石漠化演替過程中土壤肥力質(zhì)量綜合評價(jià)

鐘 杰，蔣新革 ，吳立潮，曹福祥，謝練武

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.廣西國有三門江林場， 廣西 柳州 545006）

石漠化演替過程中土壤肥力質(zhì)量綜合評價(jià)

鐘 杰1，蔣新革2，吳立潮1，曹福祥1，謝練武1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.廣西國有三門江林場， 廣西 柳州 545006）

通過對湖南省中部地區(qū)不同石漠化程度的樣地進(jìn)行植被調(diào)查及土壤樣品分析，并結(jié)合主成分分析方法，探討了石漠化（RD）演替對土壤綜合肥力的影響。結(jié)果表明：石漠化演替對土壤相關(guān)肥力指標(biāo)有不同程度的影響，其中有機(jī)質(zhì)（OM）和全氮（TN）變化規(guī)律為潛在石漠化（PRD）＞輕度石漠化（LRD）＞中度石漠化（MRD）＞重度石漠化（SRD），其它肥力指標(biāo)變化與石漠化演替方向不完全一致；石漠化演替中土壤微生物量（C、N、P）變化幅度較大，分別為251.08～124.26、31.40～69.42、2.13～4.45 mg·kg-1；土壤綜合肥力大小為PRD＞MRD＞LRD＞SRD；土壤OM、TN、全磷（TP）、陽離子交換量（CEC）、微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、微生物量磷（MBP）、容重（BD）與綜合肥力關(guān)系密切，可作為石漠化土壤肥力評價(jià)的核心指標(biāo)。土壤肥力退化與石漠化演替方向基本一致，但地區(qū)差異和人為干預(yù)也對石漠化土壤肥力產(chǎn)生巨大影響。

石漠化；土壤肥力質(zhì)量；綜合評價(jià)；湘中

石漠化是相對于沙漠化的另一種荒漠化形式。石漠化的形成與發(fā)展是以熱帶、亞熱帶地區(qū)巖溶的高度發(fā)育為背景，以人類強(qiáng)烈的不合理干擾為驅(qū)動(dòng)，以植被嚴(yán)重退化、土壤嚴(yán)重侵蝕、土壤肥力急劇降低并出現(xiàn)類似荒漠化景觀為表現(xiàn)形式[1]。世界范圍內(nèi)，巖溶面積約2 200萬km2，占陸地面積的15%[2]，中國是世界上巖溶分布最廣泛的國家，主要集中于以貴州為中心的西南八省，連片巖溶面積約54萬km2，該地區(qū)人口數(shù)約1億，其中少數(shù)民族人口數(shù)量約3 500萬，是我國最大的邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)之一[3]。在這些貧苦地區(qū)，人們不合理的土地利用加之巖溶地區(qū)本身生態(tài)環(huán)境脆弱的特點(diǎn)，石漠化以極快的速度發(fā)展，已成為抑制我國西南經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因子之一，也減緩了我國全面可持續(xù)發(fā)展的步伐。1994年和2003年，中國科學(xué)院先后2次向國務(wù)院提交關(guān)于推進(jìn)西南喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理的若干建議[4-5]，石漠化治理已提升至國家目標(biāo)高度。

土壤肥力作為土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)，直接影響著土壤生產(chǎn)力。對石漠化土壤肥力的研究一方面能摸清當(dāng)?shù)赝寥婪柿顩r，指導(dǎo)合理利用土地，另一方面還能探究土壤肥力隨石漠化演替的變化特征，探索土壤肥力退化本質(zhì)，從而為石漠化土壤改良和綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。目前，有關(guān)石漠化土壤質(zhì)量的研究大多只關(guān)注土壤單個(gè)肥力指標(biāo)的變異[6-8]，而對于石漠化演替中土壤綜合肥力的變化特征研究極少。本研究以土壤各肥力指標(biāo)隨石漠化演替的變化為基礎(chǔ)，運(yùn)用主成分分析法計(jì)算了土壤綜合肥力，并探討了其隨石漠化演替的變化規(guī)律及本質(zhì)特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于湖南省中部，涉及隆回、新邵、邵東、漣源、新化5個(gè)縣，介于N26°50′～28°2′、E110°45′～ 112°50′之間，該片區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫約17.2 ℃，年均降水量約1 411.4 mm，年均相對濕度80%，該地區(qū)冬冷夏熱，四季分明，溫差變化大。地貌類型多樣，以崗地、低山、丘陵為主。樣地均選在石灰?guī)r地區(qū)，以碳酸鹽為主，此類巖石容易淋溶風(fēng)化，加速水土流失，促進(jìn)石漠化發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)[9]，截至2010年，湖南省石漠化土地面積達(dá)1.48萬km2，占巖溶面積的27.22%，其中湘中石漠化面積約3 875.85 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及樣品采集

在研究區(qū)范圍內(nèi)，首先根據(jù)湖南省林業(yè)廳2011年制定的《湖南省石漠化監(jiān)測實(shí)施細(xì)則》相關(guān)要求，以植被總蓋度、基巖裸露率、土層厚度及植被類型4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行石漠化等級劃分，然后隨機(jī)選擇潛在石漠化（PRD）、輕度石漠化（LRD）、中度石漠化（MRD）和重度石漠化（SRD）樣地各5個(gè)，共20個(gè)樣地（見表1）。在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置一個(gè)20 m×20 m的樣方，在樣方內(nèi)按S形采集0～20 cm深度的土壤樣品8～12個(gè)并混勻，用四分法取約1 kg土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、去雜、過篩，用于土壤化學(xué)指標(biāo)和機(jī)械組成測定，同時(shí)取約200 g鮮樣保存于4 ℃冰箱內(nèi)用于測定微生物量（碳、氮、磷）；樣方內(nèi)挖掘土壤剖面并取表層土壤環(huán)刀樣，用于測定土壤容重。采樣時(shí)間為2011年10月。

表1 樣地基本情況?Table 1 Basic information of plots

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

土壤機(jī)械組成(國際制標(biāo)準(zhǔn))采用簡易比重計(jì)法；容重（BD）采用環(huán)刀法；有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀高溫外熱法；全氮(TN)采用凱式定氮法；全磷(TP)、全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融法；有效磷(AP)、有效鉀(AK)采用 Mehlich 3 聯(lián)合浸提法；陽離子交換量（CEC）采用EDTA—銨鹽快速法；pH值采用酸度計(jì)法（水土比為2.5∶1）；微生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP)均采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件（方差分析、相關(guān)分析、主成分分析）。

2 結(jié)果與分析

2.1 石漠化演替過程土壤肥力指標(biāo)變化特征

研究表明，石漠化演替對土壤肥力指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的影響（見表2）。OM和TN含量隨石漠化程度加劇而連續(xù)降低，且PRD與LRD、MRD、SRD之間有顯著性差異，但LRD、MRD、SRD相互之間差異不明顯；TP、AK、AP、MBC的變化規(guī)律為PRD＞MRD＞LRD＞SRD；PRD與SRD的TP含量有顯著性差異；PRD與LRD、SRD及MRD與SRD之間AP含量有顯著性差異，其它兩兩之間差異不顯著；TK、CEC、PH、CLAY、MBN、MBP含量在不同等級之間無顯著性差異，TK、CEC、PH、CLAY含量的變化范圍分別為10.26～ 11.14 g·kg-1、21.19 ～ 25.25 cmol·kg-1、5.83% ～6.56%、39.98%～45.74%；MBN與MBP的變化范圍較大，分別為31.40～69.42 mg·kg-1、2.13～4.45 mg·kg-1；BD的變化規(guī)律為MRD＞SRD＞LRD＞PRD，且PRD與MRD有顯著性差異。

表2 石漠化演替對土壤肥力指標(biāo)的影響?Table 2 Effects of succession of RD on soil fertility indicators

2.2 基于主成分分析的土壤肥力評價(jià)

當(dāng)評價(jià)指標(biāo)較多時(shí)，由于各指標(biāo)之間常存在一定相關(guān)性，故最終所得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映的信息有一定重疊[10-12]。主成分分析就是采取降維的方式，找出幾個(gè)互不相關(guān)的綜合因子（原始變量的線性組合）并盡可能反映原始變量信息，從而達(dá)到簡化變量的目的。主成分分析步驟如下[13]。

2.2.1 原始指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化及指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

文中的評價(jià)指標(biāo)間存在量綱差異，故應(yīng)對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理以消除不同量綱帶來的影響。標(biāo)準(zhǔn)化公式為：（式中：x′ik為標(biāo)準(zhǔn)化后的值；xik為原始指標(biāo)值；為原始指標(biāo)均值；Sk為原始指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；i =1，2，…，n；k =1，2，…，p；n、p分別表示指標(biāo)個(gè)數(shù)和樣本個(gè)數(shù)）。

利用相關(guān)系數(shù)公式原理，計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣（見表3）。

表3 評價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation matrix of evaluating indicators

2.2.2 求主成分特征值、特征向量及方差貢獻(xiàn)率

經(jīng)主成分分析得出主成分特征值、特征向量及方差貢獻(xiàn)率（見表4）。主成分選擇原則：一是特征值大于1，當(dāng)特征值小于1時(shí)，認(rèn)為該主成分信息表達(dá)效果不如單個(gè)評價(jià)指標(biāo)；二是統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)主成分累積方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí)，則可較好反映樣本的整體信息[14]。由表4可以看出，特征值大于1的只有前4個(gè)主成分（PC1、PC2、PC3、PC4），其方差貢獻(xiàn)率分別為40.038%、19.935%、11.551%、8.053%，累積貢獻(xiàn)率為79.576%＜85%，但綜合考慮特征值大于1的條件，可認(rèn)為這4個(gè)主成分已基本能反映樣本總體的信息[15]。

2.2.3 計(jì)算各主成分得分及肥力綜合得分

各主成分得分公式[16]：為主成分得分，A表示特征向量，Z表示評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，i=1，2，…，n，k=1，2，…，m，n、m分別表示主成分個(gè)數(shù)和評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù))。將特征向量和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值代入公式中即可得到各主成分得分。

表4 主成分分析Table 4 Analysis of principle components

綜合肥力值計(jì)算公式[17]：表示主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，PC表示主成分得分，i=1,2,…,n，n表示主成分個(gè)數(shù)）。

20個(gè)樣地綜合肥力得分（F）見圖1。屬于PRD的1、3號樣地，土壤肥力水平明顯高于其它樣地；屬于SRD的17、18、19號樣地土壤肥力水平均低于其它樣地；屬于LRD的6～10號樣地與MRD的11～15號樣地差別不明顯，但7、11號樣地土壤肥力綜合得分高于2、4號樣地，5號樣地得分低于6～15（除10）號樣地。樣地間土壤肥力得分波動(dòng)較明顯，為便于觀察，對1～20號樣地按照表1的分組進(jìn)行平均值比較（見圖2）。由圖2可以看出土壤肥力由高到低的排序?yàn)镻RD＞MRD＞LRD＞SRD。PRD與SRD土壤肥力差異顯著（p=0.009＜0.01），LRD與MRD間差異不明顯（p=0.667＞0.05），PRD與LRD、MRD間有一定差異，但沒有達(dá)到顯著性水平（p=0.081、0.174＞0.05），LRD、MRD與SRD間均有一定差異（p=0.278、0.138＞0.05）。由圖2可以看出各石漠化等級土壤綜合肥力得分變異程度不同，由PRD到DRD的變異系數(shù)分別為159%、387%、658%、89%。

圖1 土壤綜合肥力得分Fig. 1 Soil comprehensive fertility scores

圖2 土壤綜合肥力得分均值Fig. 2 Average scores of soil comprehensive fertility

2.3 綜合肥力得分與評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

土壤肥力評價(jià)指標(biāo)的選擇往往是根據(jù)前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)。然而，不同地區(qū)間的氣候、成土條件、人為干預(yù)程度等因素存在差異，尤其石漠化地區(qū)有其獨(dú)特的喀斯特生態(tài)環(huán)境，故評價(jià)指標(biāo)適用性應(yīng)進(jìn)一步研究。本研究對土壤綜合肥力得分與評價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了分析（見表5）。結(jié)果顯示石漠化土壤綜合肥力與OM、TN、TP、CEC、MBC、MBP及BD有極顯著相關(guān)性（p＜0.01），與MBN有顯著相關(guān)性（p＜0.05），與pH值、TK、AK、AP和CLAY相關(guān)性不顯著（p＞0.05）。

表5 綜合得分與評價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性分析?Table 5 Correlation analysis of comprehensive fertility scores and evaluating indicators

3 討 論

3.1 石漠化演替對土壤肥力的影響

土壤肥力是土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)，它直接反映土壤生產(chǎn)力[18]。石漠化的演替既有人為因素也受災(zāi)害性氣候影響[19-20]，伴隨著植被群落由喬木—喬灌—灌木—灌草—草叢的退化，群落結(jié)構(gòu)單一化，生物量減少，導(dǎo)致凋落物減少，以凋落物為主要來源的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分含量減少；土壤pH值的變化及土壤粘質(zhì)化使土壤環(huán)境惡化，土壤友善型微生物數(shù)量減少，活性減弱，減緩了其對凋落物的分解速率，降低了對C、N、P的固定效能；石漠化演替使土壤板結(jié)，土壤容重增大，透水性變差，表層土壤儲水能力減弱，地表徑流加強(qiáng)，土壤中P、K等養(yǎng)分大量流失。以上多重作用最終導(dǎo)致土壤綜合肥力總體上隨石漠化演替不斷降低。

3.2 不同石漠化等級土壤肥力差異性

不同樣地土壤肥力波動(dòng)明顯，出現(xiàn)中度石漠化＞輕度石漠化的情況；將20個(gè)樣地按綜合肥力得分情況分成4個(gè)等級，與表1中的分級比較，有12個(gè)樣地前后等級不一致，變化率達(dá)60%。出現(xiàn)以上情況可能的原因：①石漠化等級劃分不完善。植被蓋度、基巖裸露率、土層厚度及植被類型不能完全反映土壤真實(shí)肥力狀況。某些中度石漠化、重度石漠化地區(qū)，雖然其植被蓋度、基巖裸露等指標(biāo)比輕度石漠化地區(qū)差，但由于長期雨水沖刷，表層肥沃土壤被沖至低洼石縫并堆積，則可能出現(xiàn)其土壤肥力高于輕度石漠化土壤肥力的情況。②地區(qū)差異導(dǎo)致土壤肥力差異。不同地區(qū)的成土條件、氣候特征、人為干預(yù)方式及程度存在差異，則可能出現(xiàn)A地區(qū)中度石漠化土壤肥力高于B地區(qū)輕度石漠化土壤肥力的情況。土壤綜合肥力變異系數(shù)（中度石漠化＞輕度石漠化＞潛在石漠化＞重度石漠化）也在一定程度上反映人為干預(yù)對石漠化土壤肥力的巨大影響。實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，林分較好的潛在石漠化地區(qū)往往被保護(hù)起來，通過封山育林措施減少人為干擾與破壞；重度石漠化地區(qū)，由于其土壤肥力退化嚴(yán)重，已不適宜生產(chǎn)活動(dòng)，多數(shù)被放棄使用成為撂荒地；只有輕度與中度石漠化既沒有被嚴(yán)格保護(hù)起來，且尚存一定肥力，可用于一些人工用材林或經(jīng)濟(jì)林的栽培，人為干預(yù)程度最大。③土壤環(huán)境的自我調(diào)節(jié)作用。當(dāng)土壤肥力逐漸退化，在某一階段（中度石漠化），土壤動(dòng)物、微生物等開始加強(qiáng)如凋落物分解和養(yǎng)分固定等活動(dòng)以適應(yīng)不斷惡化的環(huán)境，所以出現(xiàn)了中度石漠化土壤肥力高于輕度石漠化的情況。根據(jù)圖2可初步判斷：石漠化治理的有效時(shí)期應(yīng)該是從發(fā)生到中度石漠化階段，一旦演化成重度石漠化，肥力極低，將極難恢復(fù)。

3.3 石漠化土壤肥力退化敏感指標(biāo)

評價(jià)指標(biāo)的選擇關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。評價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)庫[21]的應(yīng)用，既能確保評價(jià)的科學(xué)可靠性，又最大限度縮減了評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，降低了成本。有機(jī)質(zhì)是土壤中多種養(yǎng)分的來源，影響著土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量及土壤質(zhì)地，N、P是土壤中十分重要的大量營養(yǎng)元素，陽離子交換量反映了土壤保肥能力；物理指標(biāo)土壤容重直接反映土壤疏松程度及通透性；微生物指標(biāo)MBC、MBN、MBP雖然含量極少，分別占總有機(jī)碳、全氮、全磷的0.88%、2.29%、0.74%，但它們反映了土壤微生物的數(shù)量、活性及土壤環(huán)境的好壞。除微生物量氮與土壤綜合肥力相關(guān)系數(shù)為0.551（p＜0.05）外，另外有6項(xiàng)指標(biāo)與綜合肥力均為極顯著相關(guān)（p＜0.01），故可推斷，以上4種化學(xué)指標(biāo)、3種微生物指標(biāo)和物理指標(biāo)土壤容重對土壤綜合肥力變化反應(yīng)敏感，可入選石漠化土壤綜合肥力評價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)庫。再有表1中該8項(xiàng)指標(biāo)的變化特征與圖2中土壤綜合肥力的變化特征基本一致，進(jìn)一步說明這8項(xiàng)指標(biāo)對土壤綜合肥力變化反應(yīng)敏感，可作為核心評價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）土壤肥力退化與石漠化由弱到強(qiáng)的演替方向基本一致，石漠化演替對土壤各肥力指標(biāo)有不同程度的影響。不同地區(qū)石漠化發(fā)展存在明顯差異(與周國富[22]的結(jié)論一致)，這種差異影響著各土壤肥力指標(biāo)變化和土壤綜合肥力的變化。故石漠化土壤肥力相關(guān)研究應(yīng)該盡量在一個(gè)較小的區(qū)域進(jìn)行，以避免母巖、地形地貌、環(huán)境條件及人為干擾等差異帶來的影響。

（2）土壤化學(xué)指標(biāo)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、陽離子交換量，微生物指標(biāo)MBC、MBN、MBP及物理指標(biāo)土壤容重與土壤綜合肥力聯(lián)系極為緊密，可作為石漠化土壤肥力評價(jià)的核心指標(biāo)。石漠化土壤退化預(yù)警和石漠化土壤改良工作中也可以將這些指標(biāo)作為重要參考依據(jù)。

（3）僅由地表景觀指標(biāo)（植被蓋度、基巖裸露、植被類型）和土層厚度進(jìn)行石漠化等級劃分存在缺陷。進(jìn)行石漠化等級劃分，要區(qū)分地域，既要考慮地表景觀指標(biāo)（定性或粗略測定），又要重視土地生產(chǎn)力（土壤肥力）的變化及其原因（與李陽兵等[23]的結(jié)論一致）。

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Comprehensive evaluation on soil fertility quality in process of rocky desertif i cation

ZHONG Jie1, JIANG Xin-ge2, WU Li-chao1, CAO Fu-xiang1, XIE Lian-wu1
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Sanmenjiang Stateowned Forest Farm of Guangxi, Liuzhou 545006, Guangxi, China)

By investigating the stands and analyzing the soil samples that with different rocky desertif i cation (RD) degree in the midland of Hunan province, combining with the principal component analysis method, the effects of the succession of RD on soil comprehensive fertility. The results show that the succession of RD had different impacts on soil fertility indicators, the changing regulation of organic matter and total nitrogen content in different RD areas was: Potential RD(PRD)＞ Light RD(LRD)＞ Moderate RD(MRD)＞ Severe RD(SRD), the other fertility indicators’ changing regulations were not totally consistent with the succession of RD; In the process of RD,the microbial biomass in the soil(C,N and P fertilizer) ranged from 251.08 to 124.26（mg·kg-1）, 31.40 to 69.42（mg·kg-1）, 2.13 to 4.45（mg·kg-1）, respectively; The sequencing of soil comprehensive fertility in different RD soils was: PRD＞MRD＞LRD＞SRD; The OM, TN, total phosphorus (TP), cation exchange capacity (CEC), microbial biomass (C, N, P) and bulk density (BD) closely related to comprehensive fertility, so they could be used as the key evaluating indicators of the soil fertility. The soil fertility degradation trend was basically consistent with the succession of RD, but regional differences and human intervention could have a huge impact on soil fertility of RD.

rocky desertif i cation; soil fertility quality; comprehension evaluation; middle area of Hunan province

S714.8

A

1673-923X(2013)07-0056-06

2013-01-19

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)重大項(xiàng)目(201104016)

鐘 杰（1987-），男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究；E-mail：zj15802549172@163.com

吳立潮（1963-），男，湖北廣水人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要從事森林土壤、林木營養(yǎng)與施肥、水土保持與荒漠化防治等方面的研究；E-mail：wulichao@csuft.edu.cn

[本文編校：謝榮秀]