的含量為2911～3306 mg/kg，以土面、石縫較高，石坑、石溝的含量較低;Cu的含量為28.22～32.86 mg/kg，不同小生境之間的差異較小;Zn的含量為217.89 ～226.25 mg/kg，以石溝最低、石縫最高;Pb 的含量為57.23 ～81.08 mg/kg，以石溝最低、土面最高;Cr的含量為 178.97 ～190.97 mg/kg，不同生境之間變幅不大;Cd的含量為1.84～3.11 mg/kg，石槽、石坑較低，石溝最高。②Ti/Ni/Co/Sr/Mo。由圖3所示，5種小生境Ti的質量分數差異較小，為0.73% ～0.74%。Ni的含量差異也不大，以土面最低，為 80.74 mg/kg;石溝最高，為 87.80 mg/kg。Co的含量為 27.06 ～29.36 mg/kg，變異性較小;Sr的含量為 42.32 ～49.08 mg/kg，石縫、石坑較低，石槽、土面較高;Mo的含量為4.28～4.99 mg/kg，不同小生境之間變化不大，較為穩定。③Cl/TS/As/Se/B。Cl的含量為0.006% ～0.007%，不同小生境之間的差異較小;TS的含量為石槽(0.08%)＞石溝(0.07%)＞石縫(0.06%)=土面 ＞石坑(0.02%);As的含量為44.50 ～50.24 mg/kg，石坑最高、土面最低;Se的含量為0.82 ～9.97 mg/kg，石坑最低、土面最高，不同小生境之間波動較大;B的含量為 80.93 ～108.36 mg/kg，土面最低，石縫較高(圖4)。

2.2 土壤養分間的相關性

由表2可見，與Fe2O3、CaO和MgO等呈顯著相關的元素較多，而與 Ti、Ni、Mn、As、Se 等元素呈顯著相關的因子相對較少。土壤SOC、AN、AP與中量、微量礦質元素之間的相關性較高，說明相互間存在此消彼長的關系。

表2 土壤礦質元素之間的相關性Table 2 Correlation among different soil mineral elements

表3 主成分分析的特征根及其貢獻率Table 3 Eigen value and contribution rate in principal components analysis

2.3 不同小生境土壤質量的評價

依據特征值＞1、累積貢獻率＞80%的原則提取4 個主成分，初始特征值分別為 15.86、5.10、4.38和2.67，貢獻率分別為 56.63%、18.20%、15.63%和9.54%，累積貢獻率為100%，前4個主成分包含了全部評價因子的所有信息(表3)。

由表4看出，第1主成分與 CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、TN、AN、TP、Pb 等顯著正或負相關，載荷系數較大，第2主成分與SiO2、Cl、pH的負載較大(均為正相關)，第3主成分主要包含了Ti、Cr等的信息，第4主成分主要受Cd支配。表明大量元素和其他礦質元素均對土壤質量狀況產生較大的影響。

經過因子分析，各小生境的主成分因子得分(Fi)和方差貢獻率(Wi)加權得到土壤質量綜合指數函數。不同小生境的土壤質量綜合評價值存在差異(表5)，由高到低依次為土面(0.73)、石槽(0.49)、石縫( －0.01)、石坑( －0.46)和石溝( －0.75)?？梢姡c土壤養分變化規律一致，土面、石槽的土壤質量綜合評價值較高。

3 討論

3.1 不同小生境土壤質量診斷及其利用策略

喀斯特高原山地區花椒林不同小生境的土壤質量差異明顯，由高到低依次為土面、石槽、石縫、石坑和石溝。由于喀斯特地貌基巖出露面積較大，且起伏多變，微地貌十分復雜，石面、石臺、土面、石溝、石槽和石洞等小生境類型及其組合構成了喀斯特生境的多樣性［17］，對其小生境進行合理、有效利用成為石漠化地區生態恢復的重要內容，而質量診斷是進行小生境合理利用的基礎，為恢復措施的制定提供科學依據。同時，分析微小尺度的生境特征能夠為大尺度上的資源利用狀況評價奠定理論基礎，也有利于全面了解喀斯特地區耕地資源的利用格局［18］。

土面的單位面積相對較大，土層較厚，人為活動影響頻繁，是耕作的主要載體和山區農業生產的重點使用對象，養分表現出較高含量水平，土壤質量較好，可供改造的潛力大，建議以經濟價值較高和有利于恢復生態的樹種為主，兼顧石漠化治理和山區社會經濟發展。石槽屬于相對封閉的空間，土層較厚，水土流失量小，較易進行水肥管理，具有良好的利用價值，但分布零星，宜采用“見縫插針”的方式補植在生態位中具有優勢地位的小喬木。石縫寬度＜40 cm、土層厚度為10～30 cm，養分含量中等，根系伸長范圍以垂直空間為主，可以種植金銀花等藤本植物，對石縫小生境類型的利用應提高植物根系的解磷解鉀能力。石坑面積相對較小，通常不足3.0 m2，土體較淺，半分解凋落物蓄積量大，土壤多分布在近水平的凹地中，土體間接連續，蓄水量有限，使用難度大，但是仍然有一些適生性強的物種，利用方式以不施加人為擾動措施、實行自然恢復為宜。石溝巖體下降深度較淺，單位面積小，水分側流運動快，土壤流失量大，利用難度較高，建議以自然恢復為主。此次研究結果與廖洪凱等［6］的研究結果不一致，原因可能是研究中考慮了大量元素和中/微量元素對土壤質量的影響，而廖洪凱等主要研究不同小生境表層土壤的有機碳與活性有機碳分布特征。此外，由于喀斯特地區地質背景復雜、小生境類型多樣、巖溶溶蝕作用強烈、地表破碎、土體不連續、環境高度異質性，為保證研究結果的可比性，對小生境類型的劃分及取樣技術等均應采用統一的方法。

3.2 土壤礦質元素在質量評價中的意義

土壤質量評價指標體系包括化學元素、生物、結構、活性、緩沖性和穩定性等，能夠表征土壤維持生物生產力、環境質量以及促進生命健康的能力，是對外界環境的變化做出整體反應的體現［19］。土壤作為植物的機械支撐和主要養分來源，其質量是評價生態恢復潛力和效應的重要依據。土壤質量評價指標體系的構建是評價結果是否具有合理性和實用性的關鍵因素。目前，在土壤礦質元素研究方面，一是多關注大量元素［20］，中華民族幾千年的傳統農業通過施用有機肥、人畜糞尿等實現礦質元素生物小循環的回補量，而現代農業主要強調向土壤補給N、P、K等大量元素，根據“土壤需要有機肥，植物需要礦質元素”的原理，勢必要求向土壤補充更多的礦質元素，提高作物品質;二是集中關注元素富集引起的污染退化［21－22］，較少關注元素不足引起的養分退化。由于土壤微生物是土壤養分中最活躍的部分，通過轉化有機質實現陸地生態系統碳氮循環［23－24］，因而微生物生物量及其功能也屬于土壤質量評價的范疇［25－26］;礦質元素還影響土壤的緩沖性和穩定性，良好的土壤性能能夠為生物創造穩定的生長環境。研究結果表明，土壤礦質元素對其質量的影響作用較大，這充分表明引入更多礦質元素參與土壤質量評價具有重要意義，在下一步研究中應當予以補充和完善。

表4 旋轉前后各因子的載荷矩陣Table 4 Load matrixes pre and post rotated

表5 不同小生境的因子得分及其綜合評價值Table 5 Factor scores and comprehensive evaluation of different micro-habitats

4 結論

石槽、石縫和石坑小生境的土壤pH顯著高于石坑和土面。土面、石槽小生境土壤的C、N、P元素含量高，石坑、石溝則較低，其他礦質元素在不同小生境土壤之間波動較小。土壤SOC、AN、AP與其他礦質元素之間存在顯著相關性，大量元素和中/微量礦質元素均對土壤質量產生較大影響。土壤質量綜合評價值依次為土面(0.73)＞石槽(0.49)＞石縫(－0.01)＞石坑(－0.46) ＞石溝(－0.75)，土面、石槽和石縫土壤可加以改造利用，石洞、石溝土壤應以自然恢復為主。