油茶低產林轉化下土壤質量關鍵因子的識別與篩選

譚智銘，寧 晨，林先瀅，許煜東，張 正，劉四黑，李建安

（1.中南林業(yè)科技大學 a.生命科學與技術學院；b.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室；c.林學院，湖南 長沙 410004；2.銅仁市油茶工程技術研究中心，貴州 銅仁 554003；3.玉屏侗族自治縣林業(yè)局，貴州 銅仁 554000；4.貴州黔玉油茶開發(fā)有限公司，貴州 銅仁 554000）

油茶Camelliaoleifera是我國特有的樹種和主要木本油料作物，已有2 300多年的栽培和利用歷史，廣泛種植于亞熱帶酸性土壤中。目前，我國的高產油茶園每公頃可產茶油600 kg以上，綜合利用效益可以達到數千元，是鄉(xiāng)村振興脫貧攻堅的支柱產業(yè)，也是維護國家糧油安全的新興主力[1-2]。然而，種植期間不當的耕作和管理模式導致單位面積產量低，對低產油茶林的改造迫在眉睫。地處亞熱帶的貴州省玉屏縣被視為南方16?。▍^(qū)、市）重要的油茶產業(yè)示范區(qū)之一，同時也是當地精準扶貧的特色優(yōu)勢資源產業(yè)。經營較好的良種油茶林分進入盛產期后，每公頃收入可達4 500元以上，每戶貧困家庭種植0.2 hm2就可以實現脫貧[3]。然而，該地仍有許多傳統(tǒng)種植百年以上的傳統(tǒng)老油茶林，并存在老品種產油率不高、粗放管理、林地地力低等問題，制約著當地經濟發(fā)展[4]。因此，對低效油茶林地的改造，已成為當地發(fā)展可持續(xù)農業(yè)的一種關鍵實踐方式。

另一方面，人類活動改變土地利用方式后，植被的變化可能會顯著影響森林土壤的化學性質和養(yǎng)分有效性，即土壤質量[5]生物和土壤因素的變化，可以直接改變土壤微生物的多樣性和豐度[6-7]例如，森林轉化為農田會導致特定微生物的結構和多樣性發(fā)生變化[8-9]地上植物多樣性、蓋度和群落組成的變化可以通過調節(jié)小氣候條件、土壤養(yǎng)分或化感物質的分泌來影響土壤微生物群落和生態(tài)功能等[10-11]由于單一土壤指標對反映土壤質量的有效性不同，決定了其精確評價和比較立地條件變化的局限性，而如何將多個土壤指標轉化為一個綜合信息，定量化描述土壤質量已成為目前農林業(yè)研究的熱點[12]。

本研究針對貴州玉屏縣茶花泉油茶區(qū)百年以上的油茶老林林分改造后分別轉化為10 a油茶幼林、馬尾松林和杉木林土壤理化性質、酶活性和真菌多樣性指標進行取樣調查，分析比較幾種林分在土壤指標上的差異。并通過主成分分析法把測定的多個土壤指標轉化為土壤質量綜合指數（Soil quality index，SQI），建立低效油茶林分改造下土壤質量評價指標體系。探索林分轉化中調控林分土壤養(yǎng)分的關鍵因子，為油茶林土壤質量管理和良性生態(tài)環(huán)境重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究地位于貴州省銅仁市東南部玉屏縣朱家場鎮(zhèn)（27°28′～27°31′N，108°34′～109°09′E）。地處云貴高原至湘西低山丘陵過渡帶，海拔600～800 m，年平均氣溫17.1℃，平均降水量1 174 mm，屬于亞熱帶季風濕潤氣候。母巖以石灰?guī)r坡積物，土壤以第四紀黃壤為主。

1.2 試驗設計

于2021年1月分別在試驗區(qū)老油茶林（當地品種“寒露籽”，密度為1 050株/hm2）、新油茶林（“長林”系列54號-“湘林”系列27號混種，2010年完成造林，密度為1 155株/hm2）、馬尾松和杉木（2010年完成造林，造林密度2 m×3 m）林內隨機選取3個樣點，每個樣點之間距離大于20 m。去除表面枯葉及雜質后，分別收集地面以下1～15、15～30、30～45 cm 深度的土壤共500 g，裝入無菌塑封袋中充分混勻，迅速置于冰盒中保存并帶回實驗室。將采集到的土壤樣品分成2份，其中1份置于-80℃超低溫冰箱中保存，用于提取土壤真菌DNA；另1份土壤置于常溫下陰干后，用于土壤理化性質及土壤酶功能測定。

1.3 土壤理化性質

土壤pH值采用點位測定法；有機碳（TC）含量采用重鉻酸鉀氧化法；全氮（TN）含量采用半微量凱式法；全磷（TP）采用消煮液+鉬銻抗比色法；全鉀含量采用消煮液+火焰光度法；銨態(tài)氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）、速效磷（PO4）采用1M KCl浸提后通過連續(xù)流動分析儀（Skalar-analytic B.V，SAN++）測定；土壤總鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）含量采用硝酸-鹽酸-氫氟酸消解后，使用電感耦合原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES,Thermo.,USA）進行測定。利用微量板熒光法測定土壤酸性磷酸酶（Acid phosphatase，AP）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（N-acetylglucosaminidase，NAG）、β-葡糖苷酶的活性（β-glucosidase，BG）[13]。

1.4 真菌多樣性指數

采用Illumina 高通量測序平臺對土壤微生物進行測序。每個超低溫保存樣品稱取0.25 g土壤，利用Mobio PowerSoil試劑盒MoBio Laboratories Inc.,CA,USA）進行總DNA 提取。利用真菌通用引物ITS1F(5′-CTTGGTCATTAGAGAGAGTAA-3′)和 ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCTCTCGATGGC-3′)、AMF特異性引物AMV4-5NF（5′-AAGCTCGTAGT TGAATTTCG-3′）和AMDGR（5′-CCCAACTATCCC TATTAATCAT-3′）分別對DNA樣品進行序列擴增。PCR 產物經上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司Illumina Miseq PE300平臺進行高通量測序，而后于I-Sanger 生物 信息分析云平臺(http://www.isanger.com/)進行數據處理和根際土壤真菌多樣性指數分析。通過平臺中QIIME(http://qiime.org/scripts/assign_taxonomy.html)將識別閾值在97%以上的序列聚類為操作分類單元(operational taxonomic units，OTU)。

土壤理化指標及微生物多樣性數據采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同林分指標的差異性，多重比較采用Turkey-HSD檢驗顯著水平。

1.5 土壤質量評價

將要測定的18個指標作為總數據集，采用主成分分析、隸屬度函數、MDS等篩選測定指標建立評價體系，最后使用加權求和指數法計算土壤質量指數。將數據標準化處理后進行PCA分析，并結合Norm值，確定進入MDS指標。MDS指標選擇原則如下：提取特征值≥1的主成分，最大收斂迭代次數25，選擇主成分提取公因素，用最大方差正交法進行矩陣選擇，將指標載荷絕對值≥0.5的分為一組。采用Norm值（矢量常模）可以解決信息損失和數據冗余的問題。Norm值可以反映指標解釋的能力大小，數值越大解釋能力越強。Norm 值計算公式下：

式中：Nik是第i個指標在特征值≥1的前k個主成分的Norm值；Uik是第i個指標在第k個主成分上的荷載；λk是第k個主成分的特征值。

采用隸屬度函數將選出的各項指標統(tǒng)一進行標準化處理，轉化為0～1的無量綱數值作為隸屬度。根據主成分分析中主成分因素荷載的正負性，來判斷隸屬度函數分布的升降性。隸屬度函數分別為，升型、降型計算公式如下：

式中：（2）為升型計算公式；（3）為降型計算公式；x為土壤指標的值；x1、x2分別為土壤指標的最小值、最大值。

計算各指標在評價中的權重值，計算公式如下：

式中：Wi表示指標i在評價指標體系中的權重，Ci為第i個土壤指標在主成分分析中的公因素方差。

土壤質量指數SQI是土壤各屬性指標綜合作用的結果，其變化范圍為0～1，數值越大說明土壤質量越好。計算公式如下：

式中：Wi為第i個土壤指標的權重值；Ni為對應指標的隸屬度，n為土壤指標個數。

2 結果與分析

2.1 土壤化學性質

由圖1可知，林分轉化后13個化學指標的變化，其中pH值、全碳、全鉀、鎂、鐵、錳、硝態(tài)氮的含量在轉化前后產生顯著變化。林分轉化后，pH值開始向弱酸性環(huán)境轉變，全鉀、硝態(tài)氮分別增加31%～68%、6%～116%并都在油茶幼林土壤中含量最高。油茶老林的土壤中全碳、全氮、全鉀、鈣、鎂、錳、磷酸鹽、速效鉀含量相比于其他林分都較低。2種油茶林地土壤中鎂、鐵元素含量都顯著低于2種用材林。而在油茶幼林中的錳元素含量顯著高于其他3種林分，與油茶老林相比增加了243%。4種速效養(yǎng)分中，油茶幼林的硝態(tài)氮的含量顯著高于其他林分，而其他養(yǎng)分在4種林分中均無顯著差異。

圖1 土壤化學指標Fig.1 Soil chemical indicators

4種林分中3種酶活性變化如圖2所示。4種林分中酶活性雖無顯著差異，但相比于其余3種林地轉化后馬尾松林中NAG酶和AP酶的活性都更高。

圖2 土壤酶活性指標Fig.2 Soil enzyme activity index

真菌和叢枝菌Shannon指數在4種林分中均無顯著差異，但油茶幼林中Shannon指數略高于其他3種林分，如圖3所示。

圖3 真菌Shannon指數和叢枝菌根Shannon指數Fig.3 Fungal Shannon indexes and arbuscular mycorrhizal Shannon indexes

2.2 土壤質量評價體系構建

對pH值、全碳、全氮、全磷、全鉀、鈣、鎂、錳等13個化學指標以及3個酶活性指標以及真菌多樣性指標（Fungi_Shannon、AMF_Shannon）進行主成分分析，得到主成分特征值和貢獻率，結果見表1。由表1可以看出，前7個主成分對于總方差的累積貢獻率達到了77.26%。由旋轉成矩陣表2可知，18項指標在7個主成分中的各因子載荷。按照因素載荷的絕對值≥0.5的土壤指標，將各測定指標進行對應主成分分組劃分，得到由錳、硝態(tài)氮、全鉀、速效鉀、NAG、AP、全氮、pH值、全碳、全磷、Fungi-Shannon組成的第一個最小數據集（MDS1）。

表1 各因子主成分的特征值和貢獻率Table 1 Eigenvalue and contribution rate of principal components

表2 旋轉成分矩陣Table 2 Rotation component matrix

PCA分析可以減少變量重疊，但在減少指標的同時可能會導致土壤指標信息在一定程度上的損失，為了能夠對土壤指標數據進行全面分析。根據MDS1中各因素的載荷（表3），計算各個指標的Norm值，將在幾個主成分中對應Norm值最大的因素分為一組。以每組中最大Norm值的10%變化范圍進行篩選，選取此范圍內指標為土壤質量數據集的初選指標。由于指標之間的相關性越高，作用效果越相近，因此以相關系數0.6為標準，若相關性較高(相關系數≥0.6)，則剔除Norm值相對較低的指標。通過此步驟去除了，在主成分1中的Mn和主成分3中的NAG。

表3 Norm矩陣Table 3 Norm matrix

通過上述分析該地區(qū)油茶土壤肥力評價指標最小數據集為NO3-N、全鉀、速效鉀、AP、全氮、pH值、全碳以及真菌多樣性。最后采用加權求和指數法計算土壤質量指數，得到該地區(qū)土壤質量指數（圖4）。進行林分轉化之后，油茶幼林、馬尾松林以及杉木林土壤質量均得到了顯著提高。

圖4 土壤評價指標得分Fig.4 Scores of the soil evaluation indicators

3 討 論

研究表明，油茶自身喜好酸性環(huán)境，而油茶老林種植時間長，油茶根系可通過在土壤中擴散增殖造成土壤可溶性離子數目增多，導致團聚在根系區(qū)域內土壤pH值降低，從而增加土壤養(yǎng)分含量以及有效養(yǎng)分的吸收和利用。而3種新轉化林分中土壤有機碳均高于油茶老林表明，該3種樹種均處于快速生長期，無論是投入到地下的有機碳還是與根系微生物的共生關系來看，均處于活躍階段。這些結果與楊亞琴等[14]不同年齡油茶林以及田丹等[15]油茶林不同套種模式中土壤理化性質的研究結果一致。

馬尾松和杉木林相比，2種油茶樹對土壤中的鐵元素含量較低，證明油茶對鐵元素依賴性較強。根據曹永慶等[16]的研究結果，正處于成長過程的油茶根系中存貯的鐵元素會向地上部分轉運，但到了果實發(fā)育期和成熟期，整株的鐵元素累積量不再繼續(xù)變化。本研究中發(fā)現轉化為油茶幼林后，土壤中錳元素含量較油茶老林高2.4倍，說明在油茶幼林仍沒有充分利用土壤中的錳元素。曹永慶等[17]對油茶不同生長時期根莖葉中錳元素含量的累積和轉移的研究中發(fā)現，油茶果實長至成熟期時，油茶植株會停止對土壤中錳元素的吸收，在枝干中錳元素含量會下降，轉運并富集到油茶果實中，這樣的過程促進了果實的生長和成熟。周紅敏[18]等在將杉木林轉化為油茶林的研究中發(fā)現，油茶林中速效鉀的含量高于杉木林，與本研究結果相似。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物吸收氮元素的主要兩種形態(tài)，轉化后的硝態(tài)氮在油茶幼林土壤中留存較多，而銨態(tài)氮卻較少說明現階段油茶生長氮元素主要來自銨態(tài)氮。陳銘等[19]發(fā)現，合適的銨硝混合施肥，會幫助顯著影響油茶的生長。

精準施肥是低產油茶改造的重要技術措施，而土壤肥力評價則是土壤施肥管理方案指定的基礎。以最小數據集結構為基礎的土壤肥力管理最能反映土壤質量狀況及生產能力的指標。對不同土壤進行分析時，土壤指標過多，可能會影響土壤的特性，模糊了土壤間的差異，但若指標過少，會降低SQI對土壤質量變化的敏感性和表現性。本研究通過主成分分析、隸屬度函數、MDS等篩選測定指標建立土壤SQI評價體系，確定碳、氮、磷是土壤質量評價中必不可少的指標，與土壤礦物質共同作為林木營養(yǎng)的來源。全鉀與速效鉀作為油茶開花結果的重要元素，在林分轉化過程中凸顯出關鍵指示性作用[20]，酸性磷酸酶能有效促進有機磷化合物的分解，為植物生長補充有效磷素，狄嵐等[21]發(fā)現油茶根系會促進微生物對土壤磷養(yǎng)分的有效轉化。此外，油茶作為一種菌根依賴性木本油料植物，真菌多樣性對油茶的作用也應該受到更多的重視。例如，鄧小軍等[22]發(fā)現植物數量與真菌孢子密度、植物種的豐富度與AM真菌種的豐富度和AM真菌孢子密度均呈極顯著正相關關系。不同林分類型中優(yōu)勢植物共生的共生偏向性以及隨真菌群落多樣性提升的生態(tài)功能多樣性將更有利于森林生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分利用轉化[23]。油茶幼苗種植8～16 a后油茶果實才進入產期，成果轉化周期較長，本研究缺少轉化后油茶幼林帶來的實際經濟效益。

4 結 論

通過對該地區(qū)的土壤理化指標和真菌多樣性進行篩選，選出土壤肥力評價指標最小數據集，土壤質量得分結果表明對油茶老林進行轉化能改善該地區(qū)土壤質量。油茶林適合在酸性的土壤環(huán)境中生長，在土壤管理過程中除氮、磷、鉀、鎂之外，針對油茶林還應關注鐵、錳等微量礦物質含量。油茶作為菌根依賴性木本油料科植物，在未來施肥時可考慮增加菌肥的使用。本研究為今后的該地區(qū)土壤管理，精準施肥提供了指導?？稍趯嵭行碌氖┓使芾矸绞胶?，結合油茶產量開展后續(xù)研究。