嚴珺，孫海，蔣燊，張春閣，呂林，李躍雄※，張亞玉※

（1.上海上藥神象健康藥業(yè)有限公司，上海 200336；2.中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，長春 130112）

人參（Panax ginseng C.A.meyer）為五加科多年生草本植物，是大宗名貴中藥材。目前，人參主要有農(nóng)田栽培和林下護育兩種生產(chǎn)模式，林下護育人參采用仿野生護育模式，具有人為干擾少、生長周期長的特點，其生長若干年后具備一定的野山參外部形態(tài)和內(nèi)在品質(zhì)特征，2015版《中國藥典》正式將林下護育人參定義為“林下山參”。研究發(fā)現(xiàn)，林下山參存苗率、紅皮病發(fā)病率、根的形態(tài)建成及品質(zhì)形成與其生長的森林生態(tài)環(huán)境條件密不可分[1～4]。因此，選擇適宜的林地是林下山參護育技術關鍵的一步。

土壤特性、伴生樹種、海拔高度、坡度等多個因素影響人參生長發(fā)育、皂苷積累、參根形態(tài)結構建成等。其中，土壤特性直接影響人參生長發(fā)育，而伴生樹種是影響土壤的重要因素，這是因為，一方面，樹種凋落物是森林土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分的主要補給途徑，同時影響植物—土壤間碳氮循環(huán)[5，6]；凋落物作為土壤有機質(zhì)地上部分的主要來源，其輸入的數(shù)量和質(zhì)量變化可能改變土壤碳的積累或流失狀況，不同生產(chǎn)模式下人參土壤肥力研究表明，野山參土壤有機質(zhì)含量是農(nóng)田栽參土壤的10倍以上[7～9]，且在大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，由土壤供給植物所需要的養(yǎng)分中超過90%的氮和磷以及超過60%的其他礦質(zhì)元素均來自于凋落物的分解[10]。另一方面，不同的樹種凋落物中含有不同的碳源和氮源，驅使土壤微生物集群定向進化，進而改變土壤肥力[11]。如北方針葉林森林生態(tài)系統(tǒng)，土壤礦化層和凋落物中含有大量不易被微生物利用的木質(zhì)素和腐殖酸，由于碳源的影響，土壤微生物集群以分解復雜結構有機碳為主[12]。另外，不同凋落物土壤pH值和C/N是影響微生物集群定向進化的重要因素[13]。許多研究已經(jīng)證實，樹種凋落物對于增加土壤中碳氮、提高土壤養(yǎng)分、改變土壤微環(huán)境具有重要意義[14，15]。

目前，林下山參土壤肥力的評價研究相對薄弱，已有的研究集中在土壤養(yǎng)分、土壤酶、微生物群落結構組成及不同生產(chǎn)模式下的差異比較。分析方法有綜合評判法、灰色關聯(lián)分析及聚類分析等，評價指標從土壤養(yǎng)分指標發(fā)展到包括土壤理化性質(zhì)、土壤酶、微生物群落組成以及環(huán)境條件等綜合性指標[16～22]。然而，評價過程中土壤肥力指標的選擇大多局限于有機質(zhì)、全氮、有效磷以及速效鉀等土壤大量元素養(yǎng)分[23～25]，對于人參品質(zhì)的形成，微量元素具有同等重要和不可替代性。因此，將土壤微量元素養(yǎng)分納入土壤肥力評價指標體系十分必要。

人參品質(zhì)形成受其生長的土壤環(huán)境影響，而林下山參品質(zhì)優(yōu)劣往往與其護育的森林生態(tài)環(huán)境密切相關。選林是林下山參護育第一步，也是林下山參護育成敗所在。本研究對桓仁地區(qū)林下參基地進行系統(tǒng)分析，以期全面評估桓仁林下參基地土壤肥力狀況。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

林下參土壤樣品采自遼寧省桓仁地區(qū)，采樣區(qū)屬于溫帶大陸性濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫7.4℃，平均活動積溫3 184℃，年平均相對濕度66%，平均無霜期153d，年平均日照時數(shù)2 538h。采樣時間2016年8月下旬，為人參枯萎期。每個基地設置至少3個樣點，每個樣點隨機選取3株人參。采集土壤時采取邊挖參邊取土的辦法，首先除去枯枝落葉層，取參根周邊土壤，去除土壤中石礫后，將土壤帶回實驗室風干后分別過20目和100目篩，裝入自封袋中備用。林下參具體采樣點信息見表1。

表1 林下參土壤樣點分布基本信息Table 1 Distribution information of wild understory ginseng soil

續(xù)表1

1.2 實驗方法

土壤全氮含量用元素分析儀測定，土壤有機質(zhì)含量為全碳含量×1.724；土壤全磷含量用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；土壤堿解氮含量用培養(yǎng)皿擴散法測定；土壤速效磷含量用碳酸氫鈉浸提-比色法測定；土壤速效鉀含量用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤pH采用土∶水＝1∶2.5，用pH計測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定。具體方法參照文獻[26]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本試驗采用主成分分析方法確定不同肥力指標權重；利用隸屬度函數(shù)評價各指標肥力狀況；通過各項肥力指標的權重系數(shù)及隸屬度值，加權求和并計算土壤綜合肥力指數(shù)；所得數(shù)據(jù)利用 Excel2016和SAS9.0進行統(tǒng)計分析。

1.3.1 主成分分析方法與指標權重 通過對林下參土壤12項指標進行主成分分析，其中特征值大于1的主成分指標有4個，累計貢獻率為76.17%，說明這4個主成分基本可以反映全部指標的信息，土壤肥力指標主成分分析結果與指標權重見表2。

表2 土壤各肥力指標主成分分析結果與指標權重Table 2 Results of principal component analysis and factorweights of soil fertility factors

1.3.2 隸屬度函數(shù)及土壤肥力評價方法 隸屬度函數(shù)作為評價指標與植物生長效應曲線間的函數(shù)，根據(jù)評價指標對作物產(chǎn)量的效應將隸屬度函數(shù)分為S型和拋物線型[27]。

S型隸屬度函數(shù)：屬于這類函數(shù)的土壤肥力指標有土壤全碳、全氮、速效氮磷鉀、微量元素養(yǎng)分等。響應的隸屬度函數(shù)表達式為：

式中，x≥x2，x1≤x≤x2，x ＜ x1。

圖1 S型隸屬度函數(shù)曲線Fig.1 Curve of S-type membership function

拋物線型隸屬度函數(shù)：土壤容重反映土壤緊實度，過于疏松或過于緊密均不利于植物的生長發(fā)育，其土壤肥力效應為拋物線型隸屬度函數(shù)（圖2），其公式如下：

式中，x3≤x≤x4，x≥x2，x1≤x≤x2，x ＜ x1。

圖2 拋物線型隸屬度函數(shù)曲線Fig.2 Curve of parabola-type membership function

本試驗根據(jù)吉林省地區(qū)土壤肥力特性、人參生長特點以及相關研究結果[28～30]，確立全量碳氮和速效氮、磷、鉀及微量元素鐵、錳、銅、鋅S型隸屬度函數(shù)轉折點值。由于土壤pH、C/N及Al目前沒有統(tǒng)一的分級標準，為了便于比較分析，土壤pH值轉折點取值結合人參生長習性和以往研究結果而定，土壤pH值＜4.5或＞7.5的土壤并不適宜人參生長，pH4.5～5.5呈現(xiàn)拋物線型隸屬度函數(shù)。C/N直接影響土壤微生物繁衍和養(yǎng)分的釋放，其轉折點取值根據(jù)以往研究結果確定。Al的轉折點X1和X2取值分別為農(nóng)田栽參土壤上限和野山參土壤下限。具體取值見表3。

表3 隸屬函數(shù)曲線轉折點取值Table 3 Values ofturning pointin membership function

1.3.3 綜合指標評價指數(shù)的計算 根據(jù)模糊數(shù)學中的加乘法原則，把養(yǎng)分、生物活性指標和物理環(huán)境指標之間采用加法合成，求得土壤養(yǎng)分生物活性肥力指標值（NFI）和物理環(huán)境肥力指標（EFI），然后在相互獨立的養(yǎng)分肥力指標值和環(huán)境肥力指標值之間采用乘法合成，求得土壤肥力綜合評價指標IFI（Integrated-FertilityIndex）。計算公式為：

IFI=NFI×EFI

NFI=W（C）×（fC）

EFI=W（P）×（fP）

式中，W（C）和W（P）.土壤養(yǎng)分及生物活性指標和環(huán)境指標的權重系數(shù)；f（C）和f（P）.養(yǎng)分及生物活性指標和環(huán)境指標的隸屬度值。

2 結果與分析

2.1 桓仁林下參土壤描述性統(tǒng)計

結合全國第2次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標準[31]，對桓仁地區(qū)73個土壤樣點的統(tǒng)計分析表明，土壤pH值為5.90，且變異系數(shù)較?。煌寥烙袡C質(zhì)和全氮平均含量都遠遠高于國家一級水平標準（40g/kg和2g/kg），變異系數(shù)分別為30.50%和27.51%，屬于中等變異水平；土壤速效氮、鉀平均含量分別為389.39mg/kg和235.68mg/kg，遠高于國家一級水平（150mg/kg和165mg/kg）；土壤速效磷平均含量為11.36mg/kg，處于國家三級水平，變異系數(shù)均為中等變異水平；土壤中Fe的平均含量為15.99mg/kg，處于國家二級水平；Mn和Zn的平均含量分別為1.34mg/kg和0.10mg/kg，處于國家六級水平，含量較低；Cu的平均含量為10.58mg/kg，遠遠高于國家一級水平。

表4 土壤基礎理化性質(zhì)Table 4 Descriptive statistics ofphysicaland chemicalproperties in understory ginseng soils

2.2 土壤單一肥力評價指標

圖3 各土壤肥力指標平均隸屬度雷達圖Fig.3 Radarplot of average membership degree of each factor

雷達圖常用于土壤肥力多項指標分析，具有完整、清晰和直觀的優(yōu)點，雷達圖坐標軸上各個點的數(shù)值可以反映該肥力指標的狀態(tài)。圖3為桓仁林下參各肥力指標所對應的平均隸屬度雷達圖值，平均隸屬度越大，所反映的單一指標的肥力水平越高。從圖3中可以看到，土壤中全量碳、全量氮、堿解氮、pH值平均隸屬度值最大，均為1；土壤中Zn和Mn的隸屬度值最低，均為最小值0.1；其他肥力指標介于二者之間，個別基地土壤中Cu的隸屬度值為1，含量較高，土壤重金屬污染風險等級較高，值得警惕。

2.3 土壤肥力綜合指標值計算

根據(jù)模糊數(shù)學中的加乘法原則，將養(yǎng)分及生物活性指標和物理環(huán)境指標之間用加法合成，求得土壤養(yǎng)分生物活性肥力指標（NFI）值和土壤pH指標（EFI）值，然后在相互獨立的養(yǎng)分肥力指標值和環(huán)境肥力指標值之間用乘法合成，求得土壤肥力綜合評價指標IFI（Integrated fertility index）值，結果見表5。

表5 土壤隸屬度值和IFITable 5 Soil membership value and IFI

根據(jù)不同肥力指標隸屬度函數(shù)，結合表3轉折點賦值，得到桓仁不同基地土壤肥力指標隸屬度值及土壤肥力綜合評價指標IFI。土壤隸屬度值越高，土壤肥力越高，桓仁林下參基地中八里甸土壤肥力最高（0.71）、肖家溝3基地土壤肥力最低（0.56）。

3 討論與結論

3.1 土壤微量元素作為林下參土壤肥力評價指標科學合理。

土壤肥力指標的構建是土壤肥力科學評價的前提，直接決定評價結果的客觀性。本試驗將微量元素作為土壤肥力評價指標，能夠全面反應土壤肥力狀況。依據(jù)表2得分系數(shù)可以得到桓仁林下參土壤5種微量元素指標累計綜合肥力貢獻率達49.5%，進一步說明土壤中微量元素在土壤肥力質(zhì)量評價過程中的重要性。葉回春等[32]開展農(nóng)田土壤肥力評價時顯示，土壤微量元素養(yǎng)分指標（Cu、Zn和Mn）是最重要的指標之一，桓仁林下參土壤中Zn和Mn的含量非常低，與農(nóng)田、菜地偏高的研究結果不同。可能原因是林下參土壤屬于森林土壤，人為影響小，Zn和Mn的含量與當?shù)赝寥莱赏聊纲|(zhì)有關；農(nóng)田、菜地在栽培過程中大量施入含錳、鋅和銅化肥以及含錳、鋅和銅農(nóng)藥（如代森錳鋅、波爾多液），致使土壤錳、鋅和銅含量偏高[33，34]。同時過量的氮肥投入還會導致土壤的酸化[35]，從而進一步活化了土壤中微量元素供給。

3.2 桓仁林下參八里甸基地土壤肥力最高、肖家溝3基地最低。

土壤生態(tài)環(huán)境是一個多因素參與的生態(tài)系統(tǒng)，各因子共同決定土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可利用性[36]。對林下參土壤肥力的研究局限于單一指標，不能很好地反映土壤肥力的整體狀況，而土壤養(yǎng)分、酶、微生物之間相互影響。利用相關分析和模糊數(shù)學原理，通過對不同肥力指標的權重賦值得到土壤隸屬度值和數(shù)值化土壤綜合肥力評價指標（IFI），優(yōu)化了各肥力指標對綜合土壤肥力的貢獻，同時全面反映了所選指標對土壤肥力的影響[37]?；溉柿窒聟死锏榛赝寥婪柿ψ罡撸↖FI0.71）、肖家溝3最低（IFI0.56），評價結果與實際接近。土壤肥力是植物生長的基礎，土壤養(yǎng)分供應能力與植物對養(yǎng)分吸收能力以及所處環(huán)境條件共同決定[38]。利用模糊數(shù)學對土壤肥力綜合評價時，不同指標值轉折點選擇直接影響綜合土壤養(yǎng)分評價，部分指標轉折點值目前尚無參考，且林下參樣點選擇相對較少，綜合評價科學合理性還有待進一步研究。

[1]Gao Y G，LiuQ，ZangP，et al.An endophytic bacterium isolated from Panax ginseng C.A.Meyer enhances growth reduces morbidity，and stimulates ginsenoside biosynthesis[J].Phytochemistry Letters，2015，11:132-138.

[2]Jang I B，Lee D Y，YuJ，et al.Photosynthesis rates，growth，and ginsenoside contents of 2-yr-old Panax ginseng grown at different light transmission rates in a greenhouse[J].Journal of Ginseng Research，2015，39(4):345-353.

[3]Lee K J，Lee BW，Kang JY，et al.Assessment of microclimate conditions under artificial shades in a ginseng field[J].Journal of Ginseng Research，2016，40(1):90-96.

[4]Zhang Z Y，Lin WX，Yang Y H，et al.Effects of consecutively monocultured Rehmanniaglutinosa L.on diversity of fungal community in rhizospheric soil[J].Agricultural Sciences in China，2011，10(9):1374-1384.

[5]SutharS，GairolaS.Nutrient recovery from urban forest leaf litter waste solids using Eiseniafetida[J].Ecological Engineering，2014，(71):660-666.

[6]LiX Q，Yin X Q，Wang Z H，et al.Litter mass loss and nutrient release influenced by soil fauna of Betulaermaniiforestfloor of the Changbai Mountains，China[J].Applied Soil Ecology，2015，95:15-22.

[7]Boone R D，Nadelhoffer K J，Canary J D，et al.Roots exert a strong influence on the temperature sensitivity of soil respiration[J].Nature，1998，396(6711):570-572．

[8]劉微，呂豪豪，陳英旭，等.穩(wěn)定碳同位素技術在土壤-植物系統(tǒng)碳循環(huán)中的應用[J].應用生態(tài)學報，2008，19(3):674-680.

[9]孫海，王秋霞，張亞玉，等.不同生產(chǎn)模式下人參土壤肥力評價[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報，2015，37(3):323-331.

[10]Chapin F S Ⅲ，Matson P A，Mooney H A.Principles of terrestrial ecosystem ecology[M].New York:Springer-verlag New York Inc，2002.

[11]Wang Q K，Wang S L，He T X，et al.Response of organic carbon mineralization and microbial community to leaflitter and nutrient additions in subtropical forest soils[J].Soil Biology and Biochemistry，2014，71:13-20.

[12]Swift M J，Heal O W，Anderson J M.Decomposition in Terrestrial Ecosystems[M].California，USA:University of California Press，1979:131-156.

[13]H gberg MN，H gbergP，Myrold DD.Is microbial community composition in boreal forest soil determined by pH，C-to-N ratio，the trees，or all three?[J].Oeclogia，2007，150(4):590-601.

[14]FaninN，BertrandI.Aboveground litter quality is a better predictor than belowground microbial communities when estimating carbon mineralization along a land-use gradient[J].Soil Biology Biochemistry，2016，94:48-60.

[15]Hristovski S，Berg B，Melovski L.Limitless decomposition in leaf litter of Common beech:patterns，nutrients' and heavy met al's dynamics[J].Pedobiologia，2014，57(3):131-138.

[16]Andrews S S，Karlen D L，Mitchell J P.A comparison of soil quality indexing methods for vegetable production systems in northern California[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2002，90(1):25-45.

[17]Wander M M，Bollero G A.Soilquality assessment of tillage impacts in Illinois[J].Soil Science Society of America Journal，1999，63(4):961-971.

[18]蔡崇法，丁樹文，史志華，等.GIS支持下鄉(xiāng)鎮(zhèn)域土壤肥力評價與分析[J].土壤與環(huán)境，2000，9(2):99-102.

[19]駱東奇，白潔，謝德體.論土壤肥力評價指標和方法[J].土壤與環(huán)境，2002，11(2):202-205.

[20]沈宏，徐志紅，曹志洪.用土壤生物和養(yǎng)分指標表征土壤肥力的可持續(xù)性[J].土壤與環(huán)境，1999，8(1):31-35.

[21]NortcliffS.Standardisation of soil quality attributes[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2002，88(2):161-168.

[22]de Lima A C R，HoogmoedW，BrussaardL.Soil quality assessmentin rice production systems:establishing a minimum data set[J].Journal of Environmental Quality，2008，37(2):623-630.

[23]崔瀟瀟，高原，呂貽忠.北京市大興區(qū)土壤肥力的空間變異[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(9):327-333.

[24]呂巧靈，付巧玲，吳克寧，等.鄭州市郊區(qū)土壤綜合肥力評價及空間分布研究[J].中國農(nóng)學通報，2006，22(1):166-168.

[25]李雙異，劉慧嶼，張旭東，等.東北黑土地區(qū)主要土壤肥力質(zhì)量指標的空間變異性[J].土壤通報，2006，37(2):220-225.

[26]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2005:25-114.

[27]孫波，張?zhí)伊?，趙其國.我國東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評價[J].土壤學報，1995，32(4):362-369.

[28]沈漢.土壤評價中參評因素的選定與分級指標的劃分[J].華北農(nóng)學報，1990，(3):63-69．

[29]孫海，王秋霞，張亞玉，等.不同生產(chǎn)模式下人參土壤肥力評價[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報，2015，37(3):323-331.

[30]焉莉，王寅，馮國忠，等.吉林省農(nóng)田土壤肥力現(xiàn)狀及變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2015，230:4800-4810.

[31]北京林業(yè)大學.土壤學[M].北京:中國林業(yè)大學出版社，1982:26.

[32]葉回春，張世文，黃元仿，等.北京延慶盆地農(nóng)田表層土壤肥力評價及其空間變異 [J].中國農(nóng)業(yè)科學，2013，46(15):3151-3160.

[33]王淑英，于同泉，王建立，等.北京市平谷區(qū)土壤有效微量元素含量的空間變異特性初步研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2008，41(1):129-137.

[34]鄭袁明，宋波，陳同斌，等.北京市不同土地利用方式下土壤鋅的積累及其污染風險[J].自然資源學報，2006，21(1):64-72.

[35]Guo J H，Liu X J，ZhangY，et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science，2010，327:1008-1010.

[36]Tarin P K，MosheS，EliZ，et al.Evaluation of ecosystem responses to land-use change using soil quality and primary productivity in a semi-arid area，Israel[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2014，193:9-24．

[37]董文濤，路明浩，韋大山，等.基于模糊數(shù)學方法的土壤肥力綜合評價及應用[J].資源開發(fā)與市場，2011，27(6):511-513.

[38]邢雪榮，韓興國，陳靈芝.植物羊糞利用效率研究綜述[J].應用生態(tài)學報，2000，11(5):785-790．