李开萍， 刘子琦， 李 渊， 余 逍， 高阿娟

(1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州贵阳550001；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳550001)

我国南方喀斯特地区生态系统十分脆弱，成土速率缓慢，岩石裸露率高，石漠化问题严重[1]。国家在 “十三五”期间重点开展了石漠化生态修复与保护技术研究[2]，以推进石漠化治理工作。土壤质量评价作为判断土地生产力的依据，对石漠化治理效益评估具有重要的理论指导意义。

花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)喜钙、耐旱、喜光、浅根，十分适宜在缺水的喀斯特环境中种植[3]。在喀斯特石漠化地区种植花椒，有助于增加土壤肥力[4]与固碳能力[5-6]，具有改善生态环境和提高经济效益的作用，因而在石漠化治理区被广泛推广[7]。近年来，已有学者对石漠化地区花椒林土壤质量进行了评价，如孙建等[8]对花椒、金银花(LonicerajaponicaThunb.)、核桃(JuglansregiaL.)、荒地4种不同生态恢复模式下的土壤质量进行了评价，发现种植花椒能明显提高土壤质量；杨丹丽等[9]评价了花椒、玉米(ZeamaysL.)、柚木(TectonagrandisL.F.)、火龙果(HylocereusundulatesBritt)4种经果林地土壤质量，结果表明花椒地土壤质量最佳。基于以上认识，学者们对花椒的种植环境进行了深入研究:如宋燕平等[10]对比了复垦地、农田、荒地花椒林的土壤质量情况，发现复垦地花椒林土壤质量较好；喻阳华等[11]通过监测不同小生境花椒林，揭示了不同小生境对花椒林土壤质量的影响机理。

由于石漠化地区土壤浅薄且不连续，花椒种植大多位于坡改梯、溶沟、洼地等石漠化地区土壤相对集中的立地环境中。然而，目前针对不同立地环境下的花椒林土壤质量评价鲜见报道。鉴于此，以喀斯特高原峡谷区不同立地环境的花椒林土壤为研究对象，利用数理统计方法确定最小数据集，评价其土壤质量，对比分析坡改梯、溶沟、洼地花椒林土壤理化性质特征，揭示喀斯特高原峡谷区不同立地环境花椒林土壤质量差异的原因，以期为喀斯特高原峡谷区花椒种植合理布局和石漠化生态环境恢复提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贞丰县北盘江流域内的石漠化综合治理示范区，北纬25°39′13″～25°41′00″，东经 105°36′30″～105°46′30″， 总面积 5 161.65 hm2， 其中喀斯特面积占 87.92%， 属于典型的喀斯特高原峡谷地貌类型，海拔450～1 450 m。该区属亚热带干热河谷气候，全年光热充足，降水集中在5—8月(其降水量占全年总降水量的83%)，年平均气温18.4℃；岩性为三叠系白云岩、泥质白云岩和页岩，土壤以黄壤和石灰土为主。区内岩溶作用剧烈，土流失严重，导致地表岩石裸露，植被覆盖率低，出现大量溶沟、石芽、石缝等石漠化景观；同时，地下岩溶系统发育了岩溶裂隙、洞穴、暗河、落水洞等地貌景观。研究区主要经济作物为花椒、金银花、核桃、构树[Broussonetiapapyrifera(Linn.)L′Heritier ex Ventenat]，其中花椒作为主要经济树种，已有超过40 a的种植历史。

1.2 样地设置与样品采集

2012年，在研究区内种植花椒，首次种植时翻耕并施用农家肥，后期无翻耕与施肥行为。选择坡改梯、溶沟、洼地3种不同立地环境的花椒林样地，三者间水平方向相距40 m，坡向均为西北，样地基本信息见表1。2017年8月，进行土壤样品采集，每种立地环境分别选取3个样方(20 m×20 m)，采样方案按照蛇形取样法布置，每个样方选取10个样点，共计90个样点。采样开始前，清理样地表层枯落物，使用环刀采集表层0～10 cm原状土，另取0～15 cm土层土壤混合样品1 kg。土壤样品的采集和保存均参照《GB/T 36197—2018土壤质量土壤采样技术指南》[12]进行。混合土样挑出植物根系和枯落物，粉碎分别过2.00和0.25 mm筛，作为土壤化学指标待测样品置于通风阴凉处。

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

1.3 土壤理化性质测定方法

参照《土壤农业化学分析方法》[13]进行土样指标测定，其中，土壤物理指标用环刀法测定，土壤有机质(organic matter，OM)含量用K2Cr2O7油浴外加热法测定，全氮(total nitrogen，TN)含量用半微量开式定氮法测定，全磷(total phosphorus，TP)含量用双酸(HClO4和H2SO4)混合消解钼锑抗比色法测定，全钾(total potassium，TK)含量用NaOH碱熔火焰光度法测定，水解氮(alkaline hydrolysis nitrogen，AN)含量用碱解扩散法测定，有效磷(available phosphorus，AP)含量用NaHCO3浸提-钼锑抗分光光度法(Olsen法)测定，速效钾(available potassium，AK)含量用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，土壤pH值用电位法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件对数据进行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Batlette检验，若KMO值大于等于0.7，说明该组数据适合作主成分分析。通过主成分分析筛选出特征值大于1的主成分，将同一主成分下载荷值的绝对值大于等于0.5的土壤指标划为一组。若一组中只有1个土壤指标的载荷值大于等于0.5，则该土壤指标直接进入最小数据集(minimum data set，MDS)；若一组存在2个及以上土壤指标的载荷值大于等于0.5，首先通过公式(1)分别计算各指标的综合载荷值(Nik)，进而选取该组内Nik值位于前10%的土壤指标，并使用Pearson相关性分析法，分析土壤指标间的相关性，相关性显著(r＞0.5)则选取Nik值最高的土壤指标进入MDS，相关性不显著(r＜0.5)则本组中所有土壤指标都进入MDS。

式中:Nik表示第i个指标的前k个主成分(特征值大于1)的综合载荷值，其值越大，则解释综合信息的能力越完全；μik表示第i个指标在第k个主成分上的载荷值；ek则表示第k个主成分的特征值。

式中:I表示土壤质量指数；Wi表示第i个指标的权重；Ni表示第i个指标的隶属度；n表示进入MDS的土壤指标数量。

采用隶属度函数对进入MDS的土壤指标无量纲化，根据土壤指标的正、负效应选择合适的函数类型。

升型隶属函数公式:

式中:f(x)表示土壤指标隶属度；x表示土壤指标的测定值；x2表示土壤指标测定值中的最大值，x1表示土壤指标测定值中的最小值。

2 结果与分析

2.1 不同立地环境花椒林土壤理化性质特征

不同立地环境花椒林土壤化学性质特征如表2所示，土壤pH值大小为坡改梯＞溶沟＞洼地，差异显著(P＜0.05)；土壤OM、AN、AK、TP和AP含量均呈现出洼地＞溶沟＞坡改梯的规律，而土壤TN和TK含量呈现出溶沟＞洼地＞坡改梯的规律，坡改梯的TN含量与其余两种立地环境的差异显著(P＜0.05)。

表2 不同立地环境花椒林土壤的化学性质Table 2 Characteristics of soil chemical properties of Zanthoxylum bungeanum forest at different sites

不同立地环境花椒林土壤物理性质如表3所示，土壤容重大小为坡改梯＞溶沟＞洼地，坡改梯与其余两种立地环境的差异显著(P＜0.05)。土壤田间持水量、毛管持水量和总孔隙度均呈现出洼地＞溶沟＞坡改梯的规律，不同立地环境的土壤田间持水量和毛管持水量的差异显著(P＜0.05)，总孔隙度仅洼地与其余两种立地环境的差异显著(P＜0.05)，说明洼地花椒林土壤物理性质优于溶沟和坡改梯。

表3 不同立地环境花椒林土壤物理性质Table 3 Characteristics of soil physical properties of Zanthoxylum bungeanum forest at different sites

2.2 不同立地环境花椒林土壤质量评价的最小数据集

对不同立地环境花椒林土壤的理化性质指标进行因子分析，KMO检验结果为0.701，符合主成分分析条件。主成分分析后，选取特征值大于1的主成分共6个，其累计贡献率为70.210%(表4)。据前述分组原则，将土壤理化指标分为6组(表5)，并通过公式(1)计算各土壤理化指标的Nik值，土壤质量指标初选结果为土壤容重、田间持水量、总孔隙度、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含量同属主成分1(principal component 1，PC1)，AP含量和田间持水量同属PC2，AK含量与pH值同属PC3，指标间相关性分析结果(表6)显示，土壤容重和AN含量相关性显著(P＜0.01)，土壤容重Nik值(1.028)＞AN的Nik值(0.912)(表5)，故土壤容重进入MDS。AP含量和田间持水量无显著相关性(表6)，故AP含量和田间持水量进入MDS；AK含量和pH值无显著相关性(表6)，故AK含量和pH值进入MDS。最终，土壤质量评价指标确定为土壤容重、田间持水量、总孔隙度、AP含量、pH值、AK含量、OM含量、TN含量。

表4 土壤指标主成分分析Table 4 Principal component analysis of soil indices

表5 土壤指标载荷矩阵和综合载荷值Table 5 Load matrix and Nik values of each soil index

表6 同一主成分中多个高载荷变量因子相关性分析Table 6 Correlation analysis of multiple high-load variables in the same principal component

2.3 不同立地环境花椒林土壤质量评价

8个土壤指标的量纲不同，为消除量纲不一致对土壤质量评价的影响，采用隶属函数对选入最小数据集的土壤指标进行标准化。土壤容重、总孔隙度、田间持水量、pH值是负效应指标，属抛物线型函数；土壤AK含量、OM含量、AP含量、TN含量是正效应指标，属于S型函数。通过公式(3)和(4)计算得出土壤指标权重值(表7)，并代入公式(2)计算坡改梯、溶沟和洼地花椒林土壤质量平均分值(表7)为0.68，0.74，0.80，说明洼地的花椒林土壤肥力优于坡改梯与溶沟。

表7 土壤质量评价指标权重与分值Table 7 Weight and score of each soil quality evaluation index

3 讨论与结论

3.1 不同立地环境对土壤理化性质的影响

溶沟、石芽等强度石漠化区域，植被覆盖率低，岩石裸露率高，枯落物累积量较少，大气沉降与岩石集聚效应明显[14]。在本研究中，溶沟花椒林土壤TK、TN含量均高于坡改梯和洼地。一方面，喀斯特地貌发育于海相碳酸盐岩，海相碳酸盐岩和碎屑岩为钾盐沉积提供了环境条件[15]；溶沟花椒林基岩受到地表水与地下水的双重溶蚀，致使碳酸盐岩中大量钾元素进入土壤。另一方面，大气沉降与生物固氮是土壤氮元素的来源，生物固氮总量是大气氮沉降量的1/2[16-17]。因此，溶沟花椒林土壤TN、TK含量均超过坡改梯和洼地。

张信宝等[18]研究发现，喀斯特地区坡改梯土壤地下漏失情况明显，导致土壤养分含量偏低。本研究结果表明，不同立地环境花椒林土壤OM、AN、AK、TP、AP含量大小均呈现溶沟＞坡改梯，这是因为溶沟属于负地形，受地表径流与地表风的影响，枯落物极易在溶沟中堆积[19]，枯落物累积量多，微生物、土壤动物活动活跃，导致土壤腐殖质与有机酸含量增加，土壤OM、AN、TP和AP含量升高[20-22]，土壤有机酸含量的增加会促进土壤AK溶解释放[23]。叶岳等[24]研究表明溶沟土壤适宜土壤动物生存，为溶沟土壤养分累积起到了积极作用。此外，喀斯特石漠化地区土壤OM、AN和TP含量均与土壤容重、总孔隙度、田间持水量、毛管持水量具有极强的正相关性[25]，这与本研究的结果一致。

3.2 不同立地环境花椒林的土壤质量评价

土壤质量评价常用于判断土壤肥力与生产力状况，其评价结果受母岩性质、土地利用方式和自然环境因素的影响[26]。国内外土壤质量评价标准尚未统一，目前基于最小数据集的土壤质量评价方法应用较为广泛[27]。基于主成分分析和最小数据集进行土壤质量评价中，使用频率较高的土壤指标包括土壤容重、pH值、OM含量、AP含量、TN含量、含水量、有机碳含量等，这些指标在土壤质量评价中具有较好的代表性[28]。向云西等[29]研究表明土壤碳、氮含量变化也影响土壤养分循环和养分平衡，且土壤碳、氮含量在土壤质量评价中起到重要作用。本研究最终确定土壤容重、总孔隙度、田间持水量、pH值、AP含量、AK含量、OM含量和TN含量参与土壤质量评价，这些指标易于检测并具有代表性。在土壤评价指标选取方面与前人研究结果一致，说明该土壤质量评价方法适用于评价研究区内花椒林地土壤，并且入选的8个指标都是反映喀斯特高原峡谷花椒林土壤质量变化的敏感指标，可以成为喀斯特高原峡谷区花椒林土壤理化指标的重点研究对象。

花椒林土壤质量表现为洼地＞溶沟＞坡改梯，原因是喀斯特地区洼地呈四周封闭型，雨季来临时，山坡岩体被溶蚀，土壤受到冲刷，致使洼地土壤出现水分和养分汇集[30]；再者，溶沟可视为微缩型洼地，其对水分和土壤养分同样具有汇集的作用，可利用地形优势阻止水分和土壤养分的流失[19]。坡改梯土层较厚，地下漏失严重，因此，土壤养分向下迁移，导致其表层土壤质量降低[18]。研究区内坡改梯、溶沟和洼地3种立地环境的花椒林土壤质量受到地下漏失、岩石集聚效应、大气氮沉降的影响较大。