基于主成分分析的大渡河中游干暖河谷草地土壤质量评价

李 霞,朱万泽,舒树淼,盛哲良,王文武

1 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041

2 中国科学院大学, 北京 100049

大渡河干暖河谷位于我国西南山区青藏高原过渡带,生态环境脆弱,自然地质条件错综复杂。河谷区为自然灾害的多发地段,多高山峡谷,植被在河谷坡面上作断续带状分布,以灌丛、草丛或稀树灌木草丛为主,植物群落层次结构单一,外貌随干湿季节交替变化明显[1]。河谷两岸有大量裸露坡面,是泥石流、崩塌、滑坡等自然灾害物源的主要来源之一[2-3],也是山区治理中最关键和最困难的一种特殊地域类型[1]。

坡面植被可减缓河流对河谷两岸的直接冲刷,稳定坡面泥石流和滑坡物源,在调节坡面水分、拦截泥沙、网络固结松散土体、维持和提高土壤质量等方面具有重要作用[4]。坡面植被恢复的理想方法是通过自然演替逐渐改善生态系统的微环境,由相对单一的植物群落逐渐恢复成为结构、组成和功能相对复杂的稳定群落[5]。干旱河谷植被恢复应从草地植被恢复入手[6],草地具有生长快,对生存环境要求相对较低等优点,只要灌草丛覆盖度大于60%,即可保护土壤免于侵蚀[7],是快速增加坡面植被覆盖的有效措施,也是植被自然演替重要的一环。大渡河干暖河谷草地面积约106.12 km2,为河谷区植被面积的12.2%,是河谷区重要的植被类型[8],其水土保持功能主要体现在显著地防止风力和水力侵蚀,此外,草地在截留降水、废弃物降解、营养元素循环和维持生物多样性等方面发挥着重要作用[9],也是生物多样性和珍稀动植物物种保护的重要基地[10]。发挥草地生态功能对推进河谷区植被恢复、区域生态平衡维系及促进当地畜牧业发展具有重要的意义[9-10]。

西南干旱河谷植被恢复与重建的关键在于土壤质量的改善[11]。土壤质量作为土壤的一种固有属性,是土壤理化及生物学性质的综合反映,在维持生态系统生物生产力、保护环境质量和动植物健康等方面具有重要作用[12],土壤质量优劣关系到生态恢复进程、演替方向以及整个生态系统稳定性[13],直接影响河谷两岸植被恢复进程,土壤在植被恢复演替过程中的作用已受到广泛的关注[14]。坡向作为山地的主要地形因子之一,虽然相互间的距离较近,但不同坡向土壤含水量、土壤养分等生境因子变化剧烈[15],并影响着相应的植被分布格局[16]。开展大渡河干暖河谷土壤质量评估,可为该区域植被恢复和生态系统功能的可持续性提供科学依据。

大渡河干暖河谷泸定到汉源段是地质灾害多发的中游河谷区,河谷土壤归属于黄红壤[17],王良健等[18]依据该区域河谷土壤理化性质又将土壤归属于山地褐土和山原红壤。随着对土地可持续利用的日益重视,大渡河干暖河谷区土壤质量相关研究也逐渐深入,刘蔚等[19]分析了大渡河中游干旱河谷云南松凋落叶分解和土壤呼吸对降水增加的响应,发现土壤全氮、微生物碳和氮呈现湿季高、干季低的特征,而土壤硝态氮和铵态氮湿季低、干季高,土壤微生物碳与土壤全氮、硝态氮、铵态氮之间存在明显的相关关系。赵琳等[20]研究表明,海拔、坡度、坡向、微地形、土层厚度和土壤质地是大渡河干暖河谷区各立地类型的主要影响因子。但尚缺乏针对大渡河干暖河谷区草地土壤质量的研究报道,鉴于其在大渡河干暖河谷植被恢复及植物群落演替中具有重要作用,本研究从分析大渡河干暖河谷不同坡向类型和植被盖度的草地土壤理化学性质入手,采用主成分分析法评价了河谷区草地土壤质量,分析了河谷坡向和草地植被盖度与土壤质量的关系,研究可为川西干暖河谷土壤管理和植被恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于大渡河中游泸定至汉源干暖河谷区,地理位置102°13′E—102°45′ E,29°14′N—29°82′ N,平均海拔1300 m。流经长度152.4 km,属北亚热带季风气候,干湿季明显,年均气温16.9℃,年均降水量801.3 mm,降雨多集中于6—9 月,约占全年降水量的82.2%[21]。该区域植被群落以灌草为主,根据LANDSAT-TM、HJ卫星遥感数据,采用混合分类法对研究区进行土地利用类型提取,并对天然植被面积和草地面积分析显示,草地约占区域内天然植被面积的10.03%,灌丛主要有多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)、车桑子(Dodonaeaviscosa)等旱生河谷灌丛,草主要有薹草(Carexspp)、白茅(Imperatacylindrica)、黄茅(Heteropogonconiorius)、鬼针草(Bidenspilosa)、芸香草(Cymbopogondistans)、黄背草(Themedatriandravar.japonica)等种类,同时也分布有以云南松(Pinusyunnanensis)及栎类为主的次生针叶林或针阔混交林。该区域土壤主要由砂页岩发育而来,代表性土壤从下到上的垂直序列为褐土—棕壤—暗棕壤,土壤质地轻壤至重壤土,岩性松散,土层浅薄且砾石含量大。

1.2 野外土壤样品采集

于2018年9月和2019年9月分别进行了两次土壤样品采集,沿大渡河流域泸定至汉源干暖河谷,将整个河谷坡面依据坡向划为8 个方位(北、东北、东、东南、南、西南、西、西北),在每个坡向根据植被盖度随机设置5 m × 5 m的草本研究样地,将每个样地分为9个网格,每个网格顺序编号后利用抽签的方法随机抽取3 个网格作为样点,采集样点表层0—20 cm土壤样品,将同一样地内的3 个样点土壤混合作为该样地土壤样品,共采集了102 个样品。其中,植被盖度< 30%的样地12 个,植被盖度为30%—50%的样地33 个,植被盖度为50%—70%的样地48 个,植被盖度> 70%的样地9 个,在相同剖面相应深度处用100 cm3的环刀采集土壤样品,土壤样品收集到自封袋中,带回实验室进行土壤物理化学性质分析。

1.3 土壤理化性质测定

土壤物理性质测定：土壤砾石含量、容重、最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、土壤通气度和土壤排水能力等采用环刀法测定,土壤含水量采用铝盒法测定。

土壤化学性质测定：土壤pH值采用1：2.5电位法,土壤全碳、全氮采用元素分析仪(Elementar vario MACRO cube,Germany)测定；全钾采用氢氧化钠融化法,全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法,有效磷采用碳酸氢钠法,速效钾采用乙酸铵提取法[22]。

1.4 主成分分析

(1)最小数据集(MDS)构建

主成分分析(PCA)可将土壤指标的数量减少到有限的一组向量中,包含若干关键指标,这些指标反映了土壤主要生态功能[23]。通过PCA确定影响土壤质量的最小数据集(MDS),可在一定程度上通过数据筛选,减少参评土壤指标的数量,解决了数据冗余的问题。PCA选择对样本总方差的解释力大于5%的主成分,在所有主成分组别中,只将具有较大特征值的指标保留至MDS中[24]。为了避免数据冗长以及信息丢失的问题,通过计算变量的Norm值(矢量常模)的方法来克服此缺陷,当一个组别中存在大量的土壤指标,并且这些土壤指标都具有代表性时,则选择具有最大Norm值的指标,Norm值的计算公式为[25]：

(1)

式中,Nik为第i个变量在特征值≥ 1的前k个主成分上的综合荷载；Uik为第I个变量在第k个主成分上的荷载,反映了第i个变量在第k个主成分的相对重要性；λk是第k个主成分的特征值。

选出PCA分析特征值≥ 1且主成分中因子荷载绝对值≥ 0.5的土壤指标分为一组,若出现土壤指标同时在两个主成分中的因子荷载值都≥ 0.5的情况,则进行指标间相关性分析,将相应土壤指标归并到与其他土壤指标相关性较低的那一组[26]。土壤指标间的相关性越好,表明土壤指标的作用效果相近,相关性较高的土壤指标只有一个可以入选MDS,其余将被剔除[27]。

1.5 土壤质量进行评价

将确定的MDS各指标数值标准化处理为0—1的无量纲值,再根据各指标公因子方差通过式(2)计算其相应权重：

(2)

式中,Wi为指标权重；Ci为该指标公因子方差；n为最小数据集指标数。

最后,指标得分通过式(3)被整合为一个综合指数,即土壤质量指数(SQI)[27]:

(3)

式中,Qi为评价对象的质量指数；Wi为第i个评价指标的权重；Cij为评价对象i在第j个评价指标的值(无量纲值),其中n= 9,m由各植被类型所采集土壤样品数而定。

利用SPSS 16.0软件的Descriptive Statistics进行最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数分析,利用Factor Analysis进行相关性分析、主成分分析,土壤指标的相关性分析检验在0.05或0.01显著性水平上进行,图表绘制使用Origin和Excel完成。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

土壤物理化学性质是反映土壤综合质量的重要指标。大渡河干暖河谷区草地土壤理化性质分析显示(表1),土壤pH值在5.380—8.780之间,变异系数最小,其中弱碱性样地占样地总数的75%,弱酸性样地占25%,研究区土壤以弱碱性为主；土壤有效磷变异系数大于1,为强变异指标,说明该区域草地土壤有效磷具有强烈的空间异质性,其余土壤理化指标变异系数均在0.1—1的范围内,属于中等变异。整体来看,研究区土壤理化性质在中等变异范围内。

表1 土壤指标的描述性统计

2.2 最小数据集(Minimum data set, MDS)的确定

基于13个土壤理化指标的主成分分析结果见表2,表中列出PCA分析所得4组主成分特征值均大于1,解释了研究区理化指标对土壤质量影响的77.37%。土壤质量指标的公因子方差分析表明,4组主成分能解释土壤有机质90%以上的差异,砾石含量、容重、土壤含水量、毛管空隙度、全氮、碳氮比、速效钾和速效磷80%以上的差异,非毛管空隙度、p H值、全钾及全磷约70%的差异(表2)。选择各主成分组荷载因子绝对值≥ 0.5的指标组成4组主成分分析MDS备选指标,其中,第1组包括砾石含量、有机质、速效钾、全磷和全钾；第2组包括土壤含水量、碳氮比和有效磷；第3组包括毛管空隙度和非毛管空隙度；第4组包括容重和全氮。

表2 土壤指标主成分分析的结果及公因子方差和分组

Pearson相关性显著的土壤指标中仅一个可入选MDS,其余被剔除,如果一个指标与其他指标间高度加权的相关不显著,则保留为最小数据集。在分组1、3中,分别将Norm值最大的有机质和非毛管孔隙度纳入MDS; 在分组2中,土壤含水量Norm值大于碳氮比和有效磷,但碳氮比与土壤各指标相关性小于土壤含水量和有效磷,因此,选择碳氮比进入MDS,以同样的方法将分组4中的容重纳入MDS。最终确定的大渡河干暖河谷草地土壤质量MDS包含土壤非毛管孔隙度、容重、有机质和碳氮比等4个指标。

通常干旱河谷、干暖河谷植被状态的主要限制因素是土壤水分条件,但水分含量与土壤容重显著相关(P< 0.1),根据显著相关的指标选择Norm值最大的指标归入MSD的原则,本文土壤含水量没有纳入MSD中,这也与大渡河干暖河谷中游区降水量差别不大,造成各样地土壤水分含量异质性不大有关。

2.3 草地土壤质量指数

根据最小数据集(MDS)的公因子方差,运用公式(2)计算出最小数据集各土壤质量指标的权重(表3),再根据公式(3)计算出草地土壤质量指数(SQI)。

表3 最小数据集(Minimum data set, MSD)中的土壤指标的公因子方差及权重

图1 最小数据集(MSD)土壤理化指标对土壤质量指数的影响

MDS中各理化指标对土壤质量指数的影响见图1,非毛管孔隙度对草地土壤质量的影响为最大,土壤质量指数分布在0.033—0.115,均值为0.077；碳氮比对土壤质量影响最小,其土壤质量指数分布在0.02—0.064,均值为0.048。MDS中各土壤理化指标对土壤质量指数的影响大小依次为：非毛管孔隙度> 容重> 有机质> 碳氮比。

研究区不同坡向草地土壤质量存在一定差异(图2),可根据SQI高低分为2 组,其中,SQI较高的一组东北坡> 东坡> 西坡> 北坡,SQI较低的一组西南坡> 南坡> 东南坡> 西北坡,SQI总体呈现由东北向西南递减的趋势,表明大渡河干暖河谷草地土壤质量的坡向空间变异较大。东北坡、东坡和北坡SQI受土壤容重的影响较大；东南坡、南坡、西坡、西北坡、西南坡SQI受土壤非毛管空隙度的影响较大；不同坡向MSD各指标SQI平均值：非毛管空隙度> 容重> 有机质> 碳氮比,非毛管空隙度对土壤质量影响最大。

图2 坡向与土壤质量指数(SQI)之间的关系

图3 植被盖度与土壤质量指数(SQI)之间的关系

植被盖度是评估土地退化的有效指数[28]。由图3可知,大渡河干暖河谷土壤质量随着植被盖度的减少而降低,与盖度> 70%的草地土壤相比,50%—70%、30%—50%和< 30%盖度的草地SQI分别降低了12.9%,33.7%和37.9%。土壤容重与植被盖度具有较好相关性,随着草地植被盖度的减少,土壤容重对土壤质量的影响增强,非毛管孔隙度、土壤有机质和碳氮比则逐渐减弱。植被盖度< 30%草地MDS各指标土壤质量指数：土壤容重> 非毛管孔隙度> 有机质> 碳氮比,而> 70%盖度草地MDS各指标土壤质量指数：非毛管孔隙度> 有机质> 土壤容重> 碳氮比,表明低植被盖度土壤质量主要受土壤容重和非毛管孔隙度的影响,而高植被盖度土壤质量主要受土壤非毛管空隙度和有机质影响。

磷和钾是植物生长必须的营养元素,也是土壤肥力的重要组成分。本文分析发现这两项指标并非影响大渡河干暖河谷草地土壤质量的主要指标。为了评价钾和磷对土壤质量的影响,本文将磷和钾分别加入重建MSDⅠ和MSD Ⅱ。土壤全磷除与有效磷显著相关外,还与砾石含量、容重、含水率、非毛管孔隙度和速效钾等5个指标显著相关,而有效磷则与容重、含水率、毛管空隙度和全钾等4个指标显著相关(表2),按照相关性较高的土壤指标只有一个可以入选最小数据集,并且应选择与其他指标相关性较弱的指标进入最小数据集的原则,将有效磷纳入新建的最小数据集Ⅰ(MSDⅠ),同时去掉与其显著相关的土壤容重指标,MSDⅠ包括有效磷、有机质、非毛管空隙度和碳氮比等4个指标。以相同的方式重建钾对土壤质量的影响最小数据集Ⅱ(MSDⅡ),包括速效钾、有机质、非毛管孔隙度和容重等4个指标,通过公式(2)和(3)分别计算对SQIⅠ和SQIⅡ进行计算。

由图4可知,MDSⅠ中,对土壤质量的影响最大的是土壤有机质含量,SQIⅠ集中分布在0.047—0.116,均值为0.090；有效磷对土壤质量影响最小,SQIⅠ分布在0.007—0.024,均值较土壤有机质降低了61.1%,也低于MDSⅠ中其他指标,可见,土壤有效磷并非影响大渡河干暖河谷区草地土壤质量的核心土壤理化指标；将速效钾纳入MDSⅡ后,对土壤质量的影响最大的是容重(图5),SQIⅡ分布在0.030—0.164,均值为0.109,速效钾对土壤质量影响最小,SQIⅡ集中分布在0.015—0.046,均值较土壤有机质降低了68.8%,土壤速效钾也非影响大渡河干暖河谷区土壤质量的核心土壤理化指标。因此,本文评价大渡河干暖河谷草地土壤质量所使用的MSD是合理的。

图4 最小数据集(Minimum data setⅠ, MSDⅠ)土壤理化指标对土壤质量指数的影响

图5 最小数据集(Minimum data set Ⅱ, MSDⅡ)土壤理化指标对土壤质量指数的影响

2.4 土壤质量等级划分

本文用“箱形图”表征各植被类型土壤质量指数分散情况,分析土壤质量分布特征(图6),将研究区的土壤质量分为由低到高的Ⅰ—Ⅳ级,各级别土壤质量指数分布情况如下：Ⅰ级0.069—0.190,Ⅱ级0.190—0.251,Ⅲ级0.251—0.344,Ⅳ级0.344—0.567。根据各坡向SQI将东北坡划分为Ⅳ级,东坡、西坡、北坡是Ⅲ级,西南坡、南坡和东南坡是Ⅱ级,仅西北坡是Ⅰ级。不同草地植被盖度土壤质量均值分级均在Ⅱ级以上,可见,坡向对土壤等级的划分更加细致准确,Ⅱ级和Ⅲ级等中间级别分布较多,参照第二次全国土壤普查中所采用的6级土壤肥力的分级标准[29],大渡河干暖河谷区草地土壤肥力在2—4级之间,也属于中等肥力水平。

图6 土壤质量等级划分

3 讨论

3.1 坡向对土壤质量的影响

坡向对河谷区土壤生境因子(土壤含水量、土壤养分)影响较大[15]。本研究发现,大渡河干暖河谷区草地土壤质量从东北坡到西南坡逐渐降低,与吴昊[30]与刘旻霞等[31]关于土壤因子对坡向的响应研究结果一致。由于北半球南坡所接受的太阳辐射明显强于北坡,且日照时间长,蒸发量大,在河谷区南坡形成热而干旱的微气候,而北坡则正好相反[31],受这些因素的影响,南坡土壤矿化作用远高于北坡,地温变化更剧烈,进而对土壤微生物活性产生不利影响[32]。相对而言,北坡光照恒定,地温趋于稳定,更有利于土壤动物和微生物活动[33]。在草地生态系统服务功能中,土壤微生物的生物化学活性对土壤肥力影响较大,进而影响草地植物生长发育与土壤健康状况[34],导致北坡土壤有机质及氮素的分解和转化速率相对低于南坡,更有利于养分积累。

3.2 植被盖度对土壤质量的影响

植物群落的变化总是与土壤相关联,土壤为植被的存在和发展提供必要的物质基础,土壤质量的变化会在一定程度上影响植被的变化,反过来植被的变化也会影响土壤发育[35-36]。大渡河干暖河谷区草地土壤质量随着植被盖度的减少而降低,这与尚占环[37]和刘鑫[23]等有关草地土壤质量与植被盖度关系的研究结果一致,随着生态系统的退化,草地表层失去植被保护导致表层土壤养分流失[38],进而降低了土壤质量。

本研究发现高盖度草地土壤质量主要受非毛管空隙度影响,非毛管孔隙度大则土壤通透性强,有利于土壤生物(土壤动物、微生物)生长和土壤有机质含量增加[39],从而促进了主要来源于植物根、土壤微生物、植物和动物残留物的土壤酶增加,有利于土壤质量的提高[40]。反之,土壤质量的恶化也体现在土壤微生物和土壤动物的生存与繁衍受到严重威胁[41]。低植被盖度草地土壤质量主要受容重影响,容重、有机质是表征土壤理化性质的重要参数,对土壤肥力状况、结构稳定性及抗蚀性能有着重要的影响[42],容重越大,土壤越紧实,导致土壤通气性小,不利于土壤动物和微生物的生存和活动,从而降低了土壤有机质的形成与转化速率,使土壤质量降低。此外,虽然河谷区土壤粘化作用微弱,钙化作用明显,潜在肥力水平较高,但由于焚风效应和干湿季节分明的气候特点,河谷区土壤水分的限制作用降低了土壤有效性肥力的转化形成[43-44],也不利于土壤质量的提高。土壤容重较高是导致河谷区低植被盖度的草地土壤质量指数较低的主要原因。

3.3 土壤磷和钾对土壤质量的影响

土壤磷和钾作为植物生长必须的营养元素是土壤质量研究中的重要因子。本研究发现磷和钾并非影响大渡河干暖河谷草地土壤质量的主要指标,这与磷和钾含量的高低和分布与地形、母质等自然因素有关,主要决定于母质[45],干暖河谷具有的光热资源及水热条件有利于土壤中钾和磷的释放,河谷区土壤潜在肥力水平较高[43-44],土壤中磷和钾供给量与植被盖度之间无明显的关系[46],未对草地植物生长造成显著影响。

3.4 土壤质量评价

大渡河干暖河谷区草地质量分级表明,土壤质量中间级别占比大,且大多处在2—4级的中等肥力水平。总体来看,该区域草地土壤质量较好,潜在肥力水平较高,对于植物生长和植被演替十分有利,是今后植被人工恢复和重建的重点区域。在大渡河干暖河谷区植被恢复过程中,应综合考虑区域土壤特性、植被群落情况、地形地貌、气候条件和管理措施等因素,科学开展裸地和稀疏草地植被恢复,促进大渡河干暖河谷植被生态治理,增强干暖河谷水土保持能力。草地土壤质量评价为植被恢复过程中各环境因子调节以及生态系统多元功能之间的权衡提供了科学依据,提供未来发展变化趋势的有效预警,使草地系统在科学的调控下可持续发展。