寧夏風沙區(qū)蘋果園地土壤質量及硒元素評價

張 靜, 黃興科, 羅雅曦, 常海濤, 劉任濤

(1.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 農(nóng)學院, 寧夏 銀川 750021; 3.中衛(wèi)市林業(yè)技術推廣服務中心, 寧夏 中衛(wèi) 755000)

在干旱風沙區(qū)，種植經(jīng)濟果林不僅能夠增加農(nóng)民收入，促進經(jīng)濟發(fā)展，且作為生物措施對沙地治理的水土保持作用又非常顯著，能夠增加地表植被覆蓋率，改良貧瘠的土壤環(huán)境，有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和土地資源可持續(xù)利用，是治理風沙區(qū)水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一[1]。果林園地土壤質量評價是經(jīng)濟林地土壤資源可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)果林健康發(fā)展的重要措施。其中，土壤質量是維持地球生物圈穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[2]，是土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質量及促進動植物健康的能力[1]。土壤水分含量、孔隙度、有機質含量的變化以及土壤養(yǎng)分含量是否平衡等會直接影響到樹體生長、果實品質、果樹利用年限和蘋果產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展[3-4]。而硒元素作為人體必需的14種微量營養(yǎng)元素之一，與人體健康密切相關，是部分重金屬元素的天然解毒劑，能有效提高生命免疫功能，對防癌、抗癌能發(fā)揮重要作用，被國內(nèi)外科學家譽為“生命之火”、“抗癌之王”。所以，研究寧夏風沙區(qū)不同林齡蘋果園土壤理化性質演變、土壤質量及硒元素評價，對于該區(qū)域土壤資源管理、經(jīng)濟果林建設利用及農(nóng)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展具有重要的理論與實踐價值。

目前，國內(nèi)關于種植年限與土壤質量的關系研究較多集中在作物和其他植物上。張珍明等[5]對不同種植年限的山銀花下土壤微生物特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限的增加，土壤肥力下降。周海霞等[6]探討了種植年限對設施蔬菜土壤及基質質量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤質量隨著種植年限的增高先提升后降低，種植達4 a時土壤質量最好，4 a后有下降趨勢。鄭敏娜等[7]對晉北鹽堿區(qū)不同種植年限人工紫花苜蓿草地土壤質量進行了評價，發(fā)現(xiàn)不同種植年限的紫花苜蓿草地均可提高土壤質量，其中種植10 a苜蓿草地土壤質量最好。劉軍等[8]對露天煤礦排土場邊坡不同年限沙棘林下土壤肥力質量進行了研究，發(fā)現(xiàn)在土地復墾中引種沙棘，對改善排土場土壤環(huán)境有實際意義。綜合分析表明，植被種植能夠改善土壤環(huán)境質量，而且不同種植類型存在的閾值對土壤理化性質及土壤質量影響也有較大差異性，這對于土壤資源管理、種植模式優(yōu)化均具有重要指導作用。但是，在寧夏風沙區(qū)，關于不同年限蘋果園土壤理化性質和土壤質量評價研究，報道較少。

寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭位于騰格里沙漠東南緣，處于干旱風沙區(qū)，生態(tài)環(huán)境惡劣。為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量，增加地方農(nóng)民收入，且考慮其土壤富硒狀況對該地區(qū)進行蘋果園建設。目前，該區(qū)域分布有近7 333 hm2蘋果園，蘋果產(chǎn)業(yè)已成為該區(qū)域重要優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性主導產(chǎn)業(yè)。蘋果園土壤理化性質演變特征，是評價區(qū)域蘋果園土壤質量的重要依據(jù)，也是該區(qū)域蘋果林健康、可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。鑒于此，本研究選擇沙坡頭區(qū)2年生(2 a)、5年生(5 a)、10年生(10 a)和25年生(25 a)蘋果園為研究樣地，以周圍荒地為對照(CK)，通過調查不同林齡的土壤理化性質變化特征，并采用土壤質量綜合得分對土壤質量做出合理評價，解析蘋果園發(fā)展演變的關鍵閾值階段，為該區(qū)域蘋果園發(fā)展與管理、蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及脫貧富農(nóng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)永康鎮(zhèn)雙達村(37°26′48″—37°26′52″N，105°20′21″—105°20′25″E)，海拔約1 280 m。該地區(qū)屬半干旱氣候，具有典型的大陸性季風氣候和沙漠氣候的特點，因受太陽輻射和降雨量影響，日照充足，晝夜溫差大。年平均氣溫8.3 ℃，年降水量179.6 mm，年蒸發(fā)量為1 829.6 mm，為降水量的10.2倍。降水量主要集中在6—8月，占全年降水量的60%[9-10]。全年無霜期平均156 d，全年日照時數(shù)2 870 h。土壤以炭灰鈣(白僵)土為主，風沙土次之。由于其獨特的地理區(qū)位且有黃河水灌溉，為蘋果種植提供了良好的自然條件。

研究區(qū)內(nèi)包括4片不同林齡的蘋果園和一塊對照荒地。其中蘋果園的種植模式相同，株行距基本一致，株距在2.5～3.5 m之間，行距在4～4.5 m之間。具體情況如下：2 a生蘋果園果樹平均高度為2.96 m，平均株距2.55 m，行距4.20 m，總面積為0.86 hm2。5 a生蘋果園果樹平均高度為4.03 m，平均株距3.2 m，行距4.25 m，總面積為1.03 hm2。10 a生蘋果園果樹平均高度為4.40 m，平均株距3.47 m，行距4.45 m，總面積為0.87 hm2。25 a蘋果園果樹平均高度為4.88 m，平均株距3.25 m，行距4.20 m，總面積為0.84 hm2。4片不同林齡的蘋果園均屬于雙達村農(nóng)民專業(yè)合作社，規(guī)范化管理，每年根據(jù)果樹的不同生長時期的生長情況施3～4次水溶肥，灌溉4～5次，合作社統(tǒng)一在林間種植西瓜、卷心菜等以充分利用土地，提高經(jīng)濟效益。林地中間區(qū)域有一塊荒地，面積約為0.90 hm2，將不同林齡蘋果園分隔開來。林地地表植被主要包括油蒿(Artemisiaordosica)、豬毛菜(Salsolacollina)、獨行菜(Lepidiumapetalum)、委陵菜(Potentillachinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狗尾草(Setariaviridis)和山苦荬(Ixerisdenticulata)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

本研究選擇2年生、5年生、10年生和25年生蘋果園為研究樣地，以周圍荒地為對照，分別用序號2 a，5 a，10 a，25 a，CK來代表每個樣地。每種類型樣地設5個重復樣區(qū)，面積20 m×20 m，間距20 m。在每個重復樣區(qū)布設5個10 m×10 m的調查樣方，間距10 m。共布設5樣地×5重復×5樣方=125樣方。

于2018年5月，在4個蘋果園樣地的每個樣方內(nèi)進行植被調查，選擇長勢相近的5株果樹，通過卷尺測量其高度(m)、冠幅(m)和新稍長(m)，通過游標卡尺測量其胸徑(cm)和基徑(cm)，作為研究樣地背景(表1)。同時，在距所選果樹基部10 cm左右處布設土壤取樣點。

表1 研究蘋果園基本概況

注：2 a為2年生蘋果園，5 a為5年生蘋果園，10 a為10年生蘋果園，25 a為25年生蘋果園； 數(shù)據(jù)為：均值±標準差；同列不同小寫字母表示不同樣地間存在顯著差異性(p<0.05)。下同。

2.2 土壤樣品采集與測定

在每個取樣點用土溫計進行土壤溫度測定，分上午、中午和下午連續(xù)測定3次，平均后計作土壤溫度(℃)。用環(huán)刀法(100 cm3)取完整土樣，進行土壤容重(g/cm3)測定。然后，采用5點取樣法取一個混合土樣(取樣深度0—10 cm)，帶回實驗室進行相關測定分析。

首先，采集的新鮮土壤樣品的1/4進行土壤含水量的測定。然后，將剩余3/4土壤樣品經(jīng)過2 mm土壤篩，以除去其中的雜質如草根、葉片等，在自然狀態(tài)下風干，用來測定土壤粒徑組成、土壤pH值、土壤電導率、土壤有機碳、土壤全氮、土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤水解性氮和土壤硒含量[11]。

土壤含水量(%)采用烘干法測定，即將盛有新鮮土樣的鋁盒放在分析天平上稱重，準確至0.01 g，然后置于105 ℃烘箱中烘烤24 h后，冷卻至室溫立即稱重[12]。土壤粒徑組成(%)采用Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀進行測定，其重復性誤差≤±0.5%，準確性誤差≤±1%。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USAD)制土壤粒徑組成分級標準劃分土壤粒徑：粗砂粒(250～1 000 μm)、細砂粒(100～250 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[13]。土壤pH值(水土比懸液比為2.5∶1) 和土壤電導率(μs/m)(水土比浸提液為5∶1) 用P4多功能測定儀器測定[11]。土壤有機碳(%)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮(%)采用半微量凱氏定氮法測定，土壤速效鉀(mg/kg)采用NH4OAc浸提—火焰光度計法測定，土壤速效磷(mg/kg)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻鈧比色法測定，土壤水解性氮(mg/kg)采用堿解擴散法測定，土壤硒(mg/kg)采用原子熒光光譜法測定[12]。

2.3 土壤質量評價方法

2.3.1 評價指標的選取 本文在參考與結合黃婷[14]對土壤質量評價體系研究的基礎上，選取和建立適合本研究的土壤質量綜合評價指標體系。具體指標共計17個，包括土壤粗砂粒(X1)、土壤細砂粒(X2)、土壤極細砂粒(X3)、土壤黏粉粒(X4)、土壤溫度(X5)、土壤含水量(X6)、土壤容重(X7)、土壤孔隙度(X8)、土壤電導率(X9)、土壤pH值(X10)、土壤全氮(X11)、土壤有機碳(X12)、土壤C/N(X13)、土壤速效鉀(X14)、土壤速效磷(X15)、土壤水解性氮(X16)、土壤硒(X17)。其中所選取的土壤物理性質指標可以體現(xiàn)土壤的肥力狀況，土壤化學性質指標可以體現(xiàn)土壤的形成和發(fā)育過程，土壤養(yǎng)分指標可以反映與植物體吸收利用的關系[8]。

2.3.2 主成分分析步驟

(1) 列出原始數(shù)據(jù)矩陣X。包括上述17個土壤指標。

(2) 將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。由于各指標具有不同的量綱，為了排除不同量綱對評價結果的影響，對各實測指標原始數(shù)據(jù)進行標準化處理[15]。標準化公式為：

(1)

(3) 計算樣本的相關矩陣R。

(4) 用雅可比法求解相關矩陣R的特征值和特征向量。

(5) 計算貢獻率及累積貢獻率，確定主分量個數(shù)，解釋各主分量的意義，建立主分量方程。

(7) 根據(jù)各個指標的權重，計算各樣地類型土壤質量綜合評價值，據(jù)此對不同土地利用類型土壤質量作相應評價。

(2)

式中：Pi——第i種土地利用類型的土壤質量綜合評價值；Xij——第i種土地利用類型第j個指標的標準化值；wj——第j個指標的權重值，由主成分分析法得到；i——樣地的個數(shù)(本文中i=1，2，3，4，5)；n——評價中所選指標的個數(shù)(本文中n=17)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較法分析不同數(shù)據(jù)組間的差異，采用Spearman相關系數(shù)分析不同指標間的相關性。顯著水平為p=0.05。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質

3.1.1 土壤粒徑組成、土壤容重及土壤孔隙度 由表2可以看出，不同林齡的蘋果園的土壤粒徑組成存在顯著差異性(p<0.05)。土壤粗砂粒表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和對照荒地(p<0.05)，且后3種樣地之間均無顯著差異性(p>0.05)。土壤細砂粒表現(xiàn)為荒地顯著高于5 a和10 a(p<0.05)，而2 a和25 a居中。土壤極細砂粒表現(xiàn)為荒地和2 a顯著高于5 a，10 a和25 a(p<0.05)，25 a又顯著高于5 a和10 a(p<0.05)，而荒地和2 a之間無顯著差異性，5 a和10 a間也無顯著差異性(p>0.05)。土壤黏粉粒含量隨著林齡的增加現(xiàn)升高后降低，10 a出現(xiàn)最大值。土壤黏粉粒表現(xiàn)為5 a和10 a顯著高于荒地、2 a和25 a(p<0.05)。不同林齡的蘋果園間土壤容重存在顯著差異性。隨著林齡的增加，土壤容重呈先下降后上升的趨勢，主要表現(xiàn)為5 a和10 a顯著低于2 a和25 a(p<0.05)，且均顯著低于對照荒地(p<0.05)不同林齡的蘋果園間土壤孔隙度無顯著差異性(p>0.05)，均在54%～58%之間。

表2 不同林齡蘋果林的土壤粒徑組成、土壤容重及土壤孔隙度

3.1.2 土壤含水量和土壤溫度 由圖1可知，不同林齡的蘋果園間土壤含水量存在顯著差異性。隨著林齡的增加，土壤含水量基本呈上升趨勢，主要表現(xiàn)為荒地顯著低于蘋果園(p<0.05)，5 a和25 a顯著高于2 a(p<0.05)，且均與10 a無顯著性差異(p>0.05)。由圖1可知，不同林齡的蘋果園的土壤溫度隨林齡的增加而降低，表現(xiàn)為荒地顯著高于2 a和25 a(p<0.05)，且2 a顯著高于25 a(p<0.05)，但5 a和10 a與2 a和25 a均無顯著差異(p>0.05)。

圖1 不同林齡蘋果園的土壤含水量和土壤溫度

3.1.3 土壤電導率和pH值 由圖2可知，不同林齡的蘋果園的土壤電導率隨林齡的增加而基本呈上升趨勢，表現(xiàn)為25 a顯著高于5 a和荒地(p<0.05)，而2 a和10 a與其余幾個樣地均無顯著性差異(p>0.05)。

圖2 不同林齡蘋果園的土壤電導率)和土壤pH值

由圖2可知，該地區(qū)的土壤屬于弱堿性，且林地土壤pH值有隨著林齡增加而出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，10 a出現(xiàn)最大值。主要表現(xiàn)為10 a和25 a顯著高于2 a(p<0.05)，而荒地和5 a與其余三種樣地均無顯著性差異(p>0.05)。

3.1.4 土壤營養(yǎng)元素 由表3可知，不同林齡蘋果園的土壤全氮和有機碳含量之間存在顯著差異(p<0.05)。均表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和荒地(p<0.05)，5 a和10 a顯著高于2 a和荒地(p<0.05)，但其兩兩之間無顯著差異(p>0.05)。但土壤C/N卻表現(xiàn)為荒地顯著高于蘋果園(p<0.05)，而10 a顯著高于25 a(p<0.05)，2 a和5 a與10 a和25 a之間均無顯著差異(p>0.05)。

表3 不同林齡蘋果園的土壤全氮、土壤有機碳和土壤C/N

由圖3可以看出，不同林齡蘋果園土壤速效鉀、速效磷和水解性氮含量均隨著林齡的增加而增加。土壤速效鉀、速效磷和水解性氮均表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和荒地(p<0.05)，其中土壤速效鉀表現(xiàn)為10 a顯著高于荒地(p<0.05)，而2 a和5 a與10 a和荒地均無顯著性差異(p>0.05)。土壤速效磷表現(xiàn)為5 a，2 a和荒地之間無顯著性差異(p>0.05)，10 a與其余4種樣地類型均無顯著性差異(p>0.05)。土壤水解性氮表現(xiàn)為10 a和5 a顯著高于2 a和荒地(p<0.05)，而兩兩之間無顯著性差異(p>0.05)。由圖3可知，土壤硒含量隨著林齡的增加存在先上升后下降的趨勢，最大值出現(xiàn)在10 a。表現(xiàn)為10 a顯著高于5 a(p<0.05)，而2 a，25 a和荒地與10 a和5 a之間無顯著性差異(p>0.05)。

圖3 不同林齡蘋果園的土壤速效鉀、土壤速效磷、土壤水解性氮和土壤硒元素含量

3.2 土壤理化性質指標間的相關性分析

由表4可以看出，土壤粗砂粒和黏粉粒與土壤溫度和土壤C/N呈顯著負相關(p<0.01)，與土壤含水量、土壤全氮和有機碳呈顯著正相關(p<0.01)，且土壤粗砂粒與土壤速效鉀和水解性氮呈顯著正相關(p<0.01)，而黏粉粒與土壤容重呈顯著負相關(p<0.01)；土壤細砂粒和極細砂粒與土壤容重呈顯著正相關(p<0.01)，與土壤溫度和土壤C/N呈正相關(p<0.05)，與土壤含水量、有機碳呈負相關(p<0.05)，且土壤極細砂粒與土壤全氮和土壤水解性氮呈顯著負相關(p<0.01)；土壤溫度與土壤含水量、全氮、有機碳、速效鉀和水解性氮呈顯著負相關(p<0.01)，與土壤容重和土壤C/N呈顯著正相關(p<0.01);土壤含水量與土壤容重和土壤C/N呈顯著負相關(p<0.01)，與土壤全氮、有機碳、土壤速效鉀和水解性氮呈顯著正相關(p<0.01)；土壤容重與土壤全氮和有機碳呈負相關(p<0.05)；土壤孔隙度和土壤硒與其余指標均無相關性(p>0.05)；土壤電導率只與土壤水解性氮呈正相關(p<0.05)，土壤pH值只與土壤有機碳呈正相關(p<0.05)；土壤全氮和有機碳與土壤速效磷、速效鉀和水解性氮均呈顯著正相關(p<0.01)；土壤速效鉀與速效磷呈正相關(p<0.05)；土壤水解性氮與土壤速效鉀和速效磷呈顯著正相關(p<0.01)。

表4 不同林齡蘋果園土壤理化性質指標之間的相關系數(shù)

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關，*在0.05水平(雙側)上顯著相關。

3.3 土壤質量評價

從表5可以看出，根據(jù)特征值λ>1的原則提取前6個主成分，這6個主成分的特征值分別為7.89，2.41，1.55，1.28，1.01和0.96，方差貢獻率分別為46.41%，14.19%，9.10%，7.52%，5.95%和5.65%。選取主成分時，除了要滿足特征值λ>1的基本條件外，還要滿足前n個主成分的累積貢獻率達到85%以上的條件，只有同時滿足這兩個條件，才可以認為前n個主成分已基本能夠反映出原變量的主要信息。在本研究中，前6個主成分累計貢獻率為88.82%(>85%)，因此可以認為選取前6個主成分能夠代表所有的信息。其中，第1主成分綜合了土壤粗砂粒(X1)、土壤細砂粒(X2)、土壤極細砂粒(X3)、土壤黏粉粒(X4)、土壤含溫度(X5)、土壤含水量(X6)、土壤容重(X7)、土壤全氮(X11)、土壤有機碳(X12)、土壤C/N(X13)、土壤速效鉀(X14)、土壤水解性氮(X16)這12個評價指標的信息，其系數(shù)均大于0.5。第一主成分的貢獻率最大，包含的指標也最多，說明這些土壤指標在土壤質量方面起著主導作用，可以用這1個綜合指標來解釋原17個土壤綜合質量因子信息的46.41%。第2主成分包括了土壤粗砂粒(X1)、土壤細砂粒(X2)土壤黏粉粒(X4)和土壤pH值(X10)這4個指標，其系數(shù)均大于0.5，可以解釋原土壤綜合質量的14.19%。第3主成分包括土壤pH值(X10)這1個指標，可以解釋原土壤綜合質量的9.10%。第4主成分包括土壤孔隙度(X8)和土壤硒(X17)這2個指標，其系數(shù)均大于0.5，可以解釋原土壤綜合質量的7.52%。第5主成分包括土壤硒(X17)這1個指標，可以解釋原土壤綜合質量的5.95%。第6主成分包括土壤速效磷(X15)這1個指標，可以解釋原土壤綜合質量的5.65%。

表5 主成分分析中各因子的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率

注：X1為土壤粗砂粒,X2為土壤細砂粒,X3為土壤極細砂粒,X4為土壤黏粉粒,X5為土壤溫度,X6為土壤含水量,X7為土壤容重,X8為土壤孔隙度,X9為土壤電導率,X10為土壤pH值,X11為土壤全氮,X12為土壤有機碳,X13為土壤C/N,X14為土壤速效鉀,X15為土壤速效磷,X16為土壤水解性氮,X17為土壤硒。

根據(jù)主成分得分矩陣可以建立主成分得分方程：

Z1=0.698X1-0.574X2-0.788X3+0.648X4-0.866X5+0.901X6-0.754X7+0.200X8+0.241X9+

0.362X10+0.919X11+0.821X12-0.858X13+0.711X14+0.467X15+0.829X16+0.085X17

(3)

Z2=0.526X1+0.605X2+0.372X3-0.691X4-0.028X5-0.085X6+0.434X7-0.015X8+0.587X9-

0.194X10+0.191X11+0.152X12+0.028X13+0.391X14+0.301X15+0.437X16-0.286X17

(4)

Z3=0.048X1-0.112X2+0.013X3+0.050X4+0.327X5-0.304X6+0.234X7+0.364X8-0.128X9+

0.690X10-0.004X11+0.312X12+0.410X13+0.067X14+0.431X15+0.166X16+0.411X17

(5)

Z4=0.002X1-0.166X2-0.017X3+0.109X4+0.090X5-0.016X6+0.105X7-0.779X8+0.216X9-

0.173X10-0.126X11+0.113X12+0.160X13+0.296X14-0.100X15+0.123X16+0.607X17

(6)

Z5=0.099X1+0.195X2+0.175X3-0.239X4-0.128X5+0.134X6-0.110X7+0.316X8-0.471X9-

0.194X10-0.007X11-0.160X12-0.097X13+0.366X14-0.111X15-0.070X16+0.532X17

(7)

Z6=-0.389X1-0.121X2+0.174X3+0.057X4-0.133X5+0.063X6-0.142X7+0.177X8+0.395X9-

0.136X10-0.213X11-0.330X12-0.092X13+0.064X14+0.568X15+0.007X16+0.159X17

(8)

式中：Z1—Z6——6個主成分；X1—X17——各評價指標進行標準化后的變量。

將標準化后的變量分別帶入這6個函數(shù)方程，得到不同林齡蘋果園的土壤得分Z，用因子的方差貢獻率作為綜合評價的權重，按照各自的方差貢獻率加權相加得出各土地利用類型下得土壤質量綜合得分，計算公式為：

F=0.464Z1+0.142Z2+0.091Z3+

0.075Z4+0.060Z5+0.057Z6

(9)

表6為各樣地不同主成分因子得分和綜合得分情況。由表6可以看出，荒地，2 a，5 a，10 a和25 a的土壤質量綜合得分分別為-5.404，-2.246，1.424，1.923，4.310。其中25 a的土壤質量綜合得分最高，且只有5 a，10 a和25 a的土壤質量綜合得分為正值，說明這3種樣地類型的土壤質量高于平均水平，而荒地和2 a的土壤質量綜合得分都為負值，低于平均水平。

表6 主成分因子得分與綜合得分

注：Z1為第1主成分因子得分,Z2為第2主成分因子得分,Z3為第3主成分因子得分,Z4為第4主成分因子得分,Z5為第5主成分因子得分,Z6為第6主成分因子得分；F為土壤質量綜合得分。

4 討 論

4.1 不同林齡蘋果園土壤理化性質變化特征

在干旱貧瘠土壤長期種植果樹，表層沙土不斷固定，大氣降塵沉積量逐漸增加，加之生物過程的加強，共同促進了土壤理化性質演變[18]。土壤基質中土壤顆粒大小不同使得其土壤理化性質差異較大。單個土壤顆粒的大小和形狀、化學組成和礦物質以及顆粒表面的物理化學性質各不相同，進而影響土壤的肥力狀況、植被生長繁衍、土壤溶質的運移[17]。本研究中，不同林齡蘋果園都是以黏粉粒為主，極細砂粒和細砂粒次之，粗砂粒含量最少，較種植果樹之前改善許多，黏粉粒含量顯著增加，說明蘋果園土壤肥力較好，土壤黏粉粒含量多而使得其保水、保肥性好，易耕作[24,31]。其中，10 a的蘋果園土壤黏粉粒含量最高，這是因為相較于2 a和5 a的蘋果園和荒地而言，10 a生長管理時間長，養(yǎng)分含量更充足，而25 a樹體粗大，樹體吸收土壤養(yǎng)分較多，使得老齡林地呈現(xiàn)出一定的土壤砂?；?。土壤容重和孔隙度反映了土壤的透水性和通氣性，是決定林地土壤水源涵養(yǎng)和水土保持能力的重要因素[20]。本研究中，土壤容重表現(xiàn)為：CK>25 a>2 a>5 a>10 a，說明土壤容重越大則土壤越緊實，不利于通氣透水，但蘋果園精細管理并增施有機肥可以在一定程度上降低土壤容重。土壤孔隙度表現(xiàn)為種植蘋果后的土壤孔隙度相較于荒地有所增加，是因為通過種植植被，植物根系量增加且有一定的延伸范圍，枯落物增多從而導致孔隙度增加，但不同林齡之間無顯著差異性，這可能是因為人為干擾和植被種植對土壤孔隙度的影響達到平衡。

本研究中，土壤含水量表現(xiàn)為：25 a>5 a>10 a>2 a>CK，即土壤含水量隨著林齡增大而基本呈上升趨勢。這與冉偉[19]對黃土高原丘壑區(qū)不同種植年限果園土壤水分變化規(guī)律相悖?？赡苁且驗檠芯繀^(qū)降水少，林地內(nèi)需要定期的人工灌水，每個樣地灌水量相同，但取樣時日照充足，在同樣灌水的情況下林齡越小覆蓋度越低，從而導致地表水分蒸發(fā)迅速，含水量降低。同樣，土壤溫度表現(xiàn)為：CK>2 a>5 a>10 a>25 a，其原因是林齡越小，郁閉度越小，陽光直射，使得土壤溫度升高。近年來土壤學的研究結果表明，土壤電導率這一參數(shù)本身包含了反映土壤品質和物理性質的豐富信息[21]。土壤中鹽分、水分及有機質含量，土壤壓實度、質地結構和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導率的改變。本研究中，土壤電導率表現(xiàn)為：25 a>10 a>2 a>5 a>CK，土壤pH值表現(xiàn)為：10 a>25 a>5 a>CK>2 a，從整體上可以看出隨著林齡的增加，土壤電導率和pH值呈上升趨勢，這是因為隨著種植年限增加，植被覆蓋度高，再加上常年高溫、缺少雨水淋洗，蒸發(fā)強烈，改變了自然狀態(tài)下的水熱平衡，土壤得不到雨水淋洗，致使鹽分在土壤表層聚集[22]，這可能是土壤電導率和pH值逐漸升高的原因。

4.2 不同林齡蘋果園土壤理化性質指標的相關關系

土壤理化性質指標間的相互作用及協(xié)調效應能夠綜合反映土壤生產(chǎn)力的高低和對逆境的適應能力[14]。土壤粒徑組成對土壤的結構和性質起著決定性作用，可以影響土壤水分的吸收、陰陽離子的轉化以及養(yǎng)分元素碳、氮的供應。本研究中，土壤粒徑與土壤含水量之間相關性顯著，這是因為土壤粗砂粒、細砂粒和極細砂粒有利于水分下滲，而黏粉粒又有利于水分積累，提高持水能力[13]。而土壤黏粉粒與土壤全氮和有機碳呈顯著正相關，是由于黏粉粒與有機質膠結的主要無機膠體，其為膠結作用提供了膠結環(huán)境和膠結動力，能對土壤良好的結構性能起到一定的保護作用[35-36]。

土壤容重與土壤黏粉粒和土壤含水量呈顯著負相關，是因為表層土壤中的黏粉粒遭受風力吹蝕得以損失，從而增大土壤容重，不利于形成土壤團粒結構，降低土壤含水量，增大土壤侵蝕[20]。土壤含水量與土壤養(yǎng)分呈正相關是因為一定量的土壤含水量有利于土壤結構的維持，從而增加土壤的吸附性，進而增加土壤對養(yǎng)分的吸收和穩(wěn)固能力，使得土壤養(yǎng)分含量增加[37]。通過分析土壤養(yǎng)分之間的相關性得知，土壤養(yǎng)分元素之間相關性顯著，這是由于在一定程度上施用有機肥造成的。該地區(qū)土壤呈弱堿性，不利于土壤中微生物分解殘落物，從而與有機質呈負相關，抑制了土壤對氮的吸收。這與夏棟等[38]對植被混凝土的pH值、有機質、速效養(yǎng)分進行相關性分析結果相吻合。說明通過提高土壤有機質的含量，有利于土壤中大量元素的速效養(yǎng)分含量的提升。這與張強等[39]在北京昌平區(qū)蘋果園所得到的研究結果相似。土壤有機質與土壤全氮和速效養(yǎng)分顯著正相關，說明提高土壤有機質的含量可以增加土壤大量元素的有效養(yǎng)分含量，這可能是由于土壤有機質和氮素之間存在相互關系的原因[4]。田小明[40]等在石河子大學試驗站溫室進行的盆栽試驗也表明在一定程度上施用有機肥可以提高土壤養(yǎng)分、微生物生物量，增強土壤酶活性。

4.3 不同林齡蘋果園土壤質量評價

進行土壤質量評價的目的是正確認識土壤，反映土壤管理的變化，從而有效管理和保護土壤[41]。土壤質量是土壤諸多物理、化學和生物學性質的綜合反映[41]。其中影響土壤質量的因子很多，一個統(tǒng)一的、無量綱的綜合指標可更加直觀表現(xiàn)土壤質量總體情況[39]，因此一些數(shù)學方法對土壤質量綜合評價起到了重要作用[42]。但是，到目前為止，土壤質量評價還處于相對薄弱的領域[45]，仍沒有統(tǒng)一的評價標準[43-45]，不同研究者評價的目的性和針對性不同，選用的評價方法和指標亦有差異[45-46]。本研究采用主成分分析篩選出對土壤質量影響較大的幾個指標因素，并通過評價結果可以看出，寧夏沙區(qū)不同林齡蘋果園的土壤質量綜合得分排序為：25 a>10 a>5 a>0>2 a>CK，其中綜合得分越高，說明該林齡的土壤質量的綜合程度越高，反之則越低。

25 a，10 a，5 a的果園綜合得分為正值，說明該植被類型下的土壤質量高于平均水平，而CK和2 a綜合得分值為負，則說明土壤質量低于平均水平[47]。綜合來看25 a的蘋果園土壤狀況最好；其次為10 a和5 a的蘋果園土壤質量良好；2 a蘋果園和荒地的土壤質量較差，但相較于荒地來看，2 a果園也有所改善。這與陳磊[4]對黃土高原坡地蘋果園土壤質量評價結果存在差異，但與當?shù)貙嶋H較為相符。本研究區(qū)位于沙坡頭區(qū)，日照充足，但降雨量稀少，土壤演變過程相較于黃土高原坡地要慢一些，其中25 a蘋果園的土壤經(jīng)過長時間的施肥和灌溉，土壤養(yǎng)分積累充足，且避免翻耕和除草等人為干擾后地表植被類型增多、覆蓋度變大，因此土壤質量評分較高[48]。而2 a蘋果園正處于生長期，土壤肥力較差，土壤養(yǎng)分積累不足，導致土壤質量較差；5 a蘋果園處于盛果期，土壤質量明顯得到改善，林地枯落物的增多使得土壤養(yǎng)分在通過施肥積累的同時得到枯落物養(yǎng)分歸還[49-51]，土壤質量良好；10 a蘋果園相較于5 a土壤養(yǎng)分積累時間更長，積累量增多，其質量也隨之提高。在本研究中，長期種植蘋果樹可以有效改善土壤質量并對其維持產(chǎn)生積極影響。

5 結 論

寧夏沙區(qū)不同林齡蘋果園的土壤質量隨著林齡的增加而呈上升趨勢，土壤養(yǎng)分含量也不斷增加，特別是硒元素含量處在較高水平，說明在沙區(qū)種植蘋果這類經(jīng)濟林植被在帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時還可以從一定程度上改善土壤質量，進而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。但長期施用化學肥料，土壤的氮素在硝化細菌的作用下轉化為硝態(tài)氮，且隨著雨水淋溶到深層土壤，使得土壤硝酸鹽不斷累積。因此，重視林地平衡施肥，控制氮磷肥的同時增施鉀肥和有機肥，有利于蘋果園健康發(fā)展和綜合管理。