蘇南丘陵區(qū)森林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)土壤質(zhì)量的評(píng)估和了解土壤質(zhì)量，我們可以找到土壤質(zhì)量的障礙。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法、指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),在研究中多數(shù)學(xué)者采用土壤理化指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的優(yōu)劣,而對(duì)土壤生物指標(biāo)、環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的應(yīng)用相對(duì)較少[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。為此,筆者從土壤肥力質(zhì)量、生物學(xué)質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量3個(gè)方面,對(duì)蘇南丘陵區(qū)不同林分的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),以期為正確認(rèn)識(shí)該地區(qū)的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀和森林土壤管理提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1帶一路帶風(fēng)區(qū)研究區(qū)位于江蘇省南京市東善橋林場(chǎng)銅山分場(chǎng)(118°50′～118°52′E,31°38′～31°39′N),地形以丘陵為主,海拔為38～388m,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫15.1℃,無(wú)霜期229d,年日照2199.5h,區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤(rùn),四季分明,雨熱資源比較豐富,生長(zhǎng)季長(zhǎng),年平均降水量1100mm,存在梅雨季和臺(tái)風(fēng)雨季兩個(gè)多雨期,為全國(guó)雨期最長(zhǎng)的地區(qū)之一。試驗(yàn)地林分以杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(PinusmassonianaLamb)、櫟林(Quercusacutissima)、毛竹(Phyllostachyspubescens)為主,林分狀況見(jiàn)表1。1.2土壤理化性質(zhì)測(cè)定在每種林分選擇3塊典型樣地,每塊樣地挖1個(gè)剖面分4層(0～10、10～20、20～30、30～40cm)取樣,以裸地為對(duì)照。取樣后立即帶至室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩,于冰箱內(nèi)4℃下保存。土壤全氮采用硒粉-硫酸銅-硫酸鉀消煮-蒸餾法測(cè)定;土壤全磷測(cè)定采用H2SO4-HClO4消煮,鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤有效磷采用浸提法測(cè)定;土壤速效鉀采用1mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定;土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定;土壤密度采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定;土壤銅、鋅、鉛、鉻、鎳全量測(cè)定采用HF-HClO4-HNO3消煮,用美國(guó)PE公司生產(chǎn)的電感耦合等離子發(fā)射光譜儀ICP-DV4300測(cè)試。土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;土壤脲酶采用苯酚鈉比色法測(cè)定;H2O2酶采用KMnO4滴定法測(cè)定;土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。2結(jié)果與分析2.1不同林分的土壤養(yǎng)分分布及各層土壤全氮、有效磷、慢速鉀、面臨著碳在土壤密度方面,馬尾松林土壤密度最大(1.43g/cm3),其次為櫟林(1.42g/cm3)、裸地(1.36g/cm3)、杉木林(1.31g/cm3)、毛竹林(1.22g/cm3),各樣地間的變幅不大。土壤呈酸性,櫟林、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的pH分別為4.43、4.79、4.49、4.50、4.49。方差分析結(jié)果顯示,同一林分不同土層間的差異不顯著,不同林分間表層土壤的pH差異顯著(p<0.05)。櫟樹(shù)、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的全氮分別為1.33、1.39、2.14、1.31、0.95g/kg。根據(jù)土壤肥力分類結(jié)果,研究區(qū)的土壤全氮含量在六級(jí)分類中均有分布,杉木林、毛竹林的不同土壤層次之間,全氮含量差異顯著(p<0.05),櫟林、馬尾松林不同土壤層次之間全氮的含量差異極顯著(p<0.01)。櫟樹(shù)、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的全磷分別為0.21、0.28、0.20、0.16、0.15g/kg,處于Ⅴ、Ⅵ兩級(jí)。各林分間的全磷含量無(wú)顯著差異,同一林分不同土層間也無(wú)顯著差異(p>0.05)。櫟樹(shù)、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的有效磷含量分別為0.99、1.48、1.77、1.28、0.70mg/kg,處于Ⅴ、Ⅵ兩級(jí),櫟林、杉木林各層土壤間顯著差異(p<0.05),其他林分不同土層間的差異不明顯(p>0.05)。櫟樹(shù)、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的速效鉀含量分別為54.66、62.26、76.67、63.11、93.36mg/kg,處于Ⅳ到Ⅵ級(jí)之間。櫟林、毛竹林不同土層間速效鉀含量差異顯著(p<0.05),馬尾松林的為極顯著差異(p<0.01)。櫟樹(shù)、毛竹、杉木、馬尾松林、裸地土壤的有機(jī)質(zhì)含量分別為7.77、15.44、13.28、14.98、8.35g/kg,處于Ⅳ到Ⅴ級(jí)之間。從土壤全磷、有效磷、速效鉀的含量可知,研究區(qū)土壤中的磷元素缺乏,供鉀水平中等。杉木、櫟樹(shù)、馬尾松、毛竹林地及裸地土壤蔗糖酶活性平均值分別為13.713、12.279、15.590、17.134、4.653mg/g,櫟林4個(gè)土壤層次間的差異顯著(p<0.05),杉木林、馬尾松林4層土壤間的差異極顯著(p<0.01);杉木、櫟樹(shù)、馬尾松、毛竹林地及裸地土壤磷酸酶活性平均值分別為133.25、216.59、377.98、302.84、140.72mg/kg,除毛竹林的4個(gè)土層間酶活性差異顯著(p<0.05),其他林分不同土層間差異不顯著(p>0.05);杉木、櫟樹(shù)、馬尾松、毛竹林地及裸地土壤脲酶活性平均值分別為0.264、0.189、0.449、0.281、0.244mg/g,在同一林分不同土層、不同林分同一土層間的差異并不明顯(p>0.05)。3種土壤酶活性在土壤剖面中的分布均呈現(xiàn)隨土壤深度增加而遞減的規(guī)律。2.2裸地土壤金屬元素活性對(duì)研究區(qū)不同林地土壤內(nèi)銅、鋅、鉛、鉻、鎳等5種重金屬的全量分析表明,4種林分及裸地的鉻、鎳元素的含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)水平,銅、鉛兩種元素的含量略高于一級(jí)水平,但遠(yuǎn)低于二級(jí)水平,除毛竹林土壤的鋅元素含量略高于一級(jí)水平外,其他3種林分及裸地土壤的含量均低于一級(jí)水平(圖2)。從重金屬元素的含量可知,研究區(qū)土壤的環(huán)境質(zhì)量屬于清潔狀態(tài)。由方差分析結(jié)果表明,5種重金屬元素的含量在各林分間的分布均呈極顯著差異(p<0.01)。相關(guān)分析結(jié)果表明,土壤磷酸酶活性與脲酶、蔗糖酶活性分別呈顯著和極顯著正相關(guān),3種酶的活性分別與總氮、有機(jī)質(zhì)、鉛呈顯著或極顯著正相關(guān);土壤蔗糖酶活性與有效磷、速效鉀分別呈顯著和極顯著正相關(guān);土壤脲酶活性與總磷、銅呈極顯著和顯著正相關(guān),與土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān);土壤磷酸酶活性與總磷呈顯著正相關(guān),與有效磷、銅呈極顯著正相關(guān)?？梢?jiàn),3種酶的活性與土壤肥力狀況和重金屬元素含量間均呈顯著或極顯著相關(guān),雖然每一種酶并不與所有的養(yǎng)分元素和重金屬元素呈顯著相關(guān),但是將3種酶綜合運(yùn)用,可以用來(lái)指示土壤的肥力和環(huán)境狀況(表2)。2.3土壤肥力指數(shù)的測(cè)度將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3個(gè)部分,其中土壤肥力指標(biāo)包括:土壤全氮、全磷、有效磷、速效鉀、pH、土壤密度、有機(jī)質(zhì)含量;土壤酶活性指標(biāo)包括:蔗糖酶、脲酶、磷酸酶;土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)包括:銅、鋅、鉛、鉻、鎳的全量。評(píng)價(jià)方法采用模糊綜合評(píng)價(jià)法。其中,pH、土壤密度采用拋物線形隸屬函數(shù),評(píng)價(jià)模型中pH轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值為4、7、8.5、9;土壤密度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值為0.9、1.1、1.8。重金屬采用降半梯形隸屬函數(shù),評(píng)價(jià)模型中各指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值見(jiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),銅、鋅、鉛、鉻、鎳的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(最大、最小值)分別為400、35;500、100;500、35;300、90;200、40。其他指標(biāo)采用S形隸屬度函數(shù),土壤全氮、全磷、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定方法見(jiàn)文獻(xiàn),最大、最小值分別為2.0、0.5;0.10、0.02;40、3;200、30;4.0、0.6,土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)采用所有土樣中同種酶的最大、最小值,分別為17.134、4.635;0.449、0.189;30.284、13.325。確定各單因素的權(quán)重是綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵,以往研究中多采用專家打分來(lái)確定。為避免人為主觀的影響,采用主成分分析法來(lái)計(jì)算公因子方差,進(jìn)一步計(jì)算各個(gè)公因子方差占公因子方差總和的比例,并將土壤生物學(xué)質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量、土壤肥力質(zhì)量各個(gè)因子的百分?jǐn)?shù)歸一化處理,將其作為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表3)。最后通過(guò)模糊復(fù)合運(yùn)算,確定土壤質(zhì)量的等級(jí)。運(yùn)算模型為B=A*R。式中,A為權(quán)重集;R為通過(guò)隸屬函數(shù)得到的隸屬度模糊關(guān)系矩陣。經(jīng)模糊綜合評(píng)價(jià)后,各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值劃分為0～1區(qū)間的評(píng)價(jià)指數(shù),以0.2為級(jí)差,將各項(xiàng)指標(biāo)值劃分為5個(gè)等級(jí):0.8～1為Ⅰ級(jí)(優(yōu));0.6～0.8為Ⅱ級(jí)(良);0.4～0.6為Ⅲ級(jí)(中);0.2～0.4為Ⅳ級(jí)(差);0～0.2為Ⅴ級(jí)(較差)。由土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果可知(圖3),土壤肥力評(píng)價(jià)指數(shù)變幅為0.2～0.4,從大到小依次為杉木、毛竹、馬尾松、對(duì)照、櫟林,其肥力質(zhì)量等級(jí)均為Ⅳ級(jí),質(zhì)量較差。主要表現(xiàn)在土壤全磷、有效磷含量太低,速效鉀的含量也偏低,影響著土壤磷、鉀元素的供應(yīng),造成土壤肥力偏低。由環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分析,各林地的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)均在0.9以上,從大到小依次為馬尾松、杉木、裸地、毛竹、櫟林。從重金屬元素的含量可知,只有極少數(shù)樣本的含量超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí),其他樣本均低于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的水平,說(shuō)明該地區(qū)未受重金屬污染,基本保持土壤背景值狀態(tài),土壤環(huán)境質(zhì)量極好。除對(duì)照區(qū)的土壤酶活性評(píng)價(jià)指數(shù)低于0.2外,其他樣地均保持在0.2～0.4,從大到小依次為馬尾松、毛竹、杉木、櫟林、對(duì)照。值得指出的是,雖然各林地0～10cm的土壤酶活性較高,但是其他3層土壤的酶活性較低,導(dǎo)致酶活性的總體水平不高。而土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均在0.4～0.6,從大到小依次為毛竹、杉木、馬尾松、櫟林、裸地。各樣地之間相差不大,表明該地區(qū)的土壤質(zhì)量總體處于中等水平。3材料上土壤重金屬含量分布特征結(jié)果由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,土壤肥力指標(biāo)在不同林分間及不同土壤層次間,呈現(xiàn)顯著或極顯著差異。除脲酶外,其他酶活性均隨土壤深度增加而下降,蔗糖酶在杉木、馬尾松、櫟林的不同土壤層次間差異顯著;磷酸酶除在毛竹林的土壤層次間分布差異顯著外,其他均不顯著;脲酶在各林分的土壤層次間分布差異均不顯著。研究區(qū)土壤樣本的重金屬含量均低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級(jí)水平,土壤環(huán)境質(zhì)量屬清潔,5種重金屬元素的含量在各林分間的分布均呈極顯著差異(p<0.01)。3種土壤酶活性與土壤的全氮、全磷、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、銅及鉛的含量均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān),將3種酶綜