李惠芝，關(guān)慶偉*，趙家豪，李俊杰，王 磊，李鳳鳳，左興平，陳 斌

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.連云港市海州區(qū)林業(yè)技術(shù)指導(dǎo)站，江蘇 連云港 222000)

土壤肥力是土壤養(yǎng)分針對特定植物的供應(yīng)能力，以及土壤養(yǎng)分供應(yīng)植物時環(huán)境條件的綜合體現(xiàn)[1]。研究表明，土壤肥力質(zhì)量除受自然因素[2-5]和人為活動的影響[6-8]外，地形作為5大成土因素之一[9]，通過對環(huán)境中水熱條件的重新分配[10-13]，改變土壤養(yǎng)分在不同地形中的分布，對土壤質(zhì)量變化也產(chǎn)生重要影響。

目前，相關(guān)學(xué)者圍繞地形對土壤理化性質(zhì)的影響研究較多[14-17]，而較少關(guān)注地形對土壤質(zhì)量的綜合影響。麻櫟(Quercusacutissima)是中國暖溫帶和亞熱帶地區(qū)森林植被的主要組成樹種，分布范圍十分廣泛，具有較高的生態(tài)、經(jīng)濟和景觀價值[18]。近年來，學(xué)者對麻櫟的研究主要集中在降雨截留[19]、氣候調(diào)節(jié)[20-21]與碳循環(huán)[22]等方面，但是地形對麻櫟人工林土壤質(zhì)量影響的研究相對較少。為此，本研究以麻櫟人工林為研究對象，分別測定不同地形條件下的土壤理化性質(zhì)和酶活性，采用基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量評價方法評價不同地形下的土壤肥力質(zhì)量，旨在明晰不同地形下人工林的土壤肥力質(zhì)量差異，以期為科學(xué)管理林地資源、進一步提高人工林質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省連云港市海州區(qū)錦屏山(119°06′46″～119°10′18″E， 34°31′43″～34°34′13″N)，處于暖溫帶和北亞熱帶過渡地帶，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，最冷月平均氣溫-0.2 ℃，最熱月平均氣溫27 ℃，年平均降水量961.6 mm。錦屏山主峰海拔427.7 m，東西長約5.4 km，南北寬約4.5 km，由錦屏山主體以及青龍山、孔望山等11座獨立山體、37座山峰組成，整體山勢地形起伏較大[23]。地層巖性是變質(zhì)巖，呈現(xiàn)片理、片麻理發(fā)育，比其他巖石容易風(fēng)化，易松動、破碎，地表的松散固體物質(zhì)豐富[24]。土壤主要為棕壤，屬多礫質(zhì)砂土，土層淺薄，沙性強。

錦屏山植被類型屬典型的暖溫帶落葉闊葉林。研究區(qū)內(nèi)麻櫟人工林由20世紀(jì)60年代播種造林而成，至今無強烈的人為干擾，群落自然發(fā)育。平均樹齡54 a，平均胸徑(15.2±3.5) cm，平均樹高(8.1±1.3) m，林分密度1 675 株/hm2。更新層樹種主要有麻櫟、黃檀(Dalbergiahupeana)、白檀(Symplocospaniculata)、山胡椒 (Linderaglauca)等。灌草層有地錦(Parthenocissustricuspidata)、菝葜(Smilaxchina)、絡(luò)石(Trachelospermumjasminoides)、馬唐(Digitariasanguinalis)、狗尾草(Setariaviridis)、牡荊(Vitexnegundovar.cannabifolia)等。

1.2 地形劃分

由于地形區(qū)域差異性等原因，地形類別和標(biāo)準(zhǔn)的劃分不盡相同，尚無相對統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[25-26]。本研究參考王寶榮等[17]對黃土丘陵區(qū)的地形劃分，結(jié)合錦屏山麻櫟人工林分布區(qū)地形現(xiàn)狀，根據(jù)坡度、坡向和坡形，將地形分為陽坡凸地、陽坡凹地、陰坡凸地、陰坡凹地和平緩坡地5類(表1)，海拔為70～120 m。上凸形即相對于周邊地勢向上凸起的凸?fàn)钇?，下凹形即相對于周邊地勢向下凹陷的凹狀坡?/p>

表1 錦屏山麻櫟人工林地形分類

1.3 樣品采集與處理

依據(jù)地形劃分結(jié)果，在每種地形內(nèi)設(shè)置具有代表性的樣方各4個，面積為20 m×20 m，共20個樣方。各個樣方間相對距離>30 m，均處于相同原始土壤發(fā)育條件上。于2020年11月進行采樣，在每個樣地采用對角線法布置5個采樣點，每個采樣點在0～20 cm深度(表層)土壤剖面用環(huán)刀取土，編號后帶回實驗室測定土壤物理性質(zhì)。同時取各樣點表層土壤混合為1個樣品并去除石塊、植物粗大根系等，分兩份裝入樣品袋并標(biāo)記清楚，一份用于風(fēng)干后測定土壤化學(xué)性質(zhì)，另一份于4 ℃冷藏用于土壤生物學(xué)性質(zhì)分析。

1.4 土壤質(zhì)量指標(biāo)的測定

土壤樣品中除全氮(TN)和有機質(zhì)(由全碳所測值換算)采用元素分析儀(Vario Element Ⅲ，Germany)測定外，其余理化性狀指標(biāo)參考鮑士旦[27]的分析方法。其中，土壤容重采用環(huán)刀法測定；pH測定采用土水質(zhì)量比1∶2.5提取，電位電極法測定；土壤水解氮(AN)含量采用堿解擴散法測定；全磷(TP)含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測定；有效磷(AP)含量采用濃硫酸-鹽酸浸提-鉬銻抗比色-紫外分光光度法測定；全鉀(TK)含量采用堿熔-火焰光度法測定；速效磷(AK)含量采用中性乙酸銨浸提-火焰光度計法測定。土壤微生物生物量碳氮的含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定。土壤酶活指標(biāo)參考關(guān)松蔭[28]的分析方法， 土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

1.5 土壤質(zhì)量評價方法

目前，關(guān)于土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)的研究，以土壤質(zhì)量指數(shù)法應(yīng)用較為廣泛[8，29-31]。本研究參考劉慧敏等[32]和劉昊等[33]的土壤質(zhì)量評價方法，對15個指標(biāo)進行單因素方差分析并計算范數(shù)(Norm)值，結(jié)合Spearman相關(guān)性分析，篩選出關(guān)鍵指標(biāo)組成最小數(shù)據(jù)集(MDS)。將土壤指標(biāo)歸一化為0～1，評分函數(shù)遵循“正向”或“負(fù)向”的評分曲線趨勢。最小數(shù)據(jù)集變量的權(quán)重由其公因子方差計算，等于其公因子方差與修訂最小數(shù)據(jù)集所有變量公因子方差總和之比。在進行評分和加權(quán)后，使用綜合質(zhì)量指數(shù)公式計算土壤質(zhì)量指數(shù)(soil quality index,簡稱SQI，公式中以ISQI表示)：

式中：ISQI是土壤質(zhì)量指數(shù)；Si是線性指標(biāo)得分值；n是最小數(shù)據(jù)集中的土壤指標(biāo)數(shù)；Wi是土壤指標(biāo)權(quán)重值。

1.6 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，利用Origin 9.1進行繪圖。采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和主成分分析，用Spearman法進行相關(guān)性分析。顯著性水平α=0.05，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地形下麻櫟人工林土壤理化性質(zhì)的差異

不同地形條件下土壤化學(xué)性質(zhì)見表2。由表2可知，不同地形下麻櫟人工林土壤性質(zhì)存在差異，除水解氮外，其他8個指標(biāo)在各地形土壤中大多存在顯著差異。5種地形中，土壤容重為1.19～1.74 g/cm3，其中陰坡凸地最低。土壤pH為4.5～5.2，屬于強酸性土壤，陰坡凹地地形下的土壤pH顯著高于其他類型(P<0.05)。陽坡凹地下土壤的有機質(zhì)和全氮顯著高于其他類型(P<0.05)，且凹地地形均高于凸地地形。土壤全磷和有效磷含量最高的均是陰坡凹地土壤。各地形土壤全磷含量大小依次為陰坡凹地>平緩坡地>陽坡凹地>陰坡凸地>陽坡凸地。其中，陰坡凹地的為0.17 g/kg，是陽坡凸地的3.15倍。各地形土壤有效磷含量大小依次為陰坡凹地>陰坡凸地>陽坡凸地>平緩坡地>陽坡凹地。5種地形中，土壤全鉀含量范圍為14.2～17.5 g/kg，其中陽坡凹地的含量最高；土壤速效鉀含量范圍為46～80 mg/kg，平緩坡地的含量最高，陰坡凹地的含量最低，且凸地地形均高于凹地地形。

表2 不同地形土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2 不同地形下麻櫟人工林土壤生物學(xué)性質(zhì)的差異

研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量碳含量在陰坡凹地中含量最高(表3)，但差異不顯著(P>0.05)。由表3可見，各地形土壤微生物生物量氮含量大小依次為陰坡凹地>平緩坡地>陽坡凹地>陽坡凸地>陰坡凸地，其中陰坡凹地是陰坡凸地的3.18倍。土壤過氧化氫酶活性在各地形間差異并不顯著(P>0.05)。5種地形中，土壤脲酶活性為0.58～0.73 mg/(g·d)。土壤酸性磷酸酶活性為3.04～4.18 mg/(g·d)。陰坡凹地地形中脲酶活性和酸性磷酸酶活性均顯著高于其他地形(P<0.05)。各地形土壤蔗糖酶活性大小依次為平緩坡地>陰坡凹地>陽坡凸地>陰坡凸地>陽坡凹地，其中平緩坡地是陽坡凹地的2.46倍。

表3 不同地形土壤生物學(xué)性質(zhì)

2.3 土壤質(zhì)量綜合評價

排除無顯著差異的指標(biāo)，對12個土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)進行主成分分析(表 4)。根據(jù)特征值>1的原則選取3個主成分，其特征值分別為5.542、2.601 和 1.889，方差貢獻率分別為46.183%、21.675%和15.741%，前3個主成分的累計方差貢獻率為83.599%，說明這3個相互獨立的主成分能夠解釋土壤各指標(biāo)變量總變異的83.599%，用于土壤質(zhì)量的評價較為可靠。

表4 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

12個土壤質(zhì)量指標(biāo)間呈現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性(表5)。最終確定土壤pH、有機質(zhì)、土壤容重、脲酶活性和蔗糖酶活性5個指標(biāo)作為評價土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集。由于研究區(qū)土壤為強酸性，且pH與多個土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，因此該指標(biāo)得分選用正向函數(shù)。

表5 土壤質(zhì)量指標(biāo)Spearman相關(guān)性分析結(jié)果

圖1 不同地形下土壤質(zhì)量指數(shù)Fig.1 Soil quality index with different topography types

因土壤容重與多個土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，得分選用負(fù)相關(guān)函數(shù)。其余指標(biāo)選用正向函數(shù)。計算MDS指標(biāo)權(quán)重得分和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。不同地形中，土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)依次為陽坡凹地>平緩坡地>陰坡凹地>陰坡凸地>陽坡凸地(圖1)。其中，陽坡凹地土壤SQI值0.533，高出陽坡凸地SQI值0.051。平緩坡地土壤質(zhì)量高于陰坡凹地僅0.001，低于最高值0.022。凹地地形下土壤質(zhì)量指數(shù)要高于凸地地形下土壤指數(shù)，陽坡兩種地形間的指數(shù)差距更大。

3 討 論

地形通過影響區(qū)域內(nèi)氣候和氣象特征如氣溫、降水[34]等，進而影響土壤的水分[35]和溫度狀況[36]、土壤內(nèi)養(yǎng)分運輸過程[37]以及植被覆蓋的空間分布[38]。其中，植被覆蓋會對土壤的溫度和水分蒸發(fā)產(chǎn)生影響[39]，植被的凋落物和根系也會直接改變土壤的養(yǎng)分物質(zhì)組成[40-42]。因此，地形直接或間接地造成了土壤肥力的空間分布差異。

本研究篩選出pH、土壤容重、有機質(zhì)含量、脲酶活性和蔗糖酶活性5個指標(biāo)作為土壤質(zhì)量評價選取的關(guān)鍵指標(biāo)。其中，土壤有機質(zhì)含量所占權(quán)重最高，對土壤質(zhì)量影響較大。研究發(fā)現(xiàn)，地形對土壤有機質(zhì)含量有顯著影響。相同坡向條件下，凹地地形下土壤質(zhì)量指數(shù)要高于凸地，可能是因為地勢越低洼越利于土壤養(yǎng)分富集[22]。其中，陽坡凹地的土壤有機質(zhì)含量較高且土壤質(zhì)量指數(shù)最高?？赡苁且驗殛柶掳嫉貙儆谪?fù)地形，有利于地表枯枝落葉層不斷聚集堆積[43]，腐殖質(zhì)層加厚；同時，麻櫟是喜光、喜溫暖濕潤氣候的樹種[18]，陽坡光照時間更長，有利于麻櫟的生長，根系更發(fā)達(dá)，產(chǎn)生的凋落物更多，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)增加，土壤質(zhì)量指數(shù)更高。

本研究中，凹地地形土壤中微生物生物量碳氮含量和酶活性均高于凸地地形土壤，說明凹地地形中土壤生物化學(xué)反應(yīng)更劇烈，這與薛飛等[40]的研究結(jié)果相似?？赡苁且驗榈屯莸貏莪h(huán)境水熱條件良好，凋落物和土壤較厚且分布均勻，導(dǎo)致土壤中植物根系多且發(fā)達(dá)，微生物活動旺盛，表現(xiàn)出較高的酶活性。陰坡凹地土壤微生物生物量碳氮含量最高，同時土壤中過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均最高，這與楊佳佳等[44]對黃土丘陵區(qū)的研究結(jié)果相似?？赡苁且驗殛幤掠兄鄬﹃柶螺^好的水熱條件[45]使得陰坡微生物生長較陽坡好，而土壤微生物的活動是土壤酶的主要來源之一[17]，導(dǎo)致酶活性提高。另一方面，陰坡凹地土壤pH最高，由相關(guān)性分析結(jié)果可知，pH對土壤微生物生物量氮含量及3種土壤酶活性均起到不同程度的正向作用，間接增強了土壤酶活性。土壤酸堿度主要決定于土壤溶液中氫離子的濃度，受土壤母質(zhì)、微生物活動情況、氣候、自然及人類活動等因素影響[46-47]。本研究中，陰坡凹地地形下土壤pH較高，可能是因為pH受到地形凹凸度的影響較大[48]。

在本試驗地中，土壤質(zhì)量評價結(jié)果表明，陽坡凹地地形更有利于改善土壤水熱條件和累積土壤養(yǎng)分，建議在新建人工林時注意地形營造，以提高人工林土壤質(zhì)量。在未來的研究中，可通過土壤質(zhì)量變化的長期監(jiān)測，深入探討地形與生物因素等對土壤質(zhì)量的綜合影響，為人工林的可持續(xù)經(jīng)營管理提供數(shù)據(jù)支撐。