張 靜, 黃興科, 羅雅曦, 常海濤, 劉任濤

(1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 3.中衛(wèi)市林業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心, 寧夏 中衛(wèi) 755000)

在干旱風(fēng)沙區(qū)，種植經(jīng)濟(jì)果林不僅能夠增加農(nóng)民收入，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，且作為生物措施對(duì)沙地治理的水土保持作用又非常顯著，能夠增加地表植被覆蓋率，改良貧瘠的土壤環(huán)境，有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和土地資源可持續(xù)利用，是治理風(fēng)沙區(qū)水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一[1]。果林園地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是經(jīng)濟(jì)林地土壤資源可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)果林健康發(fā)展的重要措施。其中，土壤質(zhì)量是維持地球生物圈穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[2]，是土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[1]。土壤水分含量、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量的變化以及土壤養(yǎng)分含量是否平衡等會(huì)直接影響到樹(shù)體生長(zhǎng)、果實(shí)品質(zhì)、果樹(shù)利用年限和蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展[3-4]。而硒元素作為人體必需的14種微量營(yíng)養(yǎng)元素之一，與人體健康密切相關(guān)，是部分重金屬元素的天然解毒劑，能有效提高生命免疫功能，對(duì)防癌、抗癌能發(fā)揮重要作用，被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家譽(yù)為“生命之火”、“抗癌之王”。所以，研究寧夏風(fēng)沙區(qū)不同林齡蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)演變、土壤質(zhì)量及硒元素評(píng)價(jià)，對(duì)于該區(qū)域土壤資源管理、經(jīng)濟(jì)果林建設(shè)利用及農(nóng)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于種植年限與土壤質(zhì)量的關(guān)系研究較多集中在作物和其他植物上。張珍明等[5]對(duì)不同種植年限的山銀花下土壤微生物特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限的增加，土壤肥力下降。周海霞等[6]探討了種植年限對(duì)設(shè)施蔬菜土壤及基質(zhì)質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)量隨著種植年限的增高先提升后降低，種植達(dá)4 a時(shí)土壤質(zhì)量最好，4 a后有下降趨勢(shì)。鄭敏娜等[7]對(duì)晉北鹽堿區(qū)不同種植年限人工紫花苜蓿草地土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)不同種植年限的紫花苜蓿草地均可提高土壤質(zhì)量，其中種植10 a苜蓿草地土壤質(zhì)量最好。劉軍等[8]對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)邊坡不同年限沙棘林下土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在土地復(fù)墾中引種沙棘，對(duì)改善排土場(chǎng)土壤環(huán)境有實(shí)際意義。綜合分析表明，植被種植能夠改善土壤環(huán)境質(zhì)量，而且不同種植類(lèi)型存在的閾值對(duì)土壤理化性質(zhì)及土壤質(zhì)量影響也有較大差異性，這對(duì)于土壤資源管理、種植模式優(yōu)化均具有重要指導(dǎo)作用。但是，在寧夏風(fēng)沙區(qū)，關(guān)于不同年限蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，報(bào)道較少。

寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭位于騰格里沙漠東南緣，處于干旱風(fēng)沙區(qū)，生態(tài)環(huán)境惡劣。為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，增加地方農(nóng)民收入，且考慮其土壤富硒狀況對(duì)該地區(qū)進(jìn)行蘋(píng)果園建設(shè)。目前，該區(qū)域分布有近7 333 hm2蘋(píng)果園，蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)已成為該區(qū)域重要優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)演變特征，是評(píng)價(jià)區(qū)域蘋(píng)果園土壤質(zhì)量的重要依據(jù)，也是該區(qū)域蘋(píng)果林健康、可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。鑒于此，本研究選擇沙坡頭區(qū)2年生(2 a)、5年生(5 a)、10年生(10 a)和25年生(25 a)蘋(píng)果園為研究樣地，以周?chē)牡貫閷?duì)照(CK)，通過(guò)調(diào)查不同林齡的土壤理化性質(zhì)變化特征，并采用土壤質(zhì)量綜合得分對(duì)土壤質(zhì)量做出合理評(píng)價(jià)，解析蘋(píng)果園發(fā)展演變的關(guān)鍵閾值階段，為該區(qū)域蘋(píng)果園發(fā)展與管理、蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及脫貧富農(nóng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)永康鎮(zhèn)雙達(dá)村(37°26′48″—37°26′52″N，105°20′21″—105°20′25″E)，海拔約1 280 m。該地區(qū)屬半干旱氣候，具有典型的大陸性季風(fēng)氣候和沙漠氣候的特點(diǎn)，因受太陽(yáng)輻射和降雨量影響，日照充足，晝夜溫差大。年平均氣溫8.3 ℃，年降水量179.6 mm，年蒸發(fā)量為1 829.6 mm，為降水量的10.2倍。降水量主要集中在6—8月，占全年降水量的60%[9-10]。全年無(wú)霜期平均156 d，全年日照時(shí)數(shù)2 870 h。土壤以炭灰鈣(白僵)土為主，風(fēng)沙土次之。由于其獨(dú)特的地理區(qū)位且有黃河水灌溉，為蘋(píng)果種植提供了良好的自然條件。

研究區(qū)內(nèi)包括4片不同林齡的蘋(píng)果園和一塊對(duì)照荒地。其中蘋(píng)果園的種植模式相同，株行距基本一致，株距在2.5～3.5 m之間，行距在4～4.5 m之間。具體情況如下：2 a生蘋(píng)果園果樹(shù)平均高度為2.96 m，平均株距2.55 m，行距4.20 m，總面積為0.86 hm2。5 a生蘋(píng)果園果樹(shù)平均高度為4.03 m，平均株距3.2 m，行距4.25 m，總面積為1.03 hm2。10 a生蘋(píng)果園果樹(shù)平均高度為4.40 m，平均株距3.47 m，行距4.45 m，總面積為0.87 hm2。25 a蘋(píng)果園果樹(shù)平均高度為4.88 m，平均株距3.25 m，行距4.20 m，總面積為0.84 hm2。4片不同林齡的蘋(píng)果園均屬于雙達(dá)村農(nóng)民專(zhuān)業(yè)合作社，規(guī)范化管理，每年根據(jù)果樹(shù)的不同生長(zhǎng)時(shí)期的生長(zhǎng)情況施3～4次水溶肥，灌溉4～5次，合作社統(tǒng)一在林間種植西瓜、卷心菜等以充分利用土地，提高經(jīng)濟(jì)效益。林地中間區(qū)域有一塊荒地，面積約為0.90 hm2，將不同林齡蘋(píng)果園分隔開(kāi)來(lái)。林地地表植被主要包括油蒿(Artemisiaordosica)、豬毛菜(Salsolacollina)、獨(dú)行菜(Lepidiumapetalum)、委陵菜(Potentillachinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狗尾草(Setariaviridis)和山苦荬(Ixerisdenticulata)等。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選擇2年生、5年生、10年生和25年生蘋(píng)果園為研究樣地，以周?chē)牡貫閷?duì)照，分別用序號(hào)2 a，5 a，10 a，25 a，CK來(lái)代表每個(gè)樣地。每種類(lèi)型樣地設(shè)5個(gè)重復(fù)樣區(qū)，面積20 m×20 m，間距20 m。在每個(gè)重復(fù)樣區(qū)布設(shè)5個(gè)10 m×10 m的調(diào)查樣方，間距10 m。共布設(shè)5樣地×5重復(fù)×5樣方=125樣方。

于2018年5月，在4個(gè)蘋(píng)果園樣地的每個(gè)樣方內(nèi)進(jìn)行植被調(diào)查，選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的5株果樹(shù)，通過(guò)卷尺測(cè)量其高度(m)、冠幅(m)和新稍長(zhǎng)(m)，通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量其胸徑(cm)和基徑(cm)，作為研究樣地背景(表1)。同時(shí)，在距所選果樹(shù)基部10 cm左右處布設(shè)土壤取樣點(diǎn)。

表1 研究蘋(píng)果園基本概況

注：2 a為2年生蘋(píng)果園，5 a為5年生蘋(píng)果園，10 a為10年生蘋(píng)果園，25 a為25年生蘋(píng)果園； 數(shù)據(jù)為：均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫(xiě)字母表示不同樣地間存在顯著差異性(p<0.05)。下同。

2.2 土壤樣品采集與測(cè)定

在每個(gè)取樣點(diǎn)用土溫計(jì)進(jìn)行土壤溫度測(cè)定，分上午、中午和下午連續(xù)測(cè)定3次，平均后計(jì)作土壤溫度(℃)。用環(huán)刀法(100 cm3)取完整土樣，進(jìn)行土壤容重(g/cm3)測(cè)定。然后，采用5點(diǎn)取樣法取一個(gè)混合土樣(取樣深度0—10 cm)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)測(cè)定分析。

首先，采集的新鮮土壤樣品的1/4進(jìn)行土壤含水量的測(cè)定。然后，將剩余3/4土壤樣品經(jīng)過(guò)2 mm土壤篩，以除去其中的雜質(zhì)如草根、葉片等，在自然狀態(tài)下風(fēng)干，用來(lái)測(cè)定土壤粒徑組成、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤水解性氮和土壤硒含量[11]。

土壤含水量(%)采用烘干法測(cè)定，即將盛有新鮮土樣的鋁盒放在分析天平上稱(chēng)重，準(zhǔn)確至0.01 g，然后置于105 ℃烘箱中烘烤24 h后，冷卻至室溫立即稱(chēng)重[12]。土壤粒徑組成(%)采用Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定，其重復(fù)性誤差≤±0.5%，準(zhǔn)確性誤差≤±1%。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USAD)制土壤粒徑組成分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤粒徑：粗砂粒(250～1 000 μm)、細(xì)砂粒(100～250 μm)、極細(xì)砂粒(50～100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[13]。土壤pH值(水土比懸液比為2.5∶1) 和土壤電導(dǎo)率(μs/m)(水土比浸提液為5∶1) 用P4多功能測(cè)定儀器測(cè)定[11]。土壤有機(jī)碳(%)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤全氮(%)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，土壤速效鉀(mg/kg)采用NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定，土壤速效磷(mg/kg)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻鈧比色法測(cè)定，土壤水解性氮(mg/kg)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，土壤硒(mg/kg)采用原子熒光光譜法測(cè)定[12]。

2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取 本文在參考與結(jié)合黃婷[14]對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系研究的基礎(chǔ)上，選取和建立適合本研究的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。具體指標(biāo)共計(jì)17個(gè)，包括土壤粗砂粒(X1)、土壤細(xì)砂粒(X2)、土壤極細(xì)砂粒(X3)、土壤黏粉粒(X4)、土壤溫度(X5)、土壤含水量(X6)、土壤容重(X7)、土壤孔隙度(X8)、土壤電導(dǎo)率(X9)、土壤pH值(X10)、土壤全氮(X11)、土壤有機(jī)碳(X12)、土壤C/N(X13)、土壤速效鉀(X14)、土壤速效磷(X15)、土壤水解性氮(X16)、土壤硒(X17)。其中所選取的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)可以體現(xiàn)土壤的肥力狀況，土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可以體現(xiàn)土壤的形成和發(fā)育過(guò)程，土壤養(yǎng)分指標(biāo)可以反映與植物體吸收利用的關(guān)系[8]。

2.3.2 主成分分析步驟

(1) 列出原始數(shù)據(jù)矩陣X。包括上述17個(gè)土壤指標(biāo)。

(2) 將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各指標(biāo)具有不同的量綱，為了排除不同量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，對(duì)各實(shí)測(cè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15]。標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(1)

(3) 計(jì)算樣本的相關(guān)矩陣R。

(4) 用雅可比法求解相關(guān)矩陣R的特征值和特征向量。

(5) 計(jì)算貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，確定主分量個(gè)數(shù)，解釋各主分量的意義，建立主分量方程。

(7) 根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算各樣地類(lèi)型土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值，據(jù)此對(duì)不同土地利用類(lèi)型土壤質(zhì)量作相應(yīng)評(píng)價(jià)。

(2)

式中：Pi——第i種土地利用類(lèi)型的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值；Xij——第i種土地利用類(lèi)型第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；wj——第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，由主成分分析法得到；i——樣地的個(gè)數(shù)(本文中i=1，2，3，4，5)；n——評(píng)價(jià)中所選指標(biāo)的個(gè)數(shù)(本文中n=17)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較法分析不同數(shù)據(jù)組間的差異，采用Spearman相關(guān)系數(shù)分析不同指標(biāo)間的相關(guān)性。顯著水平為p=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)

3.1.1 土壤粒徑組成、土壤容重及土壤孔隙度 由表2可以看出，不同林齡的蘋(píng)果園的土壤粒徑組成存在顯著差異性(p<0.05)。土壤粗砂粒表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和對(duì)照荒地(p<0.05)，且后3種樣地之間均無(wú)顯著差異性(p>0.05)。土壤細(xì)砂粒表現(xiàn)為荒地顯著高于5 a和10 a(p<0.05)，而2 a和25 a居中。土壤極細(xì)砂粒表現(xiàn)為荒地和2 a顯著高于5 a，10 a和25 a(p<0.05)，25 a又顯著高于5 a和10 a(p<0.05)，而荒地和2 a之間無(wú)顯著差異性，5 a和10 a間也無(wú)顯著差異性(p>0.05)。土壤黏粉粒含量隨著林齡的增加現(xiàn)升高后降低，10 a出現(xiàn)最大值。土壤黏粉粒表現(xiàn)為5 a和10 a顯著高于荒地、2 a和25 a(p<0.05)。不同林齡的蘋(píng)果園間土壤容重存在顯著差異性。隨著林齡的增加，土壤容重呈先下降后上升的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為5 a和10 a顯著低于2 a和25 a(p<0.05)，且均顯著低于對(duì)照荒地(p<0.05)不同林齡的蘋(píng)果園間土壤孔隙度無(wú)顯著差異性(p>0.05)，均在54%～58%之間。

表2 不同林齡蘋(píng)果林的土壤粒徑組成、土壤容重及土壤孔隙度

3.1.2 土壤含水量和土壤溫度 由圖1可知，不同林齡的蘋(píng)果園間土壤含水量存在顯著差異性。隨著林齡的增加，土壤含水量基本呈上升趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為荒地顯著低于蘋(píng)果園(p<0.05)，5 a和25 a顯著高于2 a(p<0.05)，且均與10 a無(wú)顯著性差異(p>0.05)。由圖1可知，不同林齡的蘋(píng)果園的土壤溫度隨林齡的增加而降低，表現(xiàn)為荒地顯著高于2 a和25 a(p<0.05)，且2 a顯著高于25 a(p<0.05)，但5 a和10 a與2 a和25 a均無(wú)顯著差異(p>0.05)。

圖1 不同林齡蘋(píng)果園的土壤含水量和土壤溫度

3.1.3 土壤電導(dǎo)率和pH值 由圖2可知，不同林齡的蘋(píng)果園的土壤電導(dǎo)率隨林齡的增加而基本呈上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為25 a顯著高于5 a和荒地(p<0.05)，而2 a和10 a與其余幾個(gè)樣地均無(wú)顯著性差異(p>0.05)。

圖2 不同林齡蘋(píng)果園的土壤電導(dǎo)率)和土壤pH值

由圖2可知，該地區(qū)的土壤屬于弱堿性，且林地土壤pH值有隨著林齡增加而出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，10 a出現(xiàn)最大值。主要表現(xiàn)為10 a和25 a顯著高于2 a(p<0.05)，而荒地和5 a與其余三種樣地均無(wú)顯著性差異(p>0.05)。

3.1.4 土壤營(yíng)養(yǎng)元素 由表3可知，不同林齡蘋(píng)果園的土壤全氮和有機(jī)碳含量之間存在顯著差異(p<0.05)。均表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和荒地(p<0.05)，5 a和10 a顯著高于2 a和荒地(p<0.05)，但其兩兩之間無(wú)顯著差異(p>0.05)。但土壤C/N卻表現(xiàn)為荒地顯著高于蘋(píng)果園(p<0.05)，而10 a顯著高于25 a(p<0.05)，2 a和5 a與10 a和25 a之間均無(wú)顯著差異(p>0.05)。

表3 不同林齡蘋(píng)果園的土壤全氮、土壤有機(jī)碳和土壤C/N

由圖3可以看出，不同林齡蘋(píng)果園土壤速效鉀、速效磷和水解性氮含量均隨著林齡的增加而增加。土壤速效鉀、速效磷和水解性氮均表現(xiàn)為25 a顯著高于10 a，5 a，2 a和荒地(p<0.05)，其中土壤速效鉀表現(xiàn)為10 a顯著高于荒地(p<0.05)，而2 a和5 a與10 a和荒地均無(wú)顯著性差異(p>0.05)。土壤速效磷表現(xiàn)為5 a，2 a和荒地之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)，10 a與其余4種樣地類(lèi)型均無(wú)顯著性差異(p>0.05)。土壤水解性氮表現(xiàn)為10 a和5 a顯著高于2 a和荒地(p<0.05)，而兩兩之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。由圖3可知，土壤硒含量隨著林齡的增加存在先上升后下降的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在10 a。表現(xiàn)為10 a顯著高于5 a(p<0.05)，而2 a，25 a和荒地與10 a和5 a之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。

圖3 不同林齡蘋(píng)果園的土壤速效鉀、土壤速效磷、土壤水解性氮和土壤硒元素含量

3.2 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表4可以看出，土壤粗砂粒和黏粉粒與土壤溫度和土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與土壤含水量、土壤全氮和有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，且土壤粗砂粒與土壤速效鉀和水解性氮呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，而黏粉粒與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)；土壤細(xì)砂粒和極細(xì)砂粒與土壤容重呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，與土壤溫度和土壤C/N呈正相關(guān)(p<0.05)，與土壤含水量、有機(jī)碳呈負(fù)相關(guān)(p<0.05)，且土壤極細(xì)砂粒與土壤全氮和土壤水解性氮呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)；土壤溫度與土壤含水量、全氮、有機(jī)碳、速效鉀和水解性氮呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與土壤容重和土壤C/N呈顯著正相關(guān)(p<0.01);土壤含水量與土壤容重和土壤C/N呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與土壤全氮、有機(jī)碳、土壤速效鉀和水解性氮呈顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤容重與土壤全氮和有機(jī)碳呈負(fù)相關(guān)(p<0.05)；土壤孔隙度和土壤硒與其余指標(biāo)均無(wú)相關(guān)性(p>0.05)；土壤電導(dǎo)率只與土壤水解性氮呈正相關(guān)(p<0.05)，土壤pH值只與土壤有機(jī)碳呈正相關(guān)(p<0.05)；土壤全氮和有機(jī)碳與土壤速效磷、速效鉀和水解性氮均呈顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤速效鉀與速效磷呈正相關(guān)(p<0.05)；土壤水解性氮與土壤速效鉀和速效磷呈顯著正相關(guān)(p<0.01)。

表4 不同林齡蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

從表5可以看出，根據(jù)特征值λ>1的原則提取前6個(gè)主成分，這6個(gè)主成分的特征值分別為7.89，2.41，1.55，1.28，1.01和0.96，方差貢獻(xiàn)率分別為46.41%，14.19%，9.10%，7.52%，5.95%和5.65%。選取主成分時(shí)，除了要滿(mǎn)足特征值λ>1的基本條件外，還要滿(mǎn)足前n個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上的條件，只有同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，才可以認(rèn)為前n個(gè)主成分已基本能夠反映出原變量的主要信息。在本研究中，前6個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.82%(>85%)，因此可以認(rèn)為選取前6個(gè)主成分能夠代表所有的信息。其中，第1主成分綜合了土壤粗砂粒(X1)、土壤細(xì)砂粒(X2)、土壤極細(xì)砂粒(X3)、土壤黏粉粒(X4)、土壤含溫度(X5)、土壤含水量(X6)、土壤容重(X7)、土壤全氮(X11)、土壤有機(jī)碳(X12)、土壤C/N(X13)、土壤速效鉀(X14)、土壤水解性氮(X16)這12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息，其系數(shù)均大于0.5。第一主成分的貢獻(xiàn)率最大，包含的指標(biāo)也最多，說(shuō)明這些土壤指標(biāo)在土壤質(zhì)量方面起著主導(dǎo)作用，可以用這1個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)解釋原17個(gè)土壤綜合質(zhì)量因子信息的46.41%。第2主成分包括了土壤粗砂粒(X1)、土壤細(xì)砂粒(X2)土壤黏粉粒(X4)和土壤pH值(X10)這4個(gè)指標(biāo)，其系數(shù)均大于0.5，可以解釋原土壤綜合質(zhì)量的14.19%。第3主成分包括土壤pH值(X10)這1個(gè)指標(biāo)，可以解釋原土壤綜合質(zhì)量的9.10%。第4主成分包括土壤孔隙度(X8)和土壤硒(X17)這2個(gè)指標(biāo)，其系數(shù)均大于0.5，可以解釋原土壤綜合質(zhì)量的7.52%。第5主成分包括土壤硒(X17)這1個(gè)指標(biāo)，可以解釋原土壤綜合質(zhì)量的5.95%。第6主成分包括土壤速效磷(X15)這1個(gè)指標(biāo)，可以解釋原土壤綜合質(zhì)量的5.65%。

表5 主成分分析中各因子的特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

注：X1為土壤粗砂粒,X2為土壤細(xì)砂粒,X3為土壤極細(xì)砂粒,X4為土壤黏粉粒,X5為土壤溫度,X6為土壤含水量,X7為土壤容重,X8為土壤孔隙度,X9為土壤電導(dǎo)率,X10為土壤pH值,X11為土壤全氮,X12為土壤有機(jī)碳,X13為土壤C/N,X14為土壤速效鉀,X15為土壤速效磷,X16為土壤水解性氮,X17為土壤硒。

根據(jù)主成分得分矩陣可以建立主成分得分方程：

Z1=0.698X1-0.574X2-0.788X3+0.648X4-0.866X5+0.901X6-0.754X7+0.200X8+0.241X9+

0.362X10+0.919X11+0.821X12-0.858X13+0.711X14+0.467X15+0.829X16+0.085X17

(3)

Z2=0.526X1+0.605X2+0.372X3-0.691X4-0.028X5-0.085X6+0.434X7-0.015X8+0.587X9-

0.194X10+0.191X11+0.152X12+0.028X13+0.391X14+0.301X15+0.437X16-0.286X17

(4)

Z3=0.048X1-0.112X2+0.013X3+0.050X4+0.327X5-0.304X6+0.234X7+0.364X8-0.128X9+

0.690X10-0.004X11+0.312X12+0.410X13+0.067X14+0.431X15+0.166X16+0.411X17

(5)

Z4=0.002X1-0.166X2-0.017X3+0.109X4+0.090X5-0.016X6+0.105X7-0.779X8+0.216X9-

0.173X10-0.126X11+0.113X12+0.160X13+0.296X14-0.100X15+0.123X16+0.607X17

(6)

Z5=0.099X1+0.195X2+0.175X3-0.239X4-0.128X5+0.134X6-0.110X7+0.316X8-0.471X9-

0.194X10-0.007X11-0.160X12-0.097X13+0.366X14-0.111X15-0.070X16+0.532X17

(7)

Z6=-0.389X1-0.121X2+0.174X3+0.057X4-0.133X5+0.063X6-0.142X7+0.177X8+0.395X9-

0.136X10-0.213X11-0.330X12-0.092X13+0.064X14+0.568X15+0.007X16+0.159X17

(8)

式中：Z1—Z6——6個(gè)主成分；X1—X17——各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。

將標(biāo)準(zhǔn)化后的變量分別帶入這6個(gè)函數(shù)方程，得到不同林齡蘋(píng)果園的土壤得分Z，用因子的方差貢獻(xiàn)率作為綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重，按照各自的方差貢獻(xiàn)率加權(quán)相加得出各土地利用類(lèi)型下得土壤質(zhì)量綜合得分，計(jì)算公式為：

F=0.464Z1+0.142Z2+0.091Z3+

0.075Z4+0.060Z5+0.057Z6

(9)

表6為各樣地不同主成分因子得分和綜合得分情況。由表6可以看出，荒地，2 a，5 a，10 a和25 a的土壤質(zhì)量綜合得分分別為-5.404，-2.246，1.424，1.923，4.310。其中25 a的土壤質(zhì)量綜合得分最高，且只有5 a，10 a和25 a的土壤質(zhì)量綜合得分為正值，說(shuō)明這3種樣地類(lèi)型的土壤質(zhì)量高于平均水平，而荒地和2 a的土壤質(zhì)量綜合得分都為負(fù)值，低于平均水平。

表6 主成分因子得分與綜合得分

注：Z1為第1主成分因子得分,Z2為第2主成分因子得分,Z3為第3主成分因子得分,Z4為第4主成分因子得分,Z5為第5主成分因子得分,Z6為第6主成分因子得分；F為土壤質(zhì)量綜合得分。

4 討 論

4.1 不同林齡蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)變化特征

在干旱貧瘠土壤長(zhǎng)期種植果樹(shù)，表層沙土不斷固定，大氣降塵沉積量逐漸增加，加之生物過(guò)程的加強(qiáng)，共同促進(jìn)了土壤理化性質(zhì)演變[18]。土壤基質(zhì)中土壤顆粒大小不同使得其土壤理化性質(zhì)差異較大。單個(gè)土壤顆粒的大小和形狀、化學(xué)組成和礦物質(zhì)以及顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，進(jìn)而影響土壤的肥力狀況、植被生長(zhǎng)繁衍、土壤溶質(zhì)的運(yùn)移[17]。本研究中，不同林齡蘋(píng)果園都是以黏粉粒為主，極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒次之，粗砂粒含量最少，較種植果樹(shù)之前改善許多，黏粉粒含量顯著增加，說(shuō)明蘋(píng)果園土壤肥力較好，土壤黏粉粒含量多而使得其保水、保肥性好，易耕作[24,31]。其中，10 a的蘋(píng)果園土壤黏粉粒含量最高，這是因?yàn)橄噍^于2 a和5 a的蘋(píng)果園和荒地而言，10 a生長(zhǎng)管理時(shí)間長(zhǎng)，養(yǎng)分含量更充足，而25 a樹(shù)體粗大，樹(shù)體吸收土壤養(yǎng)分較多，使得老齡林地呈現(xiàn)出一定的土壤砂?；?。土壤容重和孔隙度反映了土壤的透水性和通氣性，是決定林地土壤水源涵養(yǎng)和水土保持能力的重要因素[20]。本研究中，土壤容重表現(xiàn)為：CK>25 a>2 a>5 a>10 a，說(shuō)明土壤容重越大則土壤越緊實(shí)，不利于通氣透水，但蘋(píng)果園精細(xì)管理并增施有機(jī)肥可以在一定程度上降低土壤容重。土壤孔隙度表現(xiàn)為種植蘋(píng)果后的土壤孔隙度相較于荒地有所增加，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)種植植被，植物根系量增加且有一定的延伸范圍，枯落物增多從而導(dǎo)致孔隙度增加，但不同林齡之間無(wú)顯著差異性，這可能是因?yàn)槿藶楦蓴_和植被種植對(duì)土壤孔隙度的影響達(dá)到平衡。

本研究中，土壤含水量表現(xiàn)為：25 a>5 a>10 a>2 a>CK，即土壤含水量隨著林齡增大而基本呈上升趨勢(shì)。這與冉偉[19]對(duì)黃土高原丘壑區(qū)不同種植年限果園土壤水分變化規(guī)律相悖?？赡苁且?yàn)檠芯繀^(qū)降水少，林地內(nèi)需要定期的人工灌水，每個(gè)樣地灌水量相同，但取樣時(shí)日照充足，在同樣灌水的情況下林齡越小覆蓋度越低，從而導(dǎo)致地表水分蒸發(fā)迅速，含水量降低。同樣，土壤溫度表現(xiàn)為：CK>2 a>5 a>10 a>25 a，其原因是林齡越小，郁閉度越小，陽(yáng)光直射，使得土壤溫度升高。近年來(lái)土壤學(xué)的研究結(jié)果表明，土壤電導(dǎo)率這一參數(shù)本身包含了反映土壤品質(zhì)和物理性質(zhì)的豐富信息[21]。土壤中鹽分、水分及有機(jī)質(zhì)含量，土壤壓實(shí)度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導(dǎo)率的改變。本研究中，土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為：25 a>10 a>2 a>5 a>CK，土壤pH值表現(xiàn)為：10 a>25 a>5 a>CK>2 a，從整體上可以看出隨著林齡的增加，土壤電導(dǎo)率和pH值呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著種植年限增加，植被覆蓋度高，再加上常年高溫、缺少雨水淋洗，蒸發(fā)強(qiáng)烈，改變了自然狀態(tài)下的水熱平衡，土壤得不到雨水淋洗，致使鹽分在土壤表層聚集[22]，這可能是土壤電導(dǎo)率和pH值逐漸升高的原因。

4.2 不同林齡蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間的相互作用及協(xié)調(diào)效應(yīng)能夠綜合反映土壤生產(chǎn)力的高低和對(duì)逆境的適應(yīng)能力[14]。土壤粒徑組成對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)起著決定性作用，可以影響土壤水分的吸收、陰陽(yáng)離子的轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分元素碳、氮的供應(yīng)。本研究中，土壤粒徑與土壤含水量之間相關(guān)性顯著，這是因?yàn)橥寥来稚傲！⒓?xì)砂粒和極細(xì)砂粒有利于水分下滲，而黏粉粒又有利于水分積累，提高持水能力[13]。而土壤黏粉粒與土壤全氮和有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)，是由于黏粉粒與有機(jī)質(zhì)膠結(jié)的主要無(wú)機(jī)膠體，其為膠結(jié)作用提供了膠結(jié)環(huán)境和膠結(jié)動(dòng)力，能對(duì)土壤良好的結(jié)構(gòu)性能起到一定的保護(hù)作用[35-36]。

土壤容重與土壤黏粉粒和土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，是因?yàn)楸韺油寥乐械酿し哿Ｔ馐茱L(fēng)力吹蝕得以損失，從而增大土壤容重，不利于形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降低土壤含水量，增大土壤侵蝕[20]。土壤含水量與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)是因?yàn)橐欢康耐寥篮坑欣谕寥澜Y(jié)構(gòu)的維持，從而增加土壤的吸附性，進(jìn)而增加土壤對(duì)養(yǎng)分的吸收和穩(wěn)固能力，使得土壤養(yǎng)分含量增加[37]。通過(guò)分析土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性得知，土壤養(yǎng)分元素之間相關(guān)性顯著，這是由于在一定程度上施用有機(jī)肥造成的。該地區(qū)土壤呈弱堿性，不利于土壤中微生物分解殘落物，從而與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，抑制了土壤對(duì)氮的吸收。這與夏棟等[38]對(duì)植被混凝土的pH值、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果相吻合。說(shuō)明通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有利于土壤中大量元素的速效養(yǎng)分含量的提升。這與張強(qiáng)等[39]在北京昌平區(qū)蘋(píng)果園所得到的研究結(jié)果相似。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮和速效養(yǎng)分顯著正相關(guān)，說(shuō)明提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量可以增加土壤大量元素的有效養(yǎng)分含量，這可能是由于土壤有機(jī)質(zhì)和氮素之間存在相互關(guān)系的原因[4]。田小明[40]等在石河子大學(xué)試驗(yàn)站溫室進(jìn)行的盆栽試驗(yàn)也表明在一定程度上施用有機(jī)肥可以提高土壤養(yǎng)分、微生物生物量，增強(qiáng)土壤酶活性。

4.3 不同林齡蘋(píng)果園土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的目的是正確認(rèn)識(shí)土壤，反映土壤管理的變化，從而有效管理和保護(hù)土壤[41]。土壤質(zhì)量是土壤諸多物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映[41]。其中影響土壤質(zhì)量的因子很多，一個(gè)統(tǒng)一的、無(wú)量綱的綜合指標(biāo)可更加直觀表現(xiàn)土壤質(zhì)量總體情況[39]，因此一些數(shù)學(xué)方法對(duì)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)起到了重要作用[42]。但是，到目前為止，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)還處于相對(duì)薄弱的領(lǐng)域[45]，仍沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[43-45]，不同研究者評(píng)價(jià)的目的性和針對(duì)性不同，選用的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)亦有差異[45-46]。本研究采用主成分分析篩選出對(duì)土壤質(zhì)量影響較大的幾個(gè)指標(biāo)因素，并通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，寧夏沙區(qū)不同林齡蘋(píng)果園的土壤質(zhì)量綜合得分排序?yàn)椋?5 a>10 a>5 a>0>2 a>CK，其中綜合得分越高，說(shuō)明該林齡的土壤質(zhì)量的綜合程度越高，反之則越低。

25 a，10 a，5 a的果園綜合得分為正值，說(shuō)明該植被類(lèi)型下的土壤質(zhì)量高于平均水平，而CK和2 a綜合得分值為負(fù)，則說(shuō)明土壤質(zhì)量低于平均水平[47]。綜合來(lái)看25 a的蘋(píng)果園土壤狀況最好；其次為10 a和5 a的蘋(píng)果園土壤質(zhì)量良好；2 a蘋(píng)果園和荒地的土壤質(zhì)量較差，但相較于荒地來(lái)看，2 a果園也有所改善。這與陳磊[4]對(duì)黃土高原坡地蘋(píng)果園土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異，但與當(dāng)?shù)貙?shí)際較為相符。本研究區(qū)位于沙坡頭區(qū)，日照充足，但降雨量稀少，土壤演變過(guò)程相較于黃土高原坡地要慢一些，其中25 a蘋(píng)果園的土壤經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的施肥和灌溉，土壤養(yǎng)分積累充足，且避免翻耕和除草等人為干擾后地表植被類(lèi)型增多、覆蓋度變大，因此土壤質(zhì)量評(píng)分較高[48]。而2 a蘋(píng)果園正處于生長(zhǎng)期，土壤肥力較差，土壤養(yǎng)分積累不足，導(dǎo)致土壤質(zhì)量較差；5 a蘋(píng)果園處于盛果期，土壤質(zhì)量明顯得到改善，林地枯落物的增多使得土壤養(yǎng)分在通過(guò)施肥積累的同時(shí)得到枯落物養(yǎng)分歸還[49-51]，土壤質(zhì)量良好；10 a蘋(píng)果園相較于5 a土壤養(yǎng)分積累時(shí)間更長(zhǎng)，積累量增多，其質(zhì)量也隨之提高。在本研究中，長(zhǎng)期種植蘋(píng)果樹(shù)可以有效改善土壤質(zhì)量并對(duì)其維持產(chǎn)生積極影響。

5 結(jié) 論

寧夏沙區(qū)不同林齡蘋(píng)果園的土壤質(zhì)量隨著林齡的增加而呈上升趨勢(shì)，土壤養(yǎng)分含量也不斷增加，特別是硒元素含量處在較高水平，說(shuō)明在沙區(qū)種植蘋(píng)果這類(lèi)經(jīng)濟(jì)林植被在帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)還可以從一定程度上改善土壤質(zhì)量，進(jìn)而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。但長(zhǎng)期施用化學(xué)肥料，土壤的氮素在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，且隨著雨水淋溶到深層土壤，使得土壤硝酸鹽不斷累積。因此，重視林地平衡施肥，控制氮磷肥的同時(shí)增施鉀肥和有機(jī)肥，有利于蘋(píng)果園健康發(fā)展和綜合管理。