论文推荐 || 南京林业大学林草学院王改萍教授团队研究薄壳山核桃-油用牡丹多种种植模式下土壤质量评价

关键词：薄壳山核桃; 油用牡丹; 复合经营; 土壤理化性状; 土壤酶活性

基金项目：江苏省林业科技创新与推广项目（LYKJ-宜兴[2020]01）。

引文格式：陈慧, 王改萍, 彭方仁, 等. 薄壳山核桃-油用牡丹多种种植模式下土壤质量评价[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2024, 48(4): 177-183 CHEN H, WANG G P , PENG F R, et al. Soil quality assessment for Carya illinoensis-Paeonia ostii under various planting patterns[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2024, 48(4): 177-183. DOI:10.12302/j.issn.1000-2006.202210021.

研究区位于江苏省无锡市宜兴市张渚镇芙蓉村(119.738°E,31.291°N)，地处江苏省西南端、沪宁杭三角中心，属亚热带季风气候，年平均气温16.5 ℃，全年雨日129 d，年总降水量为1 229.9 mm，土壤类型为砂红土。试验地原为废弃宕口，2016年江苏万阳生物技术有限公司对其进行规划改造，统一铺垫附近山地土壤，加厚土层，改造后土壤条件基本一致。同年以6年生薄壳山核桃‘波尼’(Carya illinoensis ‘Pawnee’)嫁接林木为材料造林，株行距10 m×8 m，次年移栽4年生油用牡丹‘凤丹’(Paeonia ostii ‘Feng Dan’)实生苗，株行距0.6 m×0.4 m，薄壳山核桃-‘凤丹’牡丹复合模式中牡丹距核桃树0.5 m间作。

试验材料为11年生薄壳山核桃、9年生油用牡丹，共设置3个模式，包括薄壳山核桃纯林(Ⅰ)、薄壳山核桃×油用牡丹复合经营(Ⅱ)和油用牡丹单植(Ⅲ)。各模式设置3小区，每小区薄壳山核桃6株，小区大小约为24 m×20 m，立地条件相近但不相邻，试验地肥水管理以常规管理为准。

于2021年春、夏、秋3个季节(分别4、7、11月)采集土样，土壤物理性质测定通过环刀取样，其余指标通过土钻分层[0,20) cm和[20,40) cm采样，其中模式Ⅲ林地土层较模式Ⅰ、Ⅱ薄，且作为牡丹单植模式，缺少深根性高大乔木,因此,只采集[0,20) cm土层土样。各小区避开植株根部0.5 m区域“S”形设置5个采样点，将采集土样按照土层、小区混合，捡除石块枯枝后四分法留取土样1 kg左右，带回实验室风干过筛储存待用。

参考文献的相关方法，对于土壤pH、有机质、全氮、有效磷及速效钾含量测定分别采用电位法、重铬酸钾外加热法、凯氏法、钼锑抗比色法、火焰光度计法；土壤过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性测定分别采用高锰酸钾滴定法、水杨酸比色法、靛酚蓝比色法。参考徐建明等及张文学等评价方法，采用最小数据集法(minimum dataset,MDS)评价林地土壤肥力质量。对各项指标进行主成分分析，选取载荷值在最大载荷值10%范围内的指标为高权重指标，并对不同主成分下高权重指标分别进行相关性分析，与最大载荷值指标相关性小于0.6的指标选入最小数据集，相关性之和最大值同样选入，对最小数据集指标进行主成分分析，通过各指标公因子方差确定指标i权重值q_i。将指标i值通过相应隶属函数转变成0~1的得分值w_i，土壤肥力指标的隶属度函数一般包括正“S型”、反“S型”、抛物线型及直线型。计算公式如下:

正“S型”公式:

反“S型”公式：

直线型公式：

式中：U、L表示指标上、下限临界值x表示实际测量值；x_max表示该指标实际测量最大值。

肥力质量综合指数(IFI，公式中表示为I_FI)根据模糊数学中加权乘法原则，公式如下：

式中：n表示最小数据集指标数量；q_i表示指标i权重值；w_i表示指标i隶属度得分值。

采用Excel 2013、SPSS 27.0、OriginPro 2021进行数据整理、分析及图表绘制，数据均以平均值±标准偏差表示(显著性水平设置为0.05)。

分析(表1)可知，随春、夏、秋季节变化，各模式土壤含水量均下降，其中春季土壤含水量最高；土壤容重也大多显示下降，其中夏季与秋季土壤容重间差异不显著，但均表现出与春季差异显著。各模式间表现为模式Ⅱ表层土壤含水量最高，但春季与夏、秋两季节间存在显著差异。春季各模式间表层土壤容重差异不显著，夏季模式Ⅱ、Ⅲ间差异不显著，秋季模式Ⅰ表层土壤容重与模式Ⅲ差异不显著。双因素方差分析显示,土壤物理性状在模式、季节间存在显著差异，且模式与季节间交互作用显著。

1)土壤pH变化。分析(图1a)可知，随季节变化，春、夏季土壤间pH差异不显著，均值为7.66，整体呈弱碱性。夏到秋季土壤pH下降，秋季土壤pH均值为6.92，整体显示中性，此时模式Ⅰ的pH最大。在相同季节中，随土层变化，各模式土壤pH差异均不显著。

2)土壤有机质含量变化。分析(图1b)可知，随季节变化，土壤有机质含量大多升高；随土层加深,土壤有机质含量降低。在春季，模式Ⅱ、Ⅲ表层土有机质含量显著高于其他模式土层；在秋季，模式Ⅱ有机质含量仍最高，与其余模式土层间存在显著差异。

3)土壤全氮含量变化。分析(图1c)可知，随季节变化，土壤全氮含量表现为秋季>夏季>春季；在相同季节中，随土层加深，各模式土壤全氮含量降低。在春季，模式Ⅱ、Ⅲ表层土壤全氮含量相近且显著高于模式Ⅰ；在夏季，模式Ⅱ表层土壤全氮含量最高，在秋季，3种模式间表层土壤全氮含量差异显著。

4)土壤有效磷含量变化。分析(图1d)可知，土壤有效磷含量整体较低。随土层加深,土壤有效磷含量显著降低。春季模式Ⅱ土壤有效磷含量显著高于其他模式；夏季各模式间表层土壤有效磷含量差异显著；秋季模式Ⅲ有效磷含量显著高于其余模式。模式Ⅰ土壤有效磷含量夏、秋两季差异较小，但显著高于春季；模式Ⅱ表层土壤有效磷含量在夏季最高；模式Ⅲ土壤有效磷含量在一年中随季节变化差异显著。

5)土壤速效钾含量变化。分析(图1e)可知，随季节变化，土壤速效钾含量显著增加；随土层深入，土壤速效钾含量显著降低。春季模式Ⅱ表层土壤速效钾含量显著高于其余模式，模式Ⅰ、Ⅲ间差异不显著；夏、秋季各模式间土壤速效钾含量均存在显著差异。

1)土壤过氧化氢酶活性变化。分析(图2a)可知，随春、夏、秋季节变化，土壤过氧化氢酶活性呈先升高后降低的趋势；随土层加深，土壤过氧化氢酶活性降低。在春、夏、秋3季，各模式间表层土壤过氧化氢酶活性均差异不显著，但春、秋季深层土壤间差异显著；夏季深层土壤间酶活性差异不显著。

2)土壤蔗糖酶活性变化。分析(图2b)可知，随季节变化，土壤蔗糖酶活性表现为秋季>夏季>春季，且表层土壤的差异显著。在春季，模式Ⅱ表层土壤蔗糖酶活性显著高于其余模式；在夏、秋两季,各模式间表层土壤蔗糖酶活性差异显著，且模式Ⅱ>模式Ⅲ>模式Ⅰ。

3)土壤脲酶活性变化。分析(图2c)可知，随季节变化，土壤脲酶活性表现为秋季>夏季>春季，且同一模式在秋、夏间差异不显著。在春季，模式Ⅱ、Ⅲ间土壤脲酶活性差异不显著，且模式Ⅱ表层土壤脲酶活性最高，为6.87 mg/(g·d)，同一时间模式Ⅰ深层土壤脲酶活性最低仅为2.39 mg/(g·d)；夏、秋季各模式间表层土壤脲酶活性差异显著，且表现为模式Ⅱ>模式Ⅲ>模式Ⅰ。

2.4.1 最小数据集的建立

运用最小数据集法计算土壤肥力综合质量指数，并剔除较不稳定的土壤含水率指标。对不同季节各指标进行主成分分析，根据各指标载荷得到高权重指标见表2。对不同季节第1主成分下高权重指标进行相关性分析，结果如表3所示。春季第1主成分仅全氮及脲酶活性两指标权重高，且相关系数大于0.6,将载荷值最大的脲酶活性选入最小数据集；夏季将相关系数和最大的速效钾含量及相关系数和最小的蔗糖酶活性选入最小数据集；秋季根据表3相关系数和将脲酶、蔗糖酶活性选入最小数据集。第2主成分权重最高指标只有1个时，该指标选入最小数据集，对秋季第2主成分权重高指标进行相关性分析，将与最大载荷值指标相关系数小于0.6的容重及相关系数和最大的指标速效钾含量选入最小数据集。

2.4.2 土壤肥力综合质量指数(IFI)

对各最小数据集指标进行主成分分析，并计算其公因子方差与总方差和的比值，即各指标权重值(q_i)，结果表明春季最小数据集指标脲酶活性、蔗糖酶活性权重值分别为0.5；夏季指标全氮含量、有效磷含量、蔗糖酶活性分别为0.324、0.229、0.447；秋季指标土壤容重、速效钾含量、脲酶活性、蔗糖酶活性的q_i分别为0.247、0.253、0.254、0.246。运用正“S型”公式计算土壤全氮含量、有效磷含量、速效钾含量隶属度函数值，运用反“S型”公式计算容重隶属度函数值，生物指标采用简单线性评分法，得到各指标隶属度得分值(w_i)。

根据公式计算各季节及模式土壤肥力综合质量指数，结果如图3所示。相同季节下，各模式肥力质量综合指数(IFI)均表现为模式Ⅱ>模式Ⅲ>模式Ⅰ，相同模式下，各季节IFI均表现为秋季>春季>夏季，且差异均显著(P<0.05)。随季节变化(春—夏—秋)，土壤肥力质量变化趋势呈现“U”形。

1)本研究对不同季节、不同种植模式下土壤性状分析发现，模式Ⅱ土壤指标显著优于其余单植模式，这与前人的结论一致，但秋季模式Ⅲ有效磷、速效钾含量高于模式Ⅱ，与周楷玲等的结论不同，这可能是由于土壤pH在秋季降低，土壤有效磷在酸性环境下易被Al、Fe等固定，从而难以被植物吸收利用,同时试验地土壤为红壤，其有效磷含量较低，且复合模式下植物种类丰富，所需养分同样较多。

2)本研究对不同种植模式下的土壤分析发现，复合经营模式增加了植物种类，提高了土壤中含水量、有机碳、全氮、有效磷、速效钾含量，促进了土壤中的物质循环，从而使土壤蔗糖酶、脲酶活性显著高于单植模式，与前人研究结论一致。同时这也说明土壤酶与土壤理化性质之间存在相关性。

3)通过比较土壤肥力质量综合指数，表明复合经营模式能够显著提高土壤肥力，且夏季肥力显著低于其余季节，进一步验证前人研究结果。其中，土壤肥力质量春季受脲酶、蔗糖酶活性直接影响；夏季受全氮、有效磷含量及蔗糖酶活性直接影响；秋季受土壤容重、速效钾含量及脲酶、蔗糖酶活性直接影响，表明在薄壳山核桃-油用牡丹经营模式下土壤酶指标在土壤肥力综合质量评价中较为敏感。