不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)竹林地土壤質(zhì)量的影響

劉 淼，蔡春菊，范少輝，張大鵬，康 劍

(1國際竹藤中心 竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102；2中國科學(xué)院 華南植物園，廣東 廣州 510650)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其動態(tài)變化直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[1]。因此研究土壤動態(tài)顯得尤為重要，其中土壤質(zhì)量的研究是一個重要的方向。土壤質(zhì)量是土壤多個功能指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，是揭示土壤動態(tài)條件最敏感的指標(biāo)，體現(xiàn)了自然因素和人類活動對土壤的影響[2]。對于土壤質(zhì)量的研究主要是通過簡單的相關(guān)性分析論述土壤指標(biāo)與土壤質(zhì)量的關(guān)系[3]。然而近年來，隨著統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展及其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，土壤質(zhì)量評價的方法不斷豐富[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的土地經(jīng)營方式會通過影響土壤的理化性質(zhì)而影響土壤質(zhì)量的變化趨勢[7-10]。退耕還林是我國獨特的土地經(jīng)營方式的具體措施之一，同時也是防治水土流失和土壤退化的重要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林措施對林地土壤質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響[11-13]。因此，監(jiān)測與評價土地經(jīng)營方式對土壤質(zhì)量的影響具有重要意義。

川南地區(qū)位于長江上游，雨量充沛，但長期不合理的開發(fā)使得土壤退化和水土流失嚴(yán)重。作為該地區(qū)最為豐富的生物資源，竹類植物由于克隆生長的特性，其生長快、繁殖能力強，地下莖縱橫交錯，具有涵養(yǎng)水源和固土防沖的作用[14]。硬頭黃竹(Bambusarigida)屬于竹亞科箣竹屬，為地下莖合軸叢生型竹種，是四川本地的鄉(xiāng)土竹種[15]，其根系和竹稈較散生竹密集。隨著退耕還林工程的實施，硬頭黃竹在該地區(qū)得到了較為廣泛的應(yīng)用和推廣，經(jīng)濟價值明顯，但對其產(chǎn)生的生態(tài)效益，尤其是對土壤質(zhì)量的影響還鮮有研究，對川南地區(qū)不同恢復(fù)年限竹林地土壤質(zhì)量評價的研究尚未見報道。為此，本研究采用空間替代時間的方法，在同一時間內(nèi)研究不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)的17項土壤指標(biāo)，運用模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計分析方法，對不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林地的土壤質(zhì)量進行綜合評價，建立了評價指標(biāo)體系，為川南地區(qū)竹林生態(tài)修復(fù)提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省長寧縣(104°44′-105°3′E，28°15′-28°7′N)，是我國竹類植物的主分布區(qū)之一。該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，氣候溫和。年平均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 104.2 mm，集中在6～9月，無霜期358 d，年日照時數(shù)1 212 h，相對濕度在80%以上。土壤以黃壤土和紫色土為主，有機質(zhì)含量較低。植物種類豐富，主要有毛竹(Phyllostachysedulis)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、苦竹(Pleibolastusamarus)、梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)、硬頭黃竹、撐綠雜交竹、杉木(Cunninghamialanceolata)、麻櫟(Quercusacutissima)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、潤楠(Machiluspingii)等。

1.2 樣地設(shè)置

基于對研究區(qū)域硬頭黃竹分布和生長狀況的調(diào)查，選取立地條件一致、密度接近的恢復(fù)年限為5年竹林地(Y5)和10年竹林地(Y10)，以非退耕竹林地為對照(CK)，分別設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共9塊樣地。每個樣地四周設(shè)置3 m的緩沖帶。分別測定樣地的坡向、坡度、海拔、郁閉度和林分密度的基本情況。樣地內(nèi)未進行過施肥、墾復(fù)等人為干預(yù)。各樣地基本情況見表1。

表1 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林基本情況Table 1 Basic characteristics of Bambusa rigida plantations under different recovery years

1.3 土樣的采集與測定

在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)以“S”形設(shè)置3個取樣點，每個取樣點挖取60 cm深度土壤剖面，分3層(0～20，20～40和40～60 cm)用環(huán)刀取土，編號后帶回實驗室，測定土壤物理性質(zhì)指標(biāo)。同時用自封袋分別取0～20，20～40，40～60 cm土層土樣，并將同一樣地的同一土層土樣混合，去除石塊、根系等雜質(zhì)，用四分法取約1.0 kg混合土樣作為該樣地該土層的測試樣品，編號并帶回實驗室，風(fēng)干磨碎后用于土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測定。

采用環(huán)刀法測定土壤體積質(zhì)量、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度；10個土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中，pH采用電位法測定，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效磷含量采用HCl-H2SO4浸提法測定，全鉀含量采用NaOH熔融法測定，有效鉀含量采用火焰光度法測定，交換性Ca、Mg含量采用乙酸銨交換-EDTA絡(luò)合滴定法測定。具體方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“森林土壤分析方法”(LY/T 1210～1275)(1999年)[16]。

1.4 土壤質(zhì)量綜合評價

1.4.1 土壤測定指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于各評價指標(biāo)的實測數(shù)據(jù)帶有不同的量綱，首先應(yīng)當(dāng)將各指標(biāo)進行無量綱化處理，得到其在0～1的無量綱值(即隸屬度)。采用離差標(biāo)準(zhǔn)化方法對各評價指標(biāo)的實測值進行無量綱化處理，具體見式(1)。

F(Xi)=(Xi-Xi min)/(Xi max-Xi min)。

(1)

式中：F(Xi)為隸屬度值，Xi為第i項因子平均值，Xi max為第i項因子中的最大值，Xi min為第i項因子中的最小值，i為評價指標(biāo)的個數(shù)。

1.4.2 主成分分析及權(quán)重的計算 運用SAS軟件對各指標(biāo)的隸屬度值進行主成分分析得到主成分的載荷矩陣，并計算各主成分因子貢獻率、累積貢獻率和公因子方差。根據(jù)因子提取條件，只有特征值大于1的主成分才能被提取并保留，然后根據(jù)負(fù)荷量從17個指標(biāo)中篩選出對土壤質(zhì)量影響較大的指標(biāo)進行土壤質(zhì)量綜合評價。根據(jù)各因子的作用大小，利用公因子方差確定權(quán)重，具體見式(2)。

(2)

式中：Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重，Ci為第i個指標(biāo)的公因子方差，i為評價指標(biāo)的個數(shù)。

1.4.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù) 根據(jù)篩選出的評價指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重，采用加權(quán)綜合指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法中的加乘法則，對不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)進行計算，具體見式(3)。

(3)

式中：F為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SAS 9.0、R等軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖形處理。采用單因素分析(ANOVA)方法和最小顯著性檢驗(LSD)方法對各處理土壤理化性質(zhì)進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)的變化

2.1.1 土壤物理性質(zhì) 土壤體積質(zhì)量、持水量和孔隙度是土壤重要的物理性質(zhì)指標(biāo)，對土壤水、肥、氣、熱等具有重要影響。不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤物理性質(zhì)見圖1～3。由圖1～3可知，恢復(fù)年限不同，土壤物理性質(zhì)存在一定差異。在0～60 cm土層，Y10的土壤體積質(zhì)量平均值最大，達1.58 g/cm3；Y5最小，為1.19 g/cm；同一恢復(fù)年限下，硬頭黃竹林土壤體積質(zhì)量隨土層深度的增加而增大。在同一土層下，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均隨恢復(fù)年限的延長呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；但在同一恢復(fù)年限下，硬頭黃竹林土壤的以上3個指標(biāo)均隨土層深度的增加而減少。土壤孔隙度由毛管和非毛管孔隙度組成。在同一土層下，隨著恢復(fù)年限增加，土壤毛管孔隙度和總孔隙度總體呈降低趨勢，而非毛管孔隙度呈先降低后升高的趨勢。同一恢復(fù)年限下，隨著土層深度的增加，以上3個指標(biāo)變化無明顯規(guī)律性。土壤總孔隙度以非退耕竹林地(CK)最大，為49.95%，Y5最小，為39.69%。

圖柱上標(biāo)不同大寫字母表示同一恢復(fù)年限下不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一土層下不同恢復(fù)年限間差異顯著(P<0.05)。下圖同 Different capital letters indicate significant differences among different soil layers at P<0.05 level,and different lowercase letters indicate significant differences among different de-farming years at P<0.05 level.The same below

圖2 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤持水量的影響Fig.2 Effects of different restoration years on soil water capacity of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖3 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤孔隙度的影響Fig.3 Effects of different restoration years on soil porosity of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林地土壤pH、有機質(zhì)、氮、磷、鉀和交換性鈣鎂含量的影響見圖4～8。

圖4 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤pH和有機質(zhì)含量的影響Fig.4 Effects of different restoration years on soil pH and organic matter content of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖5 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤氮含量的影響Fig.5 Effects of different restoration years on soil nitrogen content of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖8 不同恢復(fù)年限對川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤交換性鈣和鎂含量的影響Fig.8 Effects of different restoration years on soil exchangeable calcium and magnesium contents of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

由圖4～8可知，不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤主要化學(xué)性質(zhì)差異性顯著。土壤pH值主要與土壤類型有關(guān)，各樣地土壤pH變化范圍較小，且各土層深度間差異較小。同一土層下，隨著恢復(fù)年限的延長，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、交換性Ca和Mg含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，土壤有效鉀含量則總體降低。在同一恢復(fù)年限下，隨著土層深度的增加，土壤各養(yǎng)分(全鉀除外)含量總體降低。

2.2 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤質(zhì)量的綜合評價

由表2可知，F(xiàn)1、F2、F3前3個主成分的特征值大于1，其累積貢獻率為95.100%。由于第1主成分的貢獻率最大，故其包含的原始數(shù)據(jù)的信息量最大，對土壤質(zhì)量的影響也最大，據(jù)此可知17個指標(biāo)對土壤質(zhì)量的影響由大到小表現(xiàn)為X9>X2>X16>X11>X4>X17>X13>X10>X3>X8>X15>X12>X5>X7>X14>X6>X1，從中篩選出對土壤質(zhì)量影響最大的8個因子，分別為最大持水量(X2)、田間持水量(X4)、有機質(zhì)(X9)、全氮(X10)、堿解氮(X11)、速效磷(X13)、交換性鈣(X16)和交換性鎂(X17)。

表2 川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)指標(biāo)因子前3個主成分的載荷矩陣、公因子方差及權(quán)重Table 2 Rotated principal component matrix,communality and weight of top three components of soil physical and chemical properties of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

不同恢復(fù)年限川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化結(jié)果見圖9。由圖9可知，不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林3個土層的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)變化規(guī)律相同，均隨恢復(fù)年限的延長而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；各土層中均以恢復(fù)5年硬頭黃竹林(Y5)的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高。同一恢復(fù)年限下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均隨土層深度的增加而降低。硬頭黃竹林0～60 cm土層土壤質(zhì)量綜合指數(shù)平均值以Y5最高，為0.577 2；非退耕竹林地次之，為0.352 2；Y10最低，為0.294 8。

圖9 不同恢復(fù)年限川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化Fig.9 Changes in soil quality comprehensive index of Bambusa rigida plantations with different restoration years in hilly region of southern Sichuan

3 結(jié)論與討論

川南地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，表層土壤流失殆盡，生態(tài)系統(tǒng)急劇惡化，土壤質(zhì)量極差，植被自然恢復(fù)較為困難。通過恢復(fù)竹林可以防治水土流失和土壤退化，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在同一土層，隨著恢復(fù)年限的延長，土壤體積質(zhì)量和非毛管孔隙度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，土壤田間持水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這與前人對其他地區(qū)的研究結(jié)果[17-19]一致。本研究中，同一土層下，隨著恢復(fù)年限的延長，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、交換性Ca和Mg含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，土壤有效鉀含量則總體降低。對不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量綜合評價發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)隨著恢復(fù)年限的延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，恢復(fù)5年的硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高；在同一恢復(fù)年限下，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均隨土層深度的增加而降低。

土壤質(zhì)量及其演替是一個長期的過程，并受氣候變化、林木生長發(fā)育、人為經(jīng)營活動等多個因素的影響。從農(nóng)耕地到硬頭黃竹林，土地利用方式的改變意味著耕作和收獲莊稼的循環(huán)被更長周期的森林循環(huán)所代替，產(chǎn)生了更多的生物量，并減少了土壤干擾的程度[20]。土壤理化性質(zhì)會隨著恢復(fù)年限的變化而變化，進而影響到土壤質(zhì)量。在恢復(fù)還林初期(5年)，硬頭黃竹林鞭根生長及土壤動物活動疏松了土壤，改善了土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，同時土壤溫度亦有所提高，微生物活動較為強烈，因此土壤質(zhì)量綜合指數(shù)上升明顯[21]。恢復(fù)還林后10 年，硬頭黃竹林鞭根生長受到限制，對土壤的改善作用不明顯。此外，隨著恢復(fù)年限的延長，林分密度增高，地表光照條件變差，土壤溫度亦降低，隨之土壤微生物活動下降，有機質(zhì)分解緩慢[22-23]。因此，有必要對恢復(fù)10年的硬頭黃竹林進行人工管理，以提高土壤質(zhì)量，使其更好地發(fā)揮生態(tài)功能，改善生態(tài)環(huán)境。