桂林巖溶石山青岡櫟群落土壤相關性研究

金秋珠　殷紫嫣　羅雪銘　江圣哲　盤遠方　姜勇

摘要 為了探討巖溶石山土壤養分及其分布狀況，以廣西桂林市郊的演坡山、陽朔縣的白沙鎮和碑頭村的青岡櫟群落的土壤理化性質為研究對象，對3個采樣點的青岡櫟群落土壤理化性質是否存在差異以及各理化性質的相關性進行研究。單因素方差分析和多重比較表明：土壤有機質、土壤全磷、土壤有效鉀在演坡山、白沙鎮和碑頭村間無顯著差異;土壤含水量、土壤有效磷和土壤pH在3個采樣點存在顯著差異。 Pearson相關性分析表明：土壤有機質與土壤有效鉀呈極顯著正相關，與土壤全磷呈顯著正相關;土壤全鉀與土壤有效鉀呈極顯著正相關，與pH呈極顯著負相關，與土壤有效磷呈顯著負相關;土壤pH與土壤有效磷呈顯著正相關，與土壤全磷呈極顯著正相關。

關鍵詞 青岡櫟;土壤理化性質;單因素方差分析;多重比較;相關性分析

中圖分類號 S151.9+3文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2020）13-0059-04

Abstract To study the soil nutrients and their distribution in Karst stone mountains， the soil physicochemical properties of Quercus glauca community distributed in Yanpo Mountain， Baisha Town and Beitou Village in Guilin City， Guangxi were studied. Single factor variance analysis， multiple comparison method and correlation analysis were used to study the difference of soil physicochemical properties of Q. glauca community in three sampling sites and the correlation of each physicochemical property. Oneway ANOVAS and multiple comparisons （TurkeyKramer HSD） showed that， soil organic matter， soil total phosphorus and available potassium of Q. glauca community in Yanpo Mountain， Baisha Town and Beitou Mountain were not significantly different. There were significant differences in soil water content， soil total potassium， and soil pH among the three sampling sites. Pearson correlation analysis showed that， soil organic matter was positively correlated with soil available potassium， and positively correlated with soil total phosphorus; soil total potassium was positively correlated with soil available potassium， negatively correlated with pH and negatively correlated with soil available phosphorus; soil pH was positively correlated with soil available phosphorus， and positively correlated with soil total phosphorus.

Key words Quercus glauca;Physicochemical properties of soil;Single factor analysis of variance;Multiple comparisons;Correlation analysis

土壤是生態系統中生物賴以生存的載體、植被生長的基礎、植物生長所需養分的主要來源。土壤養分是影響生態系統結構和功能的關鍵因素，是土壤肥力的重要指標，直接決定植被生長、分布、群落結構、生態系統和功能的穩定性。土壤養分的空間變異是植被組成及相關生理生態過程綜合影響的結果。目前，許多學者對多種生態系統類型中土壤養分時空變化規律進行了相應研究。例如，Goidts等[1]研究了比利時50年土壤有機碳變異特征;宋豐驥等[2]對土壤表層全氮進行了半方差分析和空間插值計算。地形、植被與土壤養分相互作用，關系復雜。研究土壤養分空間變異，特別是對其量化過程的研究，對科學的土壤資源利用及指導植被恢復，生態系統評價、治理具有重要意義。

有許多學者對青岡櫟群落進行了研究，但是大多主要研究其群落結構、種內種間、生理特性及植物功能性狀，而關于青岡櫟群落土壤養分的研究較少，資料也相對零散。例如，趙麗娟等[3]研究石櫟-青岡群落結構，發現地形和土壤空間結構是石櫟-青岡群落物種組成和空間分布的決定性因素，有效磷、全鉀和全磷含量是最主要的土壤因子。在青岡櫟生理特性的研究方面，程勇等[4]研究了氮磷鉀施肥配比對青岡櫟幼苗生長的影響，發現氮、磷、鉀對青岡櫟幼苗生長的影響效應不同，其中氮元素影響最大，磷元素和鉀元素影響較小。盤遠方等[5]對桂林巖溶石山青岡櫟和灌叢植物葉功能性狀隨坡向梯度變化規律的研究得出：在陰坡上，對比葉面積影響顯著的環境因子是土壤有效氮含量;陽坡上則是土壤含水量和土壤pH。

巖溶生態系統是我國生態環境最為脆弱及惡劣的地區之一，其自然地理地質條件惡劣，生態系統脆弱，石漠化程度加劇，增加了植被恢復與重建的難度[6]。青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）是殼斗科青岡屬常綠闊葉樹種，具有較強的生態適應性。研究巖溶石山青岡櫟群落土壤理化性質特征，可以很好地了解土壤形成過程、結構和功能，對青岡櫟群落空間格局以及土壤侵蝕、生態過程等研究有借鑒作用。廣西桂林演坡山、白沙鎮和碑頭村地貌類型為典型的峰叢洼地地貌，海拔多在100～500 m，屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，是學者研究巖溶石山地區植物生態的常選之地。盤遠方等[5]、黃冬柳等[7]、胡剛等[8]和李月娟等[9]均選擇這3處樣地為研究區，對青岡群落植物功能性狀的尺度變化與關聯、青岡種群數量動態、青岡櫟群落生態等進行研究，但均未對該處的土壤生態進行研究。該研究以這3處青岡櫟群落土壤為對象，探討桂林巖溶石山地區土壤養分含量的差異性及關聯性，以期為巖溶石山地區植被的恢復與重建、森林管理及其可持續利用等提供科學理論依據。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于廣西壯族自治區東北部地區的桂林市境內，地理坐標為24°40′～25°40′ N，110°09′～110°42′ E，海拔為173～268 m。該地區多為峰林、峰叢地貌，巖石致密且裸露率高，表層土壤稀薄，地表水缺乏，具有明顯的巖溶地貌特征，屬于典型的喀斯特地貌類型[10]。區域內全年雨量充沛，年均降雨量為1 855.89 mm;氣候暖和，全年最冷月為每年開始的第1個月，該月平均氣溫是8.0 ℃，而最熱的月份為8月，該月平均氣溫是28.1 ℃，日照時長為1 465 h，年平均蒸發量達1 457.96 mm，全年無霜期為309 d，屬于典型的中亞熱帶濕潤季風氣候[11]。3個研究樣點主要以青岡櫟為優勢種，其伴生種有紅背山麻桿（Alchornea trewioides）、龍須藤（Bauhinia championii）、干花豆（Fordia cauliflora）、齒葉黃皮（Clausena dunniana）、樸樹（Celtis sinensis）和粗糠柴（Mallotus philippensis）等。樣地概況如表1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方設置與土壤取樣。

經過野外實地踏勘，于2017年5—11月在桂林市郊的演坡山、陽朔縣的碑頭村和白沙鎮的富里灣共設置了20個大小為20 m × 20 m的樣方，分別為演坡山9個、碑頭村7個、富里灣4個。在此基礎上，將每個20 m × 20 m的樣方劃分成16個5 m×5 m的小樣方。在小樣方中心位置處用環刀采集0、15和30 cm的土樣用于測定土壤物理性質（土壤含水量），取樣結束后將土壤依次回填。土壤化學性質測定采用“梅花五點法”采樣，在每個5 m×5 m小樣方的4個頂點處和中心位置，清除表層枯落物和腐殖質層后，用直徑10 cm的土鉆鉆取0 cm土層土樣，運用四分法混合均勻后帶回實驗室用于土壤化學性質的測定[12]。將采集的新鮮土樣放置于室內陰涼通風處自然干燥，待風干后，剔除其中的根系、石塊、鈣核及動植物殘體等雜物后，倒入研缽中研細，過不同孔徑（0.15、0.25、1.40 mm）的土壤篩，對預處理后的土樣進行土壤pH、有機質、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀7個土壤化學性質指標的測定。

1.2.2 土壤樣品測定。

土壤含水量（SWC，%）采用烘干法測定;土壤pH采用電導法測定（水土比為2.5∶1）[13];有機質（SOM，g/kg）采用重鉻酸鉀容量法測定;全氮（TN，g/kg）采用全自動凱氏定氮儀（KJELTECTM8400）測定;全磷（TP，g/kg）采用鉬銻抗比色法測定[14];全鉀（TK，g/kg）采用堿熔-火焰光度法測定[12];有效氮（AN，mg/kg）采用堿解擴散法測定[15];有效磷（AP，mg/kg）采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法;有效鉀（AK，mg/kg）采用乙酸銨浸提-火焰光度法[16]。每個土壤樣品均重復測定3次取其平均值作為該研究的原始數據。

1.2.3 數據分析。

采用單因素方差分析（one-way ANOVAs）方法對碑頭村、演坡山和白沙鎮3個采樣點的土壤環境因子進行差異性統計分析。在不同采樣點的土壤環境因子呈現統計顯著的情況下，又運用Tukey-Kramer HSD檢測進行多重比較。為了解各土壤環境因子的相互關系，運用Pearson相關性分析各土壤環境因子間的相關性，相關性大小用Students t檢驗。數據統計分析與繪圖均在 R-2.15.1程序（R Development Core Team，2015）中進行。

2 結果與分析

2.1 不同樣地土壤理化性狀對比

由圖1可知，土壤有機質、土壤全磷、土壤有效鉀在演坡山、白沙鎮和碑頭村間無顯著差異（圖1B、C、F）;土壤含水量、土壤有效磷在碑頭村、演坡山和白沙鎮間存在顯著差異，且表現為白沙鎮>演坡山>碑頭村（圖1A、E）;土壤全鉀在白沙鎮、碑頭村和演坡山間存在顯著差異，且表現為演坡山>碑頭村>白沙鎮（圖1D）;土壤pH在白沙鎮、演坡山和碑頭村間存在顯著差異，且表現為白沙鎮>碑頭村>演坡山（圖1G）。

2.2 土壤理化性狀的相關性

3個采樣點土壤環境因子的相關性分析表明（圖2）：土壤有機質與土壤有效鉀呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤全磷呈顯著正相關（P<0.05）;土壤全鉀與土壤有效鉀呈極顯著正相關（P<0.01），與pH呈極顯著負相關（P<0.01），與土壤有效磷呈顯著負相關（P<0.05）;土壤pH與土壤有效磷呈顯著正相關（P<0.05），與土壤全磷呈極顯著正相關（P<0.01）;土壤有效磷與土壤含水量呈顯著正相關（P<0.01）。

3 討論

3.1 不同樣地土壤理化性狀對比

巖溶石山地表土壤含水量是影響生態環境、生物多樣性、水文循環及水環境保護的重要因素。該研究中，3處樣地的土壤平均含水量存在顯著差異。可能是因為巖溶石山地質條件惡劣，地形破碎，土壤淺薄，分布不均，加上太陽輻射量不同，土壤表層溫度不同，導致地表土壤蓄水能力不同，從而使土壤含水量存在顯著差異。

土壤磷素是植物生長的重要元素之一，是衡量土壤中各種形態磷總和的一個重要指標，主要來源于枯落物礦化及土壤礦質顆粒的風化[17]。磷對保持土壤肥力起重要作用，受到母質、氣候、生物、土壤酶等一系列因素的影響[18]。該研究中，3處樣地的土壤有效磷含量存在顯著性差異。可能是因為各樣地土壤風化程度不同，土壤pH存在明顯差異，且在酸性土壤中，土壤的磷酸易與鐵、鋁離子結合成不溶物而被固定，導致土壤中有效磷含量因結合程度不同而不同，并且含量較低。

鉀是高等植物生長發育的必需營養元素之一，是三大酶類（合成酶、氧化還原酶、轉移酶）的活化劑，參與植物的核酸代謝、糖代謝、蛋白質代謝等主要代謝過程[19]，可提高抵抗逆境的能力和作物品質[20]。該研究中，3處樣地全鉀含量也存在顯著性差異，可能與3個采樣點酸性土壤的淋溶作用不同有關。土壤鉀素具很強的溶解性和易流失性，容易受土壤母質、地形、土壤風化程度等的影響，易被過多的氫離子取代而淋失掉，從而導致各樣地土壤全鉀含量差異顯著。

土壤pH既影響土壤本身的理化性質和生物因素，也影響植物對養分的吸收和生長發育。該研究中，3處樣地的土壤均屬于偏酸性土壤，但pH在各個樣地存在顯著差異。原因可能是巖溶石山的土壤性質主要為碳酸鹽巖風化的石灰土，而碳酸鹽的溶解和硅酸鹽礦物的風化消耗土壤中的H+，導致土壤pH逐漸下降，又因為3處樣地的土壤表層溫度、微生物種類等因素不同導致碳酸鹽的溶解和硅酸鹽礦物的風化程度不同，以及隨后淋溶作用程度不同使土壤中交換性酸（交換性氫和交換性鋁）的形成存在顯著差異，以致土壤pH在各個樣地存在顯著差異。

3.2 土壤理化性質的相關性

在巖溶石山，土壤有機質與土壤有效鉀呈極顯著正相關，與土壤全磷呈顯著正相關。其原因可能是在巖溶石山，土壤干濕交替頻繁，速效鉀進入黏粒礦物晶格中，土壤干旱脫水引起收縮，鉀離子被陷其中，暫時失去被置換的自由，轉化為緩效態鉀暫時被固定。 當降水量減少時，土壤微生物生理活性降低，礦化作用減弱，土壤有機質含量提高，土壤的鉀素也被釋放出來，土壤有效鉀含量提高[21]，土壤全磷能夠被土壤有機質或土壤膠體吸附，所以土壤全磷含量也增加[22]。

土壤全鉀與土壤有效鉀呈極顯著正相關，與pH和土壤有效磷呈顯著負相關。可能的原因是，該研究選取的3個樣地主要為自然土壤，人為因素影響小，全鉀到速效鉀的轉化由土壤自身實現，故變幅不大，說明土壤速效鉀含量高低受制于全鉀供應[23]。土壤全鉀與pH呈顯著負相關，可能的原因是巖溶石山土壤主要呈酸性，且酸性土壤持鉀能力弱[24]，而對于巖溶石山土壤全鉀和有效磷之間的響應機制需要進一步探索。

土壤pH與土壤有效磷呈顯著正相關，與土壤全磷呈極顯著正相關。可能的原因是，巖溶石山的土壤偏酸性，土壤的磷酸易與鐵、鋁離子結合成不溶物而被固定，導致土壤中有效磷含量減少，且被固定下的不溶物易被桂林豐富的降水侵蝕，導致土壤全磷含量減少[25]。土壤有效磷與土壤含水量呈顯著正相關，表明土壤水分有利于有效磷的積累。

綜上所述，巖溶石山青岡櫟群落的土壤壞境存在明顯差異，如土壤表層溫度、土壤微生物種類不同，導致不同青岡櫟群落樣地的土壤理化性質存在較明顯的差異。而巖溶石山的土壤理化性質也存在較明顯的相關性。可利用土壤的相關性關系，合理調控巖溶石山土壤養分和土壤pH，改善巖溶石山土壤生態系統和植被恢復。

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