王舒甜 張金池 鄭丹揚 王金平 李偉強

(南京林業(yè)大學 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室 江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037)

鐘山風景區(qū)土壤環(huán)境對人為踩踏擾動的響應*

王舒甜 張金池 鄭丹揚 王金平 李偉強

(南京林業(yè)大學 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室 江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037)

【目的】 探究風景區(qū)不同旅游干擾強度下土壤質(zhì)量的變化規(guī)律，分析人為踩踏對土壤的影響，為恢復土壤質(zhì)量以及風景區(qū)的生態(tài)旅游規(guī)劃與管理提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。【方法】 在南京鐘山風景區(qū)選擇3條寬度為3 m的游道，在每條游道邊緣的垂直方向上設置1條7 m×1 m的調(diào)查樣帶，在每條樣帶上均選擇3個1 m×1 m樣方，距游道邊緣1 m處樣方為高強度干擾，距游道邊緣3 m處樣方為中等強度干擾，距游道邊緣7 m處樣方為對照區(qū)。采集樣方不同土層(0～5,5～15 和15～25 cm)土壤樣品，測定土壤密度、含水量、持水量、pH、土壤有機質(zhì)含量、土壤全氮含量、土壤速效磷含量和土壤酶活性。采用因子分析和主成分分析法計算公因子的貢獻率和因子負荷量以確定各指標因子對土壤質(zhì)量的重要性和貢獻度，并通過對土壤各指標因子加權求和綜合分析論證不同旅游干擾強度下土壤質(zhì)量的變化規(guī)律?！窘Y果】 隨旅游干擾強度增加，土壤含水量、孔隙度、持水量趨于下降，而土壤密度、pH趨于上升，且旅游干擾對0～5 cm土層土壤的影響大于5～15和15～25 cm土層土壤； 隨干擾強度增加，土壤有機質(zhì)、全氮和速效磷含量趨于下降，碳氮比呈上升趨勢； 與對照區(qū)相比，旅游干擾下，土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性降低，且土壤質(zhì)量趨于下降； 隨土層加深，土壤質(zhì)量呈先上升后下降的趨勢； 由于背景區(qū)未受干擾，其表層土壤質(zhì)量最佳，土層越深，土壤質(zhì)量越差?！窘Y論】 土壤有機質(zhì)含量、全氮含量和蔗糖酶活性的權重較大即對旅游干擾下土壤質(zhì)量變化的貢獻度較大，可作為鐘山風景區(qū)土壤健康狀況評價指標； 可以通過土壤酶活性和有機質(zhì)含量來動態(tài)監(jiān)測景區(qū)土壤肥力； 需對游客數(shù)量進行時空調(diào)控來控制生態(tài)環(huán)境容量，從而保證景區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)效益。

人為踩踏； 土壤理化性質(zhì)； 土壤酶； 因子分析法； 土壤綜合質(zhì)量指數(shù)

Abstract： 【Objective】 In this study, we investigated the degradation of soil quality under different degrees of tourist disturbance, in order to understand the impacts of tourist activities on soil, to inform management on restoring soil quality, to provide basic data and theoretical basis for the scenic spot of eco-tourism planning and management. 【Method】 We investigated the properties of soil close to the main trail at a scenic spot in the park. Specifically, we selected three trails around 3 m in width. Along each trail, we established 3 plots away from the edge of the trail. The first plot was 1 m away from the edge, which represents high disturbance region. The second plot was 3 m away from edge, which represent middle disturbance region. The third plot was the control located at 7 m away from the edge. In each plot, we collected soil samples from different soil layers to determine density, water content, water holding capacity, pH value, total nitrogen, available phosphorus and enzyme indices of the soil. Factor analysis, principal component analysis (PCA) and the variation partition analysis were conducted to determine the contribution of each factor to the soil quality. Finally, the soil quality under different tourism disturbances was calculated by summing up the indices. 【Result】 The results showed that，with the increasing level of tourist disturbance, the water content, porosity and moisture content of the soil decreased whereas the bulk density and pH value increased, and the impacts of all these soil properties in the 0-5 cm layer was greater than those in the 5-15 or 15-25 cm layer. For soil nutrients, carbon-nitrogen ratio tended to increase while soil organic matter, total nitrogen and available phosphorus all decreased with increasing intensity of tourist disturbance; Soil urease, acid phosphatase, invertase, catalase activity of the tourist disturbed area were lower than those of the control plots, soil quality decreased at the same time; With the increase of depth of the soil layers, soil quality appeared to increase first and followed by a decrease. As the control plots were not interfered, their soil qualities of topsoil were the best, and the soil quality in deeper layers was getting worse. 【Conclusion】 Among them, soil organic matter, total nitrogen, invertase activity had larger contributions to the soil quality under the tourism disturbance, which could be used as indicators of soil health in this scenic spot. Therefore, we can monitor dynamically soil organic matter by investigating enzyme and organic matter content. On the other hand, we should also control the ecological environmental capacity by controlling the number of tourists in both temporal and spatial dimensions to ensure the sustainable development of scenic area and ecological benefits.

Keywords： human trampling； physical and chemical soil properties； soil enzyme activity； factor analysis； integrated soil quality index

隨著旅游業(yè)迅速發(fā)展，各類風景區(qū)開發(fā)數(shù)量以及游客人數(shù)急劇增長，多人次旅游活動造成的干擾將一定程度影響風景區(qū)的宏觀自然資源和微觀生態(tài)環(huán)境(Lucas-Borjaetal.， 2011； 譚紅妍等， 2014)。如今，踩踏作為旅游活動對生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾形式之一(Ceballos-Lascurain， 1998)，已成為環(huán)境與旅游發(fā)展的重點；而土壤作為對踩踏反應較為敏感的環(huán)境因子和生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對土壤生態(tài)系統(tǒng)及生長在其上的植被生態(tài)系統(tǒng)的生存有重要影響，對維系風景區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定有重要作用(李鵬， 2012)。

人為踩踏首先改變土壤緊實度，致使土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響土壤其他性狀。近年來，有關踩踏對土壤環(huán)境影響的研究調(diào)查樣地多集中在山地景區(qū)(Hiltbrunneretal.， 2012； 汪洪旭， 2014； 張淑花等， 2011)、濕地(王立龍等， 2013； 朱芳等， 2015)及特殊氣候區(qū)(Lemauvieletal., 2003； Talbotetal., 2003)，對普通旅游區(qū)的土壤環(huán)境影響研究較少。另外，研究多集中在土壤物理性質(zhì)及有機質(zhì)變化等方面，對踩踏引起土壤化學成分及土壤酶活性改變的研究較少，且研究結論不甚一致。

本研究以鐘山風景區(qū)為研究對象，探討不同旅游干擾強度對土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分及土壤酶活性等指標的影響，以期為風景區(qū)的生態(tài)旅游規(guī)劃與管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鐘山風景區(qū)位于南京城區(qū)東北部(118°81′—118°88′E, 32°04′—32°09′N)。屬亞熱帶濕潤氣候，年降水量900～1 000 mm，年均氣溫15.7 ℃，全年無霜期233天。土壤屬黃棕壤和黃褐土，呈酸性或微酸性，pH小于5.5，剖面層次較為明顯，土質(zhì)較為黏重。風景區(qū)植物資源豐富，種類繁多，森林覆蓋率達67.8%，是落葉闊葉林與常綠闊葉林混合生長地區(qū)，以麻櫟(Quercusacutissima)、楓香(Liquidambarformosana)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、石楠(Photiniaserrulata)和冬青(Ilexchinensis)等闊葉林為主，自然景觀豐富優(yōu)美，盛名享譽世界，每年接待游客數(shù)百萬人次。

2 研究方法

2.1樣方設置及土樣采集

已有研究(石強等， 2002； 鐘林生等， 2008)表明，游客對景區(qū)土壤的影響主要集中在距游道外緣3 m范圍內(nèi)，超過3 m土壤各指標變化不明顯。因此，本研究選取3條寬度約為3 m的游道，在每條游道的垂直方向上設置1條7 m×1 m的調(diào)查樣帶，在每條樣帶上均選擇3個1 m×1 m樣方，其中，高強度干擾樣方距游道邊緣1 m處，踩踏厲害，地表無落葉雜草與其他灌木； 中等強度干擾樣方距游道邊緣3 m處，人類活動較少，地面覆蓋少量灌木及雜草； 對照區(qū)距游道邊緣7 m，地被層生長旺盛，人未踏及，或者植被自然恢復能力大于人為干擾。

每個樣方分別取0～5，5～15 和15～25 cm土層土樣。每個樣方3點取土，每點每層取500 g土壤，去除可見的未分解和半分解的動植物殘體和較大石礫，置于室內(nèi)自然風干、過篩，以供土壤理化性質(zhì)分析及土壤酶活性測定。

2.2土壤理化性質(zhì)測定

土壤密度、孔隙度等物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測定； 105～110 ℃烘干土壤至恒質(zhì)量測定土壤含水量，各物理性質(zhì)的測定參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林土壤分析方法》。pH采用電位法測定； 有機質(zhì)、有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定； 土壤全氮、速效磷含量分別采用半微量凱氏法、鹽酸-硫酸浸提法測定； 脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定； 酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定； 蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定； 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定(關松蔭， 1986)。

2.3土壤綜合質(zhì)量指數(shù)計算

2.3.1 評價指標權重的確定 土壤各指標因子對土壤質(zhì)量的作用不同，通常用權重表示其重要性程度及貢獻度。為克服人為因素影響，采用因子分析法計算主成分的方差貢獻率，并對該指標在各主成分線性組合中的系數(shù)進行加權平均，以確定權重(劉世平等， 2008； 吳玉紅等， 2010)。具體計算步驟為： 1) 計算指標在各主成分線性組合中的系數(shù)，其中指標系數(shù)為因子負荷量與特征根開方的比值； 2) 計算主成分方差貢獻率，方差貢獻率越大則該主成分的重要性越強，即方差貢獻率可以看成是不同主成分的權重； 3) 對各指標系數(shù)進行歸一化處理以確定其權重。

2.3.2 評價指標隸屬度的確定 隸屬度用于描述客觀事物的模糊界限，可用隸屬函數(shù)來表達。由于各評價指標的實際取值范圍不同，隸屬函數(shù)可以將各評價轉變?yōu)?～1的無量綱值即隸屬度，以實現(xiàn)對各土壤指標的量綱歸一化(吳艷軍， 2014)。大多數(shù)指標因子對土壤質(zhì)量的影響呈“S”形曲線或拋物線型。其中，土壤質(zhì)量含水量、孔隙度、持水量、有機質(zhì)、全氮、速效磷及土壤酶為“S”形，見(1)式，土壤密度、pH為拋物線型(公式2)：

(1)

式中：F(x)為隸屬函數(shù)；x為評價指標的實際測定值；x1、x2、x3和x4分別為評價指標的臨界值。

2.3.3 土壤綜合質(zhì)量指數(shù)的確定 根據(jù)加法合成原則，將各土壤因子隸屬度值進行加權求和，計算土壤綜合質(zhì)量指數(shù)，以判斷該樣地土壤質(zhì)量受干擾的程度。計算公式如下：

(3)

式中： SIQI為土壤綜合質(zhì)量指數(shù)；Wi和Ni分別為第i指標的權重和隸屬度值。

2.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行數(shù)據(jù)處理，對不同干擾強度下土壤各指標采用單因素方差分析(one way ANOVA)，其差異性檢驗采用最小二乘法(LSD)，顯著性水平為P<0.05。利用多元統(tǒng)計的因子分析和主成分分析確定各指標因子的權重以表征樣地的土壤質(zhì)量。所有統(tǒng)計檢驗均用SPSS 19.0軟件完成，其余圖均在Origin 8.5軟件內(nèi)完成。

3 結果與分析

3.1土壤物理性質(zhì)

由表1可知： 同一土層下，隨干擾強度增加，土壤密度逐漸變大，但各處理差異不顯著； 與CK相比，0～5 cm土層土壤總孔隙度、非毛管孔隙度顯著降低，中等強度干擾分別降低了28.76%和60.56%，高強度干擾分別降低了31.20%和62.11%(P<0.05)； 同一干擾強度下，隨土層加深，土壤密度呈先下降后上升的趨勢，土壤孔隙度則相反； 同一土層下，隨干擾強度增加，土壤持水量呈遞減趨勢。同一干擾強度下，中等強度干擾和高強度干擾土壤持水量均以5～15 cm土層土最高，0～5 cm土層最低，且5～15和15～25 cm土層間差異不顯著。

3.2土壤化學性質(zhì)

不同干擾強度各土層土壤含水量差異均不顯著，整體變化趨勢與土壤持水量類似。同一土層下，隨干擾強度增加，土壤pH逐漸增加，但各處理差異不顯著。中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤pH最高，分別為5.08和5.12。與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤有機質(zhì)含量顯著降低(P<0.05)，分別降低了32.09%和33.76%。與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤全氮和速效磷含量均顯著降低(P<0.05)，其中，中等強度干擾分別下降了47.11%和40.10%，高強度干擾分別下降了52.42%和47.90%； 與中等強度干擾相比，高強度干擾全氮含量降低幅度不顯著，僅為7.59%～10.04%。同一干擾強度下，隨土層加深，土壤全氮和速效磷含量呈先上升后下降的趨勢，且5～15和15～25 cm土層間差異均不顯著。隨干擾強度增加，土壤碳氮比增加，有機質(zhì)分解變差，CK樣方土壤碳氮比較低，腐殖質(zhì)易分解，但不同干擾強度各土層碳氮比差異均不顯著(表2)。

表1 不同旅游干擾強度對土壤物理性質(zhì)的影響①Tab.1 Effects of different degrees of tourist disturbance on physical property of sample soil(mean±SD)

①同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Different superscripts in the same column show significant difference(P<0.05)，the same below．

表2 不同旅游干擾強度對土壤化學性質(zhì)的影響Tab.2 Effects of different degrees of tourist disturbance on chemical property of sample soil(mean±SD)

3.3土壤酶活性

由圖1可知，同一土層下，與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤脲酶活性顯著降低了65.71%和74.29%(P<0.05)。同一干擾強度下，5～15 cm土層土壤脲酶活性高于15～25 cm土層，但各土層差異不顯著。

同一土層下，與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤酸性磷酸酶活性降低了21.90%和29.52%； 且土壤酸性磷酸酶活性降低幅度小于土壤脲酶。同一干擾強度下，隨土層加深，土壤磷酸酶活性呈先上升后下降的趨勢，但各土層差異均不顯著。

同一土層下，與CK相比，0～5和5～15 cm土層土壤蔗糖酶活性均顯著降低，其中，中等強度干擾分別降低了81.12%和43.50%，高強度干擾分別降低了81.97%和60.66%； 且樣方土壤蔗糖酶活性降低幅度均大于土壤脲酶和土壤酸性磷酸酶。隨土層加深，CK土壤蔗糖酶活性逐漸下降，中等強度干擾和高強度干擾土壤蔗糖酶活性均呈先上升后下降的趨勢。

同一土層下，與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾0～5 cm土層土壤過氧化氫酶活性顯著降低了32.05%和33.97%(P<0.05)； 且樣方土壤過氧化氫酶活性降低幅度大于磷酸酶，小于脲酶和蔗糖酶。

3.4土壤質(zhì)量綜合評價

通過式(1)和(2)計算土壤各指標因子的隸屬值(表3)，再根據(jù)表4和表5的特征根及因子負荷量計算各指標的權重，最后根據(jù)式(3)確定土壤綜合質(zhì)量指數(shù)。

從圖2可以看出：同一土層下，隨干擾強度增加，土壤質(zhì)量逐漸下降，其中高強度干擾樣方0～5 cm土層土壤質(zhì)量最差，與CK相比，分別下降了85.50%和76.42%； 隨土層加深，中等強度干擾和高強度干擾土壤質(zhì)量呈先上升后下降的趨勢； CK作為對照樣方，0～5 cm土層土壤質(zhì)量指數(shù)最好，為0.899，隨土層加深，土壤質(zhì)量逐漸下降。

圖1 不同旅游干擾強度對土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of different degrees of tourist disturbance on enzymatic activity of sample soil

表3 不同土壤因子的隸屬度值Tab.3 The function values of different soil factors

表4 土壤質(zhì)量評價指標主成分特征根、貢獻率Tab.4 Eigenvalue and variance contributes of the main components for soil quality evaluation

4 討論

研究表明，隨干擾強度的增加，土壤pH逐漸增加，但差異不顯著(Sarahetal., 2007； Malmivaara-L?ms?etal.， 2008)。這主要是由于踩踏減少景區(qū)植被數(shù)量和覆蓋面積，加劇土壤板結，導致水土流失，其中一部分有機酸和無機酸隨之流失，土壤堿性增強(Schmidtetal.， 2011)。土壤壓實，單位體積內(nèi)土壤固體成分增加，土壤孔隙度減少，滲透性降低，鹽基離子淋溶作用的減弱，也可能導致土壤pH上升。

表5 土壤質(zhì)量評價指標的負荷量和權重Tab.5 Value of component capacity and weights of the soil quality factors

圖2 不同干擾強度土壤綜合質(zhì)量指數(shù)Fig.2 Effects Soil integrated quality index of different degrees of tourist disturbance

隨干擾強度增加，土壤通氣性減弱，土壤動物、微生物數(shù)量及其活動速率降低，有機質(zhì)的輸出速率減慢，同時地表枯落物和植物根系的減少引起植物歸還量減少，最終降低土壤有機質(zhì)含量(陸林等， 2011)。土壤有機質(zhì)的有機態(tài)含氮化合物中儲藏了大部分土壤中的氮素，土壤氮的輸出主要依賴于有機質(zhì)的分解，且有機質(zhì)通過增加磷酸酶活性減少磷的吸附和固定，從而活化土壤中的磷，豐富磷庫，因此土壤全氮、速效磷含量變化取決于土壤有機質(zhì)含量變化(Grieve， 2001； Mekuriaetal.， 2007； 孟慶華等， 2007； 陳芙蓉等， 2012)。從土壤垂直結構來看，土壤養(yǎng)分主要來源于枯落物、植物根系、土壤動物及其殘體以及土壤微生物的分泌，枯落物分布在土壤表層，植物根系主要分布在0～20 cm土層中。隨土層加深，植物根系和微生物數(shù)量的減少直接影響土壤有機質(zhì)的來源，但由于踩踏對表層土壤影響最為直接，對表下層土壤影響逐漸減弱，因此干擾區(qū)土壤養(yǎng)分呈先上升后下降的趨勢。

研究表明，與CK相比，中等強度干擾和高強度干擾樣方0～5 cm土層土壤脲酶活性顯著降低，說明踩踏降低土壤的供氮水平和土壤氮素的利用率，減緩土壤氮素循環(huán)致使土壤質(zhì)量下降(Wangetal.， 2011)。隨干擾強度增加，土壤磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均逐漸降低。磷酸酶作為評價土壤生物活性和磷素供應的指標與土壤速效磷呈顯著正相關(r=0.745**)，且磷酸酶活性越高速效磷轉化速率越大(楊邦俊等， 1990； 司登宇， 2013； 舒媛媛等， 2016)。蔗糖酶活性反映了土壤有機碳的分解與轉化，為土壤提供可溶性營養(yǎng)物質(zhì)。土壤過氧化氫酶與土壤微生物密切相關可在一定程度上反映土壤生物化學反應過程的強度(Frankenberger， 1983)。由于土壤酶類與土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分含量密切相關，有機質(zhì)含量的減少會降低土壤全氮量，進而影響土壤脲酶、蔗糖酶等一系列酶活性，協(xié)同降低土壤速效磷的轉化速率，減少其含量。

5 結論

踩踏降低土壤含水量、持水量和孔隙度，除土壤密度和碳氮比增加外，土壤養(yǎng)分和土壤酶活性也有不同程度的降低，且隨著土層加深，土壤養(yǎng)分及土壤酶含量大致呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，說明人為踩踏對鐘山風景區(qū)土壤的影響效應明顯，游道邊緣踩踏強度大，土壤基本裸露，表層土壤過于緊實，植物根系難以深入，致使表層土壤質(zhì)量較差，而表下層土和深層土影響不大。有機質(zhì)、全氮和蔗糖酶的土壤權重值最大，說明該指標對土壤質(zhì)量的貢獻度最大，可表征風景區(qū)土壤健康狀況?？傊?，人為踩踏已經(jīng)嚴重影響到風景區(qū)的土壤質(zhì)量和生態(tài)效應，可通過土壤酶活性和有機質(zhì)含量來動態(tài)監(jiān)測景區(qū)土壤肥力，同時時空調(diào)控游客數(shù)量來控制生態(tài)環(huán)境容量，從而保證景區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和景觀效益。

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(責任編輯 于靜嫻)

ImpactsofRecreationalHumanTramplingonSoilPropertiesinZhongshanScenicPark

Wang Shutian Zhang Jinchi Zheng Danyang Wang Jinping Li Weiqiang

(NanjingForestryUniversityKeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandEcologicalRestorationinJiangsuProvinceCollaborativeInnovationCenterofSustainableForestryinSouthernChinaofJiangsuProvinceNanjing210037)

S154.1

A

1001-7488(2017)08-0009-08

10.11707/j.1001-7488.20170802

2016-10-25；

2017-07-05。

江蘇省科技項目(BE2012344)； 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201504406)； 江蘇省優(yōu)勢學科(PAPD)。

* 張金池為通訊作者。