四種類型筇竹林分的土壤肥力診斷與綜合評價(jià)*

夏莉，董文淵，鐘歡，浦嬋，陳新，袁翎凌，黃小東，李希春

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 筇竹研究院,云南 昆明 650224；3.云南省大關(guān)縣林業(yè)和草原局,云南 大關(guān) 657000；4.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,云南 昆明 650224)

竹林土壤肥力是竹林發(fā)展與規(guī)劃的重要依據(jù)[1]，不科學(xué)的經(jīng)營管理方式會(huì)導(dǎo)致林地土壤養(yǎng)分失衡，土壤嚴(yán)重退化[2]。研究發(fā)現(xiàn)片面強(qiáng)調(diào)高額產(chǎn)出、過度采伐和依賴肥料會(huì)導(dǎo)致毛竹林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡被打破，生產(chǎn)力下降[3-4]。土壤養(yǎng)分失衡會(huì)影響作物產(chǎn)量、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效益并造成土壤環(huán)境污染[5-8]。因此，研究竹林土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀能為土壤科學(xué)管理提供理論依據(jù)[9]，對提高竹林生產(chǎn)力具有重要意義。

筇竹(Qiongzhueatumidinoda)是中小型混生竹種，為我國西南地區(qū)所特有，僅分布于金沙江下游云南省昭通市北部的9個(gè)縣(市、區(qū))和四川省雷波、敘永、馬邊等縣[10]。筇竹筍味鮮美，富含氨基酸、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，食用價(jià)值高[11]；筇竹竹節(jié)鼓突、狀貌奇特，可用于工藝和家具制作[12]，觀賞價(jià)值高。隨著筇竹產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對竹筍、竹材需求急劇增加，掠奪式采筍及亂砍濫伐導(dǎo)致筇竹資源退化[13]、林地土壤養(yǎng)分失衡。因此，了解筇竹林土壤現(xiàn)狀，優(yōu)化筇竹林土壤管理技術(shù)，進(jìn)而提高林地生產(chǎn)力，是解決以上問題的關(guān)鍵。目前有關(guān)筇竹林土壤的研究多集中于土壤水分、土層厚度對筇竹生長影響等方面[14-16]，對筇竹林土壤綜合肥力的研究較少?！爸袊讨裰l(xiāng)”——大關(guān)縣是筇竹的現(xiàn)代分布中心，其面積占世界筇竹面積的59%[12]。本文以大關(guān)縣內(nèi)4種類型筇竹林分土壤為研究對象，通過對其土壤肥力的診斷與評價(jià)，探明筇竹林土壤養(yǎng)分狀況，為筇竹林地力維護(hù)與可持續(xù)經(jīng)營提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省大關(guān)縣木桿鎮(zhèn)(103°52′～104°01′E、28°02′～28°14′N，海拔980～2 263 m)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫14.6 ℃，年平均降水量1 335 mm，氣候陰涼濕潤，熱量不足[17]。成土母巖為玄武巖和紫色頁巖，土層濕潤深厚，土壤主要以山地黃壤及紫色土為主[18]。研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有天然筇竹純林、人工筇竹純林、天然筇竹-黃皮樹(Phellodendronchinense)混交林、人工筇竹-黃皮樹混交林等4種典型筇竹林[17]，混交林為竹闊混交類型，其中人工混交林中黃皮樹的株行距為3 m×3 m。林下植被中灌木主要有西南繡球(Hydrangeadavidii)、寒莓(Rubusbuergeri)、菝葜(Smilaxchina)等，草本主要有鳳仙花(Impatiensbalsamina)、樓梯草(Elatostemainvolucratum)、粗齒冷水花(Pileasinofasciata)等。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在天然筇竹純林、人工筇竹純林、天然筇竹-黃皮樹混交林、人工筇竹-黃皮樹混交林中進(jìn)行典型抽樣，各設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地。每個(gè)樣地中按照“S”型選取5個(gè)土壤采樣點(diǎn)，分別取0～20、20～40 cm土層的土壤，將同層土樣混合，去除雜質(zhì)后用四分法保留約1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，磨細(xì)后過1 mm和0.25 mm的土篩，保存?zhèn)溆?。樣地立地條件見表1。

表1 樣地立地條件Tab.1 Basic situation of the sample plot

1.3 評價(jià)指標(biāo)的選取與測定

參照綠色食品產(chǎn)地環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)(NY/T391-2013)[19]，選取pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、全氮、堿解氮為評價(jià)指標(biāo)，按國家標(biāo)準(zhǔn)檢測：土壤pH值采用電位法(NY/T1377-2007)；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法(LY/T1237-1999)；全氮采用凱氏定氮法(LY/T1228-2015)；全磷、全鉀采用氫氧化鈉熔融法(NY/T1232-1999、NY/T1234-1999)；有效磷用鉬銻抗比色法(LY/T1233-1999)；速效鉀用火焰光度計(jì)法(NY/T1236-1999)；堿解氮用堿解擴(kuò)散法(LY/T1229-1999)；土壤CEC采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度計(jì)法(HJ889-2017)[20]。

1.4 土壤肥力評價(jià)

1.4.1 主成分分析法

用Pearson相關(guān)分析篩選出具有相關(guān)性的指標(biāo)后對各指標(biāo)進(jìn)行因子降維，按照特征值>1的標(biāo)準(zhǔn)選取主成分并計(jì)算各主成分得分(F1～Fm)，最后將各得分帶入下式計(jì)算肥力綜合得分(IFI)。

IFI=λ1F1+λ2F2+…+λmFm

式中：IFI為綜合得分，F(xiàn)表示單個(gè)主成分得分；λ表示對應(yīng)主成分的貢獻(xiàn)率。

1.4.2 模糊綜合評價(jià)法

用因子權(quán)重法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重；通過隸屬度函數(shù)計(jì)算隸屬度值(0.1～1.0)，pH值選取拋物線型，其余指標(biāo)均選取S型函數(shù)[21]，計(jì)算隸屬度值時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[22]確定轉(zhuǎn)折值(表2)；最后將各指標(biāo)權(quán)重和隸屬度值代入下式計(jì)算綜合肥力得分。

表2 各肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)Tab.2 Turning point of membership function of each fertility index

式中：fi、Wi分別是第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度值，n為參評指標(biāo)個(gè)數(shù)。

單項(xiàng)指標(biāo)分級以第2次全國土壤普查土壤養(yǎng)分分級[23]為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級評價(jià)；綜合肥力按照Ⅰ級土壤(肥力高，土壤質(zhì)量好，IFI>0.8)、Ⅱ級土壤(肥力較高，土壤質(zhì)量良好，0.6

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用Graphpad Prism 8.4.2軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型筇竹林土壤肥力指標(biāo)診斷

2.1.1 土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC

從圖1可以看出：4種筇竹林分土壤pH值在3.61～4.04之間，平均值為3.87，土壤為強(qiáng)酸性(<4.5)，變異系數(shù)為2.5%，差異不明顯，但隨土壤深度的增加pH值呈逐漸增加趨勢；4種筇竹林分有機(jī)質(zhì)和CEC含量在不同土層間、不同竹林間均存在顯著差異，且隨深度的增加而含量降低，呈明顯的“表聚”現(xiàn)象，變幅分別在56.00～111.82 g/kg和4.78～9.92 cmol/kg之間；4種筇竹林分有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為天然筇竹純林(111.82 g/kg)>人工筇竹-黃皮樹混交林(85.14 g/kg)>天然筇竹-黃皮樹混交林(75.36 g/kg)>人工筇竹純林(55.99 g/kg)，均大于40，為Ⅰ級；CEC含量表現(xiàn)為人工筇竹-黃皮樹混交林(9.92 cmol/kg)最高，人工筇竹純林(4.78 cmol/kg)最低，均低于15，為Ⅲ級。CEC含量作為評價(jià)土壤保肥能力的重要依據(jù)，說明4種筇竹林分的土壤保肥能力較弱。

圖1 不同筇竹林0～40 cm深度土壤pH、有機(jī)質(zhì)和CEC注：不同大寫字母表示不同林分在同一土層差異顯著；不同小寫字母表示在同一林分在不同土層差異顯著(P<0.05),下同。Fig.1 0～40 cm depth soil pH,organic matter and CEC of different Q.tumidinoda forest

2.1.2 土壤養(yǎng)分全量分析

4種筇竹林分土壤養(yǎng)分全量含量統(tǒng)計(jì)如圖2所示。全氮含量在同一竹林不同土層間差異顯著并隨土層深度的增加含量降低，不同竹林間除2種混交林無差異外，其余林分差異顯著，均值在2.04～4.77 g/kg之間，天然筇竹純林(4.77 g/kg)>人工筇竹-黃皮樹混交林(3.54 g/kg)>天然筇竹-黃皮樹混交林(3.23 g/kg)>人工筇竹純林(2.04 g/kg)；全磷和全鉀均值范圍分別為0.43～0.64 g/kg和21.99～27.33 g/kg，不同竹林、不同土層間總體差異不顯著。4種筇竹林土壤全氮含量均為Ⅰ級；全磷均為Ⅳ級；天然筇竹-黃皮樹混交林、人工筇竹純林的全鉀含量為Ⅰ級，天然筇竹純林、人工筇竹-黃皮樹混交林的全鉀含量為Ⅱ級?？傮w上4種筇竹林分的養(yǎng)分全量表現(xiàn)為全氮>全磷>全鉀。

圖2 不同筇竹林0～40 cm深度土壤養(yǎng)分全量含量分析Fig.2 Analysis on the total nutrients of 0～40 cm depth soil nutrients in different Q.tumidinoda forest

2.1.3 土壤養(yǎng)分有效態(tài)含量分析

4種筇竹林分土壤有效態(tài)含量統(tǒng)計(jì)如圖3所示。堿解氮在不同土層間除天然筇竹純林外，其余林分均有顯著差異，不同竹林間差異顯著，天然筇竹純林(583.83 mg/kg)最大，人工筇竹純林(140.18 mg/kg)最??；而有效磷含量在2.19～16.86 mg/kg之間，變異系數(shù)為53.85%，屬中等變異，不同竹林間差異大，人工筇竹純林(16.86 mg/kg)>天然筇竹純林(3.87 mg/kg)>天然筇竹-黃皮樹混交林(2.95 mg/kg)>人工筇竹-黃皮樹混交林(2.19 mg/kg)，隨土層深度的增加人工筇竹純林有效磷含量呈增加趨勢，其余林分無顯著差異；速效鉀含量在40.57～89.94 mg/kg之間，隨土層深度的增加，除天然筇竹純林無明顯變化外，其余林分含量均隨土層深度的增加而降低。堿解氮含量人工筇竹純林為Ⅱ級，其余林分均為Ⅰ級；有效磷含量天然筇竹純林為Ⅴ級，人工筇竹純林為Ⅲ級，人工筇竹-黃皮樹混交林和天然筇竹-黃皮樹混交林為Ⅳ級；速效鉀含量人工筇竹純林為Ⅴ級，其余林分均為Ⅳ級?？傮w上4種筇竹林分的有效態(tài)含量表現(xiàn)為水解氮>有效磷>速效鉀。

圖3 不同筇竹林0-40cm深度土壤養(yǎng)分有效態(tài)含量分析Fig.3 Analysis of available nutrient contents in 0-40 cm depth soil of different Q.tumidinoda forest

2.2 不同類型筇竹林土壤肥力單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)

雷達(dá)圖可反映單項(xiàng)肥力指標(biāo)在土壤中的狀態(tài)，權(quán)重可定量表征關(guān)鍵指標(biāo)對土壤肥力的貢獻(xiàn)程度[25]。因此，采用雷達(dá)圖并結(jié)合因子權(quán)重，對單項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)(圖4、表3)。pH值隸屬度函數(shù)值最小，有效磷次之，表明pH值和有效磷含量較低，是影響該研究區(qū)土壤肥力的限制性因子。貢獻(xiàn)率為有機(jī)質(zhì)、有效磷0.119，全磷、全氮、CEC 0.118，pH值0.117，速效鉀0.114，堿解氮0.112，全鉀0.064，說明有機(jī)質(zhì)是反映4種筇竹林分土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖4 各項(xiàng)土壤指標(biāo)隸屬度函數(shù)值的雷達(dá)圖Fig.4 Radar chart of membership function values of various soil indicators

表3 各項(xiàng)土壤肥力因子權(quán)重Tab.3 Weights of various soil fertility factors

2.3 不同類型筇竹林土壤肥力綜合評價(jià)

2.3.1 主成分分析法

土壤養(yǎng)分各指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如表4。pH值與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；有機(jī)質(zhì)與速效鉀、全氮、堿解氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；CEC與有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；速效鉀與全氮、堿解氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；全氮與堿解氮呈顯著正相關(guān)。不同指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，說明各指標(biāo)適合主成分分析。

表4 土壤養(yǎng)分各指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of various indexes of soil nutrients

根據(jù)主成分分析得出特征值、方差貢獻(xiàn)率(表5)。按照特征值>1的原則抽取主成分，并根據(jù)成分矩陣計(jì)算特征向量值，得到反映0～20 cm、20～40 cm土層土壤質(zhì)量狀況的主成分得分函數(shù)：

表5 土壤主成分的累積貢獻(xiàn)率和特征值Tab.5 Cumulative contribution rate and characteristic value of soil principal components

0～20 cm

F1=-0.353X1+0.344X2+0.356X3+0.208X4-0.362X5-0.335X6+0.371X7+0.327X8+0.316X9

F2=0.011X1+0.325X2-0.252X3-0.632X4+0.219X5+0.238X6+0.035X7+0.379X8+0.428X9

20～40 cm

F1=-0.366X1+0.384X2+0.338X3-0.095X4-0.282X5-0.267X6+0.387X7+0.396X8+0.373X9

F2=0.287X1-0.188X2+0.371X3+0.654X4-0.496X5+0.197X6-0.119X7+0.088X8+0.101X9

函數(shù)中X1～X9代表9個(gè)評價(jià)指標(biāo)，將9個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)分別代入函數(shù)計(jì)算各主成分的得分，再根據(jù)每個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算出4種筇竹林分土壤肥力綜合得分(表6)，依次為天然筇竹純林(1.983)>人工筇竹-黃皮樹混交林(0.789)>天然筇竹-黃皮樹混交林(-0.043)>人工筇竹純林得分(-2.730)，土壤肥力隨土層深度的增加而下降。

表6 不同林分土壤質(zhì)量得分Tab.6 Soil quality scores of different forest stands

2.3.2 模糊綜合法

為進(jìn)一步有效分析不同類型筇竹林分土壤肥力狀況，運(yùn)用IFI綜合指標(biāo)評價(jià)法計(jì)算得分，得分在0.412～0.607之間(表7)，排序?yàn)樘烊惑讨窦兞?0.607)>人工筇竹-黃皮樹混交林(0.578)>天然筇竹-黃皮樹混交林(0.558)>人工筇竹純林(0.412)，與主成分分析法評價(jià)結(jié)果一致。根據(jù)土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤肥力處于Ⅱ級的筇竹林占總林分的25%，處于Ⅲ級的筇竹林占總林分的75%，土壤肥力屬中等水平。

表7 不同筇竹林土壤各屬性肥力隸屬度值與綜合肥力得分Tab.7 Soil fertility coefficient and comprehensive fertility coefficient of different bamboo forests

3 討論與結(jié)論

土壤pH值是重要的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，影響土壤養(yǎng)分的有效性和植被營養(yǎng)狀態(tài)[26]，適宜的酸堿度才有利于植物生長。4種筇竹林分土壤pH值變幅為3.61～4.04，為酸性土壤，變異系數(shù)低于有機(jī)質(zhì)及其他養(yǎng)分指標(biāo)。說明pH值受氣候條件、成土母質(zhì)影響較大，林分對土壤酸度的影響弱[27]，這與張連金等[28]研究結(jié)果相似。筇竹雖適應(yīng)酸性土壤，但土壤過酸，會(huì)活化重金屬，引起土壤污染。因此，建議在進(jìn)行筇竹林分土壤管理時(shí)可選碳酸氫銨或鈣鎂磷肥等堿性肥料進(jìn)行土壤酸化改良，適當(dāng)提高土壤pH值。

本研究發(fā)現(xiàn)不同林分土壤養(yǎng)分豐缺程度不同。4種筇竹林分有機(jī)質(zhì)均為Ⅰ級，天然筇竹純林有機(jī)質(zhì)顯著高于人工筇竹純林和混交林，可能是天然林凋落物蓄積時(shí)間長，而人工筇竹純林和混交林成林時(shí)間較短，凋落物積累較少導(dǎo)致的。4種筇竹林分CEC含量均為Ⅲ級，是因?yàn)橥寥纏H值低使得土壤膠體團(tuán)表面含大量H+，導(dǎo)致土壤可自由交換的陽離子減少，從而減弱K+、Ca2+、Na+、Mg2+等離子的保持能力[29]。在全量養(yǎng)分分析中，土壤全氮含量高，變化趨勢與有機(jī)質(zhì)基本一致，與徐波等[30]研究結(jié)果相一致，是由于林地土壤全氮含量變化主要取決其土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化；全磷和全鉀在4種筇竹林分間差異不明顯，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤全磷和全鉀含量分別屬于很低(0.43～0.64 g/kg)和低水平(21.99～27.33 g/kg)，這是因?yàn)?種筇竹林分土壤均為酸性，使土壤中的磷元素容易與鐵和鋁的氫氧化合物反應(yīng)，生成一種不溶性的磷化合物沉淀，導(dǎo)致土壤全磷含量低，這與王曉榮等[31]研究結(jié)果一致。土壤有效養(yǎng)分含量受土壤母質(zhì)、所處氣候及植被等多種因素共同影響，研究發(fā)現(xiàn)有效磷、速效鉀含量在4種筇竹林分中普遍偏低，人工筇竹純林的堿解氮含量偏低，這可能與施肥過程中肥料種類、數(shù)量及施肥方法不當(dāng)有關(guān)。此外，在不同土層間，除pH值、全磷、有效磷外，其余指標(biāo)均存在顯著差異，且有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、堿解氮、全磷、速效鉀有表聚現(xiàn)象，與Wen等[32]、張煒等[33]、朱萬才等[34]研究結(jié)果相一致。因此，建議在進(jìn)行筇竹林土壤管理時(shí)，應(yīng)根據(jù)各林分土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行配方施肥，并在施肥過程中注意施肥深度，以確保下層土壤肥力也能滿足竹林生長需求。

土壤肥力受林分結(jié)構(gòu)、成土母質(zhì)、人為干擾等因素的綜合影響。本文通過主成分分析法和模糊綜合法對4種筇竹林分化學(xué)肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，明確了4種筇竹林分的土壤肥力水平。2種方法的評價(jià)結(jié)果具有一致性，均表明天然筇竹純林肥力最高、人工筇竹純林肥力最低，整體肥力屬中等水平，這可能是因?yàn)樘烊涣秩郝渖锒鄻有运礁撸址至铸g大，次生演替較長，所以土壤養(yǎng)分積蓄效果高于人工林；而人工林因成林時(shí)間短、生物多樣性水平低以及人為影響導(dǎo)致其枯落物數(shù)量和質(zhì)量較差，這與王偉平等[35]、朱琪文等[36]的研究有相似之處。因此，在進(jìn)行筇竹林分土壤管理時(shí)，建議適當(dāng)保留喬灌木樹種，增強(qiáng)竹林生物自肥能力，通過配方施肥，均衡土壤養(yǎng)分，促進(jìn)竹林生長，使凋落物儲(chǔ)量增加，分解速度加快，以達(dá)到提高筇竹林土壤肥力的目的。

綜上所述，不同筇竹林、不同土層之間土壤養(yǎng)分差異顯著(P<0.05)，建議對筇竹林土壤管理時(shí)應(yīng)進(jìn)行測土施肥，深施覆土，精準(zhǔn)管理；4種筇竹林分土壤呈酸性，保肥能力較弱，富氮素、有機(jī)質(zhì)，缺磷鉀；4種筇竹林土壤肥力為中等水平，且在單項(xiàng)肥力指標(biāo)評價(jià)中，pH值和有效磷為土壤肥力的限制性因子。因此，在筇竹林培育過程中，可通過增施堿性肥料及磷肥，改善土壤pH值，提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)筇竹林地力維護(hù)和可持續(xù)經(jīng)營的目的。