元谋干热河谷冲沟不同部位土壤质量评价

2018-11-30熊东红苏正安董一帆

西南农业学报 2018年10期

袁勇，熊东红，校亮，吴汉，张素，苏正安，董一帆

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041；2.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049)

【研究意义】土壤质量是在生态系统内保持作物生产力、维持环境质量、促进动植物健康的能力[1-2]，是土壤肥力质量、环境质量和健康质量的综合量度[3]。自20世纪90年代初以来，土壤质量一直是土壤科学家研究的一个重要课题，并逐步认识到土壤在农业可持续性和环境质量方面所起的作用。然而，由于不合理人为活动及气候变化等引起的土壤退化现象十分普遍[4-5]，其中土壤侵蚀是主要原因之一[6-7]，其引起的严重土壤退化问题将在21世纪继续存在[8]。维持土壤质量成为确保环境及生物圈可持续发展的关键[9]。适当的管理措施可以改善土壤质量因素或性质而提高土壤质量[10]。准确进行土壤质量评价对于制定可持续农业政策、恢复退化土壤和改善环境质量都是至关重要的[11]，不仅能够反映生态系统的变化[12]，还能为土壤质量的改善及可持续利用提供理论依据和技术支撑[13]。在众多的土壤质量评价方法中，模糊数学法综合考虑了土壤质量的渐变性和模糊性使评价结果更符合实际[14]，因而受到了广泛的应用[15-17]。【前人研究进展】冲沟侵蚀是元谋干热河谷重要的土壤侵蚀方式，更是该区突出的生态环境问题之一[18]。冲沟侵蚀蚕食耕地，危害土地资源[19]；造成和加速了土壤退化进程[20]；形成大量泥沙，严重制约区域经济发展和威胁下游水利水电工程安全[21]。近年来，学者对该区冲沟侵蚀发育机制[22]和土壤抗侵蚀性[23]等方便面做了深入研究，发现冲沟不同区域土壤水分及颗粒组成等性质迥异[24-25]，同时对该区冲沟的生态治理作了探索[26-27]。但对于冲沟发育区土壤质量的研究还鲜见报道。【本研究切入点】本文通过测定云南省元谋县干热河谷冲沟侵蚀活跃区土壤理化性质，采取模糊数学方法对土壤质量进行综合评价，以掌握冲沟不同部位土壤质量状况，并试图找出影响土壤质量的关键因子。【拟解决的关键问题】为进一步研究该区土壤退化过程奠定基础，为制定冲沟生态治理措施提供科技支撑。

1 研究区概况

研究区位于云南省元谋县干热河谷区(101°35′～102°26′E，25°23′～26°06′N)，处于金沙江下游地带，海拔899～1600 m，是我国生态系统退化的典型区域之一。气候为季风型河谷干热气候，多年平均气温21.9 ℃，极端最高气温43 ℃，极端最低气温-0.8 ℃，最冷月(12月)均温15.4 ℃，最热月(5月)均温27.2 ℃，≥10 ℃积温达8001.5 ℃。年降水量520～590 mm，年蒸发量4000～4300 mm，无霜期360～365 d。呈现出降雨集中(6-10月)、炎热干燥、干湿季分明而四季不分明的特征。植被属河谷型萨王纳植被，具有独特的群落外观和区系组成，是我国珍稀濒危的植被类型之一。自然植被为稀树灌木草丛，以禾草为主，草丛上散生稀树、稀灌。草本植物主要为扭黄茅(Heteropogoncontortus)、孔颖草(BothriochloaKuntze)等；灌木以车桑子(Dodonaeaviscosa)为主；乔木有山合欢(Albiziakalkora)、余甘子(Phyllanthusemblica)等。土壤以燥红土与变性土为主，其中燥红土是该区基带土壤[28]。

2 研究方法

2.1 样点设置及样品采集

2016年3月，在中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所干热河谷沟蚀崩塌观测研究站内选择了3条邻近并且发育程度相当的典型冲沟(表1)。以冲沟沟头为基准，向上游在集水区距离沟头10 m范围内设置3个采样点(样点间距5 m)，向下游在沟床距离沟头10、20、30 m处各设置1个采样点；两端沟岸分别在距沟头15、25 m处设置采样点；沟头则按上、中、下分别设置1个采样点。每条冲沟布设13个采样点，共计39个样点，采集0～20 cm表层土壤样品。采样的同时记录样点的经纬度、海拔等地理信息，并记录各样点的坡向、坡度、地被物等信息。取好的土壤样品及时带回实验室处理后以待测定。

2.2 土壤样品分析

采用吸管法测定土体机械组成；采取环刀法测定容重，采用酸度计法测定pH，采取重铬酸钾容量法测定有机质，采用氧化镁浸提-扩散法测定铵态氮，采取酚二磺酸法测定硝态氮，采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定速效磷，采取醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾[29]。

表1 冲沟的形态特征参数

2.3 土壤质量评价

采用模糊数学模型计算土壤质量的综合性指标值，以土壤质量指数SQI(Soil quality index)表示[30]，计算公式如下：

(1)

其中，Ni表示第i种参评指标所对应的隶属度值；Wi表示第i种参评指标所对应的权重值；n为参评指标个数。据土壤质量评价参数选择的原则[31]及前人的研究资料[32-33]，选取了物理性粘粒、粉/粘比、土壤容重、pH值、有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾作为土壤质量参评指标。

2.3.1 隶属度值的确定根据作物效应曲线将隶属度函数分为2种类型(抛物线型和S型)[34]，土壤容重、pH值、物理性粘粒含量和粉/粘比等指标属于抛物线型隶属度函数，即式(2)；土壤有机质、铵态氮、硝态氮、速效磷及速效钾等属于S型隶属度函数，即式(3)。根据前人研究资料[35-37]及本区土壤的肥力特征，确定了曲线中转折点的相应取值，详见表2。由式(2)、式(3)和表2可求出各项指标的隶属度值，其介于0.1～1.0之间，最大值1.0表示土壤肥力指标完全适宜作物生长，最低值0.1表示土壤肥力指标严重缺乏。由于完全没有肥力的土壤极少，因此最小值取0.1，且在计算时可避免零值过多。

(2)

(3)

2.3.2 权重值的确定各项参评指标的权重值采用主成分分析法来法确定，首先计算出公因子方差，进一步求出各公因子方差占公因子方差总和的比例，将其作为单项评价指标的权重值(表3)。

2.4 统计分析方法

数据经Excel 2010整理，采用SPSS 16.0统计分析软件进行简单相关分析、主成分分析及单因素方差分析(差异程度用最小显著差异法LSD比较)，显著性水平为α=0.05。绘图采用SigmaPlot 10.0。

3 结果与分析

3.1 冲沟不同部位土壤理化性质差异

冲沟侵蚀增加了冲沟发育区土壤机械组成(粉粒、粘粒)分布的差异性，并增加了土壤紧实度。元谋干热河谷冲沟侵蚀活跃区的4个部位中，沟床土壤粘粒含量显著高于集水区、沟头和沟岸(表4)，沟

表2 隶属度函数曲线转折点值

表3 参评指标权重值

表4 冲沟不同部位土壤理化性质

注：表中数据为平均值±标准差；同行不同小写字母表示不同部位之间差异显著(P<0.05)。

Note:Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each row indicate significant difference at 0.05 level.

床以外其他3个区域间则差异不显著；而粉/粘比在不同部位表现出显著的差异(集水区和沟岸间除外)，集水区和沟床粉/粘比较高，在3 %左右，沟头和沟床较低，不到2 %，表明冲沟侵蚀增加了土壤机械组成的变异性。细小土粒由集水区和沟头等随径流进入沟床并在沟床沉积而表现出更高的土壤粘粒含量。土壤容重在沟头和沟岸间具有显著差异，其余部位间差异不显著，沟头容重最高，平均达到1.73 g/cm3，其余部位介于1.6～1.7 g/cm3，土壤均较为紧实。

冲沟侵蚀引起冲沟活跃区土壤酸碱度显著提高和土壤有机质含量显著降低，并造成土壤氮素和磷素损失。冲沟集水区和沟床土壤pH值接近5.5，为酸性土壤；沟头和沟岸土壤pH值平均介于6.5～7.0，属于中性，且与集水区和沟床土壤差异达到显著水平。由此表面冲沟侵蚀能提高土壤酸碱度(沟头和沟岸)。冲沟不同部位土壤有机质含量大小为：集水区>沟床>沟岸>沟头，沟岸、沟床和沟头土壤有机质含量显著低于集水区，比集水区分别下降了84.96 %、71.28 %和57.60 %，表明冲沟侵蚀能显著降低有机质含量。土壤铵态氮和硝态氮在集水区和沟床间差异不显著，但显著高于沟头和沟岸，说明冲沟侵蚀造成土壤有效性氮素显著损失。集水区与其余3个部位间土壤速效磷含量差异均不显著，但其含量均低于3 mg/kg，处于较低水平，说明冲沟侵蚀能引起土壤磷素流失，但不会造成其空间分布的显著差异。冲沟侵蚀区不同部位土壤速效钾含量均在60 mg/kg以上，处于中等以上水平，除沟岸外，其余区域差异不显著，说明冲沟侵蚀未造成速效钾含量的显著降低，侵蚀对速效钾的影响较小。

上述分析表明，干热河谷冲沟侵蚀增加了土壤理化性质的分布差异，使土壤紧实化，造成粉/粘比例降低，有机质显著下降，以及加剧土壤有效性氮素和磷素损失，导致土壤贫瘠化。

3.2 冲沟不同部位土壤质量指数

冲沟侵蚀造成沟头和沟床土壤质量急剧下降，是干热河谷区土壤贫瘠化的主要成因。元谋干热河谷冲沟土壤质量评价如图1所示，冲沟不同部位土壤质量指数(SQI)较低，最大仅为0.406，表明冲沟侵蚀活跃区土壤质量较差。SQI大小顺序为：沟床(0.406)>集水区(0.357)>沟头(0.289)>沟岸(0.252)，其中集水区和沟床间差异不显著，两者均显著高于沟头和沟岸，而沟岸显著低于沟头。沟床土壤质量指数(SQI)高于集水区，是因为径流泥沙在沟床沉积，为草本或灌木植物着生提供场所，植物生长又改善了该区土壤质量，这与研究区沟床植被覆盖度较高相符；而集水区分散的地表径流开始汇集，并带走细小土壤颗粒，使得粉/粘比增大(表4)，进而引起土壤养分随径流损失，最终造成土壤质量

图中不同小写字母表示不同部位之间差异显著(P<0.05)Different small letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level图1 冲沟不同部位土壤质量Fig.1 Soil quality in different plots of gullies

指标Index粘粒Physical clay粉/粘比Physical powder/clay ratio容重Bulk densitypH值pH value有机质Organic matter铵态氮Ammonium nitrogen硝态氮Nitrate nitrogen速效磷Available phosphorus速效钾Available potassiumSQI集水区0.012-0.925**0.1270.799**0.462-0.890**0.883**0.5910.747*SQI沟头0.653**-0.564**-0.2410.186-0.210-0.287-0.082-0.260-0.236SQI沟岸0.789**-0.397*0.435*-0.377-0.307-0.475*0.0760.0910.141SQI沟床0.1540.2750.256-0.2680.646*0.691*0.5720.803**0.454

注：表中数据为pearson相关系数；**表示相关性极显著(P<0. 01)；*表示相关性显著(P<0. 05)。

Note: Data in the table are pearson correlation coefficients; **indicates significant correlation at 0.01 level; *indicates significant correlation at 0.05 level.

下降。与集水区相比，沟头和沟岸土壤质量分别下降了19.05 %和29.41 %，由此可见，干热河谷区冲沟侵蚀引起冲沟不同部位土壤质量不同程度的下降，造成土壤急剧退化。

3.3 冲沟土壤理化性质与土壤质量指数的关系

干热河谷区冲沟侵蚀引起制约土壤质量的因素由土壤化学性质转变为土壤物理性质。从表5可以看出，冲沟侵蚀区土壤理化性质与土壤质量指数SQI的相关关系在不同侵蚀部位表现不同：集水区土壤粉/粘比、pH值、硝态氮与SQI呈现极显著正相关，而土壤铵态氮与SQI呈现出极显著负相关；沟头仅有粘粒含量和粉/粘比与SQI呈现极显著相关性，前者为正相关，后者为负相关；沟岸土壤粘粒含量和容重与SQI分别呈现极显著和显著正相关，而粉/粘比和铵态氮与SQI呈现显著负相关；沟床土壤有机质和铵态氮与SQI呈现出显著正相关，土壤速效磷与SQI呈现极显著正相关。综合分析发现，冲沟侵蚀较为强烈的部位(沟头和沟岸)土壤质量指数SQI与土壤物理性质关系更为密切(沟岸铵态氮除外)，而冲沟侵蚀相对缓和的部位(集水区和沟床)土壤质量指数SQI与土壤化学性质关系更为密切(集水区粉/粘比除外)，因此，干热河谷区冲沟侵蚀发育引起制约土壤质量的因素发生变化，具体表现为由土壤化学性质转变为物理性质。随着冲沟的发育，侵蚀区土壤养分等随径流流失而损失，造成土壤化学性质恶化，使得对土壤质量贡献较大的土壤养分指标开始转向土壤物理指标，如土壤粘粒、粉/粘比和容重等。

4 讨论

本文重点研究了元谋干热河谷冲沟发育区土壤理化性质和土壤质量(主要为肥力质量)以及它们之间的关系。冲沟侵蚀增加了土壤理化性质的分布差异，造成土壤质量急剧下降，并且引起影响土壤质量的关键因素发生变化，是干热河谷区土壤退化的主要成因之一。为深入理解冲沟侵蚀如何影响土壤质量并造成土壤退化，以及探索如何进行冲沟生态治理，现作以下讨论。

(1)冲沟土壤退化程度及其关键因素。元谋干热河谷冲沟侵蚀以沟头溯源侵蚀过程为主[38]。冲沟的发育造成地形急剧变化，引发沟头后退、沟床下切和沟岸崩塌等，导致地表土壤大量流失，形成集水区砂砾化面蚀、沟头溯源侵蚀、沟床下切/沉积侵蚀、沟岸冲淘崩塌等多种侵蚀形式共存的土壤退化现象。因此，冲沟侵蚀成为干热河谷土壤退化的主要因素。刘刚才等[39]研究也表明，土壤侵蚀是造成干热河谷区土壤退化尤其是土壤养分贫瘠化的主要原因。参照土壤养分贫瘠化的划分标准[40]，冲沟沟头和沟岸土壤有机质分别达到严重贫瘠和轻度贫瘠状态，沟床和集水区土壤有机质为肥沃水平；冲沟4个部位土壤速效磷均为严重贫瘠；土壤速效钾处于中度和轻度贫瘠，其中沟头贫瘠化程度最高，其次为沟岸。因此，冲沟侵蚀造成干热河谷区各土壤养分不同程度的贫瘠化，其中以土壤有机质和速效磷贫瘠化程度最高。

上述相关分析表明(表5)，冲沟侵蚀较为剧烈的沟头和沟岸土壤质量与土壤物理性质关系密切(主要为机械组成和容重)，而集水区和沟床土壤质量与土壤化学性质关系密切(主要为养分含量和pH值)。表明土壤粘粒含量和粉/粘比是沟头和沟床土壤质量的关键影响因素，而集水区关键因素为pH值和有效性氮素，沟床则为土壤有机质、有效性氮素和磷素。即随着冲沟侵蚀的发育影响土壤质量的关键因素发生了变化。庞学勇等[41]研究表明土壤退化与土壤有机质有关，土壤氮素和磷素随土壤有机质的减小而降低，但土壤钾素变化不显著，因为钾素主要受母质的影响。土壤氮素和磷素主要来源于有机质的分解转化，冲沟侵蚀的发育使得集水区表层土壤有机物质随分散的地表径流而流失，分散的径流汇聚后流经沟头，其较强的跌水下切力和径流冲刷力对沟头造成剧烈侵蚀，带走大量表层物质，因而引发土壤砂砾化及土壤有机质、氮素和磷素等养分大量损失。同时土壤养分含量在不同土层分布差异显著[42-43]，随土壤深度增加，土壤有机质、氮、磷等养分含量逐渐降低[44-46]，所以，冲沟发育区因表层土壤被侵蚀，使中下层相对贫瘠的土壤出露甚至基岩裸露，造成侵蚀区土壤质量显著降低。当径流流经沟床时，因比降下降、糙率增加等，径流输沙能力降低，部分泥沙在沟床沉积发生正侵蚀，径流消退后，沟床相对优越的水热条件促进了植物的生长，因此，沟床表现出相对较好的土壤质量。冲沟侵蚀发育过程中，当对土壤质量有重要贡献的有机质、氮素和磷素等关键因子下降到一定程度后，这些因素对土壤质量的作用已经很弱，这时，土壤粘粒、粉/粘比和容重等物理性质则成为影响土壤质量的关键因子。所以随着冲沟侵蚀的发展，影响土壤质量的关键因素由土壤化学性质转变为土壤物理性质，并成为制约土壤质量的关键因子。找出这些关键因子对于深入研究干热河谷区土壤退化过程以及进行冲沟生态治理具有重要意义。

然而，土壤质量还受干热河谷区干热气候[47]、土壤母质[48]等因素的影响，但就侵蚀冲沟局部区域来说，引起不同部位土壤质量变异的主要因素在于土壤内在属性(主要为物理和化学性质)。下一步将扩大冲沟土壤质量的研究尺度，考虑母质、微气候变化下冲沟土壤的质量状况及其退化程度，以为干热河谷区更广泛的生态治理提供指导。

(2)冲沟生态治理措施探讨。进行冲沟生态治理的前提是掌握冲沟形成机理及发展过程，认清冲沟侵蚀区立地条件和土壤质量状况，并作出生态治理适宜性评价。冲沟生态治理应以因地制宜、因害设防、适地适树、坡沟兼治为原则。

近年来，学者已对干热河谷冲沟沟头形态进行了广泛调查[49-50]，并对其活跃程度做了评价[51]，基本掌握了冲沟发育过程、机制及其产沙效应[52-56]，在此基础上进行了干热河谷区植被野外调查[57]，选育出优势乡土树种并做了抗旱生理试验[58]，同时进行了植被减沙效益和水土保持效益的野外模拟试验[26-27]。发现植被恢复可以减弱陡坡土壤侵蚀并促进有机质的积累[59]，干热河谷区人工种植银合欢林能够产生良好的土壤改良效应[60]。研究还表明植被对冲沟侵蚀过程和生态环境有重要影响[61]，植被措施对控制冲沟侵蚀具有重要贡献[62-64]。结合本文所述冲沟土壤质量状况，采取植被恢复是干热河谷区冲沟生态治理的一项有效措施。

然而，上述分析表明冲沟不同部位土壤退化程度不同、土壤质量的制约性因素也不同，因此在进行生态治理时也应区别对待，并重点关注生态最脆弱的部位。对于沟头和沟岸因土壤质量主要由物理性质决定，因此应以稳定沟岸和沟头的措施为主，可以在沟床采取谷坊、沟头采取消能的工程措施，以防止沟床下切和沟岸冲淘，减轻沟头溯源侵蚀，并结合植物措施加以治理。对于集水区和沟床因土壤质量主要由化学性质决定，且土壤质量相对较好，因此应以植物措施为主，选择抗旱、抗贫瘠能力强的乡土树种，结合水平沟、水平阶等防护工程进行生态治理。

经多年的努力，元谋干热河谷区冲沟生态治理已经取得了较好成效，但对于冲沟生态治理技术体系的具体效益还需要较长时间来检验，研究者将于后续研究中对所提出的冲沟生态治理技术效益进行长期监测与评价，深入分析生态治理措施体系对冲沟土壤质量的改善效果，进一步优化冲沟生态治理模式。从而为干热河谷区农业生产及下游水利工程安全运行提供保障。