昆陽磷礦廢棄地植被恢復對土壤質量的影響及評價

趙川，和麗萍，李貴祥，柴勇，邵金平

(云南省林業(yè)科學院，云南 昆明 650201)

土壤質量是近年來土壤科學研究中的一個熱點，是土壤在生態(tài)系統(tǒng)界面內(nèi)維持生產(chǎn)、保障環(huán)境質量、促進動物和人類健康行為的能力[1]。土壤質量是土壤物理、化學和生物等性質共同作用的結果，以及形成這些性質的一些重要過程的綜合體現(xiàn)[2-3]。土壤質量指標則是土壤屬性的外在量度，由于目前對各種土壤屬性與功能之間的關系，以及形成各種土壤屬性的過程機理等問題尚未十分明確，土壤質量評價體系仍無明確標準，土壤質量的研究仍然只是從不同角度進行嘗試。目前國內(nèi)外學者采用的土壤質量的評價指標體系不盡一致，可根據(jù)不同的土壤和不同的評價目的，選擇不同的評價指標體系。研究不同恢復模式下的土壤質量狀態(tài)，并進行綜合評價，不僅是深化發(fā)展土壤學科的需要，還可為實現(xiàn)維持和提高礦區(qū)植被恢復土壤生產(chǎn)力提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

昆陽磷礦是我國著名的大型露天磷礦石生產(chǎn)基地，為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了重要貢獻。但多年來對礦產(chǎn)資源的大量開采給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。20世紀80年代以來，項目組在該區(qū)開展了植物材料選擇、土壤改良、水土流失控制以及配套措施等方面的研究，取得了一系列的技術成果，項目的推廣實施能夠有效改善礦山廢棄地對生態(tài)環(huán)境帶來的不良影響，解決植被覆蓋的問題，有效降低水土流失，改善礦山生態(tài)環(huán)境，為云南省礦山廢棄地植被生態(tài)恢復提供了支撐[4-9]。為探究植被恢復對土壤質量的響應，本文以昆陽磷礦廢棄地7種植被恢復模式的土壤為研究對象，非線性隸屬函數(shù)法確定各指標隸屬度值，采用綜合指數(shù)法和加權求和法對土壤質量進行綜合評價，為進一步加快磷礦廢棄地修復進程、提高土壤質量提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇在云南磷化集團有限公司所屬的經(jīng)過礦山地質環(huán)境治理工程實施后的昆陽磷礦廢棄地人工植被恢復試驗區(qū)。試驗區(qū)位于距省會昆明70km的晉寧縣昆陽鎮(zhèn)三家村(24° 12′23″-24° 12′58″N ，103°31′10″-103°34′48″E)，礦山有多條公路和鐵路與外界相連，交通運輸十分便捷。試驗區(qū)海拔1 860-2 482.6m，屬干濕季分明的亞熱帶高原季風氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，最高溫31.4℃，最低溫6.2℃。年均降雨量901.4mm，最大1 172.1mm，最小628.2mm，每年5-10月為雨季(占全年降雨量的87%)。礦區(qū)內(nèi)土壤主要為紅壤及沖積土。

礦區(qū)周圍自然植被類型為亞熱帶西部半濕性常綠闊葉林，代表性植被有滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)林、高山栲(Castanopsisdelavayi)林、元江栲(C.orthacantha)林等。目前，受社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，區(qū)域內(nèi)原生植被已很少，取而代之的是各種次生植被、人工林，如云南松(Pinusyunnanensis)次生林、華山松(P.armandi)林、由落葉灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)、杜鵑(Rhododendronsimsii& R.spp.)、水紅木(Viburnumcylindricum)、楊梅(Myricarubra)等組成的灌叢及稀樹灌草叢等[10-11]。

1.2 樣品采集與分析

昆陽磷礦山廢棄地于2005年進行覆土碾壓，覆土以采場剝離表土(紅壤)、白云巖、黑頁巖和風化巖石混合而成。覆土厚度30-60cm，同時進行試驗林營建，目前，形成了7種典型的植被類型，分別是藍桉(Eucalyptusglobulus)林、直干桉(E.maideni)林、圣誕樹(Acaciadealbata)林、藏柏(Cupressustorulosa)林、栓皮櫟(Quercusvariabilis)林、旱冬瓜林(Alnusnepalensis)、旱冬瓜+圣誕樹林。于2015年7月進行群落調查和土壤樣品采集，以廢棄地(尚未采取任何植被恢復措施的區(qū)域)作為對照，在各人工林分內(nèi)有代表性的地段，設置3個20m×20m的標準固定樣地，對樣地內(nèi)喬木進行每木檢尺(表1)。在每個樣地內(nèi)分別按對角線隨機布設3個點，挖取土壤剖面，并按0-20cm深度取混合土樣，用于室內(nèi)化學分析，每個樣點重復取3個樣作為平行，混勻，帶回實驗室備用。基于研究區(qū)土壤的形成特點以及群落特性，選取pH、有機質、速效氮、速效磷和速效鉀5項因子構建土壤質量評價指標。

本研究依據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[12]對土壤pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀進行測定。

表1 樣地基本情況表Tab.1 The basic characteristics of the sample plots

1.3 土壤質量評價方法

1.3.1 評價指標權重的確定

權重是一個相對的概念，針對某一指標而言。某一指標的權重是指該指標在整體評價中的相對重要程度。權重要從若干評價指標中分出輕重來，一組評價指標體系相對應的權重組成了權重體系。指標權重是某一指標在土壤質量水平中作用大小的體現(xiàn)。本研究評價指標權重采用相關系數(shù)法確定[13-14]。

1.3.2 隸屬度的確定

隸屬度屬于模糊評價函數(shù)里的概念。模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，其特點是評價結果不是絕對地肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示。由于土壤特性的空間變異性和對土壤質量的影響模糊，隸屬度值的大小可以反映各評價指標對土壤質量影響的貢獻率，使其具有可比性[3]。

利用隸屬度函數(shù)來計算各指標的隸屬度來表示各評價因子的狀態(tài)值是目前比較常用的方法。根據(jù)研究區(qū)域的實際情況和函數(shù)的意義，使用以下2種隸屬函數(shù)來計算[14]。

根據(jù)以上2種隸屬度函數(shù)的意義，本研究中的有機質、速效氮、速效磷和速效鉀都屬于第一種函數(shù)(升半梯形分布的隸屬度函數(shù))；pH屬于第二種函數(shù)(梯形分布的隸屬度函數(shù))。

綜合已有的研究結果[4-5,8]，并參考第二次全國土壤普查養(yǎng)分含量分級標準[15]，再結合研究區(qū)土壤實際情況，確定各評價指標隸屬度函數(shù)曲線的拐點值，見表2。

表2 隸屬度函數(shù)曲線中評價指標的拐點值Tab.2 Values of the turning points of evaluation indicator in membership function curves

1.3.3 土壤質量綜合評價模型

根據(jù)各指標得隸屬度和權重，計算各個恢復模式土壤的養(yǎng)分質量指數(shù)值,NQI=∑WiNi⑤,式中，Wi為第i個指標的權重；Ni為第i個指標的隸屬度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Spss 11.5軟件、Excel 2003進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 結果與分析

2.1 不同植被恢復模式土壤的養(yǎng)分特征

不同植被恢復模式下土壤養(yǎng)分特征分析見表3。

根據(jù)全國第二次土壤普查有關標準[15]，將土壤養(yǎng)分含量分為以下6個級別(表4)。

表3 不同植被恢復模式土壤養(yǎng)分特征Tab.3 Fertility characteristics of soil in different vegetation restoration types

表4 土壤養(yǎng)分分級標準Tab.4 Classification standard of the soil nutrient

表3、表4結果顯示，研究區(qū)7種植被恢復模式的土壤有機質含量差異顯著，其中，藍桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的有機質含量為豐，直干桉(38.28g/kg)為稍豐，藏柏林(17.03g/kg)為稍缺；土壤速效氮含量和有機質含量相對應，藍桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的速效氮含量為豐，直干桉(102.58mg/kg)為中等，藏柏林(68.31mg/kg)為稍缺；土壤速效磷含量整體為豐，這是由于在植被恢復初期，覆土直接采用采場剝離表土和白云巖、黑頁巖的混合土，磷含量本來就很高；旱冬瓜+圣誕樹林的速效鉀含量最高(239.21mg/kg)，其次為藏柏林(228.64mg/kg)、栓皮櫟林(212.32mg/kg)，均達到了豐級，藍桉林(152.64mg/kg)為稍豐，圣誕樹林(127.63mg/kg)為中等，直干桉(87.04mg/kg)、旱冬瓜林(90.53mg/kg)為稍缺。礦區(qū)廢棄地土壤為弱酸性，經(jīng)植被恢復后，7種植被類型土壤pH均顯著增加，其中，藍桉林pH達到了6.91，趨于中性。由此可見，植被恢復對土壤的養(yǎng)分含量均有顯著提高。

2.2 不同植被恢復模式土壤的質量綜合評價

2.2.1 確定評價指標權重

據(jù)上述公式對各指標權重進行計算，結果見表5。從表5可以看出，有機質含量的權重最大，速效氮和速效鉀次之，且含量相近，凸顯了土壤有機質、速效氮和速效鉀3個養(yǎng)分指標的作用。

表5 不同土壤特性的平均相關系數(shù)及權重Tab.5 Average correlation coefficients and weights of different soul characteristics

2.2.2 以隸屬度函數(shù)確定隸屬度

隸屬度無單位，取值范圍在0-1之間，在同等情況下隸屬度值越大，表示土壤指標值越大。根據(jù)雷達圖屬性坐標點的幾何意義：離原點越遠狀態(tài)越好，各屬性坐標點圍成的多邊形區(qū)域面積越大，評價對象的整體狀態(tài)越好。圖1顯示，pH的隸屬函數(shù)值最小，速效鉀次之，表明pH和速效鉀對土壤質量的作用分值較小，是影響該研究區(qū)土壤質量的限制性因子之一。7種植被類型的速效氮隸屬度函數(shù)值在0.16-1.0之間，處于中間狀態(tài)；有機質的隸屬度函數(shù)值在0.28-1.0之間，含量較為豐富；速效磷相比廢棄地pH隸屬度函數(shù)值(為0.1)大大增加，在0.46-1.0之間，含量豐富。從各屬性坐標點圍成的多邊形面積可看出，廢棄地最小，7種植被類型的面積明顯大于廢棄地面積，說明植被恢復后的土壤質量大大提高。

2.2.3 土壤質量綜合評價

表6為土壤各評價指標的權重與其隸屬度分別加權求和得出的不同植被恢復模式土壤質量綜合評價結果。

圖1 土壤質量評價指標的隸屬度函數(shù)雷達圖Fig.1 Radar plot of membership function values of soil quality evaluation indicator

表6 不同恢復模式土壤質量指數(shù)值Tab.6 Soil quality appraisal index in different vegetation restoration types

從表6可看出，土壤養(yǎng)分質量較好的是旱冬瓜+圣誕樹林，7種植被類型的土壤養(yǎng)分質量指數(shù)均顯著高于廢棄地土壤。大小依次為旱冬瓜+圣誕樹林>栓皮櫟林>藍桉林>圣誕樹林>旱冬瓜林>直干桉林>藏柏林>廢棄地。本研究根據(jù)隸屬度函數(shù)曲線中轉折點的相應取值，將土壤綜合質量(NQI)分為4個等級，優(yōu)(0.8-1.0)、良(0.6-0.8)、中等(0.4-0.6)、差(0.2-0.4)。從分析結果可看出，旱冬瓜+圣誕樹林和栓皮櫟林的質量指數(shù)都大于0.8，說明這2種林分的表層土壤質量較優(yōu)；藍桉林和圣誕樹林的質量指數(shù)在0.6-0.8之間，說明此2種林分的綜合質量良好，旱冬瓜林、直干桉林和藏柏林的綜合質量處于中等水平，各個植被恢復林分的綜合質量都顯著高于廢棄地未恢復土壤質量。

3 結論與討論

昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復林地的土壤養(yǎng)分含量差異顯著，土壤質量變異較大。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標準，藍桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的有機質含量為豐，直干桉為稍豐，藏柏林稍缺；土壤速效氮含量和有機質含量相對應；土壤速效磷含量整體為豐；旱冬瓜+圣誕樹林、藏柏林及栓皮櫟林的速效鉀含量均達到了豐級，藍桉林為稍豐，圣誕樹林中等，直干桉、旱冬瓜林為稍缺。礦區(qū)廢棄地土壤為弱酸性，經(jīng)植被恢復后，7種植被類型土壤pH均顯著增加，其中，藍桉林pH達到了6.91，趨于中性。由此可見，經(jīng)過植被恢復，各試驗區(qū)土壤養(yǎng)分含量均顯著提高。

本研究采用相關系數(shù)法確定指標權重，以隸屬函數(shù)對指標進行標準化處理[15]，采用指數(shù)法對昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復模式土壤質量進行綜合評價。評價結果顯示，昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復模式土壤質量指數(shù)介于0.516 8-0.835 6之間，以旱冬瓜+圣誕樹林的質量指數(shù)最高(0.835 6)，是未恢復的廢棄地(0.389 2)的2.15倍，增長率為114.70%，栓皮櫟林、藍桉林、圣誕樹林、旱冬瓜林、直干桉林及藏柏林分別是廢棄地的2.14倍、2.04倍、1.90倍、1.76倍、1.46倍及1.33倍，增長率分別達到了113.98%、103.80%、89.75%、76.31%、45.53%及32.79%；旱冬瓜+圣誕樹林和栓皮櫟林的表層土壤質量較優(yōu)，藍桉林和圣誕樹林綜合質量良好，旱冬瓜林、直干桉林和藏柏林的土壤綜合質量處于中等水平。

各土壤指標的隸屬度大小顯示pH的隸屬函數(shù)值最小，速效鉀次之，速效磷的最高，有機質、速效氮的隸屬度為中等偏高。說明pH、速效鉀是影響該研究區(qū)土壤質量的限制性因子。

研究者已提出多種關于土壤質量評價方法，如土壤質量綜合評分法、土壤質量動力學方法、土壤質量多變量指標方法等，但無論采用哪種評價方法，首先要確定有效、可靠、敏感、可重復及可接受的指標，建立全面評價土壤質量的框架體系。本研究充分考慮了評價指標權重、指標隸屬度值和指標之間交互作用對土壤質量的共同作用，建立土壤質量評價模型，并采用綜合指數(shù)法和加權求和法對不同植被恢復模式土壤質量進行綜合評價，評價結果能夠客觀準確地反映不同植被恢復模式的土壤質量，可為了解磷礦區(qū)廢棄地植被恢復土壤狀況、建立土壤質量評價標準及土壤可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

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