李東賓，何立平，苗國麗，吳家森，崔廣元，李金朝

（1.寧波市林場，浙江 寧波 315440；2.四明山鎮(zhèn)人民政府，浙江 寧波 315440；3.浙江農林大學，浙江 杭州 311300；4.寧波城市職業(yè)技術學院，浙江 寧波 315400）

土壤質量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內維持生物的生產(chǎn)力、保護環(huán)境質量以及促進動植物健康的能力[1]。不同土地利用方式會對土壤質量產(chǎn)生很大的影響[2]，研究彼此之間的復雜關系，是了解生態(tài)系統(tǒng)結構功能及生態(tài)過程、評價土地利用變化對生態(tài)因子影響、實現(xiàn)土壤資源持續(xù)利用和防止土壤質量退化的關鍵[3]。土壤理化性質和土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。土壤理化性質和植物的生長、發(fā)育及產(chǎn)量水平密切相關，土壤酶類能夠促進或直接參與土壤中一系列生化反應，其活性大小是評價土壤肥力高低、健康程度和質量優(yōu)劣的生物活性指標[4-5]。土壤理化性質與酶活性結合可以較準確地反映土壤質量的變化[6]。

四明山區(qū)是寧波市重要的水源涵養(yǎng)地和綠色生態(tài)屏障，也是國內有名的“櫻花之鄉(xiāng)”和“紅楓之鄉(xiāng)”。大規(guī)模的花木種植經(jīng)營造成的自然景觀破碎化、物種多樣性喪失、水土流失和水源安全威脅引起了社會廣泛關注。寧波市政府自2013 年開始實施四明山區(qū)域生態(tài)修復工程，但花木產(chǎn)業(yè)退出不易，生態(tài)恢復更難。本研究選擇了四明山花木集中連片種植區(qū)域內的毛竹Phyllostachys edulis林、黃山松Pinus taiwanensis林、鵝掌楸Liriodendron chinensis林、新墾櫻花（日本晚櫻Cerasus lannesiana）林、櫻花-紅楓C.lannesiana-Acer palmatem‘Atropurpureum’林、生態(tài)修復林6 種林地利用類型作為試驗樣地，檢測土壤的理化性質和酶活性，并使用主成分分析法進行土壤質量綜合評價，旨在探討林地種植花木對土壤質量的影響，為四明山區(qū)林地資源的合理利用和生態(tài)修復工程提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于浙江省寧波市余姚市四明山鎮(zhèn)境內，地理坐標為120°55′～ 122°16′ E，28°51′～ 30°33′ N，為四明山脈核心區(qū)塊，平均海拔在700 m。屬于典型的中亞熱帶季風氣候，四季分明，光照充足，雨量充沛。區(qū)域內大部分母巖為砂礫巖，土壤以黃壤為主[7]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2020 年4 月，在踏查的基礎上，選取四明山花木集中連片種植區(qū)域內相似自然條件的典型林地：毛竹林（ZL）、黃山松林（ZY）、鵝掌楸林（KY）、新墾櫻花林（XK）、櫻花-紅楓林（HM）、生態(tài)修復林（XF）進行土壤樣品采集。不同樣地基本特征如表1。

表1 樣地概況Table 1 Information of sample plots

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 土壤樣品采集 參照《土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T 166—2004），在每種林地利用類型的不同區(qū)域分別隨機設置3 塊20 m×20 m 樣地，樣地內按“S”形布點，采集耕層（0～ 30 cm 土層）土壤樣品。樣品采集后揀出雜草和碎石，混勻，按照四分法取1 kg 土壤裝入采樣袋，帶回實驗室陰干。每個樣地用環(huán)刀取2～ 3個樣品，帶回實驗室用以測定土壤物理性質。土樣風干研磨后過篩用以分析土壤化學性質和酶活性。

2.2.1 土壤理化性質和酶活性測定 土壤pH 值用電位法測定，土壤容重、總孔隙度用環(huán)刀法測定，田間持水量用烘干法測定；土壤有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定，陽離子交換量用EDTA-銨鹽滴定法測定，全氮含量用凱氏法測定，堿解氮含量用擴散法測定，全磷含量用碳酸氫鈉熔融-鉬銻抗比色法測定，有效磷含量用鹽酸-氟化銨浸提鉬銻抗比色法測定，全鉀含量用氫氧化鈉熔融-原子吸收分光光度法測定，速效鉀含量用乙酸銨-火焰光度計法測定[8]。磷酸酯酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，蛋白酶活性用改良茚三酮比色法測定，脫氫酶活性用氯化三苯基四氮唑比色法測定，蔗糖酶活性用硫代硫酸鈉滴定法測定，過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，脲酶活性用靛酚藍比色法測定[9]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對基礎數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理分析，采用SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)顯著性分析和主成分分析。

2.3.1 數(shù)據(jù)標準化 由于土壤質量指標多樣、指標屬性和量綱各異，不能簡單的直接進行運算，因此要對各指標的測定值標準化后才能進行綜合分析評價。本研究數(shù)據(jù)采用歸一法標準化處理，將各指標測定值轉變?yōu)閇0,1]的無量綱數(shù)值[10]。數(shù)據(jù)標準化處理中，數(shù)據(jù)分正、負兩種效應，正效應的值越大越好，負效應則值越小越好。根據(jù)全國第二次土壤普查的結果和分級標準以及參考前人研究數(shù)據(jù)，土壤容重最佳值設為1.125 g·cm-3，pH 值最佳值設為5.5，總孔隙度最佳值設為50%，有效磷含量閾值設為60 mg·kg-1[11-14]。所以|容重-1.125|、|pH-5.5|、|總孔隙度-50|、|有效磷-60|為負效應指標，其他指標均為正效應指標。正、負效應指標分別選用公式（1）和（2）進行計算。

式中：x′為各土壤質量指標測定值的標準化值；x為各指標的測定值；xmax為該指標測定值中的最大值；xmin為該指標測定值中的最小值。各類型不同指標的標準化值為該類型指標測定值標準值x′的平均值。

2.3.2 土壤質量綜合指數(shù)計算 運用SPSS 軟件對6 種林地利用類型土壤的18 項指標的標準化數(shù)據(jù)進行主成分分析，計算主成分的貢獻率和累積貢獻率，提取特征值大于1 的主成分向量。將各指標在主成分向量上對應的載荷值，除以對應特征值的平方根便得到該主成分的特征向量，然后將得到的特征向量與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，就可以得出主成分表達式F(xi)。最后將提取主成分的F(xi)乘以其方差相對貢獻率累加求和得到土壤質量綜合指數(shù)F[15-17]。

3 結果與分析

3.1 不同林地利用類型土壤理化性質的差異比較

由表2 可以看出，四明山區(qū)不同林地利用類型土壤的容重、總孔隙度、田間持水量等物理性質無顯著差異。表明該區(qū)域范圍內土壤物理性質基本一致，林地利用類型的改變對土壤物理性質影響不大。土壤容重平均變化范圍為0.80～ 1.08 g·cm-3，土壤總孔隙度為59.41 %～ 69.81%，田間持水量平均變化范圍為22.81 %～ 26.79%。

由表2 可知，土壤pH 值、陽離子交換量、全氮、全磷、全鉀含量在不同林地利用類型間無顯著性差異。其中，土壤pH 值介于4.90～ 5.41，為典型的酸性土壤；土壤陽離子交換量為11.71～ 16.53 cmol·kg-1，花木種植后土壤陽離子交換量有降低的趨勢；土壤全氮、全磷、全鉀含量分別為2.14～ 2.78、0.78～ 1.48、31.86～ 39.21 g·kg-1，整體表現(xiàn)為花木林類型略大于生態(tài)林類型。

土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量在不同林地利用類型間的差異較明顯（表2）。土壤有機質含量大小順序為ZY＞ZL＞KY＞XK＞HM＞XF，其中，ZY、ZL、KY 這3 個生態(tài)林土壤有機質含顯著高于花木林類型HM、XF（P＜0.05）；HM、XF 類型土壤堿解氮含量顯著高于生態(tài)林類型ZL、ZY、KY（P＜0.05）；花木林類型土壤有效磷含量顯著高于生態(tài)林的（P＜0.05）。速效鉀含量為109.9～ 191.5 mg·kg-1，其中KY 顯著高于其它類型（P＜0.05）。

表2 不同林地類型土壤理化性質比較Table 2 Soil physical and chemical properties of different plantations

3.2 不同林地利用類型土壤酶活性的比較

由表3 可知，土壤磷酸酯酶、蛋白酶、脫氫酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶在不同林地利用類型間活性差異顯著，一致表現(xiàn)為生態(tài)林類型（ZL、ZY、KY）顯著高于花木林類型（XK、HM、XF），說明和生態(tài)林相比，種植花木顯著降低了土壤酶活性。土壤磷酸酯酶和過氧化氫酶活性大小順序為KY ＞ ZY ＞ ZL ＞ XK ＞ XF ＞ HM，其中磷酸酯酶活性為19.55～ 69.64 mg·g-1·h-1，過氧化氫酶活性為32.49～ 118.64 mg·kg-1·min-1。土壤蛋白酶和脲酶活性都是ZY 類型顯著高于其他類型（P＜0.05），其活性大小順序為ZY＞ZL＞KY＞XK＞HM＞XF，土壤蛋白酶和脲酶活性分別為0.06～ 0.16 mg·g-1·h-1和0.12～ 0.47 mg·g-1·d-1。土壤脫氫酶和蔗糖酶活性表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著高于花木林類型（P＜0.05），花木林類型間大小順序略有不同，其中脫氫酶活性為3.62～ 10.29 mg·g-1·d-1，蔗糖酶活性為0.57～ 2.52 mg·g-1·d-1。

表3 不同林地類型土壤酶活性比較Table 3 Soil enzyme activity of different plantations

3.3 土壤質量綜合評價

利用統(tǒng)計軟件SPSS 計算土壤理化性質和土壤酶各指標的累計貢獻率和主成分的貢獻率。按照特征值＞1 的原則，選取了4 個主成分，第1 主成分的方差貢獻率最大，為61.17%，第2、第3、第4 主成分的方差貢獻率分別為16.81%、14.18%和6.26%，累計方差貢獻率為98.42%，可以充分代表原指標的信息。由表4 可知，各指標的權重大小在4 個主成分之間所占的比重存在差異，且在同一主成分下各指標的權重大小分布無規(guī)律。

表4 土壤指標主成分因子載荷矩陣、因子權重Table 4 Principal component matrix and indicator weight of soil physio-chemical properties

運用軟件SPSS 對18 個指標計算數(shù)據(jù)進行標準化，再根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣計算得出各個主成分的綜合得分線性表達式F(xi)（表5）。將各主成分的方差相對貢獻率作為權重向量，進而求得土壤質量綜合指數(shù)F。

通過計算得出的土壤質量綜合指數(shù)，見表5。由表5 可知，各林地類型的土壤質量綜合指數(shù)順序為：ZY ＞ZL ＞ KY ＞ XK ＞ XF ＞ HM。生態(tài)林類型的土壤質量明顯好于花木林類型的，說明花木林地人為的耕作及化肥農藥的過量施用導致了土壤質量的下降。3 種花木林地類型土壤質量表現(xiàn)為XK ＞ XF ＞ HM，表明隨著花木種植時間的延長，土壤質量下降趨勢明顯，生態(tài)修復的花木林土壤質量有回升的趨勢，但效果不明顯。對于綜合指數(shù)產(chǎn)生的負值，這是由于數(shù)據(jù)標準化的結果，并不代表該類型土壤的質量很差[18]。

表5 不同林地類型土壤質量綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation on soil quality of different plantations

4 討論與結論

4.1 花木種植經(jīng)營對土壤理化性質的影響

因為在區(qū)域尺度上具有相同的氣候和水文條件，四明山區(qū)域6 種林地利用類型的土壤物理性質基本一致。說明區(qū)域范圍內短時間改變土壤的利用類型不會對土壤物理性質產(chǎn)生特別大的影響，這和李靜鵬等[19]、姜仕坤等[20]對不同土壤利用類型研究的結果基本一致?；镜匾蛉藶楦鳎寥莱尸F(xiàn)容重增加、孔隙度降低的趨勢，這與張金波等[21]、龍健等[22]的研究結論一致。不同林地利用類型田間持水量在22.81%～ 26.79%，花木地的田間持水量略大于黃山松林和鵝掌楸林，這可能與農民對花木地的耕作相關。

區(qū)域內土壤pH 值為4.90～ 5.41，為典型的酸性土壤。土壤有機質含量表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著大于花木林類型，這與馬和平等[23]的結論基本一致。其中黃山松林的土壤有機質含量最高，毛竹林、鵝掌楸林、新墾櫻花林次之，櫻花-紅楓林和生態(tài)修復林含量最低，說明林地種植花木后顯著降低了土壤的有機質水平。研究表明，在6 種林地利用類型土壤中全氮、全磷、全鉀含量及陽離子交換量無顯著差異（P＞0.05），而花木林類型的堿解氮和有效磷含量顯著大于生態(tài)林類型（P＜0.05）。葉潤根等[24]對重慶山區(qū)不同土地利用下的土壤肥力質量研究也得到類似結論。土壤化學指標研究結果與劉成剛等[16]的研究結果基本一致，短期內林地利用類型的改變對土壤的pH 值以及全量養(yǎng)分影響較小，而速效養(yǎng)分之間的差異比較顯著。本研究中櫻花-紅楓林和生態(tài)修復林由于長期的耕作和施肥，土壤表層中積累了大量的有效磷，超過國家I 級標準（40 mg·kg-1）的4～ 5 倍。李發(fā)林等[25]研究表明，琯溪蜜柚Citrus ma xima‘Guanximiyou’果園土壤有效磷環(huán)境敏感臨界值為62.3 mg·kg-1，陳聞等[13]通過研究得出雷竹Phyllostachys praecoxcv.prevernalis林土壤發(fā)生磷素流失的有效磷閾值為52.52 mg·kg-1，楊文等[26]研究亞熱帶丘陵小流域林地磷的淋失風險臨界值為69.97 mg·kg-1。而本研究櫻花-紅楓林和生態(tài)修復林的土壤有效磷含量極大地超出了此臨界值，呈現(xiàn)出嚴重的土壤富營養(yǎng)化，不僅浪費了肥效，更顯著增加了氮磷流失和區(qū)域水體污染風險。四明山區(qū)域是寧波市重要的水源涵養(yǎng)地，后期花木種植經(jīng)營應當嚴格控制速效氮磷肥的施用量，降低花木地土壤的速效養(yǎng)分富集程度，確保飲用水源的安全。

4.2 花木種植經(jīng)營對土壤酶活性的影響

土壤酶是由微生物、動植物活體分泌及由動植物殘體分解釋放于土壤中的一種具有生物催化能力和蛋白質性質的高分子活性物質，在土壤養(yǎng)分的循環(huán)代謝過程中起著重要的作用[27]。四明山區(qū)域內不同林地利用類型土壤磷酸酯酶、過氧化氫酶、蛋白酶、脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性表現(xiàn)基本一致，表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著高于花木林類型（P＜0.05）。表明和生態(tài)林類型相比，林地種植花木后顯著降低了土壤酶活性。土壤酶活性變化表現(xiàn)出和土壤有機質含量一致的變化趨勢，說明土壤酶活性和土壤有機質含量有很強的相關性，張成君等[28]和陳佳等[29]的研究也得到類似結論。這可能與毛竹林、黃山松林、鵝掌楸林等生態(tài)林植被茂盛、林下灌草豐富，每年地表的枯落物相對量大，表土有機質含量高，土壤微生物也比較豐富。而花木地植被種植種類相對單一，經(jīng)過人為撫育或噴灑除草劑，導致土壤獲得的枯落物減少，再加上地表土壤中的高濃度速效肥，對土壤微生物的活性起到了抑制作用。

4.3 花木種植經(jīng)營對土壤質量的影響

土壤質量綜合評價指標的選擇一直是土壤生態(tài)學研究的熱點，從單一的物理指標到理化特性復合指標，再到結合土壤酶活性的綜合指標，使得對土壤質量的評價越來越準確[30]。本研究利用主成分分析法計算土壤質量綜合指數(shù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不同林地利用類型的土壤質量綜合指數(shù)存在顯著差異，呈現(xiàn)黃山松林＞毛竹林＞鵝掌楸林＞新墾櫻花林＞生態(tài)修復林＞櫻花-紅楓林的趨勢?；玖诸愋屯寥蕾|量普遍低于生態(tài)林類型，表明長期花木種植經(jīng)營不僅會造成表土的富營養(yǎng)化還會導致林地土壤綜合質量的退化。和櫻花-紅楓林相比，生態(tài)修復林土壤質量有回升的趨勢，但效果還不明顯。因為生態(tài)修復林仍然是以花木為主，農民施肥除草等撫育措施并未改變，而且僅靠花木地套種南方紅豆杉等長勢比較緩慢樹種作為生態(tài)修復措施，短期內很難表現(xiàn)出明顯的修復效果。