甘草种植带来的生态效应（采用主成分分析法评估不同种植年限生甘草地土壤质量）

摘要：为阐明甘草种植及其年限的增加对沙地土壤的改良效应,本研究采用主成分分析法,以空间代替时间,对流动沙地(对照)、1、2、3和4年生甘草地土壤进行了质量评价结果表明:1)种植甘草后,土壤平均入渗率、总孔隙度、速效氮、速效磷、有机质、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶、脱氢酶和细菌比例均显著增加,土壤容重、真菌数量及其比例显著降低,其他指标无明显变化;2)随着甘草种植年限增加,土壤含水量、pH、速效氮、有机质、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、脱氢酶、细菌数量、放线菌数量及其比例总体呈显著增加趋势,速效钾和细菌比例显著降低,速效磷先增加后降低,平均入渗率、田间持水量、容重、总孔隙度、真菌比例均无显著变化甘草地土壤放线菌数量所占比例最大,细菌次之,真菌最低;3)细菌与放线菌极显著正相关,两者与脲酶、蔗糖酶、磷酸酶显著正相关;真菌与细菌、放线菌及5种酶间均负相关,且相关性普遍不显著;除多酚氧化酶外,其他酶之间显著正相关;4)3和4年生甘草地土壤质量较为接近,甘草地土壤质量随着种植年限的增加总体呈增加趋势基于主成分分析的综合评价结果表明,相较于流动沙地,3和4年生甘草地土壤质量已得到明显改善，接下来我们就来聊聊关于甘草种植带来的生态效应?以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!

甘草种植带来的生态效应

摘要：为阐明甘草种植及其年限的增加对沙地土壤的改良效应,本研究采用主成分分析法,以空间代替时间,对流动沙地(对照)、1、2、3和4年生甘草地土壤进行了质量评价。结果表明:1)种植甘草后,土壤平均入渗率、总孔隙度、速效氮、速效磷、有机质、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶、脱氢酶和细菌比例均显著增加,土壤容重、真菌数量及其比例显著降低,其他指标无明显变化;2)随着甘草种植年限增加,土壤含水量、pH、速效氮、有机质、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、脱氢酶、细菌数量、放线菌数量及其比例总体呈显著增加趋势,速效钾和细菌比例显著降低,速效磷先增加后降低,平均入渗率、田间持水量、容重、总孔隙度、真菌比例均无显著变化。甘草地土壤放线菌数量所占比例最大,细菌次之,真菌最低;3)细菌与放线菌极显著正相关,两者与脲酶、蔗糖酶、磷酸酶显著正相关;真菌与细菌、放线菌及5种酶间均负相关,且相关性普遍不显著;除多酚氧化酶外,其他酶之间显著正相关;4)3和4年生甘草地土壤质量较为接近,甘草地土壤质量随着种植年限的增加总体呈增加趋势。基于主成分分析的综合评价结果表明,相较于流动沙地,3和4年生甘草地土壤质量已得到明显改善。

关键词： 主成分分析 土壤和植被 土壤质量评价 甘草 种植年限 自然地理学

土壤和植被是陆地生态系统的重要组成部分,植物通过根系与土壤连成一个整体,与土壤进行着各种物质和能量交换而影响其理化和生物学性质,即影响着土壤质量[1]。土壤质量指的是一种特定类型的土壤在自然或有管理的生态系统边界内发挥作用的能力,以维持动植物的生产力,提高水和空气的质量,并保障人类的健康生活[2]。作为表征土壤条件动态变化最敏感的指标,土壤质量能反映土壤管理水平,对退化土地的恢复、区域土地资源管理和土地持续利用也具有重要意义[3]。国际上常用的土壤质量评价方法包括土壤质量卡片及监测系统[4]、土壤质量指数法[5]和模糊关联法[6]等。由于土壤质量评价目的和评价对象尺度不同,且评价工作复杂,易受外界因素干扰,国内外对土壤质量评价并没有建立统一标准[7]。

甘草为豆科甘草属多年生草本,在我国多分布于宁夏、甘肃、新疆和内蒙古等地区,作为我国传统中药材,具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳和缓急止疼等多种功效。前人已对甘草防风效应[8]、有效成分含量[9]、生长发育动态、生理生化特征[10]以及对干旱与盐胁迫的响应等[10,11]进行了大量研究。在甘草地土壤特性方面,李昂等[12]研究了种植甘草对土壤次生盐渍化的影响,潘惠霞等[13]研究了甘草根际土壤微生物的种类、数量和分布规律,吴振振等[14,15]研究了甘草对盐碱地土壤理化性质、酶活性及微生物功能多样性的影响,这些研究都集中于甘草对土壤某一特性的影响,而未对甘草地土壤质量进行总体评价。主成分分析法是一种经典的特征提取和降维方法,它将原来多个变量转化为少数几个不相关且包含的信息不重复的综合指标,即简化了原始高维变量,还最大限度地保留了原始数据信息[16],这一方法被许多学者用于土壤质量评价[17,18,19]。鉴于此,本研究采用主成分分析法对不同种植年限的甘草地进行土壤质量评价,以探明甘草种植对土壤的改良效应,为荒漠区沙土的植物改良措施提供参考。

1、材料与方法

1.1研究区概况

研究区地处杭锦旗独贵塔拉镇,位于库布齐沙漠北缘,地理坐标为108°31′34.40″E,40°36′58.77″N,海拔1022m。该区属于典型温带大陆性干旱气候,季节变化显著,冬季寒冷干燥,夏季温暖少雨。年均温9.4℃,极端最高气温38.1℃,极端最低温-30.5℃,年均日照时数3087.4h,≥10℃年积温均值为3198.3℃。多年平均降水量为186mm,降水集中于6-9月,占全年降水量的70%,年均蒸发量为降水量的16倍。无霜期约140d,年均风速3.2m·s-1。境内广泛分布流动沙丘,植被主要由沙柳、花棒、梭梭、柠条锦鸡儿和杨柴等人工沙生灌丛组成。

1.2研究方法

1.2.1样地设置与样品采集

于2018年9月在独贵塔拉镇阿木古龙选择1年生(2018年种植)、2年生(2017年种植)、3年生(2016年种植)和4年生(2015年种植)甘草地以及流动沙地(对照)作为样地,在每块样地中设置4个具有代表性的1m×1m的样方,测定样方内甘草的植被盖度、高度和地上生物量等指标。在各样方内取1份0～30cm土层土样装入自封袋带回实验室测定土壤化学和生物学特性,并在各样方内按0～10cm、10～20cm和20～30cm土层各取3个环刀样以测定土壤物理性质。

1.2.2测试方法

土壤容重、田间持水量、总孔隙度和平均入渗率均用环刀法测定,土壤含水量用烘干法测定,土壤pH值用电位法测定,电导率用电导法测定,有机质用重铬酸钾容量法测定,速效氮用碱解扩散法测定,速效磷用0.5mol·L-1NaHCO3法、速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[20]。细菌、真菌与放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基(牛肉膏5.0g、蛋白胨10.0g、氯化钠5.0g、琼脂20.0g,加水1000.0mL,调节pH在7.0～7.3之间)、马丁氏培养基(K2HPO41.0g,MgSO4·7H2O0.5g,蛋白胨5.0g,葡萄糖10.0g,琼脂15.0g,水1.0L,1.0L培养液加入1%孟加拉红水溶液0.33mL,临用时每1.0L培养基中加入1%链霉素液3.0mL)与高氏1号培养基(可溶性淀粉20.0g,KNO31.0g,K2HPO40.5g,MgSO4·7H2O0.5g,NaCl0.5g,FeSO4·7H2O0.01g,琼脂20.0g,水1.0L),并用平板表面涂抹法计数[21]。脱氢酶用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定,脲酶活性用苯酚钠次氯酸钠显色法测定,蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,多酚氧化酶用邻苯三酚比色法测定,磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定[22]。

1.2.3数据统计与分析

采用Excel2003进行数据统计和绘图,采用SPSS18.0进行单因素方差分析、LSD多重比较、双变量相关性分析、主成分分析和聚类分析。

在进行主成分分析时,由于各土壤指标的量纲和数量级不同,为排除其对结果的影响,需对原始数据进行标准化处理。标准化后的数据需进行KMO检验和Bartlett’s球状检验。KMO检验用于检查变量间的相关性和偏相关性,取值在0～1之间,KMO统计量在0.7以上时效果比较好,当KMO统计量在0.5以下时不适合应用主成分分析。Bartlett’s球状检验用于检验各变量是否各自独立,当检验结果显示Sig.<0.05(P<0.05)时,表明适合作主成分分析。主成分个数的提取原则是相对应特征值大于1的前m个主成分,且一般要求累计方差贡献率要达到85%。

2、结果与分析

2.1不同年龄甘草地土壤物理性质

由表1可知,不同年龄甘草地0～30cm土层土壤含水量差异显著,其大小顺序为3a生>4a生>2a生>1a生>CK,3a生甘草地土壤含水量显著大于其他年限甘草地,CK、1a生和2a生甘草地之间无显著差异。各年龄甘草地土壤平均入渗率无显著差异,但均显著高于CK;各年龄甘草地土壤容重无显著差异,但均显著低于CK。随着甘草种植年限的增加,土壤田间持水量无明显变化,其值在20.83%～23.45%之间。各年龄甘草地土壤总孔隙度无显著差异,但均显著高于CK。

表1不同种植年限甘草地土壤物理性质

2.2不同年龄甘草地土壤化学性质

由图1可知,本实验区土壤整体偏碱性,土壤pH7.67～8.69,流动沙地的土壤碱性大于各年龄甘草地;1a生和2a生甘草地土壤pH间无显著差异,3a生和4a生甘草地间亦无显著差异,且1a生和2a生甘草地土壤pH均显著小于3a生和4a生甘草地。各年龄甘草地、流动沙地间土壤电导率无显著差异。1a生甘草地速效钾含量显著大于其他样地,2a生甘草地速效钾含量显著大于3a生和4a生甘草地,各速效钾含量大小顺序为1a>2a>CK>4a>3a。随着甘草种植年限的增加,各样地速效氮含量总体呈现增加的趋势,CK速效氮含量最低,3a生甘草地含量最高。各年龄甘草地土壤速效磷含量显著高于流动沙地,2a生和3a生甘草地显著高于1a生和4a生甘草地。各样地土壤有机质含量大小顺序为4a>2a>3a>1a>CK,4a生甘草地显著大于其他甘草地,流动沙地显著小于各甘草地。

图1不同种植年限甘草地土壤化学性质

2.3不同年龄甘草地土壤生物学特性

由表2可知,4a生甘草地土壤脱氢酶活性显著高于1a、2a和3a生甘草地,1a、2a和3a生甘草地间的土壤脱氢酶活性较为接近,沙地显著低于各甘草地;各样地土壤脲酶活性的大小顺序为3a>4a>2a>1a>CK,3a生甘草地土壤脲酶活性约为流动沙地的9.6倍。各样地土壤蔗糖酶活性和磷酸酶活性总体上随着甘草年龄增加而明显增强,3a和4a生甘草地土壤蔗糖酶活性显著高于流动沙地、1a和2a生甘草地;除了1a和2a生甘草地土壤磷酸酶活性间无显著差异外其他均差异显著。流动沙地多酚氧化酶活性显著低于各甘草样地,而各甘草样地间无显著差异。

由图2可知,随着甘草种植年限的增加,各样地土壤细菌数量总体上呈增加趋势,其中3a生甘草地土壤细菌数量最多,3a和4a生甘草地土壤细菌数量显著多于其他样地。流动沙地土壤真菌数量显著多于各甘草样地,各甘草样地间土壤真菌数量无显著差异。3a和4a生甘草地土壤放线菌数量显著多于其他样地,其中3a生甘草地最多,1a、2a生和流动沙地间无显著差异。

在3大类微生物中,各样地土壤放线菌数量所占比例最大,为65.12%～83.26%;除流动沙地外,各甘草样地细菌数量所占比例次之,为19.13%～34.57%;除流动沙地外,各甘草样地真菌数量所占比例最低,为0.25%～1.25%。1a和2a生甘草地细菌数量所占百分比显著高于3a和4a生甘草地,而3a和4a生甘草地显著高于流动沙地。流动沙地真菌数量所占百分比显著高于各甘草样地,流动沙地为甘草地的11.4～57.1倍,各甘草样地间无显著差异。1a和2a生甘草地放线菌数量所占百分比显著低于3a、4a生甘草地和流动沙地,3a、4a生甘草地和流动沙地间无显著差异。

表2不同种植年限甘草地土壤酶活性

图2不同种植年限甘草地土壤微生物数量及比例

土壤微生物和酶具有较为密切的联系,两者是土壤生态系统代谢的重要动力,也是土壤质量评价的重要指标[23]。本研究中,细菌与放线菌具有极强的正相关性,两者与脲酶、蔗糖酶及磷酸酶呈显著正相关;值得注意的是,真菌与细菌、放线菌以及所有酶均呈负相关,且相关性普遍不显著。除多酚氧化酶外,其他酶间具有显著正相关关系。

2.4主成分分析

由表4可知,对本研究中的19个土壤指标进行主成分分析,共提取出特征根大于1的主成分4个,4个主成分的贡献率分别为57.594%、28.297%、7.303%和6.806%;第1主成分和第2主成分的方差贡献率较大,第3主成分和第4主成分的方差贡献率相对较小,其他主成分的方差贡献率接近0;4个主成分的累计贡献率为100.000%,表示这4个主成分涵盖了所有的原始数据信息。

表3土壤微生物与土壤酶活性间的相关性矩阵

表4主成分分析的特征根与方差贡献率

主成分分析中的因子载荷实际上是原始变量与主成分的相关系数,相关系数越大,表明该主成分越能代表该原始变量。由表5可知,主成分1与大部分土壤指标的相关系数均在0.7以上,其中,主成分1与总孔隙度、速效氮和有机质极显著正相关,与细菌显著正相关。主成分1主要包含了除pH值、速效K、田间持水量和电导率外的土壤信息。主成分2与放线菌、pH值、速效K、田间持水量和电导率相关性较好,其中,与pH值显著正相关。主成分3与脱氢酶的相关性较强,与其他土壤指标的相关性较低。主成分4与电导率相关性最好,与其他指标的相关性较差。

在主成分分析中,因子得分乘以相应特征根的算术平方根即为主成分得分,综合主成分得分是每个主成分得分与其对应贡献率的乘积的总和,各主成分的贡献率等于各主成分对应的特征根占所有特征根之和的比例。本研究中,各主成分得分与综合主成分得分见表6。由于主成分5～19的特征之和极小,导致提取出的4个主成分的贡献率与其方差贡献率极为接近;主成分1的贡献率最高(57.594%),主成分2次之(28.297%),主成分4最低(6.806%)。各样地主成分1得分中,4a生得分最高,3a生次之,CK最低;主成分2得分中,3a生得分最高,CK生次之,1a生最低;各样地主成分3得分的大小顺序为4a>CK>2a>1a>3a,各样地主成分4得分的大小顺序为2a>CK>3a>4a>1a。本研究中,各样地主成分综合得分的计算是基于19个土壤指标对各样地土壤质量的综合评价。计算结果表明,各样地土壤综合得分大小为4a>3a>2a>1a>CK,从数值上看,3a和4a生甘草地土壤质量明显好于其他样地,流动沙地土壤质量最差。

表5土壤指标与主成分的相关性

表6各主成分得分与排名

以主成分分析中提取出的4个主成分得分作为评价土壤综合质量的新指标,用欧氏距离衡量各样地土壤综合质量差异大小,采用组间联接法将各样地土壤按其综合质量的相似程度进行聚类分析。在欧氏距离为7处,可将各样地土壤综合质量划分为3类,第1类为3a和4a生甘草地,第2类为1a和2a生甘草地,第3类为流动沙地,归为同一类的样地土壤综合质量较为接近,这与各样地主成分综合得分排序较吻合。

图3不同种植年限甘草地土壤质量的聚类分析

3、讨论与结论

3.1甘草种植年限与土壤理化性质

植被与土壤的相互作用过程导致土壤结构和水分特征等理化性质产生变化,进而影响土壤水肥气热条件的协调[24];而这种相互作用时间的长短也决定着最终的影响程度。试验地田间土壤以沙土为主,盐分难以积累,这可能是土壤盐分含量随着甘草种植及年限的增加无明显变化的原因。土壤有机质含量受植物凋落物和死亡根系分解等因素影响,凋落物对土壤有机质的归还是增加有机质含量的重要途径,而土壤中有机质含量的高低往往影响到系统土壤质地和其他全量养分含量[25]。本研究认为,种植甘草后,由于土壤中根系分泌物、根产物、细粒物质和凋落物的积累[26],土壤速效氮、速效磷和有机质含量均显著增加。土壤有机质是土壤的重要组成部分,对土壤结构的形成、土壤保水功能的维持等具有重要的作用[27]。种植甘草后,土壤有机质增加导致土壤结构发生变化,主要表现在土壤总孔隙度显著增加,进而使土壤容重显著降低,平均入渗率显著增加,但田间持水量无显著变化,表明甘草地土壤保水性能与流沙地相比未发生根本性改善,其原因可能是土壤中黏粒含量仍然较低。土壤田间持水量、平均入渗率、容重和总孔隙度在1a、2a、3a和4a生甘草地间均无显著差异,表明相对于1a生甘草,2a、3a和4a生甘草对土壤物理性质的改善是缓慢的。随着甘草种植年限的增加,地表植被覆盖度的增加导致土壤蒸发减少可能是土壤含水量总体呈增加趋势的原因。

3.2甘草种植年限与土壤生物学性质

吴振振等[14]研究表明,种植甘草显著提高了土壤微生物代谢活性和土壤微生物群落功能多样性。由于资源在空间上的不均匀分布,土壤微生物在表土和植物根际附近出现富集效应[28];在时间尺度上,从流动沙地到4a生甘草地,土壤养分含量总体呈显著增加趋势,土壤细菌数量与放线菌数量总体也显著增加,两者均在3a生达到最大值。各年限甘草地土壤真菌数量显著小于流动沙地,其原因需进一步研究。荒漠、荒漠草原和典型草原中狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物均以细菌为主,其次是放线菌,真菌最少[29];而本研究发现,甘草地土壤放线菌数量所占比例最大,真菌最低。随着甘草种植年限的增加,3大类土壤微生物的总数量增加,而细菌所占比例显著减少,放线菌所占比例显著增多,表明放线菌数量的增加幅度大于细菌,这可能是由于放线菌菌丝体产生的孢子使其种群在严酷的环境中更具有生存优势[30]。真菌具有庞大的菌丝网络,能够从更大的土壤空间中吸取水分和养分,对土壤资源的依赖性较弱[31],因此真菌所占比例保持不变。

土壤酶主要来源于微生物和植物根系的活动,与微生物一起催化有机物的转化、养分矿质化及同质化,在一定程度上反应土壤生物活性的稳定性和灵敏性及土壤养分转化的动态情况[32]。随着种植年限的增加,有机物质逐渐积累,土壤水肥气热条件得到改善,促进了土壤中微生物的生长和繁殖,因而使土壤酶活性能维持较高水平[15,33]。本研究中,除蔗糖酶活性外,其他4种土壤酶活性在种植甘草后均显著增强;除多酚氧化酶活性外,其他4种土壤酶活性随着甘草种植年限增加总体上呈显著增强趋势。

3.3不同种植年限甘草地土壤质量评价

尽管当前土壤质量评价方法众多,统一的评价标准难以建立[4,5,6,7],尝试采用多种方法对具体案例进行比较分析仍然具有可操作性。例如,郑琦等[34]基于不同评价方法对绿洲棉田进行了土壤质量综合评价。本研究采用主成分分析法对不同种植年限的甘草地土壤进行了质量评价,结果表明,3a和4a生甘草地土壤质量较为接近,1a和2a生甘草地土壤质量较为接近,从流动沙地到4a生甘草地,土壤质量呈增加趋势。指标的选取及其权重的确定是土壤质量评价的两大关键环节。林卡等[35]将土壤质量评价指标体系分为土壤物理指标、土壤养分和常规化学指标、土壤生物指标和污染物指标4类,由于本项目地远离污染区,本研究中土壤质量指标体系未包含污染物指标。在确定指标权重时,层次分析法能够把握指标的重要性排序,但权重赋值结果的主观性偏强;主成分分析法得出的指标权重排序客观性强,但有可能悖于经验或常识[35]。由于权重的确定方法代表了不同的评价出发点,因此,在实际中应根据具体的数据和评价目的选择合适的模型,使评价结果更加科学合理[36]。

综上所述,种植甘草后,土壤养分状况、生物学特性和物理性质总体上得到显著改善,3a生甘草地土壤质量优于1a和2a生甘草地,且和4a生甘草地土壤质量较为接近。在实际生产中,甘草通常于第3年采挖,这一采挖时间不仅符合了经济效益的要求,还使得甘草能较好地发挥其治沙改土的功效。

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