李惠芝，关庆伟*，赵家豪，李俊杰，王 磊，李凤凤，左兴平，陈 斌
(1.南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037；
2.连云港市海州区林业技术指导站，江苏 连云港 222000)
土壤肥力是土壤养分针对特定植物的供应能力，以及土壤养分供应植物时环境条件的综合体现[1]。研究表明，土壤肥力质量除受自然因素[2-5]和人为活动的影响[6-8]外，地形作为5大成土因素之一[9]，通过对环境中水热条件的重新分配[10-13]，改变土壤养分在不同地形中的分布，对土壤质量变化也产生重要影响。
目前，相关学者围绕地形对土壤理化性质的影响研究较多[14-17]，而较少关注地形对土壤质量的综合影响。麻栎(Quercusacutissima)是中国暖温带和亚热带地区森林植被的主要组成树种，分布范围十分广泛，具有较高的生态、经济和景观价值[18]。近年来，学者对麻栎的研究主要集中在降雨截留[19]、气候调节[20-21]与碳循环[22]等方面，但是地形对麻栎人工林土壤质量影响的研究相对较少。为此，本研究以麻栎人工林为研究对象，分别测定不同地形条件下的土壤理化性质和酶活性，采用基于最小数据集的土壤质量评价方法评价不同地形下的土壤肥力质量，旨在明晰不同地形下人工林的土壤肥力质量差异，以期为科学管理林地资源、进一步提高人工林质量提供参考。
1.1 研究区概况
研究区位于江苏省连云港市海州区锦屏山(119°06′46″～119°10′18″E， 34°31′43″～34°34′13″N)，处于暖温带和北亚热带过渡地带，属暖温带季风气候，年平均气温14℃，最冷月平均气温-0.2 ℃，最热月平均气温27 ℃，年平均降水量961.6 mm。锦屏山主峰海拔427.7 m，东西长约5.4 km，南北宽约4.5 km，由锦屏山主体以及青龙山、孔望山等11座独立山体、37座山峰组成，整体山势地形起伏较大[23]。地层岩性是变质岩，呈现片理、片麻理发育，比其他岩石容易风化，易松动、破碎，地表的松散固体物质丰富[24]。土壤主要为棕壤，属多砾质砂土，土层浅薄，沙性强。
锦屏山植被类型属典型的暖温带落叶阔叶林。研究区内麻栎人工林由20世纪60年代播种造林而成，至今无强烈的人为干扰，群落自然发育。平均树龄54 a，平均胸径(15.2±3.5) cm，平均树高(8.1±1.3) m，林分密度1 675 株/hm2。更新层树种主要有麻栎、黄檀(Dalbergiahupeana)、白檀(Symplocospaniculata)、山胡椒 (Linderaglauca)等。灌草层有地锦(Parthenocissustricuspidata)、菝葜(Smilaxchina)、络石(Trachelospermumjasminoides)、马唐(Digitariasanguinalis)、狗尾草(Setariaviridis)、牡荆(Vitexnegundovar.cannabifolia)等。
1.2 地形划分
由于地形区域差异性等原因，地形类别和标准的划分不尽相同，尚无相对统一的技术标准[25-26]。本研究参考王宝荣等[17]对黄土丘陵区的地形划分，结合锦屏山麻栎人工林分布区地形现状，根据坡度、坡向和坡形，将地形分为阳坡凸地、阳坡凹地、阴坡凸地、阴坡凹地和平缓坡地5类(表1)，海拔为70～120 m。上凸形即相对于周边地势向上凸起的凸状坡，下凹形即相对于周边地势向下凹陷的凹状坡。
表1 锦屏山麻栎人工林地形分类
1.3 样品采集与处理
依据地形划分结果，在每种地形内设置具有代表性的样方各4个，面积为20 m×20 m，共20个样方。各个样方间相对距离>30 m，均处于相同原始土壤发育条件上。于2020年11月进行采样，在每个样地采用对角线法布置5个采样点，每个采样点在0～20 cm深度(表层)土壤剖面用环刀取土，编号后带回实验室测定土壤物理性质。同时取各样点表层土壤混合为1个样品并去除石块、植物粗大根系等，分两份装入样品袋并标记清楚，一份用于风干后测定土壤化学性质，另一份于4 ℃冷藏用于土壤生物学性质分析。
1.4 土壤质量指标的测定
土壤样品中除全氮(TN)和有机质(由全碳所测值换算)采用元素分析仪(Vario Element Ⅲ，Germany)测定外，其余理化性状指标参考鲍士旦[27]的分析方法。其中，土壤容重采用环刀法测定；
pH测定采用土水质量比1∶2.5提取，电位电极法测定；
土壤水解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定；
全磷(TP)含量采用碱熔-钼锑抗比色法测定；
有效磷(AP)含量采用浓硫酸-盐酸浸提-钼锑抗比色-紫外分光光度法测定；
全钾(TK)含量采用碱熔-火焰光度法测定；
速效磷(AK)含量采用中性乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。土壤微生物生物量碳氮的含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定。土壤酶活指标参考关松荫[28]的分析方法， 土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。
1.5 土壤质量评价方法
目前，关于土壤质量评价系统的研究，以土壤质量指数法应用较为广泛[8，29-31]。本研究参考刘慧敏等[32]和刘昊等[33]的土壤质量评价方法，对15个指标进行单因素方差分析并计算范数(Norm)值，结合Spearman相关性分析，筛选出关键指标组成最小数据集(MDS)。将土壤指标归一化为0～1，评分函数遵循“正向”或“负向”的评分曲线趋势。最小数据集变量的权重由其公因子方差计算，等于其公因子方差与修订最小数据集所有变量公因子方差总和之比。在进行评分和加权后，使用综合质量指数公式计算土壤质量指数(soil quality index,简称SQI，公式中以ISQI表示)：
式中：ISQI是土壤质量指数；
Si是线性指标得分值；
n是最小数据集中的土壤指标数；
Wi是土壤指标权重值。
1.6 数据分析与处理
利用Excel 2016对数据进行统计整理，利用Origin 9.1进行绘图。采用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析和主成分分析，用Spearman法进行相关性分析。显著性水平α=0.05，数据表示为平均值±标准误差。
2.1 不同地形下麻栎人工林土壤理化性质的差异
不同地形条件下土壤化学性质见表2。由表2可知，不同地形下麻栎人工林土壤性质存在差异，除水解氮外，其他8个指标在各地形土壤中大多存在显著差异。5种地形中，土壤容重为1.19～1.74 g/cm3，其中阴坡凸地最低。土壤pH为4.5～5.2，属于强酸性土壤，阴坡凹地地形下的土壤pH显著高于其他类型(P<0.05)。阳坡凹地下土壤的有机质和全氮显著高于其他类型(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阴坡凹地土壤。各地形土壤全磷含量大小依次为阴坡凹地>平缓坡地>阳坡凹地>阴坡凸地>阳坡凸地。其中，阴坡凹地的为0.17 g/kg，是阳坡凸地的3.15倍。各地形土壤有效磷含量大小依次为阴坡凹地>阴坡凸地>阳坡凸地>平缓坡地>阳坡凹地。5种地形中，土壤全钾含量范围为14.2～17.5 g/kg，其中阳坡凹地的含量最高；
土壤速效钾含量范围为46～80 mg/kg，平缓坡地的含量最高，阴坡凹地的含量最低，且凸地地形均高于凹地地形。
表2 不同地形土壤化学性质
2.2 不同地形下麻栎人工林土壤生物学性质的差异
研究发现，土壤微生物生物量碳含量在阴坡凹地中含量最高(表3)，但差异不显著(P>0.05)。由表3可见，各地形土壤微生物生物量氮含量大小依次为阴坡凹地>平缓坡地>阳坡凹地>阳坡凸地>阴坡凸地，其中阴坡凹地是阴坡凸地的3.18倍。土壤过氧化氢酶活性在各地形间差异并不显著(P>0.05)。5种地形中，土壤脲酶活性为0.58～0.73 mg/(g·d)。土壤酸性磷酸酶活性为3.04～4.18 mg/(g·d)。阴坡凹地地形中脲酶活性和酸性磷酸酶活性均显著高于其他地形(P<0.05)。各地形土壤蔗糖酶活性大小依次为平缓坡地>阴坡凹地>阳坡凸地>阴坡凸地>阳坡凹地，其中平缓坡地是阳坡凹地的2.46倍。
表3 不同地形土壤生物学性质
2.3 土壤质量综合评价
排除无显著差异的指标，对12个土壤指标数据进行主成分分析(表 4)。根据特征值>1的原则选取3个主成分，其特征值分别为5.542、2.601 和 1.889，方差贡献率分别为46.183%、21.675%和15.741%，前3个主成分的累计方差贡献率为83.599%，说明这3个相互独立的主成分能够解释土壤各指标变量总变异的83.599%，用于土壤质量的评价较为可靠。
表4 土壤质量评价指标的主成分分析结果
12个土壤质量指标间呈现出不同程度的相关性(表5)。最终确定土壤pH、有机质、土壤容重、脲酶活性和蔗糖酶活性5个指标作为评价土壤质量的最小数据集。由于研究区土壤为强酸性，且pH与多个土壤养分指标呈正相关关系，因此该指标得分选用正向函数。
表5 土壤质量指标Spearman相关性分析结果
图1 不同地形下土壤质量指数Fig.1 Soil quality index with different topography types
因土壤容重与多个土壤养分指标呈负相关关系，得分选用负相关函数。其余指标选用正向函数。计算MDS指标权重得分和土壤质量综合指数。不同地形中，土壤质量指数(SQI)依次为阳坡凹地>平缓坡地>阴坡凹地>阴坡凸地>阳坡凸地(图1)。其中，阳坡凹地土壤SQI值0.533，高出阳坡凸地SQI值0.051。平缓坡地土壤质量高于阴坡凹地仅0.001，低于最高值0.022。凹地地形下土壤质量指数要高于凸地地形下土壤指数，阳坡两种地形间的指数差距更大。
地形通过影响区域内气候和气象特征如气温、降水[34]等，进而影响土壤的水分[35]和温度状况[36]、土壤内养分运输过程[37]以及植被覆盖的空间分布[38]。其中，植被覆盖会对土壤的温度和水分蒸发产生影响[39]，植被的凋落物和根系也会直接改变土壤的养分物质组成[40-42]。因此，地形直接或间接地造成了土壤肥力的空间分布差异。
本研究筛选出pH、土壤容重、有机质含量、脲酶活性和蔗糖酶活性5个指标作为土壤质量评价选取的关键指标。其中，土壤有机质含量所占权重最高，对土壤质量影响较大。研究发现，地形对土壤有机质含量有显著影响。相同坡向条件下，凹地地形下土壤质量指数要高于凸地，可能是因为地势越低洼越利于土壤养分富集[22]。其中，阳坡凹地的土壤有机质含量较高且土壤质量指数最高。可能是因为阳坡凹地属于负地形，有利于地表枯枝落叶层不断聚集堆积[43]，腐殖质层加厚；
同时，麻栎是喜光、喜温暖湿润气候的树种[18]，阳坡光照时间更长，有利于麻栎的生长，根系更发达，产生的凋落物更多，导致土壤有机质增加，土壤质量指数更高。
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，说明凹地地形中土壤生物化学反应更剧烈，这与薛飞等[40]的研究结果相似。可能是因为低洼地势环境水热条件良好，凋落物和土壤较厚且分布均匀，导致土壤中植物根系多且发达，微生物活动旺盛，表现出较高的酶活性。阴坡凹地土壤微生物生物量碳氮含量最高，同时土壤中过氧化氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均最高，这与杨佳佳等[44]对黄土丘陵区的研究结果相似。可能是因为阴坡有着相对阳坡较好的水热条件[45]使得阴坡微生物生长较阳坡好，而土壤微生物的活动是土壤酶的主要来源之一[17]，导致酶活性提高。另一方面，阴坡凹地土壤pH最高，由相关性分析结果可知，pH对土壤微生物生物量氮含量及3种土壤酶活性均起到不同程度的正向作用，间接增强了土壤酶活性。土壤酸碱度主要决定于土壤溶液中氢离子的浓度，受土壤母质、微生物活动情况、气候、自然及人类活动等因素影响[46-47]。本研究中，阴坡凹地地形下土壤pH较高，可能是因为pH受到地形凹凸度的影响较大[48]。
在本试验地中，土壤质量评价结果表明，阳坡凹地地形更有利于改善土壤水热条件和累积土壤养分，建议在新建人工林时注意地形营造，以提高人工林土壤质量。在未来的研究中，可通过土壤质量变化的长期监测，深入探讨地形与生物因素等对土壤质量的综合影响，为人工林的可持续经营管理提供数据支撑。
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