广西喀斯特地区不同植被恢复模式土壤质量综合评价

庞世龙，欧芷阳，申文辉，侯远瑞，黄小荣，郑 威

（广西林业科学研究院，广西 南宁 530002）

广西喀斯特地区不同植被恢复模式土壤质量综合评价

庞世龙，欧芷阳，申文辉，侯远瑞，黄小荣，郑 威

（广西林业科学研究院，广西 南宁 530002）

以广西平果县喀斯特山地银合欢Leucaena leucocephala林、柚木Tectona grandis林、香樟Cinnamomum camphora林、顶果木Acrocarpus fraxinifolius林及弃耕地植被自然恢复（对照）等5种植被恢复模式的土壤为研究对象，分析其土壤理化性质变异特征；综合敏感性分析、主成分分析和相关性分析，确定了研究区土壤质量评价指标的最小数据集，对不同植被恢复模式的土壤质量进行了综合评价。结果表明:研究区土壤质量评价指标最小数据集由土壤自然含水率、田间持水量、非毛管孔隙度、有机质、全磷、全钾、碱解氮和速效磷等8个指标组成。速效磷是研究区土壤质量评价的高度敏感指标，也是影响土壤质量的主要限制因子。土壤质量综合评价指数由高至低依次为：香樟（0.355）＞顶果木（0.345）＞柚木（0.304）＞银合欢（0.299）＞对照（0.290），表明不同植被对维护和改善其土壤质量的能力存在差异，乡土树种香樟、顶果木优于外来树种柚木和银合欢。因此，在喀斯特地区植被恢复与重建时，应遵循植被分布规律，选择乡土种树，以促进植被自然顺向演替。总体而言，研究区土壤质量贫瘠，土地退化严重。

喀斯特；植被恢复；土壤理化性质；综合评价；主成分分析；最小数据集；广西

喀斯特地貌是水对可溶性岩石溶蚀后形成的地表和地下形态的总称，是自然环境中一个独特的地理景观。喀斯特山地的土壤和植被对外界反应敏感，易遭破坏、极难恢复，属典型的生态脆弱区。广西是世界喀斯特地貌发育最典型、分布面积最广的地区之一，喀斯特土地面积达833.4万hm2，占广西土地总面积的35.2%，其中石漠化土地面积192.6万hm2、潜在石漠化土地面积229.4万hm2，石漠化已成为广西喀斯特地区灾害和贫困之源[1]。

植被恢复是石漠化治理的关键环节，也是提高土壤质量的有效途径，已成为当今退化生态系统恢复与重建的研究热点。近20年来，在我国西南喀斯特地区先后启动了长江与珠江防护林建设、天然林保护、退耕还林、石漠化治理试点及生态公益林补偿等一系列生态建设工程，有效遏制了石漠化的扩展趋势，生态环境逐渐好转，但局部地区仍在恶化，防治形势仍然严峻[2]。与此同时，国内众多学者在喀斯特地区开展了许多卓有成效的研究，主要集中于喀斯特植被、水文、土壤、景观、石漠化成因、过程、恢复技术及治理模式等方面[3-10]。然而，针对喀斯特地区植被恢复过程中土壤的演变及综合评价相对缺乏。本研究以广西平果县喀斯特山地不同植被恢复模式下的土壤为研究对象，分析了不同植被恢复模式的土壤理化变异特征，确定了研究区土壤质量评价指标的最小数据集，并对其土壤质量进行综合评价，以期为喀斯特地区植被的恢复与重建提供理论依据。

1 研究区概况

试验地位于广西平果县太平镇巴乐村琅内屯，地理坐标 23°31′N，107°32′E，海拔 310 ～ 450 m，属南亚热带季风气候，年平均气温21.5 ℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-1.3 ℃，年日照时数1 619.4 h，≥10 ℃年积温7 731.1℃，无霜期345 d以上，年平均降水量为1 356 mm，降雨多集中在6～9月，约占全年降雨量的70%，年平均相对湿度80%。土壤以棕色或黑色石灰土为主，多分布于石隙和石窝中，土层厚20～60 cm。试验地是坡耕地，试验前种植玉米，2007年初结合退耕还林，人工栽植银合欢Leucaena leucocephala、柚木Tectona grandis、香樟Cinnamomum camphora和顶果木Acrocarpus fraxinifolius，以弃耕地植被自然恢复为对照进行植被恢复试验。共5个处理，各处理0.4 hm2，3次重复。造林后前3年，每年穴状除草、松土、追肥2次，对照则禁止一切干扰活动，全面封育。

2 研究方法

2.1 样地调查与土壤样品采集

调查采样于2014年9月进行。在每种植被恢复模式中分别设置3个20 m×20 m的样地，调查立地环境与林分因子，然后在每个样地内，选择有代表性的地点，挖掘土壤剖面，用环刀（体积100 cm3）采集表层原状土（0～20 cm），重复3次；用内径5 cm的不锈钢土钻随机选择8个点，钻取0～20 cm土壤混合样，带回实验室自然风干，剔除土样中的根茎和石砾等杂物，研磨过2 mm筛保存。不同植被恢复模式样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Profiles of sampled plots

2.2 土壤样品测定方法

土壤物理、化学性质测定方法参照《森林土壤分析方法国家标准》（GB7830-87～GB7857-87）[11]，其中土壤含水量采用烘干法；容重、持水量及孔隙度采用环刀法；pH值采用电位法；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮采用半微量开氏法；碱解氮采用碱解-扩散法；全磷采用碱熔-钼锑抗比色法；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法；全钾采用碱熔-火焰光度法；速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法。

2.3 土壤质量综合评价方法

在进行土壤质量综合评价时，采用土壤参数最小数据集[12]，其数理统计方法以主成分分析应用最为广泛[13-17]。主成分分析简化了数据结构，同时也意味着土壤信息在一定程度上的丢失，通过计算变量的Norm值可解决此缺陷。Norm值的计算公式如下：

式（1）中：Nik为第i个变量在特征值＞1的前k个主成分上的综合载荷；Uik为第i个变量在第k个主成分上的载荷，λk为第k个主成分的特征值[13]。

采用土壤肥力质量综合指数（Integrated Fertility Index, IFI）定量评价喀斯特地区不同植被恢复模式的土壤质量状况，其值越高，表明土壤肥力质量越好。IFI公式如下：

式（2）中：Wi为第i个土壤质量指标的权重值，F（Xi）为第i个土壤质量指标的隶属度值，n为质量指标的个数。

各指标的隶属度值采用模糊隶属度函数计算，根据各指标与土壤质量变异的正负相关性，确定隶属度函数分布的升降性[14]。

升型分布函数公式：

降型分布函数公式：

式（3）和（4）中：Xij为各指标的平均值，Ximax和Ximin分别为第i项指标的最大值和最小值。

2.4 数据处理与分析

使用Excel 2007和SPSS 21.0软件进行数据处理和分析，试验数据采用单因素方差分析、Duncan检验、Pearson相关性分析和主成分分析等统计分析法。

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复模式土壤理化性质的变异特征

土壤理化测定结果（见表2、表3）显示，不同植被恢复模式土壤理化性质各指标间均表现出明显的变异性，表明不同植被恢复模式对研究区土壤理化性质变化产生了深刻的影响。由表2可知，土壤物理性质各项指标间存在显著差异（P＜0.05），其中香樟林的土壤自然含水率、最大持水量、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度较对照分别提高了19.72 %、17.41%、19.91 %、34.46 %、84.35 %、7.94 %、13.01 %，而土壤容重下降了12.14 %，这可能是因为香樟根系发达、密度大，根系在土壤中交错穿插，极大地疏松和改善了土壤结构；另外，香樟凋落量大，腐殖层积累较厚，促使土壤生物及微生物的数量和种类增加，活力增强，促进了土壤微结构的改善。

表2 不同植被恢复模式土壤物理性质指标的统计特征值Table 2 Soil physical indexes of different regeneration patterns

表3 不同植被恢复模式土壤化学性质指标的统计特征值Table 3 Soil chemical characteristics of different regeneration patterns

土壤物理和化学性质密切相关，互有影响。表3显示，不同植被恢复模式土壤pH值、全磷、全钾、速效磷和速效钾间存在显著差异（P＜0.05）。与对照相比，4种植被土壤pH值显著下降，由弱碱性向中性变化，这是因为随着植被的恢复，凋落物逐渐增多，分解产生了大量的有机酸，与土壤中的碱性物质引发中和反应，pH值逐渐降低；而土壤养分含量呈上升趋势，尤其是香樟土壤的有机质、全氮、碱解碱、速效磷和速效钾含量最高，这是因为香樟属乡土阔叶树种，生物量大，凋落物丰富且叶片表面富含油脂，加之茂密的树冠和发达的根系都有效的缓冲了雨水径流对表层土壤的冲刷，减少了土壤养分的淋溶，养分得以富集。对照全氮、速效磷和速效钾的含量较顶果木高，全钾的含量较香樟高，这一方面与弃耕前长期种植玉米，施入大量有机肥有关，另一方面也可能受到了成土母质类型的影响。

3.2 不同植被恢复模式土壤质量综合评价

3.2.1 土壤质量指标最小数据集的确定

本研究选取了16个土壤理化参数作为最小数据集的候选参数集，测定结果详见表4。土壤质量各指标均服从正态分布（K-S检验P＜0.05），速效磷的变异系数（160.76）最大，说明速效磷对土壤质量的变异非常敏感，是研究区土壤质量评价的高度敏感指标（表5）。

对16个候选参数进行主成分分析，结果如表6显示。前4个主成分的特征值≥1，它们的累积贡献率达90.22 %，满足信息提取要求。将因子载荷≥0.5的参数划分为1组，若某参数在2个主成分中的载荷均≥0.5，该参数则划归到其他参数相关性较低的一组［13］。依此分组原则，土壤自然含水率、容重、最大持水量、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度划分为组1；非毛管孔隙度、总孔隙度、pH值、有机质和全氮划分为组2；全磷为组3；全钾、碱解氮、速效磷和速效钾为组4。

表4 土壤质量指标的描述性统计量Table4 Statistic parameters of soil attributes

表5 基于变异系数的土壤质量指标敏感度分级Table 5 Sensitivity classification based on coefficient of variance

分析每组参数间的相关性，若相关系数r≥0.5，则选取Norm值最大的进入最小数据集；若r＜0.5，则全部进入最小数据集［16］，结果见表7。第1组，自然含水率与土壤容重、最大持水量、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度5个参数之间的相关系数较低（r＜0.5），而同组间其他参数的相关系数均较高（r≥0.5），存在着极显著的相关性（P＜0.01），表明参数间信息重叠较多，综合敏感性分析、相关性分析及Norm值的大小，将土壤容重、最大持水量、毛管持水量和毛管孔隙度4个参数剔除，自然含水率和田间持水量进入最小数据集。第2组，由于总孔隙度和pH值为不敏感指标，对土壤质量变异影响较小，将它们从候选参数集中剔除。全氮与有机质间存在极显著的相关性（r＝0.994,P＜0.01），因有机质的Norm值较大，且对土壤质量变化更敏感，因此将全氮剔除。非毛孔隙度与有机质的相关系数仅0.270（r＜0.5），故进入最小数据集。第3组，仅有全磷1个参数，直接进入最小数据集。第4组，速效钾与速效磷之间存在极显著的相关性（r＝0.565，P＜0.01），因速效磷属高度敏感指标，对土壤质量变化高度敏感，所以剔除速效钾。全钾、碱解氮和速效磷3者之间的相关性较低（r＜0.5），全部进入最小数据集。

表6 土壤质量指标的主成分分析、Norm值及权重Table6 Component matrix, common factor, norm values and weights in PCA

表7 土壤质量指标间的Pearson相关分析Table7 Correlation analysis of soil attributes

最终进入最小数据集的土壤参数有：自然含水率、田间持水量、非毛管孔隙度、有机质、全磷、全钾、碱解氮和速效磷等8个参数。

3.2.2 土壤质量指标的权重

受地形、地貌、海拔、气候及土地利用方式等因素的影响，各指标对土壤质量变异所起作用的大小各不相同。为避免人为主观干扰，充分利用试验数据所包含的信息，采用主成分分析法，以各主成分的方差贡献率为权重，对各指标在主成分线性组合中的系数（即各主成分因子载荷系数除以相应的特征值的平方根）进行加权平均求得公共因子（Factor）向量，归一化处理后即得各指标的权重值，结果见表6。田间持水量和自然含水率在评价指标体系中的权重较大，表明水分是喀斯特地区植被恢复与重建的关键性限制因子。

3.2.3 土壤质量指标的隶属度

本研究中进入最小数据集的8个土壤参数与土壤质量变异均呈正相关，故采用升型分布函数计算各土壤指标的隶属度值，结果如表8所示。在总体样本中，速效磷的隶属度均值最小，表明研究区土壤速效磷的含量不高，速效磷是该地区土壤肥力质量的主要限制因子之一。

表8 土壤质量指标的隶属度值Table 8 Membership values of soil indexes

3.2.4 土壤质量综合评价

土壤质量是土壤各属性综合作用的结果。本研究采用最小数据集和土壤肥力质量综合指数进行综合评价，统计结果显示，研究区土壤质量综合指数变幅为0.290～0.355，平均值0.319，标准差0.029，变异系数9.20%，反映了在不同植被恢复模式下土壤质量演化的方向与程度。土壤质量综合指数由高至低依次为：香樟（0.355）＞顶果木（0.345）＞柚木（0.304）＞银合欢（0.299）＞对照（0.290），其中以香樟对土壤的改良效果最佳。究其原因，香樟树是乡土阔叶树种，适应性强，生物量大，凋落物丰富，腐殖层积累较厚，土壤生物及微生物活跃，这些都极大地促进了土壤质量的改良。土壤质量综合指数取值0～1.0区间，以0.2为级差，将土壤质量综合指数划分5个等级：0.8～1.0为Ⅰ级（肥沃）；0.6～0.8为Ⅱ级（较肥沃）；0.4～0.6为Ⅲ级（中等）；0.2～0.4为Ⅳ级（贫瘠）；0～0.2为Ⅴ级（极贫瘠）［18］。研究区土壤质量综合指数介于0.290～0.355，属Ⅳ级水平，表明喀斯特地区土壤质量贫瘠，土地退化严重。

4 结论与讨论

土壤与植被互为环境因子，土壤影响植被的演替，又随植被的演替而改变。与对照相比，4种人工植被通过根系在土壤中交错穿插，能使板结密实的土体裂碎，形成裂隙，以及根系死亡腐解后形成的空隙，增加了土壤的孔隙数量，降低了土壤容重。另外，凋落物和死亡根系腐解、转化合成有机质，促进了土壤水稳性团粒结构的形成，改善土壤结构，增加土壤孔隙数量，进而增强土壤的蓄水和持水性能。本研究分析结果显示，不同植被恢复模式对土壤物理性质的影响存在一定差异，单一树种模式不利于土壤质量的维护与改善，后期可通过林分改造，增加物种多样性，形成异龄、复层近自然植物群落。

土壤化学性质是土壤质量最为重要的表征指标，它反映了土壤对植物供给养分的潜在能力。与对照相比，4种人工植被的土壤pH值显著下降，由弱碱性向中性变化，植被长势越好的林分，土壤pH值越小[19]，说明植被恢复后能在一定程度上降低土壤pH值，而土壤pH值的降低意味着土壤肥力的提高，这有利于植被恢复[20]。土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾含量差异显著，而土壤有机质、全氮和碱解氮含量差异不显著，这可能与退耕前长期种植玉米，施入大量有机肥有关，另一方面也表明土壤养分的积累是个较为漫长的过程。

目前，土壤质量综合评价国内外尚无公认的评价指标体系[13,21]，评价指标不同，评价结果亦会有差异。本研究采用最小数据集和土壤肥力质量综合指数进行综合评价。综合主成分分析、相关性分析和敏感性分析，最终进入最小数据集的土壤参数有：土壤自然含水率、田间持水量、非毛管孔隙度、有机质、全磷、全钾、碱解氮和速效磷等8个参数。土壤质量综合评价指数由高至低依次为：香樟（0.355）＞顶果木（0.345）＞柚木（0.304）＞银合欢（0.299）＞对照（0.290）。分析结果表明，植被恢复促进了土壤理化质量的提高，但不同植被对维护和改善其土壤质量的能力存在差异，这是因为植被不同，根系的生长发育状况，凋落物的数量、成分及分解速率等存在差异所致，另外人为经营活动也会对结果产生较大影响。总体而言，乡土树种香樟、顶果木对林地土壤质量的改良效果明显优于外来树种柚木和银合欢。因此，在喀斯特地区植被恢复与重建时，应遵循植被分布规律，选择乡土种树，以促进植被自然顺向演替。

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Edaphic characteristics of different regeneration patterns in karst mountainous areas of Guangxi

PANG Shi-long, OU Zhi-yang, SHEN Wen-hui, HOU Yuan-rui, HUANG Xiao-rong, ZHENG Wei
(Guangxi Forestry Academy, Nanning 530002, Guangxi, China)

Edaphic properties of 5 regeneration patterns in karst mountainous areas of Pingguo, Guagnxi, were investigated, whereLeucaena leucocephala,Tectona grandis,Cinnamomum camphoraandAcrocarpus fraxinifoliuswere planted, with abandoned croplands as control.Sensitivity analysis, principal component analysis (PCA), correlation analysis were employed to determine the Minimum Data Set (MDS) for evaluating soil quality.The results showed that MDS contained 8 parameters: soil moisture content, fi eld moisture content, non-capillary porosity, soil organic matter, total phosphorus, total kalium, available nitrogen and available phosphorus.Available phosphorus was a highly sensitive index in the study and the main restrain for soil quality.Composite scores of soils were in such a declined order:C.camphoraforest (0.355) ＞A.fraxinifoliusforest (0.345) ＞T.grandisforest (0.304) ＞L.leucocephalaforest (0.299) ＞ control(0.290), indicating differences in their capability of soil melioration, and native species (C.camphoraandA.fraxinifolius) were better than alien species (T.grandisandL.leucocephala) .In species selection for planting in karst region, considerations must be given to the natural regeneration trend, and native species were potential optimum candidates.The study sites generally had infertile soil and soil degradation was a serious problem.

karst; vegetation recovery; edaphic characteristics; composite assessment; principal component analysis; minimum data set; Guangxi

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.07.011

http: //qks.csuft.edu.cn

S722.1

A

1673-923X(2016)07-0060-07

2015-07-02

广西科技攻关项目（桂科攻14124004-3-11）；广西林业科技项目（桂林科字[2014]02）；广西优良用材林资源培育重点实验室开放课题（14B0101）；广西林科院基本科研业务费专项（[2014]03）

庞世龙，工程师

申文辉，教授级高工，博士研究生；E-mail：shenwenhui2003@163.com

庞世龙，欧芷阳，申文辉，等.广西喀斯特地区不同植被恢复模式土壤质量综合评价[J].中南林业科技大学学报，2016,36(7): 60-66.

[本文编校：吴 毅]