不同年齡級別皂莢樹土壤肥力的綜合評價

余 鴿, 陳思慧, 王周鎖*, 龍鳳來, 鄭 健, 劉煉紅

(1.楊凌職業技術學院 生態環境工程分院, 陜西 楊凌 712100; 2.西安市鄠邑區森林資源管理中心, 陜西 鄠邑 710300; 3.西安市林木種苗工作站, 陜西 鄠邑 710300)

0 引言

【研究意義】皂莢(Gleditsiasinensis)為豆科(Fabaceae)皂莢屬(Gleditsia)的落葉喬木,廣泛分布于我國北部、南部及西南部,其皂仁、皂刺、莢皮、樹根、樹葉、木材均可開發利用,具有重要的生態、經濟和藥用價值[1]。皂莢樹是珍貴的鄉土樹種,常被栽植于庭院或宅旁,具有高適應性和較強的固氮能力,可生長于微酸性、石灰質、輕鹽堿土等多種土壤環境中,其壽命可達六七百年,具有發展為古樹資源的潛質。據第2次全國古樹資源普查結果顯示,古皂莢樹位居陜西省散生古樹前列,僅西安市皂莢樹共計275株,占散生古樹的26.3%[2],且不同保護級別的皂莢樹數量均勻。歷史上皂莢樹曾遭到掠奪性的利用和破壞,加之病蟲危害嚴重,大量優異種質資源瀕臨枯竭,使得現存古皂莢樹成為不可多得的種質資源[3]。因此,研究古皂莢樹年齡與土壤環境、生境條件和土壤理化特性的關系,掌握各級古樹的土壤肥力特征對保護古皂莢樹資源具有現實意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤是供給古樹生長所需養分的重要基質,掌握古樹土壤的理化特性,可更好地調節土壤中植物營養的供給能力[4]。古樹有上百年的定植年限,土壤與古樹生長常表現為隨古樹年齡的增長,其吸收代謝土壤營養物質的能力減弱[5],不同年齡古樹的土壤理化性質變化規律需深入研究。不同定植年限的樹木土壤養分與環境、施肥、凋落物、根系分泌物等因素關系密切[6-8]。李志軍等[9-10]研究表明,部分果樹隨著樹齡增加,土壤養分總體呈先增后減趨勢,土壤pH也隨之改變?！狙芯壳腥朦c】目前,針對古樹土壤綜合肥力評價研究主要集中在北京、上海和廣州等地區,樹種有松柏類、國槐、榕樹、木棉、黃葛樹、心葉榕和樟等,多集中于不同樹種間的土壤肥力特征分析[11-13],而對不同年齡級別古樹的土壤特征進行評估和分析的研究鮮見報道。因此,有必要開展不同年齡級別皂莢樹土壤肥力的綜合評價研究?！緮M解決的關鍵問題】探究不同年齡級別皂莢樹的土壤肥力狀況,并對其土壤質量進行綜合評價,為制定適宜的古樹保護策略提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

不同年齡級別皂莢樹研究區位于陜西關中平原中部鄠邑區,東西最寬處30 km,南北最長處53 km,總面積1 282 km2。鄠邑區地形為山區、平原區及山前坡地3個不同自然區域,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季冷暖干濕分明,光、熱、水資源豐富,全年平均無霜期216 d,光照總時數1 983.4 h,平均氣溫13.5 ℃,總降水量627.6 mm。

1.2 樣品選取與采集

1.2.1 皂莢樹 選取2022年鄠邑區登記在冊的尚未對其進行過土壤施肥或土壤改良的皂莢樹共26株進行土樣研究,其中,古皂莢樹21株(NZJ01-NZJ21),非古樹5株(NZJ22-NZJ26)。古樹估測樹齡采用“三段計算法”測定[14],最高、最低估測樹齡分別為800 a、120 a,平均樹齡為347 a。其中,一級古樹7株,樹齡520～800 a;二級古樹5株,樹齡300～400 a;三級古樹9株,樹齡120～160 a;非古樹5株,樹齡20～70 a。皂莢樹株高、胸徑和冠幅分別為3.6～13.9 m、15.0～210.0 cm和1.1～15.3 m,均值分別為10.1 m、89.0 cm和8.2 m。

1.2.2 土壤 采集各樹冠范圍內0～40 cm土壤,采樣前清理地表凋落物,使用土鉆在樹冠范圍內東、南、西、北4個方向采集4份樣品并混勻為1個土樣,共采土樣104份,裝入自封袋并編號,備用。

1.3 土壤理化性質測定

將采集的土壤樣品帶回實驗室自然風干,用四分法取樣100 g,去除樣品中根系、玻璃、石塊等雜物,風干磨細后過1 mm篩,用于土壤理化性質的測定[15]。土壤容重(BD)采用環刀法測定,土壤電導率(EC)用DDS-307電導率儀(上海儀電科學儀器股份有限公司)測定,pH用pHSJ-5離子計(上海儀電科學儀器股份有限公司)測定,有機質(OM)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定,全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)分別用半微量凱氏定氮法、硫酸消煮-紫外分光光度法和硫酸消煮-火焰分光光度法測定,堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)分別用堿解擴散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法和1 mol/L CH3COONH4浸提火焰光度計法測定。

1.4 評價方法

1.4.1 土壤肥力單項指標評價 選取數據穩定且能反應土壤理化特性的10項指標(BD、pH、EC、OM、TN、TP、TK、AN、AP和AK)構建不同年齡級別皂莢樹的評價指標體系。根據各指標與土壤肥力間的關系選取相應的隸屬度函數,計算各指標隸屬度值,實現各指標的標準化處理。其中,EC值屬于戒下型隸屬度函數[11];土壤pH、BD過大或過小均影響植物生長,采用拋物線型隸屬度函數;OM、TN、TP、TK、AN、AP、AK均屬S型隸屬度函數[11,16-17]。隸屬度函數公式:

(1) 戒下型隸屬度函數

x

x1≤x

x≥x2時,F(x)=0.1

(2) 拋物線型隸屬度函數

x

x1≤x

x3≤x

x2≤x

(3) S型隸屬度函數

x

x1≤x

x≥x2時,F(x)=1.0

式中,x為土壤指標測定值,x1、x2、x3、x4為函數轉折點取值,根據全國第二次土壤普查分級標準[18]及朱家晸等[4,11,19-21]的相關研究結果選擇各指標隸屬度轉折點值(表1)。根據各肥力指標對應的函數關系選擇公式計算相應隸屬度值fi,將其轉化為0.1～1.0的無綱量化數值。對4個年齡類型土壤的10項理化指標經標準化處理后進行分級評價,并采用雷達圖對比不同年齡級別古樹土壤單項指標的肥力水平[4,11]。

表1 土壤養分指標的隸屬度函數轉折點取數值

1.4.2 土壤肥力綜合評價 采用主成分分析法對4個不同年齡級別的皂莢樹進行土壤肥力綜合評價。運用SPSS 26.0對標準化后的10項土壤指標隸屬度值進行Bartlett球形檢驗和KMO檢驗,判斷其是否適合進行主成分分析后計算出各項土壤理化指標的公因子方差,進而計算各公因子方差占公因子方差總和的比例,將其作為評價指標的權重ai[4,11]。土壤肥力綜合評價指數公式:

式中,S為土壤肥力綜合指數,ai和fi分別為第i個指標的權重值和隸屬度值,n為指標數量。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2021和SPSS 26.0對試驗數據進行統計分析,用R下的scale()函數對土壤肥力指標進行標準化后,用vegan的rda()函數對其進行主成分分析,用ggplot2的ggplot()函數作圖。

2 結果與分析

2.1 不同年齡級別皂莢樹的土壤肥力特征

從表2看出,不同年齡級別皂莢樹的土壤肥力指標狀況不同。土壤pH、EC值、OM、TN、TP、TK、AN、AP、AK和BD均值分別為8.42、139.36 μs/cm、21.21 g/kg、1.18 g/kg、0.99 g/kg、19.02 g/kg、62.72 mg/kg、26.21 mg/kg、386.04 mg/kg和1.27 g/cm3。通常,土壤肥力狀況用變異系數(CV)表示,CV≤10%為弱變異,10%AK>EC>AN>TN>OM>TP>BD>TK>pH,其中,pH和TK屬弱變異,變異系數分別為2.92%和7.25%,AP、AK、EC、AN、TN、BD、AP和BD屬中等變異,分別為82.69%、74.60%、24.62%、49.04%、45.14%、34.69%、31.73%、24.62%和10.71%,以AP最高。表明,不同年齡級別皂莢樹土壤的pH、TK肥力狀況差異不大,其余指標均存在不同程度差異,以AP最為明顯。

表2 皂莢樹土壤肥力指標的描述性統計

由圖1可知,不同年齡級別皂莢樹的土壤pH均值為8.42,屬堿性土壤,且pH隨著樹齡增長逐漸下降,依次為非古樹>三級古樹>二級古樹>一級古樹;不同年齡級別皂莢樹土壤的TK含量差異均不顯著;BD依次為二級古樹>一級古樹>非古樹>三級古樹;不同年齡級別皂莢樹土壤的EC值、OM、TN、TP、AN、AP和AK含量表現出不同程度差異,其中,非古樹土壤各肥力指標含量均最低,隨著樹齡增加,三級古樹各指標含量增加至最大,除TP和AP外,其余指標含量均顯著高于一級古樹。

結合全國第2次土壤普查分類標準[18](表3),不同年齡級別皂莢樹的土壤TK含量均在三級標準以上,屬中上水平;一級至三級古樹的土壤OM和TN含量均達三級標準,屬中上水平,非古樹的土壤OM和TN含量分別為四級和五級標準,含量偏低,屬中低水平;一級至三級古樹的土壤TP、AK和AP含量分別為一級、一級和二級標準,屬極高和高水平,而非古樹的土壤TP、AK和AP含量分別為三級、四級和四級標準,表現出較大差異;除三級古樹土壤AN含量介于三至四級標準外,其余年齡級別古樹土壤AN含量均為五級標準,屬低水平。

表3 全國第2次土壤普查分類標準

2.2 不同年齡級別皂莢樹土壤理化性質的主成分分析

由圖2可知,不同年齡級別皂莢樹的土壤理化性質具有明顯區分度,其中,第一主坐標軸PC1解釋了40.3%的變量,第二主坐標軸PC2解釋了15.3%的變量,共解釋55.6%的變量。通過PC1主坐標可清楚地將非古皂莢樹的土壤理化性質與一級、二級和三級古樹區分開,同時可將三級古樹的土壤理化性質與二級和一級區分開,而一級和二級古樹的土壤理化性質則在PC1主軸上表現出一定的重合度。

圖2 不同年齡級別皂莢樹土壤理化性質的主成分分析

2.3 不同年齡級別皂莢樹土壤肥力的單項指標評價

雷達圖中各指標點離中心原點的遠近可反映各指標的肥力水平,指標離原點越近,其肥力水平越低,反之肥力水平越高;各點圍合的面積大小則反映評價對象整體肥力狀況,面積越大,整體肥力越高,面積越小,整體肥力越低[4,11,16,22]。由圖3可知,不同年齡級別皂莢樹的TK和EC隸屬度值均較高,分別在0.77～0.87和0.78～1.00。其余指標隸屬度值隨樹齡呈差異化,其中,AK、AP、AN、TN、OM的隸屬度值均依次為三級古樹>二級古樹>一級古樹>非古樹,表明三級古樹的這5項指標肥力較好,其隸屬度值分別為0.88、0.78、0.66、0.80、1.00;非古樹的分別為0.09、0.10、0.10、0.10、0.12。TP和pH的隸屬度值均依次為一級古樹>三級古樹>二級古樹>非古樹,BD的隸屬度值依次為非古樹>一級古樹>三級古樹>二級古樹。從雷達圖面積看,非古樹各土壤理化指標隸屬度雷達圖面積均較其他級別古樹低,說明其土壤肥力整體低于一級、二級和三級古樹,其中,以三級古樹土壤肥力最高,二級和一級古樹土壤肥力相當。

圖3 不同年齡級別皂莢樹的土壤肥力指標隸屬度

2.4 皂莢樹土壤肥力的綜合評價

皂莢樹土壤的10項肥力指標KMO測驗結果為0.554,Bartlett球形檢驗的顯著系數為0.00(<0.05),說明適宜進行主成分分析。從表4看出,按>1.000的特征值作為主成分個數提取原則,共提取4個主成分,其值分別為4.276、1.644、1.308、1.073,前4個主成分的方差貢獻率和累積貢獻率分別為42.762%、16.444%、13.078%、10.732%和42.762%、59.206%、72.284%、83.016%,4個主成分涵蓋了原始數據信息總量的83.016%,可將這4個主成分作為綜合變量評價不同年齡級別皂莢樹土壤的肥力狀況。第1主成分包括OM、TN、TP、AN、AP和AK,第2主成分為TK,第3主成分為pH,第4主成分為BD。權重系數表現為TN(0.110)>TP(0.109)>OM(0.108)>AN(0.104)>BD(0.102)>TK=AP(0.100)>pH(0.096)>AK(0.093)>EC(0.078),由此得出,TN對土壤肥力的貢獻率最大,其次為TP和OM。

表4 皂莢樹土壤肥力的主成分分析

結合各樹齡級別土壤肥力指標的隸屬度函數值(圖3)和權重(表4)計算得出,一級古樹、二級古樹、三級古樹和非古樹土壤肥力綜合指數分別為0.584、0.591、0.771和0.281,依次為三級古樹>二級古樹>一級古樹>非古樹。

3 討論

不同年齡級別皂莢樹土壤pH屬堿性土壤,均值為8.42,較關中平原臺塬區土壤pH(7.09)高[23]。有研究認為,受城市建設影響,古樹土壤pH普遍呈堿化趨勢[11,24-25]。本研究的皂莢樹處于學校、寺廟、村莊院子和道路旁,常受到房屋建設、道路修繕等建筑垃圾影響,土壤整體呈堿性,且呈強堿性。葉少萍等[11]研究表明,堿性土壤環境會降低古樹土壤養分含量,不利于古樹根系生長。因此,在后期古樹復壯過程中可考慮加入有機質或甜菜堿、石膏等改善土壤環境[26]。

研究中所有土壤樣品的AN整體含量較低,處于四級標準及以下水平。土壤中AN含量的高低,取決于有機質含量以及施入氮素化肥數量[27]。有機質含量豐富,熟化程度高,則AN含量高,反之含量低。AN在土壤中不穩定,易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發生變化,但能反映近期土壤的氮素供應能力。古樹作為城市綠化的一部分,落葉還原和有機質輸入長期處于虧空狀態,可通過施入腐熟有機質進行土壤改良。皂莢樹為豆科植物,含有豐富的固氮根瘤菌,施入有機質還可提高土壤微生物活性含量,從而增加土壤AN含量。

古樹隨著樹齡增長,根系自身吸收代謝與分泌活動會產生一定變化,進而引起土壤理化性質改變[28]。側柏長時間的生長可改變土壤養分和微生物群落組成,且古側柏土壤養分指標含量普遍高于非古樹[28];0～50 a的石榴樹隨著樹齡的增加,其土壤養分呈遞增趨勢[10];北京市樹齡大于300 a的側柏、油松、白皮松和國槐古樹的土壤理化性質較差[11],與本研究結果基本一致。研究結果顯示,一至三級古皂莢樹土壤的TP、AP、AK、OM和TN含量均高于非古皂莢樹,三級古皂莢樹各土壤肥力指標含量最高,隨著樹齡增長,至二級和一級古皂莢樹逐漸下降。對皂莢樹土壤肥力綜合評價結果表明,三級古皂莢樹土壤肥力(0.771)優于二級(0.591)和一級(0.584),古皂莢樹土壤肥力優于非古皂莢樹(0.281)。研究表明,樹齡對皂莢樹根系的吸收代謝和分泌活動影響較大,20～70 a的皂莢樹往往處于迅速生長期,其根系對土壤養分的吸收和需求量較大,更易出現土壤養分不足的情況;120～160 a的古皂莢樹,其根系的吸收代謝和分泌能力形成較好的協調平衡,此時的土壤肥力較高;隨著樹齡增加,二級(300～480 a)至一級(500～800 a)古皂莢樹的根系吸收代謝和分泌能力逐漸減弱,其土壤的營養含量和綜合肥力會逐漸下降。因此,仍需進一步深入分析古樹的根系分泌活動及根際土壤微生物的群落變化,為闡釋土壤肥力變化機制提供依據。

4 結論

鄠邑區皂莢樹土壤pH為8.03～8.88,屬堿性土壤;不同年齡級別皂莢樹土壤的TK含量差異均不顯著;土壤BD依次為二級古樹>一級古樹>非古樹>三級古樹;不同年齡級別皂莢樹土壤的EC值、OM、TN、TP、AN、AP和AK含量表現出不同程度差異,其中,非古樹土壤各指標含量均最低,隨著樹齡增加,三級古樹各指標含量增加至最大,除TP和AP外,其余指標含量均顯著高于一級古樹。以全國第二次土壤普查分類標準為依據,皂莢樹土壤TK含量均為三級標準,屬中上水平;AN含量均為四級及以下標準,屬中低水平;古皂莢樹土壤TP、AP、AK、OM和TN整體含量較高,均為三級及以上標準,屬中高水平;非古皂莢樹各土壤肥力指標含量較低,均為四級及以下標準,屬中低水平。皂莢樹土壤綜合肥力依次為三級古樹(0.771)>二級古樹(0.591)>一級古樹(0.584)>非古樹(0.281)。綜合看,鄠邑區不同年齡古皂莢樹的土壤肥力呈較大差異,其中,三級古皂莢樹土壤肥力優于二級和一級,古皂莢樹土壤肥力優于非古皂莢樹,可實行分級養護,并通過增施有機質改良土壤,提高堿解氮含量。