基于遥感的石漠化治理下土壤肥力变化特征分析

2019-05-31舒田熊康宁陈丽莎肖杰

生态环境学报 2019年4期

舒田，熊康宁，陈丽莎，肖杰

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，贵州贵阳 550001；2. 贵州省农业科学院科技信息研究所，贵州贵阳 550006

喀斯特石漠化（rocky desertification，RD）是指在热带亚热带暖温带湿润半湿润气候条件的喀斯特环境背景下，受人类不合理社会经济活动的干扰破坏所造成的土壤严重侵蚀，基岩大面积出露，土地生产力严重下降，地表出现类似荒漠景观的土地退化过程（熊康宁等，2002；李松等，2009）。土地生产力下降最直接的表现就是土壤肥力的下降以及养分的缺失，土壤肥力的恢复是石漠化生态治理的重要组成，维持和提升土壤肥力程度是石漠化土壤生态系统可持续发展的研究热点（邱虎森等，2013；崔高仰等，2017）。土壤养分状况与石漠化过程关系紧密，不同石漠化等级下土壤养分含量、贮量也各有特点（彭熙等，2009）。土壤养分的分布、累积及其含量，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（Bonanomi et al.，2017；Beek et al.，2016），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（肖杰等，2018）。土地石漠化过程中，不仅存在水分对植物生长的胁迫（Li et al.，2016），同样也存在养分对植物生长的胁迫，养分胁迫同样是导致石漠化过程的重要因素（黄金国等，2012）。因此，了解石漠化地区土壤肥力状况，不仅可以反映植被恢复模式对土壤的响应，也可为土壤培肥提供参考依据（徐杰等，2012），同时更能因地制宜选择作物，高效利用土地，提高土壤质量。封山育林、退耕还林还草、林草种植和自然恢复等生态治理措施，对石漠化地区土壤肥力提升具有重要作用。本文选取具有代表性的土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等土壤肥力指标，通过遥感解译对毕节撒拉溪示范区 2009年和 2015年的石漠化等级进行划分，利用野外定点采样测定数据在Arc GIS中进行Kriging插值，探讨生态治理前后不同石漠化程度土壤肥力变化特征及其规律，为贵州北部石漠化山区土壤资源有效利用、水土保持与植被重建以及生态产业发展提高科学参考。

1 研究区概况

以毕节撒拉溪喀斯特高原山地轻-中度石漠化综合治理示范区（以下简称“撒拉溪示范区”）为研究区（图1）。撒拉溪示范区位于贵州省西北部、毕节市西南部，六冲河流域支流区内，跨105°01′10″－105°08′39″E、27°11′08″－27°17′30″N，涉及 2 个乡镇的9个行政村，包括撒拉溪镇的朝营、钟山、冲锋、永丰、龙凤、沙乐、水营、撒拉和野角乡的茅坪，总面积 8627.19 hm2，其中喀斯特面积占74.25%。示范区总人口20215人，其中农业人口占99.62%，人口密度235 person·km-2。研究区属北亚热带湿润季风气候，出露有二叠系砂页岩、石灰岩和灰岩，大量峰丛洼地分布。土壤以地带性黄壤为主，少量黄棕壤和风化石灰土，植被以天然野生的大白杜鹃（Rhododendron decorum Franch.）、金丝桃（Hypericum monogynum L.）、火棘（Pyracantha fortuneana）、悬钩子蔷薇（Rosa rubus）、鬼针草（Bidens pilosa L.）等藤刺灌草丛及少量分布的青冈（Quercus glauca Thunb.）、马尾松（Pinus massoniana）、响叶杨（Populus adenopoda）和栓皮栎（Quercus variabilis）林为主，旱地作物以玉米、薯类、豆类和烤烟为主，耕地多分布于坡面、台地和山间谷地，耕层浅薄，经果林以刺梨（Rosa roxburghii）、核桃（Juglans regia L.）、板栗（Castanea mollissima BL.）为主。区内水土流失以微度和中度为主，年平均降雨量为984.40 mm，年平均气温为12 ℃，海拔在1495－2200 m，整体地势东高西缓，地表呈现斜坡丘陵自然延伸的形态，是典型的喀斯特高原山地轻-中石漠化地区。通过近几年来的生态治理和恢复措施（表1），示范区石漠化得到有效控制，水土流失得到明显改善，土壤养分含量也有所提高。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

2.1.1 遥感影像数据

图1 研究区位置图Fig. 1 Location map of study area

表1 研究区石漠化生态治理模式Table 1 Ecological control modes of rocky desertification in study area

撒拉溪示范区石漠化解译遥感影像采用成像时间为2009年4月14日法国的SPOT5（全色波段空间分辨率2.5 m，多光谱波段空间分辨率10 m），以及成像时间为2015年4月17日的ZY-3（全色波段空间分辨率 2.1 m，多光谱波段空间分辨率 5.8 m），分别对全色波段和多光谱波段进行融合，利用SPOT5的3、2、1波段组合与ZY-3的4、3、2波段组合很好地区分地物类别，从而保证示范区石漠化解译影像空间分辨率相当和图像信息一致。

2.1.2 土壤肥力数据

撒拉溪示范区土壤理化含量指标分别采用2008－2009年七星关区测土配方施肥数据（示范区范围内41个采样点）和2015年7月4种不同石漠化等级实施的治理恢复模式地 30个采样点土样分析测试数据，然后利用Kriging插值得到示范区土壤肥力分布情况。以S形法在每个样地（20 m×20 m）采取深度为0－20 cm的表层土，各取3个点，自然风干后剔除石块和杂质后研磨，过0.149 mm土壤筛，取得待测土壤样品用于测定土壤理化指标。土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量和土壤pH分别采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法、半微量凯氏蒸馏法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度计法和电位法（土液比=1∶2.5）测定，对土壤样品的理化指标数据进行 3次平行测定，结果取平均值。

2.2 研究方法

2.2.1 石漠化等级定级

将遥感数据在ENVI5.3中对SPOT5和资源三号卫星数据进行全色和多光谱波段的融合，以撒拉溪示范区坡度、岩性条件、基岩裸露率、土壤信息、植被覆盖度等作为主要判读因子，辅以区内平均降雨量、土层厚度、水土流失状况、土地利用现状等因子创建石漠化等级分类标准（熊康宁等，2002）（表2），最后基于Arc GIS的Spatial Analyst和叠置对研究区的石漠化等级进行图斑判别、定级和面积统计。

2.2.2 石漠化动态度

引用土地利用动态度（郭丽英等，2013）的方法研究区域内石漠化变化的速度，计算撒拉溪示范区不同等级石漠化动态度。动态度指数综合考虑了研究时段区域石漠化等级类型间的转移，用以反映区域石漠化变化的剧烈程度和变化速度，便于在不同空间尺度上找出石漠化变化的热点区域。单一石漠化动态度表达的是某一研究区一定时间范围内某种石漠化等级类型的数量变化情况，可用以下分式表示：

式中，K表示研究区某等级石漠化的变化即石漠化动态度；Ua、Ub分别为各等级研究期初及研究期末的石漠化面积；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是研究区某等级石漠化年动态度。

2.3 数据分析

运用SPSS 19.0对测定数据进行描述性统计及单因素方差分析，运用Microsoft Excel 2017对数据进行整理统计并制图，以平均值±标准偏差（Mean±SE）表示石漠化土壤肥力指标结果，并计算土壤肥力指标变异系数。

3 结果与分析

3.1 石漠化等级GIS分析

由图2和表3可知，撒拉溪示范区内喀斯特面积6406.05 hm2，占示范区总面积的74.25%。经过几年的石漠化治理，无石漠化面积从 2009年的812.97 hm2增加到2015年的1071.11 hm2，增加了258.14 hm2，年动态度为 1.91%，变化主要表现在示范区北部的茅坪村以及永丰村和龙凤村，该区石漠化治理模式主要为封山育林。潜在石漠化面积由2009年的2666.71 hm2减少到 2015年的2546.96 hm2，减少了119.75 hm2，以0.27%的年均速度减少，减少的区域表现在无石漠化区域的增加。从 2009年至2015年轻度石漠化减少了61.66 hm2，中度石漠化减少了 56.68 hm2，强度石漠化减少了 20.05 hm2，变化不大，年动态度较小，说明石漠化等级越高，治理难度越大，成效也相对缓慢。通过GIS分析，石漠化等级变化基本上由强度、中度、轻度、潜在石漠化向着中度、轻度、潜在和无石漠化的程度降低的方向发展，示范区石漠化恶化趋势得到遏制，走向良性发展。

表2 不同石漠化等级标准Table 2 Grade standard of different rocky desertification(RD)

图2 研究区石漠化等级图Fig. 2 Grade map of rocky desertification in study area

表3 研究区石漠化等级面积及年动态度Table 3 Area and annual dynamics of different rocky desertification(RD) grade in study area

3.2 土壤肥力指标变化特征分析

参照贵州省第二次土壤普查分级标准（高雪等，2013）（表4）对影响土壤肥力的土壤 pH，有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量进行分级，石漠化生态治理与恢复以来，撒拉溪示范区土壤pH均值从2009年的6.13提高至2015年的7.23，由弱酸性变为中性，标准偏差也随之变小。苏伟等（2004）、刘淑娟等（2010）认为变异系数（Coefficient of Variation，CV）的大小表示土壤特性空间变异性的大小和变异程度高低，通常认为CV≤10%时为弱变异性，10%＜CV＜100%时为中等变异性，CV≥100%为强变异性，撒拉溪示范区土壤pH变异系数从中等变异向弱变异变化；土壤有机质平均含量从2009年的36.21 g·kg-1增加到2015年的52.34 g·kg-1，含量等级从丰富到极丰富，属上等水平，但是标准偏差有所变大，变异系数为中等变异；土壤全氮平均含量从 2009年的 1.81 g·kg-1下降到2015年的1.68 g·kg-1，含量在丰富级别，属上等水平，标准偏差变化不大，变异系数均为中等变异；土壤碱解氮平均含量从2009年的191.54 mg·kg-1增加到2015年的263.26 mg·kg-1，含量等级为极丰富，属上等水平，标准偏差最大，变异系数均为中等变异；土壤有效磷平均含量从2009年的14.48 mg·kg-1下降到2015年的6.02 mg·kg-1，含量等级从最适宜降到适宜，标准偏差有所下降，变异系数为中等变异；同样，土壤速效钾平均含量从2009年的154.22 mg·kg-1下降到 2015 年的 121.39 mg·kg-1，含量从丰富降到最适宜等级，标准偏差也随之降低，而变异系数从中等变异向弱变异变化（表5）。

表4 贵州省第二次土壤普查分级标准Table 4 Grading standard of second soil general survey in Guizhou

表5 研究区土壤肥力指标均值与变异系数Table 5 Mean value and coefficient of variation of soil fertility index in study area

3.3 不同石漠化等级土壤肥力指标变化分析

通过Arc GIS的空间叠加和分析发现，撒拉溪示范区不同石漠化等级土壤肥力变化明显。由图 3可知，2009年和2015年的土壤pH变化趋势一致，从潜在石漠化到强度石漠化，土壤pH缓慢升高后降低，由2009年的弱酸性到2015年的中性，石漠化治理前后土壤pH表现基本均衡；土壤有机质含量随着石漠化等级增加而降低，2015年有机质含量从 60.52 g·kg-1迅速下降到 37.10 g·kg-1，下降斜率大于2009年，且2015年土壤有机质表现不太稳定（P＜0.05），尤其是潜在石漠化与其余等级土壤有机质含量表现明显的不均衡性，说明土地石漠化后对土壤有机质变化影响较大；土壤全氮含量的变化趋势与有机质基本一致且均逐渐降低，随着石漠化程度加深，2015年土壤全氮含量从1.81 g·kg-1下降到1.48 g·kg-1，而 2009 年从 1.86 g·kg-1降为 1.76 g·kg-1，石漠化治理前后土壤全氮含量表现相对均衡；随着石漠化等级升高，2009年土壤碱解氮含量比较平稳，而 2015年则先下降再趋于稳定，2015年碱解氮含量表现出轻微波动（P＜0.05）；随着石漠化等级的增加，2015年有效磷含量逐渐降低，而2009年则先升高后逐渐降低，表现均相对稳定；2009年和2015年土壤速效钾含量变化趋势一致，均为随着石漠化等级增加速效钾含量先升后降，表现相对稳定。总之，随着石漠化等级的增加，土壤有机质和全氮含量降低，相关性显著，而土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量变化相关性不显著。

由图4可知，随着石漠化程度加深，撒拉溪示范区2009年土壤pH变异系数逐渐增强，由8.9%变为 9.87%，2015年却快速减弱，由 6.22%变为1.52%，均属弱变异性；有机质的变异趋势与pH一致，呈线性变化，2009年由18.83%变为27.12%，为中等变异，而2015年由中等变异向弱变异转化，由11.65%变为4.02%；土壤全氮的变异系数呈波浪式，由弱变异向中等变异变化，2009年分别为12.08%、13.86%、12.95%、13.31%，2015年分别为4.22%、9.21%、3.87%、10.78%；2009年土壤碱解氮变异系数先升后降，而 2015年为先降后升的变化，基本上属中等变异；土壤有效磷变异系数呈波浪式变化，其中 2009年变异系数中最大（31.19%）；而土壤速效钾变异系数在 2009年先降后升再降，呈波浪式变化，变异性从中等变异向弱变异变化，而2015年则先降后升，均属弱变异性。由此可见，随着石漠化等级增加，2009年土壤有机质和有效磷变异最大，2015年土壤pH、速效钾和有效磷变异最小。

3.4 石漠化等级转移与土壤肥力指标变化分析

图3 不同石漠化等级土壤肥力指标含量变化Fig. 3 Content variation of soil fertility index in different rocky desertification(RD) grade

通过Arc GIS的空间分析，撒拉溪示范区石漠等级变化由强度石漠化向中度石漠化方向转移，中度石漠化向轻度石漠化方向转移，轻度石漠化向潜在石漠化方向转移，潜在石漠化向无石漠化方向转移。其中，强度向中度变化的面积为20.05 hm2，中度向轻度变化的面积为76.73 hm2，轻度向潜在变化的面积为138.40 hm2，潜在向无石漠化变化的面积为258.14 hm2，可见石漠化治理的成果主要集中在中度和轻度石漠化上。土壤肥力指标含量变化从强度到中度、中度到轻度、轻度到潜在、潜在到无石漠化，除pH、有机质和碱解氮朝正向变化外，其余指标含量均为负变化。其中土壤pH变化量在1左右，变化不大，逐渐由弱酸变为中性；土壤有机质从强度到中度变化最大，变化量为 24.79 g·kg-1，然后依次是中度到轻度、轻度到潜在、潜在到无石漠化；碱解氮变化量也是强度到中度最大，为 80.28 mg·kg-1，其次是潜在到无石漠化，然后是中度到轻度、轻度到潜在。负向变化中速效钾含量变化最大，依次为轻度到潜在、潜在到无石漠化、中度到轻度和强度到中度，然后是有效磷，变化量最小的是全氮含量（表6）。

4 讨论

随着撒拉溪示范区生态治理工程的实施，尤其是示范区内以朝营小流域为核心的石漠化生态工程的布局，石漠化趋势得到有效控制，石漠化严重等级面积逐年减少，土壤肥力逐步提升，土壤养分随着石漠化等级的变化而发生相应变化。

图4 不同石漠化等级土壤肥力指标变异系数曲线Fig. 4 The coefficient of variation curve of soil fertility index in different rocky desertification(RD) grade

表6 研究区石漠化等级转换下土壤肥力指标变化值Table 6 Varied value of soil fertility index under rocky desertification(RD) transformation in study area

研究表明，从2009－2015年撒拉溪示范区pH由弱酸转为中性。土壤pH深受母岩影响，砂页岩发育的土壤pH偏酸性，石漠化等级高，岩石裸露率较高，风化作用相对较强，植被覆盖率低，植物产生的有机酸相对较少。土壤pH易变性较大，极易受到人类活动的影响。随着治理时限的延长，相应石漠化配套工程使得植被得到恢复，改善了土壤的酸碱度，土壤pH向中性变化，这与王恒松（2012）研究结果一致。土壤有机质含量呈显著的增加趋势，增加了16.13 g·kg-1，说明石漠化治理有利于土壤结构的改良，从而达到保水保肥的功效。土壤碱解氮含量增速也明显，全氮含量变化不大，但是有效磷含量降低明显且变异最大，土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷变异系数均为中等变异，这与涂成龙等（2004）研究结果基本一致。土壤养分含量增加或减少因土地利用及改良方式不同而有所差别，一般而言，随着石漠化程度的加剧，土壤养分含量、贮量等均呈下降规律，造成不一致变化可能与取样样地少，以及不同植被恢复模式构成的土壤环境条件有关。

随着石漠化等级的升高，土壤全氮、有效磷、碱解氮、速效钾含量总体上呈降低的趋势，但不明显，土壤有机质随石漠化等级升高而下降最为明显，2015年有机质含量由潜在石漠化的60.52 g·kg-1迅速下降到强度石漠化 37.10 g·kg-1，下降了38.62%，且2015年下降斜率大于2009年，究其原因，汪明冲等（2016）认为可能是喀斯特植被退化造成生物量下降，使得土壤有机质来源减少，同时生境向旱生方向演变，土壤有机质分解速度加快，含量也迅速降低。不同石漠化等级环境的土壤养分含量与石漠化等级密切相关，等级越高，其土壤水分与空气的通透性低，不利于通过土壤微生物活动、有机质的分解和矿物质的矿化作用来增加土壤的氮、磷、钾的含量（颜萍等，2016）。而王恒松等（2012）认为在生态治理过程中，由于大量种植的林草迅速从土壤中吸收大量的N素，土壤中全氮含量会先经历一个下降过程，然后随着治理时间的延长，以及小环境的改善和植被的固氮作用，逐渐出现富集现象而上升，而全磷、全钾表现为增长，不同石漠化等级的变化规律不明显，原因可能与全磷、全钾分布不均有关。盛茂银等（2013）、Sheng et al.（2018）研究表明，随着石漠化退化程度的增加，土壤养分并不是一个直接退化过程，而是一个先退化后改善的过程。王霖娇等（2018）认为喀斯特石漠化生态系统裸露岩石可以提高土壤养分循环和养分积累，与裸露岩石土壤养分聚集效应学说（盛茂银等，2013）一致。

就变异系数变化而言，2009年和2015年除pH为弱变异外，有机质、全氮、碱解氮、有效率和速效钾表现为中等变异或中等变异到弱变异或弱变异到中等变异，与张伟等（2004）、高鹏等（2013）对喀斯特峰丛洼地土壤养分时空分异特征的研究结果大体一致。土壤pH和有机质变化趋势一致，从潜在到强度石漠化2009年变异增大，而2015年变异减小，其他土壤肥力指标变化表现不明显，各指标变异系数2015年明显低于2009年，说明生态治理后土壤养分趋向平衡，生态系统得到改善，植被恢复较好。喀斯特地区土壤养分表现较强的变异特性主要受两方面的因子影响：一是强烈的人为干扰和土地利用方式；二是喀斯特地区独特的二元结构和生境的高度异质性（刘方等，2008）。撒拉溪示范区广泛发育着石沟、石芽，石峰耸立，地下岩溶通道较为发育，具有较高的环境异质性，并受到强烈的人为干扰，从而导致该区域土壤养分表现为中等变异性。