喀斯特石漠化治理区土壤养分综合评价与对比<br/>——以贵州朝营和顶坛小流域为例

喀斯特石漠化治理区土壤养分综合评价与对比
——以贵州朝营和顶坛小流域为例

2018-04-11熊康宁顾再柯李开萍

水土保持研究 2018年2期

肖杰, 熊康宁, 顾再柯, 王琦, 李开萍

(1.贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001;2.贵州省水土保持监测总站, 贵阳 550001)

了解土壤的养分状况,不仅反映植被恢复模式对土壤的响应，同时为培肥土壤提供参考依据[1]，更是退化生态系统恢复与重建的研究热门内容。尤其在石漠化地区基于生态脆弱性的自然环境为背景的条件下，受到人类不合理改造自然的活动，产生人地矛盾尖锐、土地质量严重衰退、地表水土流失和地下土壤漏失耦合作用，加剧了植被生境被破坏与碳酸盐岩大面积的裸露，在地表形成类似于荒漠化景观的生态环境退化演变过程[2]。石漠化治理中有国内科研机构或学者提出了不同植被恢复为主的生态修复方式，而应用于石漠化治理研究[3-4]，其中植被和土壤分别作为石漠化治理的根本和关键因子[5]。为研究土壤养分状况，针对土壤养分定性评价的缺陷,而采取客观的定量评价可弥补定性评价的不足。因而，与之有关的成果就土壤养分定量评价的研究主要集中于以最小数据集的确立进行评价植被恢复下的土壤质量[6]；研究石漠化演替过程中土壤肥力而运用主成分分析评价[7]；运用层次分析法确定权重，评价石漠化治理人工种草土壤肥力[8]；采取模糊数学的方法分别评价了石漠化治理区耕作层和县域尺度的耕地土壤养分状况[9-10]等方面，上述的研究均表现为评价单一研究区土壤养分状况，对于不同地貌研究区与不同等级石漠化的土壤养分评价和对比的研究较为罕见。

土壤养分的分布与累积及其含量的高低，受制于生态系统过程和植物分布、植物归还土壤养分再平衡与生物活动的影响，以植被恢复为纽带的土壤养分是反映生态环境重建与恢复的状况指标之一。在喀斯特石漠化地区采取的石漠化治理模式以植被恢复为主，其中包含退耕还林(草)、封山育林、经果林栽培等措施进行生态环境的恢复与重建，这些过程因不同地貌、不同等级石漠化，以及不同植被恢复的模式构成的土壤环境条件下，土壤养分的丰缺亟待探明和对比，对石漠化治理与生态环境重建恢复研究的延伸具有重要的意义。

因此，本文选取能够代表不同等级石漠化的喀斯特高原山地毕节撒拉溪朝营小流域与高原峡谷关岭—贞丰交界顶坛小流域石漠化治理示范区为研究区。上述两个石漠化治理示范区均在全球热带—亚热带气候带下喀斯特地貌最为典型的分布区中心，同时也处于中国南方喀斯特的中心。基于此，站在前人的研究视角下[5,11-12]对石漠化治理区进行透视，依据石漠化治理区以碳酸盐岩为基础的地质条件和发展骨架的地貌支撑，在空间上构成石漠化演化和治理方式的异同。选择不同地貌与不同等级石漠化治理模式地为研究对象，通过最小数据集科学有效地筛选土壤养分评价指标，进行综合评价，以期揭示石漠化治理区高原山地与高原峡谷、不同等级石漠化下治理模式地的土壤养分整体状况和水平。客观反映该地区不同地貌与不同等级石漠化下治理模式的土壤养分的现状，为同气候带下的石漠化地区小流域综合治理方式上，对土壤养分培育和改良、生态环境重建与恢复提供一定数据支撑和思路参考。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

探讨评价不同地貌研究区和不同等级石漠化治理模式地的土壤养分整体状况与水平，应充分考虑典型的石漠化治理示范区在石漠化程度、石漠化景观类型、植被覆盖率、治理恢复类型和植被类型等自然地理的要素信息(表1)，因此本文选择两个颇具典型性喀斯特地貌的石漠化区域，潜在—轻度等级石漠化区毕节撒拉溪朝营小流域、中度—强度等级石漠化区关岭—贞丰花江顶坛小流域，分别代表高原山地与高原峡谷地貌，其中前者位于贵州省西北部(图1)，毕节市六冲河流域支流区内，经纬度为东经105°02′—105°08′，北纬27°11′—27°16′。该地区石漠化等级以潜在—轻度等级的石漠化为主，潜在与轻度等级石漠化占石漠化面积的53.17%，中度与强度等级石漠化占石漠化面积的11.66%，小流域内裸岩分布于较陡的坡地上，裸露部分较少且伴有残土覆盖。境内分布二叠系灰岩夹白云岩和砂页岩，为流域内岩石质地构造的主要代表。土壤为地带性黄壤，少部分分布黄棕壤和风化石灰土。气候与地貌类型为亚热带温凉干旱气候和喀斯特高原山地。石漠化治理已完成以坡改梯工程等水土保持措施和退耕种植经济林工作，以防治石漠化的发生和促进土壤养分恢复。当地形成的植被类型主要以天然野生植被大白杜鹃、十大功劳、金丝桃等藤刺灌丛以及少有分布的青冈、通脱木乔木林为主，经果林植被则以刺梨、核桃为主。

后者位于贵州省西南部(图2)，关岭县以南、贞丰县以北的北盘江花江峡谷南岸，经纬度为东经105°36′—105°46′，北纬25°39′—25°41′。该地区石漠化等级主要为中度—强度等级石漠化，潜在与轻度等级石漠化占石漠化面积的9.30%，而中度与强度等级石漠化占石漠化面积的90.7%，小流域内有少量潜在与轻度石漠化分布于台地区域。境内分布三叠系白云岩、泥质白云岩和页岩，为流域内岩石质地构造的主要代表。土壤在台地部分为黄壤，坡地部分为石灰土。气候与地貌类型为喀斯特亚热带干热河谷气候和喀斯特高原峡谷。石漠化治理在早期完成水土保持相关工程措施，后期为花椒为主的经济林规模化种植以促进土壤养分恢复。植被类型主要为亚热带常绿落叶针阔混交林，原生植被均已破坏，现以天然野生植被构树、铁线莲和白三叶等灌草丛和经果林金银花、花椒等主要的次生植被为主，以及少有分布的青冈、刺槐、马尾松为主的乔木林。

表1　研究区地理要素信息

图1研究区Ⅰ区图2研究区Ⅱ区

1.2　研究方法

首先分别在朝营小流域和顶坛小流域研究区内，于2015年7月根据不同等级石漠化划分标准[4]和野外踏勘的基础上，选取4种不同等级石漠化实施的治理恢复模式地为研究对象。在潜在石漠化中，由于两类研究区潜在石漠化占石漠化总面积的份额不同以及土壤的厚度不一，朝营小流域多为封山育林治理模式地，顶坛小流域则为农林混合治理模式地，两类研究区的轻度石漠化为退耕还林治理模式地、中度石漠化为退耕还草治理模式地和强度石漠化为自然恢复治理模式地。基于石漠化地区石多土少的缘故以及土壤覆盖范围和厚度，在上述4种模式地基础上再次划分潜在—轻度治理模式地各为3个20 m×20 m的样地，中度—强度治理模式地各为2个20 m×20 m的样地，同时以S形法在每个样地采取深度为0—20 cm的表层土，各取3个点，所取土样混合均匀为1 kg土。采集完成后将土样带回国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心实验室自然风干，剔除石块和杂质后使用玛瑙研钵研磨，过0.149 mm土壤筛，取得待测土壤样品，用于测定土壤养分指标(表2)，样品分析方法参见参考文献[13]，分析测定土壤样品数据采取针对各指标进行3次平行测定，结果取其平均值。

表2　土壤样品的测定项目

1.3　数据分析

使用Microsoft Excel 2016对试验数据进行整理后，按照相关研究的方法[14-15]采用SPSS 19.0数据统计分析软件对基本试验数据进行主成分分析，在主成分分析中计算各个土壤养分指标所有特征值≥1的主成分上的载荷值。

1.3.1最小数据集确立方法在这里分组的原则是：(1) 筛选同一主成分中载荷值≥0.5的土壤养分指标分为一组；(2) 若同时出现在两个主成分中均≥0.5的载荷值，则将该土壤指标参数归入与其他相关性较低的土壤指标参数为一组。分组完毕后，采用公式(1)分别计算每组土壤养分指标的Norm值，为进一步分析所选取指标的相关性，则选取每组的Norm值中最高分值的10%范围内的土壤指标，经过相关性分析后，若在矩阵中高度相关(r>0.5)则按Norm值中最高值的指标进入最小数据集，完成最终的最小数据集的确立。

(1)

式中：Norm值越大,解释综合信息的能力越完全，其中Nik表示为第i个变量在特征值>1的前k个主成分上的综合载荷；μik表示为第i个变量在第k个主成分上的载荷值，λik则表示为第i个变量在第k个主成分上的特征值。

1.3.2隶属度函数标准化由于影响土壤养分因素很多且处于变化之中，因而各个土壤养分指标对土壤养分的影响是模糊的概念，采取隶属度函数[16]计算获取相应的隶属度值，以评价土壤中各个土壤养分指标的优劣。隶属度函数还分为以S型和抛物线型两种类型的隶属函数，根据已筛选进入MDS中各土壤养分指标对土壤养分的正负关联度决定各自的隶属函数类型。

S型隶属函数公式:

(2)

抛物线型隶属函数公式：

(3)

式中：各个养分含量指标的最小值与最大值在函数隶属度中的转折点为x1和x2。

1.3.3综合评价法的计算本文采取加权求和法[17]选择建立综合评价模型来完成对顶坛小流域土壤养分的综合评价，此方法是基于模糊数学中加权求和法，是将评价结果转化为0.1～1.0数值，便于不同区域土壤养分之间进行比较，让研究的评价结果更为直观，其中评价的数值越大，代表着土壤养分越丰富。

加权求和公式：

(4)

式中：Wi为权重，表示主成分分析中第i个指标在其主成分矩阵中的方差贡献率与特征值大于1的所有主成分矩阵的方差贡献率总和之比；Ni为进入最小数据集中指标参数并依照正负关联度，计算后得出的隶属度值。

2　结果与分析

2.1　石漠化治理区土壤养分各指标的统计特征

针对石漠化植被演替的变化对土壤理化性质构成影响，尤其是对土壤养分含量有上升的作用[18]，本文中表3的统计结果与显著性差异表明，在治理模式影响下，朝营小流域潜在石漠化地全氮含量明显大于轻度和强度的石漠化地(p<0.05)，潜在石漠化地全磷含量明显大于中度和强度的石漠化地(p<0.05)，潜在石漠化地有机质含量明显高于中度和强度石漠化地(p<0.05)，强度石漠化地速效钾含量明显低于潜在和轻度等级石漠化地(p<0.05)的含量，而其他土壤养分指标在不同等级石漠化地之间均无显著性差异。顶坛小流域土壤养分中轻度石漠化地全磷含量显著高于中度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地有机质含量显著高于强度石漠化地(p<0.05)，潜在石漠化地碱解氮含量明显高于轻度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地速效钾显著高于强度石漠化地(p<0.05)。而其他土壤养分指标在不同等级石漠化地之间均无显著性差异。朝营小流域除土壤pH值低于顶坛小流域外，其他养分指标均高于顶坛小流域。

2.2　土壤养分最小数据集的确定

本文所选取的土壤养分指标依次为土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全钾、土壤有机质、土壤碱解氮、土壤速效磷、土壤速效钾8个土壤养分指标在SPSS中进行主成分分析，同时进行KMO值和Bartlett球形检验，检验后结果显示，KMO=0.709，Sig.=0.001且小于显著性水平0.05，检验的结果所表明适合做主成分分析。

由主成分分析结果所知，已获取前3个均大于1的特征值(表4)，其累积贡献率为75.540%，并按照上述方法所列出的分组原则进行分为3个组(表5)。两类小流域的土壤养分评价指标筛选指标为：土壤pH值、土壤全氮、土壤有机质、土壤碱解氮、土壤速效钾。在其中土壤碱解氮与土壤速效钾、土壤pH值与土壤有机质分别属于PC1，PC4中的多个高载荷变量因子，按照原则对上述2组土壤养分指标参数进行相关性分析，分析结果显示(表6)，土壤碱解氮与土壤速效钾显著相关(p<0.01)，对比其两者Norm值大小可知：土壤碱解氮<土壤速效钾，因此，土壤速效钾进入MDS；土壤pH值与土壤全钾两者之间无显著性且为弱相关，因此两者均进入MDS。最后依据原则所筛选进入MDS的土壤养分指标为土壤pH值、土壤全氮、土壤有机质、土壤速效钾4个指标，其中全氮和速效钾是石漠化治理区植被恢复重要限制因子，不仅是影响土壤养分的有效性，而且是植物生长所需主要土壤养分的指标，土壤pH值是影响植物根系吸收土壤中氮素而维持自身电荷平衡，土壤有机质为植物生长和促进其根系发育以便植物吸收养分而发挥作用。

表3　两种石漠化治理区不同治理模式地及整体土壤养分含量

注：相同字母表示无显著差异，不同字母表示具有显著差异(p<0.05)。

表4　前4个均大于1的特征值

表5　土壤养分的各个主成分载荷矩阵

表6　同一主成分中多个高载荷变量因子相关性分析

注：**表示p<0.01。

2.3　石漠化治理区土壤养分综合评价

石漠化治理模式对土壤养分的影响属于模糊性的概念，为此建立土壤养分指标的隶属度函数，达到量纲标准归一化。因此，将进入最小数据集的土壤养分指标进行隶属度函数标准化处理，其中土壤pH值在土壤环境中属于一个稳定范围，其范围过高或过低对土壤产生负效应，因而属于抛物线型函数；而土壤全氮、有机质和速效钾对土壤养分有正效应作用，属于S型函数。因此依据正负效应指标的不同分别代入公式(2)—(3)中得出隶属度值，其权重系数则由上述方法得出(表7)。

表7　土壤养分隶属函数与权重值

结合上述的隶属度值和采取综合评价法对朝营小流域与顶坛小流域土壤养分进行定量化评价，将评价结果转为0.1～1.0的数值，以示评价结果更易区分和直观，便于不同地貌与不同等级石漠化的治理模式地进行对比。将所求的隶属度值与权重系数代入公式(4)中求出了不同地貌与不同等级石漠化治理模式地的评价分值(表8)。

表8　土壤养分评价分值

3　讨论与结论

3.1　土壤养分评价最小数据集

根据Norm值和分组原则确立了土壤pH值、全氮、有机质、速效钾等指标入选土壤养分的最小数据集指标体系，不仅是影响土壤养分评价的指标，而且是植物生长所需主要土壤养分的指标。说明这4项指标数据无冗余能够代表石漠化治理区的土壤养分特性。此外，本文研究所取土壤养分指标较少，下一步可细化增进可供选择的土壤养分指标进行参评，丰富评价石漠化地区参评指标体系，以便更全面反馈评价结果。

3.2　不同等级石漠化地土壤养分评价

由土壤养分评价分值可知，朝营小流域土壤养分的综合评价分值，呈现随石漠化程度加深，土壤养分评价分值递减趋势。其中潜在石漠化地为最高，受石漠化治理中封山育林模式影响，促进林下灌草丛恢复和林地枯落物的增加，有利于枯落物腐败加速土壤养分的累积[19]，因此土壤评价分值相对较高。退耕地和裸岩溶蚀凹槽对土壤养分有重要影响[20]，该研究区因坡耕地较多，退耕后在轻度、中度石漠化地广泛栽种以刺梨核桃为主的经果林和紫花苜宿、鸭茅等牧草。对土壤减少翻耕和土壤养分的破坏有积极性的作用；据实地观测朝营小流域强度石漠化地仅限于较陡的坡地且分布范围较小，裸岩覆盖地衣与苔藓等初级植物，受流水侵蚀与运移作用往往在石槽下部蓄积土壤，有利于土壤养分在溶蚀凹槽中累积。此外，单一的植被配置方式，缺少一定数量枯落物的输入，构成牧草种植的中度石漠化地土壤养分评价分值低于刺梨为主的经济林轻度石漠化地。

而顶坛小流域表现为轻度土壤养分评价分值高于潜在土壤养分评价分值，出现中度向强度递减的趋势。说明顶坛小流域为实施退耕还林(草)的工作开展已有多年，退耕地的退耕时间与土壤养分累积有正相关关系[21]。该地广泛种植花椒、金银花等经济林和构树、铁线莲、白三叶等灌草丛植物，因其在一定程度上巩固水土减轻土壤养分流失，同时枯落物的蓄积还具有腐败分解其形成土壤养分的作用，为石漠化进一步恶化降低了可能性。潜在石漠化地受除草、施肥及农耕翻种玉米、花生等作物等因素影响导致土壤养分含量低于轻度、中度石漠化退耕还林(草)地。此外，该地石槽中土壤厚度较厚的地方有花椒以及少量分布构树等天然灌丛生长，这主要受裸露的岩石含有节理、裂隙吸收了降雨，拦截了一定的坡面产流的速度和土壤蓄积的影响[22]，加之大气沉降养分与裸岩受喀斯特溶蚀风化产物，在这些石质凹槽处下的土壤中蓄积形成植物有关[23]。

3.3　不同地貌区土壤养分评价对比

两类研究区综合评价分值表明，朝营小流域土壤养分处于中等偏上水平(0.673)，而顶坛小流域土壤养分处于中等偏下水平(0.478)。该评价分值与朝营小流域和顶坛小流域实际土壤养分状况较为符合。

针对朝营小流域而言，其处于夷平面为核心组成的高原区，受构造运动的抬升地势起伏高，河流侵蚀作用较弱，为贵州喀斯特溶蚀作用滞后发育区。该地土被较为连续，土层较厚且发育土壤为黄壤、黄棕壤为主，石质荒漠化景观均出现在较陡坡地且范围较小，整体上石漠化程度以潜在—轻度为主。基于此，该小流域既采取退耕还林模式种植刺梨与核桃，同时引进草食畜牧业以种植饲用牧草等措施减轻水土流失，从而改善土壤增进土壤养分的累积。使朝营小流域在土壤养分综合评价分值高于顶坛小流域土壤养分综合评价分值。

与朝营小流域对比，顶坛小流域处于坡降大、水流急而深切的峡谷区，受山区性河流影响侵蚀作用强且地表更为崎岖破碎，为贵州喀斯特溶蚀重置发育区。因该地在更早时期出现人地矛盾尖锐，导致水土流失严重和石质荒漠化景观遍布广，石漠化程度形成以中度—强度为主。遍布的裸岩下形成土被不连续、土壤层薄，分布非地带性石灰土，小范围的洼地、台地有较厚土层且发育黄壤土。小流域内多年退耕恢复生态效果较好，尤其是种植花椒带来植被覆盖率和生态效益的提升。由于花椒为当地主要经济林品种，相比金银花和砂仁等药用植物有很大的范围种植，个别退耕还林时间长的高树龄花椒改良土壤作用趋弱、生产管理不善和水肥供应不力构成立地衰退型[24-25]，从而对顶坛小流域土壤养分综合评价分值构成影响。

尽管朝营小流域与顶坛小流域在土壤养分上存有差异，本文研究还注意到两类研究区的综合评价分值均低于有关研究[10]在喀斯特山区耕地土壤养分评价分值(0.744)，这在一定程度上反映当前石漠化治理区土壤养分还有上升的空间，常年的石漠化治理进行植被恢复所带来的生态效益是较显著的，但在追求以植被覆盖为量的同时忽略对以土壤养分为质的培育和改良，这既是石漠化加速植被演替工作出现的缺陷之一，同时也是石漠化治理区土壤养分供应不足与滞后，而亟待解决的关键技术问题。

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