華南紅層地貌區(qū)不同利用方式土壤質(zhì)量特征及其影響因素
——以南雄盆地為例

陳金鳳，余世欽，符加方，徐國良*，于波，賴曉群，胡思源，張開渠，劉家華

1. 廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東省農(nóng)村水環(huán)境面源污染綜合治理工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006；3. 南雄市自然資源局，廣東 韶關(guān) 512400；4. 廣東省環(huán)境地質(zhì)勘查院，廣東 廣州 510080

紅層是一種紅色陸相碎屑巖（彭華等，2013），主要是由紫紅色礫巖、砂巖和泥質(zhì)巖等物質(zhì)組成，由于地質(zhì)作用和沉積環(huán)境的影響，紅層的顏色多為棕黃、褐黃、紫紅、褐紅、灰紫等偏紅色調(diào)（彭華等，2003）。紅層作為紅層地貌發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是紫色土的成土母質(zhì)（青長樂等，2009；金遠(yuǎn)亮等，2015），在不同地質(zhì)時期，國內(nèi)外都有較廣泛的分布。中國的紅層出露面積達(dá)到91.6×104km2，占國土面積的9.5%，主要分布于中國東南部、四川盆地及外圍和祁連—六盤山一帶（Yan et al.，2019a），在四川盆地和鄂爾多斯高原北部呈現(xiàn)連片分布，在其他地區(qū)表現(xiàn)為串珠狀零星分布（彭華，2011）。紅層區(qū)承載人口超過 1.4×108人，其中東南濕潤區(qū)紅層面積占全國紅層總面積的 46%，卻承載了1.19×108人口（Yan et al.，2019b）。這就意味著對中國東南濕潤區(qū)紅層土地問題的研究有著顯著的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者們對紅層的研究主要集中在紅層的成因與分布（Zhang et al.，2018；Mohamed et al.，2021；Zhao et al.，2021），紅層地貌特征（彭華，2011；潘志新等，2018）和紅層土壤（Yan et al.，2019；青長樂等，2009）等方面，國內(nèi)外各學(xué)者們對紅層形成的原因都存在一定的爭議，并認(rèn)為紅層應(yīng)是包括各個地質(zhì)時期形成的紅色巖系的總稱（彭華，2011）。Miki（1992）通過對東亞地區(qū)白堊紀(jì)紅層的沉積層和氣候的分類情況，認(rèn)為東亞的氣候條件是巖體變成紅色的重要因素。Parcerisa et al.（2005）研究了西班牙東北部盆地的古新世—始新世紅層，認(rèn)為紅層巖體中Fe、Mn元素含量的變化情況可以反映紅層巖體的演化過程；Yamashita et al.（2010）以泰國半島Trang地區(qū)侏羅紀(jì)——白堊紀(jì)紅層為例，探討其紅層的古地磁特征，解釋該地區(qū)發(fā)生的兩次大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；20世紀(jì)初期以來，國內(nèi)曾昭璇等（1978）學(xué)者對紅層及發(fā)育的地貌進(jìn)行初步研究，認(rèn)為紅層在中國分布較普遍，紅層分布的特點(diǎn)與大地構(gòu)造有密切的關(guān)系。但關(guān)于紅層發(fā)育的地貌研究大多數(shù)是討論丹霞地貌（Chen et al.，2019；Yan et al.，2019a）。此后彭華（2011）、彭華等（2013）對中國的紅層，特別是華南地區(qū)的紅層與紅層地貌進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，將中國紅層主要劃分四個區(qū)域：東部地區(qū)、中部地區(qū)、西北地區(qū)和青藏高原，其中東部地區(qū)以白堊紀(jì)和古近紀(jì)紅層為主。Zhu et al.（1995）、朱震達(dá)（1991）提出濕潤區(qū)的土地退化也歸屬為荒漠化的范圍，彭華（2011）在 2011年將中國南方濕潤地區(qū)的紅層分布區(qū)的土地退化過程稱為紅層荒漠化。

土壤質(zhì)量是指土壤提供生物生存的基質(zhì)，凈化環(huán)境和保障生態(tài)系統(tǒng)健康的能力（劉占鋒等，2006）。土壤中鐵、錳、銅和鋅等微量元素直接參與植物光合作用等代謝過程，是植物生長必需的營養(yǎng)元素（穆桂珍等，2019）。人類活動直接作用于土壤，不同的土地利用方式是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，合理的土地利用能改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤的質(zhì)量；而過度干預(yù)土地會破壞土壤內(nèi)部水肥的平衡，容易導(dǎo)致土壤退化（文志等，2019；徐海軍等，2020）。紅層是紫色土的成土母質(zhì)（Yan et al.，2017；青長樂等，2009），國內(nèi)學(xué)者對四川盆地紅層區(qū)紫色土的土壤質(zhì)量和水土流失效應(yīng)作了一些研究。如朱波等（2001）長期研究四川盆地鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站集水區(qū)的不同土地利用變化，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的植樹造林和農(nóng)田的綜合整治后，川中丘陵的生態(tài)環(huán)境有明顯改善的趨勢。丁文斌等（2017）研究重慶合川、江西興國、云南楚雄3個地區(qū)的紫色土坡的土壤屬性，分析不同耕地的土壤屬性對耕層土壤質(zhì)量的影響，并探討其差異的原因。楊小林等（2019）研究了川中紫色土區(qū)不同土地利用類型的土壤質(zhì)量，旨在提高紫色土區(qū)土壤生產(chǎn)力和生態(tài)功能。Xiong et al.（2021）對三峽庫區(qū)不同施肥處理的紫色土坡耕地的土壤有機(jī)碳通量和流失特征進(jìn)行監(jiān)測，認(rèn)為秸稈結(jié)合肥料的方法可有效減少紫色土土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的流失。

南雄盆地是華南地區(qū)紅層分布較廣的區(qū)域，也是水土流失比較嚴(yán)重的地區(qū)，由于中生代中期以后的地質(zhì)構(gòu)造和氣候條件形成紅層地貌（吳志才等，2006），加上早期的農(nóng)耕發(fā)展和毀林開荒，嚴(yán)重的水土流失限制了植被生長恢復(fù)，紫色土層逐漸變薄，母質(zhì)層乃至母巖層裸露，以致形成一種特殊的土地退化現(xiàn)象，即紅層荒漠化（金遠(yuǎn)亮等，2015；彭華等，2015）。由于南雄紅層盆地和紅層地貌較為典型，以往的研究內(nèi)容主要集中在南雄盆地的地質(zhì)構(gòu)造（張顯球等，2013；王雨豪，2017）、古生物化石（張顯球等，2015；趙資奎等，2017）、紅層地貌（彭華等，2015；羅谷松等，2016）和紅層區(qū)土地退化（Yan et al.，2019b；Luo et al.，2021；彭華，2011）等方面。近年來，也有學(xué)者開展了南雄盆地土壤屬性的相關(guān)研究，例如，Yan et al.（2021a；2021b）以南雄盆地為例，先后探討了紅層區(qū)土壤水分空間分異的原因，分析了在不同土地退化程度下紅層土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異及其影響因素；Yan et al.（2019b）通過南雄盆地土地退化和丹霞山旅游開發(fā)兩個案例，為紅層土壤管理提供建議。但現(xiàn)有工作仍缺少紅層區(qū)荒漠化視角下不同土地利用類型對土壤質(zhì)量影響的比較系統(tǒng)的探討研究。

本研究以典型的南雄紅層盆地為例，選擇紅層強(qiáng)蝕崗地、紅層裸巖崗地、草叢地、灌木地、喬木地、農(nóng)用地等 6種代表性的土地利用類型采集土壤樣品，進(jìn)行土壤養(yǎng)分測試，通過主成分分析，計(jì)算不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)及土壤退化指數(shù)，并深入探討：（1）紅層地貌區(qū)不同土地利用類型土壤質(zhì)量特征；（2）自然和人為因素對紅層區(qū)土壤質(zhì)量的影響。本研究將是對紫色土壤研究的深化與拓展，可以為南雄盆地紅層荒漠化生態(tài)脆弱區(qū)的土地利用和生態(tài)恢復(fù)策略的制定提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南雄盆地位于廣東省韶關(guān)南雄市（113°55′—114°44′E，24°56′—25°25′N），該區(qū)域地處大庾嶺的南麓，整體地勢西北高東南低，中部丘陵沿著湞江分布，形成狹長的南雄盆地，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，平均氣溫約19.9 ℃，年降水量達(dá)1966 mm，水熱資源較豐富，礦產(chǎn)種類較多，旅游資源豐富。南雄盆地的紅色巖層發(fā)育于白堊紀(jì)及古近紀(jì)陸相紅色巖層堆積的紅層盆地中，巖層中含有較高的三價鐵離子，巖層顏色顯現(xiàn)紫紅色，可發(fā)育為紫色土（吳志才等，2006；金遠(yuǎn)亮等，2015）。南雄盆地紅層區(qū)存在著嚴(yán)重的土地退化問題，主要表現(xiàn)在斑塊分布的紅層荒漠地。該區(qū)主要植被群落有馬尾松林、常綠闊葉混交林、針闊葉混交林及稀樹灌木草坡等自然植被和人工植被（Yan et al.，2017），近年來，由于環(huán)境政策的實(shí)施，南雄盆地的植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢。

1.2 樣地選擇

在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的6種土地利用類型為研究對象（表1），分別是紅層強(qiáng)蝕崗地（簡稱紅層蝕地）、紅層裸巖崗地（簡稱裸巖地）、草叢地、灌木地、喬木地、農(nóng)用地（圖1）。紅層蝕地是以密集侵蝕溝和風(fēng)化殼裸露為標(biāo)志的紅層荒漠地，主要發(fā)育在于泥質(zhì)或粉砂質(zhì)紅層軟巖，表層幾乎沒有植被覆蓋，是紅層區(qū)土地退化，即紅層荒漠化的極端性表現(xiàn)（彭華等，2015）；裸巖地是砂礫巖的紅層基巖裸露形成的石質(zhì)荒漠地，裸露的紅層堅(jiān)硬如石，如裸頂?shù)は迹ㄅ砣A等，2015）。其巖塊間隙表層保留少量土壤，有少數(shù)先鋒植物入侵，是自然演替初始階段的狀態(tài)。草叢地植被較茂盛，植物種類較多，依地勢高低呈多種斑塊狀，近無喬木。灌木地分布在紅層荒漠地的周圍，有些存在人為破壞的跡象。研究區(qū)的喬木地選擇馬尾松林（Pinus massoniana）、臺灣相思林（Acacia confusa）和新銀合歡林（Leucaena leucocephala），為廣泛存在的人工喬木林地。研究區(qū)內(nèi)少量馬尾松林由于長期少干擾，已演化為次生混交林，林下多有灌木和雜草，但大部分馬尾松林受人為破壞較大，地表植被簡單，且有大面積的紅層裸露，相思林和新銀合歡林的林下覆蓋度約 70%，較少人為干擾。農(nóng)用地主要種植煙草（Nicotiana tabacum）、花生（Arachis hypogaea）、臍橙（Citrus sinensis），農(nóng)作物均在紅層發(fā)育的土壤上人為管理種植。所選樣地除土地利用不同，立地條件相似，土壤均發(fā)育于紫紅色礫巖、砂巖和泥質(zhì)巖等紅層母巖。

表1 樣地基本情況Table 1 Vegetation and landform properties in different land use types

圖1 研究區(qū)6種土地利用類型Figure 1 Pictures showing the land use types in the study area

1.3 土壤樣品的采集與分析

于 2020年 7—8月在南雄紅層盆地內(nèi)進(jìn)行采樣，為降低地形等條件對研究的影響，選擇紅層蝕地、裸巖地、草叢地、灌木地、喬木地、農(nóng)用地等6種立地條件相似的土地利用類型，選擇32塊樣地（圖2），每塊樣地面積20 m×20 m。原則上在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個采樣點(diǎn)（即3個重復(fù)），因特殊情況油山鎮(zhèn)臍橙基地的裸巖地和草叢地只設(shè)2個采樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)均用直徑為5 cm土鉆取3個土柱（0—10 cm）混和成1個樣品，不同土地利用類型土壤樣品數(shù)量分別為15個（紅層蝕地）、11個（裸巖地）、17個（草叢地）、9個（灌木地）、30個（喬木地）、12個（農(nóng)用地）共計(jì)94個土壤樣品。將土壤樣品塑封帶回實(shí)驗(yàn)室，去除雜質(zhì)和石礫，風(fēng)干后過篩，測定土壤理化性質(zhì)。

圖2 采樣點(diǎn)分布圖Figure 2 Spatial distribution of sampling points

測定土壤酸堿度（pH）、有機(jī)質(zhì)（OM）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量和微量元素有效銅（AC）、有效鋅（AZ）、有效鐵（AF）、有效錳（AM）含量。土壤酸堿度采用玻璃電極法（2.5?1的水土質(zhì)量比）測定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱）測定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用鹽酸–氟化銨提取法（鉬銻抗比色）測定，速效鉀含量采用乙酸銨浸提–火焰光度法（日本日立公司 Z-2300型號的火焰光度計(jì)）測定，微量元素經(jīng)過 DTPA（二乙基三胺五乙酸）浸提后使用火焰原子吸收分光光度法（日本日立公司 Z-2300型號的火焰光度計(jì)）測定（魯如坤，1999）。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)選取及綜合指數(shù)計(jì)算

土壤質(zhì)量綜合評價是綜合多個土壤質(zhì)量因子來定量評價土壤質(zhì)量的方法（劉世梁等，2003），主要包括評價因子的選擇、權(quán)重的確認(rèn)和綜合指數(shù)的計(jì)算，由于研究目的和對象不同，不同研究者選擇的評價方法和指標(biāo)體系也會有差異。研究區(qū)內(nèi)紅層蝕地土質(zhì)疏松，難以保持水土，而植被的恢復(fù)影響土壤養(yǎng)分吸收，從而改善土壤綜合質(zhì)量。評價指標(biāo)的選擇主要針對南雄市紫色土丘陵區(qū)的土壤肥力，參考已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上（Andrews et al.，2002；鄭粉莉等，2010；文志等，2019），選取有代表性的土壤質(zhì)量評價因子，采用主成分分析法（principal component analysis，PCA）計(jì)算不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（integrated soil quality index，SQI）。

為了避免計(jì)算結(jié)果受變量量綱的影響，要先對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)（劉世梁等，2003），并根據(jù)各因子對土壤質(zhì)量的效應(yīng)來確定隸屬度函數(shù)的升降性，采用升型函數(shù)計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和微量元素（有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳）含量的隸屬度，考慮到研究區(qū)土壤pH和速效鉀與土壤多個肥力指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，用降型函數(shù)計(jì)算土壤pH、速效鉀含量的隸屬度，將評價指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換為介于0—1的實(shí)測值。計(jì)算公式如下（王改玲等，2014）：

升型函數(shù)：

降型函數(shù)：

式中：

Q(xi)——第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的隸屬度值；

xij——各土壤質(zhì)量評價指標(biāo)測定值；

ximax和ximin——第i項(xiàng)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)測定值中的最大值和最小值。

由于土壤質(zhì)量各評價指標(biāo)的狀況及重要性不同，通常用權(quán)重系數(shù)表示各個指標(biāo)的重要性程度（劉世梁等，2003）。本研究主要利用主成分分析各指標(biāo)的負(fù)荷量，獲得各主成分的方差貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率，并計(jì)算他們的權(quán)重。計(jì)算公式如下（鄭粉莉等，2010）：

式中：

Wi——某一主成分中第i個土壤指標(biāo)的權(quán)重值；

Ci——某一主成分中第i個土壤指標(biāo)負(fù)荷量的絕對值；

n——評價指標(biāo)數(shù)量。

確定各因子指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重后，采用加權(quán)求和模型，對各土壤因子指標(biāo)值進(jìn)行整合，計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。計(jì)算公式如下（文志等，2019）：

式中：

I——土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；

Wi——各指標(biāo)的權(quán)重值；

此外，每年根據(jù)政府醫(yī)改的任務(wù)和恩澤集團(tuán)戰(zhàn)略調(diào)整，醫(yī)院管理層還必須對指標(biāo)測量系統(tǒng)進(jìn)行回顧和更新，確保績效測量系統(tǒng)適應(yīng)發(fā)展方向及業(yè)務(wù)需要，并確保指標(biāo)對組織內(nèi)外部快速變化的敏感性。

Q(xi)——各指標(biāo)的隸屬度值；

n——評價指標(biāo)數(shù)量。

1.4.2 土壤退化指數(shù)

土壤退化指數(shù)法是根據(jù)Adejuwon et al.（1988）提出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，是反映土壤質(zhì)量改善或退化程度的方法，主要是以某種土地利用類型為基準(zhǔn)，假設(shè)其他的土地利用類型都是由基準(zhǔn)的土地利用類型轉(zhuǎn)變而來，計(jì)算其它土地利用類型與基準(zhǔn)土地利用類型之間的各土壤屬性的差異（以百分?jǐn)?shù)表示），再將各個屬性的差異求和平均。本研究中，選擇湖口中草藥基地的次生馬尾松混交林樣地為基準(zhǔn)樣地，該樣地林下植物種類較豐富，植被生長好，人為影響少，是研究區(qū)較為自然、生態(tài)條件較好的次生混交林地，可以作為研究區(qū)內(nèi)其他人為作用較強(qiáng)的土地利用類型的基準(zhǔn)地。因此，以次生混交林為基準(zhǔn)樣地，將其土壤退化指數(shù)設(shè)置為零，計(jì)算各土地利用類型的土壤退化指數(shù)（宋艷紅等，2018）。計(jì)算公式如下：

式中：

Id——土壤退化指數(shù)；

1.4.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用IBM Statistics SPSS 25軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，通過方差齊性檢驗(yàn)，用LSD法對不同土地利用類型進(jìn)行土壤指標(biāo)間的兩兩比較。對土壤指標(biāo)之間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，檢驗(yàn)土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性。使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)

不同土地利用類型下土壤理化性質(zhì)有顯著的差異（圖3）。各土地利用類型的土壤 pH值介于6.00—8.10之間，總體上呈中性或弱堿性，裸巖地土壤pH值含量最高，為8.10；喬木地土壤pH值含量最低，為 6.32，顯著低于其他土地利用類型（P<0.05）。與喬木相比，其他土地利用類型的土壤pH值偏高且大小接近。土壤有機(jī)質(zhì)在不同土地利用類型下的大小排序?yàn)閱棠镜?草叢地>灌木地>農(nóng)用地>裸巖地>紅層蝕地。紅層蝕地的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，僅為 4.80 g·kg?1，而喬木地的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為20.14 g·kg?1，約是紅層蝕地的土壤有機(jī)質(zhì)含量的4倍，兩者差異性顯著（P<0.05）。喬木地的堿解氮含量最高，為71.61 mg·kg?1；紅層蝕地含量最低，為9.37 mg·kg?1。紅層蝕地的堿解氮含量顯著低于喬木地、草叢地、灌木地和農(nóng)用地，與裸巖地含量無顯著性差異（P>0.05）。土壤有效磷含量最高值出現(xiàn)在農(nóng)用地，達(dá)13.75 mg·kg?1，其他5種土地利用類型下土壤有效磷含量排序?yàn)椴輩驳?灌木地>紅層蝕地>喬木地>裸巖地。農(nóng)用地與草叢地、灌木地、喬木地、紅層蝕地和裸巖地的土壤有效磷含量存在顯著性差異（P<0.05）。土壤速效鉀含量最高值也出現(xiàn)在農(nóng)用地，為166.61 mg·kg?1，最低值出現(xiàn)在喬木地，為72.12 mg·kg?1，其他4種土地利用類型土壤速效鉀含量的大小相近。

圖3 不同土地利用類型下土壤理化性質(zhì)Figure 3 Soil physical and chemical properties in different land use types

不同土地利用類型下土壤微量元素含量也有顯著的差異，土壤有效鋅、有效鐵和有效錳含量最高值均在喬木地，分別為 1.01、24.86和 14.81 mg·kg?1，最低值都在紅層蝕地，分別為 0.156、0.95和 1.74 mg·kg?1，有效銅含量最高值在農(nóng)用地，為0.50 mg·kg?1，最低值出現(xiàn)在紅層蝕地，為 0.18 mg·kg?1。紅層蝕地和裸巖地的土壤微量元素含量都較低且無明顯差異（P>0.05）。3種喬木林地的土壤質(zhì)量因人為影響有一定的差異，不同喬木地的土壤理化分析結(jié)果表明（表2），馬尾松林地的土壤pH值為5.81，顯酸性；臺灣相思林地和新銀合歡林地的土壤pH值分別為6.27和7.04，顯弱酸性或中性。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效鋅、有效鐵和有效錳含量最高值均在臺灣相思林地；有效磷和有效銅含量最高是新銀合歡林地。

表2 不同喬木地的土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physical and chemical properties in different woodlands

2.2 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析結(jié)果（表3）可知，土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鋅、有效鐵和有效錳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。土壤有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮、有效鋅和有效鐵含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。土壤堿解氮含量與有效銅、有效鋅、有效鐵和有效錳含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。土壤速效鉀含量與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與堿解氮、有效鐵、有效錳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。有效鋅、有效鐵和有效錳含量之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。表明不同土地利用類型下土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系密切，且多為顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤微量元素對土壤養(yǎng)分積累和循環(huán)存在協(xié)同的作用，是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵性因子。

表3 土壤質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlationship analysis of soil properties

2.3 不同土地利用類型土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

使用隸屬度函數(shù)計(jì)算，得出不同土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度值（表4）。對土壤質(zhì)量的9個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析得知，特征值≥1的主成分有2個，說明主成分的個數(shù)為2時，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到93.671%，前2個主成分的綜合因子可以代表9個指標(biāo)的大部分信息（表5）。第1主成分中具有6個高權(quán)重變量，分別是pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鋅、有效鐵和有效錳，反映第1主成分中，有機(jī)質(zhì)含量和微量元素的高低制約著土壤理化狀況和養(yǎng)分有效性，是土壤肥力狀況的關(guān)鍵因素；第2主成分中，有效磷和有效銅的負(fù)荷和權(quán)重較高，說明第2主成分中，土壤有效養(yǎng)分是影響土壤肥力供應(yīng)潛力的重要因素。在土壤修復(fù)的過程中，各土壤質(zhì)量指標(biāo)相互交織并發(fā)生變化，共同影響土壤的生態(tài)環(huán)境。

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)隸屬度Table 4 Membership degree of soil properties

表5 土壤質(zhì)量指標(biāo)主成分結(jié)果與指標(biāo)的權(quán)重Table 5 Results of soil properties from principal component analysis and weight values of soil properties

不同的土地利用類型對土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的影響也有明顯的差異（圖4A）。不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)得分排序?yàn)閱棠镜?農(nóng)用地>草叢地>灌木地>裸巖地>紅層蝕地。其中，喬木地的土壤質(zhì)量綜合得分最高，紅層蝕地的土壤質(zhì)量綜合得分最低，農(nóng)用地與草叢地的土壤質(zhì)量綜合得分之間差異不明顯。與紅層蝕地相比，喬木地、農(nóng)用地、草叢地、灌木地的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均有增加。

圖4 不同土地利用類型的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)和土壤退化指數(shù)Figure 4 Soil comprehensive quality index and soil degradation index of different land use types

2.4 不同土地利用類型土壤退化指數(shù)

由圖4B可知，紅層蝕地、裸巖地、草叢地、灌木地、新銀合歡林地、臺灣相思林地、馬尾松林地和農(nóng)用地的退化指數(shù)分別為?35.03%、?35.93%、12.34%、8.27%、32.29%、19.28%、?38.28%、92.33%。草叢地、灌木地、新銀合歡林地、臺灣相思林地和農(nóng)用地的退化指數(shù)為正值，說明他們相對于次生林的土壤質(zhì)量有所改善，而紅層蝕地、裸巖地和馬尾松林地的土壤退化指數(shù)為負(fù)值，說明它們的土壤質(zhì)量有不同程度的退化。

3 討論

3.1 紅層母巖條件對區(qū)域土壤質(zhì)量的影響

紅層母巖條件影響了區(qū)域土壤質(zhì)量。南雄市屬于亞熱帶季風(fēng)型氣候，地帶性典型土壤為酸性紅壤和赤紅壤，本研究紅層區(qū)不同土地利用類型的土壤pH值介于 6.00—8.10之間，總體呈中性或弱堿性（圖3A）。這與趙凱麗等（2019）的研究基本一致。土壤酸堿度對母巖有較大繼承性，南雄紅層區(qū)土壤是白堊紀(jì)至古近紀(jì)紅層發(fā)育而成（曾昭璇等，1978）。該紅層母質(zhì)主要由紫紅色礫巖、砂巖和泥質(zhì)巖等組成，是當(dāng)時炎熱干燥的氣候條件下形成的碳酸鹽含量較高的河流、湖泊相堆積巖體（Yan et al.，2019c；羅谷松等，2016）。紅層巖體發(fā)育的紫色土含有大量碳酸鈣，加上南方高溫多雨，提高土壤陽離子交換的速率（于寒青，2009），土壤普遍呈中性或堿性。本區(qū)域不同土地利用類型中的土壤速效鉀含量均較高（圖3E），這也主要受到紅層母質(zhì)的影響，是紅層紫色土的土壤屬性之一。其中，紅層蝕地的速效鉀含量比裸巖地高，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)粉砂巖或泥質(zhì)巖形成的紫色土的物理性粘粒含量較高，土壤固鉀能力較強(qiáng)（徐永輝等，2006；孟濤，2007），有利于紅層土壤鉀素的積累，而砂質(zhì)紫色土的粘粒含量相對較低，鉀元素也較易流失。喬木地因凋落物分解過程的不斷酸化，土壤中鉀元素的淋失量高于其他土地類型，使喬木地的 pH和速效鉀含量最低。所以南雄紅層區(qū)土壤質(zhì)量受母巖的影響，土壤總體上呈中性至堿性，土壤速效鉀含量富存。

根據(jù)彭華（2015）、羅谷松等（2016）研究，南雄的紅層荒漠地可分為紅層強(qiáng)蝕崗地和紅層裸巖崗地。紅層蝕地是發(fā)育在以紅層軟巖為主的區(qū)域，其母質(zhì)疏松，抗風(fēng)化能力較弱（金遠(yuǎn)亮等，2015）。紅層蝕地的植被遭受破壞后，表土層容易被流水侵蝕，裸露的基巖上難以形成新土壤，最終只殘留下大量風(fēng)化碎屑物。裸巖地是砂礫巖紅層頂部形成的基巖裸露的石質(zhì)荒漠地（彭華等，2015），巖塊間隙地表殘留淺薄土壤層，有少數(shù)先鋒植被入侵且生長，裸巖地的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)得分高于紅層蝕地（圖4A），而土壤的理化指標(biāo)無顯著差異（圖3），說明在相同的地質(zhì)形成年限，紅層蝕地和裸巖地形成過程中受到的自然影響因子一致，土壤理化指標(biāo)有一定的同質(zhì)化。但是兩者的地貌景觀不一樣（圖1），治理方式也有差異。裸巖地多由較為堅(jiān)固的砂礫巖組成的，一般歸為丹霞地貌（王雨豪，2017），環(huán)境相對穩(wěn)定，但是否能自然恢復(fù)還需要進(jìn)一步研究。紅層蝕地多為泥質(zhì)巖或者粉砂巖快速風(fēng)化和剝蝕的崗地，水土流失嚴(yán)重，一般形成溝壑縱橫，植被稀少的景觀，遭到人為過度干擾往往形成連片的紅層荒漠地，導(dǎo)致周邊的土壤生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化，應(yīng)特別注意控制紅層強(qiáng)蝕崗地的生態(tài)環(huán)境退化并進(jìn)行土壤改良。

3.2 植被類型對紅層區(qū)土壤質(zhì)量的影響

本研究中，不同土地利用類型的土壤質(zhì)量總體有較大的差異，其中喬木地的土壤質(zhì)量顯著高于其他的土地利用類型（圖4A）。造成不同土地利用類型間土壤質(zhì)量分異的主要原因可能是植被覆蓋類型的差異。研究區(qū)喬木地的土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮主要受到凋落物和根系的影響，在不同土地利用類型中含量最高，且均與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。Yan et al.（2021a）研究發(fā)現(xiàn)南雄盆地不同土地利用類型土壤pH總體存在差異，且林地的酸堿度最低，與本研究結(jié)果相符。研究區(qū)喬木地的pH和速效鉀含量最低，但微量元素有效鋅、有效鐵和有效錳的含量最高（圖3），這是因?yàn)閱棠镜氐闹脖惠^豐富，凋落物和根系分泌物較多，凋落物分解過程會造成土壤逐漸酸化，尤其是馬尾松針葉分解的酸化效果更明顯（楊平平等，2012；張文猛等，2012）。也正因?yàn)閱棠镜厥艿讲粩嗟乃峄土芟?，相對不穩(wěn)定的元素如磷、鉀等容易淋失，相對穩(wěn)定的鐵、鋅和錳元素留下較多。草叢地主要分布在研究區(qū)紅層蝕地的局部邊緣地塊，特別是紅層崗地的山腳下，養(yǎng)分來源較廣且較容易累積，加上南方地區(qū)雨水充足，草叢生長茂密，較為發(fā)達(dá)的根系能夠顯著提高土壤的固著能力和增加表層土壤的生物量（徐海軍等，2020），使得土壤中的養(yǎng)分和水分不容易流失，所以草叢地的土壤質(zhì)量較高。而草叢周邊的紅層蝕地遭到雨水沖刷極易發(fā)生水土流失，土地表層難以保持，較差的土壤水肥條件限制了植被的生長和養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降。紅層區(qū)農(nóng)用地和灌木地的土壤養(yǎng)分元素雖然較豐富，但由于受人為干擾程度較大，植被群落結(jié)構(gòu)相對單一，凋落物和根系密度較喬木地低，從而使得他們相對于喬木地土壤質(zhì)量指數(shù)較低。

雖然喬木地土壤綜合質(zhì)量最高，但不同類型喬木地的物種組成對土壤質(zhì)量也有明顯的影響。南雄市主要的植被類型是常綠落葉闊葉混交林、針闊葉混交林及稀樹灌木草坡等自然植被和人工植被，水保林以新銀合歡林和相思林最多，而馬尾松、濕地松等先鋒樹種在南雄紅層區(qū)分布也較普遍。根據(jù)南雄市政府對紅砂嶺治理的信息公布以及鄧嵐（1991）研究，南雄市從1986年開始采取了工程措施與林草措施相結(jié)合的水土流失綜合治理措施，根據(jù)當(dāng)?shù)厮亮魇У奶攸c(diǎn)，選擇了耐高溫耐旱的植物品種（廣東省水利水電科學(xué)研究所廣東省水利廳水保農(nóng)水處，1997），其中馬尾松作為先鋒物種，能在紅層區(qū)貧瘠的土地上迅速扎根生長，具有生命力強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，優(yōu)先被選擇在各山頭崗地種植，也是南雄市遍布較廣的樹種。但是本研究發(fā)現(xiàn)，臺灣相思林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有效鋅含量也顯著高于馬尾松林地，主要是因?yàn)榕_灣相思林下凋落物覆蓋較厚，既提供了豐富的有機(jī)質(zhì)來源，也可防止土壤侵蝕和有效養(yǎng)分的流失（舒韋維等，2021）。另外，闊葉凋落物能更快提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，而堿解氮、部分微量元素含量與土壤有機(jī)質(zhì)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表3）。馬尾松林雖然具有生命力強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，但對土壤養(yǎng)分條件改善能力較弱，同時，馬尾松與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)生活關(guān)系較大，遭受人類的過度干擾，如拾薪燒柴，割取松脂，使馬尾松林下植被稀少，土壤養(yǎng)分流失，紅層逐漸裸露，最終導(dǎo)致馬尾松林土壤退化，土壤質(zhì)量下降。近16年來，由于環(huán)境政策的實(shí)施與政府綠化的支持，南雄盆地的植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢，水土流失問題逐漸得到抑制，生態(tài)環(huán)境將有所改善。

3.3 人類活動對紅層區(qū)土壤質(zhì)量的影響

人類活動是紅層區(qū)土壤質(zhì)量變化和紅層荒漠化發(fā)生的主要原因。例如，南雄盆地紅層區(qū)的紅層強(qiáng)蝕崗地，侵蝕溝密集分布在裸露的紅層基巖上，是人類作用下紅層荒漠化的典型代表。彭華（2015）認(rèn)為在南方濕潤區(qū)，紅層荒漠化發(fā)生的主要動力因子是強(qiáng)烈的風(fēng)化和水動力侵蝕，而人為的過度干擾是形成連片紅層荒漠地的主要因素。因?yàn)榧t層蝕地容易形成風(fēng)化碎屑物的堆積崗地，被南雄當(dāng)?shù)厝罕娝追Q為牛肝地，可種植經(jīng)濟(jì)價格較高的豆科作物和煙草（廣東省水利水電科學(xué)研究所廣東省水利廳水保農(nóng)水處，1997），所以，在早期隨著農(nóng)耕的發(fā)展，南雄地區(qū)的農(nóng)戶大量毀林開耕，加上南方強(qiáng)烈的風(fēng)化和夏季暴雨，紅層區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失，隨著土壤養(yǎng)分的流失和植被的減少，基巖再次裸露，周而復(fù)始，難以形成新土壤，土地發(fā)生不可逆的退化，形成斑塊狀分布的紅層荒漠地，部分地段出現(xiàn)連片的紅層荒漠景觀（彭華，2011）。

一般而言，喬木林地有利于土壤質(zhì)量改善，但本研究發(fā)現(xiàn)大部分馬尾松林地的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著低于其他喬木林地（表2），土地呈現(xiàn)退化的狀態(tài)（圖4B），這也是人類的過度干擾致使馬尾松林地表植被覆蓋變化引起的。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然研究區(qū)馬尾松林下生長著多種矮小灌木，但地被較稀疏，地表有大面積的紅層裸露，是長期遭到農(nóng)戶拾薪、割松脂和人為踩踏的影響，舒韋維等（2021）認(rèn)為林下植被對于促進(jìn)人工林的養(yǎng)分循環(huán)與改善土壤性狀起著極其重要的作用，大量枯枝被人為轉(zhuǎn)移降低了研究區(qū)馬尾松林下的凋落物量，人為的踩踏和牲畜的破壞促使土壤緊實(shí)度增加，可能會限制馬尾松林下植被的根系生長和微生物的分解活動，降低植被覆蓋密度，致使土壤易受到流水的侵蝕（程分生等，2021），紅層逐漸裸露，有機(jī)質(zhì)難以在土壤中積累，導(dǎo)致馬尾松林下土壤肥力和有效養(yǎng)分偏低。莫江明等（2004）研究發(fā)現(xiàn)在自然和人為因素共同影響下，鼎湖山的馬尾松林下植被減少，水土流失嚴(yán)重，已有近25%的馬尾松林嚴(yán)重退化。而紅層區(qū)新銀合歡林和臺灣相思林受人為干擾較少，林下植被保留較好，且臺灣相思林下具有密實(shí)的芒萁層，有效防止了土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，這與前人的研究結(jié)果相似（Zhao et al.，2012；蔣濤，2019）。所以新銀合歡林和臺灣相思林的土壤有機(jī)質(zhì)含量高，對紅層區(qū)土壤改良的效果較好。

雖然人為活動是紅層區(qū)土壤退化的主要原因，但合理的人為改造也可一定程度上有利于土壤質(zhì)量的快速提升。本區(qū)域農(nóng)用地主要種植煙草、花生和臍橙，土壤有效磷、速效鉀和有效銅含量很高，土壤綜合質(zhì)量良好，說明人為調(diào)節(jié)明顯，增強(qiáng)了土壤對外界環(huán)境變化的緩沖能力（文志等，2019）。當(dāng)前，南雄市自然資源局結(jié)合前人治理紅砂嶺的成功經(jīng)驗(yàn)，在“山水林田湖草統(tǒng)一體”理念的指導(dǎo)下，正利用人工輔助手段開展紅砂嶺退化土地的改良治理工作。治理項(xiàng)目主要分為3個方面，第一是土地整治和土地開發(fā)。在整治紅層裸地、荒地和旱地的基礎(chǔ)上進(jìn)行土地開發(fā)，因地制宜增加經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，通過建設(shè)中草藥基地、臍橙種植基地等方式，人為培肥提高紅層區(qū)土壤質(zhì)量，恢復(fù)土地生態(tài)功能。第二是水土保持工程措施。篩選優(yōu)良的植物如臺灣相思，以草先行、喬灌草結(jié)合，針闊葉林混交，形成的植被群落可以增強(qiáng)土壤蓄水保肥的能力，具有保持水土的作用。第三是封育監(jiān)測措施。對一些退化不是很嚴(yán)重的區(qū)域，自然封育保護(hù)，恢復(fù)自然生態(tài)狀態(tài)，做好生態(tài)監(jiān)測工作，科學(xué)地評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)，為南雄紅層退化地的生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）南雄紅層區(qū)土壤質(zhì)量特征明顯受到紅層母巖的影響。南雄紅層區(qū)的土壤主要是由紫紅色礫巖、砂巖和泥質(zhì)巖等發(fā)育而成，土壤pH值在6.00—8.10之間，總體上呈中性或弱堿性；另外，不同土地利用類型中土壤速效鉀含量均較高，是紅層紫色土的土壤屬性之一。

（2）植被覆蓋的差異對土壤質(zhì)量有顯著影響。喬木地的土壤質(zhì)量顯著高于其他的土地利用類型，其中pH值最低，微量元素有效鋅、有效鐵和有效錳的含量最高，主要是因?yàn)橥寥朗艿降蚵湮锓纸膺^程的酸化和南方暴雨的淋洗，相對不穩(wěn)定的元素容易被流失，留下了相對穩(wěn)定的鐵、鋅和錳元素。不同喬木林地類型的土壤質(zhì)量之間也存在差異，主要原因可能是研究區(qū)植被覆蓋和林下根系、凋落物的差異，其中新銀合歡林和臺灣相思林的林下植被較豐富，土壤涵養(yǎng)水肥的能力較強(qiáng)。

（3）人為活動對紅層區(qū)土壤質(zhì)量具有深遠(yuǎn)影響。本研究中，不同土地利用方式的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)排序?yàn)閱棠镜?農(nóng)用地>草叢地>灌木地>裸巖地>紅層蝕地，從土壤退化指數(shù)來看，紅層蝕地、裸巖地和馬尾松林地都有不同程度的退化。植被稀少的崗地因早期開荒和農(nóng)耕形成連片的紅層荒漠地，農(nóng)戶長期拾薪、踩踏和收膠也使馬尾松林地出現(xiàn)大面積的地表裸露，都是研究區(qū)土壤退化的表現(xiàn)。但通過調(diào)控植被覆蓋類型和土壤養(yǎng)分輸入也可以促進(jìn)土壤質(zhì)量恢復(fù)和發(fā)展。因此，在華南紅層生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)修復(fù)中，應(yīng)當(dāng)調(diào)整土地利用方式，減少人類的過度干擾，建立山水田林綜合治理體系。