石漠化治理土壤有机质和全氮含量的变异特征

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)

【研究意义】喀斯特石漠化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[1]。土地生产力下降最直接的因素就是土壤肥力的下降及养分的缺失。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的养分含量不同[2]。【前人研究进展】土壤有机质是指存在于土壤中的含碳有机物质，是植物生长所需营养元素的重要来源。全氮是土壤各种形态氮素含量之和，是植物生长发育的必需营养元素。揭示土壤有机质和全氮的空间变异规律和掌握其分布状况，对农业生产和环境管理具有重要意义[3]。因此，了解石漠化地区土壤有机质和全氮分布状况，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[4]，同时能够因地制宜地选择作物，发展地方特色生态产业，为石漠化治理和生态恢复提供指导。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，对石漠化地区土壤养分提升具有重要作用。【本研究切入点】通过对2010和2015年关岭花江示范区的石漠化等级遥感解译，利用土地石漠化过程的定点采样监测数据并进行Kriging插值。【拟解决的关键问题】分析土壤有机质和全氮变异特征和不同石漠化等级土壤有机质和全氮变异规律，从而确定土壤有机质和全氮在石漠化作用过程和生态治理过程中的亏缺及变异，为贵州石漠化山区土壤资源有效利用、水肥保持、植被重建及生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择关岭-贞丰花江喀斯特高原峡谷中-强度石漠化综合治理示范区(以下简称“花江示范区”)为研究区。花江示范区位于贵州省安顺市关岭县与黔西南州贞丰县交界处的北盘江峡谷花江段，位置105°36′30″～105°46′30″E、25°39′13″～25°41′00″N，属亚热带湿润季风气候，土壤以黄壤、黄色石灰土为主，土地利用以林地和耕地为主，植被类型多以次生灌木林为主，区域内水土流失以微度和轻度为主，多年平均降雨量1100 mm，年平均气温18.4 ℃，海拔430～1370 m，整体地势陡峭，是典型的喀斯特峡谷强度石漠化地区，其石漠化等级基本情况见表1。示范区共涉及3个乡镇、8个行政村，50个村民组，包括贞丰县北盘江镇的水淹坝村、查尔岩村、银洞湾村，关岭县板贵乡的木工村、坝山村、三家寨村、孔落箐村和花江镇的五里村[5]，示范区总面积5164.07 hm2，喀斯特面积占示范区总面积87.93 %。区域内涉及法郎、木工和顶坛3个小流域，2010年总人口8612人，其中农业人口占89.7 %，农民人均纯收入5390元，人口密度150人/km2，产业结构仍以第一产业为主。

表1 研究区不同石漠化等级的基本情况Table 1 Basic information of different grade rocky desertification in study area

表2 花江示范区不同石漠化等级的分类标准Table 2 Grading standard of different rocky desertification in Huajiang demonstration area

1.2 数据来源

(1) 遥感影像。花江示范区石漠化解译遥感影像，采用成像时间为2010年ALOS PRISM(全色波段空间分辨率2.5 m)与ALOS AVNIR-2影像(多光谱波段空间分辨率10 m)，成像时间为2015年的资源三号卫星数据(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，从而保证示范区石漠化解译影像数据空间分辨率的一致性。

(2) 有机质和全氮含量。花江示范区土壤有机质和全氮含量分别采用2010年贞丰和关岭县测土配方施肥数据和2015年7月针对4种不同石漠化等级实施的治理恢复模式地取样后的室内土壤养分测定数据进行Kriging插值得到，采样深度为0～20 cm表层土，自然风干后剔除石块和杂质后研磨。土壤有机质和全氮分别采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法和半微量凯氏蒸馏法测定，各指标进行3次平行测定，取平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 花江示范区石漠化等级分类标准的确定及其等级面积统计 将遥感数据在ENVI5.3中对ALOS和资源三号卫星数据进行全色和多光谱波段的融合，基于“3S”技术，并结合花江示范区坡度、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，辅以示范区内平均降雨量、土层厚度、水土流失状况、土地利用现状等因子，参照文献[6]的分级方法确定示范区石漠化等级的分类标准(表2)，基于ArcGIS的Spatial Analyst和叠置对研究区2010-2015年石漠化等级进行图斑判别、定级和不同石漠化等级面积统计。通过空间分析，研究监测时段各个图斑石漠化等级的演变情况，分析石漠化的内部变化及区域变化，统计分析各图斑石漠化的转移规律。

1.3.2 花江示范区土壤等级的确定 土壤有机质和全氮的变异受成土母质、气候、土地利用方式/覆盖变化、耕作与施肥方式、栽培历史等自然和人为因素的影响，土壤养分具有高度的空间异质性和变异性[7]。研究参照贵州省第二次土壤普查分级标准(表3)[8]确定花江示范区的土壤等级。

表3 贵州省第二次土壤普查的分级标准Table 3 Grading standard of second soil general survey in Guizhou

注：各养分含量范围不含最大值。
Note: Each nutrient content range does not contain the maximum value.

图1 2010-2015年花江示范区喀斯特石漠化的等级分布Fig.1 Grades distribution of karst rocky desertification of Huajiang demonstration area during 2010-2015

1.3.3 石漠化动态度 采用土地利用动态度方法[9]研究区域内石漠化变化的速度，计算花江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来描述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值就是研究区某等级石漠化年动态度。

1.4 数据处理

采用SPSS19.0和Excel 2017对数据进行整理，计算石漠化土壤有机质和全氮含量的平均值、标准偏差和变异系数，通过制作图表对不同石漠化等级与土壤有机质和全氮数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 2010-2015年花江示范区石漠化等级的面积变化

从表4和图1可知，花江示范区内喀斯特面积4540.52 hm2，占示范区总面积的87.93 %。经过几年的石漠化治理，无石漠化面积2010年为859.57 hm2，2015年增至1066.30 hm2，5年时间增加206.73 hm2，年动态度为4.81 %，变化贡献主要来自示范区西北部的五里村以及南部的水淹坝村。潜在石漠化面积2015年较2010年增加42.40 hm2，年动态度为0.94 %，变化量不大。轻度石漠化面积2010年为1490.14 hm2，2015年增至1497.96 hm2，期间增加7.83 hm2。强度石漠化面积2010年为628.09 hm2，减少到2015年为500.81 hm2，期间减少127.29 hm2，平均以25.46 hm2/a的速度递减，年动态度为4.05 %。中度石漠化2015年较2010年减少129.66 hm2，与强度石漠化变化量相当，其年动态度为3.93 %。可见，示范区石漠化变化的主要类型为无石漠化、强度石漠化和中度石漠化。

表4 2010-2015年花江示范区喀斯特石漠化等级的面积年动态变化Table 4 Area dynamic change of karst rocky desertification grades of Huajiang demonstration area during 2010-2015

注：-表示无数据(下同)；变化量的正数表示增加，负数表示减少。
Note:- indicates no data (the same below); a positive number of changes indicates an increase, and a negative number indicates a decrease.

表5 2010-2015年花江示范区石漠化等级的转移矩阵Table 5 Transition matrix of rocky desertification of Huajiang demonstration area during 2010-2015 (hm2)

注：表头为2015年石漠化等级，表列为2010年石漠化等级。
Note: The first row and column are rocky desertification grades in 2015 and 2010 respectively.

表6 2010-2015年花江示范区土壤的有机质及全氮含量的变化Table 6 Content variance of soil organic matter and total nitrogen of Huajiang demonstration area during 2010-2015

注：标准偏差无单位，变异系数单位为 %。
Note: No unit for standard deviation, the unit of variation coefficient is %.

从表5可知，2010-2015年花江示范区转换面积最大的类型为轻度石漠化，其次是潜在石漠化和无石漠化，石漠化转换主要集中在程度较低的等级，中度、强度石漠化转换面积相对小，示范区石漠化治理的重点为石漠化较轻的等级。强度和中度石漠化主要向中度、轻度、潜在和无石漠化等级趋势变化，而部分轻度石漠化区域变成中度石漠化，潜在石漠化变成轻度和中度石漠化，但变化面积较小，呈石漠化等级趋于两级变化的态势。总体而言，石漠化治理效果得明显，其恶化趋势得到有效控制。

2.2 土壤有机质和全氮含量的变化

2.2.1 平均含量 从表6看出，石漠化治理以来，花江示范区土壤有机质平均含量由2010年的31.28 g/kg升至2015年的41.83 g/kg，属于上等水平的丰富向极丰富变化，期间变异系数由23.79 %升至27.47 %。土壤全氮平均含量由2010年的2.22 g/kg降至2015年的1.52 g/kg，其含量由上等水平的极丰富向丰富水平变化，期间变异系数由21.17 %升至26.32 %。变异系数(c.v.%)的大小表示土壤特性空间变异性的大小，通常变异系数c.v.%≤10 %时为弱变异性，10 %

2.2.2 不同石漠化等级含量 从图2看出，2010-2015年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质含量均呈先升后降趋势，轻度和中度石漠化土壤有机质含量明显高于潜在和强度石漠化。有机质含量：2010年不同石漠化等级土壤有机质含量变幅较小，其中，轻度和中度石漠化土壤有机质含量较高，分别为33.20和32.79 g/kg；强度石漠化含量最低，为31.22 g/kg。2015年各石漠化等级土壤有机质含量变幅较大，其中，轻度石漠化土壤有机质含量最高，为51.19 g/kg；中度石漠化其次，为47.85 g/kg；强度石漠化最小，为31.54 g/kg。全氮含量：2010年不同石漠化等级土壤全氮含量接近，变幅很小，为2.18～2.25 g/kg。2015年土壤全氮含量变幅较大，其中，中度石漠化土壤全氮含量最高，为1.69 g/kg；潜在石漠化其次，为1.63 g/kg；轻度石漠化最低，为1.40 g/kg。总体而言，石漠化治理前(2010年)轻度和中度石漠化有机质和全氮显著高于强度石漠化，石漠化治理后(2015年)潜在、轻度和中度石漠化有机质含量显著高于强度石漠化，不同等级石漠化间差异不显著。

图2 2010-2015年花江示范区不同石漠化等级土壤养分含量的变化Fig.2 Soil nutrients variation in different rocky desertification grades in Huajiang demonstration area during 2010-2015

图3 2010-2015年不同石漠化等级土壤养分的变异系数Fig.3 Variable coefficients of soil nutrients in different rocky desertification grades during 2010-2015

从图3看出，2010年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质和土壤全氮变异系数均呈先降后升趋势，2015年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质和土壤全氮变异系数呈先升后降趋势，均属中等变异，且变异性逐年增大。有机质变异系数：2010年强度石漠化土壤有机质变异系数最大，为24.15 %；潜在石漠化其次，为23.28 %；中度石漠化最小，为20.98 %。2015年中度石漠化土壤有机质变异系数最大，为26.83 %；轻度石漠化其次，为24.01 %；强度石漠化最小，为19.21 %。全氮变异系数：2010年潜在石漠化土壤有机质变异系数最大，为21.08 %；轻度石漠化其次，为20.89 %；中度石漠化最小，为18.47 %。2015年轻度石漠化土壤有机质变异系数最大，为37.14 %；潜在石漠化其次，为25.15 %；强度石漠化最小，为17.36 %。

3 讨 论

随着花江示范区石漠化治理及生态修复工程的实施，特别是区域内以顶坛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，中度和强度石漠化严重等级面积逐渐减少，无石漠化土地面积逐渐增加，土壤有机质和全氮含量随着石漠化等级的变化也产生相应变化。

土壤有机质对生态修复具有明显的指示作用，对于生态修复的响应较快。因此，有机质可作为石漠化治理过程中植被恢复的物种选择、恢复阶段的治理效果的评价指标[11]。但有机质含量受土壤质地、植被类型、土壤归还量和人为种植制度等多因素综合影响，彭佳佳等[12]研究表明，在沙化草地上种植植被后土壤肥力提高，土壤有机质含量显著增加，并且随着植被恢复时间的延长而逐渐提高。花江示范区广泛种植花椒和金银花等经济林，构树、铁线莲和白三叶等灌草丛，以及火龙果等攀援肉质灌木，一定程度上起到水土保持作用，从而减轻了土壤养分的流失，同时枯落物的蓄积和腐蚀分解对增加有机质含量具有很大促进作用。潜在石漠化土壤受除草、施肥及种植作物的影响导致土壤有机质含量低于轻度、中度石漠化退耕还林还草区。

土壤全氮含量变化趋势与有机质变化一致，在无外源氮肥施入的情况下，土壤氮素主要来源于有机质的分解、生物固氮和大气氮沉降。石漠化治理恢复过程中，花江示范区地表植被逐渐恢复，生物多样性明显增加，故土壤全氮含量也趋于增加。然而，2015年土壤全氮含量较2010年略有降低。可能原因：石漠化治理过程中引种如花椒和金银花等均为喜氮植物所致。因此，在生态恢复治理和农事活动中应增加氮肥的施用量。

4 结 论

经过石漠化治理，无石漠化面积从2010年859.57 hm2增至2015年的1066.30 hm2，年动态度为4.81 %；潜在石漠化面积增加42.40 hm2，年动态度为0.94 %；轻度石漠化面积增加7.83 hm2；强度石漠化面积由2010年的628.09 hm2减至2015年的500.81 hm2，平均以25.46 hm2/a的速度递减，年动态度为4.05 %；中度石漠化减少129.66 hm2，年动态度为3.93 %。强度、中度石漠化主要向中度、轻度、潜在和无石漠化等级趋势变化。总体而言，石漠化治理效果得明显，其恶化趋势得到有效控制。花江示范区土壤有机质平均含量由2010年的31.28 g/kg升至2015年的41.83 g/kg，土壤全氮平均含量由2010年的2.22 g/kg降至2015年的1.52 g/kg，土壤有机质和全氮含量均为中等变异，且变异性逐年增大。

从土壤有机质和全氮含量看，2010-2015年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质含量均呈先升后降趋势，轻度和中度石漠化土壤有机质含量明显高于潜在和强度石漠化。2010年不同石漠化等级土壤有机质含量变幅较小，为31.22～33.20 g/kg。2015年各石漠化等级土壤有机质含量变幅较大，为31.54～51.19 g/kg。2010年不同石漠化等级土壤全氮含量接近，变幅很小，为2.18～2.25 g/kg。2015年土壤全氮含量变幅较大，为1.40～1.69 g/kg，与吴育忠[11]的研究结果相近。总之，石漠化治理前(2010年)轻度和中度石漠化有机质和全氮显著高于强度石漠化，石漠化治理后(2015年)潜在、轻度和中度石漠化有机质含量显著高于强度石漠化，不同等级石漠化间差异不显著。

从变异系数看，2010年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质和土壤全氮变异系数均呈先降后升趋势，2015年潜在石漠化至强度石漠化土壤有机质和土壤全氮变异系数呈先升后降趋势，均属中等变异，且变异性逐年增大。有机质变异系数和全氮变异系数2015年的变幅均大于2010年。