喀斯特石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評價與對比
——以貴州朝營和頂壇小流域為例

肖 杰, 熊康寧, 顧再柯, 王 琦, 李開萍

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001;2.貴州省水土保持監(jiān)測總站, 貴陽 550001)

了解土壤的養(yǎng)分狀況,不僅反映植被恢復模式對土壤的響應，同時為培肥土壤提供參考依據[1]，更是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的研究熱門內容。尤其在石漠化地區(qū)基于生態(tài)脆弱性的自然環(huán)境為背景的條件下，受到人類不合理改造自然的活動，產生人地矛盾尖銳、土地質量嚴重衰退、地表水土流失和地下土壤漏失耦合作用，加劇了植被生境被破壞與碳酸鹽巖大面積的裸露，在地表形成類似于荒漠化景觀的生態(tài)環(huán)境退化演變過程[2]。石漠化治理中有國內科研機構或學者提出了不同植被恢復為主的生態(tài)修復方式，而應用于石漠化治理研究[3-4]，其中植被和土壤分別作為石漠化治理的根本和關鍵因子[5]。為研究土壤養(yǎng)分狀況，針對土壤養(yǎng)分定性評價的缺陷,而采取客觀的定量評價可彌補定性評價的不足。因而，與之有關的成果就土壤養(yǎng)分定量評價的研究主要集中于以最小數據集的確立進行評價植被恢復下的土壤質量[6]；研究石漠化演替過程中土壤肥力而運用主成分分析評價[7]；運用層次分析法確定權重，評價石漠化治理人工種草土壤肥力[8]；采取模糊數學的方法分別評價了石漠化治理區(qū)耕作層和縣域尺度的耕地土壤養(yǎng)分狀況[9-10]等方面，上述的研究均表現為評價單一研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，對于不同地貌研究區(qū)與不同等級石漠化的土壤養(yǎng)分評價和對比的研究較為罕見。

土壤養(yǎng)分的分布與累積及其含量的高低，受制于生態(tài)系統(tǒng)過程和植物分布、植物歸還土壤養(yǎng)分再平衡與生物活動的影響，以植被恢復為紐帶的土壤養(yǎng)分是反映生態(tài)環(huán)境重建與恢復的狀況指標之一。在喀斯特石漠化地區(qū)采取的石漠化治理模式以植被恢復為主，其中包含退耕還林(草)、封山育林、經果林栽培等措施進行生態(tài)環(huán)境的恢復與重建，這些過程因不同地貌、不同等級石漠化，以及不同植被恢復的模式構成的土壤環(huán)境條件下，土壤養(yǎng)分的豐缺亟待探明和對比，對石漠化治理與生態(tài)環(huán)境重建恢復研究的延伸具有重要的意義。

因此，本文選取能夠代表不同等級石漠化的喀斯特高原山地畢節(jié)撒拉溪朝營小流域與高原峽谷關嶺—貞豐交界頂壇小流域石漠化治理示范區(qū)為研究區(qū)。上述兩個石漠化治理示范區(qū)均在全球熱帶—亞熱帶氣候帶下喀斯特地貌最為典型的分布區(qū)中心，同時也處于中國南方喀斯特的中心?；诖?，站在前人的研究視角下[5,11-12]對石漠化治理區(qū)進行透視，依據石漠化治理區(qū)以碳酸鹽巖為基礎的地質條件和發(fā)展骨架的地貌支撐，在空間上構成石漠化演化和治理方式的異同。選擇不同地貌與不同等級石漠化治理模式地為研究對象，通過最小數據集科學有效地篩選土壤養(yǎng)分評價指標，進行綜合評價，以期揭示石漠化治理區(qū)高原山地與高原峽谷、不同等級石漠化下治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況和水平?？陀^反映該地區(qū)不同地貌與不同等級石漠化下治理模式的土壤養(yǎng)分的現狀，為同氣候帶下的石漠化地區(qū)小流域綜合治理方式上，對土壤養(yǎng)分培育和改良、生態(tài)環(huán)境重建與恢復提供一定數據支撐和思路參考。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

探討評價不同地貌研究區(qū)和不同等級石漠化治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況與水平，應充分考慮典型的石漠化治理示范區(qū)在石漠化程度、石漠化景觀類型、植被覆蓋率、治理恢復類型和植被類型等自然地理的要素信息(表1)，因此本文選擇兩個頗具典型性喀斯特地貌的石漠化區(qū)域，潛在—輕度等級石漠化區(qū)畢節(jié)撒拉溪朝營小流域、中度—強度等級石漠化區(qū)關嶺—貞豐花江頂壇小流域，分別代表高原山地與高原峽谷地貌，其中前者位于貴州省西北部(圖1)，畢節(jié)市六沖河流域支流區(qū)內，經緯度為東經105°02′—105°08′，北緯27°11′—27°16′。該地區(qū)石漠化等級以潛在—輕度等級的石漠化為主，潛在與輕度等級石漠化占石漠化面積的53.17%，中度與強度等級石漠化占石漠化面積的11.66%，小流域內裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。境內分布二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖，為流域內巖石質地構造的主要代表。土壤為地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風化石灰土。氣候與地貌類型為亞熱帶溫涼干旱氣候和喀斯特高原山地。石漠化治理已完成以坡改梯工程等水土保持措施和退耕種植經濟林工作，以防治石漠化的發(fā)生和促進土壤養(yǎng)分恢復。當地形成的植被類型主要以天然野生植被大白杜鵑、十大功勞、金絲桃等藤刺灌叢以及少有分布的青岡、通脫木喬木林為主，經果林植被則以刺梨、核桃為主。

后者位于貴州省西南部(圖2)，關嶺縣以南、貞豐縣以北的北盤江花江峽谷南岸，經緯度為東經105°36′—105°46′，北緯25°39′—25°41′。該地區(qū)石漠化等級主要為中度—強度等級石漠化，潛在與輕度等級石漠化占石漠化面積的9.30%，而中度與強度等級石漠化占石漠化面積的90.7%，小流域內有少量潛在與輕度石漠化分布于臺地區(qū)域。境內分布三疊系白云巖、泥質白云巖和頁巖，為流域內巖石質地構造的主要代表。土壤在臺地部分為黃壤，坡地部分為石灰土。氣候與地貌類型為喀斯特亞熱帶干熱河谷氣候和喀斯特高原峽谷。石漠化治理在早期完成水土保持相關工程措施，后期為花椒為主的經濟林規(guī)?；N植以促進土壤養(yǎng)分恢復。植被類型主要為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，原生植被均已破壞，現以天然野生植被構樹、鐵線蓮和白三葉等灌草叢和經果林金銀花、花椒等主要的次生植被為主，以及少有分布的青岡、刺槐、馬尾松為主的喬木林。

表1　研究區(qū)地理要素信息

圖1研究區(qū)Ⅰ區(qū)圖2研究區(qū)Ⅱ區(qū)

1.2　研究方法

首先分別在朝營小流域和頂壇小流域研究區(qū)內，于2015年7月根據不同等級石漠化劃分標準[4]和野外踏勘的基礎上，選取4種不同等級石漠化實施的治理恢復模式地為研究對象。在潛在石漠化中，由于兩類研究區(qū)潛在石漠化占石漠化總面積的份額不同以及土壤的厚度不一，朝營小流域多為封山育林治理模式地，頂壇小流域則為農林混合治理模式地，兩類研究區(qū)的輕度石漠化為退耕還林治理模式地、中度石漠化為退耕還草治理模式地和強度石漠化為自然恢復治理模式地?；谑貐^(qū)石多土少的緣故以及土壤覆蓋范圍和厚度，在上述4種模式地基礎上再次劃分潛在—輕度治理模式地各為3個20 m×20 m的樣地，中度—強度治理模式地各為2個20 m×20 m的樣地，同時以S形法在每個樣地采取深度為0—20 cm的表層土，各取3個點，所取土樣混合均勻為1 kg土。采集完成后將土樣帶回國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心實驗室自然風干，剔除石塊和雜質后使用瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm土壤篩，取得待測土壤樣品，用于測定土壤養(yǎng)分指標(表2)，樣品分析方法參見參考文獻[13]，分析測定土壤樣品數據采取針對各指標進行3次平行測定，結果取其平均值。

表2　土壤樣品的測定項目

1.3　數據分析

使用Microsoft Excel 2016對試驗數據進行整理后，按照相關研究的方法[14-15]采用SPSS 19.0數據統(tǒng)計分析軟件對基本試驗數據進行主成分分析，在主成分分析中計算各個土壤養(yǎng)分指標所有特征值≥1的主成分上的載荷值。

1.3.1最小數據集確立方法在這里分組的原則是：(1) 篩選同一主成分中載荷值≥0.5的土壤養(yǎng)分指標分為一組；(2) 若同時出現在兩個主成分中均≥0.5的載荷值，則將該土壤指標參數歸入與其他相關性較低的土壤指標參數為一組。分組完畢后，采用公式(1)分別計算每組土壤養(yǎng)分指標的Norm值，為進一步分析所選取指標的相關性，則選取每組的Norm值中最高分值的10%范圍內的土壤指標，經過相關性分析后，若在矩陣中高度相關(r>0.5)則按Norm值中最高值的指標進入最小數據集，完成最終的最小數據集的確立。

(1)

式中：Norm值越大,解釋綜合信息的能力越完全，其中Nik表示為第i個變量在特征值>1的前k個主成分上的綜合載荷；μik表示為第i個變量在第k個主成分上的載荷值，λik則表示為第i個變量在第k個主成分上的特征值。

1.3.2隸屬度函數標準化由于影響土壤養(yǎng)分因素很多且處于變化之中，因而各個土壤養(yǎng)分指標對土壤養(yǎng)分的影響是模糊的概念，采取隸屬度函數[16]計算獲取相應的隸屬度值，以評價土壤中各個土壤養(yǎng)分指標的優(yōu)劣。隸屬度函數還分為以S型和拋物線型兩種類型的隸屬函數，根據已篩選進入MDS中各土壤養(yǎng)分指標對土壤養(yǎng)分的正負關聯(lián)度決定各自的隸屬函數類型。

S型隸屬函數公式:

(2)

拋物線型隸屬函數公式：

(3)

式中：各個養(yǎng)分含量指標的最小值與最大值在函數隸屬度中的轉折點為x1和x2。

1.3.3綜合評價法的計算本文采取加權求和法[17]選擇建立綜合評價模型來完成對頂壇小流域土壤養(yǎng)分的綜合評價，此方法是基于模糊數學中加權求和法，是將評價結果轉化為0.1～1.0數值，便于不同區(qū)域土壤養(yǎng)分之間進行比較，讓研究的評價結果更為直觀，其中評價的數值越大，代表著土壤養(yǎng)分越豐富。

加權求和公式：

(4)

式中：Wi為權重，表示主成分分析中第i個指標在其主成分矩陣中的方差貢獻率與特征值大于1的所有主成分矩陣的方差貢獻率總和之比；Ni為進入最小數據集中指標參數并依照正負關聯(lián)度，計算后得出的隸屬度值。

2　結果與分析

2.1　石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分各指標的統(tǒng)計特征

針對石漠化植被演替的變化對土壤理化性質構成影響，尤其是對土壤養(yǎng)分含量有上升的作用[18]，本文中表3的統(tǒng)計結果與顯著性差異表明，在治理模式影響下，朝營小流域潛在石漠化地全氮含量明顯大于輕度和強度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地全磷含量明顯大于中度和強度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地有機質含量明顯高于中度和強度石漠化地(p<0.05)，強度石漠化地速效鉀含量明顯低于潛在和輕度等級石漠化地(p<0.05)的含量，而其他土壤養(yǎng)分指標在不同等級石漠化地之間均無顯著性差異。頂壇小流域土壤養(yǎng)分中輕度石漠化地全磷含量顯著高于中度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地有機質含量顯著高于強度石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地堿解氮含量明顯高于輕度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地速效鉀顯著高于強度石漠化地(p<0.05)。而其他土壤養(yǎng)分指標在不同等級石漠化地之間均無顯著性差異。朝營小流域除土壤pH值低于頂壇小流域外，其他養(yǎng)分指標均高于頂壇小流域。

2.2　土壤養(yǎng)分最小數據集的確定

本文所選取的土壤養(yǎng)分指標依次為土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀、土壤有機質、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀8個土壤養(yǎng)分指標在SPSS中進行主成分分析，同時進行KMO值和Bartlett球形檢驗，檢驗后結果顯示，KMO=0.709，Sig.=0.001且小于顯著性水平0.05，檢驗的結果所表明適合做主成分分析。

由主成分分析結果所知，已獲取前3個均大于1的特征值(表4)，其累積貢獻率為75.540%，并按照上述方法所列出的分組原則進行分為3個組(表5)。兩類小流域的土壤養(yǎng)分評價指標篩選指標為：土壤pH值、土壤全氮、土壤有機質、土壤堿解氮、土壤速效鉀。在其中土壤堿解氮與土壤速效鉀、土壤pH值與土壤有機質分別屬于PC1，PC4中的多個高載荷變量因子，按照原則對上述2組土壤養(yǎng)分指標參數進行相關性分析，分析結果顯示(表6)，土壤堿解氮與土壤速效鉀顯著相關(p<0.01)，對比其兩者Norm值大小可知：土壤堿解氮<土壤速效鉀，因此，土壤速效鉀進入MDS；土壤pH值與土壤全鉀兩者之間無顯著性且為弱相關，因此兩者均進入MDS。最后依據原則所篩選進入MDS的土壤養(yǎng)分指標為土壤pH值、土壤全氮、土壤有機質、土壤速效鉀4個指標，其中全氮和速效鉀是石漠化治理區(qū)植被恢復重要限制因子，不僅是影響土壤養(yǎng)分的有效性，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標，土壤pH值是影響植物根系吸收土壤中氮素而維持自身電荷平衡，土壤有機質為植物生長和促進其根系發(fā)育以便植物吸收養(yǎng)分而發(fā)揮作用。

表3　兩種石漠化治理區(qū)不同治理模式地及整體土壤養(yǎng)分含量

注：相同字母表示無顯著差異，不同字母表示具有顯著差異(p<0.05)。

表4　前4個均大于1的特征值

表5　土壤養(yǎng)分的各個主成分載荷矩陣

表6　同一主成分中多個高載荷變量因子相關性分析

注：**表示p<0.01。

2.3　石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評價

石漠化治理模式對土壤養(yǎng)分的影響屬于模糊性的概念，為此建立土壤養(yǎng)分指標的隸屬度函數，達到量綱標準歸一化。因此，將進入最小數據集的土壤養(yǎng)分指標進行隸屬度函數標準化處理，其中土壤pH值在土壤環(huán)境中屬于一個穩(wěn)定范圍，其范圍過高或過低對土壤產生負效應，因而屬于拋物線型函數；而土壤全氮、有機質和速效鉀對土壤養(yǎng)分有正效應作用，屬于S型函數。因此依據正負效應指標的不同分別代入公式(2)—(3)中得出隸屬度值，其權重系數則由上述方法得出(表7)。

表7　土壤養(yǎng)分隸屬函數與權重值

結合上述的隸屬度值和采取綜合評價法對朝營小流域與頂壇小流域土壤養(yǎng)分進行定量化評價，將評價結果轉為0.1～1.0的數值，以示評價結果更易區(qū)分和直觀，便于不同地貌與不同等級石漠化的治理模式地進行對比。將所求的隸屬度值與權重系數代入公式(4)中求出了不同地貌與不同等級石漠化治理模式地的評價分值(表8)。

表8　土壤養(yǎng)分評價分值

3　討論與結論

3.1　土壤養(yǎng)分評價最小數據集

根據Norm值和分組原則確立了土壤pH值、全氮、有機質、速效鉀等指標入選土壤養(yǎng)分的最小數據集指標體系，不僅是影響土壤養(yǎng)分評價的指標，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標。說明這4項指標數據無冗余能夠代表石漠化治理區(qū)的土壤養(yǎng)分特性。此外，本文研究所取土壤養(yǎng)分指標較少，下一步可細化增進可供選擇的土壤養(yǎng)分指標進行參評，豐富評價石漠化地區(qū)參評指標體系，以便更全面反饋評價結果。

3.2　不同等級石漠化地土壤養(yǎng)分評價

由土壤養(yǎng)分評價分值可知，朝營小流域土壤養(yǎng)分的綜合評價分值，呈現隨石漠化程度加深，土壤養(yǎng)分評價分值遞減趨勢。其中潛在石漠化地為最高，受石漠化治理中封山育林模式影響，促進林下灌草叢恢復和林地枯落物的增加，有利于枯落物腐敗加速土壤養(yǎng)分的累積[19]，因此土壤評價分值相對較高。退耕地和裸巖溶蝕凹槽對土壤養(yǎng)分有重要影響[20]，該研究區(qū)因坡耕地較多，退耕后在輕度、中度石漠化地廣泛栽種以刺梨核桃為主的經果林和紫花苜宿、鴨茅等牧草。對土壤減少翻耕和土壤養(yǎng)分的破壞有積極性的作用；據實地觀測朝營小流域強度石漠化地僅限于較陡的坡地且分布范圍較小，裸巖覆蓋地衣與苔蘚等初級植物，受流水侵蝕與運移作用往往在石槽下部蓄積土壤，有利于土壤養(yǎng)分在溶蝕凹槽中累積。此外，單一的植被配置方式，缺少一定數量枯落物的輸入，構成牧草種植的中度石漠化地土壤養(yǎng)分評價分值低于刺梨為主的經濟林輕度石漠化地。

而頂壇小流域表現為輕度土壤養(yǎng)分評價分值高于潛在土壤養(yǎng)分評價分值，出現中度向強度遞減的趨勢。說明頂壇小流域為實施退耕還林(草)的工作開展已有多年，退耕地的退耕時間與土壤養(yǎng)分累積有正相關關系[21]。該地廣泛種植花椒、金銀花等經濟林和構樹、鐵線蓮、白三葉等灌草叢植物，因其在一定程度上鞏固水土減輕土壤養(yǎng)分流失，同時枯落物的蓄積還具有腐敗分解其形成土壤養(yǎng)分的作用，為石漠化進一步惡化降低了可能性。潛在石漠化地受除草、施肥及農耕翻種玉米、花生等作物等因素影響導致土壤養(yǎng)分含量低于輕度、中度石漠化退耕還林(草)地。此外，該地石槽中土壤厚度較厚的地方有花椒以及少量分布構樹等天然灌叢生長，這主要受裸露的巖石含有節(jié)理、裂隙吸收了降雨，攔截了一定的坡面產流的速度和土壤蓄積的影響[22]，加之大氣沉降養(yǎng)分與裸巖受喀斯特溶蝕風化產物，在這些石質凹槽處下的土壤中蓄積形成植物有關[23]。

3.3　不同地貌區(qū)土壤養(yǎng)分評價對比

兩類研究區(qū)綜合評價分值表明，朝營小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏上水平(0.673)，而頂壇小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏下水平(0.478)。該評價分值與朝營小流域和頂壇小流域實際土壤養(yǎng)分狀況較為符合。

針對朝營小流域而言，其處于夷平面為核心組成的高原區(qū)，受構造運動的抬升地勢起伏高，河流侵蝕作用較弱，為貴州喀斯特溶蝕作用滯后發(fā)育區(qū)。該地土被較為連續(xù)，土層較厚且發(fā)育土壤為黃壤、黃棕壤為主，石質荒漠化景觀均出現在較陡坡地且范圍較小，整體上石漠化程度以潛在—輕度為主?；诖?，該小流域既采取退耕還林模式種植刺梨與核桃，同時引進草食畜牧業(yè)以種植飼用牧草等措施減輕水土流失，從而改善土壤增進土壤養(yǎng)分的累積。使朝營小流域在土壤養(yǎng)分綜合評價分值高于頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評價分值。

與朝營小流域對比，頂壇小流域處于坡降大、水流急而深切的峽谷區(qū)，受山區(qū)性河流影響侵蝕作用強且地表更為崎嶇破碎，為貴州喀斯特溶蝕重置發(fā)育區(qū)。因該地在更早時期出現人地矛盾尖銳，導致水土流失嚴重和石質荒漠化景觀遍布廣，石漠化程度形成以中度—強度為主。遍布的裸巖下形成土被不連續(xù)、土壤層薄，分布非地帶性石灰土，小范圍的洼地、臺地有較厚土層且發(fā)育黃壤土。小流域內多年退耕恢復生態(tài)效果較好，尤其是種植花椒帶來植被覆蓋率和生態(tài)效益的提升。由于花椒為當地主要經濟林品種，相比金銀花和砂仁等藥用植物有很大的范圍種植，個別退耕還林時間長的高樹齡花椒改良土壤作用趨弱、生產管理不善和水肥供應不力構成立地衰退型[24-25]，從而對頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評價分值構成影響。

盡管朝營小流域與頂壇小流域在土壤養(yǎng)分上存有差異，本文研究還注意到兩類研究區(qū)的綜合評價分值均低于有關研究[10]在喀斯特山區(qū)耕地土壤養(yǎng)分評價分值(0.744)，這在一定程度上反映當前石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分還有上升的空間，常年的石漠化治理進行植被恢復所帶來的生態(tài)效益是較顯著的，但在追求以植被覆蓋為量的同時忽略對以土壤養(yǎng)分為質的培育和改良，這既是石漠化加速植被演替工作出現的缺陷之一，同時也是石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分供應不足與滯后，而亟待解決的關鍵技術問題。

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