石漠化治理区不同生态恢复模式土壤质量评价

2019-09-05刘子琦朱大运李开萍

水土保持研究 2019年5期

孙建, 刘子琦, 朱大运, 李渊, 李开萍, 王进

(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)

土壤是植物生存发展的重要载体，为植物生长发育提供了必要的养分补给。土壤质量是维持动植物生存发展、保护土壤环境的能力[1-2]，是衡量土壤环境状况的重要表现，能够在一定程度上反映出某地区土壤管理情况及土壤自身的恢复能力[3]。喀斯特地区地表起伏大，岩石裸露率高，水土流失严重，加上土层薄，土壤总量不足，空间分布不均[4-5]，导致石漠化地区环境容量小，生态环境脆弱，一定程度上抑制了当地生态环境和社会经济的发展[6]。针对该情况，植被恢复成为了石漠化地区脆弱生态系统改善、土壤质量维系、社会经济可持续发展的有效方式之一[7]。近年来，随着石漠化治理工作的开展，众多学者在生态恢复和经济发展研究上取得了显著成效，但就植被土壤质量的维护与管理仍存在疏忽。因此加强石漠化地区不同生态恢复模式土壤质量的监测评价，对土壤环境效益提升和石漠化治理生态恢复模式筛选具有重要的意义。

近期，学者采用土壤质量评价方法对不同时空尺度的混合林地土壤质量开展了相关研究。周玮等[8]通过土壤质量综合指数法和退化指数法对花江峡谷喀斯特区不同土地利用类型土壤质量进行研究，得出灌木林土壤质量高于乔木林、人工林、耕地和草坡；刘伟玮等[9]采用统计学方法和经验法研究辽东山区林参复合经营林土壤质量，表明针阔混交林土壤质量较高；李静鹏等[10]运用典范对应分析和因子分析方法研究自然保护区内森林土壤肥力，指出稀树灌丛土壤质量优于常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林；龙健等[11]计算了石漠化地区的土壤退化指数，认为3 a内草地和退耕蒿草地发生严重退化；陈祖拥等[12]构建了土壤质量评价体系，采用因子分析法得出山区植被退化土壤质量随退化程度的加深而降低；庞世龙等[13]通过综合敏感性分析、主成分分析和相关性分析方法研究石漠化地区不同植被恢复模式土壤质量，表明香樟树土壤质量高于顶果木、柚木和银合欢；苏跃等[14]利用多重比较分析法得出土地利用模式从阔叶林地到灌木林地再到灌丛草地方向的演变过程中，土壤质量逐渐降低。

现阶段对土壤质量评价多集中于乔木林和灌木林地，而对石漠化治理特殊的生态恢复模式对比研究较少。因此，本文主要以花椒、金银花、核桃和撂荒地4种石漠化地区不同生态恢复模式为主要研究对象，通过土壤质量综合指数评价方法研究不同生态恢复模式下不同土层的物理、化学和生物指标分布状况，探讨不同生态恢复模式土壤养分的分布特点及各养分指标的相关性特点，全面分析评价每种生态恢复模式土壤质量情况，以得出生态效益最佳的作物物种，为石漠化地区的土壤质量的改良提供科学合理的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省贞丰县北盘江镇石漠化治理示范区(105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N)是典型的喀斯特高原峡谷区域，总面积约5 100 hm2，喀斯特面积占87.92%。示范区内石漠化面积分布较广，以中度—强度石漠化等级为主，占比高达90.7%，潜在—轻度等级石漠化占比9.3%。地貌类型以峰丛洼地为主，平均海拔950 m。气候属亚热带干热河谷气候，全年光热充足，夏季炎热，冬季温和；雨热同季，主要集中在5月到8月，雨季降雨占年降雨量80%以上。研究区内石灰岩遍布，水热丰富，岩溶作用剧烈，由于不合理的人类活动，地表植被覆盖率低，水土流失严重，大面积岩石裸露，出现大量溶沟、石芽、石缝等石漠化景观。花椒、金银花和核桃是该地区典型的植被恢复模式，20世纪90年代，贞丰县推广顶坛花椒的种植以及金银花的引入，形成了当地独具特色的石漠化治理模式[15]，带来了可观的经济收入[16]。

为了最大限度的保证可比性，减少因地貌差异引起的结果误差，在样地选择上严格控制海拔、坡度、坡向的一致性。研究共选取12个20 m×20 m样地，每种生态恢复模式选取3个平行样地，每个样地内设置3个土壤采样点对每种作物类型的土壤样品进行采集。花椒、金银花和核桃地中均为单一的植物类型，撂荒地上为稀疏杂草。各生态恢复模式样地的基本情况见表1。

表1 研究区不同生态恢复模式信息

1.2 数据获取

本试验于2017年4月末在研究区内花椒、金银花、核桃和撂荒地4种不同石漠化生态恢复模式样地中采集土壤样本，用于对每种生态恢复模式的物理、化学和生物指标的测定，进而分析其养分分布情况及土壤质量状况。

物理性质：每个固定土壤样地内采取3个环刀土，环刀土每10 cm采集一次，采集深度为30 cm，3个平行样地共采集环刀土9个。对环刀及采集的样品及时进行称重记录，便于后期试验操作。

化学性质：按照“S”形采集线路每个样地采集9个土壤样品，采集深度为20 cm，分别在0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm取3个土样，每个样地共计27个土样。土样带回实验室去除植物根系、腐叶和石块等杂质，经自然风干，最后按照各项指标需求进行过筛处理，为后续试验做好准备。

生物性质：采样方式与化学土壤一致，新鲜样品经去除植物根系、腐叶和石块等杂质，保鲜于4℃的冰箱内，以备后续试验所需。

分析测定方法按照国家标准方法进行[17-18]。

1.3 数据分析

数据的统计分析主要在Origin和SPSS 22.0软件中进行。参照相关研究方法[19-21]，采用主成分分析计算出各项土壤指标在所有特征值≥1的主成分(PC)上的载荷值。

1.3.1 确立最小数据集通过主成分分析计算出各项土壤指标的载荷值后，对各项指标进行分组。将同一主成分(PC)中载荷值≥0.5的指标归为一组，若出现同一土壤指标在两个主成分上均≥0.05，则将该土壤指标参数与其他相关性较低的土壤指标参数归为一组；由上述分组原则对各项指标进行分组，根据公式(1) 分别计算出各项土壤指标的Norm值，选取每组中Norm值在最高总分值10%范围内的指标，进一步分析每组中所选取指标间的相关性，若所选指标间高度相关(γ>0.05)，则Norm值最高的土壤指标进入最小数据集；若同一主成分中有且只有一个指标的载荷值≥0.05，则该项指标直接进入最小数据集。由此最终确定最小数据集。

(1)

式中：Norm值Nik越大,解释综合信息的能力越完全，其中表示为第i个变量在特征值>1的第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；λk则表示为第k个主成分的特征值。

1.3.2 隶属度函数标准化通过隶属度函数计算各项土壤指标的隶属度值。隶属度函数分为S升型隶。

属度函数和S降型隶属度函数。根据已进入最小数据集的各项土壤养分指标与土壤养分的关联性，确定其所属隶属度函数类型。

S升型隶属函数公式：

(2)

S降型隶属度函数公式：

(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 综合评价法的计算基于模糊数学中的加权求和法，将土壤质量评价结果转换为0.1～1的具体数值，通过公式(4) 计算出土壤质量综合得分，具体判断不同生态恢复模式中土壤质量的优劣情况。

(4)

式中：Wi为权重，是主成分分析中第i个指标所在PC的方差贡献率与特征值大于1的所有PC的方差贡献率总和比值，数值为0～1.0；Ni为各指标隶属度值。

2 结果与分析

2.1 土壤养分指标的统计特征

2.1.1 不同生态恢复模式土壤物理性状据表2可知，不同生态恢复模式0—10 cm土层土壤物理指标呈现出以下特点：花椒地土壤含水量和总孔隙度最高，土壤容重最低，与其他恢复模式差异显著；电导率撂荒地>核桃>金银花>花椒。不同生态恢复模式间各项物理指标呈现显著性差异，总体表现出花椒地土壤物理性质较其他3种植被优越，其含水量相对较高，土壤较为疏松且孔隙度大，土壤盐分含量较低。撂荒地物理性状相对较差，表现为土壤内水分含量低且土壤紧实，土壤容重大，透水性欠佳。

表2 不同生态恢复模式土壤物理性状

注：同列不同小写字母表示不同生态恢复模式间差异显著(p<0.05)。

2.1.2 不同生态恢复模式土壤化学性状同一生态恢复模式下不同土层与同一土层不同生态恢复模式下各项土壤指标呈现出一定的差异(表3)。同一土层中花椒和撂荒地的pH值差异不显著，二者与金银花和核桃呈现出显著性差异。0—5，5—10 cm土层土壤有机碳金银花>花椒>核桃>撂荒地，花椒与金银花差异不显著，与核桃和撂荒地呈现出显著性差异，花椒地土壤有机碳含量分别是核桃和撂荒地的1.56，1.40倍。土壤有机碳随土层加深而减少,而pH值先升高后降低。

0—5，5—10 cm土层全氮含量表现为花椒>金银花>核桃>撂荒地；0—5 cm土壤全磷含量花椒>金银花>核桃>撂荒地，花椒与其他样地呈现出显著性差异，分别是金银花、核桃和撂荒地的1.09，1.14，1.26倍。而5—10 cm和10—20 cm土层中全磷含量表现为金银花>花椒>核桃>撂荒地，土壤全钾含量花椒>撂荒地>金银花>核桃。不同生态恢复模式下土壤全氮、全磷、全钾均表现出随着土层的加深而减少的趋势，且各土层间呈现出显著性差异。

土壤水解氮和有效磷均含量表现为金银花>花椒>核桃>撂荒地，随土层加深，水解氮均呈现出先减少后增加的规律；5—10 cm土层中金银花地全磷含量显著增加，花椒、核桃和撂荒地全磷含量随土层增加而减少；土壤速效钾含量总体表现为花椒>撂荒地>金银花>核桃，4种不同生态恢复模式速效钾含量均随土层的增加而减少。

表3 不同生态恢复模式土壤化学性状

注：同行不同大写字母表示同一土层不同生态恢复模式间差异显著；同列不同小写字母表示同一生态恢复模式不同土层间差异显著(p<0.05)。

2.1.3 不同生态恢复模式土壤微生物生物量变化

根据图1可知，0—5 cm层撂荒地土壤微生物量碳、氮(MBC，MBN)与其他恢复模式相比，均呈现出一定劣势，尤与花椒呈现出显著差异，表现为金银花>花椒>核桃>撂荒地；5—10 cm土层中核桃地的MBC和撂荒地的MBN含量最低；10—20 cm土层中撂荒地的MBC和MBN含量最低，而金银花和花椒的MBC，MBN含量较高。0—5 cm土层中金银花、花椒与核桃MBN和MBC含量分别是撂荒地的1.18，1.43，1.22倍和1.27，1.42，1.19倍。该层中4种不同恢复模式MBC与MBN含量范围分别为200～283 mg/kg，49～70 mg/kg；5—10 cm土层中MBC与MBN含量范围为120～200 mg/kg，35～48 mg/kg，10—20 cm土层中为125～170 mg/kg，37～46 mg/kg，总体上看，随着土层的加深，MBC和MBN含量整体下降。

2.2 最小数据集对比分析

选取土壤容重、土壤总孔隙度、氮、磷、钾等14个指标进行主成分分析，结果显示：KMO=0.788，sig.=0.001小于显著水平0.05，适合主成分分析。

根据表4，经SPSS 22.0进行主成分分析后，提取出前4个大于1的特征值，其累计贡献率为77.30%，根据公式(1) ，计算出各指标的Norm值。据前文所述分组原则，将各项土壤养分指标进行分组(表5)，不同生态恢复模式土壤养分指标最终筛选为：水解氮、有效磷、有机碳、全磷、含水量、全氮和pH值。其中，水解氮和有效磷属于PC1，有机碳和全磷属于PC3，含水量和全氮属于PC4，pH值属于PC2。存在同一主成中具有多个高荷载变量因子，按照上述方法，将同一主成分中筛选出的养分指标进行相关性分析，相关性分析结果见表6，PC1中，水解氮和有效磷显著相关(p<0.01)，选择Norm值较大的养分指标进入最小数据集，水解氮(2.430)>有效磷(2.426)，故水解氮进入最小数据集；PC2中，仅有pH值一项指标，依据上述原则，故该指标直接进入最小数据集；PC3中，有机碳和全磷显著相关(p<0.01)，对比两指标Norm值可知：全磷(1.346)>有机碳(0.975)，因此，全磷进入最小数据集；PC4中，土壤含水量和全氮不显著相关，因此二者均进入最小数据集。综上，最终进入最小数据集的指标分别为pH值、全氮、水解氮和全磷。pH，即土壤酸碱性，是土壤肥力的一项重要的指标[22]，对土壤环境中的微生物种类和数量起到一定的决定作用[23]。全氮是植物生长必须的营养元素，对植物的生长发育有密切关系[24]；全磷与水解氮也对土壤质量和植物体的生长产生较大的影响[25]。

注：不同大写字母表示同一土层不同生态恢复模式间差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一生态恢复模式不同土层间差异显著(p<0.05)。

图1 不同生态恢复模式土壤微生物生物量氮、碳含量

表4 前4个大于1的特征值

表5 土壤养分的各个主成分载荷矩阵

2.3 土壤质量的综合评价

确定进入最小数据集的指标后，因各指标量纲不同，需利用隶属度函数对最小数据集进行标准化处理。各指标中，与土壤养分存在正效应关联的指标选取S升型隶属度函数进行处理，反之，与土壤养分存在负效应关联的指标采取S降型隶属度函数处理。土壤pH值具有固定的合理范围，其含量过高或过低都会对土壤质量产生负面影响，因此pH值属于S降型隶属度函数；土壤全氮、全磷和水解氮与土壤养分存在正效应关联，因此，属于S升型隶属度函数。根据各项指标所属隶属度函数类型，通过公式(2) 、公式(3) 计算出各隶属度值，根据公式(4) 中权重系数的计算方法，得到不同指标的权重系数，结果见表7。

表6 同一主成分中多个高荷载变量因子相关性分析

注：**表示p<0.01。

表7 土壤养分隶属函数与权重值

根据上述方法，将贞丰—北盘江示范区不同生态恢复模式下的土壤养分进行定量化评价。通过得出的隶属度值与权重系数，利用公式(4) 计算出不同生态恢复模式下土壤质量综合得分分别为花椒(0.671)>金银花(0.664)>核桃(0.597)>撂荒地(0.589)(图2)，花椒和金银花地的土壤质量表现出明显的优越性，而核桃和撂荒地土壤质量欠佳。

图2 不同生态恢复模式土壤质量综合指数

3 讨论

3.1 不同生态恢复模式土壤物理性状

数据统计结果表明，花椒地土壤物理性质表现出绝对的优势，各项指标均大于其他模式。主要是由于花椒为多年生植物，生长较为缓慢且耐旱，3—4月期间花椒对水分需求相对较少[26]，其根系对浅层土壤的影响较大，改善了土壤物理性质，因此表现出一定的优势。金银花地土壤物理性质仅次于花椒，但就其含水量指标来看，较花椒和核桃地差，4月份正处于金银花的生长期，生长过程中对土壤水分需求较大，降低了土壤含水量低，增大了容重[27]。撂荒地土壤物理性质表现出明显的劣势，主要是撂荒地杂草稀疏，裸露土壤面积所占比例较大，土质较紧实，加上研究地位于干热河谷地段，土壤水分蒸发强烈，因此导致撂荒地土壤总孔隙度和土壤含水量较低，容重较高。

3.2 不同生态恢复模式土壤化学性状

从同一土层不同生态恢复模式角度来看，花椒、金银花、核桃和撂荒地4种不同生态恢复模式土壤化学养分含量总体表出现花椒>金银花>核桃>撂荒地的规律。花椒在种植过程中无翻耕行为，植株体积较小且根系埋藏浅，凋零枯落叶在表层土壤积累，导致花椒地土壤养分总体高于其他样地；金银花地由于植物体本身对土壤进行覆盖且根系生长较浅，因此其土壤内微生物含量较高，微生物对养分具有一定的分解作用[28]。核桃地土壤未表现出明显的养分优势，推测原因为核桃属于深根系乔木，对表层土壤的影响较小[29]；撂荒地各项化学指标明显偏低，这是由于撂荒地土质紧实，植物生长较困难，相对裸露的地表遇高温天气时，表层土壤环境不佳，土壤微生物较少。加上喀斯特石漠化地区土层薄，水土养分流失严重[30]，致使养分流失大于积累。

从同一生态恢复模式不同土层角度来看，不同生态恢复模式养分含量的变化总体呈现出随着土层加深而逐渐减少的规律，与赵娜等[28]的研究结果一致。花椒、金银花和核桃的表层土壤均存在枯枝落叶的积累，土壤养分的表层富集现象明显，土层越深，相应的各项养分来源相对表层不足，呈现出下降的趋势。部分指标出现5—10 cm土层相对较高，这是由于受到表层降雨的冲刷，养分随雨水渗入中间土层，使部分养分指标在中间土层集中[31]。

3.3 不同生态恢复模式土壤生物学性状

不同生态恢复模式中，土壤微生物量总体上表现出金银花>花椒>核桃>撂荒地的规律，金银花地土壤中微生物含量表现出一定的优势，金银花地中地表具有枯落物积累，且金银花属藤蔓型植物，经植物体覆盖的地表存在相对较多的有机物和根际代谢物，为土壤中微生物活性提供了环境基础[32]。

土壤微生物表现出随土层深度的加深而逐渐减少的趋势。主要受到地表枯落物等影响，输入到地表的有机质含量丰富，而较深土层输入较少。金银花地0—5 cm土层土壤微生物含量要高于花椒，但其养分含量要比花椒低，可能是金银花地表层土壤存在的微生物较为丰富，将一定的碳和氮固定在自身体内中，导致土壤中所含养分较低[33]。

3.4不同生态恢复模式土壤质量综合评价

本研究中，4种生态恢复模式样地在20 cm土层内均表现出随着土层深度的加深，各营养指标总体出现下降的趋势，说明石漠化地区土壤养分表层富集明显，其受外界环境影响较大，与鲍乾等[34]喀斯特高原峡谷不同恢复模式土壤养分具有“表聚效应”的研究结论一致；与短年限撂荒地相比，花椒、金银花样地土壤物理性状较好，养分含量总体偏高，土壤微生物生物量明显改善，撂荒地土壤质量呈现出明显的劣势，与李永强等[35]等对2 a，4 a，22 a，33 a撂荒地土壤理化性质进行研究，表明随着撂荒年份增加，主要养分元素均出现先降低后增加趋势的结论相符。根据土壤质量综合指数评价结果，表明花椒和金银花样地土壤质量相对较高，说明花椒和金银花对当地土壤环境具有明显积极影响。研究认为，贞丰—北盘江石漠化治理示范区引入花椒和金银花，改善了该地区的土壤环境质量，产生了积极地生态环境效益。