譚智銘，寧 晨，林先瀅，許煜東，張 正，劉四黑，李建安

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) a.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；c.林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.銅仁市油茶工程技術(shù)研究中心，貴州 銅仁 554003；3.玉屏侗族自治縣林業(yè)局，貴州 銅仁 554000；4.貴州黔玉油茶開(kāi)發(fā)有限公司，貴州 銅仁 554000）

油茶Camelliaoleifera是我國(guó)特有的樹(shù)種和主要木本油料作物，已有2 300多年的栽培和利用歷史，廣泛種植于亞熱帶酸性土壤中。目前，我國(guó)的高產(chǎn)油茶園每公頃可產(chǎn)茶油600 kg以上，綜合利用效益可以達(dá)到數(shù)千元，是鄉(xiāng)村振興脫貧攻堅(jiān)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是維護(hù)國(guó)家糧油安全的新興主力[1-2]。然而，種植期間不當(dāng)?shù)母骱凸芾砟Ｊ綄?dǎo)致單位面積產(chǎn)量低，對(duì)低產(chǎn)油茶林的改造迫在眉睫。地處亞熱帶的貴州省玉屏縣被視為南方16?。▍^(qū)、市）重要的油茶產(chǎn)業(yè)示范區(qū)之一，同時(shí)也是當(dāng)?shù)鼐珳?zhǔn)扶貧的特色優(yōu)勢(shì)資源產(chǎn)業(yè)。經(jīng)營(yíng)較好的良種油茶林分進(jìn)入盛產(chǎn)期后，每公頃收入可達(dá)4 500元以上，每戶(hù)貧困家庭種植0.2 hm2就可以實(shí)現(xiàn)脫貧[3]。然而，該地仍有許多傳統(tǒng)種植百年以上的傳統(tǒng)老油茶林，并存在老品種產(chǎn)油率不高、粗放管理、林地地力低等問(wèn)題，制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[4]。因此，對(duì)低效油茶林地的改造，已成為當(dāng)?shù)匕l(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一種關(guān)鍵實(shí)踐方式。

另一方面，人類(lèi)活動(dòng)改變土地利用方式后，植被的變化可能會(huì)顯著影響森林土壤的化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分有效性，即土壤質(zhì)量[5]生物和土壤因素的變化，可以直接改變土壤微生物的多樣性和豐度[6-7]例如，森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田會(huì)導(dǎo)致特定微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生變化[8-9]地上植物多樣性、蓋度和群落組成的變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)小氣候條件、土壤養(yǎng)分或化感物質(zhì)的分泌來(lái)影響土壤微生物群落和生態(tài)功能等[10-11]由于單一土壤指標(biāo)對(duì)反映土壤質(zhì)量的有效性不同，決定了其精確評(píng)價(jià)和比較立地條件變化的局限性，而如何將多個(gè)土壤指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)綜合信息，定量化描述土壤質(zhì)量已成為目前農(nóng)林業(yè)研究的熱點(diǎn)[12]。

本研究針對(duì)貴州玉屏縣茶花泉油茶區(qū)百年以上的油茶老林林分改造后分別轉(zhuǎn)化為10 a油茶幼林、馬尾松林和杉木林土壤理化性質(zhì)、酶活性和真菌多樣性指標(biāo)進(jìn)行取樣調(diào)查，分析比較幾種林分在土壤指標(biāo)上的差異。并通過(guò)主成分分析法把測(cè)定的多個(gè)土壤指標(biāo)轉(zhuǎn)化為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（Soil quality index，SQI），建立低效油茶林分改造下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。探索林分轉(zhuǎn)化中調(diào)控林分土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵因子，為油茶林土壤質(zhì)量管理和良性生態(tài)環(huán)境重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究地位于貴州省銅仁市東南部玉屏縣朱家場(chǎng)鎮(zhèn)（27°28′～27°31′N(xiāo)，108°34′～109°09′E）。地處云貴高原至湘西低山丘陵過(guò)渡帶，海拔600～800 m，年平均氣溫17.1℃，平均降水量1 174 mm，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。母巖以石灰?guī)r坡積物，土壤以第四紀(jì)黃壤為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021年1月分別在試驗(yàn)區(qū)老油茶林（當(dāng)?shù)仄贩N“寒露籽”，密度為1 050株/hm2）、新油茶林（“長(zhǎng)林”系列54號(hào)-“湘林”系列27號(hào)混種，2010年完成造林，密度為1 155株/hm2）、馬尾松和杉木（2010年完成造林，造林密度2 m×3 m）林內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)之間距離大于20 m。去除表面枯葉及雜質(zhì)后，分別收集地面以下1～15、15～30、30～45 cm 深度的土壤共500 g，裝入無(wú)菌塑封袋中充分混勻，迅速置于冰盒中保存并帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集到的土壤樣品分成2份，其中1份置于-80℃超低溫冰箱中保存，用于提取土壤真菌DNA；另1份土壤置于常溫下陰干后，用于土壤理化性質(zhì)及土壤酶功能測(cè)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)

土壤pH值采用點(diǎn)位測(cè)定法；有機(jī)碳（TC）含量采用重鉻酸鉀氧化法；全氮（TN）含量采用半微量凱式法；全磷（TP）采用消煮液+鉬銻抗比色法；全鉀含量采用消煮液+火焰光度法；銨態(tài)氮（NH4-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）、速效磷（PO4）采用1M KCl浸提后通過(guò)連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalar-analytic B.V，SAN++）測(cè)定；土壤總鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、錳（Mn）含量采用硝酸-鹽酸-氫氟酸消解后，使用電感耦合原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES,Thermo.,USA）進(jìn)行測(cè)定。利用微量板熒光法測(cè)定土壤酸性磷酸酶（Acid phosphatase，AP）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（N-acetylglucosaminidase，NAG）、β-葡糖苷酶的活性（β-glucosidase，BG）[13]。

1.4 真菌多樣性指數(shù)

采用Illumina 高通量測(cè)序平臺(tái)對(duì)土壤微生物進(jìn)行測(cè)序。每個(gè)超低溫保存樣品稱(chēng)取0.25 g土壤，利用Mobio PowerSoil試劑盒MoBio Laboratories Inc.,CA,USA）進(jìn)行總DNA 提取。利用真菌通用引物ITS1F(5′-CTTGGTCATTAGAGAGAGTAA-3′)和 ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCTCTCGATGGC-3′)、AMF特異性引物AMV4-5NF（5′-AAGCTCGTAGT TGAATTTCG-3′）和AMDGR（5′-CCCAACTATCCC TATTAATCAT-3′）分別對(duì)DNA樣品進(jìn)行序列擴(kuò)增。PCR 產(chǎn)物經(jīng)上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司Illumina Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，而后于I-Sanger 生物 信息分析云平臺(tái)(http://www.isanger.com/)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和根際土壤真菌多樣性指數(shù)分析。通過(guò)平臺(tái)中QIIME(http://qiime.org/scripts/assign_taxonomy.html)將識(shí)別閾值在97%以上的序列聚類(lèi)為操作分類(lèi)單元(operational taxonomic units，OTU)。

土壤理化指標(biāo)及微生物多樣性數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同林分指標(biāo)的差異性，多重比較采用Turkey-HSD檢驗(yàn)顯著水平。

1.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

將要測(cè)定的18個(gè)指標(biāo)作為總數(shù)據(jù)集，采用主成分分析、隸屬度函數(shù)、MDS等篩選測(cè)定指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，最后使用加權(quán)求和指數(shù)法計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行PCA分析，并結(jié)合Norm值，確定進(jìn)入MDS指標(biāo)。MDS指標(biāo)選擇原則如下：提取特征值≥1的主成分，最大收斂迭代次數(shù)25，選擇主成分提取公因素，用最大方差正交法進(jìn)行矩陣選擇，將指標(biāo)載荷絕對(duì)值≥0.5的分為一組。采用Norm值（矢量常模）可以解決信息損失和數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。Norm值可以反映指標(biāo)解釋的能力大小，數(shù)值越大解釋能力越強(qiáng)。Norm 值計(jì)算公式下：

式中：Nik是第i個(gè)指標(biāo)在特征值≥1的前k個(gè)主成分的Norm值；Uik是第i個(gè)指標(biāo)在第k個(gè)主成分上的荷載；λk是第k個(gè)主成分的特征值。

采用隸屬度函數(shù)將選出的各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為0～1的無(wú)量綱數(shù)值作為隸屬度。根據(jù)主成分分析中主成分因素荷載的正負(fù)性，來(lái)判斷隸屬度函數(shù)分布的升降性。隸屬度函數(shù)分別為，升型、降型計(jì)算公式如下：

式中：（2）為升型計(jì)算公式；（3）為降型計(jì)算公式；x為土壤指標(biāo)的值；x1、x2分別為土壤指標(biāo)的最小值、最大值。

計(jì)算各指標(biāo)在評(píng)價(jià)中的權(quán)重值，計(jì)算公式如下：

式中：Wi表示指標(biāo)i在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的權(quán)重，Ci為第i個(gè)土壤指標(biāo)在主成分分析中的公因素方差。

土壤質(zhì)量指數(shù)SQI是土壤各屬性指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，其變化范圍為0～1，數(shù)值越大說(shuō)明土壤質(zhì)量越好。計(jì)算公式如下：

式中：Wi為第i個(gè)土壤指標(biāo)的權(quán)重值；Ni為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的隸屬度，n為土壤指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學(xué)性質(zhì)

由圖1可知，林分轉(zhuǎn)化后13個(gè)化學(xué)指標(biāo)的變化，其中pH值、全碳、全鉀、鎂、鐵、錳、硝態(tài)氮的含量在轉(zhuǎn)化前后產(chǎn)生顯著變化。林分轉(zhuǎn)化后，pH值開(kāi)始向弱酸性環(huán)境轉(zhuǎn)變，全鉀、硝態(tài)氮分別增加31%～68%、6%～116%并都在油茶幼林土壤中含量最高。油茶老林的土壤中全碳、全氮、全鉀、鈣、鎂、錳、磷酸鹽、速效鉀含量相比于其他林分都較低。2種油茶林地土壤中鎂、鐵元素含量都顯著低于2種用材林。而在油茶幼林中的錳元素含量顯著高于其他3種林分，與油茶老林相比增加了243%。4種速效養(yǎng)分中，油茶幼林的硝態(tài)氮的含量顯著高于其他林分，而其他養(yǎng)分在4種林分中均無(wú)顯著差異。

圖1 土壤化學(xué)指標(biāo)Fig.1 Soil chemical indicators

4種林分中3種酶活性變化如圖2所示。4種林分中酶活性雖無(wú)顯著差異，但相比于其余3種林地轉(zhuǎn)化后馬尾松林中NAG酶和AP酶的活性都更高。

圖2 土壤酶活性指標(biāo)Fig.2 Soil enzyme activity index

真菌和叢枝菌Shannon指數(shù)在4種林分中均無(wú)顯著差異，但油茶幼林中Shannon指數(shù)略高于其他3種林分，如圖3所示。

圖3 真菌Shannon指數(shù)和叢枝菌根Shannon指數(shù)Fig.3 Fungal Shannon indexes and arbuscular mycorrhizal Shannon indexes

2.2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

對(duì)pH值、全碳、全氮、全磷、全鉀、鈣、鎂、錳等13個(gè)化學(xué)指標(biāo)以及3個(gè)酶活性指標(biāo)以及真菌多樣性指標(biāo)（Fungi_Shannon、AMF_Shannon）進(jìn)行主成分分析，得到主成分特征值和貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，前7個(gè)主成分對(duì)于總方差的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了77.26%。由旋轉(zhuǎn)成矩陣表2可知，18項(xiàng)指標(biāo)在7個(gè)主成分中的各因子載荷。按照因素載荷的絕對(duì)值≥0.5的土壤指標(biāo)，將各測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)主成分分組劃分，得到由錳、硝態(tài)氮、全鉀、速效鉀、NAG、AP、全氮、pH值、全碳、全磷、Fungi-Shannon組成的第一個(gè)最小數(shù)據(jù)集（MDS1）。

表1 各因子主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Table 1 Eigenvalue and contribution rate of principal components

表2 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 2 Rotation component matrix

PCA分析可以減少變量重疊，但在減少指標(biāo)的同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致土壤指標(biāo)信息在一定程度上的損失，為了能夠?qū)ν寥乐笜?biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析。根據(jù)MDS1中各因素的載荷（表3），計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的Norm值，將在幾個(gè)主成分中對(duì)應(yīng)Norm值最大的因素分為一組。以每組中最大Norm值的10%變化范圍進(jìn)行篩選，選取此范圍內(nèi)指標(biāo)為土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)集的初選指標(biāo)。由于指標(biāo)之間的相關(guān)性越高，作用效果越相近，因此以相關(guān)系數(shù)0.6為標(biāo)準(zhǔn)，若相關(guān)性較高(相關(guān)系數(shù)≥0.6)，則剔除Norm值相對(duì)較低的指標(biāo)。通過(guò)此步驟去除了，在主成分1中的Mn和主成分3中的NAG。

表3 Norm矩陣Table 3 Norm matrix

通過(guò)上述分析該地區(qū)油茶土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集為NO3-N、全鉀、速效鉀、AP、全氮、pH值、全碳以及真菌多樣性。最后采用加權(quán)求和指數(shù)法計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)，得到該地區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)（圖4）。進(jìn)行林分轉(zhuǎn)化之后，油茶幼林、馬尾松林以及杉木林土壤質(zhì)量均得到了顯著提高。

圖4 土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)得分Fig.4 Scores of the soil evaluation indicators

3 討 論

研究表明，油茶自身喜好酸性環(huán)境，而油茶老林種植時(shí)間長(zhǎng)，油茶根系可通過(guò)在土壤中擴(kuò)散增殖造成土壤可溶性離子數(shù)目增多，導(dǎo)致團(tuán)聚在根系區(qū)域內(nèi)土壤pH值降低，從而增加土壤養(yǎng)分含量以及有效養(yǎng)分的吸收和利用。而3種新轉(zhuǎn)化林分中土壤有機(jī)碳均高于油茶老林表明，該3種樹(shù)種均處于快速生長(zhǎng)期，無(wú)論是投入到地下的有機(jī)碳還是與根系微生物的共生關(guān)系來(lái)看，均處于活躍階段。這些結(jié)果與楊亞琴等[14]不同年齡油茶林以及田丹等[15]油茶林不同套種模式中土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果一致。

馬尾松和杉木林相比，2種油茶樹(shù)對(duì)土壤中的鐵元素含量較低，證明油茶對(duì)鐵元素依賴(lài)性較強(qiáng)。根據(jù)曹永慶等[16]的研究結(jié)果，正處于成長(zhǎng)過(guò)程的油茶根系中存貯的鐵元素會(huì)向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，但到了果實(shí)發(fā)育期和成熟期，整株的鐵元素累積量不再繼續(xù)變化。本研究中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為油茶幼林后，土壤中錳元素含量較油茶老林高2.4倍，說(shuō)明在油茶幼林仍沒(méi)有充分利用土壤中的錳元素。曹永慶等[17]對(duì)油茶不同生長(zhǎng)時(shí)期根莖葉中錳元素含量的累積和轉(zhuǎn)移的研究中發(fā)現(xiàn)，油茶果實(shí)長(zhǎng)至成熟期時(shí)，油茶植株會(huì)停止對(duì)土壤中錳元素的吸收，在枝干中錳元素含量會(huì)下降，轉(zhuǎn)運(yùn)并富集到油茶果實(shí)中，這樣的過(guò)程促進(jìn)了果實(shí)的生長(zhǎng)和成熟。周紅敏[18]等在將杉木林轉(zhuǎn)化為油茶林的研究中發(fā)現(xiàn)，油茶林中速效鉀的含量高于杉木林，與本研究結(jié)果相似。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物吸收氮元素的主要兩種形態(tài)，轉(zhuǎn)化后的硝態(tài)氮在油茶幼林土壤中留存較多，而銨態(tài)氮卻較少說(shuō)明現(xiàn)階段油茶生長(zhǎng)氮元素主要來(lái)自銨態(tài)氮。陳銘等[19]發(fā)現(xiàn)，合適的銨硝混合施肥，會(huì)幫助顯著影響油茶的生長(zhǎng)。

精準(zhǔn)施肥是低產(chǎn)油茶改造的重要技術(shù)措施，而土壤肥力評(píng)價(jià)則是土壤施肥管理方案指定的基礎(chǔ)。以最小數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的土壤肥力管理最能反映土壤質(zhì)量狀況及生產(chǎn)能力的指標(biāo)。對(duì)不同土壤進(jìn)行分析時(shí)，土壤指標(biāo)過(guò)多，可能會(huì)影響土壤的特性，模糊了土壤間的差異，但若指標(biāo)過(guò)少，會(huì)降低SQI對(duì)土壤質(zhì)量變化的敏感性和表現(xiàn)性。本研究通過(guò)主成分分析、隸屬度函數(shù)、MDS等篩選測(cè)定指標(biāo)建立土壤SQI評(píng)價(jià)體系，確定碳、氮、磷是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中必不可少的指標(biāo)，與土壤礦物質(zhì)共同作為林木營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源。全鉀與速效鉀作為油茶開(kāi)花結(jié)果的重要元素，在林分轉(zhuǎn)化過(guò)程中凸顯出關(guān)鍵指示性作用[20]，酸性磷酸酶能有效促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解，為植物生長(zhǎng)補(bǔ)充有效磷素，狄嵐等[21]發(fā)現(xiàn)油茶根系會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)土壤磷養(yǎng)分的有效轉(zhuǎn)化。此外，油茶作為一種菌根依賴(lài)性木本油料植物，真菌多樣性對(duì)油茶的作用也應(yīng)該受到更多的重視。例如，鄧小軍等[22]發(fā)現(xiàn)植物數(shù)量與真菌孢子密度、植物種的豐富度與AM真菌種的豐富度和AM真菌孢子密度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。不同林分類(lèi)型中優(yōu)勢(shì)植物共生的共生偏向性以及隨真菌群落多樣性提升的生態(tài)功能多樣性將更有利于森林生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分利用轉(zhuǎn)化[23]。油茶幼苗種植8～16 a后油茶果實(shí)才進(jìn)入產(chǎn)期，成果轉(zhuǎn)化周期較長(zhǎng)，本研究缺少轉(zhuǎn)化后油茶幼林帶來(lái)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該地區(qū)的土壤理化指標(biāo)和真菌多樣性進(jìn)行篩選，選出土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集，土壤質(zhì)量得分結(jié)果表明對(duì)油茶老林進(jìn)行轉(zhuǎn)化能改善該地區(qū)土壤質(zhì)量。油茶林適合在酸性的土壤環(huán)境中生長(zhǎng)，在土壤管理過(guò)程中除氮、磷、鉀、鎂之外，針對(duì)油茶林還應(yīng)關(guān)注鐵、錳等微量礦物質(zhì)含量。油茶作為菌根依賴(lài)性木本油料科植物，在未來(lái)施肥時(shí)可考慮增加菌肥的使用。本研究為今后的該地區(qū)土壤管理，精準(zhǔn)施肥提供了指導(dǎo)?？稍趯?shí)行新的施肥管理方式后，結(jié)合油茶產(chǎn)量開(kāi)展后續(xù)研究。