石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分對(duì)種植模式的響應(yīng)

劉子琦，肖 杰，李開萍，閔小瑩，張仕豪，史鵬韜

(貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】土壤養(yǎng)分是表征土壤肥力強(qiáng)弱的評(píng)估指標(biāo)之一，其自身是反映土地資源中土壤基礎(chǔ)礦質(zhì)元素對(duì)植物生長(zhǎng)供應(yīng)的水平，對(duì)于提高土壤肥力和保證當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。城市綠地[2]、蔬菜基地[3]、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)[4]、人工經(jīng)濟(jì)林[5]、森林植被[6]等環(huán)境條件以土壤養(yǎng)分為主要評(píng)估指標(biāo)的土壤肥力研究面較為廣泛。采用土壤養(yǎng)分為主要指標(biāo)直接評(píng)價(jià)和探討土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)力已逐步成為研究土壤生態(tài)系統(tǒng)的主流趨勢(shì)之一，為推動(dòng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善、減少土壤貧瘠和維持土壤健康可持續(xù)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。畢節(jié)撒拉溪石漠化治理區(qū)的經(jīng)果林地在實(shí)施混農(nóng)林業(yè)修復(fù)模式以來，其土壤養(yǎng)分供需不平衡、退化問題日益凸顯[9]，進(jìn)一步限制了當(dāng)?shù)亟?jīng)果林產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需探明石漠化地區(qū)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供需水平，以綜合調(diào)控石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地的土壤肥力。【前人研究進(jìn)展】通常經(jīng)果林地或果園受管理措施、種植模式、氣候條件、土壤養(yǎng)分、土壤類型和生長(zhǎng)年限等的影響較大[7-8]。而在石漠化地區(qū)對(duì)經(jīng)果林地的土壤質(zhì)量退化[10]、土壤與葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量[11-12]、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[13-14]、土壤養(yǎng)分與果實(shí)品質(zhì)[15]、不同土地利用類型養(yǎng)分及微生物特征的變化[16]、母巖化學(xué)組分與土壤礦質(zhì)元素的海拔分異規(guī)律[17]等相關(guān)方面研究，已取得顯著的階段性成果，對(duì)于維持和鞏固石漠化地區(qū)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】刺梨(Rosaroxburghii)和核桃(Juglansregia)作為石漠化治理區(qū)的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的經(jīng)濟(jì)樹種，鮮見其間作與單作種植模式下經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分狀況的研究報(bào)道，限制了石漠化治理區(qū)不同種植模式經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分水平評(píng)價(jià)，進(jìn)一步制約石漠化的防治與植被的恢復(fù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取畢節(jié)撒拉溪石漠化治理示范區(qū)，研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分對(duì)種植模式的響應(yīng)，揭示不同種植模式經(jīng)果林地的土壤養(yǎng)分垂直分布特征，以期為石漠化治理區(qū)刺梨、核桃為主的經(jīng)果林地的植被優(yōu)化和土壤養(yǎng)分供應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)市撒拉溪朝營(yíng)小流域石漠化治理示范區(qū)，是國(guó)家“十二五”“十三五”重大科研專項(xiàng)實(shí)施石漠化綜合治理的示范區(qū)之一，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)，屬于“長(zhǎng)治”工程項(xiàng)目區(qū)；位于E105°02′～105°08′，N 27°11′～27°16′；境內(nèi)有二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖分布，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表；主要分布地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風(fēng)化石灰土；海拔1495～2200 m，年均溫15 ℃左右，無霜期為265 d，年均降雨量1284 mm。該地區(qū)潛在與輕度等級(jí)石漠化占石漠化面積的53.17 %，中度與強(qiáng)度等級(jí)石漠化占石漠化面積的11.66 %，非石漠化面積占石漠化總面積的35.17 %。裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。耕作類型地大多分布于山地緩坡、坡立谷和溶蝕洼地。境內(nèi)的盲谷與干谷、漏斗與落水洞交織，峰叢間偶有洞穴、石丘出露。玉米(Zeamays)一直是當(dāng)?shù)囟嗄赀B續(xù)種植的低價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物，在撒拉溪示范區(qū)實(shí)施混農(nóng)林業(yè)復(fù)合經(jīng)營(yíng)治理模式后，改種刺梨和核桃等價(jià)值較高的經(jīng)濟(jì)林品種。喀斯特高原山地區(qū)撒拉溪研究區(qū)的裸地[18]和植被未破壞原生樣地[19]的土壤養(yǎng)分背景值見表1。

1.2 材料

土樣97個(gè)，采自撒拉溪示范區(qū)核桃與刺梨間作地和刺梨單作地0～10、10～20和20～30 cm的土層土壤。其中，核桃與刺梨間作模式地為6個(gè)典型20 m×20 m樣地，采集土樣52個(gè)，刺梨單作地為5個(gè)典型20 m×20 m樣地，采集土樣45個(gè)。

1.3 方法

1.3.1 土樣采集 在研究區(qū)進(jìn)行野外踏勘的基礎(chǔ)上，于2017年10月對(duì)分布于溶蝕洼地地形區(qū)內(nèi)，生長(zhǎng)年限分別在6年的核桃與刺梨間作模式地與5年的刺梨單作模式地進(jìn)行取樣(表2)。考慮石漠化地區(qū)土層較薄，按照S形法布點(diǎn)采集0～10、10～20以及20～30 cm的土層的土壤，然后，每個(gè)樣地的土壤按照相同層次分別混勻?yàn)?個(gè)土樣重復(fù)備用。

表1 喀斯特高原山地區(qū)土壤裸地與原生樣地背景值

表2 間作地與單作地采樣樹種及生長(zhǎng)環(huán)境

注：表中“/”前后分別表示為核桃、刺梨。

Note: The tree variety before and after‘/’ isJuglansregiaandRosaroxburghiirespectively.

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 土壤肥力主要測(cè)定指標(biāo)為pH、有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK,)、堿解氮(AN)、速效磷(AP,)和速效鉀(AK)共計(jì)8個(gè)指標(biāo)，所有指標(biāo)的測(cè)定分析均參照文獻(xiàn)[20]的方法進(jìn)行。土壤pH，采用玻璃電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)，采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀滴定測(cè)定；土壤全磷，采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀，采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法；土壤堿解氮、速效磷和速效鉀，分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-紫外分光光度計(jì)法和乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算 采用R語言3.4.4 for windows x64進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理、分析與繪圖，進(jìn)行闡述樣地與土壤環(huán)境因子的關(guān)系。采用R語言中的自帶函數(shù)包進(jìn)行單因素方差分析和因子分析，加載vegan包中的DCA分析，對(duì)土壤樣品數(shù)據(jù)集判定單峰模型還是線性模型，以確定排序模型[21-22]。確定排序模型規(guī)則以土壤養(yǎng)分垂直分布和排序結(jié)果在ggplot2包中繪制。此外，參照文獻(xiàn)[23]的方法，運(yùn)用加權(quán)求和公式計(jì)算土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平分值。

W=Y1T1+Y2T2+Y3T3

式中，W為土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的得分，T1、T2和T3分別代表公因子1、公因子2和公因子3的權(quán)重，其計(jì)算方法是對(duì)變量旋轉(zhuǎn)后的特征值矩陣中的方差貢獻(xiàn)率與特征值大于1的方差貢獻(xiàn)率總和之比，即可求得每個(gè)公因子的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式經(jīng)果林地各土層土壤養(yǎng)分的含量

從圖1看出，2種種植模式0～10、10～20和20～30 cm土層土壤pH、全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)等含量的變化。pH：3個(gè)土層土壤均是刺梨-核桃間作地高于刺梨單作地，且差異顯著(P<0.05)；全氮、全磷、速效磷和速效鉀：3個(gè)土層土壤均是刺梨-核桃間作地高于刺梨單作地，且差異顯著(P<0.05)；全鉀、有機(jī)質(zhì)和堿解氮：除0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)外，3個(gè)土層土壤均是刺梨單作地高于刺梨-核桃間作地，且(除全鉀外)差異顯著(P<0.05)?？傮w看，2種種植模式除土壤pH隨土層加深而增加外，其中全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量隨著土層的深度增加呈遞減趨勢(shì)。即土壤養(yǎng)分從表層聚集后向下遷移擴(kuò)散。

2.2 不同種植模式經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平

土壤pH、全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)等含量8個(gè)土壤養(yǎng)分變量進(jìn)行信息重組后，經(jīng)KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)顯示，KMO=0.640，Sig<0.001且小于顯著性水平0.05，滿足因子分析要求。從表3可知，8個(gè)指標(biāo)經(jīng)因子分析后前2項(xiàng)均大于1的因子1、因子3和因子3的初始特征總值和旋轉(zhuǎn)后特征總值分別為2.419、2.235、1.045和2.222、2.080、1.397，方差貢獻(xiàn)率分別為30.24 %、27.93 %、13.07 %和27.77 %、26.04 %、17.46 %，且累積貢獻(xiàn)率均為71.24 %。經(jīng)正交旋轉(zhuǎn)后獲得因子得分矩陣和載荷矩陣(表4)，經(jīng)計(jì)算得出，公因子1的權(quán)重為0.424，公因子2的權(quán)重為0.392，公因子3的權(quán)重為0.184。最后依據(jù)土壤綜合肥力加權(quán)求和公式得出土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平得分，其中刺梨單作地為0.439分，刺梨-核桃間作地為0.572分。

2.3 不同種植模式經(jīng)果林地土壤與其養(yǎng)分的相關(guān)性

經(jīng)DCA分析，刺梨單作和刺梨-核桃間作排序前4軸最大分別為0.533和0.417，均沒有超過3，則使用線性模型。經(jīng)線性模型PCA排序，在8個(gè)土壤養(yǎng)分因子中，刺梨單作土壤養(yǎng)分的累積貢獻(xiàn)率為65.23 %，刺梨-核桃間土壤養(yǎng)分的累積貢獻(xiàn)率為67.03 %，表明其對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異均具有良好的信息解釋能力。從表5可知，刺梨單作地8個(gè)土壤養(yǎng)分因子中有7個(gè)土壤養(yǎng)分因子與其樣地PCA排序結(jié)果呈極顯著相關(guān)；刺梨-核桃間作8個(gè)土壤養(yǎng)分因子與樣地排序結(jié)果呈顯著或極顯著相關(guān)。從圖2看出，刺梨單作土壤pH、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀與第一軸夾角較大，呈負(fù)相關(guān)；全鉀與第二軸夾角較大，呈負(fù)相關(guān)。刺梨-核桃間作土壤pH和全氮與第一軸夾角較大，呈正相關(guān)，全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀與第一軸夾角較大，呈負(fù)相關(guān)；全鉀與第二軸夾角較小，呈正相關(guān)，而速效磷與第二軸夾角較大，呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合PCA排序結(jié)果及連線長(zhǎng)度看，2種種植地的全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀等土壤肥力指標(biāo)對(duì)樣地土壤肥力分異的影響較大，土壤pH、全氮、全磷和速效磷等對(duì)樣地土壤肥力分異的影響較小。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05圖1 不同種植模式各土層土壤養(yǎng)分的垂直分布Fig.1 Nutrient vertical distribution of soil with different depth under different cropping pattern

表3 前2項(xiàng)大于1的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

表4 因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣及其得分矩陣

表5 PCA排序的土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。

Note: *and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

圖2 不同種植模式土壤養(yǎng)分PCA排序及其與土壤養(yǎng)分因子關(guān)系Fig.2 PCA ranking of soil nutrients and its relationship with soil nutrient factors under different cropping pattern

3 討 論

3.1 不同種植模式對(duì)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分垂直分布特征的影響

土壤養(yǎng)分是自然環(huán)境與人為作用因素共同作用的結(jié)果，土壤養(yǎng)分的含量、分布和遷移轉(zhuǎn)化不僅受氣候條件、成土母質(zhì)等自然因素影響，還受制于種植模式、耕作方式和土地利用方式等人為活動(dòng)的影響[25]。研究結(jié)果表明，除土壤pH外，其余指標(biāo)均隨土壤層次的加深而呈降低趨勢(shì)，即土壤養(yǎng)分具有隨土層加深而降低的垂直變化特征，與宋希娟等[25-26]的研究結(jié)果一致。原因是植物枯落物養(yǎng)分歸還作用，在土壤表層產(chǎn)生蓄積，隨水和其他介質(zhì)共同使表層土壤養(yǎng)分向下遷移擴(kuò)散所致[27]，枯落物在土壤表層的養(yǎng)分歸還，引起有機(jī)物質(zhì)腐化釋放H+離子造成表層土壤偏酸[28]，隨著土層的加深釋放H+離子減少，土壤pH逐漸偏中性；不同種植模式下，間作地不同土壤深度層次中以土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量高于單作地(P<0.05)，而單作地的全鉀和堿解氮指標(biāo)含量高于間作地(P<0.05)，0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量間作地高于單作地，>10 cm后間作地低于單作地(P<0.05)。表明，核桃與刺梨進(jìn)行間作構(gòu)成了多層植被改善樣地的小氣候，遮陰作用加速土壤與空氣濕度流動(dòng)，減少土壤有機(jī)物的礦化，有利于有機(jī)物在土壤中的積累，土壤的緩沖能力和養(yǎng)分的吸附能力提高[29]，使間作地土壤養(yǎng)分的累積優(yōu)于單作地。

3.2 不同種植模式對(duì)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的影響

研究結(jié)果表明，2種種植模式經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平均不同程度提高，刺梨-核桃間作土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平(0.572分)優(yōu)于刺梨單作地(0.439分)。韋宏民等[30]認(rèn)為，板栗-農(nóng)間作模式有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤速效養(yǎng)分含量。張德等[31]研究發(fā)現(xiàn)，與單作相比，龍眼與花草間作可提升有機(jī)質(zhì)、微生物和全氮含量。與本研究結(jié)果一致。表明，石漠化經(jīng)果林地實(shí)施間作種植模式可有效提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平。間作與單作供應(yīng)水平差異原因可能是不同種植模式產(chǎn)生不同的土壤養(yǎng)分沉積效應(yīng)。據(jù)實(shí)地調(diào)查，刺梨-核桃間作構(gòu)成多層喬灌植被并形成遮陰作用，林下多以喜陰的宿根類和匍匐類草本植物為主，凋落物蓄積較多；刺梨單作植被配置較為單一，大多長(zhǎng)勢(shì)較為低矮，表層土壤缺乏凋落物覆蓋，根系淺且呈發(fā)散狀分布；刺梨-核桃間作表層土壤養(yǎng)分歸還作用較刺梨單作大?？傮w看，2種種植模式土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平不高，原因在于林地管理較為粗放，水肥調(diào)配不均衡，人為片面地追求經(jīng)果林地帶來的經(jīng)濟(jì)效益，卻忽視了水肥管理和土壤養(yǎng)分供應(yīng)不平衡，屬于立地衰退型經(jīng)果林地[9]。

3.3 養(yǎng)分因子對(duì)不同種植模式經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的影響

借鑒生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究植被與環(huán)境變化關(guān)系和對(duì)環(huán)境變化影響植被分布及格局的排序方法，將樣地與土壤養(yǎng)分因子關(guān)系進(jìn)行排序，以弄清土壤養(yǎng)分各因子影響樣地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的差異。研究結(jié)果表明，經(jīng)PCA排序分析，刺梨單作土壤養(yǎng)分的積貢獻(xiàn)率為65.23 %，刺梨-核桃間作土壤養(yǎng)分的累積貢獻(xiàn)率為67.03 %，均表明其對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異具有較好的解釋信息能力。經(jīng)排序分析，影響不同種植模式地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異的主要因子分別是全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀(P<0.001)。說明上述土壤養(yǎng)分因子主要通過物質(zhì)循環(huán)與能力的空間再分配，是石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異的影響因子。

根據(jù)全國(guó)土壤二次分類普查標(biāo)準(zhǔn)[32]，研究篩選出的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀和全鉀等主要養(yǎng)分因子的養(yǎng)分含量分別為高、中上、中下和低水平，普查分類標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上可作為識(shí)別土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平。由于有機(jī)質(zhì)是物質(zhì)和能力循環(huán)的基礎(chǔ)，對(duì)土壤保肥能力和控制土壤微生物對(duì)有機(jī)物的礦化速率具有重要影響[33]。堿解氮含量很大程度上與有機(jī)質(zhì)中活性腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化程度有關(guān)[34]，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量高，從而有機(jī)物腐殖化程度高，進(jìn)一步影響堿解氮含量高低，對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的影響較大。2種種植模式的土壤類型以黃壤與石灰土混合型土壤為主，全鉀和速效鉀含量普遍較低，與楊珊等[35-36]的研究結(jié)果一致。貴州石漠化地區(qū)一般為黃壤地帶性分布缺鉀，為國(guó)內(nèi)最貧鉀的土壤之一。究其原因：可能是有機(jī)質(zhì)越豐富對(duì)土壤全鉀構(gòu)成稀釋效應(yīng)[37]，從而引起全鉀含量相對(duì)減少，在一定比例上構(gòu)成植物可利用的速效鉀含量供應(yīng)不足。因此，土壤鉀素含量較低是影響該地區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平的限制因子。應(yīng)及時(shí)注重對(duì)不同種植模式地土壤鉀素的補(bǔ)充，穩(wěn)定提升刺梨和核桃的產(chǎn)質(zhì)量。此外，研究未采用氣候因素和地形地貌等其他環(huán)境因子綜合考慮解釋土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平問題。因此，全面解釋石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異的影響因素，還有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

石漠化治理區(qū)經(jīng)果林地不同種植模式的土壤養(yǎng)分含量，除土壤pH隨土層加深呈升高外，其余養(yǎng)分含量均隨土壤層次的加深呈降低趨勢(shì)，不同土層土壤以土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量刺梨-核桃間作高于刺梨單作(P<0.05)，全鉀和堿解氮含量刺梨單作高于刺梨-核桃間作(P<0.05)，土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～10 cm刺梨-核桃間作高于刺梨單作，>10 cm后刺梨-核桃間作低于刺梨單作(P<0.05)。刺梨-核桃間作土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平(0.572分)優(yōu)于刺梨單作地(0.435分)。全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀是影響研究區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平差異的主要因子。