文 志,趙 赫,劉 磊,王麗娟,歐陽志云,鄭 華,*,李彥旻,,

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 海南鸚哥嶺國家級自然保護區(qū)管理站, 白沙 572800 4 中國科學院城市環(huán)境與健康重點實驗室,中國科學院城市環(huán)境研究所, 廈門 361021 5 廈門城市代謝重點實驗室, 廈門 361021

工業(yè)原料和農業(yè)生產的需要導致全球大量森林退化為其他土地利用類型。在熱帶地區(qū),已有大量原始林轉變?yōu)榇紊趾腿斯ち諿1],這種退化趨勢還將繼續(xù)[2]。其中,森林采伐和人工林擴種是熱帶天然林退化的最重要原因[3-4]。例如,橡膠(Heveabrasiliensis)種植面積已達9.4×106hm2,預測未來還將增加3倍[5]。在海南,橡膠和檳榔(Arecacatechu)已成為最重要的兩大熱帶經濟作物[6-7],統(tǒng)計年鑒顯示2016年種植面積分別已達5.41×103hm2和9.97×102hm2,其中很大部分由天然林轉變而來[8]。天然林退化后,不僅改變了植物群落結構,而且增加了土地利用強度,均會影響土壤理化性質[1,3],容易引起土壤質量退化[9-10],進而降低生態(tài)系統(tǒng)生產力[11]。研究土地利用變化對土壤質量影響,尤其是天然林退化為橡膠林和檳榔林,對農業(yè)生產和土地管理均有現(xiàn)實指導意義[3,12]。

土地利用變化對土壤質量影響已有較多研究[9,12-13]。在熱帶地區(qū),已有研究主要關注熱帶天然林轉變?yōu)槎喾N人工林[14]、農耕地和草地[10,15]及棄耕地自然恢復[9,16]對土壤質量影響,極少有研究探討天然林轉變?yōu)橄鹉z林后土壤質量變化[3,5],關于檳榔林土壤質量研究更少。但橡膠和檳榔的種植顯著影響土壤性質[2,17],例如熱帶森林轉變?yōu)橄鹉z林后減少了土壤有機質[5],降低了土壤總氮和有效磷[1],增加了土壤容重[18],土壤理化性質變化會導致土壤質量嚴重退化[2,10]。鑒于目前已有大量天然林轉變?yōu)橄鹉z和檳榔林,但對其土壤質量影響尚不清楚。因此,明確天然林退化為橡膠和檳榔后對土壤質量影響,探討其內在變化機制,對于熱帶地區(qū)橡膠和檳榔林的有效管理尤為必要[19]。

基于植物群落功能性狀的方法可較好解釋土地利用變化對生態(tài)過程影響[20],越來越多的研究應用此方法探討生態(tài)過程變化。例如,天然林轉變?yōu)槿斯ち趾蠊δ苄誀罡L密度的降低增加了土壤侵蝕而導致土壤碳流失[21]。植物群落地上和地下功能性狀是多個關鍵生態(tài)系統(tǒng)過程和服務的決定性因子[22-23],但極少有研究從群落功能性狀角度闡釋土地利用變化對土壤質量影響[12,16]。本研究以海南中部山區(qū)5種土地利用為對象,明確天然林退化為橡膠林和檳榔林對土壤質量影響,從群落功能性狀角度分析土壤質量變化原因,以期為全面揭示土地利用變化對土壤質量影響的內在機制,及土地利用管理策略的制定提供理論參考。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the research area 1,2,3,4,5分別表示原始林、次生林、檳榔林、橡膠林和橡膠益智林位置;PF：原始林,Primitive forest；SF：次生林,Secondary forest；AP：檳榔林,Areca plantation；RP：純橡膠林,Pure rubber plantation；RAP：橡膠益智林,Rubber intercropping Alpinia oxyphylla plantation

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省白沙縣東南部(19° 04′73″—19° 04′80″N,109° 31′14″—109° 31′55″E),見圖1。該地區(qū)地處北熱帶,屬熱帶季風氣候。地形以山地為主,年平均氣溫20—24℃,年降水量1900—2900 mm,降雨季節(jié)分配不均,雨季主要在5—11月,這一時期降雨量約占全年降雨總量的80%—94%。區(qū)內主要以花崗巖為主要成土母質,土壤類型為磚黃壤。2004年之前,當?shù)鼐用褚缘陡鸱N方式破壞森林多年,大量天然林轉變?yōu)槿斯ち帧?004年后該地區(qū)逐步建立保護區(qū)進行土地管理,天然林執(zhí)行保護政策,但人工林仍允許農戶按需進行管理。總體上,區(qū)內土地類型多樣,分布有原始林、次生林、檳榔林、桉樹(Eucalyptusspp.)林和橡膠林等多種類型,人工林以橡膠林和檳榔林居多。部分居民為增加收入,選擇在橡膠林下套種益智(Alpiniaoxyphylla),豐富了土地利用類型。

1.2 樣地基本情況

在對研究區(qū)土地利用進行資料查詢和踏查基礎上,選擇區(qū)內有代表性的5種土地類型為對象,分別為原始林(PF)、次生林(SF)、檳榔林(AP)、純橡膠林(RP)和橡膠益智復合林(RAP)。其中,次生林為原始林經砍伐火燒后自然恢復而來。檳榔林和兩種橡膠林原均為原始林,后經刀耕火種改造成人工林。其中,檳榔林下為雜草(覆蓋度約60%)；橡膠林下為裸地,林下植被和雜草被人為徹底清除。將益智套種于橡膠林中,即為橡膠益智林,益智覆蓋度為60%,高度約為1—2 m,密度為 7.2×105叢/hm2,兩種橡膠林管理方式完全一致。在原始林中設置50 m×50 m標準樣地,其他土地利用中設置3個20 m×20 m標準樣地,再將各樣方劃為10 m×10 m的小樣方,測定小樣方中每株胸徑(DBH)≥1 cm木本的胸徑、樹高,并鑒定其種名。因益智為草本,在橡膠益智林只調查橡膠特征,記錄各土地類型中坡度和林木密度等因子(表1)。

表1 樣地基本情況

PF：原始林,Primitive forest；SF：次生林,Secondary forest；AP：檳榔林,Areca plantation；RP：純橡膠林,Pure rubber plantation；RAP：橡膠益智林,Rubber intercroppingAlpiniaoxyphyllaplantation

1.3 樣品采集和測定

1.3.1 土壤樣品采集及測定

已有研究表明熱帶地區(qū)土地利用變化主要影響表層土壤性質,對中深層土壤影響作用不大[10,24]。據此,2016年9月在各土地利用類型中取0—10 cm表層土壤(5點取樣法),5點取樣中的每個點均用3個土壤環(huán)刀(容積100 cm3)采集3個樣品用于測定土壤物理性質。且在每個點用10 cm土鉆(直徑3.5 cm)采取土樣3個,置入自封袋混勻后帶回實驗室測定土壤化學性質。

土壤容重、總孔隙度和最大持水量等土壤物理性質采用常規(guī)方法測定和計算[25]。土壤有機質、土壤總氮、堿解氮、亞硝態(tài)氮、土壤總磷、有效磷、總鉀、有效鉀和緩效鉀等土壤化學性質的測定和計算亦采用常規(guī)方法[26]。

1.3.2 群落功能性狀測定

土地利用變化顯著改變植物群落功能性狀[27]。已有研究表明土壤性質受群落功能性狀間接或直接影響。植被郁閉度通過多種途徑改變土壤水分和養(yǎng)分[28],凋落物量、根長密度和細根密度均直接影響土壤理化性質[21,29],比根長是細根生理功能的一個重要指標,與根系分泌物和根系增殖等密切相關[30]。因此,選擇植被郁閉度、凋落物量、根長密度、細根密度和比根長為群落功能性狀指標。

植被郁閉度野外直接測定。凋落物測定具體如下：在每個取土樣點附近設定1 m×1 m小樣方,一次性收集小樣方中凋落物,實驗室65℃烘干后,稱量和計算凋落物量。細根性狀測定如下：將混合均勻土樣自然風干后,過2 mm土篩,挑選土壤中≤2 mm細根,洗凈后65℃烘干至恒重,稱重得到細根質量(RM)。細根樣品用Canon LiDE120 掃描儀掃描,通過Image-Pro Plus 6.0軟件測定掃描圖片中細根總長度(RL)。群落功能性狀根長密度(RLD)、細根密度(RD)和比根長(SRL)計算公式分別為：

RLD=RL/V,RD=RM/V,SRL=RL/RM

式中,V為取樣土壤體積。

1.4 土壤質量評價

土壤質量的評價有多種方法,但多數(shù)研究采用土壤質量指數(shù)(soil quality index,SQI)進行評價[31-32]。計算土壤質量指數(shù)前,需從土壤參數(shù)中選取對土壤質量敏感的評價參數(shù)最小數(shù)據集(MDS)。土壤參數(shù)的確定有3種方法：(1)參考已有文獻,(2)咨詢專家意見,(3)通過主成分分析篩選。本研究在已有文獻基礎上[9-10,12,16],先選擇土地利用間差異顯著的土壤參數(shù)進入主成分分析。通過主成分分析,結合專家意見,篩選進入最小數(shù)據集(MDS)的土壤參數(shù)。土壤參數(shù)的權重Wi用主成分分析確定。理想情況下,土壤質量評價數(shù)據集還應包括土壤生物學參數(shù),但理化參數(shù)基本上已經代表了土壤質量評價因子[12],而且,用生化指標作為土壤質量評價因子的最大問題是缺乏相關參考值及這些生化性質之間存在的相互矛盾[33]。

在評價土壤質量時,土壤肥力指標中的土壤有機質、總氮、堿解氮、亞硝態(tài)氮和總磷等被認為越多越好,土壤總孔隙度被認為合適就好[34],但考慮到研究區(qū)土壤總孔隙度與土壤多個肥力指標可能為正相關關系[35],因此,土壤總孔隙度和土壤肥力指標隸屬度值均采用升型分布函數(shù)計算[32],計算公式為：

式中,Xmax和Xmin分別為土壤第i個指標的最大值和最小值；Xi為第i個指標的值。

對各土壤因子指標值用乘法進行整合[36],土壤質量指數(shù)(SQI)計算公式為：

式中,Pi和Wi分別表示第i種評價指標所對應的隸屬度值和權重系數(shù)；n為最小數(shù)據集土壤指標的數(shù)量。

1.5 數(shù)據分析

植物群落功能性狀(凋落物量、郁閉度、根長密度、細根密度和比根長)、土壤物理和化學性質及土壤質量指數(shù)通過單因素方差分析(ANOVA)確定不同土地利用類型的差異,在此基礎上通過LSD兩兩比較以確定土地類型間的差異顯著性。評價土壤質量時采用主成分分析方法(PCA)確定不同土壤參數(shù)的權重。Bivariate Correlations分析群落功能性狀與土壤性質和質量指數(shù)間相關性,以Pearson相關性系數(shù)表征與指標間相關性高低,Two-tailed檢驗反映與該指標間是否具有顯著相關性。以上數(shù)據分析均在SPSS 20.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)軟件完成,檢驗水平均為0.05。數(shù)據結果使用SigmaPlot for Windows version 12.5(Systa Software Inc.)制圖?；谌郝涔δ苄誀钆c土壤性質和質量指數(shù)間相關性,用結構方程模型進一步探索不同因素的直接和間接影響,運用P值、NNFI、CFI和 RMSEA作為檢驗模型的擬合指數(shù),結構方程模型的構建和分析使用SPSS AMOS(IBM SPSS AMOS Inc.,21.0)軟件完成。

2 結果與分析

2.1 植物群落功能性狀

土地利用變化顯著改變了植物群落功能性狀(圖2)。與原始林相比,其他林型凋落物量、根長密度和細根密度均顯著減少(P<0.05)。凋落物量達8.9 t/hm2,次生林、檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林分別降低37.9%、65.5%、83.1%和72.4%。但根長密度和細根密度降低趨勢不一致,其中,次生林、檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林根長密度分別降低59.9%、52%、83.9%和69.5%,細根密度分別降低37.8%、70%、83.8%和62.5%。天然林凋落物、郁閉度和細根密度顯著高于人工林(P<0.05),但比根長差異不明顯,僅檳榔林中比根長顯著低于次生林。人工林之間的根長密度差異顯著(P<0.05),但細根密度和比根長無明顯差異。

圖2 不同土地利用群落功能性狀差異Fig.2 Differences in community functional traits under different land use types

2.2 土壤質量

2.2.1 土壤理化性質

土地利用變化明顯改變了土壤性質(圖3)。原始林中土壤容重、總孔隙度、最大持水量、土壤有機質和總氮分別為1.07 g/cm3、56.8%、54.2%、2.86%和0.186%。與原始林相比,其他林型土壤容重顯著增加,土壤總孔隙度、最大持水量、土壤有機質和總氮均顯著降低(P<0.05),其他4種林型間土壤容重、總氮和堿解氮無差異(P>0.05),但檳榔林中土壤總孔隙度低于其他林型(P<0.05)。橡膠益智林中土壤有機質含量最低(1.45%),顯著低于次生林(P<0.05),但與其他兩種人工林無顯著差異(P>0.05)。原始林堿解氮含量為0.233 g/kg,次生林、檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林分別降低了13.7%、23.3%、18%和23.6%,檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林降低明顯(P<0.05),但次生林降低未達到顯著水平(P>0.05)。

原始林亞硝態(tài)氮含量為0.23 mg/kg,顯著低于次生林和檳榔林(P<0.05),但與兩種橡膠林無顯著差異(P>0.05)。檳榔林中亞硝態(tài)氮含量明顯高于其他林型,兩種橡膠林間硝態(tài)氮無差異,但橡膠益智林土壤有效磷明顯高于純橡膠林,速效鉀明顯低于純橡膠林(P<0.05)。原始林土壤速效鉀含量為38.6 mg/kg,顯著低于其他林型(P<0.05),純橡膠林中速效鉀最高。

原始林中土壤總磷、全鉀和緩效鉀分別為0.012%、0.681%和0.194 g/kg,次生林、檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林中土壤總磷含量分別是原始林的1.25、1.49、1.85、1.71倍,全鉀分別是原始林的1.09、1.35、2.05、2.45倍,緩效鉀分別是原始林1.24、2.99、7.05、7.4倍。其中,檳榔林和兩種橡膠林總磷、全鉀和緩效鉀顯著高于原始林(P<0.05),但次生林與原始林間無顯著差異(P>0.05)。檳榔林與兩種橡膠林間總磷無明顯差異,但全鉀和緩效鉀顯著低于兩種橡膠林(P<0.05)。土地利用強度增加會提高土壤總磷、全鉀和緩效鉀含量。

2.2.2 土壤質量評價參數(shù)

土地利用間差異顯著的土壤參數(shù)進入主成分分析,表2反應不同土地利用類型土壤參數(shù)的主成分分析結果。由表可知,特征值≥1主成分有4個,4個主成分解釋百分比分別為40.71%、16.46%、15.56%和9.19%,共可解釋土壤參數(shù)總變量的81.91%。其中,PC1具有4個高權重變量,分別為土壤總孔隙度、最大持水量、土壤有機質和堿解氮,PC1可能與土壤水分保持密切相關。PC2高權重變量為有效磷和速效鉀,反應土壤中可利用磷和鉀元素含量狀況。PC3高權重變量亞硝態(tài)氮、全鉀和緩效鉀,PC4高權重變量為全氮和全磷。相關分析表明各土壤參數(shù)均與特征向量顯著相關,均應進入最終評價。

2.2.3 土壤質量指數(shù)

土地利用變化明顯改變了土壤質量(圖4)。與原始林相比,次生林、檳榔林、純橡膠林和橡膠益智林土壤質量指數(shù)顯明顯降低(P<0.05),降低比例分別為63.4%、85.8%、81.2%和84.1%。檳榔林中土壤質量變化最大,但與兩種橡膠林間無顯著差異(P>0.05)。次生林土壤質量指數(shù)明顯高于檳榔林和兩種橡膠林(P<0.05)。橡膠林中套種益智降低了土壤質量指數(shù),降低比例為13.5%。隨著原始林、次生林和人工林梯度土地利用強度的增加,土壤質量表現(xiàn)出顯著降低趨勢。

表2 不同土地利用土壤參數(shù)的主成分分析結果

*特征向量表示與土壤參數(shù)相關性顯著,*P<0.05

圖4 不同土地利用土壤質量指數(shù)差異 Fig.4 Differences in soil quality index under different land use types

2.3 土壤質量影響因素

表3反應群落功能性狀與土壤性狀和土壤質量相關性,由表可知,土地利用轉變導致的植物群落功能性狀變化顯著影響土壤性質和土壤質量。其中,除比根長外的其他功能性狀與土壤最大持水量、有機質、堿解氮和土壤質量均為顯著正相關關系,表明天然林退化后凋落物量、郁閉度、根長密度和細根密度的降低均會使土壤質量退化,植物地上(凋落物和郁閉度)和地下(根長密度和細根密度)功能性狀主要通過改變關鍵土壤性質(土壤最大持水量、有機碳和堿解氮)以影響土壤質量。土地利用轉變后植物群落功能性狀差異是土壤質量變化重要原因。

結構方程模型適配度指標P值為0.439,NNFI值為1.015,CFI值為1.000,RMSEA值為0.000,表示模型的適配情形良好(圖5)。模型結果表明,細根密度對土壤質量直接影響最大,但凋落物對土壤質量間接影響最大,主要通過間接影響土壤有機質和堿解氮而影響土壤質量。

3 結論與討論

土地利用變化導致的土地利用強度增加引起土壤質量退化。從已有研究來看,土地利用變化包含兩方面重要內容,一是土地利用強度變化[37],二是土地利用中植被群落結構變化[5]。本研究發(fā)現(xiàn)原始林的轉變導致土壤質量顯著退化,原始林轉變?yōu)榇紊?、檳榔林、橡膠林和橡膠益智林土壤質量分別降低63.4%、85.8%、81.2%和84.1%。與次生林相比,橡膠林和檳榔林土壤質量退化程度加重,與橡膠林和檳榔林中高的土地利用強度有關[3],尤其是橡膠林和檳榔林中頻繁性的農業(yè)生產活動,例如除草和收果等,壓實了土壤而增加土壤容重,改變土壤孔隙度和持水性能[2-3],影響土壤質量。橡膠林和檳榔林均為高強度土地利用類型,具相似土地利用強度[38],因此,3種人工林間土壤質量并無顯著差異。

表3 群落功能性狀與土壤性質和土壤質量相關性

*:P<0.05,**:P<0.01

圖5 群落功能性狀對土壤質量直接和間接影響Fig.5 Direct and indirect effects of community functional traits on soil qualityNNFI：非規(guī)范擬合指數(shù),Non-normed fit index；CFI：比較擬合指數(shù),Comparative fit index；RMSEA：近似誤差均方根,Root mean square error of approximation

土地利用轉變導致植物群落功能性狀變化而影響土壤質量。植物群落功能性狀表征土地利用變化對植物群落結構影響,是土地利用變化的另一重要內容[27]。本研究發(fā)現(xiàn),土地利用變化下,植物群落功能性狀凋落物、郁閉度、根長密度和細根密度改變是土壤質量退化重要原因(表3)。原始林轉變?yōu)榇紊?、橡膠林和檳榔林后,植物群落功能性狀凋落物、郁閉度、根長密度和細根密度均發(fā)生明顯變化,且變化趨勢相異(圖2),與其他研究結果類似[37]。群落功能性狀以不同機制調節(jié)關鍵土壤性質而影響土壤質量。其中,天然林退化后凋落物及其分解速率的降低是土壤有機質和堿解氮減少重要原因[39],郁閉度不僅調控凋落物輸入量而間接影響土壤性質,還可控制蒸騰作用直接影響土壤水分[28]。低的細根密度降低了根系分泌物而使土壤碳氮輸入減少[29]。此外,原始林轉變?yōu)榇紊趾腿斯ち纸档土送寥牢⑸飻?shù)量和種類,繼而減少根系分泌物和死根的分解速率[40],進一步降低土壤有機質和氮素的補充。細根密度通過改善土壤孔隙度和有機質含量而增加土壤最大持水性[21],進而與其他關鍵土壤性質共同改善土壤質量。由此可知,植物群落地上(凋落物和郁閉度)和地下(細根密度)功能性狀均與土壤質量密切相關,土地利用轉變導致群落功能性狀變化可能是土壤質量退化的最重要原因[22-23]。目前極少有研究從植物群落功能性狀角度分析土壤質量變化,本研究結果為全面理解土地利用變化對土壤質量影響提供了新視角。

土地管理者可通過調控植物群落功能性狀以改善土壤質量。經踏查和調研發(fā)現(xiàn),海南地區(qū)農戶常從橡膠林拾薪,大量枯枝被人為轉移降低了橡膠林中凋落物量。農戶還常用噴灑農藥方式清除橡膠林和檳榔林中雜草,農藥施用直接導致雜草細根凋亡,有些林地甚至寸草不留,降低了群落中細根密度。從本研究結果來看,農戶的拾薪和除草活動均因降低群落功能性狀而不利于土壤質量保持。因此,土地管理者可采用禁止拾薪和調整除草方式來調節(jié)土壤質量,尤其是改變除草方式,例如將噴施農藥轉變?yōu)槿斯こ?既清除了地面雜草而不影響生產,又保留了雜草地下細根活性,從而改善土壤質量。此外,有研究認為土地利用變化導致的土壤流失是土壤質量退化重要原因[3]。本研究未測定土壤侵蝕,但據前人研究結果,熱帶原始林土壤流失量明顯低于次生林和人工林[2],而凋落物增加不僅可減少土壤侵蝕[41],還可補充土壤有機質和氮素[39],因此,對橡膠林和檳榔中凋落物進行有效管理極為必要。綜合考慮到土地利用強度增加對土壤質量負面影響,土地管理中應對橡膠林和檳榔林等人工林中凋落物進行有效管理以改善土壤質量,實現(xiàn)土地利用可持續(xù)性。