喻陽華 程雯 楊丹麗

摘 要： ??為了闡明群落水平上的土壤礦質(zhì)元素特征，該研究以貴州喀斯特山區(qū)典型人工林為對象，以金屬元素和非金屬元素進行類型劃分，探討了土壤礦質(zhì)元素含量特征及其相關性。結果表明：該區(qū)典型人工林土壤礦質(zhì)元素含量存在較大差異，且同一元素在不同樹種之間的變化幅度各異，鋅、鉻、鐵、鈦、鋁、鎂、鎳、鈷等的變化規(guī)律較為一致，鈣、鍶等的變化趨勢較為相似，砷、硒、硅在桉樹（Eucalyptus robusta）林、柏木（Cupressus funebris）林和枇杷（Eriobotrya japonica）林中的含量較高，硫、鈉、氯等元素含量則相反;不同礦質(zhì)元素隨林分類型的變化規(guī)律不完全一致，表明植物根系對養(yǎng)分的提取和富集能力存在差異;礦質(zhì)元素之間表現(xiàn)出一定程度的相關性，存在此消彼長的關系，不同礦質(zhì)元素之間的相關關系各異，表現(xiàn)出增強或抑制效應，尤其以鐵、鈣等元素與其他元素的關系更為密切;礦質(zhì)元素之間的互作效應及其計量平衡關系是分析元素特征的關鍵，是未來值得深入研究的科學問題。該研究結果有利于掌握養(yǎng)分元素積累特征與調(diào)控規(guī)律，對于該區(qū)域典型人工林土壤養(yǎng)分管理具有較強的理論和實踐意義。

關鍵詞： ?人工林， 土壤， 礦質(zhì)元素， 相關性， 貴州喀斯特山區(qū)

中圖分類號： ??S727/728

文獻標識碼： ???A

文章編號： ??1000-3142（2019）01-0108-09

Features of soil mineral elements in man-made forest of Guizhou karst mountain area

YU Yanghua1* ?， CHENG Wen1 ， YANG Danli2

（ 1. ?School of Karst Science / State Engineering Technology Institute for Karst Decertification Control， Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China; 2. School of Geography and Environmental Science， Guizhou Normal University， Guiyang 550025， China ）

Abstract： ??In order to illustrate the soil mineral element feature of community level，? we discussed the content features of mineral elements and the correlations and classified metallic element and non-metallic element with the typical man-made forest in Guizhou karst mountain area as object. The results indicated that there were large differences in the soil mineral element contents of the typical man-made forest in the area， meanwhile the elements had different ranges in the different tree species. The change rules of Zn， Cr， Fe， Ti， Al， Mg， Ni， Co were relatively consistent， Ca and Sr’s were relatively similar. The content of As， Se， Si were high in Eucalyptus robusta forest， Cupressus funebris forest and Eriobotrya japonica forest， while the contents of S， Na， Cl were just the opposite. The change rule of different mineral elements was not in conformity with different forest types， which indicated that the extraction and accumulation ability of plant root system were different. There was a degree of relativity among mineral elements， the correlativity of different mineral elements differed and represented enhancement inhibitory effect， and especially Fe and Ca had close relationship with other elements. The interaction effect and measure equilibrium relationship of mineral elements were the key to analyze the features of element compositions and a scientific problem deserved to be further studied. The research results are in favor of mastering nutrient element accumulation features and regulation， and have an important theoretic and practical significance to soil nutrient management of typical plantation in the area.

Key words： ?man-made forest， soil， mineral element， correlation， Guizhou karst mountain area

礦質(zhì)元素是影響土壤質(zhì)量的主要因子之一（Joimel et al.， 2016），在植物的生長、生理、生化過程中發(fā)揮著重要作用，與植物的產(chǎn)量、品質(zhì)和風味物質(zhì)的形成密切相關（Qin et al.， 2017），是土壤質(zhì)量與健康程度的重要決定指標。礦質(zhì)元素的供應失衡對植物生長和群落組成產(chǎn)生一系列的影響，而植物體內(nèi)元素的失衡與系統(tǒng)元素限制的平衡被打破有關（毛慶功等，2015），如氮素輸入過量會誘發(fā)植物體內(nèi)元素失衡，導致光合氮利用效率下降，生長放緩甚至樹木壽命下降（Aber et al.， 1995; Whytemare et al.， 1997）。王麗香等（2013）結果表明，礦質(zhì)元素對花生生長表現(xiàn)出協(xié)同效應，不同元素之間表現(xiàn)出互作效應，說明礦質(zhì)元素對花生的生長、生理狀況產(chǎn)生顯著影響;施用硅肥促進了大蔥生長和對其他礦質(zhì)元素的吸收（李煒薔等，2016），表明礦質(zhì)元素之間還表現(xiàn)出較強的協(xié)同效應;礦質(zhì)元素與油茶生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)形成與風味都有直接相關關系，是重要的決定性因素（曹永慶等，2015）;適宜的磷、鉀、鎂、鋁、鋅含量能夠促進茶樹形成優(yōu)質(zhì)茶葉（任明強等，2010）;合理調(diào)節(jié)銅、鋅、鐵等元素的施肥配比，能夠改善庫爾勒香梨品質(zhì)（位杰等，2018）。因此，系統(tǒng)研究土壤礦質(zhì)元素含量特征，對于揭示植物生理、生態(tài)特征和產(chǎn)量、品質(zhì)的形成機理具有重要意義，能夠科學指導植物群落健康、可持續(xù)經(jīng)營。

關于植被土壤質(zhì)量特征的研究，目前主要集中在碳、氮、磷、鉀等大量元素（張璐等，2014;黃鈺輝等，2017），以及生物學特性（Govaerts et al.， 2006;劉麗等，2013），對中量、微量元素的研究報道較為鮮見（王飛等，2015;鄧紹歡等，2016），而中量、微量元素在調(diào)控植物生長發(fā)育及其產(chǎn)量、品質(zhì)方面具有不可替代的作用，因而忽視對中量、微量礦質(zhì)元素的研究不利于集成品質(zhì)維持與提升的技術體系。上述分析表明，闡明典型人工林的土壤礦質(zhì)元素特征，對于科學管理土壤養(yǎng)分具有較強的理論和實踐意義，能夠為土地深度開發(fā)利用及土地整理耕地培肥提供依據(jù)?；诖?，本文以貴州喀斯特山區(qū)典型人工林為研究對象，采用環(huán)境礦物學的研究方法，探討土壤中量、微量等礦質(zhì)元素特征及其變化規(guī)律，揭示不同元素之間的相關性。通過上述科學問題的闡釋，可以了解養(yǎng)分元素積累特征與調(diào)控規(guī)律，以期為人工林的生態(tài)恢復管理提供基礎資料，建立科學培肥制度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于安順市關嶺縣花江鎮(zhèn)峽谷村與黔西南州貞豐縣北盤江鎮(zhèn)查耳巖村交界一帶（105°38′48.48″ E，25°39′35.64″ N），生境具有明顯的獨特性。主要表現(xiàn)如下：（1）干熱氣候，氣候類型主要為亞熱帶濕潤季風氣候，年均降雨量1 100 ?mm，季節(jié)分配不均勻，冬春旱及伏旱嚴重，年均溫為18.4 ℃，年均極端最高溫為32.4 ℃，年均極端最低溫為6.6 ℃，年總積溫達6 542.9 ℃，冬春溫暖干旱、夏秋濕熱，熱量資源豐富。（2）河谷地形，區(qū)域內(nèi)河谷深切，地下水深埋，海拔高度370～1 473 m，垂直高差約1 100 m，具有典型的河谷氣候特征。（3）石漠化發(fā)育，屬北盤江流域，森林覆蓋率不足30%，基巖裸露率在50%～80%之間，碳酸鹽巖類巖石占78.45%，土壤以石灰?guī)r為成土母質(zhì)的石灰土為主，地表破碎，多處于中度、重度石漠化等級。經(jīng)過“九五”至“十三五”期間的綜合治理，石漠化得到有效控制，生態(tài)環(huán)境得以明顯改善。

1.2 研究方法

選取桉樹（Eucalyptus robusta）林、柏木（Cupressus funebris）林、枇杷（Eriobotrya japonica）林、香椿（Toona sinensis）林、核桃（Juglans regia）林、欒樹（Koelreuteria paniculata）林6種典型人工林（基本概況見表1），每一人工林設置3個10 m×10 m的樣地，每一個樣地采用S形土壤樣品采集的方法挖取5個土壤剖面，采集0～20 cm的土壤（不足20 cm的以實際深度為準）。樣品充分混合后，按照四分法取出1 kg左右樣品，剔除石礫和動植物殘體，帶回實驗室用于元素分析。

土壤硼（B）、砷（As）、硒（Se）按照 《區(qū)域地球化學勘查規(guī)范》（DZ/T0167-2006）進行測定，硅（Si）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鈉（Na）、鋁（Al）、鐵（Fe）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鈦（Ti）、鎳（Ni）、鈷（Co）、鍶（Sr）、鉬（Mo）、氯（Cl）、硫（S）依據(jù)《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范（1：250000）》（DZ/T0258-2014）進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進行預處理、計算與整理，使用Origin 8.6 軟件作圖，用SPSS21.0軟件進行統(tǒng)計分析;采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗土壤礦質(zhì)元素指標在不同人工林之間的差異性;運用Pearson相關系數(shù)法檢驗土壤礦質(zhì)元素之間的相關性。顯著性水平均設定為P=0.05，極顯著性水平均設定為P=0.01。

2 結果與分析

2.1 金屬元素

2.1.1 重金屬元素 ?由圖1可知，不同人工林土壤的重金屬元素含量存在較大差異，同一元素在不同林分之間的變化幅度也存在較大區(qū)別。銅的含量為24.01～89.13 mg·kg-1 ，以核桃林土壤最低、枇杷林土壤最高;鋅為148.69～209.53 mg·kg-1 ，以香椿林土壤最低、桉樹林土壤最高;鉛的濃度以柏木林土壤最高（109.40 mg·kg-1 ）、枇杷林土壤最低（45.67 mg·kg-1 ）;鉻的含量變幅較窄，不同人工林土壤類型之間的差異顯著性較小;鎘的濃度為1.33～2.65 mg·kg-1 ，桉樹林土壤最低、欒樹林土壤最高;錳除桉樹林土壤和核桃林土壤外，其余人工林土壤之間均為顯著差異。

2.1.2 非重金屬元素 ?典型人工林土壤非重金屬元素（鈣、鎂、鋁、鐵、鈦、鎳、鈷、鍶、鉬）的含量見圖2。由圖2可知，同一元素在不同林地土壤之間表現(xiàn)出較大的差異。總體來看，鐵、鈦、鎂、鋁、鎳、鈷的變化規(guī)律較為一致，鈣、鍶的變化趨勢較為相似，結果表明礦質(zhì)元素在不同人工林土壤中有趨同的變化規(guī)律。

2.2 非金屬元素

本研究測定的非金屬元素與半金屬元素有鈉、硒、硼、砷、硅、氯、硫（本文將半金屬元素計入非金屬元素）。由圖3可知，砷、硒、硅在桉樹林、柏木林和枇杷林中的含量較高，硫、鈉、氯等元素的含量則相反;硼在枇杷林、核桃林和欒樹林中的含量更高。不同人工林的非金屬元素含量存在顯著差異，表征了不同林分的根系對養(yǎng)分的提取和富集能力。

2.3 元素的相關性分析

由表2可知，礦質(zhì)元素之間表現(xiàn)出一定程度的相關性，不同礦質(zhì)元素之間的相關關系各異。鐵與鉻、鉛、鈦、鋁呈現(xiàn)出極顯著正相關（P<0.01，下同），與鈣、鍶呈現(xiàn)出極顯著負相關;錳與鎘為極顯著正相關，與硫為顯著正相關（P<0.05，下同），且對鉬、砷、硒存在抑制效應;鈦與鋅為極顯著正相關，與鋁、鉻、鉛呈現(xiàn)出顯著正相關關系，與鍶、銅、硅為極顯著負相關，且相關系數(shù)均大于0.700;鈣與鋁、鎳、鈷、鉻均表現(xiàn)為負相關關系。其中，與鋁、鎳表現(xiàn)為極顯著負相關，與鈷、鉻表現(xiàn)為顯著負相關關系，同時與硼表現(xiàn)為顯著正相關關系，與鍶表現(xiàn)為極顯著正相關;鎂與鈣、硅表現(xiàn)為極顯著負相關關系，與鈉表現(xiàn)為極顯著正相關;鋁與鎳、鉻、鉛均表現(xiàn)為正相關關系。其中，與鍶、鉻表現(xiàn)為極顯著正相關，與鉛表現(xiàn)為極顯著正相關，且相關系數(shù)較大，為0.829。鉬對鍶、銅、硒均存在增強效應，且對銅的增強效應最大;鎳僅與鈷為極顯著正相關關系，與鍶、硼、氯均為顯著負相關關系;鈷與鉻為極顯著正相關關系，與鍶為顯著負相關關系;鍶對鉻、鉛存在抑制效應，對銅存在增強效應;銅與鉻表現(xiàn)出顯著負相關關系，與硅為極顯著正相關;鋅對鉛、砷均存在增強效應，且對砷增強效應較大;硒與硫達極顯著負相關;硅對氯表現(xiàn)為抑制效應。

3 討論

3.1 不同人工林土壤礦質(zhì)元素特征

土壤肥力是土壤基本屬性和本質(zhì)特征的綜合反映，能夠為植物生長提供必需的營養(yǎng)元素（Gilliam & Dick， 2010）。礦質(zhì)元素是土壤肥力的重要組成部分，植物需要從土壤中攝取礦質(zhì)元素并在體內(nèi)積累。礦質(zhì)元素是農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎（宋少華等，2016），其含量的變化還會影響植物的繁殖能力（Brun et al.， 2003），因而基于礦質(zhì)元素的土壤肥力研究有助于評價產(chǎn)品質(zhì)量形成的機理，合理指導可持續(xù)養(yǎng)分管理。喀斯特地區(qū)石漠化是重要的生態(tài)問題（Wang et al.， 2002），導致土層淺薄且不連續(xù)、成土速率慢、水土流失嚴重（宋同清，2015），開展土壤礦質(zhì)元素評價，能夠為水、土資源高效利用提供參考依據(jù)。由于本文的礦質(zhì)元素較多，因此選取與植物生長較為密切的幾個元素進行討論。

本研究中，植物生長所必需的礦質(zhì)元素鋅以桉樹林土壤含量最高（209.53 mg·kg-1 ）、香椿林土壤含量最低（148.69 mg·kg-1 ），表明桉樹根系對鋅的溶解與提取能力更強，這與桉樹林凋落物蓄積量高、分解迅速、保水保肥能力強、水分蒸騰量大等有關;而香椿雖然為落葉喬木，但凋落物蓄存量少、適應喀斯特石漠化地區(qū)石質(zhì)生境的能力強，這可能導致根系對元素的提取能力存在差異。從人工林的分布環(huán)境來看，桉樹林較香椿林具有更大的土層厚度（前者大于20 cm，后者主要利用裂隙土）和較低的巖石裸露率（分別為10%、25%），這亦會影響礦質(zhì)元素的空間分布，表明開展喀斯特地區(qū)人工林地土壤保持具有調(diào)蓄養(yǎng)分的功能。

硼是植物生長發(fā)育必需的微量營養(yǎng)元素，在花器官形成、增加花粉數(shù)量、促進授粉受精等方面都發(fā)揮著重要作用，能夠促進植物生長發(fā)育和品質(zhì)形成。在6種典型成熟人工林中，硼元素含量由大到小依次為枇杷林（58.68 mg.kg-1 ）、桉樹林（56.33 mg·kg-1 ）、核桃林（50.83 mg·kg-1 ）、欒樹林（49.75 mg·kg-1 ）、柏木林（34.52 mg·kg-1 ）、香椿林（31.68 mg·kg-1 ），不同人工林土壤之間表現(xiàn)出差異性。該區(qū)域內(nèi)枇杷品質(zhì)較佳，研究結果也表明其土壤微量元素含量更豐富，這也可以在一定程度上揭示枇杷品質(zhì)形成的機理;香椿雖然是該區(qū)域的適生喬木樹種，但根系的范圍小、須根數(shù)量少，根系活性可能相對較低， 主要以緩慢投入物質(zhì)積累的策略來適應喀斯特石漠化特殊生境。

鉬的營養(yǎng)作用突出表現(xiàn)在氮素代謝方面，是硝酸還原酶和固氮酶的成分，還參與根瘤菌的固氮作用，在促進繁殖器官的建成中發(fā)揮著特殊功能（陸景陵，2003）。不同人工林土壤的鉬元素含量除香椿林和欒樹林差異不顯著外，其他林分之間呈現(xiàn)顯著差異，以桉樹林最高、欒樹林最低。本文結果表明，桉樹林有更豐富的鉬元素資源參與氮素固定作用，對鉬元素的需求量也可能更大，原因是桉樹水分蒸騰速率高，導致養(yǎng)分周轉(zhuǎn)速率也較快;此外，桉樹林多分布在海拔1 200 m左右的區(qū)域，水熱條件好，氣態(tài)水資源較為充足，導致桉樹林生長旺盛，因而需要更多的養(yǎng)分維持生長和元素計量平衡。

氯是植物細胞胞質(zhì)和液泡中的主要礦質(zhì)陰離子，土壤中氯元素虧缺使生長受到限制，含量過高則對植物生長造成毒害作用，較多植物都有忌氯的特征。本研究中，土壤氯元素含量為欒樹林土壤最高（0.34 mg·kg-1 ）、香椿林土壤最低（0.15 mg·kg-1 ），氯元素含量大小可能與植物的抗性水平有關;同時，由于欒樹林下種植有花椒（Zanthoxylum planispimum var. dintanensis）、紅薯（Ipomoea batatas）、玉米（Zea mays）和蔬菜等農(nóng)作物，受到更多的農(nóng)藝措施干擾，尤其是尿素、氯化鉀肥的施用等，這也可能是影響氯元素含量的原因之一。

喀斯特生境具有高鈣的特征，土壤鈣元素以枇杷林（90.95 mg·kg-1 ）最高、桉樹林（7.06 mg·kg-1 ）最低。原因是枇杷是退耕還林樹種，桉樹是封山育林樹種，二者所處生境的脅迫程度各異，環(huán)境背景值不同;也與不同樹種對鈣的適應性和吸收、轉(zhuǎn)化能力存在差異有關。由于桉樹林是自然生長為主，枇杷林受人工施肥、翻耕、采摘等干擾較大，導致鈣含量呈現(xiàn)顯著差異，表明喀斯特地區(qū)雖然地質(zhì)環(huán)境富鈣，但并不代表土壤中鈣含量豐富，這對該區(qū)人工林養(yǎng)分管理提供了理論參考。由前述分析可見，黔中喀斯特山區(qū)人工林養(yǎng)分管理應做到定量、精準，這對林分健康經(jīng)營具有重要的實踐價值。

由于目前對土壤礦質(zhì)元素的研究集中在氮、磷、鉀等大量元素，中量、微量礦質(zhì)元素的研究報道相對較少，且缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量評價標準體系，因而難以評定各礦質(zhì)元素的數(shù)量豐缺狀況，也未將本研究區(qū)與其他區(qū)域的研究結果進行綜合比較。元素之間存在協(xié)同、拮抗等聯(lián)合作用方式，不同濃度的元素組合必將產(chǎn)生不同的效應（王煥校，2012），這也是未來土壤礦質(zhì)元素和植物營養(yǎng)研究中需要重點關注的科學問題。

3.2 礦質(zhì)元素之間的相關性

本研究結果表明典型人工林土壤礦質(zhì)元素之間表現(xiàn)出一定的相關關系，說明不同元素之間存在協(xié)同或權衡關系，通過綜合調(diào)控措施對植物發(fā)揮作用。鐵與鈣、鋁、鍶、鉻、鉛等元素的相關性較高，且多表現(xiàn)為促進效應，而錳與其他元素之間更多表現(xiàn)為抑制效應，說明元素之間的作用規(guī)律存在差異，這可能與土壤中鐵的豐度較高有關，鐵元素可以促進其他元素的釋放，表明了土壤中全鐵含量的重要性。鈣、鎂元素也與其他元素表現(xiàn)出較強的相關性，鈣與鐵、鋁、鎳、鈷、鍶、鉻、硼等表現(xiàn)出較高的相關性，鎂與銅、鈉、硅表現(xiàn)出顯著的相關關系，表明礦質(zhì)元素之間存在此消彼長的特征。其中，鈣與鐵、鍶、硅之間呈極顯著正相關關系，可能原因是硅酸鹽礦物風化導致其同步活化;鎂與銅、硅之間均表現(xiàn)出極顯著的負相關關系，表明喀斯特地區(qū)較高的鎂含量會抑制銅、硅等元素的活化。礦質(zhì)元素是植物生長所必需的元素，具有重要的生理、生態(tài)功能，但這些元素發(fā)揮生理作用的前提是處于相對平衡與穩(wěn)定狀態(tài)，下一步基于生態(tài)化學計量學研究元素平衡關系的維持具有重要價值（Jeyasingh et al.， 2009; Elser et al.， 2000），能夠為元素的營養(yǎng)功能調(diào)控提供理論和實踐依據(jù)。

4 結論

本研究結果表明不同人工林土壤礦質(zhì)元素含量存在較大差異，不同礦質(zhì)元素隨林分類型的變化規(guī)律不一致，表明植物根系對養(yǎng)分的提取和富集能力存在差別;元素之間表現(xiàn)出一定程度的相關性，存在此消彼長的關系，尤其以鐵、鈣等元素與其他元素的關系更為密切，說明土壤礦質(zhì)元素之間存在增強或抑制效應;礦質(zhì)元素之間的互作效應及其計量平衡關系是未來研究的科學問題之一。

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