衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地5種土地利用方式土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

楊滿元，楊寧

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421005）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，是植被生存和健康生長(zhǎng)基礎(chǔ)［1］。土壤肥力作為土壤動(dòng)態(tài)變化敏感指標(biāo)，直接影響著區(qū)域環(huán)境以及植被的健康狀態(tài)，是土壤性質(zhì)相互作用的綜合體現(xiàn)，它不僅反映土壤管理水平，同時(shí)揭示土壤恢復(fù)能力［2-3］。不同土地利用方式以及管理措施影響著土壤肥力變化程度與方向，合理土地利用方式可以改善土壤質(zhì)量，增強(qiáng)土壤肥力，而不合理土地利用方式則會(huì)破壞土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，加速土壤侵蝕，降低土地生產(chǎn)力［4-5］。因此，從土壤性質(zhì)和管理角度建立土壤肥力綜合評(píng)價(jià)體系，監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量的特征變化，為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)以及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省生態(tài)環(huán)境較為惡劣的地區(qū)之一，也是中國(guó)南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，植被稀疏，基巖裸露，區(qū)域中有的地方幾乎沒(méi)有土壤發(fā)育層，生態(tài)環(huán)境十分惡劣，植被恢復(fù)十分困難，該區(qū)域植被恢復(fù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨的工程。為改善區(qū)域環(huán)境，長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)施植被恢復(fù)取得了良好生態(tài)效果，但以往研究多集中于區(qū)域植被、土壤種子庫(kù)以及恢復(fù)模式等方面［6-8］，針對(duì)該區(qū)域不同土地利用方式土壤肥力差異及綜合評(píng)價(jià)鮮見(jiàn)報(bào)道，本文以恢復(fù)年限基本相同的不同土地利用方式土壤為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行綜合分析，為該區(qū)域植被恢復(fù)土壤培肥機(jī)理及調(diào)控肥力提供理論依據(jù)，更好地指導(dǎo)該區(qū)域植被恢復(fù)和生態(tài)重建。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

衡 陽(yáng) 市 紫 色 土 丘 陵 坡 地（東 經(jīng)110°32′16″—113°16′32″ ，北緯26°07′05″—27°28′24″）位于湖南省中南部，湘江中游，地貌以丘崗為主，紫色土呈網(wǎng)狀分布于海拔60～200 m 地帶；屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫18 ℃；極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年均降雨量1 325 mm，蒸發(fā)量1 426.5 mm，相對(duì)濕度80%，全年無(wú)霜期286 d左右。在研究區(qū)選取土地利用年限相同（20 a），坡向（SW25°～35°）、坡度（15°～35°）、海拔（115 m～140 m）及裸巖率（約10%）等生態(tài)因子基本相似的自然恢復(fù)地（Natural re-vegetation,NR）（常年稀疏雜草覆蓋）（蓋度約10%），以及人為設(shè)置的草地（Grassplot,GT）［白 花 草 木 樨（Melilotus albus） —豬 屎 豆（Crotalaria pallid）］（蓋度約85%）、灌草地（Frutex and grassland,FG）［紫穗槐（Amorpha fruticosa）+白花草木樨］（蓋度約90%）、灌叢地（Frutex,FX）［沙地柏（Sabina vulgaris）—馬桑（Coriaria nepalensis）］（蓋度約85%）和喬灌地（Arbor and frutex,AF）［楓香（Liquidamdar formosana）+紫穗槐］（蓋度約85%）5 種土地利用方式的樣地，各土地利用方式面積均大于1 hm2，20 年前各土地利用方式的主要草本植物以狗尾草（Setaria viridis）、 狗牙根（Cynodon dactylon）和馬鞭草（Verbena officinalis）為主，灌木以牡荊（Vitex negundovar.cannabifolia）、剌槐（Robinia pseudoacacia）、紫薇（Lagerstroemia indica）和苦楝（Melia azedarach）居多，林木主要為天然次生林楓香、人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）為主，研究區(qū)的森林覆蓋率19.6%；土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀分別為0.13 g/kg、0.56?、0.07%、2.10%左右，堿解氮、速效磷、速效鉀分別約為36.18 mg/kg、11.76 mg/kg、249.43 mg/kg，土壤pH 值約8.54，20 年間均無(wú)農(nóng)業(yè)施肥等人為干擾。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

在每種土地利用方式中各設(shè)4塊小樣地，每塊小樣地在相似坡位處設(shè)置3 個(gè)20 m×20 m 的樣方，在相同樣方內(nèi)分別采取0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤樣品，每個(gè)樣品由“S”采樣法取5 個(gè)樣點(diǎn)混合而成，按四分法取混合樣1 kg，裝入閉封塑料袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，去掉土壤中可見(jiàn)植物根系和殘?bào)w等雜物，過(guò)2 mm 孔徑的土壤分析篩，一部分常溫保存用于測(cè)定土壤理化指標(biāo)，一部分于4 ℃保存用于測(cè)定土壤的生物學(xué)性狀。

1.2.2 指標(biāo)和測(cè)定方法

為了能夠全面評(píng)價(jià)5種土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量，本研究根據(jù)土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)選擇易度量、重現(xiàn)性好的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量。各指標(biāo)的測(cè)定方法見(jiàn)表1［9-10］。

表1 土壤肥力的測(cè)定指標(biāo)Table 1 Determination index of soil fertility

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異（LSD）比較不同數(shù)據(jù)間差異（α=0.05），用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間相互關(guān)系，表中的所有數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值。

本研究選取土壤質(zhì)量指數(shù)（Soil quality index,SQI）來(lái)評(píng)價(jià)5 種土地種用方式的土壤肥力［11］。該方法的主要步驟如下：（1）應(yīng)用主成分分析（Principal component analysis, PCA）與相關(guān)分析（Correlation analysis,CA）法，選取對(duì)土壤肥力貢獻(xiàn)率較大的土壤指標(biāo)［12］；（2）參照公式1 標(biāo)準(zhǔn)化處理貢獻(xiàn)率較大的土壤指標(biāo)［13］；（3）利用公式2 計(jì)算SQI［13］。

y為標(biāo)準(zhǔn)化后的土壤指標(biāo)值，a=1時(shí)，x為通過(guò)主成分分析選取的指標(biāo)值，x0為選取指標(biāo)值的平均值，當(dāng)x在主成分中的系數(shù)大于0 時(shí)，b 取-2.5，反之，b 取2.5。

SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)，Yi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，Wi為權(quán)重，確定方法為Yi所在主成分能夠解釋方差變異量的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤肥力因子

在0～20 cm 與20～40 cm 土層，土壤含水量（SWC）、土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、微生物量碳（MBC）與微生物量氮（MBN）的大小順序?yàn)椴莸兀ā止嗖莸兀竟鄥驳兀ā謫坦嗟兀咀匀换謴?fù)地（P＜0.05），反之，土壤容重（SBD）的大小順序?yàn)樽匀换謴?fù)地＞灌叢地（≈喬灌地）＞草地（≈灌草地）（P＜0.05）；5 種土地利用方式0～20 cm 土層的SWC、SOC、TN、AN、AP、 MBC 與MBN 顯 著 大 于20 ～40 cm 土 層（P＜0.05），自然恢復(fù)地、灌叢地與喬灌地20～40 cm土層的SBD 顯著高于0～20 cm 土層（P＜0.05），而草地與灌草地0～20 cm 與20～40 cm 土層無(wú)顯著差異（P＞0.05）；5 種土地種用方式間以及0～20 cm 與20～40 cm土層間的全磷（TP）、全鉀（TK）與速效鉀（AK）均差異不明顯（P＞0.05）；在0～20 cm 與20～40 cm 土層，自然恢復(fù)地的土壤pH 值最高，顯著高于草地等4 種土地利用方式（P＜0.05），但5種土地利用方式0～20 cm 與20～40 cm 土層無(wú)顯著差異（P＞0.05）（見(jiàn)表2）。

表2 不同土地利用方式土壤肥力因子Table 2 Soil fertility factors of different land use types

2.2 土壤肥力因子間的耦合關(guān)系

SOC 與TN、TP、AN、AP、MBC、MBN；TN與TP、AN、AP、MBC、MBN；TP 與AN、AP、MBC、MBN；AN 與AP、MBC、MBN；AP 與MBC、MBN 的相關(guān)系數(shù)為0.77*～0.97**。TK 與AK的相關(guān)系數(shù)為0.97**。SWC 與SBD 的相關(guān)系數(shù)為-0.90**。土壤pH 值與SOC、TN、TP、AN、AP、MBC、MBN 的相關(guān)系數(shù)為-0.79*～-0.56*（*P＜0.05或**P＜0.01）（表3）。

表3 土壤肥力因子間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among soil fertility factors

2.3 土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)

對(duì)5 種土地利用方式12 個(gè)土壤理化指標(biāo)以及生物學(xué)指標(biāo)所表征的肥力因子的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，得出各自隸屬值（表4），同時(shí)對(duì)這些評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬值進(jìn)行主成分分析（表5），結(jié)果表明，前3 個(gè)主成分特征根均大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%，可反映系統(tǒng)的變異信息［14］。從方差貢獻(xiàn)率和特征量來(lái)看，各主成分評(píng)價(jià)土壤肥力影響力的大小順序?yàn)镻C1（65.20%,6.72）＞PC2（21.38%,2.41）＞PC3（14.92%,1.62），從各土壤肥力指標(biāo)權(quán)重來(lái)看，其大小順序?yàn)椋和寥牢⑸锪刻迹∕BC）（0.15）＞土壤微生物量氮（MBN）（0.14） ＞土壤有機(jī)碳（SOC）（0.12） ＞全氮（TN）（0.11）［＝堿解氮（AN）（0.11）］＞土壤含水量（SWC）（0.10）＞全磷（TP）（0.07）＞速效磷（AP）（0.06）＞pH值（pH value）（0.05）＞土壤容重（SBD）（0.04）＞全鉀（TK）（0.03）＞速效鉀（AK）（0.02），因此，MBC、MBN、SOC、TN、AN 等是土壤肥力主要驅(qū)動(dòng)因子。

表4 不同土地利用方式土壤肥力指標(biāo)的隸屬值Table 4 Membership value of soil fertility in different land use types

在第一主成分（PC1）中，MBC 的系數(shù)值最高（表5），且與SOC、MBN、TN、AN 等均有較好的相關(guān)性（表3），因此，在PC1 中選擇系數(shù)較高的MBC等作為肥力指數(shù)的指標(biāo)；同理在PC2 中選擇TP、AP作為肥力指數(shù)的指標(biāo)，在PC3 中選擇SWC 作為肥力指數(shù)的指標(biāo)。按照公式（1）和公式（2）計(jì)算5 種土地利用方式的土壤質(zhì)量指數(shù)，即灌草地（1.62）＞草地（1.59）＞喬灌地（1.32）＞灌叢地（1.03）＞自然恢復(fù)地（0.59）（圖1）。說(shuō)明在5 種土地利用方式中，灌草地、草地有較高的土壤肥力，其次為喬灌地和灌叢地，自然恢復(fù)地的土壤肥力較差。

圖1 不同土地利用方式土壤質(zhì)量指數(shù)Fig.1 Soil quality index（SQI） of different land use types

表5 不同土地利用方式土壤肥力指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 5 Principal component analysis of soil fertility index in different land use types

3 討論

MBC、MBN、SOC、TN 與AN 等具有基本相似的消長(zhǎng)規(guī)律，在一定程度上決定著土壤的肥力［15-16］。分析發(fā)現(xiàn)SOC 與TN、AN、TP、AP、MBC、MBN存在較好正相關(guān)關(guān)系，達(dá)極顯著正水平（P＜0.01），說(shuō)明隨著土壤SOC 等含量的增加，土壤肥力質(zhì)量明顯改善，與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果基本一致［17］。本研究發(fā)現(xiàn)灌草地與草地土壤肥力質(zhì)量較好，明顯優(yōu)于其他土地利用方式，主要原因?yàn)楣嗖莸嘏c草地的植被蓋度較高（分別為90%與85%），優(yōu)勢(shì)植物分別為紫穗槐、白花草木樨、豬屎豆等，其中紫穗槐是灌木類豆科植物，植株較低，枝葉密度高，容易導(dǎo)致由風(fēng)力引起的枯枝落葉和其他物質(zhì)在灌層下聚集，白花草木樨與豬屎豆為草本類豆科植物，能固氮，夏季高溫后干枯，歸還到土壤中的凋落物和根系代謝物較多，增加土壤的C 源、N 源以及土壤微生物所需代謝能源，對(duì)土壤肥力的提高有促進(jìn)作用［18-19］；自然恢復(fù)地常年為稀疏雜草覆蓋（蓋度10%），水土流失嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)腐殖化過(guò)程緩慢，不利于其土壤質(zhì) 量 的 改 善［20-21］。

本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH 值與SOC、TN、TP、AN 與AP 等呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），自然恢復(fù)地的SOC、TN、AN、AP、MBC 與MBN 等顯著低于草地等4 種土地利用方式，可能是由于自然恢復(fù)地的土壤pH 值呈堿性，顯著高于草地等4 種土地利用方式，有利于SOC 等肥力因子的礦質(zhì)化而不利于腐質(zhì)化，從而導(dǎo)致其土壤肥力下降［21-22］。

由于5種土地利用方式TK與AK的差異不明顯，分別僅為0.06%與6.03 mg/kg，所以TK、AK 與其他土壤肥力因子的相關(guān)性不明顯［15］。

除TK、AK 外，5種土地利用方式0～20 cm 土層土壤肥力質(zhì)量明顯優(yōu)于20～40 cm 土層，呈現(xiàn)出“表聚性”的特點(diǎn)，與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本一致［3，23］。一方面，由于植物根系主要集中于0～20 cm 土層，所以在土地利用過(guò)程中，0～20 cm 土層土壤受凋落物及植物的根系影響較大［24］，凋落物以及根系代謝產(chǎn)物對(duì)0～20 cm 土層土壤的熟化作用使得土壤養(yǎng)分在0～20 cm土層聚集，從而使土壤結(jié)構(gòu)得到改善［25］，肥力得到提高，微生物和酶活性得到加強(qiáng)［20］；另一方面，植物根系對(duì)土壤中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的富集作用，使養(yǎng)分能夠從0～20 cm 以下的土層向0～20 cm 土層 聚 集［26-27］。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地自然恢復(fù)地、草地、灌草地、灌叢地和喬灌地5 種土地利用方式0～20 cm 與20～40 cm 土層土壤有關(guān)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及生物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比研究，應(yīng)用主成分分析和相關(guān)分析方法選取具有代表性的指標(biāo)計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）。結(jié)果表明，除全磷、全鉀與速效鉀外，5 種土地利用方式的土壤肥力指標(biāo)有明顯差異性，SQI大小順序?yàn)楣嗖莸兀?.62）＞草地（1.59）＞喬灌地（1.32）＞灌叢地（1.03）＞自然恢復(fù)地（0.59）。因此，在衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地，草地（白花草木樨-豬屎豆）與灌草地（紫穗槐+白花草木樨）最有利于土壤肥力的提高。