符裕紅，黃宗勝，喻理飛，楊 瑞

（1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州師范學(xué)院，貴陽 550018）

土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，巖溶地區(qū)石漠化較為嚴(yán)重、土層淺薄、土被不連續(xù)、成土速度慢［1－2］，生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞則難以恢復(fù)，嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡、居民生存及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。土壤質(zhì)量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)維持作物生產(chǎn)，保持環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力［3］。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人口的迅速增加，一些不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致人口、資源、環(huán)境之間的矛盾和可持續(xù)發(fā)展面臨空前壓力［4］，土壤作為一種非再生資源［5］，其質(zhì)量問題受到各方面人士的廣泛關(guān)注。針對(duì)巖溶地區(qū)，由于基巖可溶產(chǎn)生的裂隙［6－8］以及巖石產(chǎn)狀傾角的影響［9］，使土壤水分分布出現(xiàn)差異，這在一定程度上造成了土壤理化性狀及生物環(huán)境的改變，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量；另外，植物根系由于其極強(qiáng)的穿串能力［10］，同時(shí)也生長于地下巖石的裂縫中，說明巖層下存在地下空間；而不同類型的地下空間土壤質(zhì)量如何則未見報(bào)道。

前人對(duì)巖溶石漠化區(qū)的土壤質(zhì)量研究也主要集中于地表小生境［1－2，11－14］，基于此，本文以地下根系生長空間為研究對(duì)象，針對(duì)其土壤理化性狀、生物學(xué)指標(biāo)等，對(duì)典型生境類型的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，了解其土壤條件的差異，為巖溶石漠化地區(qū)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及改良提供相應(yīng)的依據(jù)，促進(jìn)巖溶地區(qū)石漠化的植被恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)和治理。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市境內(nèi)，貴陽市位于貴州省中部的云貴高原東斜坡地帶，地處北緯26°11′—27°27′，東經(jīng)106°07′—107°17′，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，兼有高原性和季風(fēng)性氣候特點(diǎn)；境內(nèi)山巒重疊，峽谷深幽，地勢起伏較大，海拔506.5～1762 .7 m，相對(duì)高差1256 .2m。年平均氣溫15.3℃，年極端最高溫35.1℃，年極端最低溫度－7.3℃，年降水量1300 mm，年平均相對(duì)濕度為77%，日照時(shí)數(shù)1354 h，無霜期270d。境內(nèi)植被類型豐富，碳酸鹽巖分布廣泛，主要巖石類型為石灰?guī)r和白云巖；土壤類型多樣，有黃壤、石灰土、紫色土、沼澤土和水稻土等；黃壤為地帶性土壤，一般土層深厚，土壤呈條帶狀鑲嵌分布，組合多樣［15］。

根據(jù)野外植物根系地下生長空間的剖面調(diào)查所劃分的18個(gè)生境類型；本研究選擇了其中3個(gè)典型類型進(jìn)行土壤質(zhì)量的分析評(píng)定。分別為:白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅵ）、白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅸ）、白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型（類型Ⅺ）；所選擇的典型樣地均位于貴陽市境內(nèi)，其中，類型Ⅵ位于安遷，類型Ⅸ和類型Ⅺ均位于蔡家關(guān)。各樣地及其典型類型的基本特征見表1。

表1 各樣地及其典型類型基本特征

1.2 土樣采集

土壤采集范圍為三個(gè)巖石產(chǎn)狀不同的樣地，各樣地均設(shè)置三個(gè)20m×15m的樣方。在各樣方內(nèi)根據(jù)所選擇的三個(gè)典型類型的基本特征，分別在樣方內(nèi)選取6個(gè)的同時(shí)具備樣點(diǎn)處生境相似和大小一致的巖石產(chǎn)狀傾角的代表性樣點(diǎn)，三個(gè)樣地共計(jì)54個(gè)樣點(diǎn)。采樣時(shí)，由于各典型類型存在不同的空間組合，故均選擇“表層空間＋下層空間”的組合形式；表層空間土壤采樣深度均為0—30cm；下層空間一般由于巖石裂縫關(guān)系一般土層較深，故均以除去表層空間土壤的100cm為限，以50cm分層，進(jìn)行中、下層的分層采樣；每層空間范圍選擇4～6個(gè)土樣混合為一個(gè)土壤樣品；共采集土壤樣品162個(gè)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心，關(guān)系到其評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性及準(zhǔn)確性。根據(jù)目標(biāo)區(qū)的環(huán)境條件，選擇土壤質(zhì)量的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)定［16］。本研究選擇的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)有:土壤pH值、土壤水分、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶共18個(gè)指標(biāo)，詳見表2。

表2 土壤指標(biāo)的方差分析結(jié)果

土壤pH值采用電位測定法；土壤水分采用烘干法；土壤容重采用環(huán)刀法［17］；土壤全氮采用采用蒸餾法測定；堿解氮采用擴(kuò)散法；全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法；全鉀、速效鉀采用火焰光度法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸—外加熱法［17－18］。

蔗糖酶、淀粉酶的測定采用3，5－二硝基水楊酸比色法；脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；蛋白酶采用茚三酮比色法；磷酸酶磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶采用容量法；多酚氧化酶采用碘量滴定法，過氧化物酶采用容量法［19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)原始數(shù)據(jù)，對(duì)各土壤指標(biāo)變量進(jìn)行獨(dú)立、正態(tài)、齊性檢驗(yàn)，得出各指標(biāo)數(shù)據(jù)滿足方差分析所要求的獨(dú)立、正態(tài)、齊性三條件，可以進(jìn)行方差分析。以各指標(biāo)為變量對(duì)主體間雙因子:植物根系地下生長空間典型類型（白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型、白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型、白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型共3個(gè)水平）、空間土壤層次（上層、中層、下層共3個(gè)水平）進(jìn)行雙因素方差分析，以LSD進(jìn)行差異檢驗(yàn)（表2）。

表2顯示，針對(duì)各個(gè)因變量，類型p＜0.01；層次p＜0.01；類型×層次p＜0.01，這說明類型和層次及其互作對(duì)土壤指標(biāo)均有極顯著的影響，其中，各個(gè)組的R2＞0.90、調(diào)整的R2＞0.90，說明該模型具有較好的解釋能力，且模型擬合較好，這表明類型和層次是影響土壤指標(biāo)值變化的主要因子。LSD檢驗(yàn)得出不同的類型和不同的層次間土壤指標(biāo)值存在極顯著差異（p＜0.01）。上述分析表明本研究采樣方法正確，數(shù)據(jù)科學(xué)、合理，具有很強(qiáng)的代表性，所選指標(biāo)符合土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

2.2 土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于不同類型和層次之間的土壤指標(biāo)值存在差異，因此，在各個(gè)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中，為減小其量綱差異，避免指標(biāo)之間絕對(duì)值和變化幅度較大，故在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前對(duì)所測定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式［20］為:

式中:i——樣本數(shù)；j——指標(biāo)個(gè)數(shù)；xij′——標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)；ˉxj——測定數(shù)據(jù)平均值；sj——第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。各土壤指標(biāo)具體數(shù)值及標(biāo)準(zhǔn)化值如表3—4所示。

表3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)養(yǎng)分?jǐn)?shù)值

表4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中各種酶類的數(shù)值

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分分析

經(jīng)過評(píng)價(jià)指標(biāo)的主成分分析，提取了3個(gè)主成分y1，y2，y3，這3個(gè)變量包括了原始數(shù)據(jù)信息總量的91.329%。說明這3個(gè)主成分能夠代表原來的18個(gè)指標(biāo)來反映土壤質(zhì)量（表5）。

表5 土壤指標(biāo)成分矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率

從表5中可看出，第一主成分主要包括土壤水分（x2）、有機(jī)質(zhì)（x4）、全氮（x5）、全磷（x7）、全鉀（x9）、速效鉀（x10）、淀粉酶（x12）、脲酶（x13）、蛋白酶（x14）、磷酸酶（x15）、過氧化物酶（x18），它們具有較大的荷載，分別為:0.919，0.861，0.963，0.910，0.953，0.901，0.840，0.954，0.885，0.702，0.851。第二主成分主要包括蔗糖酶（x11），其荷載為:0.888。第三主成分主要包括pH值（x1），其荷載為0.710。這說明第一主成分主要反映的是土壤大多數(shù)指標(biāo)的影響，第二主成分主要反映土壤蔗糖酶的影響，而第三主成分主要反映土壤pH值的影響。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各指標(biāo)主成分分析結(jié)果，各指標(biāo)主成分得分矩陣如表6所示。

表6 土壤指標(biāo)成分得分矩陣

根據(jù)表6中各主成分指標(biāo)的得分，可以得到各主成分的函數(shù)表達(dá)式分別為:

將表3—4中的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)帶入上述函數(shù)表達(dá)式，可以得到各土壤指標(biāo)3個(gè)主成分的得分值。為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量，選擇土壤肥力的綜合指標(biāo)值（integrated fertility index，IFI）來進(jìn)行最終的綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)變換，其計(jì)算公式［20］為:

式中:ai——第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率；yj——第j個(gè)主成分得分值。計(jì)算各得分值并排序，結(jié)果如表7所示。

表7 土壤指標(biāo)主成分得分及排序

從表7中可以看出，不同類型不同層次的土壤由于其不同指標(biāo)的影響，其質(zhì)量存在差異；在第一主成分方面，以類型Ⅸ和類型Ⅺ的表層土占優(yōu)勢；在第二主成分方面，以類型Ⅵ的表層和中層土占優(yōu)勢；而在第三主成分方面，以類型Ⅺ的表層和下層土占優(yōu)勢。

在綜合評(píng)價(jià)得分IFI的排序中，其大小順序依次為類型Ⅸ表層＞類型Ⅺ表層＞Ⅵ類型表層＞類型Ⅸ中層＞類型Ⅺ中層＞類型Ⅸ下層＞類型Ⅺ下層＞類型Ⅵ中層＞類型Ⅵ下層。以上結(jié)果說明三種不同類型，類型Ⅵ（白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型）、類型Ⅸ（白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型）、類型Ⅺ（白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型）的土壤質(zhì)量存在差異。

表層土、中層土和下層土的大小順序?yàn)轭愋廷绢愋廷绢愋廷觥８黝愋拖碌耐寥?，層次分化性較為明顯，其綜合評(píng)分均表現(xiàn)為表層＞中層＞下層。

出現(xiàn)以上結(jié)果，主要是在巖溶石漠化區(qū)特殊的地質(zhì)背景條件下，由巖石產(chǎn)狀類型及土壤分布特點(diǎn)決定的；在巖石產(chǎn)狀傾角為水平狀態(tài)時(shí)，土壤分布主要集中于水平面，土層淺薄，植物根系大多為水平延伸，土壤養(yǎng)分容易被植物吸收利用；而在巖石產(chǎn)狀傾角為直立狀態(tài)時(shí)，土壤分布由于巖層的裂隙，主要填充于呈直立狀態(tài)的巖石裂隙中，植物根系大多為垂直延伸，養(yǎng)分容易隨水分的下滲而流失；當(dāng)巖石產(chǎn)狀傾角為傾斜狀態(tài)時(shí)則居于二者之間，故土壤養(yǎng)分及質(zhì)量相對(duì)較高。因此，由于根系生境分布的多層性特征，土壤質(zhì)量也呈現(xiàn)出了層次分異，這些研究結(jié)果對(duì)揭示巖溶石漠化地區(qū)植物根系地下生境土壤質(zhì)量提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)石漠化區(qū)的植被恢復(fù)和治理均具有積極的促進(jìn)和推動(dòng)作用。

3 結(jié)論

（1）在研究對(duì)象上，本文選擇的是典型根系地下生境類型的土壤，在前人的研究中，主要研究對(duì)象僅為地表生境的土壤［1－2，11－14］，這對(duì)揭示特殊地質(zhì)條件下的根系地下生境具有非常重要的作用和意義。

（2）根據(jù)土壤采樣，進(jìn)行了各土壤指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，證明所采土壤樣品具有代表性，經(jīng)方差分析得出:類型和層次是影響土壤指標(biāo)值變化的主要因素，不同根系地下生境類型的不同層次土壤指標(biāo)數(shù)值存在極顯著差異。經(jīng)過一系列的統(tǒng)計(jì)分析，保證了各樣地典型類型樣點(diǎn)上各采樣點(diǎn)土壤樣品質(zhì)量的一致性和代表性，確保了各個(gè)典型類型間土壤質(zhì)量分析比較的科學(xué)性、合理性及準(zhǔn)確性；同時(shí)為后續(xù)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了相應(yīng)的依據(jù)和基礎(chǔ)。

（3）經(jīng)過主成分分析并結(jié)合土壤肥力綜合指數(shù)的計(jì)算，對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)得出:土壤化學(xué)指標(biāo)在評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量時(shí)具有非常顯著的地位及意義，土壤生物學(xué)指標(biāo)及物理指標(biāo)也起到了較大的作用；不同類型的土壤質(zhì)量存在差異，且具有明顯的層次性，土壤質(zhì)量表現(xiàn)為白云巖傾斜產(chǎn)狀多層空間類型＞白云巖直立產(chǎn)狀多層空間類型＞白云巖水平產(chǎn)狀多層空間類型，在各類型的空間層次上，土壤質(zhì)量層次性明顯，均隨土壤深度的增加表現(xiàn)為下降趨勢。這體現(xiàn)了同種巖石類型不同產(chǎn)狀的相同空間類型的土壤質(zhì)量差異；說明巖石的產(chǎn)狀傾角對(duì)土壤質(zhì)量的差異存在重要影響；曾有研究［9］指出，在喀斯特地區(qū)，巖石的產(chǎn)狀傾角影響了土壤水分的分布；說明巖石產(chǎn)狀傾角在一定程度上會(huì)造成土壤生態(tài)條件的改變，土壤水分及養(yǎng)分的變化，勢必影響土壤質(zhì)量的差異。因此，針對(duì)喀斯特地區(qū)不同巖石產(chǎn)狀類型樣地的典型樣點(diǎn)進(jìn)行土壤質(zhì)量分析，有利于正確評(píng)價(jià)石漠化區(qū)植被的生境條件，充分認(rèn)識(shí)巖溶石漠化區(qū)立地條件，促進(jìn)植被恢復(fù)技術(shù)研究和石漠化治理。

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