遼東山區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉偉瑋,劉某承,李文華,鄭 穎,王月嬋

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院, 沈陽(yáng) 110032

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遼東山區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉偉瑋1,2,劉某承1,*,李文華1,鄭 穎3,王月嬋3

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院, 沈陽(yáng) 110032

林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)是遼東山區(qū)典型的林下經(jīng)濟(jì)模式之一,而林下參的生長(zhǎng)對(duì)于環(huán)境條件要求很高,其中,土壤質(zhì)量是制約人參生長(zhǎng)的重要因素之一,并對(duì)人參產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。目前,闊葉混交林、針闊混交林和蒙古櫟純林是遼東山區(qū)廣泛分布的林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)林分類(lèi)型,選擇3種林分下立地特征相似、人參種植年限不同的樣地,測(cè)定土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)因子共25項(xiàng)指標(biāo),采用方差分析、主成分分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法構(gòu)建了林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集(MDS),并利用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)不同樣地土壤質(zhì)量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,研究區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集包括容重、pH、有機(jī)質(zhì)、速效K、全Zn、微生物量N、酸性磷酸酶和細(xì)菌共8項(xiàng)指標(biāo)。此外,土壤質(zhì)量值由高到低依次為針闊混交林對(duì)照樣地(0.764)>蒙古櫟純林對(duì)照樣地(0.745)>針闊混交林14a人參樣地(0.614)>蒙古櫟純林20a人參樣地(0.385)>闊葉混交林12a人參樣地(0.361)>闊葉混交林對(duì)照樣地(0.354)>闊葉混交林6a人參樣地(0.323)>闊葉混交林9a人參樣地(0.308)>闊葉混交林3a人參樣地(0.230),說(shuō)明林分類(lèi)型特征和人參種植年限對(duì)土壤質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不同程度影響。今后,在遼東山區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)發(fā)展過(guò)程中,可以該最小數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),充分考慮土壤質(zhì)量狀況,并適當(dāng)進(jìn)行管理,以保障人參健康生長(zhǎng),促進(jìn)人參產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)；土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)；最小數(shù)據(jù)集；模糊數(shù)學(xué)法；遼東山區(qū)

土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界范圍內(nèi),維持作物生產(chǎn)能力,保持環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[1]。土壤質(zhì)量是土壤多種功能的綜合體現(xiàn),對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),了解土壤的質(zhì)量狀況,可以為尋找土壤質(zhì)量的障礙因素提供依據(jù)[2- 4]。然而考慮到土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)目的和尺度的不同,以及土壤本身作為一種復(fù)雜的多功能實(shí)體,當(dāng)前對(duì)于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5- 6]。森林土壤質(zhì)量影響著林木和林下植物的健康狀態(tài),目前,對(duì)于森林土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)多集中在不同植被恢復(fù)類(lèi)型、不同林齡階段、低質(zhì)林改造等方面,而對(duì)林下作物種植的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究還比較少[7- 9]。此外,土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)包括了物理、化學(xué)和生物學(xué)方面,并且生物學(xué)指標(biāo)正愈來(lái)愈受到重視[10-14]?？紤]到土壤性質(zhì)的時(shí)空變異性、指標(biāo)獲取的成本以及指標(biāo)間的共線(xiàn)性等因素,最小數(shù)據(jù)集(MDS)作為能夠反映土壤質(zhì)量所需的最少指標(biāo)參數(shù)集合,在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中已被廣泛采用。

遼東山區(qū)是我國(guó)人參的主產(chǎn)區(qū)之一,在當(dāng)前林業(yè)制度改革和相關(guān)政策的實(shí)施背景下,林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)呈現(xiàn)出一種良好的發(fā)展前景。然而,土壤質(zhì)量問(wèn)題一直是制約人參產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。人參是一種多年生草本植物,在生長(zhǎng)過(guò)程中人參根須吸收養(yǎng)分的同時(shí),也不斷分泌物質(zhì),與土壤之間形成一種耦合作用,導(dǎo)致土壤質(zhì)量處在一種動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,而人參的生長(zhǎng)對(duì)于土壤質(zhì)量要求很高,當(dāng)條件不適時(shí),往往出現(xiàn)生理性或浸染性病害,從而嚴(yán)重影響林農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。近些年,相關(guān)學(xué)者圍繞人參連作障礙和病害等問(wèn)題對(duì)土壤養(yǎng)分、微量元素、土壤酶、以及土壤微生物指標(biāo)等方面進(jìn)行了研究[15-18],然而對(duì)于人參土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)依然欠缺。因此,本文以研究區(qū)廣泛分布的3種林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)林分類(lèi)型下不同年限人參樣地為研究對(duì)象,測(cè)定了25項(xiàng)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo),在此基礎(chǔ)上利用主成分分析法和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法構(gòu)建了林下參地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集,并采用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)林下參地土壤質(zhì)量進(jìn)行了定量評(píng)價(jià),以期為林下參地的選擇和改良提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于遼寧省東部桓仁滿(mǎn)族自治縣境內(nèi)(124°27′—125°40′E,40°54′—41°32′N(xiāo))。該地區(qū)為長(zhǎng)白山脈的西南延續(xù),溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸氣候,四季分明,年平均氣溫7.4 ℃,平均活動(dòng)積溫3184 ℃,年平均相對(duì)濕度66%,平均無(wú)霜期153 d左右,多年平均日照時(shí)數(shù)2538 h,多年平均降水量870 mm,森林土壤為暗棕壤類(lèi)型。

1.2 樣地選擇

2015年8—9月,在桓仁縣選擇闊葉混交林、針闊混交林和蒙古櫟林(Quercusmongolicaforest)3種廣泛分布的林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)林分類(lèi)型進(jìn)行樣地調(diào)查,記錄了不同林分類(lèi)型的立地特征概況(表1),并對(duì)群落內(nèi)喬木優(yōu)勢(shì)物種、胸徑、樹(shù)高,以及灌草本優(yōu)勢(shì)物種進(jìn)行了調(diào)查記錄。研究區(qū)采樣點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of study site in Huanren, eastern of Liaoning Province

表1 不同林分類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣地概況

闊葉混交林林齡在24 a左右,群落內(nèi)喬木優(yōu)勢(shì)樹(shù)種包括糠椴(Tiliamandschurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、遼東櫟(Quercuswutaishansea)、元寶槭(Acertruncatum)等,灌木優(yōu)勢(shì)物種包括胡枝子(Lespedezabicolor)、穿龍薯蕷(Discoreanipponica)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)等；草本優(yōu)勢(shì)物種包括人參(Panaxginseng)、茜草(Rubiacordifolia)、蛇含(Potentillakleiniana)、兩型豆(AmpHicarpaeatrisperma)、苦麥菜(Cichoriumendivia)等。

針闊混交林林齡在33 a左右,群落內(nèi)喬木優(yōu)勢(shì)物種包括長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)、遼東櫟、蒙古櫟(Quercusmongolica)、核桃楸、糠椴等,其中針闊比例在6∶4左右；灌木優(yōu)勢(shì)物種包括毛榛(Corylusmandshurica)、胡枝子等；草本優(yōu)勢(shì)物種包括人參、白屈菜(Chelidoniummajus)、蛇含、多齒蹄蓋蕨(Athyriummultidentatum)、苦麥菜等。

蒙古櫟林齡在40 a左右,群落內(nèi)喬木物種主要是蒙古櫟,間有元寶槭、白樺(BetulaplatypHylla)、白蠟(Fraxinuschinensis)；灌木優(yōu)勢(shì)物種包括毛榛、胡枝子、衛(wèi)矛；草本優(yōu)勢(shì)物種包括人參、蒼術(shù)(AtractylodesLancea)、和尚菜(Adenocaulonhimalaicum)、委陵菜(Potentillachinensis)等。

1.3 土壤樣品采集

通過(guò)對(duì)樣地實(shí)地考察,結(jié)合現(xiàn)有人參種植情況,分別采集闊葉混交林下3、6、9a和12a人參根圍土壤,針闊混交林下14a人參根圍土壤,蒙古櫟純林下20a人參根圍土壤,以及3種林分樣地未種植人參的對(duì)照土壤共9種類(lèi)型。土壤樣品于2015年9月初采集,采集過(guò)程如下：分別在不同林分不同參齡樣地中間隔一定距離,隨機(jī)選取3顆人參,在除去表層枯枝落葉后,采取邊抬參邊取土的方法,順著人參及其須根生長(zhǎng)方向收集周?chē)寥?采集鮮土按順序分類(lèi)編號(hào)后,一部分保存在-4℃便攜式冰箱中用于土壤微生物和土壤酶測(cè)定,一部分常溫保存用于土壤養(yǎng)分測(cè)定,并用100 cm3環(huán)刀采集土壤用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)。此外,分別在3種不同林分類(lèi)型下,隨機(jī)采集未有人參種植的3份土壤作為對(duì)照,土壤采集深度與人參根須土壤深度一致,編號(hào)后與人參土壤一起保存帶回實(shí)驗(yàn)室盡快進(jìn)行分析。

1.4 土壤樣品及數(shù)據(jù)分析

1.4.1 土壤樣品測(cè)定

本研究土壤樣品測(cè)定的指標(biāo)共25項(xiàng),其中物理指標(biāo)5項(xiàng)(容重、最大持水量、毛管持水量、總孔隙容積、含水量),化學(xué)指標(biāo)11項(xiàng)(pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、速效P、全K、速效K、全Mn、全Fe、全Zn、全Cu),生物學(xué)指標(biāo)9項(xiàng)(微生物量碳、微生物量氮、過(guò)氧化物酶、β- 1,4-葡萄糖苷酶、β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、酸性磷酸酶、細(xì)菌、真菌、放線(xiàn)菌)。

其中,土壤容重和總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤含水量、最大持水量、毛管持水量采用烘干法測(cè)定；pH值采用電位法測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；全N采用德國(guó)Elementar公司vario MACRO cube元素分析儀直接測(cè)定；速效P、K采用2%的(NH4)2CO3浸提后[19],應(yīng)用美國(guó)PerkinElmer公司ICP-OES測(cè)定；全P、全K,以及Mn、Fe、Zn、Cu采用鹽酸-高氯酸-氫氟酸消煮后,應(yīng)用美國(guó)PerkinElmer公司ICP-OES測(cè)定。土壤酶采用微孔板熒光法,使用多功能酶標(biāo)儀(SynergyH4,BioTek)測(cè)定[20]。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-浸提-TOC儀器測(cè)定法；微生物量氮采用氯仿熏蒸-浸提-茚三酮比色法測(cè)定[21]。土壤微生物采用磷脂脂肪酸分析法[22],其中,細(xì)菌以i15:0、a15:0、i16:0、i17:0、a17:0、16:1ω7c、16:1ω9c、17:1ω7c、18:1ω7c、cy17:0和cy19:0等11種脂肪酸表示,真菌以18:2ω6c、18:3ω6c、18:1ω9c和16:1ω5c表示,放線(xiàn)菌以10me16:0、10me17:0和10me18:0表示[23-25]。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析方法

(1)最小數(shù)據(jù)集的確定

針對(duì)當(dāng)前研究區(qū)內(nèi)人參廣泛種植在不同林分類(lèi)型下,本研究選擇3種典型林分類(lèi)型下人參樣地作為研究對(duì)象,旨在構(gòu)建更具普適性的林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集。因此,1首先考慮了不同林分類(lèi)型對(duì)土壤質(zhì)量的影響,其對(duì)各土壤因子的影響大小通過(guò)對(duì)不同林分類(lèi)型下土壤屬性的多變量方差分析確定,由此計(jì)算的可調(diào)整決定系數(shù)(R2)用來(lái)表示林分類(lèi)型對(duì)土壤因子屬性的影響大小[26]。2計(jì)算各土壤因子在所有特征值≥1的主成分(PC)上的載荷,據(jù)此將在旋轉(zhuǎn)矩陣中同一PC上載荷≥0.5的土壤指標(biāo)分為1組,若某土壤因子同時(shí)在兩個(gè)PC 上的載荷高于0.5,則該因子應(yīng)歸并到與其他因子相關(guān)性較低的那一組；同時(shí),在計(jì)算各土壤因子的主成分載荷過(guò)程中,考慮了土壤因子在所有主成分載荷上的綜合載荷Norm值,而不僅是在單個(gè)主成分上的載荷[27]。該Norm值越大表明其解釋總體土壤質(zhì)量信息的能力越強(qiáng),計(jì)算公式如下(式1)。3對(duì)各組各土壤因子的兩項(xiàng)得分進(jìn)行線(xiàn)性轉(zhuǎn)化,得到最終分值。選擇各組分值最高指標(biāo),以及最高分值5%范圍內(nèi)的指標(biāo)[28],作為候選指標(biāo)數(shù)據(jù)集。4進(jìn)一步分析候選指標(biāo)間的相關(guān)性,同時(shí)結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法確定最終的MDS。

(1)

式中,Nik為第i個(gè)變量在特征值≥1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷；uik為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的載荷,λk為第k個(gè)主成分的特征值。

(2)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)

在模糊綜合評(píng)價(jià)中,隸屬度值由評(píng)價(jià)指標(biāo)所屬的隸屬度函數(shù)決定,一般分為升型和降型函數(shù):

(2)

(3)

根據(jù)最小數(shù)據(jù)集中不同土壤因子對(duì)于人參土壤質(zhì)量的正負(fù)效應(yīng)選擇相應(yīng)隸屬度函數(shù),確定其隸屬度值。各土壤因子在所有樣地中所測(cè)定的最小值和最大值分別記作Xmin和Xmax。

土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算：

(4)

式中,Wi為土壤因子權(quán)重,F(Xi)為土壤因子隸屬度,n為土壤因子個(gè)數(shù)。其中,土壤因子權(quán)重以某因子與其他因子之間相關(guān)系數(shù)的平均值占所有土壤評(píng)價(jià)因子相關(guān)系數(shù)平均值總和的比來(lái)表示[27]。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0、Excel和Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。采用多元方差分析,運(yùn)用LSD方法對(duì)不同林分類(lèi)型土壤因子間差異進(jìn)行分析；采用主成分分析確定土壤質(zhì)量因子候選指標(biāo)集；采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析候選指標(biāo)集中土壤因子間的相關(guān)性；采用單因素多重比較分析,運(yùn)用Turkey方法對(duì)最小數(shù)據(jù)集在不同林分類(lèi)型樣地中的差異性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類(lèi)型對(duì)土壤性質(zhì)的影響顯著性分析

通過(guò)多元方差分析對(duì)闊葉混交林、針闊混交林和蒙古櫟純林3種林分下未種植人參土壤的25項(xiàng)土壤因子進(jìn)行分析,結(jié)果如表2所示。從中可以看出,除全Fe、全Zn以外,其它土壤因子在不同林分類(lèi)型下均具有極顯著差異,說(shuō)明林分類(lèi)型對(duì)土壤性質(zhì)具有明顯影響。因此,在構(gòu)建林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS的過(guò)程中,應(yīng)考慮林分類(lèi)型對(duì)土壤因子的影響程度。

表2 不同林分類(lèi)型土壤因子差異顯著性分析

BM:闊葉混交林Broad-leaved mixed forest；CB:針闊混交林 Coniferous-broadleaved mixed forest；QM:蒙古櫟純林Quercusmongolicaforest；BD:容重 Bluk density；MMC:最大持水量 Maximum moisture capacity；CMC:毛管持水量 Capillary moisture capacity；BP:總孔隙度 Bulk porosity；SMC:土壤含水量 Soil moisture content；OM:有機(jī)質(zhì) Organic matter；TN:全氮 Total N；TP:全磷 Total P；AvP:速效磷 Available P；TK:全鉀 Total K；AvK:速效鉀 Available K；T Mn:全錳 Total Mn；T Fe:全鐵 Total Fe；T Zn:全鋅 Total Zn；T Cu:全銅 Total Cu；MBC:微生物量碳 Microbial biomass carbon；MBN:微生物量氮 Microbial biomass nitrogen；POD:過(guò)氧化物酶 Peroxidase；βG: β- 1,4-葡萄糖苷酶β- 1,4-glucosidase；NAG: β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶β- 1,4-N-acetylglucosaminidase；AP:酸性磷酸酶 acid phosphatase；B:細(xì)菌 Bacteria；F:真菌 Fungi；A:放線(xiàn)菌 Actinomycetes;P<0.05表示不同林分間差異顯著,P<0.01表示不同林分間差異極顯著

2.2 林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

2.2.1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子主成分分析

采用主成分分析對(duì)25項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行因子分析,特征值大于1的主成分(PC)共有4個(gè),累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.741%(表3),說(shuō)明這4個(gè)PC基本上可以反映林下參土壤質(zhì)量差異的主要影響因素。計(jì)算各土壤因子在各個(gè)PC上的成分因子載荷大小,并按照前述方法進(jìn)行分組,第1 PC方差貢獻(xiàn)率達(dá)到65.78%,由16項(xiàng)土壤因子構(gòu)成,大致反映了土壤物理、化學(xué)和生化特征；第2 PC由6項(xiàng)土壤因子構(gòu)成,主要反映了土壤生化特征和化學(xué)特征；第3 PC由全Zn土壤因子構(gòu)成,主要反映土壤化學(xué)特征；第4 PC由pH和速效K 2項(xiàng)土壤因子構(gòu)成,主要反映土壤化學(xué)特征。

表3 主成分旋轉(zhuǎn)載荷矩陣及各因子得分計(jì)算結(jié)果

在此基礎(chǔ)上,按照前述方法計(jì)算各土壤因子的Norm值、可調(diào)整R2,以及兩者線(xiàn)性化值之和,選擇各組最高得分值,以及最高值5%內(nèi)的土壤因子,得到候選MDS。最終,該候選MDS包括容重、最大持水量、毛管持水量、有機(jī)質(zhì)、全N、全K、微生物量C、微生物量N、βG、AP、細(xì)菌、Zn、pH和速效K共14項(xiàng)土壤因子,可以基本反映最初25項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的土壤質(zhì)量信息。

2.2.2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集的確定

對(duì)14項(xiàng)候選土壤因子進(jìn)一步相關(guān)分析表明,不同土壤因子間存在顯著的相關(guān)性。根據(jù)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子相對(duì)獨(dú)立性原則,依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法對(duì)上述14項(xiàng)土壤因子進(jìn)行優(yōu)化。第一組包括8項(xiàng)土壤因子,各因子間顯著相關(guān)。在土壤物理指標(biāo)方面,相對(duì)于最大持水量、毛管持水量,容重可以綜合性地反映土壤的結(jié)構(gòu)、透氣、透水性,以及保水能力的高低,因此,選擇容重進(jìn)入MDS；在土壤化學(xué)指標(biāo)方面,相對(duì)于全N、全K,一方面有機(jī)質(zhì)與土壤容重相關(guān)性略低,另一方面,有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤水分、通氣性、抗蝕力、養(yǎng)分有效性以及微生物活性都具有明顯影響,可以更綜合地反映土壤肥力狀況,因此,選擇有機(jī)質(zhì)進(jìn)入MDS；同時(shí),考慮到微生物量C與已選入MDS的有機(jī)質(zhì)具有更高相關(guān)性,故將微生物量N納入MDS；第二組包括3項(xiàng)土壤因子,其中,酸性磷酸酶(AP)能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)的脫磷速度,提高磷的有效態(tài)含量,一般與速效P顯著相關(guān),而β-葡萄糖苷酶(βG)促進(jìn)纖維素分解,有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化,一般與有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān),二者極顯著相關(guān),因此,選擇AP表征土壤酶活性,舍去第一組中βG。在微生物方面,細(xì)菌得分值最高,其在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有重要作用,同時(shí)與真菌、放線(xiàn)菌也具有顯著相關(guān)性,因此,將其選入MDS；第三組包括2項(xiàng)土壤因子,pH隨著人參種植年限的增加呈現(xiàn)出酸化的趨勢(shì),并會(huì)影響土壤生物活性,降低養(yǎng)分有效性,對(duì)于人參的生長(zhǎng)具有重要影響,故應(yīng)選入MDS；速效K與其它候選土壤因子間相關(guān)性較低,相對(duì)獨(dú)立,故應(yīng)選入MDS；第四組僅有土壤因子全Zn,其與其它土壤因子相關(guān)性較低,并可以有效表征土壤微量元素的差異和變化趨勢(shì),應(yīng)選入MDS。綜上所述,最終確定林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS由容重、pH、有機(jī)質(zhì)、速效K、MBN、AP、細(xì)菌和全Zn 8項(xiàng)土壤因子組成。

2.3 林下參土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 不同樣地人參土壤最小數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)特征

基于上述分析確定的MDS,分別對(duì)3種林分類(lèi)型下不同年限人參土壤的8項(xiàng)土壤因子進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果如圖2所示。

就容重而言,BM對(duì)照樣地容重最高為1.30 g/cm3,高于CB和QM對(duì)照樣地,并且3種林分下人參種植年限對(duì)土壤容重并無(wú)顯著影響。

就pH而言,BM對(duì)照樣地pH最高為6.49,3—12a人參土壤pH呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì),其中3a人參土壤5.65顯著低于對(duì)照樣地；CB和QM下14a和20a人參土壤均顯著低于對(duì)照樣地。

就有機(jī)質(zhì)而言,BM對(duì)照樣地為66.85 g/kg,3a人參土壤開(kāi)始顯著降低,6、9、12a人參土壤的有機(jī)質(zhì)含量保持平穩(wěn)波動(dòng),四者均顯著低于對(duì)照樣地；CB和QM下14a和20a人參土壤均顯著低于對(duì)照樣地。

就速效K而言,BM對(duì)照樣地為250.87 mg/kg,3a人參顯著減少到140.37 mg/kg,此后6、9、12a人參土壤速效K含量保持平穩(wěn)緩慢上升,但均明顯低于對(duì)照樣地；CB和QM下14a和20a人參土壤均顯著低于對(duì)照樣地。

就全Zn而言,BM對(duì)照樣地為71.27 mg/kg,3—12a人參土壤呈現(xiàn)出“M”型波動(dòng)趨勢(shì),并與對(duì)照樣地?zé)o顯著差異；CB對(duì)照樣地為79.77 mg/kg,略高于14a人參土壤；QM對(duì)照樣地為71.23 mg/kg,顯著高于20a人參土壤。

就MBN而言,BM對(duì)照樣地為63.90 mg/kg,此后3—12a人參土壤呈現(xiàn)出“W”型趨勢(shì),6a人參土壤MBN含量最高,顯著高于其它四者；3a人參土壤MBN含量最低,顯著低于6a和12a人參土壤含量；CB和QM對(duì)照樣地分別為219.55 mg/kg和156.29 mg/kg,均顯著高于相同林分下14a和20a人參土壤。

就AP而言,BM對(duì)照樣地為529.02 nmol g-1h-1,3a人參土壤活性降低到276.73 nmol g-1h-1,6a人參土壤活性又上升到491.71 nmol g-1h-1,此后,9、12a人參土壤活性平穩(wěn)波動(dòng)；CB和QM對(duì)照樣地分別為1603.87 nmol g-1h-1和1858.89 nmol g-1h-1,均顯著高于相同林分下14a和20a人參土壤。

就細(xì)菌而言,BM對(duì)照樣地為25.27 nmol/g,3a人參土壤有所下降到17.91 nmol/g,此后細(xì)菌含量平穩(wěn)上升,但與對(duì)照樣地相比差異并不顯著；CB對(duì)照樣地為60.05 nmol/g,低于14a人參土壤；而QM對(duì)照樣地為98.06 nmol/g,顯著高于20a人參土壤。

圖2 3種林分不同年限人參土壤最小數(shù)據(jù)集的單因素方差分析Fig.2 One-way ANOVA of MDS among three kinds of forest types with different ginseng cultivation years不同小寫(xiě)字母表示同種林分類(lèi)型下不同人參年限間差異顯著(P<0.05)

2.3.2 不同樣地人參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖3 不同樣地土壤質(zhì)量Fig.3 Soil quality relative to different plots BMCK、BM3、BM6、BM9、BM12:分別表示闊葉混交林下未種植人參對(duì)照樣地土壤，以及3年、6 年、9 年和12 年人參根圍土壤；CBCK、CB14:分別表示針闊混交林下未種植人參對(duì)照樣地土壤和14年人參根圍土壤；QMCK、QM20:分別表示蒙古櫟純林下未種植人參對(duì)照樣地土壤和20年人參根圍土壤

通過(guò)對(duì)研究區(qū)9種樣地MDS中土壤因子進(jìn)行測(cè)定,并結(jié)合人參種植土壤的適宜性確定各土壤因子的隸屬度函數(shù)。其中,土壤容重屬于降型隸屬度函數(shù),pH、有機(jī)質(zhì)、速效K、MBN、AP、細(xì)菌、全Zn屬于升型隸屬度函數(shù)。此外,按前述方法計(jì)算各土壤因子權(quán)重,并結(jié)合表5及式(2)—式(4),最終得到研究區(qū)不同樣地土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果(圖3)。

從3種不同林分對(duì)照樣地來(lái)看,針闊混交林土壤質(zhì)量最高,為0.764；蒙古櫟純林略低,為0.745；二者明顯高于闊葉混交林土壤質(zhì)量的0.354。從不同人參年限來(lái)看,闊葉混交林下土壤質(zhì)量變化并不明顯,其中3a人參土壤質(zhì)量明顯降低,為0.354；6、9a和12a人參土壤質(zhì)量有所上升,并表現(xiàn)出平穩(wěn)波動(dòng)的態(tài)勢(shì),與對(duì)照樣地并無(wú)明顯變化。針闊混交林下14a人參土壤質(zhì)量為0.614,相對(duì)于對(duì)照樣地降低了19.63%。蒙古櫟純林下20a人參土壤質(zhì)量為0.385,相對(duì)于對(duì)照樣地降低了48.32%,變化明顯。

3 討論

本研究利用多元方差分析、主成分分析和相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法定量分析了不同林分類(lèi)型和人參種植年限對(duì)土壤因子的影響程度,并依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組確定了最終的林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS。在利用主成分分析確定候選MDS過(guò)程中,本研究并不是考慮土壤因子在單個(gè)主成分的載荷,而是綜合考慮了土壤因子在所有主成分上的綜合載荷Norm值,以及不同林分類(lèi)型對(duì)土壤因子的影響程度可調(diào)整R2,因而更具普遍性。然而,由于土壤空間變異性、林分類(lèi)型特征等多種因素的影響,土壤質(zhì)量因子往往表現(xiàn)出不同的結(jié)果,以及考慮到林下參生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)、價(jià)值較高,本研究在樣地選擇和數(shù)量上無(wú)法做到控制實(shí)驗(yàn),但鑒于目前林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)比較缺乏,本研究最終確定的林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS對(duì)于今后的研究和實(shí)踐依然具有重要參考意義。

目前,對(duì)于林下參土壤質(zhì)量的適宜性及其變化依然缺乏系統(tǒng)的研究。本研究在確定林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS中各土壤因子的隸屬度函數(shù)時(shí),僅根據(jù)研究區(qū)所測(cè)定的各指標(biāo)研究結(jié)果,結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法,以各測(cè)定值沒(méi)有對(duì)人參生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯限制為前提,計(jì)算了各土壤因子的隸屬度值。而在實(shí)際過(guò)程中,當(dāng)某些土壤因子達(dá)到人參生長(zhǎng)的限制閾值時(shí),可能會(huì)嚴(yán)重影響到人參的生長(zhǎng),從而導(dǎo)致人參無(wú)法健康生長(zhǎng)。因此,本研究確定的MDS中各土壤因子的隸屬度函數(shù)應(yīng)用到其它樣地時(shí),依然需要慎重考慮。

本研究中,從不同人參年限土壤因子的變化趨勢(shì)來(lái)看,隨著人參的種植, pH逐漸降低,土壤呈現(xiàn)出酸化的趨勢(shì)；有機(jī)質(zhì)、速效鉀、Zn等養(yǎng)分含量以及微生物量氮、酸性磷酸酶等活性在前期有所波動(dòng),一定年限后開(kāi)始顯著降低；而細(xì)菌含量在前期有持續(xù)增加的趨勢(shì),一定年限后開(kāi)始顯著降低,這可能與人參自身生長(zhǎng)以及土壤理化性質(zhì)明顯降低直接相關(guān)。綜合來(lái)看,當(dāng)人參生長(zhǎng)到15a以后,土壤因子大多明顯降低,這必然會(huì)影響到此后人參的種植,從而可能出現(xiàn)連作障礙。在此基礎(chǔ)上,本研究對(duì)3種林分不同人參年限的9種樣地土壤質(zhì)量值進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。其中,針闊混交林和蒙古櫟純林對(duì)照樣地土壤質(zhì)量值明顯高于闊葉混交林對(duì)照樣地,考慮到樣地的立地特征比較接近,可能由于33a針闊混交林和40a蒙古櫟純林在養(yǎng)分累計(jì)效應(yīng)和微生物活性方面要明顯高于24a闊葉混交林,以及闊葉混交林樣地土壤容重過(guò)高,物理結(jié)構(gòu)較差所引起的。另外,闊葉混交林下土壤質(zhì)量值隨人參種植年限變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),其中3a人參土壤質(zhì)量值下降比較明顯,這一方面可能說(shuō)明闊葉混交林樣地本身土壤質(zhì)量較低,對(duì)于人參生長(zhǎng)已具有一定的限制；另一方面說(shuō)明人參生長(zhǎng)過(guò)程中,不同年限人參土壤因子存在波動(dòng)性,特別是微生物活性,從而對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。而在針闊混交林和蒙古櫟純林下,14a和20a人參土壤質(zhì)量值明顯下降,這說(shuō)明隨著人參種植年限的增加,土壤質(zhì)量呈現(xiàn)出普遍下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)3種林分不同人參年限土壤的初始25項(xiàng)土壤因子進(jìn)行分析,最終獲得研究區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS。該MDS共包括了8項(xiàng)土壤因子,其中,物理因子包括容重,可用來(lái)表征土壤的結(jié)構(gòu)、透氣、透水性等方面；化學(xué)因子包括pH、有機(jī)質(zhì)、速效K、全Zn,可用來(lái)表征土壤的酸堿度、養(yǎng)分含量和微量元素的狀態(tài)；生物學(xué)因子包括MBN、AP、細(xì)菌,可用來(lái)表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率、酶活性以及微生物活性等方面。通過(guò)優(yōu)化篩選出的MDS可用于研究區(qū)林下參土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),并對(duì)其它地區(qū)林下參樣地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要參考價(jià)值。

基于模糊數(shù)學(xué)法定量計(jì)算了研究區(qū)9種樣地的土壤質(zhì)量值,其中,CBCK(0.764)>QMCK(0.745)>CB14(0.614)>QMCK(0.385)>BM12(0.361)>BMCK(0.354)>BM6(0.323)>BM9(0.308)>BM3(0.230),該評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)地觀(guān)測(cè)基本一致。

林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)作為遼東地區(qū)典型的林下經(jīng)營(yíng)模式,具有廣闊的前景。今后,在林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)發(fā)展過(guò)程中,應(yīng)積極建立產(chǎn)學(xué)研基地,加強(qiáng)林下參土壤質(zhì)量的持續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),加大分子生物學(xué)在解決人參連作障礙和病害方面的研究力度,同時(shí)注重科學(xué)發(fā)展、正確引導(dǎo)林農(nóng)進(jìn)行參地選擇和管理,提高林農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入,促進(jìn)人參產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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Soil quality assessment of a forest-ginseng agroforestry system in the mountainous region of eastern Liaoning Province, Northeast China

LIU Weiwei1,2, LIU Moucheng1,*, LI Wenhua1, ZHENG Ying3, WANG Yuechan3

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3LiaoningAcademyofForestry,Shenyang110032,China

A forest-ginseng agroforestry system produces significant economic benefits. However, the successful growth of ginseng requires particular environmental conditions, with soil quality being one of the most important factors restricting the growth of this plant. Therefore, understanding the optimal soil conditions for ginseng is essential to the healthy development of the ginseng industry. Currently, broad-leaved mixed forest (BM), conifer and broad-leaved mixed forest (CB), andQuercusmongolicaforest (QM) are widely distributed forest-ginseng agroforestry stand types. In this study, we selected nine samples from three stand types in eastern Liaoning Province, China, that had similar stand characteristics but different ginseng cultivation years. Twenty-five soil quality factors were measured, including physical, chemical, and biological indicators. We then established the minimum data set (MDS) of forest-ginseng agroforestry soil assessment using analysis of variance, principal component analysis, correlation analysis, and expert experience method, and we used the fuzzy mathematics method to quantitatively evaluate soil quality. The results showed that (1) the optimal MDS to assess soil quality in the forest-ginseng agroforestry of this region is composed of eight indices: bulk density, pH, organic matter, available K, total Zn, microbial biomass N, acid phosphatase, and bacteria. (2) Soil quality value decreased in the following order: non-cultivated ginseng control sample in CB (0.764) > non-cultivated ginseng control sample in QM (0.745) > 14-year-old ginseng sample in CB (0.614) > 20-year-old ginseng sample in QM (0.385) > 12-year-old ginseng sample in BM (0.361) > non-cultivated ginseng control sample in BM (0.354) > 6-year-old ginseng sample in BM (0.323) > 9-year-old ginseng sample in BM (0.308) > 3-year-old ginseng sample in BM (0.230). These results suggest that forest stand type and ginseng cultivation years had different influences on soil quality. In future efforts to develop forest-ginseng agroforestry in this region, full consideration must be given to soil quality based on the soil quality MDS, and appropriate management measures need to be implemented. This study provides insights for ginseng cultivation and the sustainable development of the ginseng industry.

forest-ginseng agroforestry; soil quality assessment; minimum data set; fuzzy mathematics method; eastern Liaoning Province

林業(yè)軟科學(xué)研究(2014-R05)；中國(guó)工程院咨詢(xún)項(xiàng)目(2013-XZ- 22)；黔科合院士站(2014)4006

2016- 01- 23; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201601230160

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liumc@igsnrr.ac.cn

劉偉瑋,劉某承,李文華,鄭穎,王月嬋.遼東山區(qū)林參復(fù)合經(jīng)營(yíng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2631- 2641.

Liu W W, Liu M C, Li W H, Zheng Y, Wang Y C.Soil quality assessment of a forest-ginseng agroforestry system in the mountainous region of eastern Liaoning Province, Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2631- 2641.