黃土高原紙坊溝流域不同土地利用類型土壤質(zhì)量評價

馬芊紅, 張光輝, 耿 韌, 王 兵

(1.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京 100875; 2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875; 3.南京水利科學(xué)研究院, 南京 210029; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤質(zhì)量是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展的重要因素，土地利用方式作為可直接作用于土壤的關(guān)鍵因素之一，普遍而深刻地影響著土壤質(zhì)量[1]。不同土地利用類型間必然存在地表覆被、土壤結(jié)構(gòu)、物質(zhì)循環(huán)、土壤微生物活動等一系列土壤理化性狀和生態(tài)過程的差異。土地利用對土壤質(zhì)量的影響具有方向性，因地制宜的土地利用方式可以改良土壤理化性狀，促進(jìn)水、肥、氣、熱因子相互協(xié)調(diào)；相反不適宜的土地利用方式會加劇土壤侵蝕，打破土壤系統(tǒng)動態(tài)平衡，降低土壤生態(tài)功能和生產(chǎn)功能[2]。

20世紀(jì)90年代以來，土地利用與管理措施對土壤質(zhì)量的影響的研究已成為土壤質(zhì)量研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2-5]。張汪壽等[6]利用土壤質(zhì)量指數(shù)法計算了北京郊區(qū)7種土地利用方式下的土壤質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)量從低到高依次為草地、荒地、林地、果園、菜地、農(nóng)田、濕地。王雪梅等[7]的研究結(jié)果表明在渭干河—庫車三角州綠洲地區(qū)各土地利用方式間土壤質(zhì)量存在顯著差異，其中林地土壤質(zhì)量最高，其次為耕地、荒漠灌叢，而鹽堿草地的土壤質(zhì)量最低。郭旭東等[8]在河北省遵化市低山丘陵區(qū)的研究結(jié)果顯示林地或草地開墾為板栗園或耕地后土壤質(zhì)量發(fā)生了嚴(yán)重退化。黃土高原地區(qū)突出的人地矛盾加劇了生態(tài)環(huán)境的脆弱性和風(fēng)險性，土壤質(zhì)量對維系該地區(qū)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?！巴烁€林還草”工程的實(shí)施和以小流域為單元的水土流失綜合治理使黃土高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)量得到了有效改善，但目前對黃土高原典型小流域土壤質(zhì)量整體狀況和不同土地利用方式間土壤質(zhì)量的差異缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。本文選取陜西省安塞縣紙坊溝流域為研究區(qū)，對比分析該流域典型土地利用方式下土壤理化性質(zhì)及土壤質(zhì)量差異，從而為同類小流域以及黃土高原地區(qū)土地利用方式的優(yōu)化配置，土壤質(zhì)量的維系與改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紙坊溝流域(東經(jīng)109°13′—109°16′，北緯36°42′—36°46′)位于陜西省延安市安塞縣沿河灣鎮(zhèn)，面積約8.27 km2，是國家級退耕還林還草示范區(qū)，同時也是黃土高原水土流失綜合治理典型小流域。該流域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，地表崎嶇，支離破碎，年均溫為8.8℃，年均降雨量約549 mm，降雨年際和季節(jié)變化大，黃綿土為主要的土壤類型[9]。研究區(qū)主要的土地利用類型為林地、灌木地、草地、農(nóng)地、果園、苗圃、撂荒地等。夏季植被覆蓋較高，以人工栽種的植被類型為主，如刺槐、小葉楊、檸條、沙棘、沙打旺等，玉米、谷子、馬鈴薯等為主要的農(nóng)作物。

1.2 樣品采集與分析

經(jīng)過充分的野外調(diào)查，參考許明祥等[10]2001年在紙坊溝流域野外試驗的采樣點(diǎn)信息，在流域內(nèi)共布設(shè)了26個采樣點(diǎn)，分屬林地、灌木地、草地、農(nóng)地、果園、苗圃、撂荒地7種典型的土地利用類型(表1)。由于苗圃在紙坊溝流域的分布面積較小，因此布設(shè)了2個采樣點(diǎn)，其余6種土地利用類型分布較為廣泛，各布設(shè)了4個采樣點(diǎn)。采樣時間為2016年5月，以地塊為采樣單元，到達(dá)采樣點(diǎn)后，利用手持GPS獲取采樣點(diǎn)經(jīng)緯度信息，使用地質(zhì)羅盤測定采樣點(diǎn)坡度、坡向，觀察記錄采樣點(diǎn)主要植被類型并目估蓋度或郁閉度。去除地表枯落物等雜質(zhì)后，利用“S”形5點(diǎn)采樣法，采集表層0—20 cm土樣，將分樣混合均勻后用四分法留取1 kg左右土樣裝袋，帶回室內(nèi)備用[11]。

測定土壤理化指標(biāo)時對供測土樣顆粒大小有不同的要求，因此將野外采集的土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨后，分別過2 mm，1 mm和0.15 mm孔徑的篩子后裝袋保存。容重測定采用環(huán)刀法，比重測定采用比重瓶法，總孔隙度根據(jù)容重和比重計算得到[總孔隙度=(1-容重/比重)×100%]。采用馬爾文法(所用儀器為Mastersizer 2000激光粒度儀)測定土壤質(zhì)地和微團(tuán)聚體含量，根據(jù)美國制標(biāo)準(zhǔn)確定各級粒徑。微團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MICMWD)和結(jié)構(gòu)系數(shù)能夠間接反映微團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤抗蝕性，兩者均與微團(tuán)聚體水穩(wěn)性和土壤抗蝕能力成正比，采用許明祥等[10]的方法計算這兩個參數(shù)。有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用NaOH熔融鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH熔融分光光度法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4AOc浸提火焰光度法，pH值采用2.5∶1水土比浸提電位法[12]，除土壤容重外(9個重復(fù))，其余指標(biāo)均重復(fù)測量2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤理化指標(biāo)測定值的存儲和預(yù)處理以及指標(biāo)隸屬度值和土壤質(zhì)量指數(shù)的計算均在Excel 2010中完成，在ArcMap 10.2和Origin 8.5中繪制采樣點(diǎn)分布圖和不同土地利用類型土壤質(zhì)量指數(shù)對比圖，在SPSS 18.0中根據(jù)不同研究目標(biāo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，包括描述性統(tǒng)計分析、非參數(shù)檢驗、相關(guān)分析、主成分分析、一般線性模型方差成分估計和單因素方差分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計特征

為了全面準(zhǔn)確地反映紙坊溝流域不同土地利用類型下的土壤性狀，本文分別測定各采樣點(diǎn)的土壤容重、孔隙度、黏粒含量、砂粒含量、物理性黏粒含量、微團(tuán)聚體含量、MICMWD、結(jié)構(gòu)系數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH值16項土壤理化指標(biāo)(表2)。

表1 采樣點(diǎn)基本信息

表2 土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計特征

結(jié)果表明，整體而言紙坊溝流域土壤容重與總孔隙度適宜，土壤容重均值為(1.10±0.11) g/cm3，總孔隙度均值為59.40%±3.98%。從黏粒含量和砂粒含量均值來看，該流域土壤質(zhì)地類型為耕性良好的粉壤土，與許明祥等[10]結(jié)果相比，本文中黏粒含量較低，而砂粒含量較高，這可能是由于測定土壤質(zhì)地時許明祥等[10]采用傳統(tǒng)的吸管法，而本文選用馬爾文法，該方法可能存在黏粒測定值偏低的弊端。依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，紙坊溝流域26個采樣點(diǎn)的土壤速效鉀含量為高水平，全鉀、全磷和速效磷為中上等水平，有機(jī)質(zhì)和全氮為中下等水平，堿解氮含量為低水平，速效鉀與全鉀含量較高主要是由于該地區(qū)黃土礦物長石、云母及主要黏土礦物高嶺石、伊利石中鉀含量明顯高于其他地區(qū)[13]。除全鉀含量基本相同外，本文中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均高于許明祥等[10]的研究結(jié)果，說明從2001—2016年紙坊溝流域土壤肥力質(zhì)量得到了顯著改善。該流域土壤堿性較強(qiáng)，pH值均值為8.51±0.13。16個指標(biāo)中，速效磷的變異系數(shù)最大(129.9%)，不同土地利用類型間速效磷含量差異顯著，農(nóng)地、果園的速效磷含量顯著高于撂荒地和草地(p<0.05)，說明速效磷含量受人類施肥活動的影響最大。pH值和全鉀的變異系數(shù)最小，僅為1.6%和2.6%，氣候和成土母質(zhì)作為影響pH值與全鉀含量的主要因素，在小流域尺度上變化較小。除速效磷為強(qiáng)變異指標(biāo)外，其余指標(biāo)均為中等變異指標(biāo)或弱變異指標(biāo)，這主要是由于研究區(qū)面積較小，黃土母質(zhì)較為均一，絕大部分土壤理化性質(zhì)差別不大。非參數(shù)K-S檢驗表明，除速效磷為對數(shù)正態(tài)分布外，其余15項指標(biāo)均符合正態(tài)分布。

2.2 單因素土壤質(zhì)量評價

2.2.1 選取關(guān)鍵指標(biāo) 相關(guān)分析表明，16項土壤理化指標(biāo)間存在嚴(yán)重的共線性，因此可以采用主成分分析法從中選取若干關(guān)鍵指標(biāo)來表征紙坊溝流域不同土地利用方式下的土壤質(zhì)量。主成分分析結(jié)果表明，前4個主成分的特征值均大于1，累積方差貢獻(xiàn)率超過80%，因此本文選取前4個主成分。根據(jù)各指標(biāo)在主成分上旋轉(zhuǎn)因子載荷大小及指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，確定土壤質(zhì)量評價關(guān)鍵指標(biāo)。

第1個主成分(PC1)上，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的旋轉(zhuǎn)因子載荷均大于0.9(表3)，有機(jī)質(zhì)是土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的重要來源，全氮、堿解氮和速效鉀均與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.85，因此，首先將有機(jī)質(zhì)列為關(guān)鍵指標(biāo)之一。pH值在PC1上旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值大于0.6，且與有機(jī)質(zhì)相關(guān)關(guān)系較弱，pH值可列入關(guān)鍵指標(biāo)。黏粒含量、砂粒含量和物理性黏粒含量在第2個主成分(PC2)上旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值均大于0.9，黏粒是土壤活力的中心，與砂粒和物理性黏粒相關(guān)程度極高，據(jù)此黏粒含量可入選關(guān)鍵指標(biāo)。第3個主成分(PC3)上，容重與總孔隙度的旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值最高，且兩者負(fù)相關(guān)關(guān)系極顯著，選取容重作為關(guān)鍵指標(biāo)之一。第4個主成分(PC4)上，旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對值最大的為MICMWD，且MICMWD與旋轉(zhuǎn)因子載荷較大的速效磷和全鉀均呈極顯著負(fù)相關(guān)，因此將MICMWD作為PC4的代表指標(biāo)。綜上所述，本文選取容重、黏粒含量、MICMWD、有機(jī)質(zhì)和pH值作為評價紙坊溝流域不同土地利用類型土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

表3 土壤指標(biāo)在各主成分上的旋轉(zhuǎn)因子載荷

2.2.2 計算指標(biāo)隸屬度 由于土壤理化指標(biāo)的量綱和量級各不相同，無法直接放到一起計算土壤質(zhì)量指數(shù)，另外土壤質(zhì)量指標(biāo)的優(yōu)劣以及其對土壤功能的影響具有漸變性，因此采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)計算各指標(biāo)的隸屬度值[10]。根據(jù)許明祥等[10]在黃土高原安塞縣的相關(guān)研究，MICMWD和有機(jī)質(zhì)適用于“S”型隸屬度函數(shù)(公式1)，其上臨界值(x0)分別為0.07 mm和41.5 g/kg，容重、黏粒含量和pH值采用拋物線型隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化(公式2)，臨界值見表4。

表4 拋物線型隸屬度函數(shù)評價指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

(1)

(2)

對各指標(biāo)隸屬度值的方差分析結(jié)果表明(表5)，紙坊溝流域容重隸屬度值在不同的土地利用類型間差異不顯著。從土壤質(zhì)地來看，農(nóng)地和果園的黏粒含量隸屬度顯著低于苗圃、林地、灌木地和撂荒地，這主要是由于人類耕作活動使耕地和果園表土疏松，冬春季節(jié)地表裸露，細(xì)顆粒物質(zhì)更易被侵蝕。林地、灌木地、草地的MICMWD隸屬度明顯高于果園和苗圃，說明這3種土地利用方式下的土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好。林地的有機(jī)質(zhì)隸屬度顯著高于其他土地利用類型，這與郭旭東等[8]在河北遵化低山丘陵區(qū)所得研究結(jié)果相同。這主要是由于林地枯落物豐富，土壤生物種類與數(shù)量較多，利于有機(jī)質(zhì)富集和養(yǎng)分循環(huán)。相反，撂荒地的有機(jī)質(zhì)隸屬度值為7種土地利用類型中的最低值，說明養(yǎng)分含量較低是制約紙坊溝流域撂荒地土壤質(zhì)量最主要的原因。與林地、灌木地、草地相比，撂荒地生物量較小，枯落物補(bǔ)給較少，同時無人類培肥活動，因此養(yǎng)分含量較低。另外，撂荒地的pH值高達(dá)8.69，土壤呈偏堿性，在一定程度上抑制了土壤生物活動和養(yǎng)分循環(huán)。

地形對土壤和植被的影響不容忽視，為了對比土地利用類型和地形因子(海拔、坡度、坡位、坡向)對土壤質(zhì)量指標(biāo)變異性的影響程度，通過一般線性模型方差成分估計模塊計算得到各因子對評價指標(biāo)隸屬度總方差的貢獻(xiàn)率(表6)。結(jié)果表明，土地利用對容重、黏粒含量、MICMWD、有機(jī)質(zhì)和pH值總方差的貢獻(xiàn)率均高于地形因子，其中土地利用可解釋黏粒含量和pH值總方差的60%以上。由此可見，在紙坊溝流域土地利用類型對土壤質(zhì)量評價關(guān)鍵指標(biāo)的影響高于地形因子。郭旭東等[8]的研究結(jié)果同樣表明土地利用是影響河北遵化低山丘陵區(qū)土壤容重和土壤養(yǎng)分含量最重要的因素。

表5 不同土地利用類型下各評價指標(biāo)隸屬度

注：表中數(shù)值后所帶小寫字母表示關(guān)鍵指標(biāo)隸屬度在不同土地利用間存在顯著差異(p<0.05)。

表6 土地利用及地形因子在土壤評價指標(biāo)隸屬度方差中所占的百分比

注：表中小括號內(nèi)的百分?jǐn)?shù)代表土地利用或地形因子在土壤質(zhì)量指標(biāo)隸屬度方差變異中所占比例。

2.3 土壤質(zhì)量綜合評價

2.3.1 綜合評價方法 權(quán)重系數(shù)可以定量的表示各指標(biāo)在土壤質(zhì)量綜合評價中的貢獻(xiàn)率[14]，為了保證權(quán)重系數(shù)的準(zhǔn)確性和客觀性，本文將主成分分析所得各指標(biāo)公因子方差占公因子方差總和的比例作為權(quán)重。容重、黏粒含量、MICMWD、有機(jī)質(zhì)和pH值的權(quán)重系數(shù)分別為0.17，0.15，0.22，0.22，0.24。土壤系統(tǒng)是一個密不可分的整體，為了更好地體現(xiàn)土壤質(zhì)量指標(biāo)間的交互作用，本文選用加權(quán)綜合法計算各采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)，計算公式如下：

(3)

式中：Ki是第i個指標(biāo)的隸屬度值；wi是第i個指標(biāo)的權(quán)重；n是評價指標(biāo)的個數(shù)，本文中n=5，各采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量指數(shù)均介于0～1。

2.3.2 土壤質(zhì)量指數(shù) 26個采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.56～0.94，均值為0.71±0.10，變異系數(shù)為14.0%。一般線性模型方差分量分析結(jié)果表明土地利用因素可以解釋土壤質(zhì)量指數(shù)總方差的66.0%，遠(yuǎn)高于其他地形因子，說明土地利用方式是影響紙坊溝流域土壤質(zhì)量最重要的因素。不同土地利用類型間土壤質(zhì)量差異極顯著(p<0.01)，土壤質(zhì)量指數(shù)均值從大到小依次為林地(0.87±0.06)>灌木地(0.80±0.05)>苗圃(0.69±0.04)>草地(0.69±0.08)>果園(0.69±0.02)>農(nóng)地(0.63±0.03)>撂荒地(0.61±0.05)(圖1)。該結(jié)論與許明祥等[10]的研究結(jié)果基本一致，不同之處在于許明祥等[10]的研究結(jié)果認(rèn)為農(nóng)地和果園的土壤質(zhì)量低于撂荒地，這可能是由于本試驗采樣時間為5月份，正值作物和果樹追肥時節(jié)，土壤養(yǎng)分含量較高，而許明祥等[10]的采樣時間為8—9月，土壤中的養(yǎng)分通過作物根系轉(zhuǎn)移到了成熟的作物中。與尹剛強(qiáng)等[15]在湘中丘陵區(qū)的研究結(jié)果不同之處在于，尹剛強(qiáng)等[15]認(rèn)為苗圃地的土壤質(zhì)量最低，這可能是由于湘中地區(qū)苗圃地中主要栽種馬尾松、油茶、柑橘等樹種，土壤酸性很強(qiáng)，養(yǎng)分含量很低，從而制約了苗圃地的土壤質(zhì)量。

紙坊溝流域林地土壤通氣性、透水性良好，枯落物最多，有機(jī)質(zhì)含量高，微生態(tài)環(huán)境(如光照、地表溫度、微生物等)良好[15]，因而林地土壤質(zhì)量明顯高于苗圃、草地、果園、農(nóng)地和撂荒地。該結(jié)論與許明祥[10]、鞏杰[16]等的研究結(jié)果一致。灌木地土壤質(zhì)量略低于林地，與林地差異不顯著，灌叢可有效地攔蓄水土、改善土壤肥力，在坡面上具有“肥力島嶼”的作用[16]。苗圃、果園與草地的土壤質(zhì)量同處于較高水平，這主要是由于農(nóng)民對果園和苗圃施肥較多，草地地上和地下生物量較大。農(nóng)地和撂荒地的土壤質(zhì)量最低，種植糧食作物的經(jīng)濟(jì)效益低于果樹，因此當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對耕地的投入相對較少，且農(nóng)地冬季缺少植被保護(hù)，易遭受土壤侵蝕，導(dǎo)致農(nóng)地土壤質(zhì)量在紙坊溝流域相對較低；撂荒地表層硬殼化現(xiàn)象普遍，養(yǎng)分含量低，土壤呈偏堿性，不利于植被的演替和土壤生物活動，因此在黃土高原實(shí)施“退耕還林還草”過程中，應(yīng)將農(nóng)地天然撂荒與人工種植林灌草相結(jié)合[16]，因地制宜，合理布局，逐步提高土壤質(zhì)量，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

圖1不同土地利用類型土壤質(zhì)量指數(shù)對比

為了更直觀地對比各采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量，以0.2為組距將土壤質(zhì)量指數(shù)分為5個等級，分別為低(0

3 結(jié) 論

(1) 結(jié)合主成分分析和相關(guān)分析選取的關(guān)鍵指標(biāo)為容重、黏粒含量、MICMWD、有機(jī)質(zhì)和pH值，農(nóng)地和果園的黏粒隸屬度顯著偏低，林地、灌木地、草地的MICMWD隸屬度顯著高于果園和苗圃，林地有機(jī)質(zhì)隸屬度顯著高于其他土地利用類型，撂荒地的pH值隸屬度為7種土地利用類型中的最低值。

(2) 土地利用類型在關(guān)鍵指標(biāo)隸屬度和土壤質(zhì)量指數(shù)總方差中所占比例大于地形因子，是影響紙坊溝流域土壤質(zhì)量最重要的因素。

(3) 整體而言，紙坊溝流域土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.71±0.10，屬于較高水平，不同土地利用類型間土壤質(zhì)量存在顯著差異，土壤質(zhì)量指數(shù)均值從大到小依次為林地>灌木地>苗圃>草地>果園>農(nóng)地>撂荒地。

總之，容重、黏粒含量、MICMWD、有機(jī)質(zhì)和pH值5項關(guān)鍵指標(biāo)能夠客觀準(zhǔn)確地反映紙坊溝流域不同土地利用類型的土壤質(zhì)量。該流域土壤質(zhì)量整體狀況良好，林地和灌木地土壤質(zhì)量較高，而農(nóng)地和撂荒地土壤質(zhì)量相對較低，由此可見，“退耕還林還草”工程在改善黃土高原小流域生態(tài)環(huán)境和提高土壤質(zhì)量中發(fā)揮著重要作用。

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