李開萍， 劉子琦， 李 淵， 余 逍， 高阿娟

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州貴陽(yáng)550001；2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng)550001)

我國(guó)南方喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，成土速率緩慢，巖石裸露率高，石漠化問題嚴(yán)重[1]。國(guó)家在 “十三五”期間重點(diǎn)開展了石漠化生態(tài)修復(fù)與保護(hù)技術(shù)研究[2]，以推進(jìn)石漠化治理工作。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)作為判斷土地生產(chǎn)力的依據(jù)，對(duì)石漠化治理效益評(píng)估具有重要的理論指導(dǎo)意義。

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)喜鈣、耐旱、喜光、淺根，十分適宜在缺水的喀斯特環(huán)境中種植[3]。在喀斯特石漠化地區(qū)種植花椒，有助于增加土壤肥力[4]與固碳能力[5-6]，具有改善生態(tài)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，因而在石漠化治理區(qū)被廣泛推廣[7]。近年來，已有學(xué)者對(duì)石漠化地區(qū)花椒林土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如孫建等[8]對(duì)花椒、金銀花(LonicerajaponicaThunb.)、核桃(JuglansregiaL.)、荒地4種不同生態(tài)恢復(fù)模式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)種植花椒能明顯提高土壤質(zhì)量；楊丹麗等[9]評(píng)價(jià)了花椒、玉米(ZeamaysL.)、柚木(TectonagrandisL.F.)、火龍果(HylocereusundulatesBritt)4種經(jīng)果林地土壤質(zhì)量，結(jié)果表明花椒地土壤質(zhì)量最佳?；谝陨险J(rèn)識(shí)，學(xué)者們對(duì)花椒的種植環(huán)境進(jìn)行了深入研究:如宋燕平等[10]對(duì)比了復(fù)墾地、農(nóng)田、荒地花椒林的土壤質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾地花椒林土壤質(zhì)量較好；喻陽(yáng)華等[11]通過監(jiān)測(cè)不同小生境花椒林，揭示了不同小生境對(duì)花椒林土壤質(zhì)量的影響機(jī)理。

由于石漠化地區(qū)土壤淺薄且不連續(xù)，花椒種植大多位于坡改梯、溶溝、洼地等石漠化地區(qū)土壤相對(duì)集中的立地環(huán)境中。然而，目前針對(duì)不同立地環(huán)境下的花椒林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)鮮見報(bào)道。鑒于此，以喀斯特高原峽谷區(qū)不同立地環(huán)境的花椒林土壤為研究對(duì)象，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定最小數(shù)據(jù)集，評(píng)價(jià)其土壤質(zhì)量，對(duì)比分析坡改梯、溶溝、洼地花椒林土壤理化性質(zhì)特征，揭示喀斯特高原峽谷區(qū)不同立地環(huán)境花椒林土壤質(zhì)量差異的原因，以期為喀斯特高原峽谷區(qū)花椒種植合理布局和石漠化生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貞豐縣北盤江流域內(nèi)的石漠化綜合治理示范區(qū)，北緯25°39′13″～25°41′00″，東經(jīng) 105°36′30″～105°46′30″， 總面積 5 161.65 hm2， 其中喀斯特面積占 87.92%， 屬于典型的喀斯特高原峽谷地貌類型，海拔450～1 450 m。該區(qū)屬亞熱帶干熱河谷氣候，全年光熱充足，降水集中在5—8月(其降水量占全年總降水量的83%)，年平均氣溫18.4℃；巖性為三疊系白云巖、泥質(zhì)白云巖和頁(yè)巖，土壤以黃壤和石灰土為主。區(qū)內(nèi)巖溶作用劇烈，土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致地表巖石裸露，植被覆蓋率低，出現(xiàn)大量溶溝、石芽、石縫等石漠化景觀；同時(shí)，地下巖溶系統(tǒng)發(fā)育了巖溶裂隙、洞穴、暗河、落水洞等地貌景觀。研究區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物為花椒、金銀花、核桃、構(gòu)樹[Broussonetiapapyrifera(Linn.)L′Heritier ex Ventenat]，其中花椒作為主要經(jīng)濟(jì)樹種，已有超過40 a的種植歷史。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2012年，在研究區(qū)內(nèi)種植花椒，首次種植時(shí)翻耕并施用農(nóng)家肥，后期無翻耕與施肥行為。選擇坡改梯、溶溝、洼地3種不同立地環(huán)境的花椒林樣地，三者間水平方向相距40 m，坡向均為西北，樣地基本信息見表1。2017年8月，進(jìn)行土壤樣品采集，每種立地環(huán)境分別選取3個(gè)樣方(20 m×20 m)，采樣方案按照蛇形取樣法布置，每個(gè)樣方選取10個(gè)樣點(diǎn)，共計(jì)90個(gè)樣點(diǎn)。采樣開始前，清理樣地表層枯落物，使用環(huán)刀采集表層0～10 cm原狀土，另取0～15 cm土層土壤混合樣品1 kg。土壤樣品的采集和保存均參照《GB/T 36197—2018土壤質(zhì)量土壤采樣技術(shù)指南》[12]進(jìn)行。混合土樣挑出植物根系和枯落物，粉碎分別過2.00和0.25 mm篩，作為土壤化學(xué)指標(biāo)待測(cè)樣品置于通風(fēng)陰涼處。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sampling plots

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[13]進(jìn)行土樣指標(biāo)測(cè)定，其中，土壤物理指標(biāo)用環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)(organic matter，OM)含量用K2Cr2O7油浴外加熱法測(cè)定，全氮(total nitrogen，TN)含量用半微量開式定氮法測(cè)定，全磷(total phosphorus，TP)含量用雙酸(HClO4和H2SO4)混合消解鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀(total potassium，TK)含量用NaOH堿熔火焰光度法測(cè)定，水解氮(alkaline hydrolysis nitrogen，AN)含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷(available phosphorus，AP)含量用NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法(Olsen法)測(cè)定，速效鉀(available potassium，AK)含量用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定，土壤pH值用電位法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Batlette檢驗(yàn)，若KMO值大于等于0.7，說明該組數(shù)據(jù)適合作主成分分析。通過主成分分析篩選出特征值大于1的主成分，將同一主成分下載荷值的絕對(duì)值大于等于0.5的土壤指標(biāo)劃為一組。若一組中只有1個(gè)土壤指標(biāo)的載荷值大于等于0.5，則該土壤指標(biāo)直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)；若一組存在2個(gè)及以上土壤指標(biāo)的載荷值大于等于0.5，首先通過公式(1)分別計(jì)算各指標(biāo)的綜合載荷值(Nik)，進(jìn)而選取該組內(nèi)Nik值位于前10%的土壤指標(biāo)，并使用Pearson相關(guān)性分析法，分析土壤指標(biāo)間的相關(guān)性，相關(guān)性顯著(r＞0.5)則選取Nik值最高的土壤指標(biāo)進(jìn)入MDS，相關(guān)性不顯著(r＜0.5)則本組中所有土壤指標(biāo)都進(jìn)入MDS。

式中:Nik表示第i個(gè)指標(biāo)的前k個(gè)主成分(特征值大于1)的綜合載荷值，其值越大，則解釋綜合信息的能力越完全；μik表示第i個(gè)指標(biāo)在第k個(gè)主成分上的載荷值；ek則表示第k個(gè)主成分的特征值。

式中:I表示土壤質(zhì)量指數(shù)；Wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Ni表示第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度；n表示進(jìn)入MDS的土壤指標(biāo)數(shù)量。

采用隸屬度函數(shù)對(duì)進(jìn)入MDS的土壤指標(biāo)無量綱化，根據(jù)土壤指標(biāo)的正、負(fù)效應(yīng)選擇合適的函數(shù)類型。

升型隸屬函數(shù)公式:

式中:f(x)表示土壤指標(biāo)隸屬度；x表示土壤指標(biāo)的測(cè)定值；x2表示土壤指標(biāo)測(cè)定值中的最大值，x1表示土壤指標(biāo)測(cè)定值中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地環(huán)境花椒林土壤理化性質(zhì)特征

不同立地環(huán)境花椒林土壤化學(xué)性質(zhì)特征如表2所示，土壤pH值大小為坡改梯＞溶溝＞洼地，差異顯著(P＜0.05)；土壤OM、AN、AK、TP和AP含量均呈現(xiàn)出洼地＞溶溝＞坡改梯的規(guī)律，而土壤TN和TK含量呈現(xiàn)出溶溝＞洼地＞坡改梯的規(guī)律，坡改梯的TN含量與其余兩種立地環(huán)境的差異顯著(P＜0.05)。

表2 不同立地環(huán)境花椒林土壤的化學(xué)性質(zhì)Table 2 Characteristics of soil chemical properties of Zanthoxylum bungeanum forest at different sites

不同立地環(huán)境花椒林土壤物理性質(zhì)如表3所示，土壤容重大小為坡改梯＞溶溝＞洼地，坡改梯與其余兩種立地環(huán)境的差異顯著(P＜0.05)。土壤田間持水量、毛管持水量和總孔隙度均呈現(xiàn)出洼地＞溶溝＞坡改梯的規(guī)律，不同立地環(huán)境的土壤田間持水量和毛管持水量的差異顯著(P＜0.05)，總孔隙度僅洼地與其余兩種立地環(huán)境的差異顯著(P＜0.05)，說明洼地花椒林土壤物理性質(zhì)優(yōu)于溶溝和坡改梯。

表3 不同立地環(huán)境花椒林土壤物理性質(zhì)Table 3 Characteristics of soil physical properties of Zanthoxylum bungeanum forest at different sites

2.2 不同立地環(huán)境花椒林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集

對(duì)不同立地環(huán)境花椒林土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行因子分析，KMO檢驗(yàn)結(jié)果為0.701，符合主成分分析條件。主成分分析后，選取特征值大于1的主成分共6個(gè)，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.210%(表4)。據(jù)前述分組原則，將土壤理化指標(biāo)分為6組(表5)，并通過公式(1)計(jì)算各土壤理化指標(biāo)的Nik值，土壤質(zhì)量指標(biāo)初選結(jié)果為土壤容重、田間持水量、總孔隙度、pH值、OM含量、AP含量、AK含量、AN含量、TN含量。其中土壤容重和AN含量同屬主成分1(principal component 1，PC1)，AP含量和田間持水量同屬PC2，AK含量與pH值同屬PC3，指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果(表6)顯示，土壤容重和AN含量相關(guān)性顯著(P＜0.01)，土壤容重Nik值(1.028)＞AN的Nik值(0.912)(表5)，故土壤容重進(jìn)入MDS。AP含量和田間持水量無顯著相關(guān)性(表6)，故AP含量和田間持水量進(jìn)入MDS；AK含量和pH值無顯著相關(guān)性(表6)，故AK含量和pH值進(jìn)入MDS。最終，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)確定為土壤容重、田間持水量、總孔隙度、AP含量、pH值、AK含量、OM含量、TN含量。

表4 土壤指標(biāo)主成分分析Table 4 Principal component analysis of soil indices

表5 土壤指標(biāo)載荷矩陣和綜合載荷值Table 5 Load matrix and Nik values of each soil index

表6 同一主成分中多個(gè)高載荷變量因子相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of multiple high-load variables in the same principal component

2.3 不同立地環(huán)境花椒林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

8個(gè)土壤指標(biāo)的量綱不同，為消除量綱不一致對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響，采用隸屬函數(shù)對(duì)選入最小數(shù)據(jù)集的土壤指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。土壤容重、總孔隙度、田間持水量、pH值是負(fù)效應(yīng)指標(biāo)，屬拋物線型函數(shù)；土壤AK含量、OM含量、AP含量、TN含量是正效應(yīng)指標(biāo)，屬于S型函數(shù)。通過公式(3)和(4)計(jì)算得出土壤指標(biāo)權(quán)重值(表7)，并代入公式(2)計(jì)算坡改梯、溶溝和洼地花椒林土壤質(zhì)量平均分值(表7)為0.68，0.74，0.80，說明洼地的花椒林土壤肥力優(yōu)于坡改梯與溶溝。

表7 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與分值Table 7 Weight and score of each soil quality evaluation index

3 討論與結(jié)論

3.1 不同立地環(huán)境對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

溶溝、石芽等強(qiáng)度石漠化區(qū)域，植被覆蓋率低，巖石裸露率高，枯落物累積量較少，大氣沉降與巖石集聚效應(yīng)明顯[14]。在本研究中，溶溝花椒林土壤TK、TN含量均高于坡改梯和洼地。一方面，喀斯特地貌發(fā)育于海相碳酸鹽巖，海相碳酸鹽巖和碎屑巖為鉀鹽沉積提供了環(huán)境條件[15]；溶溝花椒林基巖受到地表水與地下水的雙重溶蝕，致使碳酸鹽巖中大量鉀元素進(jìn)入土壤。另一方面，大氣沉降與生物固氮是土壤氮元素的來源，生物固氮總量是大氣氮沉降量的1/2[16-17]。因此，溶溝花椒林土壤TN、TK含量均超過坡改梯和洼地。

張信寶等[18]研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特地區(qū)坡改梯土壤地下漏失情況明顯，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量偏低。本研究結(jié)果表明，不同立地環(huán)境花椒林土壤OM、AN、AK、TP、AP含量大小均呈現(xiàn)溶溝＞坡改梯，這是因?yàn)槿軠蠈儆谪?fù)地形，受地表徑流與地表風(fēng)的影響，枯落物極易在溶溝中堆積[19]，枯落物累積量多，微生物、土壤動(dòng)物活動(dòng)活躍，導(dǎo)致土壤腐殖質(zhì)與有機(jī)酸含量增加，土壤OM、AN、TP和AP含量升高[20-22]，土壤有機(jī)酸含量的增加會(huì)促進(jìn)土壤AK溶解釋放[23]。葉岳等[24]研究表明溶溝土壤適宜土壤動(dòng)物生存，為溶溝土壤養(yǎng)分累積起到了積極作用。此外，喀斯特石漠化地區(qū)土壤OM、AN和TP含量均與土壤容重、總孔隙度、田間持水量、毛管持水量具有極強(qiáng)的正相關(guān)性[25]，這與本研究的結(jié)果一致。

3.2 不同立地環(huán)境花椒林的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)常用于判斷土壤肥力與生產(chǎn)力狀況，其評(píng)價(jià)結(jié)果受母巖性質(zhì)、土地利用方式和自然環(huán)境因素的影響[26]。國(guó)內(nèi)外土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，目前基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法應(yīng)用較為廣泛[27]?；谥鞒煞址治龊妥钚?shù)據(jù)集進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中，使用頻率較高的土壤指標(biāo)包括土壤容重、pH值、OM含量、AP含量、TN含量、含水量、有機(jī)碳含量等，這些指標(biāo)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有較好的代表性[28]。向云西等[29]研究表明土壤碳、氮含量變化也影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分平衡，且土壤碳、氮含量在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中起到重要作用。本研究最終確定土壤容重、總孔隙度、田間持水量、pH值、AP含量、AK含量、OM含量和TN含量參與土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，這些指標(biāo)易于檢測(cè)并具有代表性。在土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)選取方面與前人研究結(jié)果一致，說明該土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法適用于評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)花椒林地土壤，并且入選的8個(gè)指標(biāo)都是反映喀斯特高原峽谷花椒林土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，可以成為喀斯特高原峽谷區(qū)花椒林土壤理化指標(biāo)的重點(diǎn)研究對(duì)象。

花椒林土壤質(zhì)量表現(xiàn)為洼地＞溶溝＞坡改梯，原因是喀斯特地區(qū)洼地呈四周封閉型，雨季來臨時(shí)，山坡巖體被溶蝕，土壤受到?jīng)_刷，致使洼地土壤出現(xiàn)水分和養(yǎng)分匯集[30]；再者，溶溝可視為微縮型洼地，其對(duì)水分和土壤養(yǎng)分同樣具有匯集的作用，可利用地形優(yōu)勢(shì)阻止水分和土壤養(yǎng)分的流失[19]。坡改梯土層較厚，地下漏失嚴(yán)重，因此，土壤養(yǎng)分向下遷移，導(dǎo)致其表層土壤質(zhì)量降低[18]。研究區(qū)內(nèi)坡改梯、溶溝和洼地3種立地環(huán)境的花椒林土壤質(zhì)量受到地下漏失、巖石集聚效應(yīng)、大氣氮沉降的影響較大。