喀斯特高原顶坛花椒生长过程中土壤养分变化特征

瞿 爽，杨 瑞，王 勇，裴仪岱，李开凤，胡建东

（贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025）

土壤是植物生长的基质[1]，为植物生长提供基本的肥力保障。土壤养分作为影响森林植物生长、繁殖及森林生态系统净生产力等的重要因素[2]， 为植物生长提供基本的物质保障。由于土壤养分含量在植物生长过程中是一个动态变化的过程[3]，是影响植物生长的主导因子之一，研究植物生长过程中土壤养分含量的变化特征有着重要意义。在我国西南地区特殊的喀斯特地貌自然条件下，近年来大部分地区的土壤肥力退化、生态环境脆弱等问题较为突出[4]，研究喀斯特高原经济植物生长过程中土壤养分变化特征，对该地区经济植物的经营与抚育管理以及地区经济的可持续发展具有重要的指导意义[5]。

黔西南州花江峡谷是喀斯特地貌典型分布区，生长在该地区的乡土植物顶坛花椒Zanthoxyhum planispinumvar.dingtanensis是我国花椒属的1 个新变种，具有喜钙、耐旱、水土保持效果好等特点，适宜栽培于海拔1 000 m 以下的喀斯特高原生态区的石灰土上，是喀斯特高原峡谷地区恢复与重建喀斯特峡谷生态环境的重要先锋树种。但是在顶坛花椒长期的栽培经营过程中存在结构单一、生产力低、土壤养分衰退及生产与生态功能不协调等问题[6]，掌握其生长过程中土壤养分变化特征，是解决土壤肥力退化问题的关键。本研究中采用空间代替时间的方法[7]，以花江峡谷顶坛花椒作为研究对象，测定不同径阶顶坛花椒土壤养分含量，计算土壤中C、N、P、K 元素的化学计量比，分析顶坛花椒生长过程中土壤养分含量动态变化特征，以期为喀斯特高原顶坛花椒的施肥管理措施优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黔西南州喀斯特高原花江峡谷石漠化综合治理示范区，属于我国西南典型的喀斯特高原峡谷地貌[8]。地理位置处于东经105°36′30″—105°46′30″、 北 纬25°39′13″—25°41′00″， 海 拔600 ～1 200 m。气候为亚热带湿润季风气候，年均温18.4 ℃，年均降水量1 100 mm[9]。峡谷两岸地表破碎，岩石裸露率高，裸露的岩石以碳酸岩为主。该地区土壤母质以石灰岩和泥灰岩为主，土壤类型绝大多数为石灰土，土壤质地黏重，缺乏团粒结构，pH 大于6.5，富含钙质，Mg、Fe 含量高，吸水性差。

1.2 土壤样品采集

依据时空互代[10]的原理，2015年8月在贵州省典型喀斯特高原花江峡谷石漠化综合治理示范区内，经实地走访调查，在广泛种植顶坛花椒地区选择3 个10 m×10 m 的花椒纯林样方。以径阶（每木检尺时进行直径分组的组中值）代表顶坛花椒生长过程的不同生长阶段，在样方内分别选取2、4、6、8 cm 径阶顶坛花椒标准株各3株，分别在植株根部以及冠幅半径中部和冠幅边沿垂直对应点采集土样，每个采样点分0 ～10、10～20和20～30 cm采集土样。每份土样约500 g，即每个样方内取土样108 份，土样带回实验室自然风干，进行土壤养分含量测定。

1.3 土壤养分含量测定

采用H2SO4-KCr2O7氧化-外加热法测定土样有机碳含量[11]；土样经硫酸消煮后，采用火焰光度计法测定全钾含量；土样经硫酸消煮后，采用钼锑抗比色法测定全磷含量；土样经硫酸消煮后，采用凯氏定氮法测定全氮含量[12]；采用碱解扩散法测定土样碱解氮含量；土样经中性乙酸铵提取后，采用火焰光度计法测定速效钾含量；土样经碳酸氢钠浸提后，采用钼锑抗比色法测定有效磷含量[13]。

1.4 土壤肥力评价

土壤养分作为土壤肥力的核心部分，生产中常用氮、磷、钾、有机质等养分含量来衡量土壤肥力[14]。综合考虑评价指标的可获取性及连续性，结合前人的研究方法[15]，本研究中采用内梅罗指数法对顶坛花椒生长过程中土壤养分状况进行综合评价，选取有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量7 个指标进行分析。

为了消除单位对数据的影响，计算各个指标的肥力系数，计算公式如下

式中：Pi为指标i的分肥力系数；Ci为指标i的测定值；xa、xc、xp均为分级标准值[15-16]。该分级标准主要参照第2 次全国土壤普查标准（表1）。

表1 土壤养分含量的分级标准值Table 1 Grading standard values of soil nutrient contents

为了增加计算结果的可信度[17]，利用加权平均后的内梅罗指数计算土壤综合肥力，调整后的公式如下

式中：P为土壤综合肥力；分别为土壤分肥力系数Pi的平均值和最小值；n为参评土样指标数。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，使用IBM SPSS Statistics 20 软件进行数据统计，使用Origin2017 软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同径阶顶坛花椒土壤养分含量

为了解顶坛花椒土壤养分的特征，对所采集土壤样品的养分含量进行了测定（表2）。结果表明：顶坛花椒土壤全氮含量0.79 ～3.73 g/kg，全磷含量0.64 ～1.65 g/kg，全钾含量1.01 ～4.61 g/kg， 碱解氮含量65.8 ～204.4 mg/kg，有效磷含量46.51 ～81.97 mg/kg，速效钾含量53.14 ～ 217.5 mg/kg，有机质含量13.07 ～45.94 g/kg。根据Wilding 对土壤性质变异程度分类的标准[18]，顶坛花椒土壤养分元素的变异系数处于10%～30%，属于中等程度变异。说明在顶坛花椒生长过程中其土壤养分处于动态变化的状态。对数据进行正态性检验，结果见表2。由表2 可知，径阶8 cm 顶坛花椒土壤全氮含量偏度系数绝对值为2.487，峰度值指标呈现高阔峰，近似服从正态分布，其他各径阶顶坛花椒土壤养分含量的偏度系数绝对值均接近或小于1，且峰度值指标呈现低阔峰，服从正态分布。同时，对不同径阶的顶坛花椒各养分元素含量进行差异显著性检验，结果见表2。由表2 可知，不同径阶顶坛花椒的土壤养分含量 （同一元素）具有显著性差异（P＜0.01），因此各径阶顶坛花椒土壤养分含量的平均值能够较好反映出顶坛花椒各生长阶段土壤养分的变化情况。

2.2 不同径阶顶坛花椒土壤养分含量变化特征

2.2.1 土壤养分含量水平变化特征

不同径阶顶坛花椒土壤养分含量变化情况如图1 所示。由图1 可见，随着顶坛花椒径阶的增加，土壤养分元素中除全氮和碱解氮外，其余养分含量在0 ～30 cm 土层中变化一致。在0 ～30 cm 土层中，随着顶坛花椒径阶增加，土壤有机质含量呈先减少、后增加的趋势，土壤速效钾含量呈增加趋势，土壤全磷含量呈总体减少的趋势，土壤全钾含量和有效磷含量呈先增加、后减少的趋势。随着顶坛花椒径阶增加，土壤全氮含量在0 ～20 cm 土层中呈先减少、后增加、再减少的趋势，在20 ～30 cm 土层中呈先增加、后减少的趋势。随着顶坛花椒径阶增加，土壤碱解氮含量在0 ～20 cm 土层中呈先减少、后增加的趋势，在20 ～30 cm土层中呈减少的趋势。

表2 不同径阶顶坛花椒土壤养分含量†Table 2 Nutrient contents in rhizosphere soil of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

2.2.2 土壤养分含量垂直变化特征

对比分析不同径阶顶坛花椒土壤养分含量的垂直变化情况（图1），可知土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾的含量随着土层深度增加总体呈现减少的趋势。可见，在不同的生长发育阶段，顶坛花椒土壤养分含量垂直方向上的变化规律大致相同，呈现养分含量“表聚”的特征。但是在径阶8 cm 的顶坛花椒土壤表现出在10 ～20 cm 土层中钾元素富集的现象，各土层按照全钾含量由高到低排序依次为10 ～20、0 ～10、20 ～30 cm。总体而言，在顶坛花椒各生长发育阶段，土壤养分呈现“表聚”的垂直变化特征。

2.3 不同径阶顶坛花椒土壤养分化学计量比特征

土壤化学计量比主要指碳氮磷钾含量比，是有机质或其他成分中的C 与N、P 和K 总质量的比值，作为反映土壤碳氮磷平衡特征以及碳氮磷钾矿化与固持程度的重要指标，土壤各元素化学计量比是评定土壤质量、分析土壤肥力变化的主要依据。不同径阶顶坛花椒土壤养分化学计量比见 表3。由 表3 可 知，m(C):m(N)、m(C):m(P)、m(C):m(K)均大于9，说明在土壤中C 对N、P、K的限制作用较强；m(N):m(P)小于2，表明土壤中P 受N 的限制；m(N):m(K)小于1，表明土壤中N受K 的限制。虽然各元素之间有相互的限制作用，但是各养分元素之间的互作效应并不显著。

图1 不同径阶顶坛花椒土壤养分含量的变化Fig.1 Changes of nutrient contents in rhizosphere soil of Z.planispinum var.dingtanensis at different diameter classes

对比分析土壤养分水平方向上的变化特征可看出：在0 ～10 cm 土层中，除m(N):m(P)外，其他元素化学计量比随着径阶增加总体呈先降低、后升高的趋势；在10 ～20 cm 土层中，随着径阶增加，m(C):m(N)逐渐降低，m(N):m(P)呈现先降低、后升高的趋势，而其他元素化学计量比的变化均表现出随径阶增加而降低的趋势；在20 ～30 cm 土层中，m(C):m(N)、m(C):m(P)、m(C):m(K)、m(N):m(P)、m(N):m(K)均随径阶的增加呈先降低、后升高的趋势。这与任璐璐等[11]对黄土高原地区不同年限刺槐土壤化学计量特征分析结果相似。

综上所述，在0 ～30 cm 土层中，随着径阶的增加，顶坛花椒的土壤养分化学计量比总体呈现降低的趋势。

2.4 不同径阶顶坛花椒土壤养分综合评价

对不同径阶顶坛花椒生长土壤的有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量7 个指标进行定量化综合评价，结果见表4。由表4 可知，喀斯特高原顶坛花椒土壤养分分肥力系数变幅为0.34 ～3.00。根据第二次全国土壤普查肥力分级标准[16]，在研究区域顶坛花椒土壤肥力综合系数均处在1.30 ～1.50，肥力等级为Ⅲ，即在各个生长发育阶段土壤肥力均处于一般状态。其中，全磷的分肥力系数最小，说明在喀斯特高原P 养分相对较匮乏；各径阶顶坛花椒土壤碱解氮的分肥力系数均为最大，说明氮源是顶坛花椒主要的补给肥料。从各径阶顶坛花椒不同土层来看，土壤综合肥力呈现随着土层深度的增加而逐层降低的趋势，这与王宏星[19]的研究结果相同，符合土壤养分在土壤层垂直方向上的变化规律，表现出较明显的“表聚”效应。

表3 不同径阶顶坛花椒土壤养分化学计量比Table 3 Stoichiometric ratios of rhizosphere soil nutrients of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

表4 不同径阶顶坛花椒土壤养分内梅罗综合指数Table 4 Nemero composite indexes of rhizosphere soil nutrients of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

比较不同径阶相同土层深度的土壤元素综合肥力指数可以看出，在0 ～20 cm 土层中，土壤肥力均随着径阶增加呈现先降低、后升高的趋势，在20 ～30 cm 土层中，土壤肥力随着径阶增加呈现先升高、后降低的趋势。

3 结论与讨论

在喀斯特高原顶坛花椒生长过程中，土壤养分含量呈动态变化。不同生长阶段的顶坛花椒土壤养分含量水平变化特征具有变异性，垂直方向土壤养分含量具有明显的“表聚”特征。在0 ～30 cm 土层中，C、N、P、K 化学计量比总体呈现出随着顶坛花椒径阶的增加而逐渐降低的趋势。喀斯特高原顶坛花椒土壤缺磷，土壤肥力一般，随着土层深度增加土壤肥力逐渐降低。

3.1 顶坛花椒生长过程中土壤养分分布变化特征

通过研究发现，喀斯特高原顶坛花椒的土壤养分在水平方向上的变化特征与张振国等[20]经研究得出的不同生长年限的人工柠条林土壤肥力结果相同，土壤养分含量处于较低水平，全磷含量随生长年限的增长变化不大，速效钾含量随着生长年限的增长而增加。在垂直方向上，各土层间的土壤养分分布特征为随土层深度增加养分含量减少，总体呈现出土壤养分“表聚”的特征，与鲍乾等[21]的研究结果相似。韩凤朋等[22]、郑力文[23]经研究发现，根系对植株土壤中养分运移的促进作用是其影响土壤养分分层分布的重要因素，植株生长和土壤养分之间的关系是相互的，一方面土壤养分受到根系分布的影响，另一方面土壤养分反作用于根系的生长与分布，土壤养分分布规律与植株的根系分布有着显著相关关系[24-25]。随着土层深度的增加，植株根长密度表现为递减规律[26]。不同径级顶坛花椒土壤养分垂直方向上的变化规律与其根系的分布特征一致，呈现递减的“表聚”特征。近年来，花江地区花椒的产量、质量和寿命均出现负增长的情况[27]，与土壤养分垂直分布特征相适应。

根系与土壤的关系是相互促进、相互影响。根系对表层土壤性质具有良好的改善作用，同时土壤环境的改善又会极大地促进根系的生长发育。此外，根系可以促进土壤中孔隙的增加，有效增强土壤渗透性，有助于养分向深层土壤输入。根系作为植物与土壤间相互影响、相互作用的主要媒介，一直以来是植物改良土壤环境研究中的重要内容。本研究中未涉及不同生长阶段顶坛花椒的根系状况，今后可考虑从该方面着手研究。

3.2 喀斯特地貌对顶坛花椒土壤养分含量变化的影响

特殊的喀斯特地貌条件下，土壤形成了破碎化的分布格局[28]，土壤养分空间异质性的干扰增加，这可能是导致水平方向上不同径阶土壤养分含量出现趋势变异性的原因。同时，喀斯特高原顶坛花椒的土壤养分含量在垂直方向上的变化特征呈现出变异性，径阶4、8 cm 顶坛花椒各土层，分别按照土壤中碱解氮含量和全钾含量由高到低排序，依次均为10 ～20、0 ～10、20 ～30 cm。这可能是因为随着花椒的生长，植株主要吸收养分的根系向深层土壤蔓延[29]，且喀斯特区土壤Ca2+含量十分丰富，增强了土壤团粒结构的稳定性，从而大大提高了对有效养分的吸附能力，表现出多种微量元素的富集[30]。本研究中仅涉及了3 个径级顶坛花椒的土壤养分的情况，在植株整个生长过程中，垂直方向植株土壤养分是否持续向下层富集有待进一步研究。

3.3 顶坛花椒生长过程中土壤养分综合肥力变化特征

时空互代法在应用过程中较难避免随机性的人为误差，因此采用土壤分肥力系数来确定各养分元素对不同生长阶段的土壤肥力贡献，结果显示：在顶坛花椒生长过程中，在垂直方向上总体呈现出0 ～10、10 ～20、20 ～30 cm 土层土壤肥力逐渐降低的变化趋势，在水平方向上不同径阶顶坛花椒土壤的综合肥力整体变化不大，综合肥力系数平均值处于1.36 ～1.40。生长过程中均表现出磷元素缺乏的迹象，这可能与土壤水分的淋洗与冲刷有关[31]，在今后的经营过程中可适量增加磷肥的使用。土壤肥力作为土壤质量的重要组成部分，是林地生产力的基础[32]。在不同生长阶段，实施精准施肥可以节约肥料，均衡土壤养分，减少养分损失，增加植物产量[33]。在顶坛花椒生长过程中土壤养分含量均呈现出下降趋势，后续的研究中可以通过分析土壤养分年变化速率，掌握各养分含量的增减变化规律，来推算其地力衰退的年限[34]，适时给予养分补给，精准施肥，减缓土壤肥力退化，提高生产力。

目前，关于花江地区顶坛花椒的研究主要是从其经济价值和苗木等级等方面来开展的[7,35]，本研究中随机取样范围及重复度较小，土壤养分方面的研究深度不够，对于阐释顶坛花椒分布地土壤养分特征具有一定的局限性，后续应从这些方面深入开展研究工作，为提高该地区花椒的产量提供更全面的参考。