石漠化治理土壤有機質和全氮含量的變異特征

舒 田,熊康寧,陳麗莎,肖 杰

(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，貴州 貴陽 550001；2.貴州省農業(yè)科學院 科技信息研究所，貴州 貴陽 550006)

【研究意義】喀斯特石漠化是指在熱帶亞熱帶暖溫帶濕潤半濕潤氣候條件的喀斯特環(huán)境背景下，受人類不合理社會經濟活動的干擾破壞所造成的土壤嚴重侵蝕，基巖大面積出露，土地生產力嚴重下降，地表出現(xiàn)類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。土地生產力下降最直接的因素就是土壤肥力的下降及養(yǎng)分的缺失。土壤養(yǎng)分狀況與石漠化過程關系緊密，不同石漠化等級下土壤的養(yǎng)分含量不同[2]?！厩叭搜芯窟M展】土壤有機質是指存在于土壤中的含碳有機物質，是植物生長所需營養(yǎng)元素的重要來源。全氮是土壤各種形態(tài)氮素含量之和，是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素。揭示土壤有機質和全氮的空間變異規(guī)律和掌握其分布狀況，對農業(yè)生產和環(huán)境管理具有重要意義[3]。因此，了解石漠化地區(qū)土壤有機質和全氮分布狀況，不僅可以反映植被恢復模式對土壤的響應，也可為土壤培肥提供參考依據[4]，同時能夠因地制宜地選擇作物，發(fā)展地方特色生態(tài)產業(yè)，為石漠化治理和生態(tài)恢復提供指導。封山育林、退耕還林還草、林草種植和自然恢復等生態(tài)治理措施，對石漠化地區(qū)土壤養(yǎng)分提升具有重要作用?！颈狙芯壳腥朦c】通過對2010和2015年關嶺花江示范區(qū)的石漠化等級遙感解譯，利用土地石漠化過程的定點采樣監(jiān)測數(shù)據并進行Kriging插值?！緮M解決的關鍵問題】分析土壤有機質和全氮變異特征和不同石漠化等級土壤有機質和全氮變異規(guī)律，從而確定土壤有機質和全氮在石漠化作用過程和生態(tài)治理過程中的虧缺及變異，為貴州石漠化山區(qū)土壤資源有效利用、水肥保持、植被重建及生態(tài)修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇關嶺-貞豐花江喀斯特高原峽谷中-強度石漠化綜合治理示范區(qū)(以下簡稱“花江示范區(qū)”)為研究區(qū)?；ń痉秴^(qū)位于貴州省安順市關嶺縣與黔西南州貞豐縣交界處的北盤江峽谷花江段，位置105°36′30″～105°46′30″E、25°39′13″～25°41′00″N，屬亞熱帶濕潤季風氣候，土壤以黃壤、黃色石灰土為主，土地利用以林地和耕地為主，植被類型多以次生灌木林為主，區(qū)域內水土流失以微度和輕度為主，多年平均降雨量1100 mm，年平均氣溫18.4 ℃，海拔430～1370 m，整體地勢陡峭，是典型的喀斯特峽谷強度石漠化地區(qū)，其石漠化等級基本情況見表1。示范區(qū)共涉及3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、8個行政村，50個村民組，包括貞豐縣北盤江鎮(zhèn)的水淹壩村、查爾巖村、銀洞灣村，關嶺縣板貴鄉(xiāng)的木工村、壩山村、三家寨村、孔落箐村和花江鎮(zhèn)的五里村[5]，示范區(qū)總面積5164.07 hm2，喀斯特面積占示范區(qū)總面積87.93 %。區(qū)域內涉及法郎、木工和頂壇3個小流域，2010年總人口8612人，其中農業(yè)人口占89.7 %，農民人均純收入5390元，人口密度150人/km2，產業(yè)結構仍以第一產業(yè)為主。

表1 研究區(qū)不同石漠化等級的基本情況Table 1 Basic information of different grade rocky desertification in study area

表2 花江示范區(qū)不同石漠化等級的分類標準Table 2 Grading standard of different rocky desertification in Huajiang demonstration area

1.2 數(shù)據來源

(1) 遙感影像?；ń痉秴^(qū)石漠化解譯遙感影像，采用成像時間為2010年ALOS PRISM(全色波段空間分辨率2.5 m)與ALOS AVNIR-2影像(多光譜波段空間分辨率10 m)，成像時間為2015年的資源三號衛(wèi)星數(shù)據(全色波段空間分辨率2.1 m，多光譜波段空間分辨率5.8 m)，分別對全色波段和多光譜波段進行融合，從而保證示范區(qū)石漠化解譯影像數(shù)據空間分辨率的一致性。

(2) 有機質和全氮含量?；ń痉秴^(qū)土壤有機質和全氮含量分別采用2010年貞豐和關嶺縣測土配方施肥數(shù)據和2015年7月針對4種不同石漠化等級實施的治理恢復模式地取樣后的室內土壤養(yǎng)分測定數(shù)據進行Kriging插值得到，采樣深度為0～20 cm表層土，自然風干后剔除石塊和雜質后研磨。土壤有機質和全氮分別采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法和半微量凱氏蒸餾法測定，各指標進行3次平行測定，取平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 花江示范區(qū)石漠化等級分類標準的確定及其等級面積統(tǒng)計 將遙感數(shù)據在ENVI5.3中對ALOS和資源三號衛(wèi)星數(shù)據進行全色和多光譜波段的融合，基于“3S”技術，并結合花江示范區(qū)坡度、巖性條件、基巖裸露率、土壤信息、植被覆蓋度等作為主要判讀因子，輔以示范區(qū)內平均降雨量、土層厚度、水土流失狀況、土地利用現(xiàn)狀等因子，參照文獻[6]的分級方法確定示范區(qū)石漠化等級的分類標準(表2)，基于ArcGIS的Spatial Analyst和疊置對研究區(qū)2010-2015年石漠化等級進行圖斑判別、定級和不同石漠化等級面積統(tǒng)計。通過空間分析，研究監(jiān)測時段各個圖斑石漠化等級的演變情況，分析石漠化的內部變化及區(qū)域變化，統(tǒng)計分析各圖斑石漠化的轉移規(guī)律。

1.3.2 花江示范區(qū)土壤等級的確定 土壤有機質和全氮的變異受成土母質、氣候、土地利用方式/覆蓋變化、耕作與施肥方式、栽培歷史等自然和人為因素的影響，土壤養(yǎng)分具有高度的空間異質性和變異性[7]。研究參照貴州省第二次土壤普查分級標準(表3)[8]確定花江示范區(qū)的土壤等級。

表3 貴州省第二次土壤普查的分級標準Table 3 Grading standard of second soil general survey in Guizhou

注：各養(yǎng)分含量范圍不含最大值。
Note: Each nutrient content range does not contain the maximum value.

圖1 2010-2015年花江示范區(qū)喀斯特石漠化的等級分布Fig.1 Grades distribution of karst rocky desertification of Huajiang demonstration area during 2010-2015

1.3.3 石漠化動態(tài)度 采用土地利用動態(tài)度方法[9]研究區(qū)域內石漠化變化的速度，計算花江示范區(qū)不同等級石漠化動態(tài)度。動態(tài)度指數(shù)綜合考慮了研究時段區(qū)域石漠化等級類型間的轉移，用以反映區(qū)域石漠化變化的劇烈程度和變化速度，便于在不同空間尺度上找出石漠化變化的熱點區(qū)域。單一石漠化動態(tài)度表達某一研究區(qū)一定時間范圍內某種石漠化等級類型的數(shù)量變化情況，可用以下分式表示：

式中，K來描述研究區(qū)某等級石漠化的變化即石漠化動態(tài)度，Ua、Ub分別為各等級研究期初及研究期末的石漠化面積，T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K值就是研究區(qū)某等級石漠化年動態(tài)度。

1.4 數(shù)據處理

采用SPSS19.0和Excel 2017對數(shù)據進行整理，計算石漠化土壤有機質和全氮含量的平均值、標準偏差和變異系數(shù)，通過制作圖表對不同石漠化等級與土壤有機質和全氮數(shù)據進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 2010-2015年花江示范區(qū)石漠化等級的面積變化

從表4和圖1可知，花江示范區(qū)內喀斯特面積4540.52 hm2，占示范區(qū)總面積的87.93 %。經過幾年的石漠化治理，無石漠化面積2010年為859.57 hm2，2015年增至1066.30 hm2，5年時間增加206.73 hm2，年動態(tài)度為4.81 %，變化貢獻主要來自示范區(qū)西北部的五里村以及南部的水淹壩村。潛在石漠化面積2015年較2010年增加42.40 hm2，年動態(tài)度為0.94 %，變化量不大。輕度石漠化面積2010年為1490.14 hm2，2015年增至1497.96 hm2，期間增加7.83 hm2。強度石漠化面積2010年為628.09 hm2，減少到2015年為500.81 hm2，期間減少127.29 hm2，平均以25.46 hm2/a的速度遞減，年動態(tài)度為4.05 %。中度石漠化2015年較2010年減少129.66 hm2，與強度石漠化變化量相當，其年動態(tài)度為3.93 %?？梢姡痉秴^(qū)石漠化變化的主要類型為無石漠化、強度石漠化和中度石漠化。

表4 2010-2015年花江示范區(qū)喀斯特石漠化等級的面積年動態(tài)變化Table 4 Area dynamic change of karst rocky desertification grades of Huajiang demonstration area during 2010-2015

注：-表示無數(shù)據(下同)；變化量的正數(shù)表示增加，負數(shù)表示減少。
Note:- indicates no data (the same below); a positive number of changes indicates an increase, and a negative number indicates a decrease.

表5 2010-2015年花江示范區(qū)石漠化等級的轉移矩陣Table 5 Transition matrix of rocky desertification of Huajiang demonstration area during 2010-2015 (hm2)

注：表頭為2015年石漠化等級，表列為2010年石漠化等級。
Note: The first row and column are rocky desertification grades in 2015 and 2010 respectively.

表6 2010-2015年花江示范區(qū)土壤的有機質及全氮含量的變化Table 6 Content variance of soil organic matter and total nitrogen of Huajiang demonstration area during 2010-2015

注：標準偏差無單位，變異系數(shù)單位為 %。
Note: No unit for standard deviation, the unit of variation coefficient is %.

從表5可知，2010-2015年花江示范區(qū)轉換面積最大的類型為輕度石漠化，其次是潛在石漠化和無石漠化，石漠化轉換主要集中在程度較低的等級，中度、強度石漠化轉換面積相對小，示范區(qū)石漠化治理的重點為石漠化較輕的等級。強度和中度石漠化主要向中度、輕度、潛在和無石漠化等級趨勢變化，而部分輕度石漠化區(qū)域變成中度石漠化，潛在石漠化變成輕度和中度石漠化，但變化面積較小，呈石漠化等級趨于兩級變化的態(tài)勢?？傮w而言，石漠化治理效果得明顯，其惡化趨勢得到有效控制。

2.2 土壤有機質和全氮含量的變化

2.2.1 平均含量 從表6看出，石漠化治理以來，花江示范區(qū)土壤有機質平均含量由2010年的31.28 g/kg升至2015年的41.83 g/kg，屬于上等水平的豐富向極豐富變化，期間變異系數(shù)由23.79 %升至27.47 %。土壤全氮平均含量由2010年的2.22 g/kg降至2015年的1.52 g/kg，其含量由上等水平的極豐富向豐富水平變化，期間變異系數(shù)由21.17 %升至26.32 %。變異系數(shù)(c.v.%)的大小表示土壤特性空間變異性的大小，通常變異系數(shù)c.v.%≤10 %時為弱變異性，10 %

2.2.2 不同石漠化等級含量 從圖2看出，2010-2015年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質含量均呈先升后降趨勢，輕度和中度石漠化土壤有機質含量明顯高于潛在和強度石漠化。有機質含量：2010年不同石漠化等級土壤有機質含量變幅較小，其中，輕度和中度石漠化土壤有機質含量較高，分別為33.20和32.79 g/kg；強度石漠化含量最低，為31.22 g/kg。2015年各石漠化等級土壤有機質含量變幅較大，其中，輕度石漠化土壤有機質含量最高，為51.19 g/kg；中度石漠化其次，為47.85 g/kg；強度石漠化最小，為31.54 g/kg。全氮含量：2010年不同石漠化等級土壤全氮含量接近，變幅很小，為2.18～2.25 g/kg。2015年土壤全氮含量變幅較大，其中，中度石漠化土壤全氮含量最高，為1.69 g/kg；潛在石漠化其次，為1.63 g/kg；輕度石漠化最低，為1.40 g/kg?？傮w而言，石漠化治理前(2010年)輕度和中度石漠化有機質和全氮顯著高于強度石漠化，石漠化治理后(2015年)潛在、輕度和中度石漠化有機質含量顯著高于強度石漠化，不同等級石漠化間差異不顯著。

圖2 2010-2015年花江示范區(qū)不同石漠化等級土壤養(yǎng)分含量的變化Fig.2 Soil nutrients variation in different rocky desertification grades in Huajiang demonstration area during 2010-2015

圖3 2010-2015年不同石漠化等級土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)Fig.3 Variable coefficients of soil nutrients in different rocky desertification grades during 2010-2015

從圖3看出，2010年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質和土壤全氮變異系數(shù)均呈先降后升趨勢，2015年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質和土壤全氮變異系數(shù)呈先升后降趨勢，均屬中等變異，且變異性逐年增大。有機質變異系數(shù)：2010年強度石漠化土壤有機質變異系數(shù)最大，為24.15 %；潛在石漠化其次，為23.28 %；中度石漠化最小，為20.98 %。2015年中度石漠化土壤有機質變異系數(shù)最大，為26.83 %；輕度石漠化其次，為24.01 %；強度石漠化最小，為19.21 %。全氮變異系數(shù)：2010年潛在石漠化土壤有機質變異系數(shù)最大，為21.08 %；輕度石漠化其次，為20.89 %；中度石漠化最小，為18.47 %。2015年輕度石漠化土壤有機質變異系數(shù)最大，為37.14 %；潛在石漠化其次，為25.15 %；強度石漠化最小，為17.36 %。

3 討 論

隨著花江示范區(qū)石漠化治理及生態(tài)修復工程的實施，特別是區(qū)域內以頂壇小流域為核心的石漠化生態(tài)工程的布局，石漠化趨勢得到有效控制，中度和強度石漠化嚴重等級面積逐漸減少，無石漠化土地面積逐漸增加，土壤有機質和全氮含量隨著石漠化等級的變化也產生相應變化。

土壤有機質對生態(tài)修復具有明顯的指示作用，對于生態(tài)修復的響應較快。因此，有機質可作為石漠化治理過程中植被恢復的物種選擇、恢復階段的治理效果的評價指標[11]。但有機質含量受土壤質地、植被類型、土壤歸還量和人為種植制度等多因素綜合影響，彭佳佳等[12]研究表明，在沙化草地上種植植被后土壤肥力提高，土壤有機質含量顯著增加，并且隨著植被恢復時間的延長而逐漸提高?；ń痉秴^(qū)廣泛種植花椒和金銀花等經濟林，構樹、鐵線蓮和白三葉等灌草叢，以及火龍果等攀援肉質灌木，一定程度上起到水土保持作用，從而減輕了土壤養(yǎng)分的流失，同時枯落物的蓄積和腐蝕分解對增加有機質含量具有很大促進作用。潛在石漠化土壤受除草、施肥及種植作物的影響導致土壤有機質含量低于輕度、中度石漠化退耕還林還草區(qū)。

土壤全氮含量變化趨勢與有機質變化一致，在無外源氮肥施入的情況下，土壤氮素主要來源于有機質的分解、生物固氮和大氣氮沉降。石漠化治理恢復過程中，花江示范區(qū)地表植被逐漸恢復，生物多樣性明顯增加，故土壤全氮含量也趨于增加。然而，2015年土壤全氮含量較2010年略有降低?？赡茉颍菏卫磉^程中引種如花椒和金銀花等均為喜氮植物所致。因此，在生態(tài)恢復治理和農事活動中應增加氮肥的施用量。

4 結 論

經過石漠化治理，無石漠化面積從2010年859.57 hm2增至2015年的1066.30 hm2，年動態(tài)度為4.81 %；潛在石漠化面積增加42.40 hm2，年動態(tài)度為0.94 %；輕度石漠化面積增加7.83 hm2；強度石漠化面積由2010年的628.09 hm2減至2015年的500.81 hm2，平均以25.46 hm2/a的速度遞減，年動態(tài)度為4.05 %；中度石漠化減少129.66 hm2，年動態(tài)度為3.93 %。強度、中度石漠化主要向中度、輕度、潛在和無石漠化等級趨勢變化?？傮w而言，石漠化治理效果得明顯，其惡化趨勢得到有效控制?；ń痉秴^(qū)土壤有機質平均含量由2010年的31.28 g/kg升至2015年的41.83 g/kg，土壤全氮平均含量由2010年的2.22 g/kg降至2015年的1.52 g/kg，土壤有機質和全氮含量均為中等變異，且變異性逐年增大。

從土壤有機質和全氮含量看，2010-2015年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質含量均呈先升后降趨勢，輕度和中度石漠化土壤有機質含量明顯高于潛在和強度石漠化。2010年不同石漠化等級土壤有機質含量變幅較小，為31.22～33.20 g/kg。2015年各石漠化等級土壤有機質含量變幅較大，為31.54～51.19 g/kg。2010年不同石漠化等級土壤全氮含量接近，變幅很小，為2.18～2.25 g/kg。2015年土壤全氮含量變幅較大，為1.40～1.69 g/kg，與吳育忠[11]的研究結果相近。總之，石漠化治理前(2010年)輕度和中度石漠化有機質和全氮顯著高于強度石漠化，石漠化治理后(2015年)潛在、輕度和中度石漠化有機質含量顯著高于強度石漠化，不同等級石漠化間差異不顯著。

從變異系數(shù)看，2010年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質和土壤全氮變異系數(shù)均呈先降后升趨勢，2015年潛在石漠化至強度石漠化土壤有機質和土壤全氮變異系數(shù)呈先升后降趨勢，均屬中等變異，且變異性逐年增大。有機質變異系數(shù)和全氮變異系數(shù)2015年的變幅均大于2010年。