喀斯特石漠化治理區(qū)不同地形土壤養(yǎng)分與刺梨果實品質(zhì)相關(guān)分析

肖杰 熊康寧 李開萍

摘要：為揭示石漠化治理區(qū)種植刺梨地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)間的關(guān)系，以中國南方喀斯特石漠化治理區(qū)刺梨種植地和其果實為研究對象，研究石漠化治理區(qū)不同地形區(qū)刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)的差異性，探討刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)的相關(guān)性，并以冗余分析進(jìn)行土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)的排序。結(jié)果表明：石漠化治理區(qū)的土壤養(yǎng)分水平、刺梨單果質(zhì)量、SOD活性在溶蝕洼地、侵蝕洼地和山地坡面具有顯著差異（P<0.05）;相關(guān)性分析表明總體上存在弱相關(guān)，個別土壤養(yǎng)分因子與刺梨果實品質(zhì)有顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05）;冗余分析排序表明，土壤的全磷、堿解氮和速效磷含量為溶蝕洼地區(qū)刺梨果實品質(zhì)的重要影響因子;土壤pH值、全磷含量、全鉀含量、有機質(zhì)含量、堿解氮含量和速效鉀含量在侵蝕臺地區(qū)中可能對刺梨果實維生素C含量和單果質(zhì)量有影響，山地坡面種植區(qū)土壤全氮含量、堿解氮含量、pH值、速效磷含量為影響刺梨果實品質(zhì)的重要因子。

關(guān)鍵詞：喀斯特地區(qū);刺梨;土壤養(yǎng)分;果實品質(zhì);冗余排序分析;石漠化治理

中圖分類號：S156 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0143-05

刺梨（Rosa roxburghii）學(xué)名為繅絲花，屬薔薇科多年生落葉小灌木類果樹。其果實近聞有獨特香味，品嘗時口感酸甜微澀，果實內(nèi)營養(yǎng)含量豐富，尤其是維生素C含量超過蘋果（Malus pumila）、葡萄（Vitis vinifera）、獼猴桃（Actinidia chinensis）等水果的含量，刺梨果實內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）活性高，具有可利用的經(jīng)濟價值。此外，因刺梨根系淺且發(fā)達(dá)、喜陽耐旱、較耐寒等優(yōu)點，被作為石漠化治理區(qū)優(yōu)先選用坡面防治水土流失作用的植物籬樹種，從而達(dá)到兼顧經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的經(jīng)濟生態(tài)果樹，具有廣闊的開發(fā)利用前景[1]。在喀斯特地區(qū)，受人為不合理的改造自然因素作用下，植被遭受破壞引起演替等級倒退，地上地下水土發(fā)生流失、漏失呈現(xiàn)出碳酸鹽巖大片裸露的石質(zhì)荒漠化現(xiàn)象[2-3]，從而使得土壤層較薄、土壤沙?；?、有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量減少和土壤微生物多樣性降低[4]。目前，石漠化治理區(qū)多以小流域尺度劃分進(jìn)行綜合治理，其中采取以刺梨搭配其他品種果樹、農(nóng)作物的混農(nóng)林修復(fù)手段運用于潛在-輕度石漠化區(qū)域，達(dá)到鞏固水土、促進(jìn)植被演替進(jìn)度、農(nóng)戶增加收益的目的。近年來，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶為達(dá)到良好的經(jīng)濟效益，盲目擴充刺梨的種植規(guī)模，這一舉措不但忽視對刺梨種植區(qū)土壤養(yǎng)分水平的提升和果實品質(zhì)的優(yōu)化，而且易引發(fā)刺梨種植長遠(yuǎn)的經(jīng)濟收益和生態(tài)效益的邊際遞減。

在田間管理和果樹栽培中，廣泛采用測土配方和果實品質(zhì)分析診斷技術(shù)并取得了良好的反響?；谕寥鲤B(yǎng)分水平與果樹果實的品質(zhì)和產(chǎn)量的分析，發(fā)現(xiàn)其存在顯著相關(guān)性[5-6]。植物有機體的代謝和調(diào)節(jié)，果樹生長發(fā)育、產(chǎn)量的形成以及果實品質(zhì)的提高，受制于土壤中養(yǎng)分元素構(gòu)成的作用[7]。正因為如此，在土壤養(yǎng)分貧瘠的石漠化治理區(qū)，探究不同地形區(qū)刺梨種植地根系層土壤養(yǎng)分因子與果實品質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系，對指導(dǎo)石漠化治理區(qū)刺梨種植地合理施肥以及提升果實品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)果樹工作者做了大量與土壤養(yǎng)分水平和果實品質(zhì)定量分析的研究，對于蘋果園土壤養(yǎng)分水平與蘋果品質(zhì)調(diào)控不明的問題，采用典型相關(guān)分析、回歸分析和線性規(guī)劃等方法，確定土壤營養(yǎng)成分最佳含量優(yōu)化方案[8];采取關(guān)聯(lián)性分析研究發(fā)現(xiàn)，降低富含在果實中的氮元素，調(diào)控果實中P、K、Ca、Fe等元素能有效提高蘋果果實品質(zhì)[9];果實質(zhì)量除了與土壤養(yǎng)分水平有關(guān)之外，還與葉片營養(yǎng)元素的作用有關(guān)[10];而國外的果樹研究學(xué)者在對果樹葉片營養(yǎng)和果實品質(zhì)影響[11]、果實營養(yǎng)變化[12]、土壤養(yǎng)分水平對果實品質(zhì)作用[13-14]等方面作了深入的研究，這些前人的研究為石漠化治理區(qū)刺梨種植地進(jìn)行土壤改良和施肥優(yōu)化提供了理論參考。

通過對生態(tài)脆弱性環(huán)境下的土壤養(yǎng)分狀況及其影響生態(tài)經(jīng)濟林的果實品質(zhì)進(jìn)行研究，有助于認(rèn)識該環(huán)境下土壤系統(tǒng)與植物間耦合作用關(guān)系及機理，進(jìn)而更好地調(diào)控土壤肥力與果樹生長的平衡供應(yīng)關(guān)系。盡管目前喀斯特地區(qū)對刺梨種植地展開了土壤狀況[14-15]、果實品質(zhì)評價[16]、施肥配方對果樹根際土壤作用[17-18]等研究較為深入，但涉及喀斯特石漠化治理區(qū)刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)的關(guān)系鮮見報道，這為亟待解決石漠化治理區(qū)刺梨種植地土壤肥力調(diào)控和優(yōu)化、改善石漠化治理區(qū)刺梨果實品質(zhì)具有應(yīng)用價值。因此，研究選擇中國南方喀斯特亞熱帶的貴州高原、畢節(jié)市撒拉溪翰營小流域潛在-輕度石漠化治理區(qū)為研究區(qū)，以治理區(qū)內(nèi)不同地形區(qū)的刺梨種植地土壤和刺梨果實為研究對象，并對其土壤養(yǎng)分水平和果實品質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行測定，分析刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)的關(guān)系，探究土壤養(yǎng)分水平對果實品質(zhì)的影響，明確影響刺梨果實品質(zhì)的主要土壤養(yǎng)分中礦質(zhì)元素，為石漠化治理區(qū)刺梨種植地土壤養(yǎng)分改良和調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇喀斯特高原山地石漠化治理區(qū)畢節(jié)撒拉溪朝營小流域，該研究區(qū)位于貴州省西北部畢節(jié)市六沖河流域支流區(qū)內(nèi)，片區(qū)內(nèi)廣泛種植天然保護(hù)林，以水土保持和石漠化防治為主。研究區(qū)地處東經(jīng)105°02′～105°08′、北緯27°11′～27°16′，境內(nèi)分布二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤為地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風(fēng)化石灰土。年均溫在15 ℃左右，無霜期為265 d，年降水量 1 284 mm。該地區(qū)潛在與輕度等級石漠化面積占石漠化總面積的53.17%，中度與強度等級石漠化面積占石漠化總面積的11.66%，非石漠化面積占石漠化總面積的 35.17%。小流域內(nèi)裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。當(dāng)?shù)匦纬傻闹脖活愋椭饕蕴烊灰吧脖淮蟀锥霹N（Rhododendron decorum）、十大功勞（Mahonia fortunei）、金絲桃（Hypericum monogynum）等藤刺灌叢以及少有分布的青岡（Cyclobalanopsis glauca）、云南松（Pinus yunnanensis）等喬木林為主，經(jīng)濟作物則以刺梨、核桃（Juglans regia）為主。

1.2 樣地選取和果實采集

本研究于2017年10月刺梨果實成熟時進(jìn)行，根據(jù)果樹集中分布范圍和立地類型進(jìn)行劃分和踏勘，共選擇3種類型樣區(qū)，分別是溶蝕洼地種植區(qū)、侵蝕臺地種植區(qū)、山地坡面種植區(qū)，同時記錄生境信息（表1）。在每個不同類型的種植區(qū)內(nèi)，根據(jù)果樹種植實際情況選擇3～5個樣點，以S形取樣法進(jìn)行取樣，距離果樹樹冠下30 cm處采集土壤，因石漠化地區(qū)土壤層較薄，采集的土樣在0～30 cm，將土樣進(jìn)行均勻混合為1 kg，裝入塑封袋內(nèi)作編號記錄;同時對刺梨果樹上的掛果進(jìn)行隨機采集，果實質(zhì)量達(dá)1 kg，裝入網(wǎng)袋放泡沫冷凍保溫箱貯存，與采集的土壤樣品一并使用載具運回國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心測定。

1.3 土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)測定

將采集的土壤樣品剔去石塊、雜草等非土壤物質(zhì)，粉碎過篩0.149 mm，取得待測土壤樣品。土壤養(yǎng)分水平的測定參考相關(guān)文獻(xiàn)[19]，其測定項目為：采用玻璃電位法測定土壤pH值，采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量，采用全自動凱氏定氮儀滴定土壤全氮含量，采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量，使用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法分析土壤全鉀含量，土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀含量分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-紫外分光光度計法、乙酸銨浸提-火焰光度法;果實品質(zhì)測定項目為：刺梨果實單果質(zhì)量采用電子天秤稱質(zhì)量，維生素C（VC）含量采用液相色譜儀測定[20]，總黃酮含量和SOD活性采取正交試驗超聲法[21-22]測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 22.0運算單因素方差分析和相關(guān)性分析，采用R語言vegan包進(jìn)行排序分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種地形區(qū)中刺梨地土壤養(yǎng)分與果實品質(zhì)差異性

表2顯示，單果質(zhì)量和SOD活性在3種地形區(qū)分別呈現(xiàn)顯著差異（P<0.05）或極顯著差異（P0.05）。反觀刺梨果實中的單果質(zhì)量和SOD活性，兩者受到不同地形區(qū)的影響較大（P0.05）。

由表3可知，溶蝕洼地種植區(qū)、侵蝕臺地種植區(qū)與山地坡面種植區(qū)這3種立地類型區(qū)中土壤pH值分別為5.71、6.10、6.68，呈極顯著差異。

2.2 不同刺梨種植地土壤養(yǎng)分與刺梨果實品質(zhì)相關(guān)性分析

由表4可知，溶蝕洼地區(qū)的土壤速效鉀含量與刺梨果實維生素C含量存有顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），溶蝕洼地區(qū)其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)與刺梨果實指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系在總體上呈現(xiàn)弱相關(guān)。在表5中侵蝕臺地區(qū)土壤有機質(zhì)含量與刺梨果實單果質(zhì)量為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），土壤速效鉀含量與刺梨果實總黃酮含量為顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），土壤pH值與維生素C含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），土壤堿解氮含量與刺梨果實中維生素C含量、SOD活性呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。表6中相關(guān)性結(jié)果顯示，山地坡面區(qū)中的土壤堿解氮含量與刺梨果實SOD活性存有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），土壤速效磷含量與刺梨果實總黃酮含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。從總體上來說，大部分相關(guān)系數(shù)為弱相關(guān)，刺梨果實品質(zhì)受土壤養(yǎng)分的影響較弱，可能是由于土壤養(yǎng)分不僅為刺梨植株其他功能器官提供養(yǎng)分生長，還間接影響刺梨果實品質(zhì)。

2.3 刺梨種植地土壤養(yǎng)分與刺梨果實品質(zhì)的RDA排序分析

盡管刺梨果實品質(zhì)與土壤養(yǎng)分水平的相關(guān)性較弱，為了進(jìn)一步挖掘刺梨果實品質(zhì)與土壤養(yǎng)分水平之間所蘊含的信息，對刺梨果實品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析，以進(jìn)行單峰或線性模型先行檢驗，分析結(jié)果表明，溶蝕洼地種植區(qū)、侵蝕臺地種植區(qū)和山地坡面種植區(qū)這3類地形種植區(qū)的第一排序軸的長度分別為1.432、0.983、1.236，且均小于3，因此適合基于線性模型的冗余分析（RDA），并以此模型進(jìn)行解釋刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)的關(guān)系。RDA分析結(jié)果表明，溶蝕洼地種植區(qū)、侵蝕臺地種植區(qū)和山地坡面種植區(qū)的土壤養(yǎng)分因子分別解釋了87.41%、86.04%和82.14%的刺梨果實品質(zhì)信息。

基于冗余排序分析中，箭頭之間的夾角代表土壤養(yǎng)分因子間的相關(guān)程度，箭頭的夾角越小，相關(guān)度越高，反之越低;箭頭連線長度越長，代表土壤養(yǎng)分因子與刺梨果實品質(zhì)的相關(guān)程度[23]。首先看溶蝕洼地種植區(qū)（圖1-A），RDA1（橫軸）與土壤堿解氮含量呈正相關(guān)。刺梨果實SOC在RDA1的正軸，且與該軸保持平行，刺梨SOD與土壤堿解氮對應(yīng)，受其作用影響較大。與此相反的是，土壤全磷含量和土壤速效鉀含量為RAD1軸負(fù)相關(guān)，土壤全磷含量對刺梨果實品質(zhì)總黃酮的積累有較高的相關(guān)性。RDA2（縱軸）中從上到下與RDA2排序軸的土壤pH值、土壤全氮含量、土壤全鉀含量表現(xiàn)出正相關(guān)，土壤速效磷含量在下方與刺梨果實單果質(zhì)量相對應(yīng)，并受其作用影響較大。在侵蝕臺地種植區(qū)（圖1-B）中，RDA1與土壤pH值、土壤全磷含量、土壤全鉀含量、土壤有機質(zhì)含量、土壤堿解氮含量和土壤速效鉀含量呈負(fù)相關(guān)，刺梨果實中單果質(zhì)量和維生素C含量與土壤養(yǎng)分因子相對應(yīng)。RDA2從上往下看，土壤速效磷連線長度與刺梨果實SOD所在位置相對應(yīng)呈正相關(guān)，表明侵蝕臺種植區(qū)刺梨果實SOD活性受土壤速效磷含量影響，而土壤全氮含量與RDA2軸呈負(fù)相關(guān)，刺梨果實總黃酮含量在其中表現(xiàn)出相對的中立性，受其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響較小。在山地坡面種植區(qū)（圖1-C）中，RDA1排序軸從左至右表現(xiàn)為與RDA1軸負(fù)相關(guān)的為土壤堿解氮含量、土壤全磷含量，正相關(guān)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)為土壤有機質(zhì)含量和土壤pH值，在RDA1軸上表現(xiàn)出土壤堿解氮含量與刺梨果實SOD活性有較高的相關(guān)性，土壤pH值與刺梨果實維生素C含量相對應(yīng)，在RDA2軸中從上至下土壤速效磷含量與RDA2軸為正相關(guān)，與刺梨果實總黃酮含量相對應(yīng)，而RDA2軸下方表現(xiàn)出土壤速效鉀含量、全鉀含量和全氮含量為負(fù)相關(guān)，其中土壤全氮含量與刺梨單果質(zhì)量表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

石漠化治理區(qū)不同地形的刺梨種植地中，以溶蝕洼地種植區(qū)和侵蝕臺地種植區(qū)的土壤養(yǎng)分水平和刺梨果實品質(zhì)較高于山地坡面種植區(qū)，說明地形對刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平和刺梨果實品質(zhì)有著一定的影響。石質(zhì)荒漠化是喀斯特系統(tǒng)特定條件下運行的產(chǎn)物，喀斯特作用下形成的溶蝕洼地、侵蝕臺地等喀斯特地表景觀受人為不合理的干擾破壞原有生境，出現(xiàn)石質(zhì)荒漠化。溶蝕洼地種植區(qū)一般為喀斯特地區(qū)特有的負(fù)地形，該地溶蝕洼地受褶皺地質(zhì)構(gòu)造條件影響，形成長條形狀，降雨容易形成坡面流，挾帶凋落物和泥沙沉淀于此[24]，可能是構(gòu)成土壤養(yǎng)分積累的原因，加之地形較為封閉，受人為干擾小，為刺梨果實品質(zhì)生長提供了良好的條件;侵蝕臺地種植區(qū)相較于溶蝕洼地種植區(qū)的地勢較為開闊，較厚土層是當(dāng)?shù)匕l(fā)展混農(nóng)林業(yè)間作的主要利用地，刺梨種植一般以單作或與核桃間作為主，該地形還是當(dāng)?shù)匮蛉悍硼B(yǎng)集散地，放牧強度同樣干擾土壤形狀并間接干擾土壤養(yǎng)分水平變化[25]，進(jìn)而影響刺梨生長和果品質(zhì)量;在山地坡面種植區(qū)，種植刺梨主要用于坡面防治水土流失[26]，依靠刺梨根系天然形成植物籬作用[27]，攔截和鞏固裸巖附近泥土，其在該區(qū)種植的意義在于生態(tài)效益大于經(jīng)濟效益，但在一定條件下裸巖中的石坑易蓄積土壤養(yǎng)分[28]，對刺梨生長發(fā)育構(gòu)成一定的影響。本試驗研究刺梨地土壤養(yǎng)分水平中單因素方差分析，均表現(xiàn)受地形影響差異顯著（P<0.001），同樣刺梨果實中單果質(zhì)量和SOD活性也受到地形因素的顯著影響（P<0.05），這些結(jié)果支持了上述的解釋。

經(jīng)過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，3種不同地形的刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)指標(biāo)之間總體上存在弱相關(guān)，個別土壤養(yǎng)分因子與刺梨果實品質(zhì)有顯著相關(guān)關(guān)系。有關(guān)研究認(rèn)為，這是由于土壤養(yǎng)分通過植物根系被吸收而運送到植株其他器官，間接影響植物果實品質(zhì)[28-29]。本研究通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，溶蝕洼地種植區(qū)的土壤堿解氮含量對刺梨果實維生素C含量有影響;侵蝕臺地種植區(qū)土壤有機質(zhì)含量影響刺梨單果質(zhì)量，這與有關(guān)研究結(jié)論[8]一致，土壤速效鉀含量影響果實總黃酮含量、土壤pH值影響刺梨維生素C含量、土壤堿解氮影響刺梨果實維生素C含量和SOD活性;在山地坡面種植區(qū)中，土壤堿解氮含量影響刺梨果實SOD活性，而土壤速效磷含量影響刺梨果實總黃酮含量。但本研究仍未引入刺梨葉片營養(yǎng)加以分析，其葉片營養(yǎng)元素在很大程度上反映樹體對土壤養(yǎng)分的吸收和利用，引入葉片營養(yǎng)的分析有助于更全面了解葉片營養(yǎng)對果實品質(zhì)的影響，有待下一步研究繼續(xù)深入。

為進(jìn)一步挖掘刺梨種植地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)之間的關(guān)系，采用冗余分析方法加以定量化表述刺梨地土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實品質(zhì)之間的關(guān)系。不同地形種植區(qū)的刺梨土壤養(yǎng)分水平與果實品質(zhì)RDA分析表明，溶蝕洼地種植區(qū)的土壤全磷、堿解氮和速效磷含量可能是影響刺梨果實的重要因子;侵蝕臺地種植區(qū)中土壤pH值及全磷、全鉀、有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量共同影響刺梨果實維生素C含量和單果質(zhì)量，表明上述土壤養(yǎng)分因子可能對刺梨果實維生素C含量和單果質(zhì)量有較大的影響;山地坡面種植區(qū)土壤全氮含量、堿解氮含量、pH值、速效磷含量為影響刺梨果實品質(zhì)的重要因子。綜上所述，由于土壤養(yǎng)分異質(zhì)性因素存在，表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分水平對刺梨果實的影響在不同地形區(qū)具有不一致性。根據(jù)上述影響刺梨果實土壤養(yǎng)分因子可知，在果園管理中可嘗試加強施肥管控。此外，本試驗僅從石漠化土壤環(huán)境這一特殊角度研究土壤養(yǎng)分水平與刺梨果實因素，下一步研究應(yīng)增加土壤微生物、礦質(zhì)微量元素含量等指標(biāo)加以探討，有助于更全面反映土壤環(huán)境對刺梨果實品質(zhì)的影響。

致謝：對參與野外采集土壤樣品的曹洋、董曉超和譚桂華同學(xué)表示感謝！

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