貴州喀斯特山區不同海拔花椒人工林土壤質量評價

喻陽華,王 璐,鐘欣平,秦仕憶

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,貴陽 550001 2 貴州師范大學地理與環境科學學院,貴陽 550025

土壤為植物生長提供養分供給和機械支撐,土壤質量是指土壤在生態承載閾值內,維持生物生產、環境保護質量及促進生物健康的能力,與生態安全、食品安全、人口代傳質量和可持續發展密切相關[1- 2],能夠敏感地指示土壤動態變化,揭示土壤退化的恢復能力,反映土壤管理水平[3]。花椒(Zanthoxylumbungeamun)舊名秦椒,為蕓香科(Rutaceae)花椒屬(Zanthoxylum)的植物,原產中國,根淺、喜光、耐旱、嗜石灰性土壤,因其具有獨特的食用、藥用價值和生態功能,是我國分布廣泛的經濟樹種[4]。花椒屬植物中頂壇花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.dintanensis)為竹葉椒(Zanthoxylumplanispinum)的一個變種,是貴州喀斯特地區特有的,生態、經濟價值很高的香料植物,在該區生態與經濟建設中發揮了舉足輕重的作用[5]。自1992年貴州省貞豐縣大規模推廣頂壇花椒種植以來,受獨特的氣候、土壤和地形等條件影響,形成了獨具特色的花椒人工林。但是,由于管理較為粗放,特別是花椒種植后土壤有機碳存在“匯-源”的轉換過程[6],因此應注重長期管護,防止土壤質量衰退。開展花椒人工林土壤質量評價,對立地生產力和多目標森林經營的研究具有重要意義[7],能夠指導土地資源的科學利用[8],抑制花椒衰老退化。

目前多以大量元素和生物類群構建土壤質量評價指標體系。張璐等[9]以大量元素為主要指標體系,闡明自然恢復植被比人工植被更有利于土壤肥力的提高；王鈺瑩等[10]采用大量元素評價得出厚樸群落土壤肥力隨著林齡的增加而降低；劉艷等[11]以大量元素為依據闡明土地利用方式的變化改變了喀斯特峰叢洼地土壤肥力特征；劉麗等[12]采取化學和生物學指標評價杉木(Cunninghamialanceolata) 人工林土壤質量演變,表明細菌和真菌可能是引起土壤質量變化的關鍵種群；呂真真等[13]從土壤物理、化學、生物性質揭示了有機-無機肥配施對雙季稻田質量的影響機制；鄧紹歡等[14]建立了我國南方冷浸田土壤質量評價的最小數據集,表明Fe2+和有效錳等指標顯著影響土壤質量。將中量、微量元素納入評價指標體系,能夠更全面地揭示土壤質量特征。海拔作為主要的地形因子,能夠對土壤肥力產生多方面的影響。薛沛沛等[15]以土壤理化性質、微生物性質和酶活性為因子,評價得出大崗山不同海拔毛竹(Phyllostachyspubescens)林隨海拔的升高而降低；麻澤宇[16]等以土壤pH值、顆粒物和大量元素為指標體系,研究表明新疆阿爾泰山天然冷杉(AbiesSibirica)林地土壤質量變化隨海拔分異規律不明顯；焦潤安等[17]研究了白龍江流域海拔對油橄欖(Oleaeuropaea)園土壤肥力的影響,總體隨海拔的升高而降低。由此可見,不同研究區域得出的結論差異較大,研究不同海拔花椒人工林的土壤肥力有助于提升生產力。

綜上,現有土壤質量評價時,對含量較低的礦質元素關注較少,而這些元素在調節滲透壓、促進酶活性、合成蛋白質、提高光合作用及植物抗逆性等方面具有重要作用[18]。必需礦質元素缺乏會影響植物生長發育,出現疾病和死亡,限制植物的生長和產量[19]。因此,引入中量、微量礦質元素參與土壤質量評價,更能全面揭示土壤質量狀況。基于此,本文以貴州喀斯特山區不同海拔花椒人工林為研究對象,采用土壤農化分析和環境礦物學的方法,揭示土壤養分隨海拔的分異規律,探討養分質量綜合特征。主要回答如下3個問題：(1)土壤養分隨海拔梯度表現出什么變化規律？(2)礦質元素之間的相關程度如何？(3)不同海拔花椒人工林地土壤質量特征？以期為喀斯特山區制定區域合理的花椒林經營措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

研究區位于貞豐縣北盤江鎮查耳巖村，生境具有明顯的獨特性,主要表現在以下3個方面：(1)干熱氣候。年均降雨量1100mm,季節分配極不均勻,冬春旱及伏旱嚴重；氣候類型主要為半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,海拔高度370—1473m,垂直高差約1100m,具有典型的河谷氣候特征。(3)石漠化發育。流域內森林覆蓋率不足30%,基巖裸露率介于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,土層淺薄、地表破碎,土體不連續,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。

該區花椒種植均采用“見縫插針”的方式,密度約為1100—1300株/hm2。由于石漠化深山區耕作成本較高且青壯年勞動力外出務工,未對花椒林地進行深耕,施肥以復合肥為主,除草劑使用量大、頻次高,花椒苗圃地使用薄膜進行保溫。花椒經營、管理較為粗放,未采取整形修枝、水肥協同供應等措施。近年來,花椒的產量和品質均呈現下降趨勢,不利于石漠化區、石山區和深山區生態文明建設。5個樣地由低海拔至高海拔依次命名為HJ1—HJ5。樣地的自然概況見表1。

表1 樣地基本概況

HJ1—HJ5：花椒樣地1—5

1.2 研究方法

土壤樣品采集與預處理方法：每一海拔樣地設置3個10m×10m的樣地,樣地之間距離大于10m,每一樣地采用S形土壤樣品采集的布設方法挖取5個20cm的土壤剖面(不足20cm的以實際深度為準),將每一個樣地5個點的土樣混合,然后用四分法取出約1kg樣品。土樣帶回實驗室后,剔除石礫、根系和動物殘體等雜物,自然風干,研磨至95%樣品通過2mm和0.15mm篩,置于玻璃瓶中保存備用。

pH值采用土水質量比1∶2.5提取,電位電極法測定；有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱法,全氮(TN)采用半微量開氏法,速效氮(AN)采用堿解擴散法,全磷(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(AP)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色-紫外分光光度法測定[20]；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。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行計算,使用Origin 8.0作圖,使用SPSS 21.0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海拔花椒林地之間的差異顯著性；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,進行土壤質量評價。顯著性水平均設定為P=0.05。

1.4 土壤綜合質量指數

本研究以土壤pH值、SOC、TN、AN、SiO2、CaO、Cu、Zn等27項因子作為花椒林地土壤養分評價的基本指標。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[21]。將主成分特征向量與標準化數據的乘積得到各樣地的主成分得分。采用加權法計算土壤質量綜合指數(IFI),其表達式為[22]：

IFI=∑Wi×Fi

式中,Wi為各主成分貢獻率,Fi為各樣地的主成分得分。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

土壤pH值均>7.0(圖1),呈堿性,是石灰性土壤。pH值由低海拔(7.89)向高海拔顯著升高,但最高海拔(7.99)卻呈顯著降低,5個樣地之間均表現為顯著差異。可見,在堿度較強的貴州喀斯特干熱河谷地區,同一植物群落類型對于土壤pH值的響應因地形因子變化而變化。

2.2 土壤元素含量變化

2.2.1 大量元素

SOC、TN、AN、TP、AP的含量見圖1,其中SOC、TN、AN以HJ1和HJ5較高,TP、AP則表現出相反的規律。HJ2、HJ3和HJ4之間的大量元素多為不顯著差異(P<0.05),但這3個樣地與HJ1、HJ5的大量元素多為顯著差異。結果表明海拔是影響大量元素分異的因素之一。

圖1 不同海拔花椒林地土壤pH值和大量元素含量Fig.1 Chinese prickly ash orchard forest lands pH and content of macroelement in soil at different attitudesHJ1—HJ5：花椒樣地1—5

2.2.2 礦質元素

土壤的礦物質部分是土體的骨架,對土壤性質影響較大。花椒林地土壤礦質元素隨海拔變化而變化(圖2、表2),但是沒有明顯的變化規律,其中TS、Pb、Cd、Se等元素波動較大,表現為高海拔地區躍變升高的趨勢。

2.3 土壤礦質元素的相關性分析

元素之間的相關性分析結果表明：Fe2O3與Al2O3、As、Ni、Co均為顯著正相關,相關系數分別為0.944、0.899、0.894、0.963、0.980；Ti與Mo、As與Co、CaO與Sr均呈顯著正相關,相關系數依次為0.883、0.993、0.901。Fe2O3與Ni、Pb與Se、Pb與Na2O、Cr與Na2O、TS與TN、TS與AN均呈極顯著正相關,相關系數為0.980、0.999、0.968、0.977、0.975、0.977。Ti與MgO、Zn與Sr、SiO2與Cr、TN與AP、Se與AP、TS與AP均呈顯著負相關,相關系數為-0.887、-0.939、-0.956、-0.950、-0.909、-0.950。

圖2 不同海拔花椒林地土壤無機化合物含量Fig.2 Chinese prickly ash orchard forest lands content of inorganic compounds in soil at different attitudes

因子FactorHJ1HJ2HJ3HJ4HJ5因子FactorHJ1HJ2HJ3HJ4HJ5Ti/%0.910.760.820.750.81As/(mg/kg)37.1324.3638.8845.7522.79Cl/%0.0070.0070.0060.0060.008Ni/(mg/kg)76.5457.6487.6083.1779.35TS/%0.0790.0310.0580.0560.116Se/(mg/kg)1.260.380.990.64168.11Cu/(mg/kg)40.8726.1640.1425.0945.96B/(mg/kg)58.0377.0493.9096.6683.55Pb/(mg/kg)68.3348.1771.0258.47483.25Co/(mg/kg)28.9925.9429.5632.0627.80Zn/(mg/kg)191.32159.00249.44206.80256.93Sr/(mg/kg)81.69101.5958.9961.6850.01Cr/(mg/kg)195.66151.89180.84183.84163.36Mo/(mg/kg)5.851.832.212.352.24Cd/(mg/kg)2.291.322.471.4713.52

2.4 貴州喀斯特山區不同海拔花椒林土壤綜合質量

2.4.1 特征值和方差貢獻率

按照特征值>1且累積貢獻率>85%的原則抽取了3個主成分(表3),其特征值分別為11.38、7.72和6.17,特征值之和為25.27；累積貢獻率達到93.56%,說明前3個主成分可以反映土壤全部指標提供信息的93.56%,表明因子分析用于評價土壤質量是可靠的。

表3 主成分分析的特征根及其貢獻率

2.4.2 因子載荷

主成分的初始因子載荷矩陣是原始指標與各主成分的相關系數,以絕對值為準,正負只是表征影響效應的正負。由因子載荷矩陣得知(表4),第1主成分主要受TS、Cd、TN、AN、AP支配,除AP外均表現為正效應；第2主成分在Al2O3、Fe2O3、As、Co上的負載較大,對土壤性質的影響均為正效應；第3主成分主要受B、Mo的影響較大,其中B為正效應、Mo為負效應,表明Mo增加會導致土壤質量降低。

表4 旋轉前后各因子的載荷矩陣

2.4.3 土壤質量綜合指數

由各樣地的主成分因子得分和方差貢獻率加權得到土壤質量綜合指數(表5),排序為HJ5(2.16)>HJ3(0.43)>HJ4(0.19)>HJ1(-0.21)>HJ2(-2.60),高海拔花椒林地表層土壤質量總體優于低海拔,表明土壤養分隨海拔變化表現出分異規律。

表5 不同樣地的因子得分及其土壤質量綜合指數

3 討論

3.1 土壤質量特征

由表6可知,花椒林地土壤大量元素含量總體高于喀斯特高原山地區不同演替階段的植物群落樣地、喀斯特槽谷不同利用方式土地和全國平均水平,低于喀斯特峰叢洼地區不同土地利用類型樣地,表明花椒人工林土壤大量元素處于相對較高的水平。這主要是由于各研究區水熱條件存在差異,且受到不同程度的人為干擾所致。該區屬于干熱河谷石漠化地區,熱量豐富、空氣相對濕度較高,優越的溫、濕條件極有利于生物的繁衍和生長,生物自肥作用強烈[11]。花椒人工林經營過程中,為了通過最小的勞務投入獲得高產,依靠大量施用復合肥,而該區土層淺薄,土壤保水蓄水能力較弱,因此水肥供應不同步,養分的吸收、利用效率較低,這可能也是導致土壤中大量元素較高的原因。此外,近年來花椒出現了以開黃花為典型標志的衰老退化,這也可能使花椒植株對養分的吸收能力減弱,導致外源添加的養分在土壤中聚集。但是,由于土壤中量和微量元素研究的公開報道較少,且缺乏全面、完整的質量評價標準,因而本文僅對大量元素進行了比較。

表6 花椒林土壤大量元素與其他區域的對比

SOC，有機碳，Soil organic carbon；TN，全氮，Total nitrogen；AN，速效氮，Available nitrogen；TP，全磷，Total phosphorus；AP，速效磷，Available phosphorus; —：未找到相關數據

3.2 土壤質量隨海拔的變異規律

本研究利用土壤質量綜合評價法探討了貴州喀斯特山區不同海拔花椒人工林土壤質量狀況,定性和定量評價了土壤質量特征。結果表明,花椒林地土壤隨海拔變化表現出一定的分異規律,總體為高海拔地區優于低海拔。影響花椒林地土壤元素分異的原因可能有：一是由于該區氣候垂直分帶明顯,海拔850m以下為南亞帶干熱河谷氣候,900m以上為中亞熱帶河谷氣候[6],花椒多種植在海拔850m以下的地區,但是近年來受到農村勞動力外出和花椒市場起伏不定等因素影響,人為對花椒林地的養分歸還逐年降低,經營管理愈加粗放,導致低海拔花椒林地土壤質量下降；二是該區域人口密度以海拔680—800m區域最大,當地農戶養殖有數量不等的畜禽,還土的有機肥多,耕作成本相對較低,人為管護更加精細,因而土壤質量更優；三是從坡度差異來看,中高海拔地區的坡度趨緩,排水通暢,土壤厚度大,養分蓄存空間大,有利于養分保持；四是中低海拔的花椒林地套種紅薯現象較為普遍,在提高生物多樣性和土壤水分含量的同時,是否加劇了養分競爭還有待深入研究。但是,影響土壤養分變異的因子包括母質、成土因素[26]、地上植被[27]和地形因子等,因此這些參數對土壤質量的綜合影響效應是未來需要重點研究的內容,能夠為土壤養分潛力挖掘奠定科學基礎,指導貴州喀斯特山區土地資源合理利用和生態恢復重建。

3.3 土壤質量狀況診斷與土壤管理

土壤質量是評價退化生態系統生態恢復功能的關鍵指標[28],診斷土壤質量狀況的目的是進行土壤養分高效管理。本文研究結果表明,高海拔花椒林地土壤質量狀況更優,而調查發現低海拔地區花椒種植規模更大,尤其是海拔550—800m區間分布廣泛,因此提高養分供給水平和利用效率具有重要的現實意義。HJ1具有相對較好的土壤大量元素狀況,但是花椒生長所需要的B、Zn等元素則較為缺乏,適量的Zn對不同年齡、不同海拔的頂壇花椒花粉活力及其壽命均有較大促進作用[5],表明應注重補充礦質元素尤其是必需微量元素,以穩定花椒的產量和品質。HJ2的大量元素和其他礦質元素含量均較低,調查發現該區域土壤石礫含量高、團聚結構被破壞、花椒長勢較差、化肥施用量大,且偏離人口聚居區導致經營管理較為粗放,因此應注重施用有機肥,培育土壤團聚結構,營造土壤微生物活動及其物質與能量循環的主要場所[29]。HJ3的養分質量綜合指數位列第2(為0.43),大量元素含量處于中等水平,但是土壤厚度約10 cm,因此應當從土壤數量和質量兩個方面同步改良,建議施用畜禽糞便等農家肥,改善養分蓄存能力和土壤保水性能,提高土地的生產和生態功能。HJ4的氧化物和中量、微量礦質元素含量狀況較好,但是大量元素虧缺,花椒植株表現出典型的缺素癥狀,主要原因可能是使用化肥導致花椒吸收養分能力受到限制,因而應調整該區域的肥料種類和比例。HJ5的大量元素和B、Mo等必需礦質元素含量均較高,土層較厚,但是光照、熱量相對較低,導致花椒種植規模小,因而應當提高對生態因子的利用效率。

總體而言,該地區花椒種植存在土層淺薄、化肥施用量高、經營粗放、水肥供應不協調等問題,因此土壤結構破壞、必需養分含量較低,導致花椒的適應能力下降、生理活性減弱,已經影響到老百姓的種植積極性和石漠化治理成果的鞏固。在該地區土壤管理上,應施用花椒專用有機肥和礦質元素肥料,提高土壤養分供給水平和速率。但是,水分和養分供應不協調是限制花椒生長的重要原因,水分脅迫導致花椒根系生長減少[30]。水分和養分是植物生長過程中尤為重要的環境要素,也是最容易控制的兩大因素,水肥管理是農林業生產中的核心問題[31],是提高作物產量和品質的重要途徑,且不能單純依靠水分或肥料[32- 33]。下一步應結合土壤含水量動態變化狀況及其保水蓄水能力,研究頂壇花椒的水肥耦合效應,提出適宜頂壇花椒生長的水分和肥料配比,解決花椒衰老退化、產量和品質降低的問題。

4 結論

(1)5個花椒人工林樣地的土壤pH值呈顯著差異,隨海拔增加表現為升高—降低的變化趨勢；HJ1、HJ5的土壤SOC、TN、AN總體顯著高于HJ2—HJ4,TP與AP的變化則相反；除大量元素外,礦質元素在不同海拔花椒林地之間變化規律不明顯。

(2)礦質元素之間表現出一定的顯著性相關,表明其關系較為密切。

(3)土壤質量綜合指數為HJ5(2.16)>HJ3(0.43)>HJ4(0.19)>HJ1(-0.21)>HJ2(-2.60),高海拔花椒人工林表層土壤質量總體較優。

(4)土壤管理上應注重養分的全面性,提高養分供給水平和利用效率。