瞿 爽，楊 瑞，王 勇，裴儀岱，李開(kāi)鳳，胡建東

（貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

土壤是植物生長(zhǎng)的基質(zhì)[1]，為植物生長(zhǎng)提供基本的肥力保障。土壤養(yǎng)分作為影響森林植物生長(zhǎng)、繁殖及森林生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力等的重要因素[2]， 為植物生長(zhǎng)提供基本的物質(zhì)保障。由于土壤養(yǎng)分含量在植物生長(zhǎng)過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程[3]，是影響植物生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子之一，研究植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分含量的變化特征有著重要意義。在我國(guó)西南地區(qū)特殊的喀斯特地貌自然條件下，近年來(lái)大部分地區(qū)的土壤肥力退化、生態(tài)環(huán)境脆弱等問(wèn)題較為突出[4]，研究喀斯特高原經(jīng)濟(jì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分變化特征，對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)植物的經(jīng)營(yíng)與撫育管理以及地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[5]。

黔西南州花江峽谷是喀斯特地貌典型分布區(qū)，生長(zhǎng)在該地區(qū)的鄉(xiāng)土植物頂壇花椒Zanthoxyhum planispinumvar.dingtanensis是我國(guó)花椒屬的1 個(gè)新變種，具有喜鈣、耐旱、水土保持效果好等特點(diǎn)，適宜栽培于海拔1 000 m 以下的喀斯特高原生態(tài)區(qū)的石灰土上，是喀斯特高原峽谷地區(qū)恢復(fù)與重建喀斯特峽谷生態(tài)環(huán)境的重要先鋒樹(shù)種。但是在頂壇花椒長(zhǎng)期的栽培經(jīng)營(yíng)過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)單一、生產(chǎn)力低、土壤養(yǎng)分衰退及生產(chǎn)與生態(tài)功能不協(xié)調(diào)等問(wèn)題[6]，掌握其生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分變化特征，是解決土壤肥力退化問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究中采用空間代替時(shí)間的方法[7]，以花江峽谷頂壇花椒作為研究對(duì)象，測(cè)定不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量，計(jì)算土壤中C、N、P、K 元素的化學(xué)計(jì)量比，分析頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分含量動(dòng)態(tài)變化特征，以期為喀斯特高原頂壇花椒的施肥管理措施優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西南州喀斯特高原花江峽谷石漠化綜合治理示范區(qū)，屬于我國(guó)西南典型的喀斯特高原峽谷地貌[8]。地理位置處于東經(jīng)105°36′30″—105°46′30″、 北 緯25°39′13″—25°41′00″， 海 拔600 ～1 200 m。氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均溫18.4 ℃，年均降水量1 100 mm[9]。峽谷兩岸地表破碎，巖石裸露率高，裸露的巖石以碳酸巖為主。該地區(qū)土壤母質(zhì)以石灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，土壤類型絕大多數(shù)為石灰土，土壤質(zhì)地黏重，缺乏團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，pH 大于6.5，富含鈣質(zhì)，Mg、Fe 含量高，吸水性差。

1.2 土壤樣品采集

依據(jù)時(shí)空互代[10]的原理，2015年8月在貴州省典型喀斯特高原花江峽谷石漠化綜合治理示范區(qū)內(nèi)，經(jīng)實(shí)地走訪調(diào)查，在廣泛種植頂壇花椒地區(qū)選擇3 個(gè)10 m×10 m 的花椒純林樣方。以徑階（每木檢尺時(shí)進(jìn)行直徑分組的組中值）代表頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程的不同生長(zhǎng)階段，在樣方內(nèi)分別選取2、4、6、8 cm 徑階頂壇花椒標(biāo)準(zhǔn)株各3株，分別在植株根部以及冠幅半徑中部和冠幅邊沿垂直對(duì)應(yīng)點(diǎn)采集土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)分0 ～10、10～20和20～30 cm采集土樣。每份土樣約500 g，即每個(gè)樣方內(nèi)取土樣108 份，土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量測(cè)定。

1.3 土壤養(yǎng)分含量測(cè)定

采用H2SO4-KCr2O7氧化-外加熱法測(cè)定土樣有機(jī)碳含量[11]；土樣經(jīng)硫酸消煮后，采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量；土樣經(jīng)硫酸消煮后，采用鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量；土樣經(jīng)硫酸消煮后，采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[12]；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土樣堿解氮含量；土樣經(jīng)中性乙酸銨提取后，采用火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量；土樣經(jīng)碳酸氫鈉浸提后，采用鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量[13]。

1.4 土壤肥力評(píng)價(jià)

土壤養(yǎng)分作為土壤肥力的核心部分，生產(chǎn)中常用氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量來(lái)衡量土壤肥力[14]。綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的可獲取性及連續(xù)性，結(jié)合前人的研究方法[15]，本研究中采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選取有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量7 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

為了消除單位對(duì)數(shù)據(jù)的影響，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的肥力系數(shù)，計(jì)算公式如下

式中：Pi為指標(biāo)i的分肥力系數(shù)；Ci為指標(biāo)i的測(cè)定值；xa、xc、xp均為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值[15-16]。該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要參照第2 次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 土壤養(yǎng)分含量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Grading standard values of soil nutrient contents

為了增加計(jì)算結(jié)果的可信度[17]，利用加權(quán)平均后的內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算土壤綜合肥力，調(diào)整后的公式如下

式中：P為土壤綜合肥力；分別為土壤分肥力系數(shù)Pi的平均值和最小值；n為參評(píng)土樣指標(biāo)數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用IBM SPSS Statistics 20 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用Origin2017 軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量

為了解頂壇花椒土壤養(yǎng)分的特征，對(duì)所采集土壤樣品的養(yǎng)分含量進(jìn)行了測(cè)定（表2）。結(jié)果表明：頂壇花椒土壤全氮含量0.79 ～3.73 g/kg，全磷含量0.64 ～1.65 g/kg，全鉀含量1.01 ～4.61 g/kg， 堿解氮含量65.8 ～204.4 mg/kg，有效磷含量46.51 ～81.97 mg/kg，速效鉀含量53.14 ～ 217.5 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量13.07 ～45.94 g/kg。根據(jù)Wilding 對(duì)土壤性質(zhì)變異程度分類的標(biāo)準(zhǔn)[18]，頂壇花椒土壤養(yǎng)分元素的變異系數(shù)處于10%～30%，屬于中等程度變異。說(shuō)明在頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中其土壤養(yǎng)分處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，徑階8 cm 頂壇花椒土壤全氮含量偏度系數(shù)絕對(duì)值為2.487，峰度值指標(biāo)呈現(xiàn)高闊峰，近似服從正態(tài)分布，其他各徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量的偏度系數(shù)絕對(duì)值均接近或小于1，且峰度值指標(biāo)呈現(xiàn)低闊峰，服從正態(tài)分布。同時(shí)，對(duì)不同徑階的頂壇花椒各養(yǎng)分元素含量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，不同徑階頂壇花椒的土壤養(yǎng)分含量 （同一元素）具有顯著性差異（P＜0.01），因此各徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量的平均值能夠較好反映出頂壇花椒各生長(zhǎng)階段土壤養(yǎng)分的變化情況。

2.2 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量變化特征

2.2.1 土壤養(yǎng)分含量水平變化特征

不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量變化情況如圖1 所示。由圖1 可見(jiàn)，隨著頂壇花椒徑階的增加，土壤養(yǎng)分元素中除全氮和堿解氮外，其余養(yǎng)分含量在0 ～30 cm 土層中變化一致。在0 ～30 cm 土層中，隨著頂壇花椒徑階增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈先減少、后增加的趨勢(shì)，土壤速效鉀含量呈增加趨勢(shì)，土壤全磷含量呈總體減少的趨勢(shì)，土壤全鉀含量和有效磷含量呈先增加、后減少的趨勢(shì)。隨著頂壇花椒徑階增加，土壤全氮含量在0 ～20 cm 土層中呈先減少、后增加、再減少的趨勢(shì)，在20 ～30 cm 土層中呈先增加、后減少的趨勢(shì)。隨著頂壇花椒徑階增加，土壤堿解氮含量在0 ～20 cm 土層中呈先減少、后增加的趨勢(shì)，在20 ～30 cm土層中呈減少的趨勢(shì)。

表2 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量?Table 2 Nutrient contents in rhizosphere soil of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

2.2.2 土壤養(yǎng)分含量垂直變化特征

對(duì)比分析不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量的垂直變化情況（圖1），可知土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量隨著土層深度增加總體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量垂直方向上的變化規(guī)律大致相同，呈現(xiàn)養(yǎng)分含量“表聚”的特征。但是在徑階8 cm 的頂壇花椒土壤表現(xiàn)出在10 ～20 cm 土層中鉀元素富集的現(xiàn)象，各土層按照全鉀含量由高到低排序依次為10 ～20、0 ～10、20 ～30 cm。總體而言，在頂壇花椒各生長(zhǎng)發(fā)育階段，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)“表聚”的垂直變化特征。

2.3 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比特征

土壤化學(xué)計(jì)量比主要指碳氮磷鉀含量比，是有機(jī)質(zhì)或其他成分中的C 與N、P 和K 總質(zhì)量的比值，作為反映土壤碳氮磷平衡特征以及碳氮磷鉀礦化與固持程度的重要指標(biāo)，土壤各元素化學(xué)計(jì)量比是評(píng)定土壤質(zhì)量、分析土壤肥力變化的主要依據(jù)。不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比見(jiàn) 表3。由 表3 可 知，m(C):m(N)、m(C):m(P)、m(C):m(K)均大于9，說(shuō)明在土壤中C 對(duì)N、P、K的限制作用較強(qiáng)；m(N):m(P)小于2，表明土壤中P 受N 的限制；m(N):m(K)小于1，表明土壤中N受K 的限制。雖然各元素之間有相互的限制作用，但是各養(yǎng)分元素之間的互作效應(yīng)并不顯著。

圖1 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量的變化Fig.1 Changes of nutrient contents in rhizosphere soil of Z.planispinum var.dingtanensis at different diameter classes

對(duì)比分析土壤養(yǎng)分水平方向上的變化特征可看出：在0 ～10 cm 土層中，除m(N):m(P)外，其他元素化學(xué)計(jì)量比隨著徑階增加總體呈先降低、后升高的趨勢(shì)；在10 ～20 cm 土層中，隨著徑階增加，m(C):m(N)逐漸降低，m(N):m(P)呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢(shì)，而其他元素化學(xué)計(jì)量比的變化均表現(xiàn)出隨徑階增加而降低的趨勢(shì)；在20 ～30 cm 土層中，m(C):m(N)、m(C):m(P)、m(C):m(K)、m(N):m(P)、m(N):m(K)均隨徑階的增加呈先降低、后升高的趨勢(shì)。這與任璐璐等[11]對(duì)黃土高原地區(qū)不同年限刺槐土壤化學(xué)計(jì)量特征分析結(jié)果相似。

綜上所述，在0 ～30 cm 土層中，隨著徑階的增加，頂壇花椒的土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

2.4 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

對(duì)不同徑階頂壇花椒生長(zhǎng)土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量7 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量化綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，喀斯特高原頂壇花椒土壤養(yǎng)分分肥力系數(shù)變幅為0.34 ～3.00。根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，在研究區(qū)域頂壇花椒土壤肥力綜合系數(shù)均處在1.30 ～1.50，肥力等級(jí)為Ⅲ，即在各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段土壤肥力均處于一般狀態(tài)。其中，全磷的分肥力系數(shù)最小，說(shuō)明在喀斯特高原P 養(yǎng)分相對(duì)較匱乏；各徑階頂壇花椒土壤堿解氮的分肥力系數(shù)均為最大，說(shuō)明氮源是頂壇花椒主要的補(bǔ)給肥料。從各徑階頂壇花椒不同土層來(lái)看，土壤綜合肥力呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐層降低的趨勢(shì)，這與王宏星[19]的研究結(jié)果相同，符合土壤養(yǎng)分在土壤層垂直方向上的變化規(guī)律，表現(xiàn)出較明顯的“表聚”效應(yīng)。

表3 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比Table 3 Stoichiometric ratios of rhizosphere soil nutrients of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

表4 不同徑階頂壇花椒土壤養(yǎng)分內(nèi)梅羅綜合指數(shù)Table 4 Nemero composite indexes of rhizosphere soil nutrients of Z.planispinum var.dingtanensis plants at different diameter classes

比較不同徑階相同土層深度的土壤元素綜合肥力指數(shù)可以看出，在0 ～20 cm 土層中，土壤肥力均隨著徑階增加呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢(shì)，在20 ～30 cm 土層中，土壤肥力隨著徑階增加呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

在喀斯特高原頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中，土壤養(yǎng)分含量呈動(dòng)態(tài)變化。不同生長(zhǎng)階段的頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量水平變化特征具有變異性，垂直方向土壤養(yǎng)分含量具有明顯的“表聚”特征。在0 ～30 cm 土層中，C、N、P、K 化學(xué)計(jì)量比總體呈現(xiàn)出隨著頂壇花椒徑階的增加而逐漸降低的趨勢(shì)。喀斯特高原頂壇花椒土壤缺磷，土壤肥力一般，隨著土層深度增加土壤肥力逐漸降低。

3.1 頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分分布變化特征

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特高原頂壇花椒的土壤養(yǎng)分在水平方向上的變化特征與張振國(guó)等[20]經(jīng)研究得出的不同生長(zhǎng)年限的人工檸條林土壤肥力結(jié)果相同，土壤養(yǎng)分含量處于較低水平，全磷含量隨生長(zhǎng)年限的增長(zhǎng)變化不大，速效鉀含量隨著生長(zhǎng)年限的增長(zhǎng)而增加。在垂直方向上，各土層間的土壤養(yǎng)分分布特征為隨土層深度增加養(yǎng)分含量減少，總體呈現(xiàn)出土壤養(yǎng)分“表聚”的特征，與鮑乾等[21]的研究結(jié)果相似。韓鳳朋等[22]、鄭力文[23]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，根系對(duì)植株土壤中養(yǎng)分運(yùn)移的促進(jìn)作用是其影響土壤養(yǎng)分分層分布的重要因素，植株生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系是相互的，一方面土壤養(yǎng)分受到根系分布的影響，另一方面土壤養(yǎng)分反作用于根系的生長(zhǎng)與分布，土壤養(yǎng)分分布規(guī)律與植株的根系分布有著顯著相關(guān)關(guān)系[24-25]。隨著土層深度的增加，植株根長(zhǎng)密度表現(xiàn)為遞減規(guī)律[26]。不同徑級(jí)頂壇花椒土壤養(yǎng)分垂直方向上的變化規(guī)律與其根系的分布特征一致，呈現(xiàn)遞減的“表聚”特征。近年來(lái)，花江地區(qū)花椒的產(chǎn)量、質(zhì)量和壽命均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的情況[27]，與土壤養(yǎng)分垂直分布特征相適應(yīng)。

根系與土壤的關(guān)系是相互促進(jìn)、相互影響。根系對(duì)表層土壤性質(zhì)具有良好的改善作用，同時(shí)土壤環(huán)境的改善又會(huì)極大地促進(jìn)根系的生長(zhǎng)發(fā)育。此外，根系可以促進(jìn)土壤中孔隙的增加，有效增強(qiáng)土壤滲透性，有助于養(yǎng)分向深層土壤輸入。根系作為植物與土壤間相互影響、相互作用的主要媒介，一直以來(lái)是植物改良土壤環(huán)境研究中的重要內(nèi)容。本研究中未涉及不同生長(zhǎng)階段頂壇花椒的根系狀況，今后可考慮從該方面著手研究。

3.2 喀斯特地貌對(duì)頂壇花椒土壤養(yǎng)分含量變化的影響

特殊的喀斯特地貌條件下，土壤形成了破碎化的分布格局[28]，土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的干擾增加，這可能是導(dǎo)致水平方向上不同徑階土壤養(yǎng)分含量出現(xiàn)趨勢(shì)變異性的原因。同時(shí)，喀斯特高原頂壇花椒的土壤養(yǎng)分含量在垂直方向上的變化特征呈現(xiàn)出變異性，徑階4、8 cm 頂壇花椒各土層，分別按照土壤中堿解氮含量和全鉀含量由高到低排序，依次均為10 ～20、0 ～10、20 ～30 cm。這可能是因?yàn)殡S著花椒的生長(zhǎng)，植株主要吸收養(yǎng)分的根系向深層土壤蔓延[29]，且喀斯特區(qū)土壤Ca2+含量十分豐富，增強(qiáng)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而大大提高了對(duì)有效養(yǎng)分的吸附能力，表現(xiàn)出多種微量元素的富集[30]。本研究中僅涉及了3 個(gè)徑級(jí)頂壇花椒的土壤養(yǎng)分的情況，在植株整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，垂直方向植株土壤養(yǎng)分是否持續(xù)向下層富集有待進(jìn)一步研究。

3.3 頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分綜合肥力變化特征

時(shí)空互代法在應(yīng)用過(guò)程中較難避免隨機(jī)性的人為誤差，因此采用土壤分肥力系數(shù)來(lái)確定各養(yǎng)分元素對(duì)不同生長(zhǎng)階段的土壤肥力貢獻(xiàn)，結(jié)果顯示：在頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中，在垂直方向上總體呈現(xiàn)出0 ～10、10 ～20、20 ～30 cm 土層土壤肥力逐漸降低的變化趨勢(shì)，在水平方向上不同徑階頂壇花椒土壤的綜合肥力整體變化不大，綜合肥力系數(shù)平均值處于1.36 ～1.40。生長(zhǎng)過(guò)程中均表現(xiàn)出磷元素缺乏的跡象，這可能與土壤水分的淋洗與沖刷有關(guān)[31]，在今后的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中可適量增加磷肥的使用。土壤肥力作為土壤質(zhì)量的重要組成部分，是林地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[32]。在不同生長(zhǎng)階段，實(shí)施精準(zhǔn)施肥可以節(jié)約肥料，均衡土壤養(yǎng)分，減少養(yǎng)分損失，增加植物產(chǎn)量[33]。在頂壇花椒生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，后續(xù)的研究中可以通過(guò)分析土壤養(yǎng)分年變化速率，掌握各養(yǎng)分含量的增減變化規(guī)律，來(lái)推算其地力衰退的年限[34]，適時(shí)給予養(yǎng)分補(bǔ)給，精準(zhǔn)施肥，減緩?fù)寥婪柿ν嘶?，提高生產(chǎn)力。

目前，關(guān)于花江地區(qū)頂壇花椒的研究主要是從其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和苗木等級(jí)等方面來(lái)開(kāi)展的[7,35]，本研究中隨機(jī)取樣范圍及重復(fù)度較小，土壤養(yǎng)分方面的研究深度不夠，對(duì)于闡釋頂壇花椒分布地土壤養(yǎng)分特征具有一定的局限性，后續(xù)應(yīng)從這些方面深入開(kāi)展研究工作，為提高該地區(qū)花椒的產(chǎn)量提供更全面的參考。