巖溶區(qū)典型根系地下生境的土壤質量分析

符裕紅，黃宗勝，喻理飛，楊 瑞

（1.貴州大學 林學院，貴陽 550025；2.貴州師范學院，貴陽 550018）

土壤是植物賴以生存的基礎，巖溶地區(qū)石漠化較為嚴重、土層淺薄、土被不連續(xù)、成土速度慢［1－2］，生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞則難以恢復，嚴重影響了生態(tài)平衡、居民生存及經(jīng)濟發(fā)展。土壤質量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界范圍內維持作物生產(chǎn)，保持環(huán)境質量及促進動植物健康的能力［3］。

隨著社會的不斷發(fā)展和人口的迅速增加，一些不合理的開發(fā)利用導致人口、資源、環(huán)境之間的矛盾和可持續(xù)發(fā)展面臨空前壓力［4］，土壤作為一種非再生資源［5］，其質量問題受到各方面人士的廣泛關注。針對巖溶地區(qū)，由于基巖可溶產(chǎn)生的裂隙［6－8］以及巖石產(chǎn)狀傾角的影響［9］，使土壤水分分布出現(xiàn)差異，這在一定程度上造成了土壤理化性狀及生物環(huán)境的改變，進而影響土壤質量；另外，植物根系由于其極強的穿串能力［10］，同時也生長于地下巖石的裂縫中，說明巖層下存在地下空間；而不同類型的地下空間土壤質量如何則未見報道。

前人對巖溶石漠化區(qū)的土壤質量研究也主要集中于地表小生境［1－2，11－14］，基于此，本文以地下根系生長空間為研究對象，針對其土壤理化性狀、生物學指標等，對典型生境類型的土壤質量進行評價，了解其土壤條件的差異，為巖溶石漠化地區(qū)的土壤質量評價及改良提供相應的依據(jù)，促進巖溶地區(qū)石漠化的植被恢復、生態(tài)修復和治理。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市境內，貴陽市位于貴州省中部的云貴高原東斜坡地帶，地處北緯26°11′—27°27′，東經(jīng)106°07′—107°17′，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，兼有高原性和季風性氣候特點；境內山巒重疊，峽谷深幽，地勢起伏較大，海拔506.5～1762 .7 m，相對高差1256 .2m。年平均氣溫15.3℃，年極端最高溫35.1℃，年極端最低溫度－7.3℃，年降水量1300 mm，年平均相對濕度為77%，日照時數(shù)1354 h，無霜期270d。境內植被類型豐富，碳酸鹽巖分布廣泛，主要巖石類型為石灰?guī)r和白云巖；土壤類型多樣，有黃壤、石灰土、紫色土、沼澤土和水稻土等；黃壤為地帶性土壤，一般土層深厚，土壤呈條帶狀鑲嵌分布，組合多樣［15］。

根據(jù)野外植物根系地下生長空間的剖面調查所劃分的18個生境類型；本研究選擇了其中3個典型類型進行土壤質量的分析評定。分別為:白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅵ）、白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅸ）、白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅺ）；所選擇的典型樣地均位于貴陽市境內，其中，類型Ⅵ位于安遷，類型Ⅸ和類型Ⅺ均位于蔡家關。各樣地及其典型類型的基本特征見表1。

表1 各樣地及其典型類型基本特征

1.2 土樣采集

土壤采集范圍為三個巖石產(chǎn)狀不同的樣地，各樣地均設置三個20m×15m的樣方。在各樣方內根據(jù)所選擇的三個典型類型的基本特征，分別在樣方內選取6個的同時具備樣點處生境相似和大小一致的巖石產(chǎn)狀傾角的代表性樣點，三個樣地共計54個樣點。采樣時，由于各典型類型存在不同的空間組合，故均選擇“表層空間＋下層空間”的組合形式；表層空間土壤采樣深度均為0—30cm；下層空間一般由于巖石裂縫關系一般土層較深，故均以除去表層空間土壤的100cm為限，以50cm分層，進行中、下層的分層采樣；每層空間范圍選擇4～6個土樣混合為一個土壤樣品；共采集土壤樣品162個。

1.3 試驗設計

評價指標的選定是土壤質量評價的核心，關系到其評價結果的客觀性及準確性。根據(jù)目標區(qū)的環(huán)境條件，選擇土壤質量的物理學、化學、生物學指標進行土壤質量評定［16］。本研究選擇的具體評價指標有:土壤pH值、土壤水分、土壤容重、土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶共18個指標，詳見表2。

表2 土壤指標的方差分析結果

土壤pH值采用電位測定法；土壤水分采用烘干法；土壤容重采用環(huán)刀法［17］；土壤全氮采用采用蒸餾法測定；堿解氮采用擴散法；全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法；全鉀、速效鉀采用火焰光度法；土壤有機質采用重鉻酸鉀—硫酸—外加熱法［17－18］。

蔗糖酶、淀粉酶的測定采用3，5－二硝基水楊酸比色法；脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；蛋白酶采用茚三酮比色法；磷酸酶磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶采用容量法；多酚氧化酶采用碘量滴定法，過氧化物酶采用容量法［19］。

2 結果與分析

2.1 土壤指標的統(tǒng)計分析

根據(jù)原始數(shù)據(jù)，對各土壤指標變量進行獨立、正態(tài)、齊性檢驗，得出各指標數(shù)據(jù)滿足方差分析所要求的獨立、正態(tài)、齊性三條件，可以進行方差分析。以各指標為變量對主體間雙因子:植物根系地下生長空間典型類型（白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型、白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型、白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型共3個水平）、空間土壤層次（上層、中層、下層共3個水平）進行雙因素方差分析，以LSD進行差異檢驗（表2）。

表2顯示，針對各個因變量，類型p＜0.01；層次p＜0.01；類型×層次p＜0.01，這說明類型和層次及其互作對土壤指標均有極顯著的影響，其中，各個組的R2＞0.90、調整的R2＞0.90，說明該模型具有較好的解釋能力，且模型擬合較好，這表明類型和層次是影響土壤指標值變化的主要因子。LSD檢驗得出不同的類型和不同的層次間土壤指標值存在極顯著差異（p＜0.01）。上述分析表明本研究采樣方法正確，數(shù)據(jù)科學、合理，具有很強的代表性，所選指標符合土壤質量評價指標要求。

2.2 土壤指標標準化

由于不同類型和層次之間的土壤指標值存在差異，因此，在各個土壤質量評價指標中，為減小其量綱差異，避免指標之間絕對值和變化幅度較大，故在進行數(shù)據(jù)分析之前對所測定的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。評價指標標準化公式［20］為:

式中:i——樣本數(shù)；j——指標個數(shù)；xij′——標準化后的數(shù)據(jù)；ˉxj——測定數(shù)據(jù)平均值；sj——第j個指標的標準差。各土壤指標具體數(shù)值及標準化值如表3—4所示。

表3 土壤質量評價指標養(yǎng)分數(shù)值

表4 土壤質量評價指標中各種酶類的數(shù)值

2.3 評價指標主成分分析

經(jīng)過評價指標的主成分分析，提取了3個主成分y1，y2，y3，這3個變量包括了原始數(shù)據(jù)信息總量的91.329%。說明這3個主成分能夠代表原來的18個指標來反映土壤質量（表5）。

表5 土壤指標成分矩陣、特征值及貢獻率

從表5中可看出，第一主成分主要包括土壤水分（x2）、有機質（x4）、全氮（x5）、全磷（x7）、全鉀（x9）、速效鉀（x10）、淀粉酶（x12）、脲酶（x13）、蛋白酶（x14）、磷酸酶（x15）、過氧化物酶（x18），它們具有較大的荷載，分別為:0.919，0.861，0.963，0.910，0.953，0.901，0.840，0.954，0.885，0.702，0.851。第二主成分主要包括蔗糖酶（x11），其荷載為:0.888。第三主成分主要包括pH值（x1），其荷載為0.710。這說明第一主成分主要反映的是土壤大多數(shù)指標的影響，第二主成分主要反映土壤蔗糖酶的影響，而第三主成分主要反映土壤pH值的影響。

2.4 評價指標的綜合評價

根據(jù)各指標主成分分析結果，各指標主成分得分矩陣如表6所示。

表6 土壤指標成分得分矩陣

根據(jù)表6中各主成分指標的得分，可以得到各主成分的函數(shù)表達式分別為:

將表3—4中的標準化數(shù)據(jù)帶入上述函數(shù)表達式，可以得到各土壤指標3個主成分的得分值。為評價土壤質量，選擇土壤肥力的綜合指標值（integrated fertility index，IFI）來進行最終的綜合評價。經(jīng)變換，其計算公式［20］為:

式中:ai——第i個主成分的貢獻率；yj——第j個主成分得分值。計算各得分值并排序，結果如表7所示。

表7 土壤指標主成分得分及排序

從表7中可以看出，不同類型不同層次的土壤由于其不同指標的影響，其質量存在差異；在第一主成分方面，以類型Ⅸ和類型Ⅺ的表層土占優(yōu)勢；在第二主成分方面，以類型Ⅵ的表層和中層土占優(yōu)勢；而在第三主成分方面，以類型Ⅺ的表層和下層土占優(yōu)勢。

在綜合評價得分IFI的排序中，其大小順序依次為類型Ⅸ表層＞類型Ⅺ表層＞Ⅵ類型表層＞類型Ⅸ中層＞類型Ⅺ中層＞類型Ⅸ下層＞類型Ⅺ下層＞類型Ⅵ中層＞類型Ⅵ下層。以上結果說明三種不同類型，類型Ⅵ（白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型）、類型Ⅸ（白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型）、類型Ⅺ（白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型）的土壤質量存在差異。

表層土、中層土和下層土的大小順序為類型Ⅸ＞類型Ⅺ＞類型Ⅵ。各類型下的土壤，層次分化性較為明顯，其綜合評分均表現(xiàn)為表層＞中層＞下層。

出現(xiàn)以上結果，主要是在巖溶石漠化區(qū)特殊的地質背景條件下，由巖石產(chǎn)狀類型及土壤分布特點決定的；在巖石產(chǎn)狀傾角為水平狀態(tài)時，土壤分布主要集中于水平面，土層淺薄，植物根系大多為水平延伸，土壤養(yǎng)分容易被植物吸收利用；而在巖石產(chǎn)狀傾角為直立狀態(tài)時，土壤分布由于巖層的裂隙，主要填充于呈直立狀態(tài)的巖石裂隙中，植物根系大多為垂直延伸，養(yǎng)分容易隨水分的下滲而流失；當巖石產(chǎn)狀傾角為傾斜狀態(tài)時則居于二者之間，故土壤養(yǎng)分及質量相對較高。因此，由于根系生境分布的多層性特征，土壤質量也呈現(xiàn)出了層次分異，這些研究結果對揭示巖溶石漠化地區(qū)植物根系地下生境土壤質量提供依據(jù)，同時對石漠化區(qū)的植被恢復和治理均具有積極的促進和推動作用。

3 結論

（1）在研究對象上，本文選擇的是典型根系地下生境類型的土壤，在前人的研究中，主要研究對象僅為地表生境的土壤［1－2，11－14］，這對揭示特殊地質條件下的根系地下生境具有非常重要的作用和意義。

（2）根據(jù)土壤采樣，進行了各土壤指標的統(tǒng)計分析，證明所采土壤樣品具有代表性，經(jīng)方差分析得出:類型和層次是影響土壤指標值變化的主要因素，不同根系地下生境類型的不同層次土壤指標數(shù)值存在極顯著差異。經(jīng)過一系列的統(tǒng)計分析，保證了各樣地典型類型樣點上各采樣點土壤樣品質量的一致性和代表性，確保了各個典型類型間土壤質量分析比較的科學性、合理性及準確性；同時為后續(xù)的土壤質量評價提供了相應的依據(jù)和基礎。

（3）經(jīng)過主成分分析并結合土壤肥力綜合指數(shù)的計算，對土壤質量進行評價得出:土壤化學指標在評價土壤質量時具有非常顯著的地位及意義，土壤生物學指標及物理指標也起到了較大的作用；不同類型的土壤質量存在差異，且具有明顯的層次性，土壤質量表現(xiàn)為白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型＞白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型＞白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型，在各類型的空間層次上，土壤質量層次性明顯，均隨土壤深度的增加表現(xiàn)為下降趨勢。這體現(xiàn)了同種巖石類型不同產(chǎn)狀的相同空間類型的土壤質量差異；說明巖石的產(chǎn)狀傾角對土壤質量的差異存在重要影響；曾有研究［9］指出，在喀斯特地區(qū)，巖石的產(chǎn)狀傾角影響了土壤水分的分布；說明巖石產(chǎn)狀傾角在一定程度上會造成土壤生態(tài)條件的改變，土壤水分及養(yǎng)分的變化，勢必影響土壤質量的差異。因此，針對喀斯特地區(qū)不同巖石產(chǎn)狀類型樣地的典型樣點進行土壤質量分析，有利于正確評價石漠化區(qū)植被的生境條件，充分認識巖溶石漠化區(qū)立地條件，促進植被恢復技術研究和石漠化治理。

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