石漠化治理區經果林地土壤養分對種植模式的響應

劉子琦，肖 杰，李開萍，閔小瑩，張仕豪，史鵬韜

(貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】土壤養分是表征土壤肥力強弱的評估指標之一，其自身是反映土地資源中土壤基礎礦質元素對植物生長供應的水平，對于提高土壤肥力和保證當地農業資源可持續發展具有重要意義[1]。城市綠地[2]、蔬菜基地[3]、林草復合經營[4]、人工經濟林[5]、森林植被[6]等環境條件以土壤養分為主要評估指標的土壤肥力研究面較為廣泛。采用土壤養分為主要指標直接評價和探討土壤基礎生產力已逐步成為研究土壤生態系統的主流趨勢之一，為推動區域生態環境改善、減少土壤貧瘠和維持土壤健康可持續發展做出了重要的貢獻。畢節撒拉溪石漠化治理區的經果林地在實施混農林業修復模式以來，其土壤養分供需不平衡、退化問題日益凸顯[9]，進一步限制了當地經果林產業的可持續發展，亟需探明石漠化地區經果林地土壤養分供需水平，以綜合調控石漠化治理區經果林地的土壤肥力。【前人研究進展】通常經果林地或果園受管理措施、種植模式、氣候條件、土壤養分、土壤類型和生長年限等的影響較大[7-8]。而在石漠化地區對經果林地的土壤質量退化[10]、土壤與葉片生態化學計量[11-12]、土壤質量評價[13-14]、土壤養分與果實品質[15]、不同土地利用類型養分及微生物特征的變化[16]、母巖化學組分與土壤礦質元素的海拔分異規律[17]等相關方面研究，已取得顯著的階段性成果，對于維持和鞏固石漠化地區經濟林生態產業的持續發展具有現實意義。【本研究切入點】刺梨(Rosaroxburghii)和核桃(Juglansregia)作為石漠化治理區的生態與經濟發展重要的經濟樹種，鮮見其間作與單作種植模式下經果林地土壤養分狀況的研究報道，限制了石漠化治理區不同種植模式經果林地土壤養分水平評價，進一步制約石漠化的防治與植被的恢復。【擬解決的關鍵問題】選取畢節撒拉溪石漠化治理示范區，研究區域內經果林地土壤養分對種植模式的響應，揭示不同種植模式經果林地的土壤養分垂直分布特征，以期為石漠化治理區刺梨、核桃為主的經果林地的植被優化和土壤養分供應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

畢節市撒拉溪朝營小流域石漠化治理示范區，是國家“十二五”“十三五”重大科研專項實施石漠化綜合治理的示范區之一，該研究區位于貴州省西北部，畢節市六沖河流域支流區內，屬于“長治”工程項目區；位于E105°02′～105°08′，N 27°11′～27°16′；境內有二疊系灰巖夾白云巖和砂頁巖分布，為流域內巖石質地構造的主要代表；主要分布地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風化石灰土；海拔1495～2200 m，年均溫15 ℃左右，無霜期為265 d，年均降雨量1284 mm。該地區潛在與輕度等級石漠化占石漠化面積的53.17 %，中度與強度等級石漠化占石漠化面積的11.66 %，非石漠化面積占石漠化總面積的35.17 %。裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。耕作類型地大多分布于山地緩坡、坡立谷和溶蝕洼地。境內的盲谷與干谷、漏斗與落水洞交織，峰叢間偶有洞穴、石丘出露。玉米(Zeamays)一直是當地多年連續種植的低價值經濟作物，在撒拉溪示范區實施混農林業復合經營治理模式后，改種刺梨和核桃等價值較高的經濟林品種。喀斯特高原山地區撒拉溪研究區的裸地[18]和植被未破壞原生樣地[19]的土壤養分背景值見表1。

1.2 材料

土樣97個，采自撒拉溪示范區核桃與刺梨間作地和刺梨單作地0～10、10～20和20～30 cm的土層土壤。其中，核桃與刺梨間作模式地為6個典型20 m×20 m樣地，采集土樣52個，刺梨單作地為5個典型20 m×20 m樣地，采集土樣45個。

1.3 方法

1.3.1 土樣采集 在研究區進行野外踏勘的基礎上，于2017年10月對分布于溶蝕洼地地形區內，生長年限分別在6年的核桃與刺梨間作模式地與5年的刺梨單作模式地進行取樣(表2)。考慮石漠化地區土層較薄，按照S形法布點采集0～10、10～20以及20～30 cm的土層的土壤，然后，每個樣地的土壤按照相同層次分別混勻為1個土樣重復備用。

表1 喀斯特高原山地區土壤裸地與原生樣地背景值

表2 間作地與單作地采樣樹種及生長環境

注：表中“/”前后分別表示為核桃、刺梨。

Note: The tree variety before and after‘/’ isJuglansregiaandRosaroxburghiirespectively.

1.3.2 指標測定 土壤肥力主要測定指標為pH、有機質(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK,)、堿解氮(AN)、速效磷(AP,)和速效鉀(AK)共計8個指標，所有指標的測定分析均參照文獻[20]的方法進行。土壤pH，采用玻璃電位法測定；土壤有機質，采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮，采用全自動凱氏定氮儀滴定測定；土壤全磷，采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀，采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法；土壤堿解氮、速效磷和速效鉀，分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-紫外分光光度計法和乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.3.3 數據處理與計算 采用R語言3.4.4 for windows x64進行數據的整理、分析與繪圖，進行闡述樣地與土壤環境因子的關系。采用R語言中的自帶函數包進行單因素方差分析和因子分析，加載vegan包中的DCA分析，對土壤樣品數據集判定單峰模型還是線性模型，以確定排序模型[21-22]。確定排序模型規則以土壤養分垂直分布和排序結果在ggplot2包中繪制。此外，參照文獻[23]的方法，運用加權求和公式計算土壤養分供應水平分值。

W=Y1T1+Y2T2+Y3T3

式中，W為土壤養分供應水平的得分，T1、T2和T3分別代表公因子1、公因子2和公因子3的權重，其計算方法是對變量旋轉后的特征值矩陣中的方差貢獻率與特征值大于1的方差貢獻率總和之比，即可求得每個公因子的權重。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式經果林地各土層土壤養分的含量

從圖1看出，2種種植模式0～10、10～20和20～30 cm土層土壤pH、全氮、全磷、全鉀和有機質等含量的變化。pH：3個土層土壤均是刺梨-核桃間作地高于刺梨單作地，且差異顯著(P<0.05)；全氮、全磷、速效磷和速效鉀：3個土層土壤均是刺梨-核桃間作地高于刺梨單作地，且差異顯著(P<0.05)；全鉀、有機質和堿解氮：除0～10 cm土層有機質外，3個土層土壤均是刺梨單作地高于刺梨-核桃間作地，且(除全鉀外)差異顯著(P<0.05)。總體看，2種種植模式除土壤pH隨土層加深而增加外，其中全氮、全磷、全鉀、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量隨著土層的深度增加呈遞減趨勢。即土壤養分從表層聚集后向下遷移擴散。

2.2 不同種植模式經果林地土壤養分的供應水平

土壤pH、全氮、全磷、全鉀和有機質等含量8個土壤養分變量進行信息重組后，經KMO和Bartlett球形檢驗顯示，KMO=0.640，Sig<0.001且小于顯著性水平0.05，滿足因子分析要求。從表3可知，8個指標經因子分析后前2項均大于1的因子1、因子3和因子3的初始特征總值和旋轉后特征總值分別為2.419、2.235、1.045和2.222、2.080、1.397，方差貢獻率分別為30.24 %、27.93 %、13.07 %和27.77 %、26.04 %、17.46 %，且累積貢獻率均為71.24 %。經正交旋轉后獲得因子得分矩陣和載荷矩陣(表4)，經計算得出，公因子1的權重為0.424，公因子2的權重為0.392，公因子3的權重為0.184。最后依據土壤綜合肥力加權求和公式得出土壤養分供應水平得分，其中刺梨單作地為0.439分，刺梨-核桃間作地為0.572分。

2.3 不同種植模式經果林地土壤與其養分的相關性

經DCA分析，刺梨單作和刺梨-核桃間作排序前4軸最大分別為0.533和0.417，均沒有超過3，則使用線性模型。經線性模型PCA排序，在8個土壤養分因子中，刺梨單作土壤養分的累積貢獻率為65.23 %，刺梨-核桃間土壤養分的累積貢獻率為67.03 %，表明其對土壤養分供應水平差異均具有良好的信息解釋能力。從表5可知，刺梨單作地8個土壤養分因子中有7個土壤養分因子與其樣地PCA排序結果呈極顯著相關；刺梨-核桃間作8個土壤養分因子與樣地排序結果呈顯著或極顯著相關。從圖2看出，刺梨單作土壤pH、全氮、全磷、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀與第一軸夾角較大，呈負相關；全鉀與第二軸夾角較大，呈負相關。刺梨-核桃間作土壤pH和全氮與第一軸夾角較大，呈正相關，全磷、有機質、堿解氮和速效鉀與第一軸夾角較大，呈負相關；全鉀與第二軸夾角較小，呈正相關，而速效磷與第二軸夾角較大，呈負相關。結合PCA排序結果及連線長度看，2種種植地的全鉀、有機質、堿解氮和速效鉀等土壤肥力指標對樣地土壤肥力分異的影響較大，土壤pH、全氮、全磷和速效磷等對樣地土壤肥力分異的影響較小。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05圖1 不同種植模式各土層土壤養分的垂直分布Fig.1 Nutrient vertical distribution of soil with different depth under different cropping pattern

表3 前2項大于1的特征值、方差貢獻率和累積貢獻率

表4 因子旋轉載荷矩陣及其得分矩陣

表5 PCA排序的土壤養分因子的相關性

注：*表示相關性顯著(P<0.05)，**表示相關性極顯著(P<0.01)。

Note: *and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

圖2 不同種植模式土壤養分PCA排序及其與土壤養分因子關系Fig.2 PCA ranking of soil nutrients and its relationship with soil nutrient factors under different cropping pattern

3 討 論

3.1 不同種植模式對經果林地土壤養分垂直分布特征的影響

土壤養分是自然環境與人為作用因素共同作用的結果，土壤養分的含量、分布和遷移轉化不僅受氣候條件、成土母質等自然因素影響，還受制于種植模式、耕作方式和土地利用方式等人為活動的影響[25]。研究結果表明，除土壤pH外，其余指標均隨土壤層次的加深而呈降低趨勢，即土壤養分具有隨土層加深而降低的垂直變化特征，與宋希娟等[25-26]的研究結果一致。原因是植物枯落物養分歸還作用，在土壤表層產生蓄積，隨水和其他介質共同使表層土壤養分向下遷移擴散所致[27]，枯落物在土壤表層的養分歸還，引起有機物質腐化釋放H+離子造成表層土壤偏酸[28]，隨著土層的加深釋放H+離子減少，土壤pH逐漸偏中性；不同種植模式下，間作地不同土壤深度層次中以土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量高于單作地(P<0.05)，而單作地的全鉀和堿解氮指標含量高于間作地(P<0.05)，0～10 cm土層土壤有機質含量間作地高于單作地，>10 cm后間作地低于單作地(P<0.05)。表明，核桃與刺梨進行間作構成了多層植被改善樣地的小氣候，遮陰作用加速土壤與空氣濕度流動，減少土壤有機物的礦化，有利于有機物在土壤中的積累，土壤的緩沖能力和養分的吸附能力提高[29]，使間作地土壤養分的累積優于單作地。

3.2 不同種植模式對經果林地土壤養分供應水平的影響

研究結果表明，2種種植模式經果林地土壤養分供應水平均不同程度提高，刺梨-核桃間作土壤養分供應水平(0.572分)優于刺梨單作地(0.439分)。韋宏民等[30]認為，板栗-農間作模式有利于改善土壤結構，提高土壤速效養分含量。張德等[31]研究發現，與單作相比，龍眼與花草間作可提升有機質、微生物和全氮含量。與本研究結果一致。表明，石漠化經果林地實施間作種植模式可有效提高土壤養分供應水平。間作與單作供應水平差異原因可能是不同種植模式產生不同的土壤養分沉積效應。據實地調查，刺梨-核桃間作構成多層喬灌植被并形成遮陰作用，林下多以喜陰的宿根類和匍匐類草本植物為主，凋落物蓄積較多；刺梨單作植被配置較為單一，大多長勢較為低矮，表層土壤缺乏凋落物覆蓋，根系淺且呈發散狀分布；刺梨-核桃間作表層土壤養分歸還作用較刺梨單作大。總體看，2種種植模式土壤養分的供應水平不高，原因在于林地管理較為粗放，水肥調配不均衡，人為片面地追求經果林地帶來的經濟效益，卻忽視了水肥管理和土壤養分供應不平衡，屬于立地衰退型經果林地[9]。

3.3 養分因子對不同種植模式經果林地土壤養分供應水平的影響

借鑒生態學領域研究植被與環境變化關系和對環境變化影響植被分布及格局的排序方法，將樣地與土壤養分因子關系進行排序，以弄清土壤養分各因子影響樣地土壤養分供應水平的差異。研究結果表明，經PCA排序分析，刺梨單作土壤養分的積貢獻率為65.23 %，刺梨-核桃間作土壤養分的累積貢獻率為67.03 %，均表明其對土壤養分供應水平差異具有較好的解釋信息能力。經排序分析，影響不同種植模式地土壤養分供應水平差異的主要因子分別是全鉀、有機質、堿解氮和速效鉀(P<0.001)。說明上述土壤養分因子主要通過物質循環與能力的空間再分配，是石漠化治理區經果林地土壤養分供應水平差異的影響因子。

根據全國土壤二次分類普查標準[32]，研究篩選出的有機質、堿解氮、速效鉀和全鉀等主要養分因子的養分含量分別為高、中上、中下和低水平，普查分類標準在一定程度上可作為識別土壤養分供應水平。由于有機質是物質和能力循環的基礎，對土壤保肥能力和控制土壤微生物對有機物的礦化速率具有重要影響[33]。堿解氮含量很大程度上與有機質中活性腐殖質的轉化程度有關[34]，研究區土壤有機質含量高，從而有機物腐殖化程度高，進一步影響堿解氮含量高低，對土壤養分供應水平的影響較大。2種種植模式的土壤類型以黃壤與石灰土混合型土壤為主，全鉀和速效鉀含量普遍較低，與楊珊等[35-36]的研究結果一致。貴州石漠化地區一般為黃壤地帶性分布缺鉀，為國內最貧鉀的土壤之一。究其原因：可能是有機質越豐富對土壤全鉀構成稀釋效應[37]，從而引起全鉀含量相對減少，在一定比例上構成植物可利用的速效鉀含量供應不足。因此，土壤鉀素含量較低是影響該地區土壤養分供應水平的限制因子。應及時注重對不同種植模式地土壤鉀素的補充，穩定提升刺梨和核桃的產質量。此外，研究未采用氣候因素和地形地貌等其他環境因子綜合考慮解釋土壤養分供應水平問題。因此，全面解釋石漠化治理區經果林地土壤養分供應水平差異的影響因素，還有待于進一步深入研究。

4 結 論

石漠化治理區經果林地不同種植模式的土壤養分含量，除土壤pH隨土層加深呈升高外，其余養分含量均隨土壤層次的加深呈降低趨勢，不同土層土壤以土壤全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量刺梨-核桃間作高于刺梨單作(P<0.05)，全鉀和堿解氮含量刺梨單作高于刺梨-核桃間作(P<0.05)，土壤有機質含量在0～10 cm刺梨-核桃間作高于刺梨單作，>10 cm后刺梨-核桃間作低于刺梨單作(P<0.05)。刺梨-核桃間作土壤養分供應水平(0.572分)優于刺梨單作地(0.435分)。全鉀、有機質、堿解氮和速效鉀是影響研究區土壤養分供應水平差異的主要因子。