納板河流域不同植被類型下土壤肥力綜合評價

宋艷紅,史正濤?,王連曉,馮澤波

(1云南師范大學旅游與地理科學學院,昆明650500;2云南省水文水資源局,昆明650106)

土壤是自然環境和生態系統的重要組成部分,也是人類賴以生存的物質基礎。土壤肥力是土壤的基本屬性和本質特征,為植物生長提供必需的物質養分與機械支撐,土壤肥力的高低直接影響著植物的生長[1-4]。在耕作過程中,不同的土地利用方式和管理措施均會影響土壤肥力的變化。因此,科學、合理、實用地評價土壤肥力,不僅對充分發揮土壤潛力具有十分重要的意義,并且還可以為土地利用規劃和管理提供重要理論依據。目前,國內外關于土壤肥力評價的方法主要有：主成分分析法[5]、層次分析法[6]、模糊綜合評價法[7]、聚類分析法[8]和綜合指數法[9]等;其中,主成分分析法、聚類分析法和綜合指數法應用比較廣泛。在我國,唐健等[10]運用主成分分析法對廣西杉木主產區土壤肥力進行綜合評價得出,廣西部分杉木林地的土壤肥力較低,且1代杉木幼林的土壤肥力低于2代幼林;紀浩等[11]則運用層次分析法對大興安嶺低質林改造后的土壤肥力進行綜合評價;劉茂等[12]應用GIS技術和模糊綜合評價法,對庫爾勒市100個香梨園的土壤肥力進行評價;楊曉娟等[13]采用主成分分析與聚類分析相結合的方法評價東北過伐林區不同林分類型的土壤肥力;王鈺瑩等[14]運用肥力綜合指數法對陜南山區厚樸群落土壤肥力進行評價。在國外,Arias等[15]運用主成分分析法對土壤屬性進行歸一化處理,以確保結果的完整性;Potashev等[16]采用聚類分析法對植物進行分組,研究它們在發芽階段對碳氫化合物土壤污染的耐受性;Liang等[17]則運用層次分析法對土壤硒資源進行綜合評價。針對云南省西雙版納地區的土壤類型,科學工作者從不同的角度做了研究,主要集中在土壤養分、土壤水分和土壤微生物等方面。徐武美等[18]研究表明,有機質、有效氮的變異系數與Pielou均勻度指數呈正相關,表明土壤養分的空間異質性可能在一定程度上緩解種間競爭、促進樹種共存。胡曉聰等[19]研究表明,不同海拔熱帶山地雨林土壤水文調節功能具有很大差異,土壤含水量、土壤最大持水量和最大持水率以及有效持水量隨海拔的增加而增加,但局部有所波動。徐佳晶等[20]在不同森林類型土壤微生物生物量的變化研究中得出,雞血藤次生林、曼安次生林和溝谷次生林土壤微生物生物量高于熱帶季風常綠闊葉林和熱帶季節雨林,表明次生林相較于熱帶季風常綠闊葉林和熱帶季節雨林具有較高的土壤微生物活性。就土壤肥力而言,唐炎林等[21]研究表明,次生林＞人工橡膠林＞季節雨林。李濤等[22]研究表明,未開割橡膠林土壤肥力優于已開割橡膠林,且表層土肥力顯著高于深層土。謝瑾等[23]則采用綜合指數法研究得出,不同土地利用類型土壤肥力排序為：自然林＞混合林＞茶園＞玉米地＞橡膠林＞水稻田。土壤肥力是維持森林及農作物可持續發展的重要因子之一,因此,本研究在前人研究的基礎上采用主成分分析法對納板河流域不同植被類型下土壤肥力進行綜合評價,以期為合理施肥及土地利用規劃和管理提供重要理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

納板河流域自然保護區(22°04′N—22°17′N,100°32′E—100°44′E)位于云南省西雙版納傣族自治州中北部,景洪市與勐海縣的接壤地帶,總面積266.6 km2。保護區地勢呈西北部高東南部低,海拔相對高差達1 765 m,垂直高差較大,山地氣候垂直帶明顯。納板河流域總體氣候類型屬北熱帶濕潤氣候,年日照時數1 800—2 300 h,年均氣溫18—22℃,年降雨量1 100—1 600 mm,雨量充沛且干濕季分明。由于保護區地形復雜,土壤類型有黃壤、紅壤、赤紅壤、磚紅壤。其中,在海拔800 m以下為磚紅壤,海拔800—1 500 m為赤紅壤,另外石灰巖土和粗骨性紫色土等在赤紅壤和磚紅壤地帶交織分布。保護區內植物種質資源豐富,植被類型主要有熱帶雨林、熱帶季雨林、落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林和次生植被及河漫灘灌叢等植被類型。

1.2 樣品采集與測定

2016年5月,通過實地調查并結合林相圖,在納板河流域國家級自然保護區按坡度和坡向在茶樹林、甘蔗地、火龍果地、香蕉地和不同年限橡膠林地布設采樣點樣地,并在每個林地設置20 m×20 m的樣地。每塊樣地按對角線選取3個具有代表性的采樣點,挖40 cm的土壤剖面,用100 cm3的環刀按照自然發生層次取原狀土樣,分為表層(0—10 cm)、中層(10—20 cm)、底層(20—40 cm)3個層次,共105個土壤樣品。取好的土壤樣品帶回實驗室,置于通風清潔無灰塵污染的室內進行自然風干,樣品風干后揀去動植物殘體(如根、莖、葉等)和石塊,將風干后的土壤進行研磨并分別過2 mm、1 mm和0.25 mm目篩。

采用中國分析標準方法[24]測定土壤自然含水率、土壤容重、pH、有機質、全氮、全磷、全鉀和速效鉀等指標。其中,土壤自然含水率的測定采用烘干法;土壤容重的測定采用環刀法;pH的測定采用電位法;有機質的測定采用重絡酸鉀容量法;全氮的測定采用半微量開氏法;全磷測定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法;全鉀測定采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法;速效鉀測定采用1 mol∕L乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.3 數據處理

采用Excel 2003進行數據分析,利用SPSS 22.0對各因子數據分布形態用單一樣本K-S進行檢驗;并對原始數據進行標準化處理、描述性統計分析、主成分分析和聚類分析。

1.4 土壤肥力評價方法

根據加乘法原理計算土壤肥力值[25],計算公式為

式中：ωi為權重值,Ni為標準化后的數值。根據土壤肥力評價指標選取的主導性、敏感性、獨立性和實用性原則[26]以及結合相關研究和納板河流域的土壤特性,本研究選取土壤自然含水率、容重、pH、有機質、全氮、全磷、全鉀和速效鉀作為土壤肥力評價的指標。運用SPSS 22.0軟件對參評因子進行相應的因子載荷矩陣分析,得出各評價因子的公因子方差,方差值代表了各因子對土壤肥力的貢獻,因此可根據各評價因子的公因子方差計算得出它們各自的權重(表1)。

表1 各參評因子的公因子方差及權重Table 1 Common factor variance and weight of each factor

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

對研究區各因子數據進行K-S檢驗表明,各因子數據均屬于正態分布,并對各因子數據進行描述性統計分析、方差分析及多重比較。

由表2可知,不同植被類型下土壤自然含水率的變化范圍為8.31%—35.79%,其中8 a橡膠林自然含水率均值為35.62%,顯著高于香蕉地、甘蔗地、20 a茶樹林、15—20 a橡膠林、5 a橡膠林和火龍果地。變異系數范圍是0.48%—29.42%,其中8 a橡膠林和15—20 a橡膠林變異系數最小,分別為0.48%和9.12%,屬于弱變異,而20 a茶樹林、甘蔗地、5 a橡膠林、火龍果地和香蕉地屬中等強度變異。土壤容重質量分數為1.05—1.89 g∕cm3,其中尤以火龍果地土壤容重最高,均值為1.74 g∕cm3,5 a橡膠林土壤容重最低,均值為1.28 g∕cm3。除甘蔗地變異系數為18.12%,屬中等強度變異,20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林、火龍果地和香蕉地由于變異系數均低于10%,所以它們均屬于弱變異。土壤pH變化范圍是4.1—5.4,其中尤以5 a橡膠林土壤pH最高,8 a橡膠林土壤pH最低。而不同植被類型土壤變異系數范圍為1.13%—6.94%,且均屬于弱變異。土壤有機質質量分數為9.40—95.10 g∕kg,其中20 a茶樹林和甘蔗地的有機質質量分數顯著高于其他植被類型。變異系數的范圍是7.93%—38.99%,其中變異系數最小的是香蕉地,屬于弱變異,變異系數最大的是15—20 a橡膠林,屬于中等強度變異;20 a茶樹林、甘蔗地、5 a橡膠林、8 a橡膠林和火龍果地也都屬于中等強度變異。土壤全氮的質量分數在0.13—1.32 g∕kg,甘蔗地和20 a茶樹林的全氮質量分數顯著高于其他植被類型。均屬于中等強度變異。土壤全磷質量分數在0.43—1.04 g∕kg,其中5 a橡膠林的全磷質量分數均值為1.01 g∕kg,顯著高于其他植被類型土壤全磷質量分數。甘蔗地和火龍果地土壤全磷變異系數分別為20.88%和14.53%,均屬于中等強度變異,而20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林和香蕉地由于其變異系數均低于10%,所以它們都屬于弱變異。土壤全鉀質量分數在0.08—8.92 g∕kg,火龍果地的全鉀質量分數較高(7.96 g∕kg),而8 a橡膠林的土壤全鉀質量分數明顯較低(0.47 g∕kg)。變異系數以8 a橡膠林最高為82.50%,20 a茶樹林、15—20 a橡膠林和火龍果地的變異系數分別為26.58%、12.60%和12.06%,均屬中等強度變異;而甘蔗地、5 a橡膠林和香蕉地的變異系數分別為5.90%、3.34%和9.65%,均屬于弱變異。土壤速效鉀質量分數在9.17—330.09 g∕kg,其中8 a橡膠林、15—20 a橡膠林和火龍果地的速效鉀質量分數顯著低于其他植被類型下土壤速效鉀質量分數。變異系數除甘蔗地、8 a橡膠林和15—20 a橡膠林及香蕉地較高,均屬于中等強度變異。

表2 不同植被類型下土壤肥力因子描述性統計Table 2 Descriptive statistics of soil fertility factors under different vegetation types

2.2 土壤肥力評價分析(IFI)

通過土壤肥力評價計算公式得出甘蔗地土壤肥力值最大,香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林的土壤肥力值較低,不同種植年限的橡膠林土壤肥力值以5 a橡膠林最高,不同植被類型土壤肥力變化趨勢為：甘蔗地＞20 a茶樹林＞5 a橡膠林＞香蕉地＞火龍果地＞15—20 a橡膠林＞8 a橡膠林(表3)。

表3 不同植被類型土壤綜合肥力指數Table 3 Soil comprehensive Fertility Index under different vegetation types

2.3 不同植被類型土壤肥力等級劃分

根據聚類分析法劃分土壤肥力等級,如以5.0作為分類標準,可將納板河流域不同植被類型下土壤肥力劃分為兩類(圖1),其中第一類包括1號、2號和3號,屬于肥力質量較好等級;第二類包括4號、5號、6號和7號,屬于肥力質量較差等級。由此劃分等級可以得出：甘蔗地、20 a茶樹林和5 a橡膠林＞香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林。

圖1 不同植被類型土壤肥力聚類樹形圖Fig.1 Clustering tree of soil fertility under different vegetation types

3 討論

不同土地利用方式及人為干擾程度對土壤肥力具有重要影響[27-28]。本研究中利用主成分分析法,對原始指標進行降維,并提取出2個主成分,累計貢獻率達到85.04%。對參評因子進行描述性統計分析得出,土壤各肥力因子表現為弱變異或中等強度變異,且甘蔗地土壤肥力質量比20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林、火龍果地和香蕉地要高,這可能與研究區自然條件及施肥等管理措施有關。甘蔗作為納板河流域重要的經濟作物之一,定期進行施肥等管理措施保障土壤養分的供給,促進甘蔗又好又快生長,因此甘蔗地的土壤肥力質量較好;而20 a茶樹林屬于茶樹的成年期,生育條件好且產量和品質也均處于高峰階段,再加上科學管理等措施,使20 a茶樹林的土壤肥力質量也較好;而不同年限橡膠林的土壤肥力質量呈現出5 a橡膠林IFI值高于15—20 a橡膠林IFI值,8 a橡膠林的土壤肥力質量最差,這可能是因為5 a橡膠林處于熱帶雨林砍伐后橡膠種植的初始階段,此階段微生物大量分解熱帶雨林凋落物獲得土壤養分,再加上植膠初期膠農人為施加有機肥增加土壤肥力,因此5 a橡膠林的土壤肥力質量較好;而8 a橡膠林處于橡膠樹開割的初級階段,割膠流失大量的營養元素,及割膠時人為踩踏致使土壤緊實度增加,容重降低,導致土壤孔隙度下降,土壤的保肥和保水能力也隨之下降,再加上橡膠林是單層林且樹種單一、生物多樣性較熱帶雨林低,土壤養分循環受到影響,土壤肥力質量最差;15—20 a橡膠林相對于8 a橡膠林土壤肥力質量較好,這是因為隨著橡膠林的生長其林冠層逐漸變大,相應的凋落物也不斷增加,通過微生物的分解活動,使15—20 a橡膠林林下土壤肥力質量高于8 a橡膠林林下土壤肥力質量。謝瑾等[23]對納板河流域自然保護區6種土地利用類型表層土壤肥力性狀進行比較分析得出,6種不同土地利用類型之間的土壤肥力評價因子具有明顯的異質性,其肥力變化趨勢是：自然林＞混合林＞茶園＞玉米地＞橡膠林＞水稻田,自然林的土壤肥力值最高,而受人為干擾影響下的水稻田肥力值最低。這是由于自然林轉變為其他農作物用地后,在耕地管理措施下,土壤結構分散,孔隙度降低,養分流失,導致土壤質量降低;丘秀靈等[29]對海南膠園土壤肥力評價研究得出,土壤普遍偏酸,且陽離子代換量低,土壤的綜合評價指標在0.25—0.50,綜合肥力水平低。這可能由于土壤陽離子交換量低,保肥能力較差,再加上降水加劇了土壤養分的流失;低頻割膠技術的推廣加劇了膠園養分的消耗;以及農場投入與產出不成正比,造成土壤養分投入和流出極端不平衡[30-31];而李濤等[14]在研究不同林齡橡膠林土壤肥力的變化中得出,未開割橡膠林的土壤肥力高于開割橡膠林的土壤肥力,且兩者的土壤肥力均處于中等偏下肥力程度;這可能是開割林的種植時間大于未開割林,且橡膠生長過程中已消耗大量的土壤養分,導致養分供需平衡出現失衡狀態,開割橡膠林的土壤肥力下降;二是由于未開割橡膠林處于幼林階段,土壤養分僅需滿足橡膠樹的正常生長,沒有產膠的負擔,再加上人工施肥等管理,所以未開割橡膠林的土壤肥力高于已開割橡膠林。據研究表明,就巴西橡膠樹而言,土壤容忍的pH在3.5—7.3,它的適應范圍較大。而對于甘蔗地而言,雖然甘蔗地具有耐酸性、耐貧瘠的特點,但土壤過酸會降低磷肥的利用率和影響甘蔗的生長發育[32]。一般說來,茶樹生長最適宜的pH為5.0—6.0,輕微的土壤酸化可以提高土壤中元素的有效性,有助于茶樹對營養元素的吸收;但是,嚴重的土壤酸化則會抑制茶樹根系對營養元素的吸收,不利于茶樹的生長[33]。據楊道富等[34]研究表明,火龍果適應土壤pH能力較強,既能在pH為4.5的強酸性土壤上生長,也能在pH為8.12的沿海鹽堿地生長。而賀柳梅等[35]對廣西武鳴縣香蕉地研究表明,香蕉種植區土壤pH在4.9—7.48。土壤pH對土壤礦質養分的有效性影響很大,是影響土壤肥力的重要因素之一。

4 結論

(1)西雙版納納板河流域不同植被類型土壤肥力因子多處于弱變異和中等強度變異,且土壤肥力的變化趨勢為：甘蔗地＞20 a茶樹林＞5 a橡膠林＞香蕉地＞火龍果地＞15—20 a橡膠林＞8 a橡膠林,表明耕作管理會引起土壤質量的下降。

(2)納板河流域土壤綜合肥力值處于-0.442270—0.498973,通過聚類分析將肥力等級分為兩類,其中甘蔗地、20 a茶樹林和5 a橡膠林為第一類,表示土壤肥力質量較好;香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林為第二類,表示土壤肥力質量較差。土壤肥力等級的每一類均表示了不同的土壤肥力狀況。