基于文獻計量的貴州喀斯特地區(qū)石漠化等級土壤養(yǎng)分狀況分析

劉彥伶 ，李 渝 ，張 萌 ，白怡婧 ，黃興成 ，張雅蓉 ，張文安 ，蔣太明

（1．貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；3．貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，貴州 貴陽 550006）

石漠化是指亞熱帶脆弱的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理社會經(jīng)濟活動的干擾破壞所造成的土壤嚴重侵蝕、基巖大面積祼露、土地生產(chǎn)力下降、地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程［1］。石漠化退化特征從宏觀上表現(xiàn)為森林退化度的增加，森林覆蓋率降低，大部分地區(qū)退化成灌叢、草地，甚至裸地，植物適生種類減少，群落結(jié)構(gòu)單一，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差；從微觀上表現(xiàn)為土壤粗骨化，有機質(zhì)與養(yǎng)分元素含量急劇降低［2］。貴州是典型喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)省份，可溶性碳酸鹽巖的出露面積占全省土地總面積的73%，91.7%的耕地和94%的糧食產(chǎn)量都出自有喀斯特分布的縣（市、區(qū)）。與此同時，貴州石漠化面積也居全國之首，約占全省國土面積的18.8%［3］。石漠化已成為貴州乃至整個西南喀斯特山區(qū)生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的主要障礙，并引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。相關(guān)研究主要集中在喀斯特石漠化的形成原因［1，4］、石漠化驅(qū)動因子分析［5-6］、石漠化空間分布［7-8］、石漠化治理技術(shù)［9-10］等宏觀尺度研究，從微觀上定量研究石漠化過程中環(huán)境質(zhì)量變化的研究起步較晚。

目前對石漠化的治理一般采用生態(tài)恢復(fù)等辦法，而生態(tài)恢復(fù)必須涉及土壤這一關(guān)鍵因子，土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)諸多生態(tài)過程的載體，是植物群落更新演替過程中不可或缺的研究內(nèi)容。自2008年來，石漠化治理已成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的一項重要工作，盡管當(dāng)前已經(jīng)投入了大量的人力和物力，但是治理效果并不理想［11］，其中一個重要原因就是缺乏對石漠化土壤環(huán)境的深入研究。研究特定環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)演替過程中土壤理化性質(zhì)的變化，有助于認識生態(tài)系統(tǒng)演變過程中地上與地下相互作用關(guān)系及機理，才能對石漠化形成機理和過程有一個系統(tǒng)認識。近年來，有關(guān)石漠化治理過程的土壤效應(yīng)、植被退化對土壤養(yǎng)分的影響、土壤-石漠化關(guān)系、植被演替與土壤演變相互關(guān)系等研究逐漸成為研究的熱點［12-17］。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，通過對貴州喀斯特石漠化地區(qū)歷史研究資料的收集、數(shù)據(jù)整理和分析，客觀評價喀斯特地區(qū)不同石漠化等級土壤理化性狀，揭示喀斯特地區(qū)不同等級石漠化土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律，進而為喀斯特地區(qū)石漠化防治和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

通過《中國知網(wǎng)》（www.cnki.net）收錄的數(shù)據(jù)和提供的搜索引擎，收集2000～2016年以石漠化、喀斯特石漠化、不同等級石漠化等為關(guān)鍵詞并含土壤養(yǎng)分發(fā)表的相關(guān)論文，并從中收集貴州省內(nèi)不同等級石漠化土壤容重、＜0.001 mm細黏粒含量、＞0.05 mm粗砂粒含量、有機質(zhì)及氮磷鉀全量和速效養(yǎng)分，以及林地、草地、農(nóng)用地有機質(zhì)和全氮數(shù)據(jù)作為本研究的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)整理和分析獲得喀斯特地區(qū)不同石漠化等級土壤養(yǎng)分狀況相關(guān)數(shù)據(jù)。由于本研究不同石漠化等級和不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)比較過程中均選擇成組數(shù)據(jù)進行比較，故要求同一研究論文中包含所要研究的石漠化等級或者土地利用方式相關(guān)數(shù)據(jù)，本研究原始數(shù)據(jù)共涉及29篇參考文獻（表1），其中不同石漠等級土壤養(yǎng)分情況共涉及參考文獻20篇，不同土地利用方式全氮和有機質(zhì)含量共涉及參考文獻17篇（部分參考文獻兩者都涉及）。根據(jù)喀斯特地區(qū)石漠化強度等級分級標準，將石漠化等級分為6級［18］，詳見表2，由于潛在石漠化和極強度石漠化等級土壤理化性質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)較少，故本研究僅分析無石漠化（等級1）、輕度石漠化（等級2）、重度石漠化（等級3）、重度石漠化（等級4）4個等級之間土壤理化性質(zhì)差異，文獻數(shù)據(jù)涉及研究區(qū)域和研究時間詳見表1。

表1 本研究原始數(shù)據(jù)來源及研究區(qū)域

（續(xù)表）

表2 喀斯特地區(qū)石漠化強度等級分級標準［18］

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進行圖表繪制，利用SPSS 20.0進行方差分析和相關(guān)分析等統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同石漠化等級土壤物理性狀

隨著石漠化等級增加，土壤容重不斷增加，不同石漠化等級土壤容重均值排序為：無石漠化（ND）＜輕度石漠化（LD）＜中度石漠化（MD）＜重 度 石 漠 化（SD）（ 表3）， 均 值1.03～ 1.27 g·cm-3，與ND相比，LD、MD、SD容重均值分別增加了8.7%、12.6%、23.3%，ND與SD之間差異顯著（P＜0.05）。土壤機械組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元，并與侵蝕強度密切相關(guān)，分析表明，＜0.001 mm的細黏粒含量均值以ND最高，SD最低，而＞0.05 mm的砂粒含量以ND和SD較高，LD最低，但不同石漠化等級之間＜0.001 mm細黏粒量和＞0.05 mm粗砂粒量均無顯著差異。＜0.001 mm細黏粒量（41.0%～72.3%）和＞0.05 mm粗砂粒量（61.8%～65.3%）變異系數(shù)高于土壤容重（9.7%～23.5%）。說明土壤容重更適合作為表征土壤-石漠化關(guān)系的敏感性土壤物理因子。

表3 不同石漠化等級土壤物理性狀

2.2 不同石漠化等級土壤有機質(zhì)及全量氮、磷、鉀含量

隨石漠化等級增加土壤有機質(zhì)含量逐漸降低，ND有機質(zhì)含量平均值分別是LD、MD、SD的1.8、2.0、2.9倍，與LD相比，MD和SD分別降低了13.3%和38.9%，ND顯著高于各等級石漠化土壤，LD顯著高于SD，MD與SD之間無顯著差異。土壤全氮含量隨石漠化等級增加而不斷降低，與ND相比，LD、MD、SD分別減少37.6%、45.5%、51.3%，ND顯著高于各等級石漠化土壤，LD、MD、SD之間無顯著差異；隨石漠化等級增加土壤全磷含量亦逐級降低，與ND相比，LD、MD、SD分別減少25.6%、28.9%、36.7%，ND顯著高于SD，其他石漠化等級之間全磷含量無顯著差異；土壤全鉀含量以SD最低，但各等級之間全鉀含量差異不顯著。土壤全磷和全鉀含量的變異系數(shù)高于有機質(zhì)和全氮含量。

2.3 不同石漠化等級土壤速效氮、磷、鉀含量

隨石漠化等級增加土壤堿解氮含量逐漸降低（表5），與ND相比，LD、MD、SD分別下降了32.5%、39.1%、53.9%，ND顯著高于各等級石漠化土壤，LD和MD無顯著差異，均顯著高于SD（表5）。土壤有效磷和速效鉀含量也呈現(xiàn)出隨石漠

化等級增加不斷降低趨勢，與ND相比，LD、MD、SD土壤有效磷和速效鉀含量分別顯著降低了36.9%、48.5%、59.2%和27.5%、36.6%、37.8%，LD、MD、SD之間差異不顯著。土壤有效磷含量變異系數(shù)高于堿解氮和速效鉀含量。

表4 不同石漠化等級土壤有機質(zhì)及全量氮、磷、鉀養(yǎng)分含量

表5 不同石漠化等級土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量

2.4 不同石漠化等級土壤理化性質(zhì)變化趨勢

土壤容重、有機質(zhì)、全氮、全磷及速效氮、磷、鉀平均含量隨石漠化等級增加呈冪次方上升或下降（表3，4，5），且R2均達極顯著水平（P＜0.01），＜0.001 mm細黏粒平均含量也隨石漠化等級增加呈冪次方下降，但R2不顯著（P＞0.05），＞0.05 mm粗砂粒和全鉀平均含量與石漠化等級之間呈二次函數(shù)關(guān)系，R2均達顯著水平（P＜0.05）。土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀冪指數(shù)分別為 -0.727、-0.519、-0.310、-0.526、-0.634、-0.357，可見，隨石漠化等級增加衰減速度為有機質(zhì)＞有效磷＞堿解氮＞全氮＞速效鉀＞全磷，土壤有機質(zhì)含量隨石漠化等級增加下降最快。冪函數(shù)關(guān)系也說明，隨石漠化等級增加，土壤養(yǎng)分下降速率呈遞減趨勢，從無石漠化演變到輕度石漠化的過程，土壤養(yǎng)分下降幅度最大，土壤退化程度最嚴重，從輕度石漠化到重度石漠化演變的過程，土壤養(yǎng)分下降幅度逐漸減小。二次函數(shù)關(guān)系表明，從輕度到重度石漠化演變過程，＞0.05 mm粗砂粒平均含量LD最低，而全鉀平均含量LD則最高，之后隨石漠化等級增加不斷升高（＞0.05 mm粗砂粒含量）和降低（全鉀含量），可見，土壤從輕度到重度退化的過程土壤沙化程度增加，全鉀含量也有所下降。綜上，土壤容重、有機質(zhì)、全氮和速效氮、磷、鉀養(yǎng)分對石漠化進程的響應(yīng)較強烈，而＜0.001 mm細黏粒、＞0.05 mm粗砂粒和全鉀的響應(yīng)相對較弱。

2.5 石漠化地區(qū)土壤指標相關(guān)性分析及主成分分析

相關(guān)分析表明，除全鉀外，土壤有機質(zhì)和全氮與其他土壤理化性質(zhì)指標之間均呈顯著或極顯著相關(guān)（表6），其中有機質(zhì)和氮素養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)最大，全氮與堿解氮和全磷相關(guān)性較好。土壤有機質(zhì)和全氮與容重和＞0.05 mm的砂粒組分均呈極顯著負相關(guān)，與＜0.001 mm的黏粒組分則呈極顯著正相關(guān)。上述結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)和全氮與土壤理化性質(zhì)（除全鉀）均有極好的相關(guān)性，是石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因子，在改善土壤理化性質(zhì)和促進養(yǎng)分循環(huán)方面起著關(guān)鍵作用。

表6 石漠化環(huán)境土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

計算特征值的貢獻率和累積貢獻率（表7），并根據(jù)累積貢獻率≥85%的原則取得主成分。據(jù)此本文提取了3個主成分，第1主成分對總方差的貢獻率是 39.3%，第2主成分對總方差的貢獻率是31.1%，第3主成分對總方差的貢獻率是21.8%，三者之和達92.3%，即前3個主成分能把土壤全部指標提供信息的92.3%反映出來，因此，利用主成分分析石漠化地區(qū)土壤肥力質(zhì)量是可靠的。主成分分析結(jié)果表明，有機質(zhì)、全氮、堿解氮對第1主成分貢獻最大，容重、全磷、有效磷對第2主成分貢獻最大，全鉀和速效鉀對第3主成分貢獻最大。由此可見，土壤容重、有機質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分對石漠化地區(qū)土壤肥力都有重要影響，其中以有機質(zhì)和氮素養(yǎng)分影響最大。

2.6 不同土地利用方式土壤有機質(zhì)和全氮含量

石漠化地區(qū)不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)和全氮含量差異明顯（表8），其中有機質(zhì)和全氮含量均以林地最高，草地其次，耕地最低。與林地相比，草地和耕地土壤有機質(zhì)和全氮含量平均值分別顯著降低了43.2%、55.7%和36.7%、42.4%，耕地有機質(zhì)和全氮含量平均值分別比草地降低了22.1%和8.9%，但差異不顯著。

表7 主成分分析

表8 不同土地利用方式土壤有機質(zhì)和全氮含量

3 討論

3.1 不同石漠化等級土壤理化性狀

本研究表明，隨石漠化等級的增加土壤容重不斷升高，無石漠化顯著低于重度石漠化。＜0.001 mm細黏粒含量從無石漠化到石漠化過程有所降低，但從輕度到重度退化過程中以中度石漠化較高，＞0.05 mm粗砂粒含量以無石漠化和重度石漠化較高，從輕度到重度退化過程中不斷升高，但各等級石漠化之間＜0.001 mm細黏粒含量和＞0.05 mm粗砂粒含量均無顯著差異，其原因是不同研究結(jié)果對機械組成在石漠化演替過程中的變化趨勢存在不同觀點，有的研究認為隨著石漠化等級增加土壤侵蝕及水土流失嚴重，導(dǎo)致土壤黏粒含量減少，砂粒含量增加［2，19］，有的研究則認為隨著石漠化等級增加，在流水侵蝕下松散砂粒隨水流失，導(dǎo)致砂粒含量減少，黏粒含量增加［20］。土壤顆粒組成主要受土壤侵蝕等外力作用導(dǎo)致土壤中細粒組成發(fā)生相對改變造成，研究結(jié)果差異的原因除與其他粒徑機械組成成分含量有關(guān)外，可能與研究區(qū)域水土流失強度、植被覆蓋度及石漠化治理等因素有關(guān)，在相同植被類型下，一般隨石漠化程度加深土壤黏粒含量不斷減少，砂粒含量不斷增加［21］，植被覆蓋度高和侵蝕作用較弱的無石漠化土壤黏粒和砂粒含量均較高。

土壤有機質(zhì)、全氮及速效氮、磷、鉀養(yǎng)分對石漠化進程的響應(yīng)較強烈，而全磷尤其是全鉀的響應(yīng)則較弱，其原因是土壤退化過程中，地表群落植被不斷退化，植物凋落物減少，土壤有機質(zhì)和氮素養(yǎng)分流失嚴重，而土壤全磷則受成土母質(zhì)和植物歸還共同影響，全鉀主要取決于成土母質(zhì)和土壤發(fā)育程度，而與石漠化過程中地上生物量的釋歸關(guān)系不大，土壤速效養(yǎng)分很大一部分存在于土壤溶液中，易隨水土流失而減少，這也解釋了為什么土壤全磷和全鉀變異系數(shù)較有機質(zhì)和全氮大。相關(guān)分析和主成分分析表明，土壤有機質(zhì)和全氮與其他土壤理化指標之間均顯著相關(guān)，對土壤肥力貢獻最大，且隨石漠化等級增加下降趨勢明顯，在石漠化環(huán)境土壤演變過程中，可作為表征土壤-石漠化關(guān)系的敏感性土壤指示因子，與其他研究結(jié)果一致［22-24］。土壤質(zhì)量的變化除土壤理化性質(zhì)外，還應(yīng)考慮土壤的生物學(xué)特性，才能全面了解石漠化過程中土壤質(zhì)量變化對生態(tài)環(huán)境的影響［25］，故今后應(yīng)加強此方面的研究。

長期以來，人們一直認為隨石漠化等級增加，土壤退化程度也隨之增加，強度石漠化環(huán)境土壤退化最嚴重［26-27］，而盛茂銀等［23］研究則認為由于石漠化環(huán)境裸露巖石聚集效應(yīng)，隨石漠化等級增加，土壤養(yǎng)分是一個先退化后改善的趨勢。本研究結(jié)果表明，隨石漠化等級增加，土壤理化性質(zhì)呈現(xiàn)不斷退化趨勢，但大多理化指標與石漠化等級之間的關(guān)系為冪函數(shù)擬合決定系數(shù)較線性擬合大，均達顯著或極顯著水平，說明從無石漠化到出現(xiàn)石漠化退化過程中土壤退化最強烈，隨后強度減弱，并不是隨石漠化等級增加而增強。此結(jié)果綜合了上述兩種觀點。

3.2 石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)與石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)

不同土地利用方式對石漠化環(huán)境土壤養(yǎng)分影響較大，林地由于其植被覆蓋度高、凋落物多、根系發(fā)達，因而其土壤有機質(zhì)含量和全氮含量遠高于草地和耕地，草地較耕地地表植被覆蓋度和植物根系稍多，因而有機質(zhì)含量和全氮含量較耕地稍高，與王霖嬌等［28］研究結(jié)果石漠化地區(qū)土壤有機碳含量以原生林＞次生林＞灌叢＞草叢＞農(nóng)業(yè)用地一致。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，地表植被不同的文獻，無石漠化土壤地表植被類型基本為林地，而重度石漠化土壤地表植被類型則為農(nóng)用地或棄耕地，土壤養(yǎng)分變化與植物群落的演替具有明顯相關(guān)性，在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養(yǎng)分不斷改善的過程，而植物群落的逆向演替則是土壤不斷退化的過程。此外，大量研究結(jié)果顯示［29-32］，在石漠化地區(qū)選擇合適的林木和草種實施退耕還林還草可明顯改善土壤理化性質(zhì)。土壤退化過程是地表植物群落和土壤質(zhì)量相互作用的結(jié)果，植被覆蓋率下降引起土壤質(zhì)量明顯退化，而土壤質(zhì)量的退化又加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化，進而影響植物的種群結(jié)構(gòu)［33］，王霖嬌等［34］研究表明喀斯特石漠化地區(qū)土壤有機碳含量與群落豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)。綜上，增加地表覆蓋并輔以有機培肥對石漠化治理和生態(tài)恢復(fù)意義重大。

本研究結(jié)果顯示，強度石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量并不一定比輕中度石漠化地區(qū)差，因此，對于坡度＞25°石漠化程度較嚴重的地區(qū)，植被恢復(fù)措施并不僅限于封山育林的方式，可根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況，并結(jié)合植被群落演替規(guī)律，在不同石漠化恢復(fù)階段適時進行草灌等不同植物類型的增補，合理搭配物種，提高植被群落的穩(wěn)定性，以在較短的時間內(nèi)提高地表植被覆蓋度，減少侵蝕；對于坡度＜25°的石漠化程度較嚴重的坡耕地，國家在《十三五規(guī)劃建議》中首次提出“建立土地輪作、休耕試點”的政策，并明確在西南喀斯特石漠化生態(tài)脆弱期進行土地休耕試點，故應(yīng)積極在此地區(qū)探索符合當(dāng)?shù)氐耐恋剌喿餍莞夹g(shù)模式，讓土壤休養(yǎng)生息，恢復(fù)地力［35-36］；地表覆蓋減少和水土流失嚴重是土壤石漠化過程的兩個重要成因，大量研究表明，實行保護性耕作可提高作物產(chǎn)量、改善土壤物理性狀、提高土壤養(yǎng)分、減少水土流失、減少土壤侵蝕［37-41］，可作為石漠化農(nóng)耕區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要耕作方式，而貴州省在石漠化地區(qū)關(guān)于保護性耕作的研究較少，故今后應(yīng)加強保護性耕作及其配套技術(shù)研究，實施秸稈覆蓋還田或生物覆蓋，增加地表覆蓋并輔以有機培肥，防止土壤進一步退化。

4 結(jié)論

隨石漠化等級增加，土壤容重不斷增加，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷及堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量則不斷下降，對石漠化進程響應(yīng)較強烈，而＜0.001 mm細黏粒、＞0.05粗砂粒、全鉀對石漠化進程響應(yīng)較弱。

土壤容重、有機質(zhì)、全氮及堿解氮、有效磷、速效鉀與石漠化等級之間冪函數(shù)擬合決定系數(shù)均達極顯著水平，從無石漠化到輕度石漠化演變過程土壤退化最強烈。

土壤有機質(zhì)和全氮與其他土壤理化指標之間均有較好的相關(guān)性，且對石漠化環(huán)境土壤肥力貢獻最大，因此，土壤有機質(zhì)和全氮可作為表征土壤-石漠化關(guān)系的敏感性土壤指示因子。

石漠化地區(qū)土壤退化是地表植物群落和土壤質(zhì)量相互作用的結(jié)果，地表覆蓋度高、凋落物多的林地有利于土壤有機質(zhì)和全氮的累積，而耕地受人為干擾強烈，利用強度高，土壤有機質(zhì)含量和全氮含量最低。增加地表覆蓋度和進行有機培肥對石漠化治理具有重要意義，應(yīng)根據(jù)不同石漠化等級選擇合適的治理措施，促進石漠化地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。