李東賓，何立平，苗國(guó)麗，吳家森，崔廣元，李金朝

（1.寧波市林場(chǎng)，浙江 寧波 315440；2.四明山鎮(zhèn)人民政府，浙江 寧波 315440；3.浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300；4.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315400）

土壤質(zhì)量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維持生物的生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[1]。不同土地利用方式會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響[2]，研究彼此之間的復(fù)雜關(guān)系，是了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及生態(tài)過(guò)程、評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)生態(tài)因子影響、實(shí)現(xiàn)土壤資源持續(xù)利用和防止土壤質(zhì)量退化的關(guān)鍵[3]。土壤理化性質(zhì)和土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。土壤理化性質(zhì)和植物的生長(zhǎng)、發(fā)育及產(chǎn)量水平密切相關(guān)，土壤酶類能夠促進(jìn)或直接參與土壤中一系列生化反應(yīng)，其活性大小是評(píng)價(jià)土壤肥力高低、健康程度和質(zhì)量?jī)?yōu)劣的生物活性指標(biāo)[4-5]。土壤理化性質(zhì)與酶活性結(jié)合可以較準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量的變化[6]。

四明山區(qū)是寧波市重要的水源涵養(yǎng)地和綠色生態(tài)屏障，也是國(guó)內(nèi)有名的“櫻花之鄉(xiāng)”和“紅楓之鄉(xiāng)”。大規(guī)模的花木種植經(jīng)營(yíng)造成的自然景觀破碎化、物種多樣性喪失、水土流失和水源安全威脅引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。寧波市政府自2013 年開(kāi)始實(shí)施四明山區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程，但花木產(chǎn)業(yè)退出不易，生態(tài)恢復(fù)更難。本研究選擇了四明山花木集中連片種植區(qū)域內(nèi)的毛竹Phyllostachys edulis林、黃山松Pinus taiwanensis林、鵝掌楸Liriodendron chinensis林、新墾櫻花（日本晚櫻Cerasus lannesiana）林、櫻花-紅楓C.lannesiana-Acer palmatem‘Atropurpureum’林、生態(tài)修復(fù)林6 種林地利用類型作為試驗(yàn)樣地，檢測(cè)土壤的理化性質(zhì)和酶活性，并使用主成分分析法進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，旨在探討林地種植花木對(duì)土壤質(zhì)量的影響，為四明山區(qū)林地資源的合理利用和生態(tài)修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于浙江省寧波市余姚市四明山鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為120°55′～ 122°16′ E，28°51′～ 30°33′ N，為四明山脈核心區(qū)塊，平均海拔在700 m。屬于典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨量充沛。區(qū)域內(nèi)大部分母巖為砂礫巖，土壤以黃壤為主[7]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2020 年4 月，在踏查的基礎(chǔ)上，選取四明山花木集中連片種植區(qū)域內(nèi)相似自然條件的典型林地：毛竹林（ZL）、黃山松林（ZY）、鵝掌楸林（KY）、新墾櫻花林（XK）、櫻花-紅楓林（HM）、生態(tài)修復(fù)林（XF）進(jìn)行土壤樣品采集。不同樣地基本特征如表1。

表1 樣地概況Table 1 Information of sample plots

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 土壤樣品采集 參照《土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004），在每種林地利用類型的不同區(qū)域分別隨機(jī)設(shè)置3 塊20 m×20 m 樣地，樣地內(nèi)按“S”形布點(diǎn)，采集耕層（0～ 30 cm 土層）土壤樣品。樣品采集后揀出雜草和碎石，混勻，按照四分法取1 kg 土壤裝入采樣袋，帶回實(shí)驗(yàn)室陰干。每個(gè)樣地用環(huán)刀取2～ 3個(gè)樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室用以測(cè)定土壤物理性質(zhì)。土樣風(fēng)干研磨后過(guò)篩用以分析土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性。

2.2.1 土壤理化性質(zhì)和酶活性測(cè)定 土壤pH 值用電位法測(cè)定，土壤容重、總孔隙度用環(huán)刀法測(cè)定，田間持水量用烘干法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，陽(yáng)離子交換量用EDTA-銨鹽滴定法測(cè)定，全氮含量用凱氏法測(cè)定，堿解氮含量用擴(kuò)散法測(cè)定，全磷含量用碳酸氫鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷含量用鹽酸-氟化銨浸提鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀含量用氫氧化鈉熔融-原子吸收分光光度法測(cè)定，速效鉀含量用乙酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定[8]。磷酸酯酶活性用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，蛋白酶活性用改良茚三酮比色法測(cè)定，脫氫酶活性用氯化三苯基四氮唑比色法測(cè)定，蔗糖酶活性用硫代硫酸鈉滴定法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[9]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理分析，采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析和主成分分析。

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于土壤質(zhì)量指標(biāo)多樣、指標(biāo)屬性和量綱各異，不能簡(jiǎn)單的直接進(jìn)行運(yùn)算，因此要對(duì)各指標(biāo)的測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)化后才能進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。本研究數(shù)據(jù)采用歸一法標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各指標(biāo)測(cè)定值轉(zhuǎn)變?yōu)閇0,1]的無(wú)量綱數(shù)值[10]。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理中，數(shù)據(jù)分正、負(fù)兩種效應(yīng)，正效應(yīng)的值越大越好，負(fù)效應(yīng)則值越小越好。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查的結(jié)果和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及參考前人研究數(shù)據(jù)，土壤容重最佳值設(shè)為1.125 g·cm-3，pH 值最佳值設(shè)為5.5，總孔隙度最佳值設(shè)為50%，有效磷含量閾值設(shè)為60 mg·kg-1[11-14]。所以|容重-1.125|、|pH-5.5|、|總孔隙度-50|、|有效磷-60|為負(fù)效應(yīng)指標(biāo)，其他指標(biāo)均為正效應(yīng)指標(biāo)。正、負(fù)效應(yīng)指標(biāo)分別選用公式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：x′為各土壤質(zhì)量指標(biāo)測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)化值；x為各指標(biāo)的測(cè)定值；xmax為該指標(biāo)測(cè)定值中的最大值；xmin為該指標(biāo)測(cè)定值中的最小值。各類型不同指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值為該類型指標(biāo)測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)值x′的平均值。

2.3.2 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算 運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)6 種林地利用類型土壤的18 項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，計(jì)算主成分的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，提取特征值大于1 的主成分向量。將各指標(biāo)在主成分向量上對(duì)應(yīng)的載荷值，除以對(duì)應(yīng)特征值的平方根便得到該主成分的特征向量，然后將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，就可以得出主成分表達(dá)式F(xi)。最后將提取主成分的F(xi)乘以其方差相對(duì)貢獻(xiàn)率累加求和得到土壤質(zhì)量綜合指數(shù)F[15-17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地利用類型土壤理化性質(zhì)的差異比較

由表2 可以看出，四明山區(qū)不同林地利用類型土壤的容重、總孔隙度、田間持水量等物理性質(zhì)無(wú)顯著差異。表明該區(qū)域范圍內(nèi)土壤物理性質(zhì)基本一致，林地利用類型的改變對(duì)土壤物理性質(zhì)影響不大。土壤容重平均變化范圍為0.80～ 1.08 g·cm-3，土壤總孔隙度為59.41 %～ 69.81%，田間持水量平均變化范圍為22.81 %～ 26.79%。

由表2 可知，土壤pH 值、陽(yáng)離子交換量、全氮、全磷、全鉀含量在不同林地利用類型間無(wú)顯著性差異。其中，土壤pH 值介于4.90～ 5.41，為典型的酸性土壤；土壤陽(yáng)離子交換量為11.71～ 16.53 cmol·kg-1，花木種植后土壤陽(yáng)離子交換量有降低的趨勢(shì)；土壤全氮、全磷、全鉀含量分別為2.14～ 2.78、0.78～ 1.48、31.86～ 39.21 g·kg-1，整體表現(xiàn)為花木林類型略大于生態(tài)林類型。

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量在不同林地利用類型間的差異較明顯（表2）。土壤有機(jī)質(zhì)含量大小順序?yàn)閆Y＞ZL＞KY＞XK＞HM＞XF，其中，ZY、ZL、KY 這3 個(gè)生態(tài)林土壤有機(jī)質(zhì)含顯著高于花木林類型HM、XF（P＜0.05）；HM、XF 類型土壤堿解氮含量顯著高于生態(tài)林類型ZL、ZY、KY（P＜0.05）；花木林類型土壤有效磷含量顯著高于生態(tài)林的（P＜0.05）。速效鉀含量為109.9～ 191.5 mg·kg-1，其中KY 顯著高于其它類型（P＜0.05）。

表2 不同林地類型土壤理化性質(zhì)比較Table 2 Soil physical and chemical properties of different plantations

3.2 不同林地利用類型土壤酶活性的比較

由表3 可知，土壤磷酸酯酶、蛋白酶、脫氫酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶在不同林地利用類型間活性差異顯著，一致表現(xiàn)為生態(tài)林類型（ZL、ZY、KY）顯著高于花木林類型（XK、HM、XF），說(shuō)明和生態(tài)林相比，種植花木顯著降低了土壤酶活性。土壤磷酸酯酶和過(guò)氧化氫酶活性大小順序?yàn)镵Y ＞ ZY ＞ ZL ＞ XK ＞ XF ＞ HM，其中磷酸酯酶活性為19.55～ 69.64 mg·g-1·h-1，過(guò)氧化氫酶活性為32.49～ 118.64 mg·kg-1·min-1。土壤蛋白酶和脲酶活性都是ZY 類型顯著高于其他類型（P＜0.05），其活性大小順序?yàn)閆Y＞ZL＞KY＞XK＞HM＞XF，土壤蛋白酶和脲酶活性分別為0.06～ 0.16 mg·g-1·h-1和0.12～ 0.47 mg·g-1·d-1。土壤脫氫酶和蔗糖酶活性表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著高于花木林類型（P＜0.05），花木林類型間大小順序略有不同，其中脫氫酶活性為3.62～ 10.29 mg·g-1·d-1，蔗糖酶活性為0.57～ 2.52 mg·g-1·d-1。

表3 不同林地類型土壤酶活性比較Table 3 Soil enzyme activity of different plantations

3.3 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 計(jì)算土壤理化性質(zhì)和土壤酶各指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率和主成分的貢獻(xiàn)率。按照特征值＞1 的原則，選取了4 個(gè)主成分，第1 主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，為61.17%，第2、第3、第4 主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為16.81%、14.18%和6.26%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為98.42%，可以充分代表原指標(biāo)的信息。由表4 可知，各指標(biāo)的權(quán)重大小在4 個(gè)主成分之間所占的比重存在差異，且在同一主成分下各指標(biāo)的權(quán)重大小分布無(wú)規(guī)律。

表4 土壤指標(biāo)主成分因子載荷矩陣、因子權(quán)重Table 4 Principal component matrix and indicator weight of soil physio-chemical properties

運(yùn)用軟件SPSS 對(duì)18 個(gè)指標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣計(jì)算得出各個(gè)主成分的綜合得分線性表達(dá)式F(xi)（表5）。將各主成分的方差相對(duì)貢獻(xiàn)率作為權(quán)重向量，進(jìn)而求得土壤質(zhì)量綜合指數(shù)F。

通過(guò)計(jì)算得出的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，見(jiàn)表5。由表5 可知，各林地類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)順序?yàn)椋篫Y ＞ZL ＞ KY ＞ XK ＞ XF ＞ HM。生態(tài)林類型的土壤質(zhì)量明顯好于花木林類型的，說(shuō)明花木林地人為的耕作及化肥農(nóng)藥的過(guò)量施用導(dǎo)致了土壤質(zhì)量的下降。3 種花木林地類型土壤質(zhì)量表現(xiàn)為XK ＞ XF ＞ HM，表明隨著花木種植時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯，生態(tài)修復(fù)的花木林土壤質(zhì)量有回升的趨勢(shì)，但效果不明顯。對(duì)于綜合指數(shù)產(chǎn)生的負(fù)值，這是由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果，并不代表該類型土壤的質(zhì)量很差[18]。

表5 不同林地類型土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation on soil quality of different plantations

4 討論與結(jié)論

4.1 花木種植經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

因?yàn)樵趨^(qū)域尺度上具有相同的氣候和水文條件，四明山區(qū)域6 種林地利用類型的土壤物理性質(zhì)基本一致。說(shuō)明區(qū)域范圍內(nèi)短時(shí)間改變土壤的利用類型不會(huì)對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生特別大的影響，這和李靜鵬等[19]、姜仕坤等[20]對(duì)不同土壤利用類型研究的結(jié)果基本一致。花木地因人為耕作，土壤呈現(xiàn)容重增加、孔隙度降低的趨勢(shì)，這與張金波等[21]、龍健等[22]的研究結(jié)論一致。不同林地利用類型田間持水量在22.81%～ 26.79%，花木地的田間持水量略大于黃山松林和鵝掌楸林，這可能與農(nóng)民對(duì)花木地的耕作相關(guān)。

區(qū)域內(nèi)土壤pH 值為4.90～ 5.41，為典型的酸性土壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著大于花木林類型，這與馬和平等[23]的結(jié)論基本一致。其中黃山松林的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，毛竹林、鵝掌楸林、新墾櫻花林次之，櫻花-紅楓林和生態(tài)修復(fù)林含量最低，說(shuō)明林地種植花木后顯著降低了土壤的有機(jī)質(zhì)水平。研究表明，在6 種林地利用類型土壤中全氮、全磷、全鉀含量及陽(yáng)離子交換量無(wú)顯著差異（P＞0.05），而花木林類型的堿解氮和有效磷含量顯著大于生態(tài)林類型（P＜0.05）。葉潤(rùn)根等[24]對(duì)重慶山區(qū)不同土地利用下的土壤肥力質(zhì)量研究也得到類似結(jié)論。土壤化學(xué)指標(biāo)研究結(jié)果與劉成剛等[16]的研究結(jié)果基本一致，短期內(nèi)林地利用類型的改變對(duì)土壤的pH 值以及全量養(yǎng)分影響較小，而速效養(yǎng)分之間的差異比較顯著。本研究中櫻花-紅楓林和生態(tài)修復(fù)林由于長(zhǎng)期的耕作和施肥，土壤表層中積累了大量的有效磷，超過(guò)國(guó)家I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（40 mg·kg-1）的4～ 5 倍。李發(fā)林等[25]研究表明，琯溪蜜柚Citrus ma xima‘Guanximiyou’果園土壤有效磷環(huán)境敏感臨界值為62.3 mg·kg-1，陳聞等[13]通過(guò)研究得出雷竹Phyllostachys praecoxcv.prevernalis林土壤發(fā)生磷素流失的有效磷閾值為52.52 mg·kg-1，楊文等[26]研究亞熱帶丘陵小流域林地磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)臨界值為69.97 mg·kg-1。而本研究櫻花-紅楓林和生態(tài)修復(fù)林的土壤有效磷含量極大地超出了此臨界值，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的土壤富營(yíng)養(yǎng)化，不僅浪費(fèi)了肥效，更顯著增加了氮磷流失和區(qū)域水體污染風(fēng)險(xiǎn)。四明山區(qū)域是寧波市重要的水源涵養(yǎng)地，后期花木種植經(jīng)營(yíng)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制速效氮磷肥的施用量，降低花木地土壤的速效養(yǎng)分富集程度，確保飲用水源的安全。

4.2 花木種植經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體分泌及由動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放于土壤中的一種具有生物催化能力和蛋白質(zhì)性質(zhì)的高分子活性物質(zhì)，在土壤養(yǎng)分的循環(huán)代謝過(guò)程中起著重要的作用[27]。四明山區(qū)域內(nèi)不同林地利用類型土壤磷酸酯酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性表現(xiàn)基本一致，表現(xiàn)為生態(tài)林類型顯著高于花木林類型（P＜0.05）。表明和生態(tài)林類型相比，林地種植花木后顯著降低了土壤酶活性。土壤酶活性變化表現(xiàn)出和土壤有機(jī)質(zhì)含量一致的變化趨勢(shì)，說(shuō)明土壤酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)含量有很強(qiáng)的相關(guān)性，張成君等[28]和陳佳等[29]的研究也得到類似結(jié)論。這可能與毛竹林、黃山松林、鵝掌楸林等生態(tài)林植被茂盛、林下灌草豐富，每年地表的枯落物相對(duì)量大，表土有機(jī)質(zhì)含量高，土壤微生物也比較豐富。而花木地植被種植種類相對(duì)單一，經(jīng)過(guò)人為撫育或噴灑除草劑，導(dǎo)致土壤獲得的枯落物減少，再加上地表土壤中的高濃度速效肥，對(duì)土壤微生物的活性起到了抑制作用。

4.3 花木種植經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤質(zhì)量的影響

土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇一直是土壤生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)，從單一的物理指標(biāo)到理化特性復(fù)合指標(biāo)，再到結(jié)合土壤酶活性的綜合指標(biāo)，使得對(duì)土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)越來(lái)越準(zhǔn)確[30]。本研究利用主成分分析法計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域不同林地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)存在顯著差異，呈現(xiàn)黃山松林＞毛竹林＞鵝掌楸林＞新墾櫻花林＞生態(tài)修復(fù)林＞櫻花-紅楓林的趨勢(shì)?；玖诸愋屯寥蕾|(zhì)量普遍低于生態(tài)林類型，表明長(zhǎng)期花木種植經(jīng)營(yíng)不僅會(huì)造成表土的富營(yíng)養(yǎng)化還會(huì)導(dǎo)致林地土壤綜合質(zhì)量的退化。和櫻花-紅楓林相比，生態(tài)修復(fù)林土壤質(zhì)量有回升的趨勢(shì)，但效果還不明顯。因?yàn)樯鷳B(tài)修復(fù)林仍然是以花木為主，農(nóng)民施肥除草等撫育措施并未改變，而且僅靠花木地套種南方紅豆杉等長(zhǎng)勢(shì)比較緩慢樹(shù)種作為生態(tài)修復(fù)措施，短期內(nèi)很難表現(xiàn)出明顯的修復(fù)效果。