小欽島土壤理化性質(zhì)及其影響因子

韓春梅，衣華鵬，位 彬，高 猛，蘭思群，劉宗元

(1.魯東大學資源與環(huán)境工程學院, 山東 煙臺 264025；2.中國科學院煙臺海岸帶研究所, 山東 煙臺 264003)

土壤是地球陸地表面具有一定肥力且能生長植物的疏松層[1]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是環(huán)境與生物相互作用的產(chǎn)物，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量相互交換的重要場所[2].土壤中儲藏著氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，其對于植物的生長起著關(guān)鍵性作用，直接決定了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及生產(chǎn)力水平[2].

廟島群島位于黃渤海交界處，連接膠東半島與遼東半島，系京津之門戶，扼渤海之咽喉，32個島嶼散居于渤海陸架之上，由于其戰(zhàn)略地位的重要性，故歷來為國家所重視.海島作為一個相對獨立而又特殊的陸地生態(tài)系統(tǒng)，不僅是重要的生態(tài)功能儲存庫，維護國家權(quán)益的重要平臺，也是人類居住的載體以及保護與利用海洋的支點，這些突出了研究海島土壤理化性質(zhì)的重大意義.目前，國內(nèi)外的許多專家學者對土壤的理化性質(zhì)及其影響因素已經(jīng)進行了廣泛研究.而對于海島土壤的研究尚不深入，關(guān)于廟島群島的研究更少，研究表明：廟島群島北五島的土壤養(yǎng)分受到景觀類型和景觀格局破碎度、邊緣效應(yīng)的影響[3]；南長山島不同土地利用方式下森林土壤有機碳密度與坡度、海拔相關(guān)性不顯著，與土壤全氮、有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)[4]；廟島群島南五島凈初級生產(chǎn)力(NPP)與土壤pH、速效磷、全磷、全鉀呈顯著負相關(guān)，與全氮、總碳、總有機碳呈顯著正相關(guān)[5].以上研究大多是以廟島群島多個島嶼為研究對象，每個島嶼采樣點較少，數(shù)據(jù)不全面，沒有形成系統(tǒng)的海島土壤研究分析方法，而對單個島嶼的土壤理化性質(zhì)研究更是鮮見報道.

小欽島是廟島群島中離陸地較遠、受人類活動影響最小的人類長居島嶼.對小欽島土壤理化性質(zhì)進行研究，旨在豐富、加深對廟島群島土壤的研究，為海島的生態(tài)保護和開發(fā)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小欽島隸屬于山東廟島群島北五島之一，位于山東煙臺東北部，處于膠東半島與遼東半島之間，黃渤海交界地帶，東臨黃海，西瀕渤海，地理范圍38°20′07″～38°21′28″N，120°50′20″～120°51′06″E之間，島嶼面積1.14km2，海岸線長6.44km，島上現(xiàn)居人口1000人左右.小欽島山體大致呈東北-西南走向，最高點海拔145m左右.小欽島屬于東亞季風型氣候區(qū)，年日照總時間平均為2612h，年平均氣溫為12.0℃，年平均降雨量為537.1mm[6].

1.2 研究方法

1.2.1野外調(diào)查與采樣 分別于2016年10月和2017年5月，對小欽島開展實地調(diào)查，選取典型樣地進行土壤樣品采集與植被調(diào)查，在東、南、西、北、東南、西南、西北和東北8個方向各設(shè)置一條縱向樣帶(圖1)，并在每條縱向樣帶的中部分別設(shè)置一條垂直于縱向樣帶的橫向樣帶，構(gòu)成“十字架”型樣帶布設(shè).每條樣帶設(shè)置樣方面積為5m×5m，樣方間隔為20m.采樣時先清除地被物，環(huán)刀采土裝密實袋、帶回實驗室測含水量，按S形取5個樣點混合樣1kg左右，裝入密封袋中并編號，共采集148個土樣，并記錄樣方內(nèi)植物的物種特性.將采回的土樣帶回實驗室，自然風干約7d后，按照不同的測試項目要求研磨過篩，制成土壤分析樣品，裝入密封袋中編號備用.

圖1 小欽島研究區(qū)域及采樣點分布Fig.1 Map of the study area and sampling sites on Xiaoqin Island

1.2.2實驗方法與數(shù)據(jù)處理 礫石含量用電子分析天平測得，環(huán)刀法測土壤含水量，土壤中銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)均用土壤養(yǎng)分速測儀TPY-IV測定， pH用PHS-3C型酸度計測得.數(shù)據(jù)分析，采用Excel2010對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，基于SPSS24.0，進行皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

研究表明(表1)，小欽島土壤礫石平均含量20.4%，約占單位體積土壤的1/4，屬于多礫質(zhì)土，礫石的形成主要與其母巖有關(guān)，小欽島上發(fā)育的母巖主要為變質(zhì)石英巖，石英巖是由石英砂巖或硅質(zhì)巖經(jīng)熱變質(zhì)作用而形成，堅硬致密，不易風化、破碎，呈塊狀構(gòu)造[7].

土壤的N、P、K含量制約著植物的生長發(fā)育，是評定土壤養(yǎng)分不可或缺的因子，土壤有機質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤形成發(fā)育的主要標志，有機質(zhì)的含量、組成和性質(zhì)隨氣候、生物條件而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化[8].參照全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準[8]，從平均水平來看，銨態(tài)氮含量為23.67 mg/kg，屬于五級水平，速效鉀為212.77 mg/kg，屬于一級水平，速效磷為16.15 mg/kg，屬于三級水平，有機質(zhì)為28.34 g/kg，屬于三級水平.速效鉀偏高，原因為小欽島土壤發(fā)育母質(zhì)中含有云母等礦物成分，土壤黏土礦物以水化云母為主，故檢測土樣中速效鉀含量較高.

表1 小欽島土壤理化性質(zhì)的統(tǒng)計分析值Tab.1 Statistical analysis of soil physical and chemical properties on Xiaoqin Island

pH值是土壤重要的基本性質(zhì)，也是影響土壤肥力的因素之一，它不僅影響土壤的形成、屬性和土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性，而且還影響微生物的活動和植物的生長[8].對采集土樣進行測定，結(jié)果顯示，小欽島土壤的pH值平均為5.72，按土壤pH值分級標準，小欽島土壤呈微酸性.

2.2 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

地理要素相關(guān)性分析的任務(wù)是揭示地理要素之間相關(guān)關(guān)系的密切程度[8].由表2可知，有機質(zhì)與含水量、銨態(tài)氮、速效磷均呈顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著負相關(guān).這表明，土壤有機質(zhì)在改善土壤質(zhì)地、提高土壤肥力等方面有著重要的作用.有機質(zhì)與含水量、銨態(tài)氮、速效磷均呈顯著正相關(guān)，原因為有機質(zhì)中含有豐富的植物所需的碳、氫、氧、氮、磷等營養(yǎng)元素，以及多種微量元素.由于鉀元素主要來自母質(zhì)，植被覆蓋度低的樣方內(nèi)土壤的主導(dǎo)成土因素則為母質(zhì)，土壤速效鉀含量較高，所以速效鉀與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān).

表2 小欽島土壤各項理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of soil physical and chemical properties on Xiaoqin Island

注：“**”在0.01級別(雙尾)相關(guān)性顯著；“*”在0.05級別(雙尾)相關(guān)性顯著

2.3 土壤理化性質(zhì)的影響因素

本研究區(qū)域為整個小欽島，由于小欽島各地海拔高度差異較小，由海拔高度引起的水熱條件差異不明顯，本研究著重探討植被、坡向?qū)πJ島土壤理化性質(zhì)的影響.

2.3.1 植被對土壤理化性質(zhì)的影響分析 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小欽島上生長的植物群落主要為黑松林、刺槐林及黑松×刺槐混交林，其中以黑松林為主.根據(jù)表3，3種植物群落喬木高度、灌木叢徑及草本覆蓋度存在顯著差異(p<0.05)：①黑松林的喬木高度顯著低于刺槐林和黑松×刺槐混交林.②刺槐林下的灌木叢徑顯著高于黑松×刺槐混交林，且黑松×刺槐混交林下的灌木叢徑顯著高于黑松林.③刺槐林下的草本覆蓋度顯著高于黑松×刺槐混交林和黑松林.根據(jù)表4，3種植物群落的土壤各項指標除pH值外，其余5項指標均表現(xiàn)出了顯著的差異(p<0.05)：①刺槐林和黑松×刺槐混交林下土壤含水量顯著高于黑松林.②刺槐林下土壤銨態(tài)氮和速效磷顯著高于黑松×刺槐混交林和黑松林，且黑松×刺槐混交林下土壤銨態(tài)氮和速效磷顯著高于黑松林.③黑松林下土壤有機質(zhì)顯著低于刺槐林和黑松×刺槐混交林,但速效鉀含量顯著高于刺槐林.

表3 小欽島不同植物群落物種特性統(tǒng)計特征Tab.3 Statistical characteristics of species in different plant communities on Xiaoqin Island

注：表中數(shù)據(jù)均為均值±標準差，小寫英文字母為多重比較(LSD法)，同列間不同字母表示差異顯著(p<0.05)，下同

表4 小欽島不同植物群落土壤理化性質(zhì)統(tǒng)計特征Tab.4 Statistical characteristics of soil physical and chemical properties in different plant communities on Xiaoqin Island

2.3.2 坡向?qū)ν寥览砘再|(zhì)的影響分析 山體的坡向主要是通過影響山地的光照條件、降水和溫度等因素而間接影響土壤理化性質(zhì)的.小欽島的東坡、南坡和東南坡為陽坡，西南坡和東北坡為半陽坡，西坡為半陰坡，北坡和西北坡為陰坡.根據(jù)表5，不同坡向的灌木高度和草本覆蓋度存在顯著差異(p<0.05)：①陰坡和半陰坡的灌木高度顯著高于半陽坡和陽坡，且半陽坡的灌木高度顯著高于陽坡.②陰坡的草本覆蓋度明顯高于半陽坡和陽坡，與半陰坡無顯著差異.根據(jù)表6，不同坡向土壤含水量、速效鉀、速效磷及有機質(zhì)差異顯著(p<0.05)：①陰坡、半陰坡土壤含水量顯著高于半陽坡、陽坡含水量.②陽坡和半陽坡速效鉀顯著高于陰坡、半陰坡.③陰坡和半陰坡有機質(zhì)顯著高于陽坡和半陽坡，速效磷顯著高于陽坡.

表5 小欽島不同坡向植被統(tǒng)計特征Tab.5 Statistical characteristics of different slope vegetation on Xiaoqin Island

表6 小欽島不同坡向土壤理化性質(zhì)統(tǒng)計特征Tab.6 Statistical characteristics of soil physical and chemical properties at different slopes on Xiaoqin Island

2.4 討論

2.4.1 植被類型對土壤理化性質(zhì)的影響 植物和環(huán)境的關(guān)系是地理學研究的重要內(nèi)容之一，植物和土壤因子之間的關(guān)系已被廣泛討論[9].土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，為植物提供了養(yǎng)分與水分，植物又通過枯枝落葉將養(yǎng)分返還到土壤中，兩者緊密相連[10].刺槐林喜光，不耐蔭庇，抗風性差，喜土層深厚、肥沃、疏松、濕潤的土壤，故刺槐林下灌木叢徑和草本覆蓋度較高；黑松林為針葉林，喜光、抗旱，透光性好，土層薄，礫石含量高，土壤貧瘠，林下適于喜陽、耐旱、抗風的灌木和草本[11]，即黑松林的特點與刺槐林相反，故其喬木高度及林下灌木和草本的情況也相反，黑松林的喬木高度顯著低于刺槐林和黑松×刺槐混交林，據(jù)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小欽島黑松林主要生長在迎風坡，受海風、海浪影響較大，使得喬木高度顯著低于刺槐林；刺槐林下的灌木叢徑顯著高于黑松×刺槐混交林，且黑松×刺槐混交林下的灌木叢徑顯著高于黑松林，刺槐林下的草本覆蓋度顯著高于黑松×刺槐混交林和黑松林.植被對土壤養(yǎng)分的分布有明顯影響，刺槐林和黑松×刺槐混交林林下草本覆蓋度較高，截留雨水能力較強，含水量較高，這與紀文婧等(2016)研究結(jié)果類似[12]；不同林分林下植被種類不同，其土壤養(yǎng)分合成與積累能力不同，刺槐林灌木叢徑、草本覆蓋度較高，土壤銨態(tài)氮、速效磷、有機質(zhì)含量也較高，速效鉀與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)，故速效鉀含量偏低，土壤養(yǎng)分含量與植被長勢及種類密切相關(guān),這與李小倩等(2016)研究結(jié)果類似[13].刺槐屬于豆科植物，具有較強的固氮能力，刺槐林枯枝落葉和灌木、草本的有機殘體歸還量較黑松林多，且闊葉比針葉易分解，較強的腐殖化作用使刺槐林下土壤表層銨態(tài)氮、速效磷、有機質(zhì)明顯高于黑松林.研究表明，植被群落類型對林下土壤的理化性質(zhì)有重要影響.但是，由于黑松抗海風、抗逆性強，在不適宜刺槐生長的迎風坡可以較好地生長，對于海島涵養(yǎng)水源、防風固土等起到重要作用.綜觀全島，森林植被以黑松林為主，黑松因其抗逆性強，更適宜在海島地區(qū)生長，是海島地區(qū)不可替代的、防風固土的優(yōu)良樹種.

2.4.2 坡向等因素對土壤理化性質(zhì)的影響 在山地環(huán)境條件下，植物的生存受大地形因子(海拔)和小地形因子(坡向和坡位)的共同影響[14].坡向是山地的主要地形因子之一，坡向影響了地面與風向的夾角和坡面接受的太陽光輻射，使得不同坡向之間的光、熱、水、土和植被的分布均受到影響[15].陽坡和半陽坡屬于迎風坡，水土流失嚴重，土壤貧瘠，植被長勢差，且受海風影響顯著，灌木高度顯著低于陰坡和半陰坡；陰坡和半陰坡屬于背風坡，水土保持較好，土壤發(fā)育程度較陽坡和半陽坡好，植被長勢較好，草本覆蓋度顯著高于陽坡和半陽坡.根據(jù)表6，陰坡和半陰坡土壤含水量顯著高于陽坡和半陽坡，這主要因為陰坡和半陰坡的草本覆蓋度高于陽坡和半陽坡，且陽坡和半陽坡接受的太陽輻射多，地面溫度較高，蒸發(fā)強烈，故陰坡和半陰坡土壤含水量高于陽坡和半陽坡；陰坡和半陰坡速效磷和有機質(zhì)顯著高于陽坡和半陽坡，速效鉀顯著低于陽坡和半陽坡，原因為陽坡和半陽坡坡度較陡，礫石含量較高、土質(zhì)松散，水土流失作用較強，土壤有機質(zhì)礦化度高，腐殖質(zhì)積累較少，造成速效磷和有機質(zhì)含量偏低；速效鉀主要來自母質(zhì)，與有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)，故速效鉀含量偏高，這與朱云云等(2016)研究結(jié)果一致[14].研究表明，坡向也是小欽島土壤理化性質(zhì)的一個主要影響因子.

3 結(jié)論

(1)小欽島大部分屬于三級土壤，速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量均較高，土壤較肥沃，pH值平均為5.72，土壤呈微酸性.土壤主要養(yǎng)分之間存在一定的相關(guān)性，有機質(zhì)與含水量、銨態(tài)氮、速效磷均呈顯著正相關(guān).

(2)植被作為五大成土因素之一的生物因素,主要通過影響生態(tài)環(huán)境而對土壤產(chǎn)生影響.刺槐林下的灌木叢徑和草本覆蓋度均較黑松林高，相應(yīng)土壤含水量、銨態(tài)氮、速效磷、有機質(zhì)含量也較高，土壤養(yǎng)分含量與植被長勢及種類密切相關(guān).小欽島的主要喬木樹種為黑松，其抗逆性強，更適應(yīng)海島生態(tài)環(huán)境，是海島地區(qū)不可替代的、防風固土的優(yōu)良樹種，

(3)作為地形因素的山體坡向?qū)ν寥腊l(fā)育有一定影響，小欽島陰坡土壤發(fā)育程度較陽坡好.陰坡與半陰坡的灌木高度顯著高于陽坡與半陽坡，土壤含水量、速效磷和有機質(zhì)含量也相應(yīng)顯著高于陽坡與半陽坡，研究表明坡向是小欽島土壤理化性質(zhì)的重要影響因子之一.