贵州喀斯特山区花椒林小生境的土壤质量特征

喻阳华，秦仕忆，钟欣平

(1.贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001;2.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550025)

【研究意义】以贵州为中心的西南喀斯特地区，生态环境脆弱，系统稳定性较低［1］，复杂岩石组合的微地形构成了多种小生境［2］，形成了喀斯特生境的高度异质性［3］。土壤养分含量是评价土壤质量的重要指标，为植物生长发育提供营养来源［4－5］，土壤养分水平与植株生长状况密切相关。研究区已经有近40年的花椒(Zanthoxylum bungeamun)大规模栽培历史，面临土壤退化、产量下降、品质降低等一系列问题，亟需采取多种措施对花椒人工林生态系统进行综合调控。【前人研究进展】已有研究表明，不同小生境表层土壤质量表现出较大差异，以石沟和石坑小生境较高，石槽和石洞则较低，石坑和石沟成为喀斯特山区农业生产中重点开发和利用的对象［6－7］;喀斯特山区规模化种植花椒后，应当注重长期维护管理［8］，防止土壤质量退化。土壤C、N、P等大量元素在土壤结构维持和养分循环中发挥着重要作用，是植物生长所需要的基本元素，一些学者围绕大量元素对土壤质量特征的影响进行研究［9－10］，取得了丰富的研究成果。Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl等矿质元素亦同样对土壤的结构和功能产生重要影响，是植物生长必需的营养元素［11］，在维持土壤质量和提高作物品质方面具有显著作用;矿质元素在植物生理生化及生长发育过程中具有重要的作用，如调节其花芽分化，元素缺乏或积累过多均会导致植物提早衰退，开花频繁［12］。【本研究切入点】将更多矿质元素引入到土壤质量评价中，是对土壤质量评估的重要补充。土壤养分在空间上呈不同的分布格局［13］，其分布状况直接影响植物的生长发育，因而掌握养分随空间的变化特征有助于实现快速培肥和提升土壤质量。【拟解决的关键问题】为此，选择贵州喀斯特山区花椒林内石槽、土面、石沟、石缝和石坑5种小生境为研究对象，探讨不同小生境土壤性质的空间变化特征，弄清其土壤养分的变化规律，为花椒种植的合理布局提供科学依据，以促进喀斯特地区石漠化的生态恢复。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于贞丰县北盘江镇查耳岩村(东经105°38'48.48″，北纬 25°39'35.64″)，生境具有以下3个方面的明显独特性:①干热气候。年均降雨量1100 mm，季节分配极不均匀，冬春旱及伏旱严重;气候类型主要为亚热带湿润季风气候，热量资源丰富，年均温为18.4℃，年均极端最高温为32.4℃，年均极端最低温为6.6℃，年总积温达6542.9℃，冬春温暖干旱、夏秋湿热。②河谷地形。区域内河谷深切，地下水深埋，海拔370～1473 m，垂直高差约1100 m，具有典型的河谷气候特征。③石漠化发育。属珠江上游北盘江流域，基岩裸露率达50%～80%，碳酸盐岩类岩石占78.45%，土壤以石灰岩、泥灰岩为成土母质的石灰土为主，地表破碎，发育有完整的石缝、石坑、石沟、土面和石槽等小生境类型，多处于中度、重度石漠化等级。

1.2 材料

土壤样品:每个小生境类型均采集5～7个土壤样品组成1个混合样品，每个类型设3个平行，共计15个混合样品，采样地点位于贞丰县北盘江镇查耳岩村查耳岩组的不同小生境类型，均为0～20 cm的表层土壤。

1.3 土壤样品采集与预处理方法

设置环境条件较为一致的3块花椒林地作为典型样地，每块样地内设置20 m×20 m的样方1个，依据岩体、植被、凋落物、土壤分布和土体等划分小生境类型，具体参照刘方等［2］的方法，选取花椒林地中的石槽、土面、石沟、石缝和石坑5种小生境为研究对象，每个类型设置3个平行。其中，土面是出露的岩石中间多边状分布的土壤，石缝是出露的岩石裂隙或岩溶裂隙，石沟是出露的岩石溶蚀沟或侵蚀沟，石洞是出露的岩层或岩石水平突出构成的半开放洞穴，石槽是出露的岩石溶蚀或侵蚀的半开放凹槽，石坑是出露的岩石溶蚀凹地。由于小生境空间分布的规律性较弱，采取随机取样法采集0～20 cm的土壤，将采集的15个混合样品带回实验室［7］;剔除土样中可见的动物残体、植物残根和凋落物，置于通风干燥处，避免阳光直射，自然风干后研磨至95%以上土壤样品通过2和0.15 mm筛，装入玻璃瓶备用。

1.4 指标测定

研究以土壤pH、SOC、TN、AN等28项因子作为小生境土壤质量评价的基本指标。pH采用土水比1∶2.5(质量比)提取，电位电极法测定。大量元素采用《土壤农化分析》［14］中的分析方法测定。其中，有机碳(Soil organic carbon，SOC)采用重铬酸钾－外加热法，全氮(Total nitrogen，TN)采用半微量开氏法，速效氮(Available nitrogen，AN)采用碱解扩散法，全磷(Total phosphorus，TP)采用高氯酸－硫酸消煮－钼锑抗比色－紫外分光光度法，速效磷(A-vailable phosphorus，AP)采用氟化铵－盐酸浸提－钼锑抗比色－紫外分光光度法。硼(B)、砷(As)、硒(Se)按照《区域地球化学勘查规范》(DZ/T0167-2006)进行测定，二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钠(Na2O)、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)、锶(Sr)、钼(Mo)、氯(Cl)、总硫(TS)依据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)进行测定。

由于这些评价指标量纲不一致，在数值上存在较大差异，研究前对各指标值进行标准化预处理。通过主成分分析，得到主成分公因子方差、载荷矩阵和贡献率;主成分特征向量为对应的载荷矩阵值除以该成分特征值的平方根［15］。将主成分特征向量与标准化数据的乘积得到各小生境主成分得分。采用加权法计算土壤质量综合值(IFI)，其表达式为［16］:

表1 不同小生境土壤各种氧化物质的组成情况Table 1 Chemical composition of soils in different micro-habitats (%)

式中，Wi为各主成分的贡献率，Fi为各小生境主成分的得分。

1.5 数据处理与分析方法

试验数据采用Excel 2010进行计算与整理，使用Origin 8.6作图，使用SPSS21.0进行统计分析;采用单因素方差分析(One-way ANOVA)方法，置信度为95%，检验土壤参数在不同小生境类型之间的差异性;运用Pearson相关系数法检验各土壤指标之间的相关性;运用主成分分析法提取可以反映原来多个指标的综合性指标，进行土壤质量特征评价。显著性水平均设定为P＜0.05，极显著性水平均设定为 P ＜0.01。

2 结果与分析

2.1 不同小生境土壤各种氧化物质、pH及养分的含量

2.1.1 氧化物质的组成 从表1可见，不同小生境的 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 和 Na2O 含量的差异较小，除CaO在5种小生境类型之间的波动范围大于100%外，其余指标的变幅多在10%以内，原因可能与母质类型和成土作用相似有关。

2.1.2 pH 土壤pH可影响土壤微生物活动、矿质元素的有效状态和有机质的矿化等。从图1可知，小生境pH以土面最低，为7.86，与其余4种小生境类型的土壤pH差异显著;石坑小生境土壤pH为7.95，与石沟小生境土壤差异不显著，与石缝、石槽小生境土壤差异显著;石缝、石槽、石沟小生境土壤pH 分别为 8.06、8.05 和 7.99，3 者之间差异不显著。

图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

图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 从图1还看出，SOC含量为土面(50.03 g/kg) ＞石槽(48.14 g/kg) ＞石缝(42.68 g/kg) ＞石坑(38.16 g/kg) ＞石沟(26.62 g/kg);TN的变化规律与SOC一致，含量分别为8.78 g/kg、7.24 g/kg、7.17 g/kg、5.92 g/kg、5.06 g/kg;AN含量则为石缝＞石槽，其余小生境的变化规律也较为一致;TP含量为土面(1.68 g/kg)＞石槽(1.43 g/kg) ＞石沟(1.22 g/kg)=石缝(1.22 g/kg)＞石坑(1.14 g/kg)，AP 含量为土面(0.04 g/kg)＞石槽(0.16 g/kg)＞石缝=石沟=石坑(0.01 g/kg)。总体上看，土面、石槽的养分含量较高，石坑、石沟的养分含量较低。

图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

图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的含量为2911～3306 mg/kg，以土面、石缝较高，石坑、石沟的含量较低;Cu的含量为28.22～32.86 mg/kg，不同小生境之间的差异较小;Zn的含量为217.89 ～226.25 mg/kg，以石沟最低、石缝最高;Pb 的含量为57.23 ～81.08 mg/kg，以石沟最低、土面最高;Cr的含量为 178.97 ～190.97 mg/kg，不同生境之间变幅不大;Cd的含量为1.84～3.11 mg/kg，石槽、石坑较低，石沟最高。②Ti/Ni/Co/Sr/Mo。由图3所示，5种小生境Ti的质量分数差异较小，为0.73% ～0.74%。Ni的含量差异也不大，以土面最低，为 80.74 mg/kg;石沟最高，为 87.80 mg/kg。Co的含量为 27.06 ～29.36 mg/kg，变异性较小;Sr的含量为 42.32 ～49.08 mg/kg，石缝、石坑较低，石槽、土面较高;Mo的含量为4.28～4.99 mg/kg，不同小生境之间变化不大，较为稳定。③Cl/TS/As/Se/B。Cl的含量为0.006% ～0.007%，不同小生境之间的差异较小;TS的含量为石槽(0.08%)＞石沟(0.07%)＞石缝(0.06%)=土面 ＞石坑(0.02%);As的含量为44.50 ～50.24 mg/kg，石坑最高、土面最低;Se的含量为0.82 ～9.97 mg/kg，石坑最低、土面最高，不同小生境之间波动较大;B的含量为 80.93 ～108.36 mg/kg，土面最低，石缝较高(图4)。

2.2 土壤养分间的相关性

由表2可见，与Fe2O3、CaO和MgO等呈显著相关的元素较多，而与 Ti、Ni、Mn、As、Se 等元素呈显著相关的因子相对较少。土壤SOC、AN、AP与中量、微量矿质元素之间的相关性较高，说明相互间存在此消彼长的关系。

表2 土壤矿质元素之间的相关性Table 2 Correlation among different soil mineral elements

表3 主成分分析的特征根及其贡献率Table 3 Eigen value and contribution rate in principal components analysis

2.3 不同小生境土壤质量的评价

依据特征值＞1、累积贡献率＞80%的原则提取4 个主成分，初始特征值分别为 15.86、5.10、4.38和2.67，贡献率分别为 56.63%、18.20%、15.63%和9.54%，累积贡献率为100%，前4个主成分包含了全部评价因子的所有信息(表3)。

由表4看出，第1主成分与 CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、TN、AN、TP、Pb 等显著正或负相关，载荷系数较大，第2主成分与SiO2、Cl、pH的负载较大(均为正相关)，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矿质元素均对土壤质量状况产生较大的影响。

经过因子分析，各小生境的主成分因子得分(Fi)和方差贡献率(Wi)加权得到土壤质量综合指数函数。不同小生境的土壤质量综合评价值存在差异(表5)，由高到低依次为土面(0.73)、石槽(0.49)、石缝( －0.01)、石坑( －0.46)和石沟( －0.75)。可见，与土壤养分变化规律一致，土面、石槽的土壤质量综合评价值较高。

3 讨论

3.1 不同小生境土壤质量诊断及其利用策略

喀斯特高原山地区花椒林不同小生境的土壤质量差异明显，由高到低依次为土面、石槽、石缝、石坑和石沟。由于喀斯特地貌基岩出露面积较大，且起伏多变，微地貌十分复杂，石面、石台、土面、石沟、石槽和石洞等小生境类型及其组合构成了喀斯特生境的多样性［17］，对其小生境进行合理、有效利用成为石漠化地区生态恢复的重要内容，而质量诊断是进行小生境合理利用的基础，为恢复措施的制定提供科学依据。同时，分析微小尺度的生境特征能够为大尺度上的资源利用状况评价奠定理论基础，也有利于全面了解喀斯特地区耕地资源的利用格局［18］。

土面的单位面积相对较大，土层较厚，人为活动影响频繁，是耕作的主要载体和山区农业生产的重点使用对象，养分表现出较高含量水平，土壤质量较好，可供改造的潜力大，建议以经济价值较高和有利于恢复生态的树种为主，兼顾石漠化治理和山区社会经济发展。石槽属于相对封闭的空间，土层较厚，水土流失量小，较易进行水肥管理，具有良好的利用价值，但分布零星，宜采用“见缝插针”的方式补植在生态位中具有优势地位的小乔木。石缝宽度＜40 cm、土层厚度为10～30 cm，养分含量中等，根系伸长范围以垂直空间为主，可以种植金银花等藤本植物，对石缝小生境类型的利用应提高植物根系的解磷解钾能力。石坑面积相对较小，通常不足3.0 m2，土体较浅，半分解凋落物蓄积量大，土壤多分布在近水平的凹地中，土体间接连续，蓄水量有限，使用难度大，但是仍然有一些适生性强的物种，利用方式以不施加人为扰动措施、实行自然恢复为宜。石沟岩体下降深度较浅，单位面积小，水分侧流运动快，土壤流失量大，利用难度较高，建议以自然恢复为主。此次研究结果与廖洪凯等［6］的研究结果不一致，原因可能是研究中考虑了大量元素和中/微量元素对土壤质量的影响，而廖洪凯等主要研究不同小生境表层土壤的有机碳与活性有机碳分布特征。此外，由于喀斯特地区地质背景复杂、小生境类型多样、岩溶溶蚀作用强烈、地表破碎、土体不连续、环境高度异质性，为保证研究结果的可比性，对小生境类型的划分及取样技术等均应采用统一的方法。

3.2 土壤矿质元素在质量评价中的意义

土壤质量评价指标体系包括化学元素、生物、结构、活性、缓冲性和稳定性等，能够表征土壤维持生物生产力、环境质量以及促进生命健康的能力，是对外界环境的变化做出整体反应的体现［19］。土壤作为植物的机械支撑和主要养分来源，其质量是评价生态恢复潜力和效应的重要依据。土壤质量评价指标体系的构建是评价结果是否具有合理性和实用性的关键因素。目前，在土壤矿质元素研究方面，一是多关注大量元素［20］，中华民族几千年的传统农业通过施用有机肥、人畜粪尿等实现矿质元素生物小循环的回补量，而现代农业主要强调向土壤补给N、P、K等大量元素，根据“土壤需要有机肥，植物需要矿质元素”的原理，势必要求向土壤补充更多的矿质元素，提高作物品质;二是集中关注元素富集引起的污染退化［21－22］，较少关注元素不足引起的养分退化。由于土壤微生物是土壤养分中最活跃的部分，通过转化有机质实现陆地生态系统碳氮循环［23－24］，因而微生物生物量及其功能也属于土壤质量评价的范畴［25－26］;矿质元素还影响土壤的缓冲性和稳定性，良好的土壤性能能够为生物创造稳定的生长环境。研究结果表明，土壤矿质元素对其质量的影响作用较大，这充分表明引入更多矿质元素参与土壤质量评价具有重要意义，在下一步研究中应当予以补充和完善。

表4 旋转前后各因子的载荷矩阵Table 4 Load matrixes pre and post rotated

表5 不同小生境的因子得分及其综合评价值Table 5 Factor scores and comprehensive evaluation of different micro-habitats

4 结论

石槽、石缝和石坑小生境的土壤pH显著高于石坑和土面。土面、石槽小生境土壤的C、N、P元素含量高，石坑、石沟则较低，其他矿质元素在不同小生境土壤之间波动较小。土壤SOC、AN、AP与其他矿质元素之间存在显著相关性，大量元素和中/微量矿质元素均对土壤质量产生较大影响。土壤质量综合评价值依次为土面(0.73)＞石槽(0.49)＞石缝(－0.01)＞石坑(－0.46) ＞石沟(－0.75)，土面、石槽和石缝土壤可加以改造利用，石洞、石沟土壤应以自然恢复为主。