王苗利，張靖雪，郭志鵬，曲 根，管永卓，郭玉霞，嚴(yán)學(xué)兵

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 牧醫(yī)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對環(huán)境的要求日益提高，使我國的草坪業(yè)得到了前所未有的發(fā)展。狗牙根(Cynodondactylon)原產(chǎn)于非洲，在熱帶、亞熱帶以及溫帶沿海地區(qū)均有分布。在我國狗牙根主要分布于新疆、青海、吉林、甘肅、河北，黃河流域及以南地區(qū)[1]。因具有生長速度快、再生能力強(qiáng)、抗旱、耐熱、成坪快、耐踐踏、質(zhì)地纖細(xì)和色澤良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)場、游憩場、公園及固土護(hù)坡[2]。

土壤作為植物賴以生存的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量的好壞影響植物的生長。首先，土壤中儲(chǔ)藏著大量的有機(jī)質(zhì)、氮、鉀、鈣、鎂、磷等營養(yǎng)物質(zhì)；其次，土壤養(yǎng)分對植物有著非常重要的作用，它可以通過影響植物種群的構(gòu)成從而間接的影響著其他物種，它決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能和生產(chǎn)力水平[3-4]。土壤養(yǎng)分含量是反映土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[5-6]。土壤的養(yǎng)分分布特征與氣候、水分、經(jīng)緯度、海拔以及人為干擾等多種因素有關(guān)[7-8]，且在不同環(huán)境條件下，由于影響土壤養(yǎng)分的因素不同，使土壤養(yǎng)分存在明顯的空間變異性[9-11]。Franzluebbers等[12]評(píng)價(jià)了4種不同氣候條件下土壤微生物碳與礦質(zhì)碳、氮含量的差異，認(rèn)為年均溫度對土壤生態(tài)特征的影響大于降水量。 王博等[13]認(rèn)為海拔的變化會(huì)引起土壤微氣候(溫度、光照、水分、風(fēng)力等)的改變，其對應(yīng)的植被類型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。從而使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化。王云全等[14]研究表明，成土母質(zhì)、土壤類型及土地利用方式等是氮磷鉀空間變異特征的主要影響因素。土壤pH作為土壤十分重要的一個(gè)基本參數(shù)，其大小值是由母質(zhì)、生物、氣候等多種因素決定的[15-17]，并對植物的生長發(fā)育具有重要的影響。

前人對狗牙根的抗旱性及種質(zhì)資源的研究較多且較為深入[18-19]，但有關(guān)土壤對狗牙根分布和生長的影響研究較少。對我國野生狗牙根土壤養(yǎng)分受地理位置特別是經(jīng)緯度影響的變化規(guī)律亟待揭示。以不同經(jīng)緯度的27個(gè)地區(qū)的狗牙根土壤為材料，研究了狗牙根土壤養(yǎng)分隨經(jīng)緯度的變化規(guī)律，對全面認(rèn)識(shí)中國野生狗牙根廣泛分布的土壤基礎(chǔ)有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 樣地設(shè)置與土壤樣品采集

于2016年8月在沿不同經(jīng)緯度的27個(gè)地區(qū)對狗牙根根部土壤進(jìn)行取樣，每隔100 km用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)確定采樣地點(diǎn)，樣點(diǎn)基本涵蓋了中國狗牙根在不同經(jīng)緯度連續(xù)分布的范圍，同時(shí)收集27個(gè)采樣地點(diǎn)氣象站的年平均溫度(MAT)與年平均降水量(MAR)等氣象資料(表1)。在選擇的區(qū)域去除表層的枯枝落葉，挖土取樣。每個(gè)地區(qū)的樣方大小均為5 m×5 m,在每個(gè)樣方內(nèi)進(jìn)行5次隨機(jī)取樣，采集野生狗牙根表層土壤(0～20 cm)樣品，將5次樣品混合作為樣方的最終樣裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過篩后進(jìn)行化學(xué)分析。

1.2 土壤養(yǎng)分測定方法

測定了8個(gè)狗牙根土壤理化指標(biāo)，分別為全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效磷以及pH值，土壤理化指標(biāo)的測定主要參照鮑士旦[20]的土壤農(nóng)化分析方法。土壤全氮(TN)的測定采用半微量凱氏定氮法；堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測定；有機(jī)質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；速效鉀(AK)采用1 mol/L 乙酸銨浸提后，用XSP元素分析儀測量；土壤交換性鈣，交換性鎂含量用原子吸收分光光度計(jì)測定；有效磷(AP)的測定采用Olsen法；pH采用(水土比2.5∶1)測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析了不同經(jīng)緯度土壤養(yǎng)分的平均值(Mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)以及變異系數(shù)(CV%)。用Pearson系數(shù)分析了土壤養(yǎng)分與經(jīng)緯度及其氣候因子的相關(guān)性。在分析不同經(jīng)緯度狗牙根土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量時(shí)運(yùn)用回歸分析進(jìn)行擬合，得出不同經(jīng)緯度土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)回歸方程。根據(jù)狗牙根土壤的特點(diǎn)，選取土壤全氮、堿解氮、速效鉀、有效硫、有效磷、交換性鈣、交換性鎂構(gòu)成評(píng)價(jià)因子，對各個(gè)土壤養(yǎng)分質(zhì)量指標(biāo)值Qi采取加乘法進(jìn)行合成并計(jì)算[21]：

(1)

式中：Qi為土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)值；Wi為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重向量；Q(xi)為各評(píng)價(jià)因子的得分值。Q(xi)采用如下方法確定[21]。

xi≤ximinQ(xi)=xi/ximin[Q(xi)<1]差

ximin

ximid

xi>ximaxQ(xi)=3[Q(xi)=3] 優(yōu)

式中：xi為養(yǎng)分因子測定值；ximin、ximid、ximax為各級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Q(xi)為各測定因子的得分值。并用主成分分析和Pearson相關(guān)分析探討了經(jīng)度、緯度、氣溫、降水對狗牙根土壤的單個(gè)養(yǎng)分因子以及養(yǎng)分綜合質(zhì)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同經(jīng)、緯度范圍狗牙根土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷、交換性鈣、交換性鎂的變異系數(shù)在不同經(jīng)度以及不同緯度地區(qū)差別較大，在不同經(jīng)度地區(qū)，其變異系數(shù)均在27%以上，而在不同緯度地區(qū)這些指標(biāo)的變異系數(shù)均在33%以上。養(yǎng)分含量指標(biāo)的變異系數(shù)在不同經(jīng)度與不同緯度地區(qū)的排序也不相同。在不同經(jīng)度地區(qū)，變異系數(shù)大小排序?yàn)橛行Я?交換性鎂>速效鉀>交換性鈣>有機(jī)質(zhì)>全氮>堿解氮>pH，在不同緯度地區(qū)變異系數(shù)大小排序?yàn)橛行Я?有機(jī)質(zhì)>堿解氮>交換性鎂>交換性鈣>速效鉀>全氮>pH。對于土壤pH值，無論在經(jīng)度地區(qū)還是在緯度地區(qū)，pH的變異系數(shù)均最小(表2，3)。

表2 不同經(jīng)度的土壤養(yǎng)分含量

表3 不同緯度的土壤養(yǎng)分含量

2.2 中國狗牙根土壤各養(yǎng)分及其與經(jīng)緯度、氣候的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果表明，在不同經(jīng)緯度地區(qū)，狗牙根土壤養(yǎng)分之間均存在明顯的相關(guān)性，且經(jīng)緯度和所在地氣候?qū)Ξ?dāng)?shù)氐耐寥鲤B(yǎng)分含量產(chǎn)生明顯影響。在不同經(jīng)度地區(qū)，有機(jī)質(zhì)與全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；速效鉀與堿解氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)、與交換性鎂呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與pH呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；pH與交換性鈣呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。經(jīng)度與交換性鈣呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)、與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，氣候因子中的平均年降水量與交換性鈣呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)、與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，平均年溫度與堿解氮呈顯極著負(fù)相關(guān)(P<0.01)、與交換性鈣呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，即狗牙根土壤交換性鈣的含量與pH值從東到西顯著增加(表4，5)。

在不同緯度地區(qū)，有機(jī)質(zhì)與全氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與交換性鈣呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；堿解氮與速效鉀、有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；速效鉀與有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。緯度與交換性鈣、交換性鎂呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，年均降水量與交換性鈣(P<0.01)、與交換性鎂呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，年均溫度與交換性鎂呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，即狗牙根土壤交換性鈣與交換性鎂的含量從南到北顯著增加(表5)。

表4 經(jīng)度、氣候及土壤各養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，“*”表示相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同

表5 緯度、氣候及土壤各養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

2.3 不同經(jīng)緯度狗牙根土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量的比較

為了綜合評(píng)價(jià)狗牙根土壤養(yǎng)分與經(jīng)緯度、氣候的關(guān)系，對不同經(jīng)度與不同緯度的土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量比較。各因子的權(quán)重向量表示各個(gè)土壤養(yǎng)分因子的重要性程度，根據(jù)各個(gè)主成份中各個(gè)元素載荷量的大小以及各個(gè)主成份對所有主成份的貢獻(xiàn)率，可以對各養(yǎng)分因子進(jìn)行排序并最后通過矩陣計(jì)算得出各個(gè)養(yǎng)分因子的權(quán)重值。根據(jù)狗牙根土壤的特點(diǎn)和對其進(jìn)行的綜合分析，簡單確定狗牙根土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)公式(1)計(jì)算各個(gè)地區(qū)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)值，對比經(jīng)度與緯度的土壤養(yǎng)分綜合指標(biāo)平均值，經(jīng)度的土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量大于緯度。經(jīng)過回歸分析進(jìn)行擬合得出經(jīng)度(E)與土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)值(Qi)之間的最優(yōu)擬合圖(圖1)及其標(biāo)準(zhǔn)回歸方程：Qi= -30.69+0.008E2+(-4.86E-5)E3，R2=0.507。以及緯度(N)與土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)值(Qi)之間的最優(yōu)擬合圖(圖1)及其標(biāo)準(zhǔn)回歸方程：Qi=11.324-0.712N+0.013N2,R2=0.458(表6,7)。

表6 狗牙根土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子權(quán)重

表7 狗牙根土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Grading standards for soil nutrient evaluation factors

2.4 經(jīng)緯度及氣候因素對單個(gè)和綜合土壤養(yǎng)分的影響分析

利用主成分分析和相關(guān)分析探討經(jīng)緯度、氣溫、降水對狗牙根土壤的單個(gè)養(yǎng)分因子以及養(yǎng)分綜合質(zhì)量的影響。其主成分分析結(jié)果表明，經(jīng)緯度，氣候的環(huán)境因子前2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)97.11%。第1主成分分量主要體現(xiàn)了緯度、年均降水量、年均溫度的信息；第2主成分分量主要體現(xiàn)了經(jīng)度的信息。土壤養(yǎng)分因子的前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為74.74%，基本反映出各土壤養(yǎng)分因子的信息(表8)。第1主成分分量主要體現(xiàn)了速效鉀和交換性鈣的信息；第2主成分分量主要體現(xiàn)了全氮和有機(jī)質(zhì)的信息；第3主成分分量主要體現(xiàn)了有效磷的信息。相關(guān)分析可知(表9)，緯度，年均降水量和年均氣溫對速效鉀和交換性鈣有顯著的影響(P<0.01)，對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量也有顯著的影響(P<0.01)，經(jīng)度對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量的影響不顯著，對其他土壤主成分的影響也不顯著。速效鉀和交換性鈣對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量有顯著的影響(P<0.01)，貢獻(xiàn)最大，全氮和有機(jī)質(zhì)也對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量有顯著的影響(P<0.01)。其余土壤養(yǎng)分指標(biāo)對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量無顯著影響。

圖1 不同經(jīng)緯度土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)Fig.1 Comprehensive indexes for soil nutrient quality evaluation at different longitudes and latitudes

表8 主成分分析結(jié)果

注：E-PC代表經(jīng)緯度，氣候等因素的主成分，N-PC代表土壤養(yǎng)分因子的主成分，下同

注：Qi代表土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指標(biāo)值

3 討論

3.1 不同經(jīng)緯度土壤養(yǎng)分含量的變化

土壤養(yǎng)分含量在不同環(huán)境下存在明顯的空間變異性，由于影響因素不同，土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的變異程度也有所不同。在此次研究中狗牙根土壤養(yǎng)分含量在不同經(jīng)緯度之間有較高的空間異質(zhì)性，且無論在不同經(jīng)度地區(qū)還是在不同緯度地區(qū)，狗牙根的土壤有效磷含量的變異是最高，這與磷的化學(xué)特性有很大的關(guān)系，土壤中磷的利用率低，且移動(dòng)慢，易殘留，因此，變異較大[25]。但沿不同經(jīng)度梯度的土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)值普遍低于緯度梯度的變異系數(shù)值。造成這種現(xiàn)象的原因可能是沿緯度采樣的空間尺度大于沿經(jīng)度采樣的空間尺度，擁有更為復(fù)雜的地形，成土母質(zhì)、氣候以及土壤條件，因此，沿緯度收集的狗牙根土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)較高。

3.2 土壤養(yǎng)分含量，經(jīng)緯度及氣候因素的相關(guān)性分析

經(jīng)緯度作為重要的地形因子，由于經(jīng)緯度的改變，氣候特征、植被類型、土壤類型以及地形地貌等均會(huì)發(fā)生明顯的變化，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量發(fā)生顯著的改變[26-28]。土壤的陽離子交換能力與土壤的物理、化學(xué)以及生物特性相互影響，是植物體內(nèi)養(yǎng)分有效性的基礎(chǔ)[29-30]。土壤pH、植被類型、環(huán)境因素(溫度、降水、大氣沉降)以及人為活動(dòng)都可能會(huì)影響土壤陽離子交換量[29,31]。對于我國不同經(jīng)緯度地區(qū)的野生狗牙根，由于地形因子的改變，會(huì)對狗牙根土壤養(yǎng)分中的交換性鈣、交換性鎂含量以及土壤pH產(chǎn)生顯著的影響。從東向西土壤交換性鈣的含量與pH顯著增加，且沿經(jīng)度梯度土壤pH顯著影響了交換性鈣與速效鉀的含量。隨著經(jīng)度的降低，植被覆蓋度下降，蒸發(fā)量上升，酸性淋溶作用降低，pH顯著增大[32]，土壤慢慢偏堿性，會(huì)使土壤中的主要的陽離子-鉀離子以及鈣離子增加[33]，且交換性鈣隨著pH的增加，能夠很好地吸附在土壤膠體表面，使其含量增加[34]。研究中，沿經(jīng)度梯度的溫度因素對狗牙根土壤堿解氮的含量有顯著的影響。這是由于溫度會(huì)影響土壤中微生物環(huán)境，在經(jīng)度梯度上，年平均溫度普遍較低，較低的溫度會(huì)使微生物的活動(dòng)減弱，導(dǎo)致其對氮的礦化作用減小[35]，使土壤堿解氮的含量升高。隨著緯度的降低，狗牙根土壤交換性鈣以及交換性鎂的含量呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢。由于緯度的降低，植被的覆蓋率以及水分蒸發(fā)量并無明顯的變化，因此，緯度對狗牙根土壤的pH無顯著影響。不同緯度狗牙根土壤交換性鎂與交換性鈣的顯著差異可能與沿緯度梯度的土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性以及氣候因素有關(guān)。

無論是在經(jīng)度地區(qū)還是在緯度地區(qū)，狗牙根土壤養(yǎng)分之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系，尤其是狗牙根土壤的有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量始終呈顯著正相關(guān)關(guān)系[36]。說明了土壤養(yǎng)分的分布狀況受地形、氣候、母質(zhì)以及土壤類型等因素的綜合影響，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間相關(guān)性[37]，證實(shí)了土壤各養(yǎng)分之間并不是孤立存在的，而是相互聯(lián)系，每個(gè)養(yǎng)分含量增加或者減少都會(huì)影響土壤其他養(yǎng)分的供應(yīng)[38]。

3.3 不同經(jīng)緯度土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了減少對土壤單一養(yǎng)分指標(biāo)測定的片面性，誤差性以及不顯著性[39]，綜合評(píng)價(jià)狗牙根土壤養(yǎng)分與經(jīng)緯度的關(guān)系，計(jì)算了狗牙根土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量，結(jié)果表明，經(jīng)度的狗牙根土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量平均值高于緯度，可能是沿緯度采樣地點(diǎn)多，跨度大，植被類型、成土母質(zhì)較為復(fù)雜，隨機(jī)因素影響可能相對較大，從而影響了緯度地區(qū)的土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量。土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量與經(jīng)度無顯著的關(guān)系，但是緯度以及氣候因素會(huì)對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量值產(chǎn)生顯著的影響。結(jié)果表明，從北向南降水與溫度逐漸增加，土壤養(yǎng)分的綜合質(zhì)量也在逐步增高。與邱權(quán)等[40]報(bào)道土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)總體呈現(xiàn)出隨緯度的增加而提高這一結(jié)論相符。

4 結(jié)論

(1)在不同經(jīng)緯度地區(qū)，狗牙根的土壤養(yǎng)分含量存在明顯的空間異質(zhì)性，且土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性。

(2) 從東向西，狗牙根土壤的交換性鈣含量以及pH顯著增加；從南向北，狗牙根土壤的交換性鈣以及交換性鎂的含量顯著增加。

(3) 在經(jīng)度梯度上的土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指標(biāo)值高于沿緯度梯度的指標(biāo)值，土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合指標(biāo)值受緯度以及氣候的顯著影響，經(jīng)度對其影響不大。此次試驗(yàn)也存在一些不足之處，如土壤養(yǎng)分含量會(huì)隨季節(jié)的變化而變化，也會(huì)受人為因素的影響。