基于主成分分析的大渡河中游干暖河谷草地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

李 霞,朱萬(wàn)澤,舒樹(shù)淼,盛哲良,王文武

1 中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

大渡河干暖河谷位于我國(guó)西南山區(qū)青藏高原過(guò)渡帶,生態(tài)環(huán)境脆弱,自然地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜。河谷區(qū)為自然災(zāi)害的多發(fā)地段,多高山峽谷,植被在河谷坡面上作斷續(xù)帶狀分布,以灌叢、草叢或稀樹(shù)灌木草叢為主,植物群落層次結(jié)構(gòu)單一,外貌隨干濕季節(jié)交替變化明顯[1]。河谷兩岸有大量裸露坡面,是泥石流、崩塌、滑坡等自然災(zāi)害物源的主要來(lái)源之一[2-3],也是山區(qū)治理中最關(guān)鍵和最困難的一種特殊地域類(lèi)型[1]。

坡面植被可減緩河流對(duì)河谷兩岸的直接沖刷,穩(wěn)定坡面泥石流和滑坡物源,在調(diào)節(jié)坡面水分、攔截泥沙、網(wǎng)絡(luò)固結(jié)松散土體、維持和提高土壤質(zhì)量等方面具有重要作用[4]。坡面植被恢復(fù)的理想方法是通過(guò)自然演替逐漸改善生態(tài)系統(tǒng)的微環(huán)境,由相對(duì)單一的植物群落逐漸恢復(fù)成為結(jié)構(gòu)、組成和功能相對(duì)復(fù)雜的穩(wěn)定群落[5]。干旱河谷植被恢復(fù)應(yīng)從草地植被恢復(fù)入手[6],草地具有生長(zhǎng)快,對(duì)生存環(huán)境要求相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),只要灌草叢覆蓋度大于60%,即可保護(hù)土壤免于侵蝕[7],是快速增加坡面植被覆蓋的有效措施,也是植被自然演替重要的一環(huán)。大渡河干暖河谷草地面積約106.12 km2,為河谷區(qū)植被面積的12.2%,是河谷區(qū)重要的植被類(lèi)型[8],其水土保持功能主要體現(xiàn)在顯著地防止風(fēng)力和水力侵蝕,此外,草地在截留降水、廢棄物降解、營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)和維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用[9],也是生物多樣性和珍稀動(dòng)植物物種保護(hù)的重要基地[10]。發(fā)揮草地生態(tài)功能對(duì)推進(jìn)河谷區(qū)植被恢復(fù)、區(qū)域生態(tài)平衡維系及促進(jìn)當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展具有重要的意義[9-10]。

西南干旱河谷植被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵在于土壤質(zhì)量的改善[11]。土壤質(zhì)量作為土壤的一種固有屬性,是土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映,在維持生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量和動(dòng)植物健康等方面具有重要作用[12],土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣關(guān)系到生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程、演替方向以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[13],直接影響河谷兩岸植被恢復(fù)進(jìn)程,土壤在植被恢復(fù)演替過(guò)程中的作用已受到廣泛的關(guān)注[14]。坡向作為山地的主要地形因子之一,雖然相互間的距離較近,但不同坡向土壤含水量、土壤養(yǎng)分等生境因子變化劇烈[15],并影響著相應(yīng)的植被分布格局[16]。開(kāi)展大渡河干暖河谷土壤質(zhì)量評(píng)估,可為該區(qū)域植被恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)功能的可持續(xù)性提供科學(xué)依據(jù)。

大渡河干暖河谷瀘定到漢源段是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的中游河谷區(qū),河谷土壤歸屬于黃紅壤[17],王良健等[18]依據(jù)該區(qū)域河谷土壤理化性質(zhì)又將土壤歸屬于山地褐土和山原紅壤。隨著對(duì)土地可持續(xù)利用的日益重視,大渡河干暖河谷區(qū)土壤質(zhì)量相關(guān)研究也逐漸深入,劉蔚等[19]分析了大渡河中游干旱河谷云南松凋落葉分解和土壤呼吸對(duì)降水增加的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)土壤全氮、微生物碳和氮呈現(xiàn)濕季高、干季低的特征,而土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濕季低、干季高,土壤微生物碳與土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。趙琳等[20]研究表明,海拔、坡度、坡向、微地形、土層厚度和土壤質(zhì)地是大渡河干暖河谷區(qū)各立地類(lèi)型的主要影響因子。但尚缺乏針對(duì)大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量的研究報(bào)道,鑒于其在大渡河干暖河谷植被恢復(fù)及植物群落演替中具有重要作用,本研究從分析大渡河干暖河谷不同坡向類(lèi)型和植被蓋度的草地土壤理化學(xué)性質(zhì)入手,采用主成分分析法評(píng)價(jià)了河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量,分析了河谷坡向和草地植被蓋度與土壤質(zhì)量的關(guān)系,研究可為川西干暖河谷土壤管理和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大渡河中游瀘定至漢源干暖河谷區(qū),地理位置102°13′E—102°45′ E,29°14′N(xiāo)—29°82′ N,平均海拔1300 m。流經(jīng)長(zhǎng)度152.4 km,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,干濕季明顯,年均氣溫16.9℃,年均降水量801.3 mm,降雨多集中于6—9 月,約占全年降水量的82.2%[21]。該區(qū)域植被群落以灌草為主,根據(jù)LANDSAT-TM、HJ衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),采用混合分類(lèi)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土地利用類(lèi)型提取,并對(duì)天然植被面積和草地面積分析顯示,草地約占區(qū)域內(nèi)天然植被面積的10.03%,灌叢主要有多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)、車(chē)桑子(Dodonaeaviscosa)等旱生河谷灌叢,草主要有薹草(Carexspp)、白茅(Imperatacylindrica)、黃茅(Heteropogonconiorius)、鬼針草(Bidenspilosa)、蕓香草(Cymbopogondistans)、黃背草(Themedatriandravar.japonica)等種類(lèi),同時(shí)也分布有以云南松(Pinusyunnanensis)及櫟類(lèi)為主的次生針葉林或針闊混交林。該區(qū)域土壤主要由砂頁(yè)巖發(fā)育而來(lái),代表性土壤從下到上的垂直序列為褐土—棕壤—暗棕壤,土壤質(zhì)地輕壤至重壤土,巖性松散,土層淺薄且礫石含量大。

1.2 野外土壤樣品采集

于2018年9月和2019年9月分別進(jìn)行了兩次土壤樣品采集,沿大渡河流域?yàn)o定至漢源干暖河谷,將整個(gè)河谷坡面依據(jù)坡向劃為8 個(gè)方位(北、東北、東、東南、南、西南、西、西北),在每個(gè)坡向根據(jù)植被蓋度隨機(jī)設(shè)置5 m × 5 m的草本研究樣地,將每個(gè)樣地分為9個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格順序編號(hào)后利用抽簽的方法隨機(jī)抽取3 個(gè)網(wǎng)格作為樣點(diǎn),采集樣點(diǎn)表層0—20 cm土壤樣品,將同一樣地內(nèi)的3 個(gè)樣點(diǎn)土壤混合作為該樣地土壤樣品,共采集了102 個(gè)樣品。其中,植被蓋度< 30%的樣地12 個(gè),植被蓋度為30%—50%的樣地33 個(gè),植被蓋度為50%—70%的樣地48 個(gè),植被蓋度> 70%的樣地9 個(gè),在相同剖面相應(yīng)深度處用100 cm3的環(huán)刀采集土壤樣品,土壤樣品收集到自封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤物理化學(xué)性質(zhì)分析。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤物理性質(zhì)測(cè)定：土壤礫石含量、容重、最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、土壤通氣度和土壤排水能力等采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤含水量采用鋁盒法測(cè)定。

土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定：土壤pH值采用1：2.5電位法,土壤全碳、全氮采用元素分析儀(Elementar vario MACRO cube,Germany)測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉融化法,全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法,有效磷采用碳酸氫鈉法,速效鉀采用乙酸銨提取法[22]。

1.4 主成分分析

(1)最小數(shù)據(jù)集(MDS)構(gòu)建

主成分分析(PCA)可將土壤指標(biāo)的數(shù)量減少到有限的一組向量中,包含若干關(guān)鍵指標(biāo),這些指標(biāo)反映了土壤主要生態(tài)功能[23]。通過(guò)PCA確定影響土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集(MDS),可在一定程度上通過(guò)數(shù)據(jù)篩選,減少參評(píng)土壤指標(biāo)的數(shù)量,解決了數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。PCA選擇對(duì)樣本總方差的解釋力大于5%的主成分,在所有主成分組別中,只將具有較大特征值的指標(biāo)保留至MDS中[24]。為了避免數(shù)據(jù)冗長(zhǎng)以及信息丟失的問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算變量的Norm值(矢量常模)的方法來(lái)克服此缺陷,當(dāng)一個(gè)組別中存在大量的土壤指標(biāo),并且這些土壤指標(biāo)都具有代表性時(shí),則選擇具有最大Norm值的指標(biāo),Norm值的計(jì)算公式為[25]：

(1)

式中,Nik為第i個(gè)變量在特征值≥ 1的前k個(gè)主成分上的綜合荷載；Uik為第I個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的荷載,反映了第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分的相對(duì)重要性；λk是第k個(gè)主成分的特征值。

選出PCA分析特征值≥ 1且主成分中因子荷載絕對(duì)值≥ 0.5的土壤指標(biāo)分為一組,若出現(xiàn)土壤指標(biāo)同時(shí)在兩個(gè)主成分中的因子荷載值都≥ 0.5的情況,則進(jìn)行指標(biāo)間相關(guān)性分析,將相應(yīng)土壤指標(biāo)歸并到與其他土壤指標(biāo)相關(guān)性較低的那一組[26]。土壤指標(biāo)間的相關(guān)性越好,表明土壤指標(biāo)的作用效果相近,相關(guān)性較高的土壤指標(biāo)只有一個(gè)可以入選MDS,其余將被剔除[27]。

1.5 土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)

將確定的MDS各指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理為0—1的無(wú)量綱值,再根據(jù)各指標(biāo)公因子方差通過(guò)式(2)計(jì)算其相應(yīng)權(quán)重：

(2)

式中,Wi為指標(biāo)權(quán)重；Ci為該指標(biāo)公因子方差；n為最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)數(shù)。

最后,指標(biāo)得分通過(guò)式(3)被整合為一個(gè)綜合指數(shù),即土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)[27]:

(3)

式中,Qi為評(píng)價(jià)對(duì)象的質(zhì)量指數(shù)；Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Cij為評(píng)價(jià)對(duì)象i在第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值(無(wú)量綱值),其中n= 9,m由各植被類(lèi)型所采集土壤樣品數(shù)而定。

利用SPSS 16.0軟件的Descriptive Statistics進(jìn)行最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分析,利用Factor Analysis進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析,土壤指標(biāo)的相關(guān)性分析檢驗(yàn)在0.05或0.01顯著性水平上進(jìn)行,圖表繪制使用Origin和Excel完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤物理化學(xué)性質(zhì)是反映土壤綜合質(zhì)量的重要指標(biāo)。大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤理化性質(zhì)分析顯示(表1),土壤pH值在5.380—8.780之間,變異系數(shù)最小,其中弱堿性樣地占樣地總數(shù)的75%,弱酸性樣地占25%,研究區(qū)土壤以弱堿性為主；土壤有效磷變異系數(shù)大于1,為強(qiáng)變異指標(biāo),說(shuō)明該區(qū)域草地土壤有效磷具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性,其余土壤理化指標(biāo)變異系數(shù)均在0.1—1的范圍內(nèi),屬于中等變異。整體來(lái)看,研究區(qū)土壤理化性質(zhì)在中等變異范圍內(nèi)。

表1 土壤指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set, MDS)的確定

基于13個(gè)土壤理化指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見(jiàn)表2,表中列出PCA分析所得4組主成分特征值均大于1,解釋了研究區(qū)理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量影響的77.37%。土壤質(zhì)量指標(biāo)的公因子方差分析表明,4組主成分能解釋土壤有機(jī)質(zhì)90%以上的差異,礫石含量、容重、土壤含水量、毛管空隙度、全氮、碳氮比、速效鉀和速效磷80%以上的差異,非毛管空隙度、p H值、全鉀及全磷約70%的差異(表2)。選擇各主成分組荷載因子絕對(duì)值≥ 0.5的指標(biāo)組成4組主成分分析MDS備選指標(biāo),其中,第1組包括礫石含量、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、全磷和全鉀；第2組包括土壤含水量、碳氮比和有效磷；第3組包括毛管空隙度和非毛管空隙度；第4組包括容重和全氮。

表2 土壤指標(biāo)主成分分析的結(jié)果及公因子方差和分組

Pearson相關(guān)性顯著的土壤指標(biāo)中僅一個(gè)可入選MDS,其余被剔除,如果一個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)間高度加權(quán)的相關(guān)不顯著,則保留為最小數(shù)據(jù)集。在分組1、3中,分別將Norm值最大的有機(jī)質(zhì)和非毛管孔隙度納入MDS; 在分組2中,土壤含水量Norm值大于碳氮比和有效磷,但碳氮比與土壤各指標(biāo)相關(guān)性小于土壤含水量和有效磷,因此,選擇碳氮比進(jìn)入MDS,以同樣的方法將分組4中的容重納入MDS。最終確定的大渡河干暖河谷草地土壤質(zhì)量MDS包含土壤非毛管孔隙度、容重、有機(jī)質(zhì)和碳氮比等4個(gè)指標(biāo)。

通常干旱河谷、干暖河谷植被狀態(tài)的主要限制因素是土壤水分條件,但水分含量與土壤容重顯著相關(guān)(P< 0.1),根據(jù)顯著相關(guān)的指標(biāo)選擇Norm值最大的指標(biāo)歸入MSD的原則,本文土壤含水量沒(méi)有納入MSD中,這也與大渡河干暖河谷中游區(qū)降水量差別不大,造成各樣地土壤水分含量異質(zhì)性不大有關(guān)。

2.3 草地土壤質(zhì)量指數(shù)

根據(jù)最小數(shù)據(jù)集(MDS)的公因子方差,運(yùn)用公式(2)計(jì)算出最小數(shù)據(jù)集各土壤質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重(表3),再根據(jù)公式(3)計(jì)算出草地土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)。

表3 最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set, MSD)中的土壤指標(biāo)的公因子方差及權(quán)重

圖1 最小數(shù)據(jù)集(MSD)土壤理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響

MDS中各理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響見(jiàn)圖1,非毛管孔隙度對(duì)草地土壤質(zhì)量的影響為最大,土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.033—0.115,均值為0.077；碳氮比對(duì)土壤質(zhì)量影響最小,其土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.02—0.064,均值為0.048。MDS中各土壤理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響大小依次為：非毛管孔隙度> 容重> 有機(jī)質(zhì)> 碳氮比。

研究區(qū)不同坡向草地土壤質(zhì)量存在一定差異(圖2),可根據(jù)SQI高低分為2 組,其中,SQI較高的一組東北坡> 東坡> 西坡> 北坡,SQI較低的一組西南坡> 南坡> 東南坡> 西北坡,SQI總體呈現(xiàn)由東北向西南遞減的趨勢(shì),表明大渡河干暖河谷草地土壤質(zhì)量的坡向空間變異較大。東北坡、東坡和北坡SQI受土壤容重的影響較大；東南坡、南坡、西坡、西北坡、西南坡SQI受土壤非毛管空隙度的影響較大；不同坡向MSD各指標(biāo)SQI平均值：非毛管空隙度> 容重> 有機(jī)質(zhì)> 碳氮比,非毛管空隙度對(duì)土壤質(zhì)量影響最大。

圖2 坡向與土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)之間的關(guān)系

圖3 植被蓋度與土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)之間的關(guān)系

植被蓋度是評(píng)估土地退化的有效指數(shù)[28]。由圖3可知,大渡河干暖河谷土壤質(zhì)量隨著植被蓋度的減少而降低,與蓋度> 70%的草地土壤相比,50%—70%、30%—50%和< 30%蓋度的草地SQI分別降低了12.9%,33.7%和37.9%。土壤容重與植被蓋度具有較好相關(guān)性,隨著草地植被蓋度的減少,土壤容重對(duì)土壤質(zhì)量的影響增強(qiáng),非毛管孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)和碳氮比則逐漸減弱。植被蓋度< 30%草地MDS各指標(biāo)土壤質(zhì)量指數(shù)：土壤容重> 非毛管孔隙度> 有機(jī)質(zhì)> 碳氮比,而> 70%蓋度草地MDS各指標(biāo)土壤質(zhì)量指數(shù)：非毛管孔隙度> 有機(jī)質(zhì)> 土壤容重> 碳氮比,表明低植被蓋度土壤質(zhì)量主要受土壤容重和非毛管孔隙度的影響,而高植被蓋度土壤質(zhì)量主要受土壤非毛管空隙度和有機(jī)質(zhì)影響。

磷和鉀是植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素,也是土壤肥力的重要組成分。本文分析發(fā)現(xiàn)這兩項(xiàng)指標(biāo)并非影響大渡河干暖河谷草地土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)。為了評(píng)價(jià)鉀和磷對(duì)土壤質(zhì)量的影響,本文將磷和鉀分別加入重建MSDⅠ和MSD Ⅱ。土壤全磷除與有效磷顯著相關(guān)外,還與礫石含量、容重、含水率、非毛管孔隙度和速效鉀等5個(gè)指標(biāo)顯著相關(guān),而有效磷則與容重、含水率、毛管空隙度和全鉀等4個(gè)指標(biāo)顯著相關(guān)(表2),按照相關(guān)性較高的土壤指標(biāo)只有一個(gè)可以入選最小數(shù)據(jù)集,并且應(yīng)選擇與其他指標(biāo)相關(guān)性較弱的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的原則,將有效磷納入新建的最小數(shù)據(jù)集Ⅰ(MSDⅠ),同時(shí)去掉與其顯著相關(guān)的土壤容重指標(biāo),MSDⅠ包括有效磷、有機(jī)質(zhì)、非毛管空隙度和碳氮比等4個(gè)指標(biāo)。以相同的方式重建鉀對(duì)土壤質(zhì)量的影響最小數(shù)據(jù)集Ⅱ(MSDⅡ),包括速效鉀、有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度和容重等4個(gè)指標(biāo),通過(guò)公式(2)和(3)分別計(jì)算對(duì)SQIⅠ和SQIⅡ進(jìn)行計(jì)算。

由圖4可知,MDSⅠ中,對(duì)土壤質(zhì)量的影響最大的是土壤有機(jī)質(zhì)含量,SQIⅠ集中分布在0.047—0.116,均值為0.090；有效磷對(duì)土壤質(zhì)量影響最小,SQIⅠ分布在0.007—0.024,均值較土壤有機(jī)質(zhì)降低了61.1%,也低于MDSⅠ中其他指標(biāo),可見(jiàn),土壤有效磷并非影響大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量的核心土壤理化指標(biāo)；將速效鉀納入MDSⅡ后,對(duì)土壤質(zhì)量的影響最大的是容重(圖5),SQIⅡ分布在0.030—0.164,均值為0.109,速效鉀對(duì)土壤質(zhì)量影響最小,SQIⅡ集中分布在0.015—0.046,均值較土壤有機(jī)質(zhì)降低了68.8%,土壤速效鉀也非影響大渡河干暖河谷區(qū)土壤質(zhì)量的核心土壤理化指標(biāo)。因此,本文評(píng)價(jià)大渡河干暖河谷草地土壤質(zhì)量所使用的MSD是合理的。

圖4 最小數(shù)據(jù)集(Minimum data setⅠ, MSDⅠ)土壤理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響

圖5 最小數(shù)據(jù)集(Minimum data set Ⅱ, MSDⅡ)土壤理化指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響

2.4 土壤質(zhì)量等級(jí)劃分

本文用“箱形圖”表征各植被類(lèi)型土壤質(zhì)量指數(shù)分散情況,分析土壤質(zhì)量分布特征(圖6),將研究區(qū)的土壤質(zhì)量分為由低到高的Ⅰ—Ⅳ級(jí),各級(jí)別土壤質(zhì)量指數(shù)分布情況如下：Ⅰ級(jí)0.069—0.190,Ⅱ級(jí)0.190—0.251,Ⅲ級(jí)0.251—0.344,Ⅳ級(jí)0.344—0.567。根據(jù)各坡向SQI將東北坡劃分為Ⅳ級(jí),東坡、西坡、北坡是Ⅲ級(jí),西南坡、南坡和東南坡是Ⅱ級(jí),僅西北坡是Ⅰ級(jí)。不同草地植被蓋度土壤質(zhì)量均值分級(jí)均在Ⅱ級(jí)以上,可見(jiàn),坡向?qū)ν寥赖燃?jí)的劃分更加細(xì)致準(zhǔn)確,Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)等中間級(jí)別分布較多,參照第二次全國(guó)土壤普查中所采用的6級(jí)土壤肥力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[29],大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤肥力在2—4級(jí)之間,也屬于中等肥力水平。

圖6 土壤質(zhì)量等級(jí)劃分

3 討論

3.1 坡向?qū)ν寥蕾|(zhì)量的影響

坡向?qū)庸葏^(qū)土壤生境因子(土壤含水量、土壤養(yǎng)分)影響較大[15]。本研究發(fā)現(xiàn),大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量從東北坡到西南坡逐漸降低,與吳昊[30]與劉旻霞等[31]關(guān)于土壤因子對(duì)坡向的響應(yīng)研究結(jié)果一致。由于北半球南坡所接受的太陽(yáng)輻射明顯強(qiáng)于北坡,且日照時(shí)間長(zhǎng),蒸發(fā)量大,在河谷區(qū)南坡形成熱而干旱的微氣候,而北坡則正好相反[31],受這些因素的影響,南坡土壤礦化作用遠(yuǎn)高于北坡,地溫變化更劇烈,進(jìn)而對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生不利影響[32]。相對(duì)而言,北坡光照恒定,地溫趨于穩(wěn)定,更有利于土壤動(dòng)物和微生物活動(dòng)[33]。在草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中,土壤微生物的生物化學(xué)活性對(duì)土壤肥力影響較大,進(jìn)而影響草地植物生長(zhǎng)發(fā)育與土壤健康狀況[34],導(dǎo)致北坡土壤有機(jī)質(zhì)及氮素的分解和轉(zhuǎn)化速率相對(duì)低于南坡,更有利于養(yǎng)分積累。

3.2 植被蓋度對(duì)土壤質(zhì)量的影響

植物群落的變化總是與土壤相關(guān)聯(lián),土壤為植被的存在和發(fā)展提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤質(zhì)量的變化會(huì)在一定程度上影響植被的變化,反過(guò)來(lái)植被的變化也會(huì)影響土壤發(fā)育[35-36]。大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量隨著植被蓋度的減少而降低,這與尚占環(huán)[37]和劉鑫[23]等有關(guān)草地土壤質(zhì)量與植被蓋度關(guān)系的研究結(jié)果一致,隨著生態(tài)系統(tǒng)的退化,草地表層失去植被保護(hù)導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分流失[38],進(jìn)而降低了土壤質(zhì)量。

本研究發(fā)現(xiàn)高蓋度草地土壤質(zhì)量主要受非毛管空隙度影響,非毛管孔隙度大則土壤通透性強(qiáng),有利于土壤生物(土壤動(dòng)物、微生物)生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)含量增加[39],從而促進(jìn)了主要來(lái)源于植物根、土壤微生物、植物和動(dòng)物殘留物的土壤酶增加,有利于土壤質(zhì)量的提高[40]。反之,土壤質(zhì)量的惡化也體現(xiàn)在土壤微生物和土壤動(dòng)物的生存與繁衍受到嚴(yán)重威脅[41]。低植被蓋度草地土壤質(zhì)量主要受容重影響,容重、有機(jī)質(zhì)是表征土壤理化性質(zhì)的重要參數(shù),對(duì)土壤肥力狀況、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗蝕性能有著重要的影響[42],容重越大,土壤越緊實(shí),導(dǎo)致土壤通氣性小,不利于土壤動(dòng)物和微生物的生存和活動(dòng),從而降低了土壤有機(jī)質(zhì)的形成與轉(zhuǎn)化速率,使土壤質(zhì)量降低。此外,雖然河谷區(qū)土壤粘化作用微弱,鈣化作用明顯,潛在肥力水平較高,但由于焚風(fēng)效應(yīng)和干濕季節(jié)分明的氣候特點(diǎn),河谷區(qū)土壤水分的限制作用降低了土壤有效性肥力的轉(zhuǎn)化形成[43-44],也不利于土壤質(zhì)量的提高。土壤容重較高是導(dǎo)致河谷區(qū)低植被蓋度的草地土壤質(zhì)量指數(shù)較低的主要原因。

3.3 土壤磷和鉀對(duì)土壤質(zhì)量的影響

土壤磷和鉀作為植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素是土壤質(zhì)量研究中的重要因子。本研究發(fā)現(xiàn)磷和鉀并非影響大渡河干暖河谷草地土壤質(zhì)量的主要指標(biāo),這與磷和鉀含量的高低和分布與地形、母質(zhì)等自然因素有關(guān),主要決定于母質(zhì)[45],干暖河谷具有的光熱資源及水熱條件有利于土壤中鉀和磷的釋放,河谷區(qū)土壤潛在肥力水平較高[43-44],土壤中磷和鉀供給量與植被蓋度之間無(wú)明顯的關(guān)系[46],未對(duì)草地植物生長(zhǎng)造成顯著影響。

3.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

大渡河干暖河谷區(qū)草地質(zhì)量分級(jí)表明,土壤質(zhì)量中間級(jí)別占比大,且大多處在2—4級(jí)的中等肥力水平?？傮w來(lái)看,該區(qū)域草地土壤質(zhì)量較好,潛在肥力水平較高,對(duì)于植物生長(zhǎng)和植被演替十分有利,是今后植被人工恢復(fù)和重建的重點(diǎn)區(qū)域。在大渡河干暖河谷區(qū)植被恢復(fù)過(guò)程中,應(yīng)綜合考慮區(qū)域土壤特性、植被群落情況、地形地貌、氣候條件和管理措施等因素,科學(xué)開(kāi)展裸地和稀疏草地植被恢復(fù),促進(jìn)大渡河干暖河谷植被生態(tài)治理,增強(qiáng)干暖河谷水土保持能力。草地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)為植被恢復(fù)過(guò)程中各環(huán)境因子調(diào)節(jié)以及生態(tài)系統(tǒng)多元功能之間的權(quán)衡提供了科學(xué)依據(jù),提供未來(lái)發(fā)展變化趨勢(shì)的有效預(yù)警,使草地系統(tǒng)在科學(xué)的調(diào)控下可持續(xù)發(fā)展。