不同年龄级别皂荚树土壤肥力的综合评价

余 鸽, 陈思慧, 王周锁*, 龙凤来, 郑 健, 刘炼红

(1.杨凌职业技术学院 生态环境工程分院, 陕西 杨凌 712100; 2.西安市鄠邑区森林资源管理中心, 陕西 鄠邑 710300; 3.西安市林木种苗工作站, 陕西 鄠邑 710300)

0 引言

【研究意义】皂荚(Gleditsiasinensis)为豆科(Fabaceae)皂荚属(Gleditsia)的落叶乔木,广泛分布于我国北部、南部及西南部,其皂仁、皂刺、荚皮、树根、树叶、木材均可开发利用,具有重要的生态、经济和药用价值[1]。皂荚树是珍贵的乡土树种,常被栽植于庭院或宅旁,具有高适应性和较强的固氮能力,可生长于微酸性、石灰质、轻盐碱土等多种土壤环境中,其寿命可达六七百年,具有发展为古树资源的潜质。据第2次全国古树资源普查结果显示,古皂荚树位居陕西省散生古树前列,仅西安市皂荚树共计275株,占散生古树的26.3%[2],且不同保护级别的皂荚树数量均匀。历史上皂荚树曾遭到掠夺性的利用和破坏,加之病虫危害严重,大量优异种质资源濒临枯竭,使得现存古皂荚树成为不可多得的种质资源[3]。因此,研究古皂荚树年龄与土壤环境、生境条件和土壤理化特性的关系,掌握各级古树的土壤肥力特征对保护古皂荚树资源具有现实意义。【前人研究进展】土壤是供给古树生长所需养分的重要基质,掌握古树土壤的理化特性,可更好地调节土壤中植物营养的供给能力[4]。古树有上百年的定植年限,土壤与古树生长常表现为随古树年龄的增长,其吸收代谢土壤营养物质的能力减弱[5],不同年龄古树的土壤理化性质变化规律需深入研究。不同定植年限的树木土壤养分与环境、施肥、凋落物、根系分泌物等因素关系密切[6-8]。李志军等[9-10]研究表明,部分果树随着树龄增加,土壤养分总体呈先增后减趋势,土壤pH也随之改变。【研究切入点】目前,针对古树土壤综合肥力评价研究主要集中在北京、上海和广州等地区,树种有松柏类、国槐、榕树、木棉、黄葛树、心叶榕和樟等,多集中于不同树种间的土壤肥力特征分析[11-13],而对不同年龄级别古树的土壤特征进行评估和分析的研究鲜见报道。因此,有必要开展不同年龄级别皂荚树土壤肥力的综合评价研究。【拟解决的关键问题】探究不同年龄级别皂荚树的土壤肥力状况,并对其土壤质量进行综合评价,为制定适宜的古树保护策略提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

不同年龄级别皂荚树研究区位于陕西关中平原中部鄠邑区,东西最宽处30 km,南北最长处53 km,总面积1 282 km2。鄠邑区地形为山区、平原区及山前坡地3个不同自然区域,属暖温带半湿润大陆性季风气候,四季冷暖干湿分明,光、热、水资源丰富,全年平均无霜期216 d,光照总时数1 983.4 h,平均气温13.5 ℃,总降水量627.6 mm。

1.2 样品选取与采集

1.2.1 皂荚树 选取2022年鄠邑区登记在册的尚未对其进行过土壤施肥或土壤改良的皂荚树共26株进行土样研究,其中,古皂荚树21株(NZJ01-NZJ21),非古树5株(NZJ22-NZJ26)。古树估测树龄采用“三段计算法”测定[14],最高、最低估测树龄分别为800 a、120 a,平均树龄为347 a。其中,一级古树7株,树龄520～800 a;二级古树5株,树龄300～400 a;三级古树9株,树龄120～160 a;非古树5株,树龄20～70 a。皂荚树株高、胸径和冠幅分别为3.6～13.9 m、15.0～210.0 cm和1.1～15.3 m,均值分别为10.1 m、89.0 cm和8.2 m。

1.2.2 土壤 采集各树冠范围内0～40 cm土壤,采样前清理地表凋落物,使用土钻在树冠范围内东、南、西、北4个方向采集4份样品并混匀为1个土样,共采土样104份,装入自封袋并编号,备用。

1.3 土壤理化性质测定

将采集的土壤样品带回实验室自然风干,用四分法取样100 g,去除样品中根系、玻璃、石块等杂物,风干磨细后过1 mm筛,用于土壤理化性质的测定[15]。土壤容重(BD)采用环刀法测定,土壤电导率(EC)用DDS-307电导率仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定,pH用pHSJ-5离子计(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定,有机质(OM)用重铬酸钾氧化-外加热法测定,全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)分别用半微量凯氏定氮法、硫酸消煮-紫外分光光度法和硫酸消煮-火焰分光光度法测定,碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)分别用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法和1 mol/L CH3COONH4浸提火焰光度计法测定。

1.4 评价方法

1.4.1 土壤肥力单项指标评价 选取数据稳定且能反应土壤理化特性的10项指标(BD、pH、EC、OM、TN、TP、TK、AN、AP和AK)构建不同年龄级别皂荚树的评价指标体系。根据各指标与土壤肥力间的关系选取相应的隶属度函数,计算各指标隶属度值,实现各指标的标准化处理。其中,EC值属于戒下型隶属度函数[11];土壤pH、BD过大或过小均影响植物生长,采用抛物线型隶属度函数;OM、TN、TP、TK、AN、AP、AK均属S型隶属度函数[11,16-17]。隶属度函数公式:

(1) 戒下型隶属度函数

x

x1≤x

x≥x2时,F(x)=0.1

(2) 抛物线型隶属度函数

x

x1≤x

x3≤x

x2≤x

(3) S型隶属度函数

x

x1≤x

x≥x2时,F(x)=1.0

式中,x为土壤指标测定值,x1、x2、x3、x4为函数转折点取值,根据全国第二次土壤普查分级标准[18]及朱家晸等[4,11,19-21]的相关研究结果选择各指标隶属度转折点值(表1)。根据各肥力指标对应的函数关系选择公式计算相应隶属度值fi,将其转化为0.1～1.0的无纲量化数值。对4个年龄类型土壤的10项理化指标经标准化处理后进行分级评价,并采用雷达图对比不同年龄级别古树土壤单项指标的肥力水平[4,11]。

表1 土壤养分指标的隶属度函数转折点取数值

1.4.2 土壤肥力综合评价 采用主成分分析法对4个不同年龄级别的皂荚树进行土壤肥力综合评价。运用SPSS 26.0对标准化后的10项土壤指标隶属度值进行Bartlett球形检验和KMO检验,判断其是否适合进行主成分分析后计算出各项土壤理化指标的公因子方差,进而计算各公因子方差占公因子方差总和的比例,将其作为评价指标的权重ai[4,11]。土壤肥力综合评价指数公式:

式中,S为土壤肥力综合指数,ai和fi分别为第i个指标的权重值和隶属度值,n为指标数量。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2021和SPSS 26.0对试验数据进行统计分析,用R下的scale()函数对土壤肥力指标进行标准化后,用vegan的rda()函数对其进行主成分分析,用ggplot2的ggplot()函数作图。

2 结果与分析

2.1 不同年龄级别皂荚树的土壤肥力特征

从表2看出,不同年龄级别皂荚树的土壤肥力指标状况不同。土壤pH、EC值、OM、TN、TP、TK、AN、AP、AK和BD均值分别为8.42、139.36 μs/cm、21.21 g/kg、1.18 g/kg、0.99 g/kg、19.02 g/kg、62.72 mg/kg、26.21 mg/kg、386.04 mg/kg和1.27 g/cm3。通常,土壤肥力状况用变异系数(CV)表示,CV≤10%为弱变异,10%AK>EC>AN>TN>OM>TP>BD>TK>pH,其中,pH和TK属弱变异,变异系数分别为2.92%和7.25%,AP、AK、EC、AN、TN、BD、AP和BD属中等变异,分别为82.69%、74.60%、24.62%、49.04%、45.14%、34.69%、31.73%、24.62%和10.71%,以AP最高。表明,不同年龄级别皂荚树土壤的pH、TK肥力状况差异不大,其余指标均存在不同程度差异,以AP最为明显。

表2 皂荚树土壤肥力指标的描述性统计

由图1可知,不同年龄级别皂荚树的土壤pH均值为8.42,属碱性土壤,且pH随着树龄增长逐渐下降,依次为非古树>三级古树>二级古树>一级古树;不同年龄级别皂荚树土壤的TK含量差异均不显著;BD依次为二级古树>一级古树>非古树>三级古树;不同年龄级别皂荚树土壤的EC值、OM、TN、TP、AN、AP和AK含量表现出不同程度差异,其中,非古树土壤各肥力指标含量均最低,随着树龄增加,三级古树各指标含量增加至最大,除TP和AP外,其余指标含量均显著高于一级古树。

结合全国第2次土壤普查分类标准[18](表3),不同年龄级别皂荚树的土壤TK含量均在三级标准以上,属中上水平;一级至三级古树的土壤OM和TN含量均达三级标准,属中上水平,非古树的土壤OM和TN含量分别为四级和五级标准,含量偏低,属中低水平;一级至三级古树的土壤TP、AK和AP含量分别为一级、一级和二级标准,属极高和高水平,而非古树的土壤TP、AK和AP含量分别为三级、四级和四级标准,表现出较大差异;除三级古树土壤AN含量介于三至四级标准外,其余年龄级别古树土壤AN含量均为五级标准,属低水平。

表3 全国第2次土壤普查分类标准

2.2 不同年龄级别皂荚树土壤理化性质的主成分分析

由图2可知,不同年龄级别皂荚树的土壤理化性质具有明显区分度,其中,第一主坐标轴PC1解释了40.3%的变量,第二主坐标轴PC2解释了15.3%的变量,共解释55.6%的变量。通过PC1主坐标可清楚地将非古皂荚树的土壤理化性质与一级、二级和三级古树区分开,同时可将三级古树的土壤理化性质与二级和一级区分开,而一级和二级古树的土壤理化性质则在PC1主轴上表现出一定的重合度。

图2 不同年龄级别皂荚树土壤理化性质的主成分分析

2.3 不同年龄级别皂荚树土壤肥力的单项指标评价

雷达图中各指标点离中心原点的远近可反映各指标的肥力水平,指标离原点越近,其肥力水平越低,反之肥力水平越高;各点围合的面积大小则反映评价对象整体肥力状况,面积越大,整体肥力越高,面积越小,整体肥力越低[4,11,16,22]。由图3可知,不同年龄级别皂荚树的TK和EC隶属度值均较高,分别在0.77～0.87和0.78～1.00。其余指标隶属度值随树龄呈差异化,其中,AK、AP、AN、TN、OM的隶属度值均依次为三级古树>二级古树>一级古树>非古树,表明三级古树的这5项指标肥力较好,其隶属度值分别为0.88、0.78、0.66、0.80、1.00;非古树的分别为0.09、0.10、0.10、0.10、0.12。TP和pH的隶属度值均依次为一级古树>三级古树>二级古树>非古树,BD的隶属度值依次为非古树>一级古树>三级古树>二级古树。从雷达图面积看,非古树各土壤理化指标隶属度雷达图面积均较其他级别古树低,说明其土壤肥力整体低于一级、二级和三级古树,其中,以三级古树土壤肥力最高,二级和一级古树土壤肥力相当。

图3 不同年龄级别皂荚树的土壤肥力指标隶属度

2.4 皂荚树土壤肥力的综合评价

皂荚树土壤的10项肥力指标KMO测验结果为0.554,Bartlett球形检验的显著系数为0.00(<0.05),说明适宜进行主成分分析。从表4看出,按>1.000的特征值作为主成分个数提取原则,共提取4个主成分,其值分别为4.276、1.644、1.308、1.073,前4个主成分的方差贡献率和累积贡献率分别为42.762%、16.444%、13.078%、10.732%和42.762%、59.206%、72.284%、83.016%,4个主成分涵盖了原始数据信息总量的83.016%,可将这4个主成分作为综合变量评价不同年龄级别皂荚树土壤的肥力状况。第1主成分包括OM、TN、TP、AN、AP和AK,第2主成分为TK,第3主成分为pH,第4主成分为BD。权重系数表现为TN(0.110)>TP(0.109)>OM(0.108)>AN(0.104)>BD(0.102)>TK=AP(0.100)>pH(0.096)>AK(0.093)>EC(0.078),由此得出,TN对土壤肥力的贡献率最大,其次为TP和OM。

表4 皂荚树土壤肥力的主成分分析

结合各树龄级别土壤肥力指标的隶属度函数值(图3)和权重(表4)计算得出,一级古树、二级古树、三级古树和非古树土壤肥力综合指数分别为0.584、0.591、0.771和0.281,依次为三级古树>二级古树>一级古树>非古树。

3 讨论

不同年龄级别皂荚树土壤pH属碱性土壤,均值为8.42,较关中平原台塬区土壤pH(7.09)高[23]。有研究认为,受城市建设影响,古树土壤pH普遍呈碱化趋势[11,24-25]。本研究的皂荚树处于学校、寺庙、村庄院子和道路旁,常受到房屋建设、道路修缮等建筑垃圾影响,土壤整体呈碱性,且呈强碱性。叶少萍等[11]研究表明,碱性土壤环境会降低古树土壤养分含量,不利于古树根系生长。因此,在后期古树复壮过程中可考虑加入有机质或甜菜碱、石膏等改善土壤环境[26]。

研究中所有土壤样品的AN整体含量较低,处于四级标准及以下水平。土壤中AN含量的高低,取决于有机质含量以及施入氮素化肥数量[27]。有机质含量丰富,熟化程度高,则AN含量高,反之含量低。AN在土壤中不稳定,易受土壤水热条件和生物活动的影响而发生变化,但能反映近期土壤的氮素供应能力。古树作为城市绿化的一部分,落叶还原和有机质输入长期处于亏空状态,可通过施入腐熟有机质进行土壤改良。皂荚树为豆科植物,含有丰富的固氮根瘤菌,施入有机质还可提高土壤微生物活性含量,从而增加土壤AN含量。

古树随着树龄增长,根系自身吸收代谢与分泌活动会产生一定变化,进而引起土壤理化性质改变[28]。侧柏长时间的生长可改变土壤养分和微生物群落组成,且古侧柏土壤养分指标含量普遍高于非古树[28];0～50 a的石榴树随着树龄的增加,其土壤养分呈递增趋势[10];北京市树龄大于300 a的侧柏、油松、白皮松和国槐古树的土壤理化性质较差[11],与本研究结果基本一致。研究结果显示,一至三级古皂荚树土壤的TP、AP、AK、OM和TN含量均高于非古皂荚树,三级古皂荚树各土壤肥力指标含量最高,随着树龄增长,至二级和一级古皂荚树逐渐下降。对皂荚树土壤肥力综合评价结果表明,三级古皂荚树土壤肥力(0.771)优于二级(0.591)和一级(0.584),古皂荚树土壤肥力优于非古皂荚树(0.281)。研究表明,树龄对皂荚树根系的吸收代谢和分泌活动影响较大,20～70 a的皂荚树往往处于迅速生长期,其根系对土壤养分的吸收和需求量较大,更易出现土壤养分不足的情况;120～160 a的古皂荚树,其根系的吸收代谢和分泌能力形成较好的协调平衡,此时的土壤肥力较高;随着树龄增加,二级(300～480 a)至一级(500～800 a)古皂荚树的根系吸收代谢和分泌能力逐渐减弱,其土壤的营养含量和综合肥力会逐渐下降。因此,仍需进一步深入分析古树的根系分泌活动及根际土壤微生物的群落变化,为阐释土壤肥力变化机制提供依据。

4 结论

鄠邑区皂荚树土壤pH为8.03～8.88,属碱性土壤;不同年龄级别皂荚树土壤的TK含量差异均不显著;土壤BD依次为二级古树>一级古树>非古树>三级古树;不同年龄级别皂荚树土壤的EC值、OM、TN、TP、AN、AP和AK含量表现出不同程度差异,其中,非古树土壤各指标含量均最低,随着树龄增加,三级古树各指标含量增加至最大,除TP和AP外,其余指标含量均显著高于一级古树。以全国第二次土壤普查分类标准为依据,皂荚树土壤TK含量均为三级标准,属中上水平;AN含量均为四级及以下标准,属中低水平;古皂荚树土壤TP、AP、AK、OM和TN整体含量较高,均为三级及以上标准,属中高水平;非古皂荚树各土壤肥力指标含量较低,均为四级及以下标准,属中低水平。皂荚树土壤综合肥力依次为三级古树(0.771)>二级古树(0.591)>一级古树(0.584)>非古树(0.281)。综合看,鄠邑区不同年龄古皂荚树的土壤肥力呈较大差异,其中,三级古皂荚树土壤肥力优于二级和一级,古皂荚树土壤肥力优于非古皂荚树,可实行分级养护,并通过增施有机质改良土壤,提高碱解氮含量。