干熱河谷石漠化區(qū)不同土地利用類型的土壤質(zhì)量評價(jià)

楊丹麗，喻陽華，鐘欣平，秦仕憶

(1. 貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】土壤質(zhì)量是維持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)生命健康的能力，其質(zhì)量狀況是保證植物生長的重要前提[1-2]。隨著人地矛盾及環(huán)境污染問題的加劇，土壤質(zhì)量的研究已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤作為一個(gè)復(fù)雜的功能實(shí)體，其質(zhì)量不能直接測定，但可以通過土壤質(zhì)量指標(biāo)來推測[6]。胡舉偉等[7-9]把土壤微生物、土壤酶活性、土壤物理特征和大量元素作為指標(biāo)應(yīng)用于土壤質(zhì)量評價(jià)，其中土壤大量元素是土壤質(zhì)量評價(jià)中較常見的指標(biāo)。張璐等[10]運(yùn)用大量元素的含量，研究湘南紅壤丘陵區(qū)不同植被類型土壤肥力特征認(rèn)為，自然植被恢復(fù)比人工植被更有利于土壤肥力的提高。王鈺瑩等[11]分析陜南秦巴山區(qū)厚樸群落土壤養(yǎng)分含量表明，土壤肥力會隨林齡的增大呈下降趨勢。李菡等[9]分析魯西黃河沖擊平原農(nóng)田不同種植模式下土壤大量元素的含量發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶對農(nóng)田的投入與管理水平是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量存在顯著差異的主要原因。【本研究切入點(diǎn)】干熱河谷石漠化區(qū)氣候干旱，水熱分布不均，土壤貧瘠且不連續(xù)，土壤養(yǎng)分隨水土流失嚴(yán)重，由于對資源不合理的開發(fā)利用，加劇了生態(tài)功能退化，出現(xiàn)嚴(yán)重石漠化，導(dǎo)致該區(qū)土壤保水保肥能力下降，可耕地面積和植物多樣性減少[12-13]。近年來，針對干熱河谷石漠化區(qū)的土壤特性，采取了一系列生態(tài)恢復(fù)措施，其中花椒、金銀花和火龍果的種植模式已得到廣泛認(rèn)可[14]。但由于干熱河谷石漠化區(qū)惡劣的生態(tài)環(huán)境、不合理的耕作制度與管理措施，導(dǎo)致花椒、金銀花和火龍果等物種呈退化趨勢，該種植模式對生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)效果逐年下降，物種退化與土壤養(yǎng)分退化成為限制該區(qū)土地資源利用的重大生態(tài)環(huán)境問題。然而，關(guān)于干熱河谷石漠化區(qū)的土壤研究多集中于植物多樣性、不同植被恢復(fù)模式、植被養(yǎng)分的分布格局與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系等方面[15-17]，對不同土地利用類型的土壤質(zhì)量系統(tǒng)研究相對較少?！緮M解決關(guān)鍵問題】因此，筆者等選擇干熱河谷石漠化區(qū)花椒(Zanthoxylumbugeanum)、火龍果(HylocereusundulatusBritt)、核桃(Juglansregia)、金銀花(Lonicerajaponica)、玉米(ZeamaysLinn)和柚木(Tectona)等6種土地利用類型為對象，測定其土壤物理、化學(xué)指標(biāo)，分析不同土地利用類型下土壤的質(zhì)量特征，診斷影響?zhàn)B分質(zhì)量的因素，集成土壤健康經(jīng)營的策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在貴州省關(guān)嶺縣與貞豐縣交界處的北盤江花江河段干熱河谷流域兩岸，流域內(nèi)以喀斯特地貌為主，境內(nèi)海拔400～1000 m。該區(qū)域?qū)俚湫偷哪蟻啛釒Ц蔁岷庸葰夂?，光熱資源十分充沛，年平均氣溫18.4 ℃，年極端最高氣溫為32.4 ℃，≥10 ℃積溫6542 ℃，平均相對濕度80 %。降水時(shí)空分布極其不均，降雨集中于5-10月，可達(dá)全年總降雨量的83 %[12]。研究區(qū)域內(nèi)的巖石以白云巖和泥質(zhì)白云巖為主。由于生態(tài)環(huán)境的退化、嚴(yán)重的石漠化，土地利用類型十分受限，農(nóng)地作物以火龍果、玉米和花椒為主，林地主要樹種為核桃和柚木，灌叢以金銀花為主。各樣地基本信息見表1。

1.2 樣品采集與分析

在不同土地利用類型樣地中，按S形選取5～7個(gè)樣點(diǎn)，取樣深度為0～20 cm，不足20 cm的以實(shí)際深度為準(zhǔn)。采樣時(shí)，先去除土體表面的枯枝落葉、動物殘?bào)w和石礫，將5～7個(gè)樣點(diǎn)的樣品混制成1個(gè)土壤樣品裝入自封袋保存并帶回實(shí)驗(yàn)室。樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干、研磨95 %通過2、0.15 mm篩保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤容重(Bulk density, BD)采用環(huán)刀法測定；pH值測定采用土水比1∶2.5(質(zhì)量比)提取，電位電極法測定。大量元素測定采用文獻(xiàn)[18]的分析方法進(jìn)行。其中，有機(jī)碳(Soil organic carban, SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮(Total nitrogen, TN)采用半微量開氏法，速效氮(Available nitrogen, AN)采用堿解擴(kuò)散法，全磷(Total phosphorus, TP)采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色-紫外分光光度法，速效磷(Available phosphorus, AP)采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色-紫外分光光度法；全鉀(Total potassium, TK)采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度計(jì)法測定；速效鉀(Available potassium, AK)采用中性乙酸銨溶液浸提，火焰光度計(jì)法測定。

表1 不同土地利用類型的基本特征

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤質(zhì)量指數(shù)計(jì)算參照文獻(xiàn)[19]的方法進(jìn)行：

式中，Wi為各主成分貢獻(xiàn)率，F(xiàn)i為各土地利用類型主成分因子得分。

采用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 8.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。Excel 2010進(jìn)行前期數(shù)據(jù)處理；采用多元方差分析，運(yùn)用LSD法(最小顯著性法, least significance difference)分析不同土地利用類型的土壤質(zhì)量指標(biāo)間的差異；采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)性；采用主成分分析確定各主成分貢獻(xiàn)率和各土地利用類型主成分因子得分，計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)；利用Origin8.6制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤理化性質(zhì)

從圖1可看出，在不同土地利用類型中，土壤容重(BD)、pH和養(yǎng)分組成的變化趨勢。

2.1.1 土壤容重 6種土地利用類型的土壤容重以柚木地最高(1.40 g/cm3)，之后依次為火龍果地(1.20 g/cm3)、核桃地(1.12 g/cm3)、玉米地(1.09 g/cm3)和金銀花地(1.03 g/cm3)，花椒地土壤容重最低，為1.00 g/cm3。柚木地、火龍果地與其余土地利用類型間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.1.2 土壤pH 6種土地利用類型的土壤pH為7.11～8.00，均呈弱堿性，其中以花椒地pH最高，為8.00；火龍果地和玉米地土壤pH分別為7.11和7.44，低于其余4種土地利用類型。

2.1.3 土壤養(yǎng)分組成 (1)有機(jī)碳(SOC)。SOC含量以金銀花地最高，為70.17 g/kg，其次為玉米和核桃地，兩者含量均顯著高于柚木與花椒地，且柚木地與花椒地間SOC含量無顯著差異，與其余5種樣地類型相比，火龍果地的SOC含量最低，為19.16 g/kg。

(2)全氮(TN)與速效氮(AN)。TN含量在不同土地利用類型間均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，總的趨勢為金銀花地>花椒地>核桃地>玉米地>火龍果地>柚木地。AN含量變化規(guī)律與SOC含量變化存在一定的相似性，金銀花樣地最高(273.20 mg/kg)，且顯著高于其余5種土地利用類型；以火龍果樣地最低，為83.58 mg/kg。

(3)全磷(TP)與速效磷(AP)。AP含量在任意兩種土地利用類型間差異均顯著(P<0.05)，且以金銀花地含量最高，為7.41 mg/kg，是含量最低的核桃地的17倍。不同土地利用類型的TP含量與AP含量不同，花椒地、金銀花地與其余4種土地利用類型差異均顯著(P<0.05)。

(4)全鉀(TK)與速效鉀(AK)。二者含量均以花椒地最高，核桃地最低。其中，土壤TK含量在火龍果地、金銀花地和柚木地間無顯著差異。AK含量在火龍果地與金銀花地間無顯著差異，其依次為花椒地>柚木地 >玉米地>金銀花地>火龍果地>核桃地。

2.2 土壤質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)性

土壤質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)性因不同土地利用類型而產(chǎn)生差異。由表2可見，土壤BD與TN呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；土壤pH與其余指標(biāo)均呈正相關(guān)，其中，與TN呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與AP呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤TP與TK、AK，AN與SOC，TK與AK均達(dá)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且相關(guān)系數(shù)較大，均在0.960以上；TN與SOC、AN、AP均表現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.594～0.673。

2.3 不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合評價(jià)

通過對9個(gè)土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行Bartlett球形檢驗(yàn)得知，顯著系數(shù)為0.00，小于0.05，表明數(shù)據(jù)適合做因子分析。采用最大方差法對數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、各主成分貢獻(xiàn)率和因子載荷矩陣。

從表3看出，土壤AP的公因子方差最小，為0.607，AK的公因子方差最大，為0.991；按特征值大于1的原則，提取出2個(gè)主成分，特征值分別為4.586和3.076，2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.137 %，表明這2個(gè)主成分已提供了85.137 %的原始數(shù)據(jù)信息量，能夠充分解釋原始數(shù)據(jù)；因子載荷矩陣顯示：第1主成分與TP、TK和AK顯著相關(guān)，因子載荷系數(shù)均大于0.970；第2主成分主要受SOC、TN和AN支配，因子載荷系數(shù)均大于0.880。

將主成分特征向量(表4)與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)，得出不同土地利用類型各主成分因子得分(表5)，進(jìn)一步將各主成分因子得分與方差貢獻(xiàn)率加權(quán)，得到不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。

圖柱上不同小寫字母表示不同土地利用類型間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)Different lowercase letters in the columns indicate significant differences between different land use patterns(P<0.05)圖1 不同土地利用類型的土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physical and chemical properties of different land use patterns

因子FactorBDpHSOCTNANTPAPTKAKBD1 pH-0.3971 SOC-0.4610.4931 TN-0.826**0.708**0.673*1 AN-0.4610.3590.965**0.594*1 TP-0.4900.567-0.1700.463-0.3231 AP-0.3300.627*0.4040.665*0.1830.5511 TK-0.4330.426-0.2260.324-0.3810.964**0.5161 AK-0.4170.520-0.2230.378-0.3850.993**0.5430.983**1

注: *表示在P<0.05水平上顯著相關(guān), **表示在P<0.01水平上極顯著相關(guān)； BD為容重, SOC為有機(jī)碳, TN為全氮, AN為速效氮, TP為全磷, AP為速效磷, TK為全鉀, AK為速效鉀(下同)。 Note: * represented significant correlation atP<0.05 level, and ** represented extremely significant correlation atP<0.01 level. BD: bulk density, SOC: soil organic carbon, TN: total nitrogen, AN: available nitrogen, TP: total phosphorus, AP: available phosphorus, TK: total potassium, AK: available potassium, the same as below.

表3 因子載荷矩陣及主成分貢獻(xiàn)率

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)主成分特征向量

表5 不同土地利用類型主成分因子得分

從圖2看出，干熱河谷石漠化區(qū)不同土地利用類型土壤質(zhì)量的綜合指數(shù)不同，依次為花椒(2.334)>金銀花(1.283)>玉米(-0.330)>核桃(-0.386)>柚木(-1.153)>火龍果(-1.598)。

圖2 不同土地利用類型土壤質(zhì)量的綜合指數(shù)Fig.2 Integrated soil quality index of different land use patterns

3 討 論

3.1 不同土地利用類型的土壤性質(zhì)變化規(guī)律

土壤pH和BD通過影響土壤養(yǎng)分的形成、轉(zhuǎn)化和有效性，使土壤質(zhì)量產(chǎn)生差異。研究中6種土地利用類型的土壤pH存在不同程度的差異。其中，以金銀花、花椒地的pH較高，可能是由于金銀花地凋落物數(shù)量大，花椒地伴生植物豐富，均利于微生物活動，腐殖質(zhì)數(shù)量較多。腐殖質(zhì)是一種帶負(fù)電荷的膠體，可吸附土壤中交換陽離子，避免陽離子流失，從而減弱土壤中H+的活性，同時(shí)，腐殖質(zhì)具有較強(qiáng)的的吸附性能和陽離子代換能力，可有效緩解土壤酸化[20]?；瘕埞?zé)o凋落物的同時(shí)長期施用化肥，加之強(qiáng)烈的人為干擾，導(dǎo)致土壤板結(jié)，土壤透氣性下降，加速了土壤酸化[21]，因而pH較低。通過分析不同土地利用類型土壤BD表明，花椒地土壤BD最小，即土壤疏松，這可能與花椒是淺根植物且根系發(fā)達(dá)有關(guān)；而火龍果樣地在管理與采摘期，受人為踩踏影響，導(dǎo)致土壤板結(jié)嚴(yán)重，因而具有較大的BD。

土壤養(yǎng)分含量組成表明，土壤SOC與土壤AN表現(xiàn)出耦合關(guān)系，不同土地利用類型土壤SOC與AN含量分布趨勢相對一致。本研究中，金銀花地的SOC和AN含量顯著高于火龍果地，可能是受到凋落物歸還量的影響。另外，土壤SOC含量受氣溫、降雨量和坡度等因素影響。因此，6種土地利用類型海拔和坡度的差異必將導(dǎo)致土壤SOC含量的差異。

土壤TP含量來源比較單一，且受成土母質(zhì)影響較大[22]，6種土地利用類型的成土母質(zhì)一致，但花椒地顯著高于其余5種土地利用類型，其原因是否與該地區(qū)長期單一種植花椒以及花椒對TP的吸收量有關(guān)尚待深入研究。土壤AP含量在任意2種土地利用類型間差異均顯著，而長期大量施用有機(jī)肥能夠在很大程度上提高土壤AP的含量[23]，因此，花椒地距離居民區(qū)較近，還土有機(jī)肥較多，可能是花椒地土壤AP含量較高的主要原因。地表覆被的差異使得土壤水分蒸發(fā)量不同，而水分的增加會減少磷肥的固定[23]，因此，高密度的地表覆蓋可能是導(dǎo)致金銀花地土壤AP含量處于較高水平的重要原因。

6種土地利用類型的土壤TK與AK含量均以核桃樣地最低，分別為8.58 g/kg、154.80 mg/kg，可能是由于核桃林為經(jīng)果林，對養(yǎng)分的需求量較大，加之從未追肥，只能從土壤中獲取生長所需元素，導(dǎo)致土壤中鉀素含量較少，因此，該區(qū)在指導(dǎo)核桃生長過程中應(yīng)注重鉀肥的施用。

3.2 土壤養(yǎng)分變化的相關(guān)性

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，是發(fā)生一系列理化生反應(yīng)的重要場所，其理化性質(zhì)的改變會對元素的積累和循環(huán)產(chǎn)生重大影響[24-25]。研究結(jié)果表明，土壤BD和pH是影響TN與AP含量的主要原因，其中土壤BD與TN含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，即TN含量隨土壤BD的增加而減少，與李紅林等[25]對塔里木盆地北緣綠洲土壤N含量與其理化因子關(guān)系研究結(jié)論一致。土壤BD通過影響植物根系生長、凋落物分解和微生物活動，導(dǎo)致元素在土壤生態(tài)過程中的遷移和積累數(shù)量產(chǎn)生差異，土壤BD愈大，土壤愈緊實(shí)，不利于植物根系伸展及微生物活動，同時(shí)減弱凋落物分解程度，阻礙元素間的交流，進(jìn)一步減少TN含量。土壤的酸堿性對土壤元素的轉(zhuǎn)換、釋放以及有效性有密切關(guān)系[26]。研究結(jié)果顯示，pH與TN呈極顯著正相關(guān)，與AP呈顯著正相關(guān)，這與劉興華[27]研究濕地土壤C、N和P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征結(jié)果相似，即pH是影響N和P含量的關(guān)鍵原因之一。TP與TK、AK均呈極顯著正相關(guān)，這是由于K素與P素的主要來源均為成土母質(zhì)，導(dǎo)致K素與P素含量同時(shí)增減。SOC與TN呈顯著正相關(guān)，與AN呈極顯著正相關(guān)，原因可能是大量N素參與有機(jī)質(zhì)的合成，可降低N素的礦化效率，加之土壤有機(jī)質(zhì)中含有大量富N物質(zhì)，導(dǎo)致土壤N含量隨SOC的增多而增大[28-29]。

3.3 土壤養(yǎng)分管理策略

在不同土地利用類型下，不同農(nóng)作物的根系活動深度不同，對養(yǎng)分的需求不同，及其對土壤養(yǎng)分的吸收程度不同[20]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分存在差異。研究結(jié)果表明，6種土地利用類型土壤養(yǎng)分存在不同程度的虧缺，具體表現(xiàn)：①除花椒地外，其余5種土地利用類型土壤的TP、TK、AK含量普遍較低；②花椒地的C、N元素含量較低；③火龍果地和柚木地的各土壤養(yǎng)分元素均處于較低水平。因此，采取合理的施肥方式及耕作制度，對控制養(yǎng)分分布、促進(jìn)作物生長具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

長期使用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加養(yǎng)分含量，減少N素的損失，降低土壤污染[23]，在花椒栽培管理過程中應(yīng)適量增加有機(jī)肥的施用量，提高花椒產(chǎn)量的同時(shí)改善其土壤養(yǎng)分分布，預(yù)防土壤污染。施化肥是提高P素和K素含量最高效的措施，但不合理施用化肥并不能有效促進(jìn)養(yǎng)分含量的提高，反而會使土壤板結(jié)、酸化，甚至導(dǎo)致土壤污染加劇[23]。因此，在施用化肥改善土壤P素和K素含量時(shí)，應(yīng)充分掌握不同土地植被類型的需肥規(guī)律，按合理的P、K配比施用更有利于作物的生長。

4 結(jié) 論

干熱河谷石漠化區(qū)不同土地利用類型均表現(xiàn)為N、P、K不同程度虧缺，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)為花椒(2.334)>金銀花(1.283)>玉米(-0.330)>核桃(-0.386)>柚木(-1.153)>火龍果(-1.598)；不同土壤質(zhì)量指標(biāo)間存在相關(guān)關(guān)系，應(yīng)注重養(yǎng)分作用效應(yīng)的協(xié)調(diào)性。