段兆忠,牛庚杰,昌秦湘,郭丽丽

(太原学院 a.园林科学研究所,山西 太原 030012,b.艺术设计系,山西 太原 030032)

0 引言

核桃(walnutorJuglansregiaL.)是重要的干果经济林树种。绵核桃是核桃的一个主栽品种。绵核桃生产是左权农民致富增收的主导产业,但受环境、社会因素的影响,发展速度较慢,存在优良品种少,商品一致性差, 管理方式粗放,栽培技术落后等问题,而左权的核桃园多数都营建在土壤肥力较低的山坡或丘陵地[1-4]。

土壤化学性质是土壤提供养分的潜在能力的反映,它影响着土壤肥力的高低和植物的生长发育[5]。本研究以不同生境下的绵核桃古树的土壤为对象,运用相关性分析法以及主成分分析法,对土壤的性质进行分析和评价,更好地实现土壤高效化,为提高绵核桃的品质提供参考[6]。

1 试验方法

1.1 试验地概况

左权县素有“中国核桃之乡”的美誉,位于山西晋中市东南部,太行山脉,界于北纬36°45′～37°17′、东经113°6′～113°48′之间,境内大部分地区海拔在1 200 m左右,属温带大陆季节性气候,常年日照2 570 h,年均气温7.4 ℃,昼夜温差15～21 ℃,年无霜期为150 d,年降雨量为540 mm[7]。

1.2 试验方法

1.2.1核桃古树的选取

选取生长于左权县不同生境下的4棵代表性绵核桃古树,于2019年11月16-17日进行土壤取样。核桃古树生境如下:1#绵核桃古树生境为农耕地,和农作物生长在一起;2#生境是田野路边;3#生境是水泥路边,树池周围被混凝土硬化;4#生境是山间弃耕地,伴生有杨树和少量小灌木。见表1。

表1 绵核桃古树地理位置及基本特征Tab.1 Geographical location and basic characteristics of ancient walnut trees

1.2.2土壤测定指标及方法

土壤样品采用五点取样法,分别取20 cm、50 cm及80 cm的土壤混合,风干过0.1 mm筛后待测。土壤肥力是土壤的生物、物理、化学等多种性质的综合反映[8],其评价因子选择有土壤pH、电导率、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、水分。参考鲁如坤方法测定各项分析指标[9]。

1.2.3数据统计方法

本次研究所得的实验数据采用SPSS24.0和GraphPad prism 9软件进行数据分析处理。对上述因子进行相关性分析及主成分分析,得出综合反映土壤质量状况的指标特征值,根据特征值>1选为关键主成分,对各因子数值标准化后计算各主成分得分,分析各样点的土壤综合分值,用以评价土壤肥力状况[10]。

2 结果与分析

2.1 土壤化学性质对比分析

参考土壤分级标准[11],分析左权县4种不同生境的绵核桃古树土壤化学指标,见图1。可以得出:1)从整体看,4种不同生境下绵核桃古树的土壤偏弱碱性,有机质含量、全氮含量以及全钾含量为中等,全磷含量极贫,土壤缺水情况明显;2)从不同生境来看,4种不同生境下绵核桃古树土壤的电导率,速效钾、有效磷、碱解氮含量对比差异明显。1#土壤电导率明显高于另3棵;1#和2#土壤速效钾明显高于3#和4#;3#土壤有效磷和碱解氮明显低于其他3棵。

图1 4种不同生境的绵核桃古树土壤指标对比分析图Fig.1 Comparative analysis of soil indexes of ancient walnut trees in four different habitats

图1 (续)Fig.1 (Continue)

2.2 土壤化学性质相关性分析

通过对土壤中pH值、电导率、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、水分指标的原始数据进行Pearson相关性分析,见表2。从中可以看出:有机质和全氮含量呈显著性正相关(p<0.05),相关系数为0.980;碱解氮和有效磷含量呈显著性正相关(p<0.01),相关系数为0.992;有机质和全钾含量呈显著性负相关(p<0.05),相关系数为-0.985。这进一步表明,C、N、P 元素积累循环过程紧密相关,与前人研究结果一致[12-13]。

表2 土壤化学指标相关性分析Tab.2 Correlation analysis of soil chemical indexes

2.3 土壤化学性质主成分分析

根据特征值λ≥1的原则,提取了3个主成分,见表3。其方差贡献率分别为65.638%,21.215%和13.147%,累积方差贡献率为100%。第一主成分,电导率、有机质、全氮、速效钾有较大的正值,权系数均大于0.75,说明这些因子对土壤肥力起着重要的作用。第二主成分,碱解氮、有效磷、水分有较大的正值。第一主成分和第二主成分贡献率高达86.853%,这表明通过第一、二主成分中的因子评价土壤肥力是可行的。

表3 土壤肥力特征向量及累积贡献Tab.3 Soil fertility characteristic vector and cumulative contribution

主成分是标准化后的特征向量和土壤肥力原指标的线性组合,各指标的特征向量反映了各指标对于主成分的贡献程度[14]。运用SPSS对10个因子原始数据进行标准化(分别用X1,X2,X3,…,X10表示),根据主成分得分系数矩阵见表4,可得出各个主成分的综合得分线性表达式:

F1=0.210X1+0.287X2+0.202X3+0.163X4-0.003X5+0.054X6+0.019X7-0.0196X8+0.146X9+0.040X10

F2=-0.460X1-0.250X2-0.050X3+0.023X4+0.274X5-0.065X6+0.241X7+0.048X8-0.013X9+0.186X10

F3=0.041X1+0.130X2+0.081X3+0.126X4-0.110X5+0.660X6-0.157X7+0.030X8-0.294X9+0.027X10

将各项土壤理化性质特征值代入以上3个表达式(F1、F2、F3),所得结果乘上各自的方差贡献率,然后将3个表达式结果进行求和,计算出4种生境下绵核桃古树土壤肥力水平的综合得分,最后对处于不同立地的绵核桃古树土壤肥力进行大小排序。表达式为:IFI=0.656F1+0.212F2+0.131F3,IFI综合得分值越高,表示其土壤肥力越高;反之,则表示土壤肥力越低。

表4 土壤肥力因子载荷与成分得分系数矩阵Tab.4 Soil fertility factor load and component score coefficient matrix

土壤肥力水平评价排序见表5,可知处于不同立地的4棵绵核桃古树的土壤肥力水平从高到低依次为:1#>2#>4#>3#,这与前面对土壤特征的初步分析是一致的,表明主成分分析法在古树土壤肥力水平的评价上具有一定的意义。

表5 4种不同立地的绵核桃古树土壤肥力水平Tab.5 Soil fertility levels of ancient walnut trees in four different sites

3 讨论

1#生长在农田耕地,长期施肥耕地,土壤养分含量高;2#生长在田野路边,周边是农田耕地,未见明显的人工养管;3#建在村口路旁,树池以混凝土硬化,影响水分下渗,且缺乏有效保护措施,导致其全氮、速效钾、碱解氮、有效磷和水分含量明显不足,且远低于另外3棵;4#生长在山间半弃耕地,伴生杨树和少量小灌木,因人工养管少,氮钾元素及有机盐含量缺乏。

第一主成分中方差贡献率达到65.638%,说明电导率、全氮、速有机质、效钾是影响绵核桃古树土壤肥力的主要因子。土壤电导率受到土壤中的盐分、水分、温度及有机质含量等多个因子影响。2#、3#和4#古树土壤的含盐量低,这与其生长环境有关。1#在农田上,土壤养分含量较高,且周边有民用房屋,方便施肥耕地。土壤全氮与有机质呈显著正相关(R=0. 980),有机质缺乏,影响土壤全氮量。因生长环境的差别,1#有机质含量高于另外3棵,同时,有机质含量的缺乏影响氮量。钾可以提高作物抗逆性。速效钾来自土壤,是土壤中的水溶性钾,矿物质的分解受土壤施肥 、温度 、水分和植物对钾元素的吸收特性等因素影响较大。4棵绵核桃古树土壤的钾元素呈中等水平,有助于提升绵核桃的抗逆性。第二主成分以碱解氮、有效磷、水分为主。土壤水是植物生长发育的必备物质,2#在乡村小路边,土壤密度较高,根系吸水困难,其水分含量远低于生长在农田的1#。对应养分分级标准,4种不同立地条件下绵古树土壤均存在缺水现象,与其自然条件限制,取样时间和未加强养护管理有关。第一主成分和第二主成分的贡献率高达86.853%,可用于评价绵核桃古树土壤的肥力。

在上述的讨论中可知,建在村旁路边的古树以及半弃耕地的土壤肥力过低,存在较大问题。古树名木是祖先留下的珍贵遗产和历史文物,具有多重开发利用价值。古树名木复壮与养护是不可忽视的问题,应对此做出综合全面的治理方案。

生长在田野路边和水泥路边的两棵核桃古树,土壤的水分含量极低。周边土壤紧实度过高以及硬化的铺装使得根系呼吸作用减弱,更甚是会导致有毒物质的产生,且核桃树喜湿润环境。因此,建议除天然降水外,还应适时进行人工灌溉。田野路边的核桃树除根系呼吸作用弱外存在树洞的情况。树洞填充一般包括树洞清理、消毒防腐、填充、封面饰面、粘合等流程[15]。对于生长在水泥路边的核桃古树和生长在半弃耕地的绵核桃古树,其土壤营养严重不足,其在养分的供给上应以第一主成成分的因子为主,增施有机肥料,同时还要配合无机氮肥。生长在水泥路边的核桃古树经过上百年的生长,周围的硬化铺装不仅限制了根系的生长,而且阻断了养分的更新,得不到自然的补偿。在古树根部吸收营养区进行打孔挖穴,能有效改善土壤透气性,加大土壤与大气间的气体交换,还原土壤原生态[16]。

4 结论

良好的土壤理化性质是绵核桃增加产量、改善品质的重要前提,科学管理才能有可观的效益回报。前文研究表明:不同生境影响着土壤肥力的不同,4种不同生境的绵核桃古树的土壤肥力依次为,1#农田耕地>2#乡野路边>4#山间弃耕地>3#村口路边;主成分分析通过降维,为不同立地条件的绵核桃古树养分提供指引。为更好地提高绵核桃古树产量和品质,还应科学地开展绵核桃古树的养护和管理工作,在不同立地条件下,针对性地采取不同的土壤改良措施。