陳志強(qiáng)，陳志彪

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007)

土壤對(duì)植被恢復(fù)具有重要作用，不僅影響植物群落的發(fā)生、發(fā)育和演替速度，決定著植物群落演替的方向［1］，而且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程、生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)等具有重要影響［2］。土壤肥力質(zhì)量是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，是土壤特性的綜合反映，是揭示土壤條件動(dòng)態(tài)變化的敏感指標(biāo)，能體現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)土壤肥力的影響，是度量退化生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一［3］。在一定的生態(tài)條件下，已退化的土壤具有一定的恢復(fù)能力，這種特性被稱為土壤復(fù)退性能［4］。生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成效在很大程度上取決于生態(tài)恢復(fù)與重建過程中土壤肥力質(zhì)量的演化及其環(huán)境效應(yīng)，只有系統(tǒng)中的土壤能夠不斷形成發(fā)育、正向演替，土壤肥力質(zhì)量逐步得到提高并保持在較高水平，退化生態(tài)系統(tǒng)才能達(dá)到生態(tài)平衡和良性循環(huán)［5］。因此，了解土壤肥力質(zhì)量演變的規(guī)律，搞清哪些土壤容易復(fù)退，哪些土壤不易復(fù)退;哪些土壤可自然恢復(fù)，哪些土壤需要人為干預(yù)，是成功地防治土壤退化和恢復(fù)土壤生產(chǎn)力的先決條件［4］，是深化發(fā)展土壤學(xué)科的需要，更重要的是可以評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)與重建措施的合理與否，以便預(yù)測正在廣泛開展的生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程產(chǎn)生的效益［5］。

突變理論是法國數(shù)學(xué)家雷內(nèi)-托姆(Rene Thom)于1972年創(chuàng)立的一門研究突變的新興數(shù)學(xué)，它建立于拓?fù)鋭?dòng)力學(xué)、微積分、奇點(diǎn)理論及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論之上，是目前唯一研究由漸變引起突變的理論［6］。突變理論認(rèn)為，對(duì)連續(xù)平滑的變化，控制變量微小的擾動(dòng)僅僅引起狀態(tài)變量的微小增量;而位于臨界點(diǎn)附近，控制變量的微小變化將導(dǎo)致狀態(tài)變量的巨變。因此，突變理論的關(guān)鍵便是尋求狀態(tài)變量發(fā)生突變的控制變量的取值，以揭示突變的形式及發(fā)生的機(jī)制［7］。突變理論的出現(xiàn)引起各方面的重視，被稱為“牛頓和萊布尼茨發(fā)明微積分三百年以來數(shù)學(xué)上最大的革命”［8］。幾十年來，突變理論己在化學(xué)［9］、醫(yī)學(xué)［10］、計(jì)算機(jī)［11］等方面取得了階段性成果，在地學(xué)中的應(yīng)用也逐漸增多，如地震［12］、洪水［13］和斷層滑動(dòng)［14］等，但目前突變理論應(yīng)用于土壤肥力質(zhì)量演變的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。

我國南方紅壤地區(qū)面積約203.53萬km2，占全國土地總面積的21%，水土流失面積超過60萬km2，是南方面積最大、墾殖指數(shù)最高、水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域，部分地域曾一度成為南方的“紅色沙漠”［15-16］。本文以南方紅壤侵蝕區(qū)的典型代表長汀縣為研究區(qū)域，將突變理論應(yīng)用于土壤肥力質(zhì)量演變，建立尖點(diǎn)突變模型，分析土壤肥力質(zhì)量演變的關(guān)鍵影響因子，以期為我國南方紅壤侵蝕區(qū)土壤肥力質(zhì)量恢復(fù)提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，有助于減少生態(tài)建設(shè)的盲目性。

1 研究區(qū)概況

長汀縣位于東經(jīng) 116°00'45"—116°39'20"，北緯 25°18'40″—26°02'05″，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫為18.3℃，年均降雨量為1730.4mm，降雨年內(nèi)分配為雙峰型，降雨量集中，降雨強(qiáng)度大;地貌以丘陵為主，平地狹小，盆谷相間［17］;土壤類型以紅壤為主，占土地總面積的79.81%;中部以河田盆地為中心的低山丘陵區(qū)人類活動(dòng)劇烈，水土流失最為嚴(yán)重，原生植被破壞殆盡，以馬尾松、灌叢等次生植被為主，由中部向邊緣山區(qū)逐步過渡到以常綠闊葉林、竹林和針闊混交林為主［17］;由于地面植被遭到破壞，紅色風(fēng)化殼直接受到流水的強(qiáng)烈侵蝕，坡面呈現(xiàn)千溝萬壑的景象。經(jīng)過多年治理，水土流失強(qiáng)度有所降低，但與全省平均值相比，長汀縣仍屬福建省水土流失嚴(yán)重地區(qū)［16］;長汀縣素有“八山一水一分田”之稱，土地面積約3099.5km2，耕地面積約210km2，對(duì)于擁有近50萬人口的長汀縣來說，人均耕地僅為0.042hm2，具有人多地少的特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，長汀縣2005年農(nóng)民人均勞動(dòng)純收入3369元，為福建省平均水平(4450.36元)的75.70%，尚有貧困人口1.19萬人，占全省貧困人口數(shù)的9.64%，是比較典型的生態(tài)脆弱和經(jīng)濟(jì)落后的縣份［18］。因其水土流失的嚴(yán)重性、典型性和治理的長期性，長汀縣早在20世紀(jì)40年代就是全國僅有的3個(gè)設(shè)置水土保持試驗(yàn)站的縣份之一，學(xué)術(shù)界已把長汀縣作為研究福建省乃至中國南方紅壤侵蝕區(qū)的典型區(qū)，進(jìn)行了大量相關(guān)研究［19］。

2 研究方法

2.1 土壤肥力質(zhì)量因子測定與外部因子提取

2002年8月，對(duì)長汀縣以河田鎮(zhèn)為中心的水土流失區(qū)進(jìn)行土壤調(diào)查。針對(duì)每一種立地條件及土地利用方式布設(shè)樣點(diǎn)，在每個(gè)樣點(diǎn)周圍隨機(jī)采集3個(gè)位置的土壤樣品，混合后形成1個(gè)混合樣品;由于水土流失程度較強(qiáng)，相當(dāng)部分樣點(diǎn)土壤的表層甚至心土層已被剝蝕。為使各個(gè)樣點(diǎn)具備可比性，當(dāng)存在土壤垂直分層時(shí)，對(duì)土壤表層進(jìn)行取樣，當(dāng)不存在垂直分層時(shí)取0—20cm的表土層;剔除根系、風(fēng)干土樣和分級(jí)過篩等處理后，對(duì)90個(gè)樣點(diǎn)土壤進(jìn)行化驗(yàn)［19］。已有研究表明，紅壤土壤肥力質(zhì)量主要包括兩大因素，一是物理因素，主要為有效土層厚度和土壤粘粒含量，二是以有機(jī)質(zhì)為中心的肥力因素［4］。因此，本研究選取的土壤肥力質(zhì)量因子及其測定方法包括:有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮采用開氏消煮法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，速效磷采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法，全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法，速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法，容重采用環(huán)刀法，pH值采用1∶2.5水浸-電位法，＜2μm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用氫氧化鈉分散-吸管法。本研究根據(jù)林海明提供的方法，利用SPSS 17.0軟件的因子分析模塊，一步算出土壤肥力質(zhì)量的主成分得分值，再通過自然斷裂法進(jìn)行分級(jí)［20］，將肥力質(zhì)量分為6級(jí)，由高到低數(shù)值化為 1、2、3、4、5 和 6。

阮伏水等［21］認(rèn)為長汀土壤肥力質(zhì)量變化的主導(dǎo)影響因子包括水土流失、地質(zhì)、地貌、氣候氣象、植被、人類活動(dòng)等。由于研究區(qū)巖石基本為花崗巖，且降水、溫度等差異較小，因此，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況及數(shù)據(jù)可獲取性，選取水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度作為影響土壤肥力質(zhì)量演變的外部因子。在土壤采樣過程中，對(duì)水土流失強(qiáng)度信息進(jìn)行預(yù)判，再按照《全國土壤侵蝕動(dòng)態(tài)遙感調(diào)查和數(shù)據(jù)庫更新技術(shù)規(guī)程》，參考研究區(qū)第二次土壤侵蝕遙感調(diào)查成果(1995年土壤侵蝕、土地利用圖和遙感影像)和2000年TM、SPOT遙感影像、士地利用圖、地形圖以及其它相關(guān)資料，經(jīng)綜合分析后對(duì)野外預(yù)判的異常信息進(jìn)行校正，最終生成各樣點(diǎn)水土流失強(qiáng)度，包括微度流失、輕度流失、中度流失、強(qiáng)度流失、極強(qiáng)度流失和劇烈流失，數(shù)值化為6、5、4、3、2和1;以研究區(qū)1∶1萬地形圖為底圖，在 ArcGIS9.0中矢量化等高線，創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng) TIN(Triangulated Irregular Network)，將TIN轉(zhuǎn)成數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)，再從中提取坡度信息，將樣點(diǎn)所處位置的坡度值賦予樣點(diǎn)，坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:0—5°、5—10°、10—15°、15—20°和 ＞ 20°，數(shù)值化為 1、2、3、4 和 5;在ENVI4.5中，以同期TM遙感影像為數(shù)據(jù)源(前期經(jīng)過輻射校正、幾何精校正、投影轉(zhuǎn)換等處理)，根據(jù)研究目的，對(duì)影像進(jìn)行重采樣、鑲嵌和水體掩膜處理等，最后利用線性光譜分離技術(shù)提取研究區(qū)植被覆蓋度。植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:0—0.1、0.1—0.2、0.2—0.3、0.3—0.4 和 ＞0.4，數(shù)值化為 1、2、3、4 和 5。在 SPSS 17.0 中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化，使各因子均值為0，方差為1，從而消除各因子量綱和自身變異的影響。

2.2 尖點(diǎn)突變模型

突變理論的研究對(duì)象之一是勢函數(shù)，勢函數(shù)通過狀態(tài)變量和控制變量來描述系統(tǒng)行為［6］。

若將內(nèi)部因子u和外部因子v作為兩個(gè)控制變量，把系統(tǒng)功能x作為狀態(tài)變量，則可建立系統(tǒng)變化的尖點(diǎn)突變模型，其勢函數(shù)為:

式中，V(x)為勢，即位置為x時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，u、v為控制變量。當(dāng)V′(x)=0時(shí)，系統(tǒng)處于平衡位置，系統(tǒng)所有臨界點(diǎn)構(gòu)成的平衡曲面方程為:

平衡曲面有切線在滿足式(3)的點(diǎn)附近:

由式(2)、式(3)消去x項(xiàng)可得到分叉集方程為:

分叉集是系統(tǒng)發(fā)生突變與否的界限。系統(tǒng)控制變量的坐標(biāo)落在分叉集內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生突變，否則就是平穩(wěn)變化。即只有當(dāng)Δ≤0時(shí)，系統(tǒng)才可能跨越分叉集發(fā)生突變，因此Δ≤0為系統(tǒng)突變的判斷條件。Δ值的大小可以作為系統(tǒng)演化狀態(tài)與臨界狀態(tài)的距離，稱之為突變特征值，值越小則越易發(fā)生突變［12］。就土壤而言，曲面的上葉表示土壤肥力良性循環(huán)，肥力質(zhì)量穩(wěn)定性較高，脆弱度較低，下葉表示土壤肥力循環(huán)受阻，肥力質(zhì)量穩(wěn)定性較差，脆弱度較高，功能比上葉差。系統(tǒng)從上葉到下葉或從下葉到上葉的突變表示系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性變化［22］(圖 1)。

圖1 尖點(diǎn)突變模型Fig.1 Cusp mutation model

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力質(zhì)量演變的建模與計(jì)算

南方紅壤侵蝕區(qū)土壤肥力質(zhì)量演變的影響因子可分為內(nèi)部因子和外部因子。內(nèi)部因子包括有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、容重、pH值和＜2μm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，外部因子包括坡度、植被覆蓋度和水土流失強(qiáng)度。若將內(nèi)部因子u和外部因子v作為兩個(gè)控制變量，把土壤肥力質(zhì)量x作為狀態(tài)變量，則可建立土壤肥力質(zhì)量演變的尖點(diǎn)突變模型。根據(jù)林海明提供的方法，利用SPSS17.0軟件的因子分析模塊，一步算出內(nèi)部因子u及外部因子v的主成分得分值［20］。經(jīng)計(jì)算，u和v可以分別反映兩組因子信息的81%和79%。

將u和v代入尖點(diǎn)突變模型，經(jīng)計(jì)算，90個(gè)樣點(diǎn)中，Δ≤0的樣點(diǎn)共27個(gè)，占30%，Δ＞0的樣點(diǎn)共63個(gè)，占70%。就土壤肥力質(zhì)量等級(jí)而言，發(fā)生突變的樣點(diǎn)主要集中于等級(jí)1和等級(jí)2，分別占突變樣點(diǎn)總數(shù)的48.15%和33.33%，且肥力質(zhì)量由高到低，發(fā)生突變的樣點(diǎn)數(shù)目呈下降趨勢;就水土流失強(qiáng)度而言，發(fā)生突變的樣點(diǎn)主要集中于微度和輕度，分別占突變樣點(diǎn)總數(shù)的37.04%和44.44%，強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈三級(jí)對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)數(shù)目都為0個(gè);就坡度而言，發(fā)生突變的樣點(diǎn)主要集中于5—10°和10—15°，分別占突變樣點(diǎn)總數(shù)的37.04%和40.74%，而＞20°和＜5°對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)數(shù)目最少，分別為0和1個(gè);就植被覆蓋度而言，突變樣點(diǎn)最多的植被覆蓋度為 ＞0.4，占突變樣點(diǎn)總數(shù)的 48.15%，其次為 0.3—0.4，占 37.04%，＜0.1、0.1—0.2 和 0.2—0.3三級(jí)的突變樣點(diǎn)都較少(表1)。

3.2 土壤肥力質(zhì)量演變與影響因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

采用SPSS17.0中的雙變量相關(guān)對(duì)Δ與土壤肥力質(zhì)量等級(jí)、水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度的相關(guān)性分別進(jìn)行分析。由表2可知，Δ與土壤肥力質(zhì)量等級(jí)呈正相關(guān)，與水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度都呈負(fù)相關(guān)，Δ與四者都呈極顯著(P＜0.01)的相關(guān)關(guān)系，即土壤肥力質(zhì)量等級(jí)、水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度都對(duì)Δ產(chǎn)生顯著影響;皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小順序?yàn)?水土流失強(qiáng)度＞植被覆蓋度＞土壤肥力質(zhì)量等級(jí)＞坡度，可見水土流失強(qiáng)度對(duì)Δ的影響最大，其次為植被覆蓋度，最小為坡度。

3.3 土壤肥力質(zhì)量演變的影響因子分析

花崗巖發(fā)育的土壤表層砂礫含量高而粘粒少，抗侵蝕性弱，加上風(fēng)化殼中抗侵蝕性極弱的砂土層存在，成為該土壤水土流失特別嚴(yán)重的內(nèi)在原因。同時(shí)，亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，丘陵、山地為主的地形，歷史上乃至當(dāng)今人類對(duì)山地的不合理利用尤其是對(duì)山地植被的大面積破壞，致使水土流失成為中國南方紅壤侵蝕區(qū)尤其是南方花崗巖紅壤侵蝕區(qū)最主要的制約因素之一［21］。隨著水土流失的發(fā)生和加劇，土壤經(jīng)歷了薄層化、養(yǎng)分失衡、貧瘠化、砂質(zhì)化和逆向發(fā)育等一系列退化過程，最終形成不長植被的“光板地”［23］。幾乎所有土壤肥力質(zhì)量因子都隨著水土流失強(qiáng)度的增強(qiáng)而呈遞減趨勢。經(jīng)計(jì)算，微度水土流失區(qū)的土壤肥力質(zhì)量因子均高于90個(gè)樣點(diǎn)的平均值，輕度水土流失區(qū)土壤肥力質(zhì)量因子稍高于平均狀況，中度水土流失區(qū)土壤肥力質(zhì)量因子與90個(gè)樣點(diǎn)平均值較為接近，強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈水土流失區(qū)均低于平均值。例如，90個(gè)樣點(diǎn)的全磷含量以39號(hào)(自葉嶺，劇烈水土流失)最小，50號(hào)(五通嶺風(fēng)水林地，微度水土流失)最大，全氮含量以中度以上水土流失的10個(gè)樣點(diǎn)最小，50號(hào)(五通嶺風(fēng)水林地，微度水土流失)最大。

表1 土壤肥力質(zhì)量演變與影響因子的關(guān)系Table 1 Relationship between soil fertility quality evolution and influence factors

表2 Δ與土壤肥力質(zhì)量等級(jí)、水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度的相關(guān)性Table 2 Correlations between Δ and soil fertility quality grade，soil and water loss，slope and vegetation cover

研究區(qū)面蝕主要集中在10—30°的坡地上，溝蝕和崩崗侵蝕集中在20—40°坡地上，滑坍等重力侵蝕集中在30—60°的坡地上，因此，在＞20°的坡地上，面蝕、溝蝕、崩崗侵蝕等最為嚴(yán)重［21］，即隨著坡度增加，水土流失不斷加劇。坡度通過影響人為活動(dòng)，也對(duì)水土流失分布規(guī)律產(chǎn)生影響。＜5°的平地區(qū)，除已被開發(fā)成農(nóng)地的區(qū)域外，因坡度較緩且水熱等自然條件較好，容易開發(fā)利用，加之人口密度大，人類活動(dòng)強(qiáng)度大，如工礦開采、鐵路及高速路修建等，使自然植被受到破壞，導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量出現(xiàn)較低級(jí)別;在＞20°的坡地上，人類活動(dòng)頻繁，植被破壞較嚴(yán)重，重力梯度也較大，所以水土流失特別嚴(yán)重;處于5—15°坡地的土壤肥力質(zhì)量因子一般高于上述兩種坡地，如 0—5°、5—10°、10—15°、15—20°、＞20°的全氮分別為 0.04、0.07、0.04、0.07、0.03 g/kg，全鉀分別為 17.23、28.79、29.72、45.32、18.50 g/kg。

隨著土壤肥力質(zhì)量恢復(fù)，植被覆蓋度增加，植物生長產(chǎn)生的枯枝落葉和根系腐解物在土壤中積累和礦化，一方面把大部分無機(jī)營養(yǎng)元素歸還土壤，另一方面改善了土壤的物理性質(zhì)，土壤質(zhì)地和通氣狀況變好［24］。當(dāng)土壤肥力質(zhì)量恢復(fù)到一定階段之后，植被群落穩(wěn)定性增加，恢復(fù)速度應(yīng)趨于變緩［25］。隨著植被覆蓋度的增加，土壤肥力質(zhì)量因子都隨之呈現(xiàn)增大趨勢。植被覆蓋度＜0.1區(qū)域土壤肥力質(zhì)量因子明顯低于90個(gè)樣點(diǎn)平均狀況;植被覆蓋度0.1—0.2及0.2—0.3區(qū)域的土壤肥力質(zhì)量因子，除個(gè)別指標(biāo)差異較明顯外，絕大多數(shù)與平均狀況非常接近;植被覆蓋度0.3—0.4和＞0.4區(qū)域的土壤肥力質(zhì)量因子明顯大于平均值。

未經(jīng)治理的嚴(yán)重水土流失區(qū)，植物覆蓋度極低，土壤極端貧瘠，土壤肥力質(zhì)量要自然恢復(fù)的可能性很小。因而，水土流失為強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈，土壤肥力質(zhì)量等級(jí)為5和6，坡度＞20°和坡度＜5°，植被覆蓋度小于0.3的區(qū)域，土壤肥力質(zhì)量發(fā)生突變的數(shù)目很少;經(jīng)過生物和工程措施進(jìn)行治理或通過封禁消除人為干擾，減輕了水土流失，改善了植物生存的小生境，地表覆蓋先鋒植物后，土壤肥力質(zhì)量恢復(fù)才就此開始［25］。由此可見，突變主要發(fā)生于土壤肥力質(zhì)量等級(jí)較高、水土流失強(qiáng)度較輕、坡度中等、植被覆蓋較好的地點(diǎn)。

4 討論

長期以來，眾多學(xué)者把突變理解成事物從狀態(tài)的一種形式突然地跳躍到根本不同的另一種形式的不連續(xù)變化，包含著突然變化的瞬間過程［26］。近年來，眾多學(xué)者將突變理論應(yīng)用于作用力或動(dòng)力的漸變導(dǎo)致狀態(tài)突變的現(xiàn)象，如地震、滑坡、圍巖失穩(wěn)等［27］，取得令人滿意的結(jié)果。與地震、滑坡、圍巖失穩(wěn)等相比，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外部條件及環(huán)境壓力的響應(yīng)也常常是以非線性變化過程為特征，在明顯事件的誘發(fā)下，生態(tài)系統(tǒng)有可能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形成強(qiáng)烈對(duì)比的穩(wěn)定狀態(tài)。土壤作為一個(gè)特殊的生態(tài)系統(tǒng)，其變化也遵循非線性特征，土壤的各單一因子或過程，“如土壤的養(yǎng)分含量和形態(tài)、土壤的生物學(xué)特性、土壤的生產(chǎn)力等會(huì)呈現(xiàn)突變的現(xiàn)象在許多試驗(yàn)研究中都可以見到。”［28］。然而，與地震等現(xiàn)象相比，土壤肥力質(zhì)量演變的時(shí)間相對(duì)較長。已有學(xué)者指出，小氣候環(huán)境(如地表最高溫度)在短時(shí)間內(nèi)就可發(fā)生明顯變化，而植物群落特征及土壤養(yǎng)分的改變卻要相對(duì)緩慢得多，且土壤的形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于植被的演化［19］。從長汀八十里河和水東坊20a的恢復(fù)與重建的歷史來看，恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需40a左右，而恢復(fù)其土壤肥力則需140a左右［19］。強(qiáng)度紅壤水土流失區(qū)治理24a后，土壤的結(jié)構(gòu)、滲透性、蓄水性能、養(yǎng)分特征、微生物性質(zhì)及其抗侵蝕能力得到了改善，但土壤養(yǎng)分的恢復(fù)程度不高，土壤肥力質(zhì)量要恢復(fù)到頂級(jí)群落的土壤水平還需漫長的時(shí)間［16］。根據(jù)突變理論，判斷轉(zhuǎn)變方式是否為突變，不能用中間過渡態(tài)變化的快慢來決定，而必須根據(jù)轉(zhuǎn)變過程中事物所經(jīng)歷的中間過渡狀態(tài)是否穩(wěn)定。若中間過渡狀態(tài)為穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)變屬漸變過程;若為非穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)變屬突變過程［26］。本研究中，長汀縣從40年代即開展了一系列生態(tài)恢復(fù)與重建工作，經(jīng)過60余年的時(shí)間，90個(gè)樣點(diǎn)中僅有27個(gè)樣點(diǎn)產(chǎn)生突變，說明了土壤肥力質(zhì)量恢復(fù)的艱巨性和時(shí)間上的漫長性。

由于土壤本身的高度復(fù)雜性以及干擾體系的多樣性，土壤演變所表現(xiàn)出的類型、階段、過程及其響應(yīng)機(jī)理也各不相同［28］。包維楷等［29］把生態(tài)系統(tǒng)的退化過程歸納為:突變過程、漸變過程、間斷不連續(xù)過程及復(fù)合退化過程。土壤肥力質(zhì)量演變過程也可分為:①突變過程。如吳蔚東等認(rèn)為江西省紅壤地區(qū)杉木人工林從造林階段到5—8a的幼林期，包括林地凋落物層、土層厚度、有機(jī)質(zhì)、全氮、CEC、BS、pH和速效氮、速效磷、速效鉀在內(nèi)的主要土壤質(zhì)量性狀大幅度退化［30］;傳統(tǒng)的煉山造林可使杉木林地枯枝落葉和養(yǎng)分庫呈突變形式退化［31］;呂春花等認(rèn)為黃土高原子午嶺地區(qū)植被自然恢復(fù)1—140a陽坡墚坡地土壤質(zhì)量演變過程中，植被恢復(fù)初期土壤質(zhì)量綜合指數(shù)呈快速增長［32］;②漸變過程。如郝文芳等通過分析黃土丘陵溝壑區(qū)退耕2、6、9、13、16、19、25、30、40a的棄耕地土壤性質(zhì)的演變，認(rèn)為隨著演替時(shí)間的延續(xù)，土壤有機(jī)質(zhì)等都呈逐漸增加的趨勢［33］;③間斷不連續(xù)變化過程。如戴全厚等研究認(rèn)為黃土丘陵區(qū)坡耕地退耕撂荒后，植被逐漸恢復(fù)其自然面貌，土壤理化性狀逐漸改善，但如繼續(xù)干擾破壞，則會(huì)引起植被和土壤恢復(fù)受阻甚至土壤退化和植被逆行演替［34］;④復(fù)合變化過程。即上述多種變化的組合。

相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)退化的過程，大體可分為四個(gè)階段:輕度干擾階段，退化程度較輕，自然恢復(fù)較易成功;中度干擾階段，人為調(diào)控結(jié)合自然恢復(fù)能力可以恢復(fù)，但所需時(shí)間較長;強(qiáng)度干擾階段，相對(duì)短時(shí)間內(nèi)難以自我修復(fù)，須先改變非生物環(huán)境如水土流失;劇烈干擾階段，該階段生態(tài)恢復(fù)與重建的難度最大，須通過多種措施進(jìn)行綜合治理［19］。根據(jù)阮伏水等在長汀河田、南安美林、安溪官橋等地的研究，不同花崗巖坡地生態(tài)系統(tǒng)其恢復(fù)能力不同:植被覆蓋率低于0.3，土壤有機(jī)質(zhì)低于0.4%，土壤B層被剝蝕殆盡的坡地系統(tǒng)，已無法通過封禁得到恢復(fù)，系統(tǒng)已出現(xiàn)逆向演替，必須人工加以干預(yù);而植被覆蓋率在0.35以上，土壤剖面B層尚殘存，有機(jī)質(zhì)在0.5%以上的坡地系統(tǒng)，通過封禁后基本可以靠系統(tǒng)本身能力恢復(fù)，如繼續(xù)遭受破壞，系統(tǒng)將出現(xiàn)逆向演替［21］。因此，土壤肥力質(zhì)量演變不同階段具有不同特點(diǎn)，治理方式、治理投入和產(chǎn)出也不相同。在南方紅壤侵蝕區(qū)，人們往往把治理重點(diǎn)放在強(qiáng)度及其以上水土流失區(qū)，也就是放在水土流失穩(wěn)定區(qū)，在那里投放了大量的人力、物力和財(cái)力，而忽視了微度、輕度和中度水土流失區(qū)的治理，也就是忽視了對(duì)易發(fā)生突變的區(qū)域的治理，這無論從科學(xué)或經(jīng)濟(jì)角度來說都是不正確的［26］。本研究結(jié)果顯示，發(fā)生突變的樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水土流失強(qiáng)度為微度和輕度，而強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈三級(jí)都處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。如果及時(shí)預(yù)先獲知區(qū)域的突變狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行針對(duì)性治理，控制突變走向，采用終止、引導(dǎo)、加速等不同方式，促進(jìn)土壤肥力質(zhì)量正向演變，則可用最小投入獲取最大效益。

5 結(jié)論

(1)發(fā)生突變的樣點(diǎn)主要集中于土壤肥力質(zhì)量等級(jí)1和等級(jí)2，水土流失微度和輕度，坡度5—10°和10—15°，植被覆蓋度0.3—0.4和＞0.4的區(qū)域;土壤肥力質(zhì)量等級(jí)、水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度對(duì)土壤肥力質(zhì)量演變都有較大影響，Δ與土壤肥力質(zhì)量等級(jí)、水土流失強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度都呈極顯著相關(guān)關(guān)系，皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小順序?yàn)?水土流失強(qiáng)度＞植被覆蓋度＞土壤肥力質(zhì)量等級(jí)＞坡度;發(fā)生突變的樣點(diǎn)基本集中在土壤肥力質(zhì)量等級(jí)較高、水土流失強(qiáng)度較輕、坡度中等、植被覆蓋較好的地區(qū)。

(2)土壤肥力質(zhì)量演變的時(shí)間相對(duì)較長，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)變過程中事物所經(jīng)歷的中間過渡狀態(tài)來判斷是否產(chǎn)生突變;土壤肥力質(zhì)量處于突變狀態(tài)時(shí)可用較小投入產(chǎn)生較大效益，在關(guān)注嚴(yán)重水土流失區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建的同時(shí)，不應(yīng)忽視突變區(qū)的治理。

(3)在生態(tài)恢復(fù)與重建過程中，應(yīng)定量確定土壤肥力質(zhì)量演變所處的階段，研究各種生態(tài)恢復(fù)與重建途徑應(yīng)在何時(shí)介入才能達(dá)到最大效益，何時(shí)退出才不會(huì)導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量停止恢復(fù)甚至退化，從而保持最小風(fēng)險(xiǎn)并獲得最大效益。突變模型可以確定土壤肥力質(zhì)量所處的狀態(tài)，較好地揭示外部因子引起土壤肥力質(zhì)量演變的規(guī)律，從而為生態(tài)恢復(fù)與重建提供新的思路與方法。

(4)尖點(diǎn)突變模型是一個(gè)確定性模型，可根據(jù)Δ是否小于等于0分為穩(wěn)定與突變兩種狀態(tài)，但Δ并非為二值型數(shù)值，其大小代表突變的程度。因此，如何根據(jù)Δ的數(shù)值細(xì)分土壤肥力質(zhì)量演變狀態(tài)，確定演變的方向如正向抑或逆向即土壤肥力質(zhì)量由差轉(zhuǎn)好還是由好轉(zhuǎn)差，還需結(jié)合土壤肥力質(zhì)量及研究區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。同時(shí)，如何將土壤肥力質(zhì)量突變狀態(tài)與各土壤肥力質(zhì)量因子有機(jī)聯(lián)系，求取各土壤肥力質(zhì)量因子的突變臨界值，仍需進(jìn)一步探討。

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