石漠化演替过程中土壤肥力质量综合评价

钟 杰，蒋新革 ，吴立潮，曹福祥，谢练武

（1.中南林业科技大学 林学院， 湖南 长沙 410004； 2.广西国有三门江林场， 广西 柳州 545006）

石漠化演替过程中土壤肥力质量综合评价

钟 杰1，蒋新革2，吴立潮1，曹福祥1，谢练武1

（1.中南林业科技大学 林学院， 湖南 长沙 410004； 2.广西国有三门江林场， 广西 柳州 545006）

通过对湖南省中部地区不同石漠化程度的样地进行植被调查及土壤样品分析，并结合主成分分析方法，探讨了石漠化（RD）演替对土壤综合肥力的影响。结果表明：石漠化演替对土壤相关肥力指标有不同程度的影响，其中有机质（OM）和全氮（TN）变化规律为潜在石漠化（PRD）＞轻度石漠化（LRD）＞中度石漠化（MRD）＞重度石漠化（SRD），其它肥力指标变化与石漠化演替方向不完全一致；石漠化演替中土壤微生物量（C、N、P）变化幅度较大，分别为251.08～124.26、31.40～69.42、2.13～4.45 mg·kg-1；土壤综合肥力大小为PRD＞MRD＞LRD＞SRD；土壤OM、TN、全磷（TP）、阳离子交换量（CEC）、微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、微生物量磷（MBP）、容重（BD）与综合肥力关系密切，可作为石漠化土壤肥力评价的核心指标。土壤肥力退化与石漠化演替方向基本一致，但地区差异和人为干预也对石漠化土壤肥力产生巨大影响。

石漠化；土壤肥力质量；综合评价；湘中

石漠化是相对于沙漠化的另一种荒漠化形式。石漠化的形成与发展是以热带、亚热带地区岩溶的高度发育为背景，以人类强烈的不合理干扰为驱动，以植被严重退化、土壤严重侵蚀、土壤肥力急剧降低并出现类似荒漠化景观为表现形式[1]。世界范围内，岩溶面积约2 200万km2，占陆地面积的15%[2]，中国是世界上岩溶分布最广泛的国家，主要集中于以贵州为中心的西南八省，连片岩溶面积约54万km2，该地区人口数约1亿，其中少数民族人口数量约3 500万，是我国最大的边远贫困地区之一[3]。在这些贫苦地区，人们不合理的土地利用加之岩溶地区本身生态环境脆弱的特点，石漠化以极快的速度发展，已成为抑制我国西南经济发展的主要因子之一，也减缓了我国全面可持续发展的步伐。1994年和2003年，中国科学院先后2次向国务院提交关于推进西南喀斯特地区石漠化综合治理的若干建议[4-5]，石漠化治理已提升至国家目标高度。

土壤肥力作为土壤质量的基础，直接影响着土壤生产力。对石漠化土壤肥力的研究一方面能摸清当地土壤肥力状况，指导合理利用土地，另一方面还能探究土壤肥力随石漠化演替的变化特征，探索土壤肥力退化本质，从而为石漠化土壤改良和综合治理提供科学依据。目前，有关石漠化土壤质量的研究大多只关注土壤单个肥力指标的变异[6-8]，而对于石漠化演替中土壤综合肥力的变化特征研究极少。本研究以土壤各肥力指标随石漠化演替的变化为基础，运用主成分分析法计算了土壤综合肥力，并探讨了其随石漠化演替的变化规律及本质特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区位于湖南省中部，涉及隆回、新邵、邵东、涟源、新化5个县，介于N26°50′～28°2′、E110°45′～ 112°50′之间，该片区属于亚热带季风气候区，年均气温约17.2 ℃，年均降水量约1 411.4 mm，年均相对湿度80%，该地区冬冷夏热，四季分明，温差变化大。地貌类型多样，以岗地、低山、丘陵为主。样地均选在石灰岩地区，以碳酸盐为主，此类岩石容易淋溶风化，加速水土流失，促进石漠化发展。据统计[9]，截至2010年，湖南省石漠化土地面积达1.48万km2，占岩溶面积的27.22%，其中湘中石漠化面积约3 875.85 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择及样品采集

在研究区范围内，首先根据湖南省林业厅2011年制定的《湖南省石漠化监测实施细则》相关要求，以植被总盖度、基岩裸露率、土层厚度及植被类型4个指标进行石漠化等级划分，然后随机选择潜在石漠化（PRD）、轻度石漠化（LRD）、中度石漠化（MRD）和重度石漠化（SRD）样地各5个，共20个样地（见表1）。在每个样地内设置一个20 m×20 m的样方，在样方内按S形采集0～20 cm深度的土壤样品8～12个并混匀，用四分法取约1 kg土壤样品带回实验室风干、去杂、过筛，用于土壤化学指标和机械组成测定，同时取约200 g鲜样保存于4 ℃冰箱内用于测定微生物量（碳、氮、磷）；样方内挖掘土壤剖面并取表层土壤环刀样，用于测定土壤容重。采样时间为2011年10月。

表1 样地基本情况†Table 1 Basic information of plots

1.2.2 测定项目及方法

土壤机械组成(国际制标准)采用简易比重计法；容重（BD）采用环刀法；有机质（OM）采用重铬酸钾高温外热法；全氮(TN)采用凯式定氮法；全磷(TP)、全钾(TK)采用氢氧化钠熔融法；有效磷(AP)、有效钾(AK)采用 Mehlich 3 联合浸提法；阳离子交换量（CEC）采用EDTA—铵盐快速法；pH值采用酸度计法（水土比为2.5∶1）；微生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP)均采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法。

1.2.3 数据处理方法

数据处理采用SPSS17.0统计软件（方差分析、相关分析、主成分分析）。

2 结果与分析

2.1 石漠化演替过程土壤肥力指标变化特征

研究表明，石漠化演替对土壤肥力指标产生了不同程度的影响（见表2）。OM和TN含量随石漠化程度加剧而连续降低，且PRD与LRD、MRD、SRD之间有显著性差异，但LRD、MRD、SRD相互之间差异不明显；TP、AK、AP、MBC的变化规律为PRD＞MRD＞LRD＞SRD；PRD与SRD的TP含量有显著性差异；PRD与LRD、SRD及MRD与SRD之间AP含量有显著性差异，其它两两之间差异不显著；TK、CEC、PH、CLAY、MBN、MBP含量在不同等级之间无显著性差异，TK、CEC、PH、CLAY含量的变化范围分别为10.26～ 11.14 g·kg-1、21.19 ～ 25.25 cmol·kg-1、5.83% ～6.56%、39.98%～45.74%；MBN与MBP的变化范围较大，分别为31.40～69.42 mg·kg-1、2.13～4.45 mg·kg-1；BD的变化规律为MRD＞SRD＞LRD＞PRD，且PRD与MRD有显著性差异。

表2 石漠化演替对土壤肥力指标的影响†Table 2 Effects of succession of RD on soil fertility indicators

2.2 基于主成分分析的土壤肥力评价

当评价指标较多时，由于各指标之间常存在一定相关性，故最终所得统计数据反映的信息有一定重叠[10-12]。主成分分析就是采取降维的方式，找出几个互不相关的综合因子（原始变量的线性组合）并尽可能反映原始变量信息，从而达到简化变量的目的。主成分分析步骤如下[13]。

2.2.1 原始指标标准化及指标相关系数矩阵

文中的评价指标间存在量纲差异，故应对其进行标准处理以消除不同量纲带来的影响。标准化公式为：（式中：x′ik为标准化后的值；xik为原始指标值；为原始指标均值；Sk为原始指标标准差；i =1，2，…，n；k =1，2，…，p；n、p分别表示指标个数和样本个数）。

利用相关系数公式原理，计算各评价指标相关系数矩阵（见表3）。

表3 评价指标相关系数矩阵Table 3 Correlation matrix of evaluating indicators

2.2.2 求主成分特征值、特征向量及方差贡献率

经主成分分析得出主成分特征值、特征向量及方差贡献率（见表4）。主成分选择原则：一是特征值大于1，当特征值小于1时，认为该主成分信息表达效果不如单个评价指标；二是统计学原理，当主成分累积方差贡献率大于85%时，则可较好反映样本的整体信息[14]。由表4可以看出，特征值大于1的只有前4个主成分（PC1、PC2、PC3、PC4），其方差贡献率分别为40.038%、19.935%、11.551%、8.053%，累积贡献率为79.576%＜85%，但综合考虑特征值大于1的条件，可认为这4个主成分已基本能反映样本总体的信息[15]。

2.2.3 计算各主成分得分及肥力综合得分

各主成分得分公式[16]：为主成分得分，A表示特征向量，Z表示评价指标标准化值，i=1，2，…，n，k=1，2，…，m，n、m分别表示主成分个数和评价指标个数)。将特征向量和指标标准化值代入公式中即可得到各主成分得分。

表4 主成分分析Table 4 Analysis of principle components

综合肥力值计算公式[17]：表示主成分对应的方差贡献率，PC表示主成分得分，i=1,2,…,n，n表示主成分个数）。

20个样地综合肥力得分（F）见图1。属于PRD的1、3号样地，土壤肥力水平明显高于其它样地；属于SRD的17、18、19号样地土壤肥力水平均低于其它样地；属于LRD的6～10号样地与MRD的11～15号样地差别不明显，但7、11号样地土壤肥力综合得分高于2、4号样地，5号样地得分低于6～15（除10）号样地。样地间土壤肥力得分波动较明显，为便于观察，对1～20号样地按照表1的分组进行平均值比较（见图2）。由图2可以看出土壤肥力由高到低的排序为PRD＞MRD＞LRD＞SRD。PRD与SRD土壤肥力差异显著（p=0.009＜0.01），LRD与MRD间差异不明显（p=0.667＞0.05），PRD与LRD、MRD间有一定差异，但没有达到显著性水平（p=0.081、0.174＞0.05），LRD、MRD与SRD间均有一定差异（p=0.278、0.138＞0.05）。由图2可以看出各石漠化等级土壤综合肥力得分变异程度不同，由PRD到DRD的变异系数分别为159%、387%、658%、89%。

图1 土壤综合肥力得分Fig. 1 Soil comprehensive fertility scores

图2 土壤综合肥力得分均值Fig. 2 Average scores of soil comprehensive fertility

2.3 综合肥力得分与评价指标相关性分析

土壤肥力评价指标的选择往往是根据前人的研究成果和经验。然而，不同地区间的气候、成土条件、人为干预程度等因素存在差异，尤其石漠化地区有其独特的喀斯特生态环境，故评价指标适用性应进一步研究。本研究对土壤综合肥力得分与评价指标的相关性进行了分析（见表5）。结果显示石漠化土壤综合肥力与OM、TN、TP、CEC、MBC、MBP及BD有极显著相关性（p＜0.01），与MBN有显著相关性（p＜0.05），与pH值、TK、AK、AP和CLAY相关性不显著（p＞0.05）。

表5 综合得分与评价指标的相关性分析†Table 5 Correlation analysis of comprehensive fertility scores and evaluating indicators

3 讨 论

3.1 石漠化演替对土壤肥力的影响

土壤肥力是土壤质量的基础，它直接反映土壤生产力[18]。石漠化的演替既有人为因素也受灾害性气候影响[19-20]，伴随着植被群落由乔木—乔灌—灌木—灌草—草丛的退化，群落结构单一化，生物量减少，导致凋落物减少，以凋落物为主要来源的土壤有机质、全氮等养分含量减少；土壤pH值的变化及土壤粘质化使土壤环境恶化，土壤友善型微生物数量减少，活性减弱，减缓了其对凋落物的分解速率，降低了对C、N、P的固定效能；石漠化演替使土壤板结，土壤容重增大，透水性变差，表层土壤储水能力减弱，地表径流加强，土壤中P、K等养分大量流失。以上多重作用最终导致土壤综合肥力总体上随石漠化演替不断降低。

3.2 不同石漠化等级土壤肥力差异性

不同样地土壤肥力波动明显，出现中度石漠化＞轻度石漠化的情况；将20个样地按综合肥力得分情况分成4个等级，与表1中的分级比较，有12个样地前后等级不一致，变化率达60%。出现以上情况可能的原因：①石漠化等级划分不完善。植被盖度、基岩裸露率、土层厚度及植被类型不能完全反映土壤真实肥力状况。某些中度石漠化、重度石漠化地区，虽然其植被盖度、基岩裸露等指标比轻度石漠化地区差，但由于长期雨水冲刷，表层肥沃土壤被冲至低洼石缝并堆积，则可能出现其土壤肥力高于轻度石漠化土壤肥力的情况。②地区差异导致土壤肥力差异。不同地区的成土条件、气候特征、人为干预方式及程度存在差异，则可能出现A地区中度石漠化土壤肥力高于B地区轻度石漠化土壤肥力的情况。土壤综合肥力变异系数（中度石漠化＞轻度石漠化＞潜在石漠化＞重度石漠化）也在一定程度上反映人为干预对石漠化土壤肥力的巨大影响。实际调查发现，林分较好的潜在石漠化地区往往被保护起来，通过封山育林措施减少人为干扰与破坏；重度石漠化地区，由于其土壤肥力退化严重，已不适宜生产活动，多数被放弃使用成为撂荒地；只有轻度与中度石漠化既没有被严格保护起来，且尚存一定肥力，可用于一些人工用材林或经济林的栽培，人为干预程度最大。③土壤环境的自我调节作用。当土壤肥力逐渐退化，在某一阶段（中度石漠化），土壤动物、微生物等开始加强如凋落物分解和养分固定等活动以适应不断恶化的环境，所以出现了中度石漠化土壤肥力高于轻度石漠化的情况。根据图2可初步判断：石漠化治理的有效时期应该是从发生到中度石漠化阶段，一旦演化成重度石漠化，肥力极低，将极难恢复。

3.3 石漠化土壤肥力退化敏感指标

评价指标的选择关系到评价结果的准确性。评价指标最小数据库[21]的应用，既能确保评价的科学可靠性，又最大限度缩减了评价指标个数，降低了成本。有机质是土壤中多种养分的来源，影响着土壤团聚体的数量和质量及土壤质地，N、P是土壤中十分重要的大量营养元素，阳离子交换量反映了土壤保肥能力；物理指标土壤容重直接反映土壤疏松程度及通透性；微生物指标MBC、MBN、MBP虽然含量极少，分别占总有机碳、全氮、全磷的0.88%、2.29%、0.74%，但它们反映了土壤微生物的数量、活性及土壤环境的好坏。除微生物量氮与土壤综合肥力相关系数为0.551（p＜0.05）外，另外有6项指标与综合肥力均为极显著相关（p＜0.01），故可推断，以上4种化学指标、3种微生物指标和物理指标土壤容重对土壤综合肥力变化反应敏感，可入选石漠化土壤综合肥力评价指标最小数据库。再有表1中该8项指标的变化特征与图2中土壤综合肥力的变化特征基本一致，进一步说明这8项指标对土壤综合肥力变化反应敏感，可作为核心评价指标。

4 结 论

（1）土壤肥力退化与石漠化由弱到强的演替方向基本一致，石漠化演替对土壤各肥力指标有不同程度的影响。不同地区石漠化发展存在明显差异(与周国富[22]的结论一致)，这种差异影响着各土壤肥力指标变化和土壤综合肥力的变化。故石漠化土壤肥力相关研究应该尽量在一个较小的区域进行，以避免母岩、地形地貌、环境条件及人为干扰等差异带来的影响。

（2）土壤化学指标有机质、全氮、全磷、阳离子交换量，微生物指标MBC、MBN、MBP及物理指标土壤容重与土壤综合肥力联系极为紧密，可作为石漠化土壤肥力评价的核心指标。石漠化土壤退化预警和石漠化土壤改良工作中也可以将这些指标作为重要参考依据。

（3）仅由地表景观指标（植被盖度、基岩裸露、植被类型）和土层厚度进行石漠化等级划分存在缺陷。进行石漠化等级划分，要区分地域，既要考虑地表景观指标（定性或粗略测定），又要重视土地生产力（土壤肥力）的变化及其原因（与李阳兵等[23]的结论一致）。

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Comprehensive evaluation on soil fertility quality in process of rocky desertif i cation

ZHONG Jie1, JIANG Xin-ge2, WU Li-chao1, CAO Fu-xiang1, XIE Lian-wu1
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Sanmenjiang Stateowned Forest Farm of Guangxi, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

By investigating the stands and analyzing the soil samples that with different rocky desertif i cation (RD) degree in the midland of Hunan province, combining with the principal component analysis method, the effects of the succession of RD on soil comprehensive fertility. The results show that the succession of RD had different impacts on soil fertility indicators, the changing regulation of organic matter and total nitrogen content in different RD areas was: Potential RD(PRD)＞ Light RD(LRD)＞ Moderate RD(MRD)＞ Severe RD(SRD), the other fertility indicators’ changing regulations were not totally consistent with the succession of RD; In the process of RD,the microbial biomass in the soil(C,N and P fertilizer) ranged from 251.08 to 124.26（mg·kg-1）, 31.40 to 69.42（mg·kg-1）, 2.13 to 4.45（mg·kg-1）, respectively; The sequencing of soil comprehensive fertility in different RD soils was: PRD＞MRD＞LRD＞SRD; The OM, TN, total phosphorus (TP), cation exchange capacity (CEC), microbial biomass (C, N, P) and bulk density (BD) closely related to comprehensive fertility, so they could be used as the key evaluating indicators of the soil fertility. The soil fertility degradation trend was basically consistent with the succession of RD, but regional differences and human intervention could have a huge impact on soil fertility of RD.

rocky desertif i cation; soil fertility quality; comprehension evaluation; middle area of Hunan province

S714.8

A

1673-923X(2013)07-0056-06

2013-01-19

国家林业公益性行业科研专项重大项目(201104016)

钟 杰（1987-），男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治研究；E-mail：zj15802549172@163.com

吴立潮（1963-），男，湖北广水人，教授，博士，博士研究生导师，主要从事森林土壤、林木营养与施肥、水土保持与荒漠化防治等方面的研究；E-mail：wulichao@csuft.edu.cn

[本文编校：谢荣秀]