贵州喀斯特山区不同海拔花椒人工林土壤质量评价

喻阳华,王 璐,钟欣平,秦仕忆

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,贵阳 550001 2 贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550025

土壤为植物生长提供养分供给和机械支撑,土壤质量是指土壤在生态承载阈值内,维持生物生产、环境保护质量及促进生物健康的能力,与生态安全、食品安全、人口代传质量和可持续发展密切相关[1- 2],能够敏感地指示土壤动态变化,揭示土壤退化的恢复能力,反映土壤管理水平[3]。花椒(Zanthoxylumbungeamun)旧名秦椒,为芸香科(Rutaceae)花椒属(Zanthoxylum)的植物,原产中国,根浅、喜光、耐旱、嗜石灰性土壤,因其具有独特的食用、药用价值和生态功能,是我国分布广泛的经济树种[4]。花椒属植物中顶坛花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.dintanensis)为竹叶椒(Zanthoxylumplanispinum)的一个变种,是贵州喀斯特地区特有的,生态、经济价值很高的香料植物,在该区生态与经济建设中发挥了举足轻重的作用[5]。自1992年贵州省贞丰县大规模推广顶坛花椒种植以来,受独特的气候、土壤和地形等条件影响,形成了独具特色的花椒人工林。但是,由于管理较为粗放,特别是花椒种植后土壤有机碳存在“汇-源”的转换过程[6],因此应注重长期管护,防止土壤质量衰退。开展花椒人工林土壤质量评价,对立地生产力和多目标森林经营的研究具有重要意义[7],能够指导土地资源的科学利用[8],抑制花椒衰老退化。

目前多以大量元素和生物类群构建土壤质量评价指标体系。张璐等[9]以大量元素为主要指标体系,阐明自然恢复植被比人工植被更有利于土壤肥力的提高；王钰莹等[10]采用大量元素评价得出厚朴群落土壤肥力随着林龄的增加而降低；刘艳等[11]以大量元素为依据阐明土地利用方式的变化改变了喀斯特峰丛洼地土壤肥力特征；刘丽等[12]采取化学和生物学指标评价杉木(Cunninghamialanceolata) 人工林土壤质量演变,表明细菌和真菌可能是引起土壤质量变化的关键种群；吕真真等[13]从土壤物理、化学、生物性质揭示了有机-无机肥配施对双季稻田质量的影响机制；邓绍欢等[14]建立了我国南方冷浸田土壤质量评价的最小数据集,表明Fe2+和有效锰等指标显著影响土壤质量。将中量、微量元素纳入评价指标体系,能够更全面地揭示土壤质量特征。海拔作为主要的地形因子,能够对土壤肥力产生多方面的影响。薛沛沛等[15]以土壤理化性质、微生物性质和酶活性为因子,评价得出大岗山不同海拔毛竹(Phyllostachyspubescens)林随海拔的升高而降低；麻泽宇[16]等以土壤pH值、颗粒物和大量元素为指标体系,研究表明新疆阿尔泰山天然冷杉(AbiesSibirica)林地土壤质量变化随海拔分异规律不明显；焦润安等[17]研究了白龙江流域海拔对油橄榄(Oleaeuropaea)园土壤肥力的影响,总体随海拔的升高而降低。由此可见,不同研究区域得出的结论差异较大,研究不同海拔花椒人工林的土壤肥力有助于提升生产力。

综上,现有土壤质量评价时,对含量较低的矿质元素关注较少,而这些元素在调节渗透压、促进酶活性、合成蛋白质、提高光合作用及植物抗逆性等方面具有重要作用[18]。必需矿质元素缺乏会影响植物生长发育,出现疾病和死亡,限制植物的生长和产量[19]。因此,引入中量、微量矿质元素参与土壤质量评价,更能全面揭示土壤质量状况。基于此,本文以贵州喀斯特山区不同海拔花椒人工林为研究对象,采用土壤农化分析和环境矿物学的方法,揭示土壤养分随海拔的分异规律,探讨养分质量综合特征。主要回答如下3个问题：(1)土壤养分随海拔梯度表现出什么变化规律？(2)矿质元素之间的相关程度如何？(3)不同海拔花椒人工林地土壤质量特征？以期为喀斯特山区制定区域合理的花椒林经营措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

研究区位于贞丰县北盘江镇查耳岩村，生境具有明显的独特性,主要表现在以下3个方面：(1)干热气候。年均降雨量1100mm,季节分配极不均匀,冬春旱及伏旱严重；气候类型主要为半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,海拔高度370—1473m,垂直高差约1100m,具有典型的河谷气候特征。(3)石漠化发育。流域内森林覆盖率不足30%,基岩裸露率介于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,土层浅薄、地表破碎,土体不连续,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。

该区花椒种植均采用“见缝插针”的方式,密度约为1100—1300株/hm2。由于石漠化深山区耕作成本较高且青壮年劳动力外出务工,未对花椒林地进行深耕,施肥以复合肥为主,除草剂使用量大、频次高,花椒苗圃地使用薄膜进行保温。花椒经营、管理较为粗放,未采取整形修枝、水肥协同供应等措施。近年来,花椒的产量和品质均呈现下降趋势,不利于石漠化区、石山区和深山区生态文明建设。5个样地由低海拔至高海拔依次命名为HJ1—HJ5。样地的自然概况见表1。

表1 样地基本概况

HJ1—HJ5：花椒样地1—5

1.2 研究方法

土壤样品采集与预处理方法：每一海拔样地设置3个10m×10m的样地,样地之间距离大于10m,每一样地采用S形土壤样品采集的布设方法挖取5个20cm的土壤剖面(不足20cm的以实际深度为准),将每一个样地5个点的土样混合,然后用四分法取出约1kg样品。土样带回实验室后,剔除石砾、根系和动物残体等杂物,自然风干,研磨至95%样品通过2mm和0.15mm筛,置于玻璃瓶中保存备用。

pH值采用土水质量比1∶2.5提取,电位电极法测定；有机碳(SOC)采用重铬酸钾-外加热法,全氮(TN)采用半微量开氏法,速效氮(AN)采用碱解扩散法,全磷(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(AP)采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色-紫外分光光度法测定[20]；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。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行计算,使用Origin 8.0作图,使用SPSS 21.0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海拔花椒林地之间的差异显著性；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,进行土壤质量评价。显著性水平均设定为P=0.05。

1.4 土壤综合质量指数

本研究以土壤pH值、SOC、TN、AN、SiO2、CaO、Cu、Zn等27项因子作为花椒林地土壤养分评价的基本指标。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[21]。将主成分特征向量与标准化数据的乘积得到各样地的主成分得分。采用加权法计算土壤质量综合指数(IFI),其表达式为[22]：

IFI=∑Wi×Fi

式中,Wi为各主成分贡献率,Fi为各样地的主成分得分。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

土壤pH值均>7.0(图1),呈碱性,是石灰性土壤。pH值由低海拔(7.89)向高海拔显著升高,但最高海拔(7.99)却呈显著降低,5个样地之间均表现为显著差异。可见,在碱度较强的贵州喀斯特干热河谷地区,同一植物群落类型对于土壤pH值的响应因地形因子变化而变化。

2.2 土壤元素含量变化

2.2.1 大量元素

SOC、TN、AN、TP、AP的含量见图1,其中SOC、TN、AN以HJ1和HJ5较高,TP、AP则表现出相反的规律。HJ2、HJ3和HJ4之间的大量元素多为不显著差异(P<0.05),但这3个样地与HJ1、HJ5的大量元素多为显著差异。结果表明海拔是影响大量元素分异的因素之一。

图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：花椒样地1—5

2.2.2 矿质元素

土壤的矿物质部分是土体的骨架,对土壤性质影响较大。花椒林地土壤矿质元素随海拔变化而变化(图2、表2),但是没有明显的变化规律,其中TS、Pb、Cd、Se等元素波动较大,表现为高海拔地区跃变升高的趋势。

2.3 土壤矿质元素的相关性分析

元素之间的相关性分析结果表明：Fe2O3与Al2O3、As、Ni、Co均为显著正相关,相关系数分别为0.944、0.899、0.894、0.963、0.980；Ti与Mo、As与Co、CaO与Sr均呈显著正相关,相关系数依次为0.883、0.993、0.901。Fe2O3与Ni、Pb与Se、Pb与Na2O、Cr与Na2O、TS与TN、TS与AN均呈极显著正相关,相关系数为0.980、0.999、0.968、0.977、0.975、0.977。Ti与MgO、Zn与Sr、SiO2与Cr、TN与AP、Se与AP、TS与AP均呈显著负相关,相关系数为-0.887、-0.939、-0.956、-0.950、-0.909、-0.950。

图2 不同海拔花椒林地土壤无机化合物含量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 贵州喀斯特山区不同海拔花椒林土壤综合质量

2.4.1 特征值和方差贡献率

按照特征值>1且累积贡献率>85%的原则抽取了3个主成分(表3),其特征值分别为11.38、7.72和6.17,特征值之和为25.27；累积贡献率达到93.56%,说明前3个主成分可以反映土壤全部指标提供信息的93.56%,表明因子分析用于评价土壤质量是可靠的。

表3 主成分分析的特征根及其贡献率

2.4.2 因子载荷

主成分的初始因子载荷矩阵是原始指标与各主成分的相关系数,以绝对值为准,正负只是表征影响效应的正负。由因子载荷矩阵得知(表4),第1主成分主要受TS、Cd、TN、AN、AP支配,除AP外均表现为正效应；第2主成分在Al2O3、Fe2O3、As、Co上的负载较大,对土壤性质的影响均为正效应；第3主成分主要受B、Mo的影响较大,其中B为正效应、Mo为负效应,表明Mo增加会导致土壤质量降低。

表4 旋转前后各因子的载荷矩阵

2.4.3 土壤质量综合指数

由各样地的主成分因子得分和方差贡献率加权得到土壤质量综合指数(表5),排序为HJ5(2.16)>HJ3(0.43)>HJ4(0.19)>HJ1(-0.21)>HJ2(-2.60),高海拔花椒林地表层土壤质量总体优于低海拔,表明土壤养分随海拔变化表现出分异规律。

表5 不同样地的因子得分及其土壤质量综合指数

3 讨论

3.1 土壤质量特征

由表6可知,花椒林地土壤大量元素含量总体高于喀斯特高原山地区不同演替阶段的植物群落样地、喀斯特槽谷不同利用方式土地和全国平均水平,低于喀斯特峰丛洼地区不同土地利用类型样地,表明花椒人工林土壤大量元素处于相对较高的水平。这主要是由于各研究区水热条件存在差异,且受到不同程度的人为干扰所致。该区属于干热河谷石漠化地区,热量丰富、空气相对湿度较高,优越的温、湿条件极有利于生物的繁衍和生长,生物自肥作用强烈[11]。花椒人工林经营过程中,为了通过最小的劳务投入获得高产,依靠大量施用复合肥,而该区土层浅薄,土壤保水蓄水能力较弱,因此水肥供应不同步,养分的吸收、利用效率较低,这可能也是导致土壤中大量元素较高的原因。此外,近年来花椒出现了以开黄花为典型标志的衰老退化,这也可能使花椒植株对养分的吸收能力减弱,导致外源添加的养分在土壤中聚集。但是,由于土壤中量和微量元素研究的公开报道较少,且缺乏全面、完整的质量评价标准,因而本文仅对大量元素进行了比较。

表6 花椒林土壤大量元素与其他区域的对比

SOC，有机碳，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; —：未找到相关数据

3.2 土壤质量随海拔的变异规律

本研究利用土壤质量综合评价法探讨了贵州喀斯特山区不同海拔花椒人工林土壤质量状况,定性和定量评价了土壤质量特征。结果表明,花椒林地土壤随海拔变化表现出一定的分异规律,总体为高海拔地区优于低海拔。影响花椒林地土壤元素分异的原因可能有：一是由于该区气候垂直分带明显,海拔850m以下为南亚带干热河谷气候,900m以上为中亚热带河谷气候[6],花椒多种植在海拔850m以下的地区,但是近年来受到农村劳动力外出和花椒市场起伏不定等因素影响,人为对花椒林地的养分归还逐年降低,经营管理愈加粗放,导致低海拔花椒林地土壤质量下降；二是该区域人口密度以海拔680—800m区域最大,当地农户养殖有数量不等的畜禽,还土的有机肥多,耕作成本相对较低,人为管护更加精细,因而土壤质量更优；三是从坡度差异来看,中高海拔地区的坡度趋缓,排水通畅,土壤厚度大,养分蓄存空间大,有利于养分保持；四是中低海拔的花椒林地套种红薯现象较为普遍,在提高生物多样性和土壤水分含量的同时,是否加剧了养分竞争还有待深入研究。但是,影响土壤养分变异的因子包括母质、成土因素[26]、地上植被[27]和地形因子等,因此这些参数对土壤质量的综合影响效应是未来需要重点研究的内容,能够为土壤养分潜力挖掘奠定科学基础,指导贵州喀斯特山区土地资源合理利用和生态恢复重建。

3.3 土壤质量状况诊断与土壤管理

土壤质量是评价退化生态系统生态恢复功能的关键指标[28],诊断土壤质量状况的目的是进行土壤养分高效管理。本文研究结果表明,高海拔花椒林地土壤质量状况更优,而调查发现低海拔地区花椒种植规模更大,尤其是海拔550—800m区间分布广泛,因此提高养分供给水平和利用效率具有重要的现实意义。HJ1具有相对较好的土壤大量元素状况,但是花椒生长所需要的B、Zn等元素则较为缺乏,适量的Zn对不同年龄、不同海拔的顶坛花椒花粉活力及其寿命均有较大促进作用[5],表明应注重补充矿质元素尤其是必需微量元素,以稳定花椒的产量和品质。HJ2的大量元素和其他矿质元素含量均较低,调查发现该区域土壤石砾含量高、团聚结构被破坏、花椒长势较差、化肥施用量大,且偏离人口聚居区导致经营管理较为粗放,因此应注重施用有机肥,培育土壤团聚结构,营造土壤微生物活动及其物质与能量循环的主要场所[29]。HJ3的养分质量综合指数位列第2(为0.43),大量元素含量处于中等水平,但是土壤厚度约10 cm,因此应当从土壤数量和质量两个方面同步改良,建议施用畜禽粪便等农家肥,改善养分蓄存能力和土壤保水性能,提高土地的生产和生态功能。HJ4的氧化物和中量、微量矿质元素含量状况较好,但是大量元素亏缺,花椒植株表现出典型的缺素症状,主要原因可能是使用化肥导致花椒吸收养分能力受到限制,因而应调整该区域的肥料种类和比例。HJ5的大量元素和B、Mo等必需矿质元素含量均较高,土层较厚,但是光照、热量相对较低,导致花椒种植规模小,因而应当提高对生态因子的利用效率。

总体而言,该地区花椒种植存在土层浅薄、化肥施用量高、经营粗放、水肥供应不协调等问题,因此土壤结构破坏、必需养分含量较低,导致花椒的适应能力下降、生理活性减弱,已经影响到老百姓的种植积极性和石漠化治理成果的巩固。在该地区土壤管理上,应施用花椒专用有机肥和矿质元素肥料,提高土壤养分供给水平和速率。但是,水分和养分供应不协调是限制花椒生长的重要原因,水分胁迫导致花椒根系生长减少[30]。水分和养分是植物生长过程中尤为重要的环境要素,也是最容易控制的两大因素,水肥管理是农林业生产中的核心问题[31],是提高作物产量和品质的重要途径,且不能单纯依靠水分或肥料[32- 33]。下一步应结合土壤含水量动态变化状况及其保水蓄水能力,研究顶坛花椒的水肥耦合效应,提出适宜顶坛花椒生长的水分和肥料配比,解决花椒衰老退化、产量和品质降低的问题。

4 结论

(1)5个花椒人工林样地的土壤pH值呈显著差异,随海拔增加表现为升高—降低的变化趋势；HJ1、HJ5的土壤SOC、TN、AN总体显著高于HJ2—HJ4,TP与AP的变化则相反；除大量元素外,矿质元素在不同海拔花椒林地之间变化规律不明显。

(2)矿质元素之间表现出一定的显著性相关,表明其关系较为密切。

(3)土壤质量综合指数为HJ5(2.16)>HJ3(0.43)>HJ4(0.19)>HJ1(-0.21)>HJ2(-2.60),高海拔花椒人工林表层土壤质量总体较优。

(4)土壤管理上应注重养分的全面性,提高养分供给水平和利用效率。