貴州喀斯特山區(qū)花椒林小生境的土壤質(zhì)量特征

喻陽華，秦仕憶，鐘欣平

(1.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;2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽 550025)

【研究意義】以貴州為中心的西南喀斯特地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低［1］，復(fù)雜巖石組合的微地形構(gòu)成了多種小生境［2］，形成了喀斯特生境的高度異質(zhì)性［3］。土壤養(yǎng)分含量是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng)來源［4－5］，土壤養(yǎng)分水平與植株生長狀況密切相關(guān)。研究區(qū)已經(jīng)有近40年的花椒(Zanthoxylum bungeamun)大規(guī)模栽培歷史，面臨土壤退化、產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低等一系列問題，亟需采取多種措施對(duì)花椒人工林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)控?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】已有研究表明，不同小生境表層土壤質(zhì)量表現(xiàn)出較大差異，以石溝和石坑小生境較高，石槽和石洞則較低，石坑和石溝成為喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重點(diǎn)開發(fā)和利用的對(duì)象［6－7］;喀斯特山區(qū)規(guī)?；N植花椒后，應(yīng)當(dāng)注重長期維護(hù)管理［8］，防止土壤質(zhì)量退化。土壤C、N、P等大量元素在土壤結(jié)構(gòu)維持和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，是植物生長所需要的基本元素，一些學(xué)者圍繞大量元素對(duì)土壤質(zhì)量特征的影響進(jìn)行研究［9－10］，取得了豐富的研究成果。Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl等礦質(zhì)元素亦同樣對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要影響，是植物生長必需的營養(yǎng)元素［11］，在維持土壤質(zhì)量和提高作物品質(zhì)方面具有顯著作用;礦質(zhì)元素在植物生理生化及生長發(fā)育過程中具有重要的作用，如調(diào)節(jié)其花芽分化，元素缺乏或積累過多均會(huì)導(dǎo)致植物提早衰退，開花頻繁［12］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】將更多礦質(zhì)元素引入到土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中，是對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)估的重要補(bǔ)充。土壤養(yǎng)分在空間上呈不同的分布格局［13］，其分布狀況直接影響植物的生長發(fā)育，因而掌握養(yǎng)分隨空間的變化特征有助于實(shí)現(xiàn)快速培肥和提升土壤質(zhì)量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，選擇貴州喀斯特山區(qū)花椒林內(nèi)石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小生境為研究對(duì)象，探討不同小生境土壤性質(zhì)的空間變化特征，弄清其土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，為花椒種植的合理布局提供科學(xué)依據(jù)，以促進(jìn)喀斯特地區(qū)石漠化的生態(tài)恢復(fù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貞豐縣北盤江鎮(zhèn)查耳巖村(東經(jīng)105°38'48.48″，北緯 25°39'35.64″)，生境具有以下3個(gè)方面的明顯獨(dú)特性:①干熱氣候。年均降雨量1100 mm，季節(jié)分配極不均勻，冬春旱及伏旱嚴(yán)重;氣候類型主要為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，熱量資源豐富，年均溫為18.4℃，年均極端最高溫為32.4℃，年均極端最低溫為6.6℃，年總積溫達(dá)6542.9℃，冬春溫暖干旱、夏秋濕熱。②河谷地形。區(qū)域內(nèi)河谷深切，地下水深埋，海拔370～1473 m，垂直高差約1100 m，具有典型的河谷氣候特征。③石漠化發(fā)育。屬珠江上游北盤江流域，基巖裸露率達(dá)50%～80%，碳酸鹽巖類巖石占78.45%，土壤以石灰?guī)r、泥灰?guī)r為成土母質(zhì)的石灰土為主，地表破碎，發(fā)育有完整的石縫、石坑、石溝、土面和石槽等小生境類型，多處于中度、重度石漠化等級(jí)。

1.2 材料

土壤樣品:每個(gè)小生境類型均采集5～7個(gè)土壤樣品組成1個(gè)混合樣品，每個(gè)類型設(shè)3個(gè)平行，共計(jì)15個(gè)混合樣品，采樣地點(diǎn)位于貞豐縣北盤江鎮(zhèn)查耳巖村查耳巖組的不同小生境類型，均為0～20 cm的表層土壤。

1.3 土壤樣品采集與預(yù)處理方法

設(shè)置環(huán)境條件較為一致的3塊花椒林地作為典型樣地，每塊樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m的樣方1個(gè)，依據(jù)巖體、植被、凋落物、土壤分布和土體等劃分小生境類型，具體參照劉方等［2］的方法，選取花椒林地中的石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小生境為研究對(duì)象，每個(gè)類型設(shè)置3個(gè)平行。其中，土面是出露的巖石中間多邊狀分布的土壤，石縫是出露的巖石裂隙或巖溶裂隙，石溝是出露的巖石溶蝕溝或侵蝕溝，石洞是出露的巖層或巖石水平突出構(gòu)成的半開放洞穴，石槽是出露的巖石溶蝕或侵蝕的半開放凹槽，石坑是出露的巖石溶蝕凹地。由于小生境空間分布的規(guī)律性較弱，采取隨機(jī)取樣法采集0～20 cm的土壤，將采集的15個(gè)混合樣品帶回實(shí)驗(yàn)室［7］;剔除土樣中可見的動(dòng)物殘?bào)w、植物殘根和凋落物，置于通風(fēng)干燥處，避免陽光直射，自然風(fēng)干后研磨至95%以上土壤樣品通過2和0.15 mm篩，裝入玻璃瓶備用。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

研究以土壤pH、SOC、TN、AN等28項(xiàng)因子作為小生境土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)。pH采用土水比1∶2.5(質(zhì)量比)提取，電位電極法測(cè)定。大量元素采用《土壤農(nóng)化分析》［14］中的分析方法測(cè)定。其中，有機(jī)碳(Soil organic carbon，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(A-vailable phosphorus，AP)采用氟化銨－鹽酸浸提－鉬銻抗比色－紫外分光光度法。硼(B)、砷(As)、硒(Se)按照《區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范》(DZ/T0167-2006)進(jìn)行測(cè)定，二氧化硅(SiO2)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈉(Na2O)、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鍶(Sr)、鉬(Mo)、氯(Cl)、總硫(TS)依據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)進(jìn)行測(cè)定。

由于這些評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不一致，在數(shù)值上存在較大差異，研究前對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。通過主成分分析，得到主成分公因子方差、載荷矩陣和貢獻(xiàn)率;主成分特征向量為對(duì)應(yīng)的載荷矩陣值除以該成分特征值的平方根［15］。將主成分特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的乘積得到各小生境主成分得分。采用加權(quán)法計(jì)算土壤質(zhì)量綜合值(IFI)，其表達(dá)式為［16］:

表1 不同小生境土壤各種氧化物質(zhì)的組成情況Table 1 Chemical composition of soils in different micro-habitats (%)

式中，Wi為各主成分的貢獻(xiàn)率，F(xiàn)i為各小生境主成分的得分。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行計(jì)算與整理，使用Origin 8.6作圖，使用SPSS21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;采用單因素方差分析(One-way ANOVA)方法，置信度為95%，檢驗(yàn)土壤參數(shù)在不同小生境類型之間的差異性;運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)各土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性;運(yùn)用主成分分析法提取可以反映原來多個(gè)指標(biāo)的綜合性指標(biāo)，進(jìn)行土壤質(zhì)量特征評(píng)價(jià)。顯著性水平均設(shè)定為P＜0.05，極顯著性水平均設(shè)定為 P ＜0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小生境土壤各種氧化物質(zhì)、pH及養(yǎng)分的含量

2.1.1 氧化物質(zhì)的組成 從表1可見，不同小生境的 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 和 Na2O 含量的差異較小，除CaO在5種小生境類型之間的波動(dòng)范圍大于100%外，其余指標(biāo)的變幅多在10%以內(nèi)，原因可能與母質(zhì)類型和成土作用相似有關(guān)。

2.1.2 pH 土壤pH可影響土壤微生物活動(dòng)、礦質(zhì)元素的有效狀態(tài)和有機(jī)質(zhì)的礦化等。從圖1可知，小生境pH以土面最低，為7.86，與其余4種小生境類型的土壤pH差異顯著;石坑小生境土壤pH為7.95，與石溝小生境土壤差異不顯著，與石縫、石槽小生境土壤差異顯著;石縫、石槽、石溝小生境土壤pH 分別為 8.06、8.05 和 7.99，3 者之間差異不顯著。

圖1 不同小生境土壤pH及C/N/P元素的含量Fig.1 pH value and C，N，P content in soil of different micro-habitats

圖2 不同小生境土壤Mn/Cu/Zn/Pb/Cr/Cd的含量Fig.2 Contents of Mn，Cu，Zn，Pb，Cr，Cd content in soil of different micro-habitats

2.1.3 C/N/P元素 從圖1還看出，SOC含量為土面(50.03 g/kg) ＞石槽(48.14 g/kg) ＞石縫(42.68 g/kg) ＞石坑(38.16 g/kg) ＞石溝(26.62 g/kg);TN的變化規(guī)律與SOC一致，含量分別為8.78 g/kg、7.24 g/kg、7.17 g/kg、5.92 g/kg、5.06 g/kg;AN含量則為石縫＞石槽，其余小生境的變化規(guī)律也較為一致;TP含量為土面(1.68 g/kg)＞石槽(1.43 g/kg) ＞石溝(1.22 g/kg)=石縫(1.22 g/kg)＞石坑(1.14 g/kg)，AP 含量為土面(0.04 g/kg)＞石槽(0.16 g/kg)＞石縫=石溝=石坑(0.01 g/kg)?？傮w上看，土面、石槽的養(yǎng)分含量較高，石坑、石溝的養(yǎng)分含量較低。

圖3 不同小生境土壤Ti/Ni/Co/Sr/Mo的含量Fig.3 Contents of Ti，Ni，Co，Sr，Mo in soil of different micro-habitats

圖4 不同小生境土壤Cl/TS/As/Se/B的含量Fig.4 Contents of Cl，TS，As，Se，B content in soil of different micro-habitats

2.1.4 中/微量元素 ①M(fèi)n/Cu/Zn/Pb/Cr/Cd。Mn的含量為2911～3306 mg/kg，以土面、石縫較高，石坑、石溝的含量較低;Cu的含量為28.22～32.86 mg/kg，不同小生境之間的差異較小;Zn的含量為217.89 ～226.25 mg/kg，以石溝最低、石縫最高;Pb 的含量為57.23 ～81.08 mg/kg，以石溝最低、土面最高;Cr的含量為 178.97 ～190.97 mg/kg，不同生境之間變幅不大;Cd的含量為1.84～3.11 mg/kg，石槽、石坑較低，石溝最高。②Ti/Ni/Co/Sr/Mo。由圖3所示，5種小生境Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較小，為0.73% ～0.74%。Ni的含量差異也不大，以土面最低，為 80.74 mg/kg;石溝最高，為 87.80 mg/kg。Co的含量為 27.06 ～29.36 mg/kg，變異性較小;Sr的含量為 42.32 ～49.08 mg/kg，石縫、石坑較低，石槽、土面較高;Mo的含量為4.28～4.99 mg/kg，不同小生境之間變化不大，較為穩(wěn)定。③Cl/TS/As/Se/B。Cl的含量為0.006% ～0.007%，不同小生境之間的差異較小;TS的含量為石槽(0.08%)＞石溝(0.07%)＞石縫(0.06%)=土面 ＞石坑(0.02%);As的含量為44.50 ～50.24 mg/kg，石坑最高、土面最低;Se的含量為0.82 ～9.97 mg/kg，石坑最低、土面最高，不同小生境之間波動(dòng)較大;B的含量為 80.93 ～108.36 mg/kg，土面最低，石縫較高(圖4)。

2.2 土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性

由表2可見，與Fe2O3、CaO和MgO等呈顯著相關(guān)的元素較多，而與 Ti、Ni、Mn、As、Se 等元素呈顯著相關(guān)的因子相對(duì)較少。土壤SOC、AN、AP與中量、微量礦質(zhì)元素之間的相關(guān)性較高，說明相互間存在此消彼長的關(guān)系。

表2 土壤礦質(zhì)元素之間的相關(guān)性Table 2 Correlation among different soil mineral elements

表3 主成分分析的特征根及其貢獻(xiàn)率Table 3 Eigen value and contribution rate in principal components analysis

2.3 不同小生境土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)

依據(jù)特征值＞1、累積貢獻(xiàn)率＞80%的原則提取4 個(gè)主成分，初始特征值分別為 15.86、5.10、4.38和2.67，貢獻(xiàn)率分別為 56.63%、18.20%、15.63%和9.54%，累積貢獻(xiàn)率為100%，前4個(gè)主成分包含了全部評(píng)價(jià)因子的所有信息(表3)。

由表4看出，第1主成分與 CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、TN、AN、TP、Pb 等顯著正或負(fù)相關(guān)，載荷系數(shù)較大，第2主成分與SiO2、Cl、pH的負(fù)載較大(均為正相關(guān))，第3主成分主要包含了Ti、Cr等的信息，第4主成分主要受Cd支配。表明大量元素和其他礦質(zhì)元素均對(duì)土壤質(zhì)量狀況產(chǎn)生較大的影響。

經(jīng)過因子分析，各小生境的主成分因子得分(Fi)和方差貢獻(xiàn)率(Wi)加權(quán)得到土壤質(zhì)量綜合指數(shù)函數(shù)。不同小生境的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值存在差異(表5)，由高到低依次為土面(0.73)、石槽(0.49)、石縫( －0.01)、石坑( －0.46)和石溝( －0.75)。可見，與土壤養(yǎng)分變化規(guī)律一致，土面、石槽的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值較高。

3 討論

3.1 不同小生境土壤質(zhì)量診斷及其利用策略

喀斯特高原山地區(qū)花椒林不同小生境的土壤質(zhì)量差異明顯，由高到低依次為土面、石槽、石縫、石坑和石溝。由于喀斯特地貌基巖出露面積較大，且起伏多變，微地貌十分復(fù)雜，石面、石臺(tái)、土面、石溝、石槽和石洞等小生境類型及其組合構(gòu)成了喀斯特生境的多樣性［17］，對(duì)其小生境進(jìn)行合理、有效利用成為石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的重要內(nèi)容，而質(zhì)量診斷是進(jìn)行小生境合理利用的基礎(chǔ)，為恢復(fù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，分析微小尺度的生境特征能夠?yàn)榇蟪叨壬系馁Y源利用狀況評(píng)價(jià)奠定理論基礎(chǔ)，也有利于全面了解喀斯特地區(qū)耕地資源的利用格局［18］。

土面的單位面積相對(duì)較大，土層較厚，人為活動(dòng)影響頻繁，是耕作的主要載體和山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)使用對(duì)象，養(yǎng)分表現(xiàn)出較高含量水平，土壤質(zhì)量較好，可供改造的潛力大，建議以經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高和有利于恢復(fù)生態(tài)的樹種為主，兼顧石漠化治理和山區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。石槽屬于相對(duì)封閉的空間，土層較厚，水土流失量小，較易進(jìn)行水肥管理，具有良好的利用價(jià)值，但分布零星，宜采用“見縫插針”的方式補(bǔ)植在生態(tài)位中具有優(yōu)勢(shì)地位的小喬木。石縫寬度＜40 cm、土層厚度為10～30 cm，養(yǎng)分含量中等，根系伸長范圍以垂直空間為主，可以種植金銀花等藤本植物，對(duì)石縫小生境類型的利用應(yīng)提高植物根系的解磷解鉀能力。石坑面積相對(duì)較小，通常不足3.0 m2，土體較淺，半分解凋落物蓄積量大，土壤多分布在近水平的凹地中，土體間接連續(xù)，蓄水量有限，使用難度大，但是仍然有一些適生性強(qiáng)的物種，利用方式以不施加人為擾動(dòng)措施、實(shí)行自然恢復(fù)為宜。石溝巖體下降深度較淺，單位面積小，水分側(cè)流運(yùn)動(dòng)快，土壤流失量大，利用難度較高，建議以自然恢復(fù)為主。此次研究結(jié)果與廖洪凱等［6］的研究結(jié)果不一致，原因可能是研究中考慮了大量元素和中/微量元素對(duì)土壤質(zhì)量的影響，而廖洪凱等主要研究不同小生境表層土壤的有機(jī)碳與活性有機(jī)碳分布特征。此外，由于喀斯特地區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜、小生境類型多樣、巖溶溶蝕作用強(qiáng)烈、地表破碎、土體不連續(xù)、環(huán)境高度異質(zhì)性，為保證研究結(jié)果的可比性，對(duì)小生境類型的劃分及取樣技術(shù)等均應(yīng)采用統(tǒng)一的方法。

3.2 土壤礦質(zhì)元素在質(zhì)量評(píng)價(jià)中的意義

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括化學(xué)元素、生物、結(jié)構(gòu)、活性、緩沖性和穩(wěn)定性等，能夠表征土壤維持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)生命健康的能力，是對(duì)外界環(huán)境的變化做出整體反應(yīng)的體現(xiàn)［19］。土壤作為植物的機(jī)械支撐和主要養(yǎng)分來源，其質(zhì)量是評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)潛力和效應(yīng)的重要依據(jù)。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是評(píng)價(jià)結(jié)果是否具有合理性和實(shí)用性的關(guān)鍵因素。目前，在土壤礦質(zhì)元素研究方面，一是多關(guān)注大量元素［20］，中華民族幾千年的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)通過施用有機(jī)肥、人畜糞尿等實(shí)現(xiàn)礦質(zhì)元素生物小循環(huán)的回補(bǔ)量，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主要強(qiáng)調(diào)向土壤補(bǔ)給N、P、K等大量元素，根據(jù)“土壤需要有機(jī)肥，植物需要礦質(zhì)元素”的原理，勢(shì)必要求向土壤補(bǔ)充更多的礦質(zhì)元素，提高作物品質(zhì);二是集中關(guān)注元素富集引起的污染退化［21－22］，較少關(guān)注元素不足引起的養(yǎng)分退化。由于土壤微生物是土壤養(yǎng)分中最活躍的部分，通過轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)實(shí)現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)［23－24］，因而微生物生物量及其功能也屬于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的范疇［25－26］;礦質(zhì)元素還影響土壤的緩沖性和穩(wěn)定性，良好的土壤性能能夠?yàn)樯飫?chuàng)造穩(wěn)定的生長環(huán)境。研究結(jié)果表明，土壤礦質(zhì)元素對(duì)其質(zhì)量的影響作用較大，這充分表明引入更多礦質(zhì)元素參與土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要意義，在下一步研究中應(yīng)當(dāng)予以補(bǔ)充和完善。

表4 旋轉(zhuǎn)前后各因子的載荷矩陣Table 4 Load matrixes pre and post rotated

表5 不同小生境的因子得分及其綜合評(píng)價(jià)值Table 5 Factor scores and comprehensive evaluation of different micro-habitats

4 結(jié)論

石槽、石縫和石坑小生境的土壤pH顯著高于石坑和土面。土面、石槽小生境土壤的C、N、P元素含量高，石坑、石溝則較低，其他礦質(zhì)元素在不同小生境土壤之間波動(dòng)較小。土壤SOC、AN、AP與其他礦質(zhì)元素之間存在顯著相關(guān)性，大量元素和中/微量礦質(zhì)元素均對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值依次為土面(0.73)＞石槽(0.49)＞石縫(－0.01)＞石坑(－0.46) ＞石溝(－0.75)，土面、石槽和石縫土壤可加以改造利用，石洞、石溝土壤應(yīng)以自然恢復(fù)為主。