套種模式對頂壇花椒土壤礦質元素含量的影響

陳俊竹，容 麗,2*，熊康寧,2

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州省喀斯特生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】頂壇花椒(Zanthoxylumbungeanum)具有根淺、喜光和耐旱等特征，喜好排水良好的石灰性土壤，是貴州喀斯特山區退耕還林的常見植物[1]，給花江喀斯特峽谷帶來了良好的生態和經濟效益。但隨著種植時間的延長，近年來，花椒種植過程中不當的土地利用和管理措施造成養分輸入與輸出失衡，導致土壤物理、化學以及生物性質發生不同程度的衰退[1-2]，水分與養分供應難以同步，使得頂壇花椒產量與品質不同程度降低，已成為制約該地區生態產業可持續發展的關鍵問題。礦質元素在植物生長發育過程中具有重要的營養功能，是植物生長發育及產量形成的物質基礎[3]。套種作為一種能夠充分合理利用土地、光能、空氣、水肥和熱量等自然資源的立體種植模式，其在實現土地經濟效益最大化的同時兼顧生態效益[4]。因此，花椒林不同套種模式是改良土壤的有效途徑。【前人研究進展】鮑乾等[5-7]對花江喀斯特峽谷不同恢復模式土壤研究發現，花椒金銀花套種林土壤的孔隙度特征、蓄水能力和抗侵蝕性能優于花椒純林，土壤有機碳、全鉀和速效鉀含量更高，土壤緊實度及容重相對更低。張曉明等[8]研究認為，花椒套種后昆蟲群落更穩定，具有更強的抗外界干擾和自我調節能力。檀迪[9]研究表明，花椒套種花生、金銀花后的經濟效益分別是花椒純林的1.31和2.33倍。【本研究切入點】目前，針對黔中石漠化區各種生態治理模式尤其是套種模式土壤礦質元素特征的研究較少，且土壤營養元素研究方面多數都集中在碳、氮、磷和鉀4個大量元素上，對其他礦質元素的研究較少，不利于黔中石漠化區生態經濟型植物產品品質的調控。【擬解決的關鍵問題】為此，以貴州喀斯特高原花江峽谷石漠化綜合治理研究區8種頂壇花椒套種模式林地土壤為研究對象，以同區頂壇花椒純林土壤為對照，通過測定土壤中量元素、微量元素及有益元素等22種礦質元素含量，探討不同土地利用類型的礦質元素特征，揭示其與套種模式間的潛在關系，以期為該區域生產上合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州喀斯特高原花江峽谷石漠化綜合治理區位于貴州省安順市貞豐縣與關嶺縣交界處的北盤江河谷兩岸(E 105°36'30″～105°46'30″，N 25°39'13″～25°41'00″)，海拔370～1473 m，地勢起伏大；森林覆蓋率不足30 %，喀斯特面積占88.07 %，基巖裸露率50 %～80 %；年均溫18.4 ℃，年均極端最高氣溫32.4 ℃，極端最低氣溫6.6 ℃，年總積溫6542.9 ℃。河谷低地冬季受花江暖濕氣流影響，終年無霜，年均降雨量1100 mm，降水主要集中在5-10月，占年降雨總量的83 %，冬春溫暖干旱，夏秋濕熱，屬半亞熱帶季風濕潤氣候。研究區土壤以石灰巖為成土母質的石灰土為主，部分為黃壤；植被以頂壇花椒、金銀花(Lonicerajaponica)、香椿(Toonasinensis)、構樹(Broussonetiapapyifera)、余甘子(Phyllanthusemblica)、樸樹(Celtissinensis)、仙人掌(Opuntiastricta)和砂仁(Amomumvillosum)為主[5]。

1.2 土樣

土壤樣品27份，采自研究區域頂壇花椒與8種作物套種模式及頂壇花椒純林模式樣地0～20 cm土壤。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集與制備 2017年7月在研究區域調查頂壇花椒套種玉米(Zeamays)、紅薯(Ipomoeabatata)、火龍果(Hylocereusundulates)、砂仁、構樹、金銀花、山豆根(Euchrestajaponica)和花生(Arachishypogaea) 8種套種模式，以及頂壇花椒純林模式對照(CK)的土壤類型、坡向、坡度、坡位、海拔和蓋度等樣地基本情況，同一模式選取3塊坡位、坡向、坡度和海拔相似的樣地400 m2(20 m×20 m)，每個樣地內按“S”型路線多點采集土壤樣品，混合均勻后，以四分法取約1 kg后立即帶回實驗室。土壤剔除可見礫石、根系及動植物殘體，自然風干后研磨過篩備用。

1.3.2 礦質元素的含量測定 硼(B)、砷(As)和硒(Se)按照《區域地球化學勘查規范》(DZ/T0167-2006)進行測定，硅(Si)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鋁(Al)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、氯(Cl)和硫(S)依據《多目標區域地球化學調查規范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)進行測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0對數據進行整理、統計分析，采用單因素方差分析的最小顯著差異(LSD)法對土壤礦質元素含量進行差異顯著性檢驗，并使用Origin 8.6進行制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤中量礦質元素的含量

從圖1看出，頂壇花椒不同套種模式土壤中量礦質元素(Ca/Mg/S)含量的變化。Ca含量：套種玉米土壤最高，為26.79 mg/g，顯著高于其余模式。Mg和S含量：頂壇花椒純林土壤最高，分別為16.80和0.91 mg/g，均顯著高于其余模式。套種火龍果土壤Ca、Mg和S含量在所有模式中均最低，分別為8.09、7.99和0.31 mg/g。除頂壇花椒套種玉米土壤Ca含量較其純林高1.30 %外，其余套種模式與頂壇花椒純林相比，土壤Ca、Mg和S含量均不同程度下降。

ZM為套種玉米，IB為套種紅薯，HU為套種火龍果，AV為套種砂仁，BP為套種構樹，LJ為套種金銀花，EJ為套種山豆根，AH為套種花生，ZB為頂壇花椒純林(CK)。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同ZM isZea mays, IB isIpomoea batatas, HU isHylocereus undulates, AV isAmomum villosum, BP isBroussonetia papyifera, LJ isLonicera japonica, EJ isEuchresta japonica, AH isArachis hypogaea, ZB isZanthoxylum bungeanum. The different lowercase letters indicate significant of difference atP<0.05 level. The same as below圖1 不同套種模式土壤中量礦質元素(Ca/Mg/S)的含量Fig.1 Concentrations of Ca, Mg and S of different interplanting patterns in soil

2.2 土壤微量礦質元素的含量

從圖2可知，頂壇花椒不同套種模式土壤微量礦質元素(Fe/Mn/Cu/Zn/B/Mo/Cl)的含量變化。Fe含量：套種紅薯土壤最高，為78.47 mg/g，顯著高于其余模式；套種火龍果土壤最低，為44.36 mg/g，顯著低于其余模式；套種玉米和火龍果土壤分別較頂壇花椒純林低14.64 %和34.52 %，其余套種模式均較頂壇花椒純林有所升高；其中，套種紅薯土壤是頂壇花椒純林的1.16倍。Mn含量：套種紅薯土壤最高，為4.51 mg/g，顯著高于其余模式；套種構樹土壤最低，為1.95 mg/g，顯著低于其余模式；套種砂仁、構樹和山豆根土壤分別較頂壇花椒純林降低1.35 %、31.21 %和17.63 %，其余套種模式均較頂壇花椒純林有所升高；其中，套種紅薯頂壇花椒純林的1.60倍。Cu含量：套種玉米土壤最高，為74.00 μg/g，顯著高于其余模式；套種花生土壤最低，為27.89 μg/g，與套種構樹、山豆根及頂壇花椒純林等模式差異不顯著。Zn含量：套種金銀花土壤最高，達261.35 μg/g，顯著高于除套種砂仁外的其余模式；套種火龍果土壤最低，為98.03 μg/g，顯著低于其余模式。B含量：套種山豆根土壤最高，為62.46 μg/g，與套種紅薯模式差異不顯著；套種玉米土壤最低，為41.53 μg/g，與套種金銀花、頂壇花椒純林模式差異不顯著。Mo含量：套種玉米土壤最高，為5.73 μg/g，顯著高于其余模式；套種山豆根土壤最低，為1.34 μg/g，顯著低于除套種砂仁外的其余模式。Cl含量：套種金銀花土壤最高，為0.24 mg/g，與套種砂仁土壤差異不顯著；頂壇花椒純林土壤最低，為0.08 mg/g；顯著低于其余套種模式。

圖2 不同套種模式土壤微量礦質元素(Fe/Mn/Cu/Zn/B/Mo/Cl)的含量Fig.2 Concentrations of Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo and Cl of different interplanting patterns in soil

2.3 土壤有益礦質元素的含量

從圖3看出，頂壇花椒不同套種模式土壤有益礦質元素(Si/Co/Ni/Na/Se/Al)的含量變化。Si含量：套種火龍果土壤最高，為296.71 mg/g，顯著高于其余模式；頂壇花椒純林土壤最低，為201.63 mg/g，與其余套種模式間差異顯著。Co含量：套種構樹土壤最高，為32.23 μg/g；套種金銀花土壤最低，為26.54 μg/g；與其余套種模式間差異均不顯著。Ni含量：套種玉米土壤最高，為102.77 μg/g，顯著高于除套種構樹外的其余模式；套種火龍果土壤最低，為62.44 μg/g，顯著低于其余模式。Na含量：不同套種模式間土壤為1.28～1.67 mg/g，平均1.47 mg/g；其中套種花生較頂壇花椒純林降低15.37 %。Se含量：套種玉米土壤最高，為0.95 μg/g，顯著高于其余模式；套種火龍果土壤最低，為0.49 μg/g，顯著低于套種金銀花和山豆根外的其余模式。Al含量：套種構樹土壤最高，為130.34 mg/g，與其余套種模式間均差異顯著；套種火龍果土壤最低，為82.03 mg/g，顯著低于其余模式。總體上看，大部分套種模式土壤Si、Co、Ni和Al含量較頂壇花椒純林均有不同程度的升高，而Na和Se含量均有不同程度的降低。

2.4 土壤其他礦質元素的含量

從圖4看出，頂壇花椒不同套種模式土壤其他礦質元素(As/Pb/Cr/Cd/Ti/Sr)含量的變化。As含量：套種構樹土壤最高，為46.37μg/g，與套種玉米、火龍果、金銀花和山豆根模式差異顯著；套種火龍果土壤最低，為15.82 μg/g，顯著低于其余模式；套種構樹和花生土壤較頂壇花椒純林分別高4.64 %和3.14 %。Pb含量：套種金銀花土壤最高，為69.11 μg/g，顯著高于套種玉米、火龍果和山豆根模式；套種玉米土壤最低，為43.94 μg/g，顯著低于除套種火龍果的其余模式。Cr含量：套種砂仁土壤最高，為222.40 μg/g，顯著高于套種玉米、火龍果、金銀花、花生和頂壇花椒純林；套種火龍果土壤最低，為93.30 μg/g，顯著低于其余模式；套種玉米和火龍果土壤較頂壇花椒純林分別降低21.20 %和41.35 %。Cd含量：套種砂仁土壤最高，為3.13 μg/g，顯著高于其余模式；套種火龍果土壤最低，為1.37 μg/g，均低于除套種構樹外的其余模式；套種火龍果和構樹土壤較頂壇花椒純林分別降低28.72 %和27.15 %。Ti含量：套種花生土壤最高，為9.02 mg/g，顯著高于其余模式；套種玉米土壤最低，為4.17 mg/g，顯著低于其余模式。Sr含量：套種玉米土壤最高，為101.64 μg/g，顯著高于其余模式；套種花生土壤最低，為53.78 μg/g，顯著低于其余模式；套種玉米、紅薯和構樹土壤較頂壇花椒純林分別升高69.37 %、1.48 %和5.30 %；套種火龍果、砂仁、金銀花、山豆根和花生土壤較頂壇花椒純林分別降低2.62 %、3.75 %、4.48 %、3.38 %和10.38 %。

圖3 不同套種模式土壤有益礦質元素(Si/Co/Ni/Na/Se/Al)的含量Fig.3 Concentrations of Si, Co, Ni, Na, Se and Al of different interplanting patterns in soil

圖4 不同套種模式土壤其他礦質元素(As/Pb/Cr/Cd/Ti/Sr)的含量Fig.4 Concentrations of As, Pb, Cr, Cd, Ti and Sr of different interplanting patterns in soil

3 討 論

3.1 不同套種模式礦質元素的含量特征

黔中石漠化區頂壇花椒不同套種模式土壤Ca、Mg和S含量與貴州遵義蝦子喀斯特中等發育區土壤、黔中花溪黨武喀斯特強烈發育區土壤和黔西南安龍木咱喀斯特較強發育區土壤[10]，3個巖溶自然保護區原始林地土壤[11]，湖南張家界典型植煙土壤[12]，以及中國和世界土壤元素含量中值相比均處于較高水平。研究區土壤Ca含量豐富，與喀斯特強烈發育區域中分布廣泛的石灰性土壤Ca含量豐富的實際相符[13]。Ca、Mg和S是作物生長發育所必需的營養元素，對作物生長發育及新陳代謝起著不可替代的作用。其中，S作為繼N、P和K之后的第4位營養元素，在參與蛋白質、氨基酸和葉綠素形成，控制光合作用中碳水化合物代謝、影響植物呼吸作用和抗逆性等生物地球化學過程中扮演著重要角色[14]。我國不同類型土壤S含量為0.10～0.50 mg/g[15]，與此相比，研究區土壤S含量較為豐富。充足的S肥在維持作物高產的同時還提高作物體內的S含量[16]。此外，S對于植物抵抗重金屬的毒性十分重要，土壤中的S直接或間接影響重金屬的有效性、活性以及植物吸收累積量，而植物吸收S后經過一系列代謝產生的植物螯合素和金屬硫蛋白等含S化合物可與植物中的重金屬形成毒性較低的絡合物，從而降低重金屬對植物的毒性[17]。研究區豐富的S含量在提高作物的產量和降低作物中重金屬含量的同時，還對提高其品質具有不可忽視的作用。

研究區土壤Fe、Mn、B和Cl含量與3個貴州典型喀斯特區土壤[10]，3個受人類活動干擾相對較少的巖溶區原始林地土壤[11]，湖南張家界典型植煙土壤[12]，以及中國和世界土壤元素中值相比也處于較高的水平。土壤中豐富的Fe含量有助于植物產生葉綠素，也有利于植物體內氧化還原過程和碳水化合物的合成[18]。同時，Fe作為磷酸蔗糖的活化劑，影響蔗糖的形成[19]，故研究區土壤中豐富的Fe含量對保證火龍果果實的品質具有重要作用。而土壤中豐富的Mn含量不僅有助于提高植物的呼吸強度，促進碳水化合物的水解，同時，其也調節植物體內氧化還原過程，對植物平衡比例吸收Fe十分重要[18]。土壤Cu含量高于張家界典型植煙土壤[12]，以及中國和世界土壤Cu含量中值[13]，但與貴州典型喀斯特區土壤[10]及3個受人類活動干擾相對較少的巖溶區原始林地土壤[11]相比其含量相對較少。Cu的主要作用包括增強植物光合作用以有利于其生長，增強植物抗病、抗寒、抗旱、抗熱等能力[20]。為適應研究區干熱的氣候，植物需要不斷的補充Cu素，這可能是研究區土壤Cu含量較低的原因之一，故在農業生產中可考慮適當添加Cu肥。土壤Zn含量均高于貴州3個典型喀斯特區土壤[10]，湖南張家界典型植煙土壤[12]，以及中國和世界土壤Zn含量中值[13]，但與3個受人類活動干擾相對較少的巖溶區原始林地土壤[11]相比，Zn含量相對較低，表明土壤Zn含量與人類活動干擾存在一定的關系。研究區土壤Mo含量在國內處于較低水平，Mo參與共生性生物固氮及蛋白質的合成，其還能增進光合作用的強度，而研究區部分作物出現葉片呈黃綠色，葉緣壞死及葉生長畸形現象可能是Mo含量較低的原因之一[18]，在生產過程中應注意適量補充Mo肥。

黔中石漠化區頂壇花椒不同套種模式土壤除Co含量低于黔中花溪黨武喀斯特強烈發育區土壤[10]及中國土壤Co含量中值外，其Co、Ni和Se含量均高于其余研究區域。我國土壤Co含量水平較世界高，而研究區土壤Co含量在國內處于較低水平。Co作為固氮根瘤組織中形成血紅朊的必需物質維生素B12的成分之一，其影響著植物體內氮的代謝，土壤中Co含量較低可能會造成作物生長發育受阻，葉片失綠，葉緣卷曲，葉片向上彎曲、凋萎以致壞死等不良現象[18]。而我國土壤缺Se嚴重，只有極少部分地區土壤Se含量較高[21]。研究區土壤Se含量相對較高，能在增強植物抗氧化性的同時提高植物對環境的脅迫抗性[22]，此外，Se與Cd、Cr、Hg、Pb和As等重金屬元素有拮抗作用，可增強植物對重金屬的抗性、降低重金屬在植物體內富集[23]，是提高農作物產量與品質非常重要的營養元素之一。研究區土壤Si、Na和Al含量[10]低于湖南張家界典型植煙土壤[12]，以及中國和世界土壤元素含量中值，貴州喀斯特區土壤Si、Na和Al含量較低。土壤微量元素主要來源于成土母質，其含量和分布也與母巖密切相關[11]。研究區土壤Si、Co、Na和Al含量較低， Ni和Se含量較高，可能與石灰巖的風化存在一定關系。

黔中石漠化區頂壇花椒不同套種模式土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量均值分別為36.93 μg/g、59.59 μg/g、176.19 μg/g、2.27 μg/g、7.49 mg/g和63.44 μg/g。按國家《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T 332-2006)要求，研究區不同模式土壤除As和Cd含量可能存在超標現象外，土壤Pb和Cr含量遠低于標準值。As和Cd含量過高會引起植物的氧化應激，抑制植物光合作用的同時，還抑制植物對Zn、Se、Fe、Cu和Mg元素的吸收，致使農作物缺乏營養物質[24]。土壤As含量較高可能與研究區成土母質大部分為石灰巖有關。有研究表明，石灰巖中As平均背景值高于其他砂頁巖、河流沖擊物、洪積物、花崗巖和紫色巖等[25]。研究區土壤Ti含量較貴州遵義蝦子喀斯特中等發育區(9.39 mg/g)、黔中花溪黨武喀斯特強烈發育區(11.93 mg/g)和黔西南安龍木咱喀斯特較強發育區(10.10 mg/g)[10]低。目前，有關土壤重金屬的研究較少關注土壤Ti，這是因為Ti在土壤中可溶性含量較低，通常被認為毒性較低[26]。雖然一定濃度的Ti對作物生長發育、產量和品質等均有較好的促進作用，但一旦超過適宜的范圍，土壤重金屬對環境的危害會隨著土壤中重金屬含量的增大而增大。所以土壤中較低的Ti含量有利于降低其危害作物的風險。研究區土壤Sr含量略高于湖南張家界典型植煙土壤Sr含量(63.04 μg/g)，但低于中國土壤Sr含量均值(121.00 μg/g)及世界土壤Sr含量中值(250.00 μg/g)[13]，其Sr含量在國內甚至世界均處于較低水平。有研究顯示，Sr能與土壤酶蛋白的關鍵基團和配位鍵結合或者脅迫微生物減少體內酶的合成和分泌，從而降低土壤酶的活性，最終影響土壤的生態功能以及土壤養分轉化進程的強度和方向，適量的土壤Sr含量有利于土壤生態系統中生物化學過程的進行[27-28]。

3.2 不同套種模式的土壤質量優化策略

頂壇花椒套種紅薯、砂仁和金銀花與頂壇花椒純林相比，土壤Ca、Mg、S、Na和Se 等6種礦質元素含量呈不同程度下降趨勢，Fe、Mn、Cu、B、Cl、Si、Ni和Al等10種礦質元素含量呈不同程度升高趨勢。Ca、Mg、S、Na和Se等元素可能是紅薯、砂仁及金銀花在生長發育過程中需求量較大的元素，在相應的農業生產活動中應適當補充相應礦質元素肥料。套種玉米、構樹和花生土壤Mg、S和Na等共7種礦質元素含量呈不同程度下降趨勢，Cl、Si、Co和Ni等9種礦質元素含量呈不同程度升高趨勢。為避免對土壤Mg、S和Na等礦質元素過度消耗，套種玉米、構樹和花生時應適當補充相應礦質元素肥料。套種山豆根和火龍果與花椒純林相比，土壤Ca、Mg、S、Zn、Na和Se等礦質元素含量均呈一定程度下降趨勢，土壤Cu、B、Cl、Si和Co等礦質元素呈不同程度升高趨勢。套種作物較單一種植模式而言，能有效提高部分土壤微量元素的含量，可能是套種產生的凋落物歸還量能夠使得部分土壤微量元素增長的原因之一。

套種火龍果土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量均較頂壇花椒純林有所降低，其余套種模式部分重金屬含量呈不同程度上升趨勢。可能與當地農業生產過程中大量使用農藥和化肥有關，頂壇花椒林中套種其他作物后，對農藥及化肥的使用量也隨作物種類的增加而相應增加，這也是重金屬進入土壤的渠道之一[29]。與頂壇花椒純林模式相比，套種火龍果模式能有效降低土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量，表明，火龍果可能對這些元素具有一定的富集作用，套種火龍果模式應避免過量使用農藥和化肥，以保證其品質。

4 結 論

與其他研究區域相比，黔中石漠化區不同套種模式頂壇花椒土壤Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Cl、Ni和Se含量較高，而土壤Cu、Zn、Mo、Co、Si、Na和Al含量較低，可能是下一步施肥提高研究區作物品質應注意的方向。在頂壇花椒林套種其他植物或作物后，很大程度提高部分土壤中量及微量元素含量，但套種紅薯、砂仁和金銀花模式加大了對土壤Ca、Mg、S、Na和Se含量的消耗，套種玉米、構樹及花生模式則加大了對土壤Mg、S和Na含量的消耗，在農業生產上應適當進行相應的補充。花椒套種火龍果模式可能對土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量具有一定的富集作用，具體原因還有待于進一步深入研究。