喀斯特石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)與對(duì)比
——以貴州朝營和頂壇小流域?yàn)槔?/h1>
2018-04-11 05:05:28熊康寧顧再柯李開萍
水土保持研究 2018年2期
肖 杰, 熊康寧, 顧再柯, 王 琦, 李開萍
(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽 550001;2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)總站, 貴陽 550001)
了解土壤的養(yǎng)分狀況,不僅反映植被恢復(fù)模式對(duì)土壤的響應(yīng)，同時(shí)為培肥土壤提供參考依據(jù)[1]，更是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的研究熱門內(nèi)容。尤其在石漠化地區(qū)基于生態(tài)脆弱性的自然環(huán)境為背景的條件下，受到人類不合理改造自然的活動(dòng)，產(chǎn)生人地矛盾尖銳、土地質(zhì)量嚴(yán)重衰退、地表水土流失和地下土壤漏失耦合作用，加劇了植被生境被破壞與碳酸鹽巖大面積的裸露，在地表形成類似于荒漠化景觀的生態(tài)環(huán)境退化演變過程[2]。石漠化治理中有國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)或?qū)W者提出了不同植被恢復(fù)為主的生態(tài)修復(fù)方式，而應(yīng)用于石漠化治理研究[3-4]，其中植被和土壤分別作為石漠化治理的根本和關(guān)鍵因子[5]。為研究土壤養(yǎng)分狀況，針對(duì)土壤養(yǎng)分定性評(píng)價(jià)的缺陷,而采取客觀的定量評(píng)價(jià)可彌補(bǔ)定性評(píng)價(jià)的不足。因而，與之有關(guān)的成果就土壤養(yǎng)分定量評(píng)價(jià)的研究主要集中于以最小數(shù)據(jù)集的確立進(jìn)行評(píng)價(jià)植被恢復(fù)下的土壤質(zhì)量[6]；研究石漠化演替過程中土壤肥力而運(yùn)用主成分分析評(píng)價(jià)[7]；運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重，評(píng)價(jià)石漠化治理人工種草土壤肥力[8]；采取模糊數(shù)學(xué)的方法分別評(píng)價(jià)了石漠化治理區(qū)耕作層和縣域尺度的耕地土壤養(yǎng)分狀況[9-10]等方面，上述的研究均表現(xiàn)為評(píng)價(jià)單一研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，對(duì)于不同地貌研究區(qū)與不同等級(jí)石漠化的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)和對(duì)比的研究較為罕見。
土壤養(yǎng)分的分布與累積及其含量的高低，受制于生態(tài)系統(tǒng)過程和植物分布、植物歸還土壤養(yǎng)分再平衡與生物活動(dòng)的影響，以植被恢復(fù)為紐帶的土壤養(yǎng)分是反映生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)的狀況指標(biāo)之一。在喀斯特石漠化地區(qū)采取的石漠化治理模式以植被恢復(fù)為主，其中包含退耕還林(草)、封山育林、經(jīng)果林栽培等措施進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建，這些過程因不同地貌、不同等級(jí)石漠化，以及不同植被恢復(fù)的模式構(gòu)成的土壤環(huán)境條件下，土壤養(yǎng)分的豐缺亟待探明和對(duì)比，對(duì)石漠化治理與生態(tài)環(huán)境重建恢復(fù)研究的延伸具有重要的意義。
因此，本文選取能夠代表不同等級(jí)石漠化的喀斯特高原山地畢節(jié)撒拉溪朝營小流域與高原峽谷關(guān)嶺—貞豐交界頂壇小流域石漠化治理示范區(qū)為研究區(qū)。上述兩個(gè)石漠化治理示范區(qū)均在全球熱帶—亞熱帶氣候帶下喀斯特地貌最為典型的分布區(qū)中心，同時(shí)也處于中國南方喀斯特的中心?；诖?，站在前人的研究視角下[5,11-12]對(duì)石漠化治理區(qū)進(jìn)行透視，依據(jù)石漠化治理區(qū)以碳酸鹽巖為基礎(chǔ)的地質(zhì)條件和發(fā)展骨架的地貌支撐，在空間上構(gòu)成石漠化演化和治理方式的異同。選擇不同地貌與不同等級(jí)石漠化治理模式地為研究對(duì)象，通過最小數(shù)據(jù)集科學(xué)有效地篩選土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期揭示石漠化治理區(qū)高原山地與高原峽谷、不同等級(jí)石漠化下治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況和水平?？陀^反映該地區(qū)不同地貌與不同等級(jí)石漠化下治理模式的土壤養(yǎng)分的現(xiàn)狀，為同氣候帶下的石漠化地區(qū)小流域綜合治理方式上，對(duì)土壤養(yǎng)分培育和改良、生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)提供一定數(shù)據(jù)支撐和思路參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
探討評(píng)價(jià)不同地貌研究區(qū)和不同等級(jí)石漠化治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況與水平，應(yīng)充分考慮典型的石漠化治理示范區(qū)在石漠化程度、石漠化景觀類型、植被覆蓋率、治理恢復(fù)類型和植被類型等自然地理的要素信息(表1)，因此本文選擇兩個(gè)頗具典型性喀斯特地貌的石漠化區(qū)域，潛在—輕度等級(jí)石漠化區(qū)畢節(jié)撒拉溪朝營小流域、中度—強(qiáng)度等級(jí)石漠化區(qū)關(guān)嶺—貞豐花江頂壇小流域，分別代表高原山地與高原峽谷地貌，其中前者位于貴州省西北部(圖1)，畢節(jié)市六沖河流域支流區(qū)內(nèi)，經(jīng)緯度為東經(jīng)105°02′—105°08′，北緯27°11′—27°16′。該地區(qū)石漠化等級(jí)以潛在—輕度等級(jí)的石漠化為主，潛在與輕度等級(jí)石漠化占石漠化面積的53.17%，中度與強(qiáng)度等級(jí)石漠化占石漠化面積的11.66%，小流域內(nèi)裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。境內(nèi)分布二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤為地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風(fēng)化石灰土。氣候與地貌類型為亞熱帶溫涼干旱氣候和喀斯特高原山地。石漠化治理已完成以坡改梯工程等水土保持措施和退耕種植經(jīng)濟(jì)林工作，以防治石漠化的發(fā)生和促進(jìn)土壤養(yǎng)分恢復(fù)。當(dāng)?shù)匦纬傻闹脖活愋椭饕蕴烊灰吧脖淮蟀锥霹N、十大功勞、金絲桃等藤刺灌叢以及少有分布的青岡、通脫木喬木林為主，經(jīng)果林植被則以刺梨、核桃為主。
后者位于貴州省西南部(圖2)，關(guān)嶺縣以南、貞豐縣以北的北盤江花江峽谷南岸，經(jīng)緯度為東經(jīng)105°36′—105°46′，北緯25°39′—25°41′。該地區(qū)石漠化等級(jí)主要為中度—強(qiáng)度等級(jí)石漠化，潛在與輕度等級(jí)石漠化占石漠化面積的9.30%，而中度與強(qiáng)度等級(jí)石漠化占石漠化面積的90.7%，小流域內(nèi)有少量潛在與輕度石漠化分布于臺(tái)地區(qū)域。境內(nèi)分布三疊系白云巖、泥質(zhì)白云巖和頁巖，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤在臺(tái)地部分為黃壤，坡地部分為石灰土。氣候與地貌類型為喀斯特亞熱帶干熱河谷氣候和喀斯特高原峽谷。石漠化治理在早期完成水土保持相關(guān)工程措施，后期為花椒為主的經(jīng)濟(jì)林規(guī)?；N植以促進(jìn)土壤養(yǎng)分恢復(fù)。植被類型主要為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，原生植被均已破壞，現(xiàn)以天然野生植被構(gòu)樹、鐵線蓮和白三葉等灌草叢和經(jīng)果林金銀花、花椒等主要的次生植被為主，以及少有分布的青岡、刺槐、馬尾松為主的喬木林。
表1 研究區(qū)地理要素信息
圖1研究區(qū)Ⅰ區(qū)圖2研究區(qū)Ⅱ區(qū)
1.2 研究方法
首先分別在朝營小流域和頂壇小流域研究區(qū)內(nèi)，于2015年7月根據(jù)不同等級(jí)石漠化劃分標(biāo)準(zhǔn)[4]和野外踏勘的基礎(chǔ)上，選取4種不同等級(jí)石漠化實(shí)施的治理恢復(fù)模式地為研究對(duì)象。在潛在石漠化中，由于兩類研究區(qū)潛在石漠化占石漠化總面積的份額不同以及土壤的厚度不一，朝營小流域多為封山育林治理模式地，頂壇小流域則為農(nóng)林混合治理模式地，兩類研究區(qū)的輕度石漠化為退耕還林治理模式地、中度石漠化為退耕還草治理模式地和強(qiáng)度石漠化為自然恢復(fù)治理模式地?；谑貐^(qū)石多土少的緣故以及土壤覆蓋范圍和厚度，在上述4種模式地基礎(chǔ)上再次劃分潛在—輕度治理模式地各為3個(gè)20 m×20 m的樣地，中度—強(qiáng)度治理模式地各為2個(gè)20 m×20 m的樣地，同時(shí)以S形法在每個(gè)樣地采取深度為0—20 cm的表層土，各取3個(gè)點(diǎn)，所取土樣混合均勻?yàn)? kg土。采集完成后將土樣帶回國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除石塊和雜質(zhì)后使用瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm土壤篩，取得待測(cè)土壤樣品，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分指標(biāo)(表2)，樣品分析方法參見參考文獻(xiàn)[13]，分析測(cè)定土壤樣品數(shù)據(jù)采取針對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行3次平行測(cè)定，結(jié)果取其平均值。
表2 土壤樣品的測(cè)定項(xiàng)目
1.3 數(shù)據(jù)分析
使用Microsoft Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，按照相關(guān)研究的方法[14-15]采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，在主成分分析中計(jì)算各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)所有特征值≥1的主成分上的載荷值。
1.3.1最小數(shù)據(jù)集確立方法在這里分組的原則是：(1) 篩選同一主成分中載荷值≥0.5的土壤養(yǎng)分指標(biāo)分為一組；(2) 若同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)主成分中均≥0.5的載荷值，則將該土壤指標(biāo)參數(shù)歸入與其他相關(guān)性較低的土壤指標(biāo)參數(shù)為一組。分組完畢后，采用公式(1)分別計(jì)算每組土壤養(yǎng)分指標(biāo)的Norm值，為進(jìn)一步分析所選取指標(biāo)的相關(guān)性，則選取每組的Norm值中最高分值的10%范圍內(nèi)的土壤指標(biāo)，經(jīng)過相關(guān)性分析后，若在矩陣中高度相關(guān)(r>0.5)則按Norm值中最高值的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，完成最終的最小數(shù)據(jù)集的確立。
(1)
式中：Norm值越大,解釋綜合信息的能力越完全，其中Nik表示為第i個(gè)變量在特征值>1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷；μik表示為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的載荷值，λik則表示為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的特征值。
1.3.2隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化由于影響土壤養(yǎng)分因素很多且處于變化之中，因而各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響是模糊的概念，采取隸屬度函數(shù)[16]計(jì)算獲取相應(yīng)的隸屬度值，以評(píng)價(jià)土壤中各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的優(yōu)劣。隸屬度函數(shù)還分為以S型和拋物線型兩種類型的隸屬函數(shù)，根據(jù)已篩選進(jìn)入MDS中各土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分的正負(fù)關(guān)聯(lián)度決定各自的隸屬函數(shù)類型。
S型隸屬函數(shù)公式:
(2)
拋物線型隸屬函數(shù)公式：
(3)
式中：各個(gè)養(yǎng)分含量指標(biāo)的最小值與最大值在函數(shù)隸屬度中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為x1和x2。
1.3.3綜合評(píng)價(jià)法的計(jì)算本文采取加權(quán)求和法[17]選擇建立綜合評(píng)價(jià)模型來完成對(duì)頂壇小流域土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)，此方法是基于模糊數(shù)學(xué)中加權(quán)求和法，是將評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為0.1～1.0數(shù)值，便于不同區(qū)域土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行比較，讓研究的評(píng)價(jià)結(jié)果更為直觀，其中評(píng)價(jià)的數(shù)值越大，代表著土壤養(yǎng)分越豐富。
加權(quán)求和公式：
(4)
式中：Wi為權(quán)重，表示主成分分析中第i個(gè)指標(biāo)在其主成分矩陣中的方差貢獻(xiàn)率與特征值大于1的所有主成分矩陣的方差貢獻(xiàn)率總和之比；Ni為進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集中指標(biāo)參數(shù)并依照正負(fù)關(guān)聯(lián)度，計(jì)算后得出的隸屬度值。
2 結(jié)果與分析
2.1 石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征
針對(duì)石漠化植被演替的變化對(duì)土壤理化性質(zhì)構(gòu)成影響，尤其是對(duì)土壤養(yǎng)分含量有上升的作用[18]，本文中表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與顯著性差異表明，在治理模式影響下，朝營小流域潛在石漠化地全氮含量明顯大于輕度和強(qiáng)度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地全磷含量明顯大于中度和強(qiáng)度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地有機(jī)質(zhì)含量明顯高于中度和強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)，強(qiáng)度石漠化地速效鉀含量明顯低于潛在和輕度等級(jí)石漠化地(p<0.05)的含量，而其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)在不同等級(jí)石漠化地之間均無顯著性差異。頂壇小流域土壤養(yǎng)分中輕度石漠化地全磷含量顯著高于中度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地有機(jī)質(zhì)含量顯著高于強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地堿解氮含量明顯高于輕度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地速效鉀顯著高于強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)。而其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)在不同等級(jí)石漠化地之間均無顯著性差異。朝營小流域除土壤pH值低于頂壇小流域外，其他養(yǎng)分指標(biāo)均高于頂壇小流域。
2.2 土壤養(yǎng)分最小數(shù)據(jù)集的確定
本文所選取的土壤養(yǎng)分指標(biāo)依次為土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀8個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)在SPSS中進(jìn)行主成分分析，同時(shí)進(jìn)行KMO值和Bartlett球形檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后結(jié)果顯示，KMO=0.709，Sig.=0.001且小于顯著性水平0.05，檢驗(yàn)的結(jié)果所表明適合做主成分分析。
由主成分分析結(jié)果所知，已獲取前3個(gè)均大于1的特征值(表4)，其累積貢獻(xiàn)率為75.540%，并按照上述方法所列出的分組原則進(jìn)行分為3個(gè)組(表5)。兩類小流域的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選指標(biāo)為：土壤pH值、土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤堿解氮、土壤速效鉀。在其中土壤堿解氮與土壤速效鉀、土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)分別屬于PC1，PC4中的多個(gè)高載荷變量因子，按照原則對(duì)上述2組土壤養(yǎng)分指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果顯示(表6)，土壤堿解氮與土壤速效鉀顯著相關(guān)(p<0.01)，對(duì)比其兩者Norm值大小可知：土壤堿解氮<土壤速效鉀，因此，土壤速效鉀進(jìn)入MDS；土壤pH值與土壤全鉀兩者之間無顯著性且為弱相關(guān)，因此兩者均進(jìn)入MDS。最后依據(jù)原則所篩選進(jìn)入MDS的土壤養(yǎng)分指標(biāo)為土壤pH值、土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效鉀4個(gè)指標(biāo)，其中全氮和速效鉀是石漠化治理區(qū)植被恢復(fù)重要限制因子，不僅是影響土壤養(yǎng)分的有效性，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標(biāo)，土壤pH值是影響植物根系吸收土壤中氮素而維持自身電荷平衡，土壤有機(jī)質(zhì)為植物生長和促進(jìn)其根系發(fā)育以便植物吸收養(yǎng)分而發(fā)揮作用。
表3 兩種石漠化治理區(qū)不同治理模式地及整體土壤養(yǎng)分含量
注：相同字母表示無顯著差異，不同字母表示具有顯著差異(p<0.05)。
表4 前4個(gè)均大于1的特征值
表5 土壤養(yǎng)分的各個(gè)主成分載荷矩陣
表6 同一主成分中多個(gè)高載荷變量因子相關(guān)性分析
注：**表示p<0.01。
2.3 石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)
石漠化治理模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響屬于模糊性的概念，為此建立土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，達(dá)到量綱標(biāo)準(zhǔn)歸一化。因此，將進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中土壤pH值在土壤環(huán)境中屬于一個(gè)穩(wěn)定范圍，其范圍過高或過低對(duì)土壤產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，因而屬于拋物線型函數(shù)；而土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀對(duì)土壤養(yǎng)分有正效應(yīng)作用，屬于S型函數(shù)。因此依據(jù)正負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的不同分別代入公式(2)—(3)中得出隸屬度值，其權(quán)重系數(shù)則由上述方法得出(表7)。
表7 土壤養(yǎng)分隸屬函數(shù)與權(quán)重值
結(jié)合上述的隸屬度值和采取綜合評(píng)價(jià)法對(duì)朝營小流域與頂壇小流域土壤養(yǎng)分進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)為0.1～1.0的數(shù)值，以示評(píng)價(jià)結(jié)果更易區(qū)分和直觀，便于不同地貌與不同等級(jí)石漠化的治理模式地進(jìn)行對(duì)比。將所求的隸屬度值與權(quán)重系數(shù)代入公式(4)中求出了不同地貌與不同等級(jí)石漠化治理模式地的評(píng)價(jià)分值(表8)。
表8 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值
3 討論與結(jié)論
3.1 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集
根據(jù)Norm值和分組原則確立了土壤pH值、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀等指標(biāo)入選土壤養(yǎng)分的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系，不僅是影響土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的指標(biāo)，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標(biāo)。說明這4項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)無冗余能夠代表石漠化治理區(qū)的土壤養(yǎng)分特性。此外，本文研究所取土壤養(yǎng)分指標(biāo)較少，下一步可細(xì)化增進(jìn)可供選擇的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行參評(píng)，豐富評(píng)價(jià)石漠化地區(qū)參評(píng)指標(biāo)體系，以便更全面反饋評(píng)價(jià)結(jié)果。
3.2 不同等級(jí)石漠化地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)
由土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值可知，朝營小流域土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)分值，呈現(xiàn)隨石漠化程度加深，土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值遞減趨勢(shì)。其中潛在石漠化地為最高，受石漠化治理中封山育林模式影響，促進(jìn)林下灌草叢恢復(fù)和林地枯落物的增加，有利于枯落物腐敗加速土壤養(yǎng)分的累積[19]，因此土壤評(píng)價(jià)分值相對(duì)較高。退耕地和裸巖溶蝕凹槽對(duì)土壤養(yǎng)分有重要影響[20]，該研究區(qū)因坡耕地較多，退耕后在輕度、中度石漠化地廣泛栽種以刺梨核桃為主的經(jīng)果林和紫花苜宿、鴨茅等牧草。對(duì)土壤減少翻耕和土壤養(yǎng)分的破壞有積極性的作用；據(jù)實(shí)地觀測(cè)朝營小流域強(qiáng)度石漠化地僅限于較陡的坡地且分布范圍較小，裸巖覆蓋地衣與苔蘚等初級(jí)植物，受流水侵蝕與運(yùn)移作用往往在石槽下部蓄積土壤，有利于土壤養(yǎng)分在溶蝕凹槽中累積。此外，單一的植被配置方式，缺少一定數(shù)量枯落物的輸入，構(gòu)成牧草種植的中度石漠化地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值低于刺梨為主的經(jīng)濟(jì)林輕度石漠化地。
而頂壇小流域表現(xiàn)為輕度土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值高于潛在土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值，出現(xiàn)中度向強(qiáng)度遞減的趨勢(shì)。說明頂壇小流域?yàn)閷?shí)施退耕還林(草)的工作開展已有多年，退耕地的退耕時(shí)間與土壤養(yǎng)分累積有正相關(guān)關(guān)系[21]。該地廣泛種植花椒、金銀花等經(jīng)濟(jì)林和構(gòu)樹、鐵線蓮、白三葉等灌草叢植物，因其在一定程度上鞏固水土減輕土壤養(yǎng)分流失，同時(shí)枯落物的蓄積還具有腐敗分解其形成土壤養(yǎng)分的作用，為石漠化進(jìn)一步惡化降低了可能性。潛在石漠化地受除草、施肥及農(nóng)耕翻種玉米、花生等作物等因素影響導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量低于輕度、中度石漠化退耕還林(草)地。此外，該地石槽中土壤厚度較厚的地方有花椒以及少量分布構(gòu)樹等天然灌叢生長，這主要受裸露的巖石含有節(jié)理、裂隙吸收了降雨，攔截了一定的坡面產(chǎn)流的速度和土壤蓄積的影響[22]，加之大氣沉降養(yǎng)分與裸巖受喀斯特溶蝕風(fēng)化產(chǎn)物，在這些石質(zhì)凹槽處下的土壤中蓄積形成植物有關(guān)[23]。
3.3 不同地貌區(qū)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)對(duì)比
兩類研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)分值表明，朝營小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏上水平(0.673)，而頂壇小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏下水平(0.478)。該評(píng)價(jià)分值與朝營小流域和頂壇小流域?qū)嶋H土壤養(yǎng)分狀況較為符合。
針對(duì)朝營小流域而言，其處于夷平面為核心組成的高原區(qū)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升地勢(shì)起伏高，河流侵蝕作用較弱，為貴州喀斯特溶蝕作用滯后發(fā)育區(qū)。該地土被較為連續(xù)，土層較厚且發(fā)育土壤為黃壤、黃棕壤為主，石質(zhì)荒漠化景觀均出現(xiàn)在較陡坡地且范圍較小，整體上石漠化程度以潛在—輕度為主?；诖?，該小流域既采取退耕還林模式種植刺梨與核桃，同時(shí)引進(jìn)草食畜牧業(yè)以種植飼用牧草等措施減輕水土流失，從而改善土壤增進(jìn)土壤養(yǎng)分的累積。使朝營小流域在土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值高于頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值。
與朝營小流域?qū)Ρ?，頂壇小流域處于坡降大、水流急而深切的峽谷區(qū)，受山區(qū)性河流影響侵蝕作用強(qiáng)且地表更為崎嶇破碎，為貴州喀斯特溶蝕重置發(fā)育區(qū)。因該地在更早時(shí)期出現(xiàn)人地矛盾尖銳，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重和石質(zhì)荒漠化景觀遍布廣，石漠化程度形成以中度—強(qiáng)度為主。遍布的裸巖下形成土被不連續(xù)、土壤層薄，分布非地帶性石灰土，小范圍的洼地、臺(tái)地有較厚土層且發(fā)育黃壤土。小流域內(nèi)多年退耕恢復(fù)生態(tài)效果較好，尤其是種植花椒帶來植被覆蓋率和生態(tài)效益的提升。由于花椒為當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)林品種，相比金銀花和砂仁等藥用植物有很大的范圍種植，個(gè)別退耕還林時(shí)間長的高樹齡花椒改良土壤作用趨弱、生產(chǎn)管理不善和水肥供應(yīng)不力構(gòu)成立地衰退型[24-25]，從而對(duì)頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值構(gòu)成影響。
盡管朝營小流域與頂壇小流域在土壤養(yǎng)分上存有差異，本文研究還注意到兩類研究區(qū)的綜合評(píng)價(jià)分值均低于有關(guān)研究[10]在喀斯特山區(qū)耕地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值(0.744)，這在一定程度上反映當(dāng)前石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分還有上升的空間，常年的石漠化治理進(jìn)行植被恢復(fù)所帶來的生態(tài)效益是較顯著的，但在追求以植被覆蓋為量的同時(shí)忽略對(duì)以土壤養(yǎng)分為質(zhì)的培育和改良，這既是石漠化加速植被演替工作出現(xiàn)的缺陷之一，同時(shí)也是石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足與滯后，而亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
參考文獻(xiàn)：
[1]龍健,鄧啟瓊,江新榮,等.貴州喀斯特石漠化地區(qū)土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量恢復(fù)能力的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(12):3188-3195.
[2]熊康寧,黎平,周忠發(fā),等.喀斯特石漠化的遙感—GIS典型研究:以貴州省為例[M].北京:地質(zhì)出版社,2002.
[3]國家林業(yè)局防治荒漠化管理中心,國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院.石漠化綜合治理模式[M].北京:中國林業(yè)出版社,2012.
[4]熊康寧,陳永畢,陳起偉,等.點(diǎn)石成金：貴州石漠化防治技術(shù)與模式[M].貴陽:貴州科技出版社,2011.
[5]曹建華,袁道先,童立強(qiáng).中國西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)特征與石漠化綜合治理對(duì)策[J].草業(yè)科學(xué),2008(9):40-50.
[6]龐世龍,歐芷陽,申文輝,等.廣西喀斯特地區(qū)不同植被恢復(fù)模式土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(7):60-66.
[7]鐘杰,蔣新革,吳立潮,等.石漠化演替過程中土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(7):56-61.
[8]孫泉忠.貴州省石漠化綜合治理人工種草土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(9):94-97.
[9]王建鋒.重慶石漠化丘陵區(qū)耕層土壤養(yǎng)分空間變異性研究及肥力綜合評(píng)價(jià)[D].重慶：西南大學(xué),2010.
[10]舒英格,何騰兵,高雪,等.喀斯特山區(qū)縣域耕地土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(8):112-115.
[11]熊康寧,李晉,龍明忠.典型喀斯特石漠化治理區(qū)水土流失特征與關(guān)鍵問題[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(7):878-888.
[12]熊平生,袁道先,謝世友.我國南方巖溶山區(qū)石漠化基本問題研究進(jìn)展[J].中國巖溶,2010,29(4):355-362.
[13]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.
[14]Doran J W, Parkin T B. Defining and assessing soil quality[M]. Madison, Wisconsin, USA： Soil Science Society of American, Inc, 1994.
[15]李婕羚,李朝嬋,胡繼偉,等.典型喀斯特山區(qū)無籽刺梨基地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2017,24(1):54-59.
[16]王建國,楊林章,單艷紅.模糊數(shù)學(xué)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].土壤學(xué)報(bào),2001,38(2):176-183.
[17]周瑋,周運(yùn)超.花江峽谷喀斯特區(qū)土壤質(zhì)量?jī)煞N定量評(píng)價(jià)方法研究[J].中國巖溶,2009,28(3):313-318.
[18]司彬,姚小華,任華東,等.黔中喀斯特植被恢復(fù)演替過程中土壤理化性質(zhì)研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(6):1122-1125.
[19]楊吉華,張永濤,高祥偉,等.封山育林提高森林蓄水保土效益的研究[J].水土保持研究,2001,8(3):2-5,54.
[20]張偉,陳洪松,王克林,等.種植方式和裸巖率對(duì)喀斯特洼地土壤養(yǎng)分空間分異特征的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(7):1459-1463.
[21]周濤,戴全厚,吳秀芹,等.喀斯特山區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分效應(yīng)及評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2011,18(6):71-74.
[22]王濟(jì),蔡雄飛,雷麗,等.不同裸巖率下我國西南喀斯特山區(qū)土壤侵蝕的室內(nèi)模擬[J].中國巖溶,2010,29(1):1-5.
[23]盛茂銀,劉洋,熊康寧.中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6303-6313.
[24]楊蘇茂,熊康寧,喻陽華,等.我國喀斯特石漠化地區(qū)林草植被恢復(fù)模式的診斷與調(diào)整[J].世界林業(yè)研究,2017，30(3):91-96.
[25]廖洪凱,龍健,李娟,等.花椒(Zanthoxylumbungeamun)種植對(duì)喀斯特山區(qū)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015(1):106-113.
猜你喜歡
貴州省北盤江流域喀斯特石漠化變化特征及治理成效分析長江科學(xué)院院報(bào)(2023年8期)2023-08-29 07:05:22 云南省石漠化土地利用現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià)內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)(2021年2期)2021-06-29 02:38:12 蘋果最佳養(yǎng)分管理技術(shù)落葉果樹(2021年6期)2021-02-12 01:28:54 大自然的鬼斧神工：“中國南方喀斯特”閱讀(低年級(jí))(2020年8期)2020-11-06 06:23:19 養(yǎng)分文苑(2020年12期)2020-04-13 00:54:10 “別有洞天”的喀斯特王國鄉(xiāng)村地理(2019年2期)2019-11-16 08:49:32 年輕時(shí)的流浪，是一生的養(yǎng)分海峽姐妹(2019年1期)2019-03-23 02:42:46 喀斯特
————水溶蝕巖石的奇觀家教世界(2019年4期)2019-02-26 13:44:20 典型巖溶區(qū)不同水土流失強(qiáng)度區(qū)石漠化特征分析中國水土保持(2018年11期)2018-11-06 11:52:38 石漠化治理存在問題及對(duì)策——以廣西為例學(xué)術(shù)論壇(2016年5期)2016-05-17 05:44:46
肖 杰, 熊康寧, 顧再柯, 王 琦, 李開萍
(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽 550001;2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)總站, 貴陽 550001)
了解土壤的養(yǎng)分狀況,不僅反映植被恢復(fù)模式對(duì)土壤的響應(yīng)，同時(shí)為培肥土壤提供參考依據(jù)[1]，更是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的研究熱門內(nèi)容。尤其在石漠化地區(qū)基于生態(tài)脆弱性的自然環(huán)境為背景的條件下，受到人類不合理改造自然的活動(dòng)，產(chǎn)生人地矛盾尖銳、土地質(zhì)量嚴(yán)重衰退、地表水土流失和地下土壤漏失耦合作用，加劇了植被生境被破壞與碳酸鹽巖大面積的裸露，在地表形成類似于荒漠化景觀的生態(tài)環(huán)境退化演變過程[2]。石漠化治理中有國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)或?qū)W者提出了不同植被恢復(fù)為主的生態(tài)修復(fù)方式，而應(yīng)用于石漠化治理研究[3-4]，其中植被和土壤分別作為石漠化治理的根本和關(guān)鍵因子[5]。為研究土壤養(yǎng)分狀況，針對(duì)土壤養(yǎng)分定性評(píng)價(jià)的缺陷,而采取客觀的定量評(píng)價(jià)可彌補(bǔ)定性評(píng)價(jià)的不足。因而，與之有關(guān)的成果就土壤養(yǎng)分定量評(píng)價(jià)的研究主要集中于以最小數(shù)據(jù)集的確立進(jìn)行評(píng)價(jià)植被恢復(fù)下的土壤質(zhì)量[6]；研究石漠化演替過程中土壤肥力而運(yùn)用主成分分析評(píng)價(jià)[7]；運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重，評(píng)價(jià)石漠化治理人工種草土壤肥力[8]；采取模糊數(shù)學(xué)的方法分別評(píng)價(jià)了石漠化治理區(qū)耕作層和縣域尺度的耕地土壤養(yǎng)分狀況[9-10]等方面，上述的研究均表現(xiàn)為評(píng)價(jià)單一研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，對(duì)于不同地貌研究區(qū)與不同等級(jí)石漠化的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)和對(duì)比的研究較為罕見。
土壤養(yǎng)分的分布與累積及其含量的高低，受制于生態(tài)系統(tǒng)過程和植物分布、植物歸還土壤養(yǎng)分再平衡與生物活動(dòng)的影響，以植被恢復(fù)為紐帶的土壤養(yǎng)分是反映生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)的狀況指標(biāo)之一。在喀斯特石漠化地區(qū)采取的石漠化治理模式以植被恢復(fù)為主，其中包含退耕還林(草)、封山育林、經(jīng)果林栽培等措施進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建，這些過程因不同地貌、不同等級(jí)石漠化，以及不同植被恢復(fù)的模式構(gòu)成的土壤環(huán)境條件下，土壤養(yǎng)分的豐缺亟待探明和對(duì)比，對(duì)石漠化治理與生態(tài)環(huán)境重建恢復(fù)研究的延伸具有重要的意義。
因此，本文選取能夠代表不同等級(jí)石漠化的喀斯特高原山地畢節(jié)撒拉溪朝營小流域與高原峽谷關(guān)嶺—貞豐交界頂壇小流域石漠化治理示范區(qū)為研究區(qū)。上述兩個(gè)石漠化治理示范區(qū)均在全球熱帶—亞熱帶氣候帶下喀斯特地貌最為典型的分布區(qū)中心，同時(shí)也處于中國南方喀斯特的中心?；诖?，站在前人的研究視角下[5,11-12]對(duì)石漠化治理區(qū)進(jìn)行透視，依據(jù)石漠化治理區(qū)以碳酸鹽巖為基礎(chǔ)的地質(zhì)條件和發(fā)展骨架的地貌支撐，在空間上構(gòu)成石漠化演化和治理方式的異同。選擇不同地貌與不同等級(jí)石漠化治理模式地為研究對(duì)象，通過最小數(shù)據(jù)集科學(xué)有效地篩選土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期揭示石漠化治理區(qū)高原山地與高原峽谷、不同等級(jí)石漠化下治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況和水平?？陀^反映該地區(qū)不同地貌與不同等級(jí)石漠化下治理模式的土壤養(yǎng)分的現(xiàn)狀，為同氣候帶下的石漠化地區(qū)小流域綜合治理方式上，對(duì)土壤養(yǎng)分培育和改良、生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)提供一定數(shù)據(jù)支撐和思路參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
探討評(píng)價(jià)不同地貌研究區(qū)和不同等級(jí)石漠化治理模式地的土壤養(yǎng)分整體狀況與水平，應(yīng)充分考慮典型的石漠化治理示范區(qū)在石漠化程度、石漠化景觀類型、植被覆蓋率、治理恢復(fù)類型和植被類型等自然地理的要素信息(表1)，因此本文選擇兩個(gè)頗具典型性喀斯特地貌的石漠化區(qū)域，潛在—輕度等級(jí)石漠化區(qū)畢節(jié)撒拉溪朝營小流域、中度—強(qiáng)度等級(jí)石漠化區(qū)關(guān)嶺—貞豐花江頂壇小流域，分別代表高原山地與高原峽谷地貌，其中前者位于貴州省西北部(圖1)，畢節(jié)市六沖河流域支流區(qū)內(nèi)，經(jīng)緯度為東經(jīng)105°02′—105°08′，北緯27°11′—27°16′。該地區(qū)石漠化等級(jí)以潛在—輕度等級(jí)的石漠化為主，潛在與輕度等級(jí)石漠化占石漠化面積的53.17%，中度與強(qiáng)度等級(jí)石漠化占石漠化面積的11.66%，小流域內(nèi)裸巖分布于較陡的坡地上，裸露部分較少且伴有殘土覆蓋。境內(nèi)分布二疊系灰?guī)r夾白云巖和砂頁巖，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤為地帶性黃壤，少部分分布黃棕壤和風(fēng)化石灰土。氣候與地貌類型為亞熱帶溫涼干旱氣候和喀斯特高原山地。石漠化治理已完成以坡改梯工程等水土保持措施和退耕種植經(jīng)濟(jì)林工作，以防治石漠化的發(fā)生和促進(jìn)土壤養(yǎng)分恢復(fù)。當(dāng)?shù)匦纬傻闹脖活愋椭饕蕴烊灰吧脖淮蟀锥霹N、十大功勞、金絲桃等藤刺灌叢以及少有分布的青岡、通脫木喬木林為主，經(jīng)果林植被則以刺梨、核桃為主。
后者位于貴州省西南部(圖2)，關(guān)嶺縣以南、貞豐縣以北的北盤江花江峽谷南岸，經(jīng)緯度為東經(jīng)105°36′—105°46′，北緯25°39′—25°41′。該地區(qū)石漠化等級(jí)主要為中度—強(qiáng)度等級(jí)石漠化，潛在與輕度等級(jí)石漠化占石漠化面積的9.30%，而中度與強(qiáng)度等級(jí)石漠化占石漠化面積的90.7%，小流域內(nèi)有少量潛在與輕度石漠化分布于臺(tái)地區(qū)域。境內(nèi)分布三疊系白云巖、泥質(zhì)白云巖和頁巖，為流域內(nèi)巖石質(zhì)地構(gòu)造的主要代表。土壤在臺(tái)地部分為黃壤，坡地部分為石灰土。氣候與地貌類型為喀斯特亞熱帶干熱河谷氣候和喀斯特高原峽谷。石漠化治理在早期完成水土保持相關(guān)工程措施，后期為花椒為主的經(jīng)濟(jì)林規(guī)?；N植以促進(jìn)土壤養(yǎng)分恢復(fù)。植被類型主要為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，原生植被均已破壞，現(xiàn)以天然野生植被構(gòu)樹、鐵線蓮和白三葉等灌草叢和經(jīng)果林金銀花、花椒等主要的次生植被為主，以及少有分布的青岡、刺槐、馬尾松為主的喬木林。
表1 研究區(qū)地理要素信息
圖1研究區(qū)Ⅰ區(qū)圖2研究區(qū)Ⅱ區(qū)
1.2 研究方法
首先分別在朝營小流域和頂壇小流域研究區(qū)內(nèi)，于2015年7月根據(jù)不同等級(jí)石漠化劃分標(biāo)準(zhǔn)[4]和野外踏勘的基礎(chǔ)上，選取4種不同等級(jí)石漠化實(shí)施的治理恢復(fù)模式地為研究對(duì)象。在潛在石漠化中，由于兩類研究區(qū)潛在石漠化占石漠化總面積的份額不同以及土壤的厚度不一，朝營小流域多為封山育林治理模式地，頂壇小流域則為農(nóng)林混合治理模式地，兩類研究區(qū)的輕度石漠化為退耕還林治理模式地、中度石漠化為退耕還草治理模式地和強(qiáng)度石漠化為自然恢復(fù)治理模式地?；谑貐^(qū)石多土少的緣故以及土壤覆蓋范圍和厚度，在上述4種模式地基礎(chǔ)上再次劃分潛在—輕度治理模式地各為3個(gè)20 m×20 m的樣地，中度—強(qiáng)度治理模式地各為2個(gè)20 m×20 m的樣地，同時(shí)以S形法在每個(gè)樣地采取深度為0—20 cm的表層土，各取3個(gè)點(diǎn)，所取土樣混合均勻?yàn)? kg土。采集完成后將土樣帶回國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除石塊和雜質(zhì)后使用瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm土壤篩，取得待測(cè)土壤樣品，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分指標(biāo)(表2)，樣品分析方法參見參考文獻(xiàn)[13]，分析測(cè)定土壤樣品數(shù)據(jù)采取針對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行3次平行測(cè)定，結(jié)果取其平均值。
表2 土壤樣品的測(cè)定項(xiàng)目
1.3 數(shù)據(jù)分析
使用Microsoft Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，按照相關(guān)研究的方法[14-15]采用SPSS 19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，在主成分分析中計(jì)算各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)所有特征值≥1的主成分上的載荷值。
1.3.1最小數(shù)據(jù)集確立方法在這里分組的原則是：(1) 篩選同一主成分中載荷值≥0.5的土壤養(yǎng)分指標(biāo)分為一組；(2) 若同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)主成分中均≥0.5的載荷值，則將該土壤指標(biāo)參數(shù)歸入與其他相關(guān)性較低的土壤指標(biāo)參數(shù)為一組。分組完畢后，采用公式(1)分別計(jì)算每組土壤養(yǎng)分指標(biāo)的Norm值，為進(jìn)一步分析所選取指標(biāo)的相關(guān)性，則選取每組的Norm值中最高分值的10%范圍內(nèi)的土壤指標(biāo)，經(jīng)過相關(guān)性分析后，若在矩陣中高度相關(guān)(r>0.5)則按Norm值中最高值的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，完成最終的最小數(shù)據(jù)集的確立。
(1)
式中：Norm值越大,解釋綜合信息的能力越完全，其中Nik表示為第i個(gè)變量在特征值>1的前k個(gè)主成分上的綜合載荷；μik表示為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的載荷值，λik則表示為第i個(gè)變量在第k個(gè)主成分上的特征值。
1.3.2隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化由于影響土壤養(yǎng)分因素很多且處于變化之中，因而各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響是模糊的概念，采取隸屬度函數(shù)[16]計(jì)算獲取相應(yīng)的隸屬度值，以評(píng)價(jià)土壤中各個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的優(yōu)劣。隸屬度函數(shù)還分為以S型和拋物線型兩種類型的隸屬函數(shù)，根據(jù)已篩選進(jìn)入MDS中各土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分的正負(fù)關(guān)聯(lián)度決定各自的隸屬函數(shù)類型。
S型隸屬函數(shù)公式:
(2)
拋物線型隸屬函數(shù)公式：
(3)
式中：各個(gè)養(yǎng)分含量指標(biāo)的最小值與最大值在函數(shù)隸屬度中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為x1和x2。
1.3.3綜合評(píng)價(jià)法的計(jì)算本文采取加權(quán)求和法[17]選擇建立綜合評(píng)價(jià)模型來完成對(duì)頂壇小流域土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)，此方法是基于模糊數(shù)學(xué)中加權(quán)求和法，是將評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為0.1～1.0數(shù)值，便于不同區(qū)域土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行比較，讓研究的評(píng)價(jià)結(jié)果更為直觀，其中評(píng)價(jià)的數(shù)值越大，代表著土壤養(yǎng)分越豐富。
加權(quán)求和公式：
(4)
式中：Wi為權(quán)重，表示主成分分析中第i個(gè)指標(biāo)在其主成分矩陣中的方差貢獻(xiàn)率與特征值大于1的所有主成分矩陣的方差貢獻(xiàn)率總和之比；Ni為進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集中指標(biāo)參數(shù)并依照正負(fù)關(guān)聯(lián)度，計(jì)算后得出的隸屬度值。
2 結(jié)果與分析
2.1 石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征
針對(duì)石漠化植被演替的變化對(duì)土壤理化性質(zhì)構(gòu)成影響，尤其是對(duì)土壤養(yǎng)分含量有上升的作用[18]，本文中表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與顯著性差異表明，在治理模式影響下，朝營小流域潛在石漠化地全氮含量明顯大于輕度和強(qiáng)度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地全磷含量明顯大于中度和強(qiáng)度的石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地有機(jī)質(zhì)含量明顯高于中度和強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)，強(qiáng)度石漠化地速效鉀含量明顯低于潛在和輕度等級(jí)石漠化地(p<0.05)的含量，而其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)在不同等級(jí)石漠化地之間均無顯著性差異。頂壇小流域土壤養(yǎng)分中輕度石漠化地全磷含量顯著高于中度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地有機(jī)質(zhì)含量顯著高于強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)，潛在石漠化地堿解氮含量明顯高于輕度石漠化地(p<0.05)，中度石漠化地速效鉀顯著高于強(qiáng)度石漠化地(p<0.05)。而其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)在不同等級(jí)石漠化地之間均無顯著性差異。朝營小流域除土壤pH值低于頂壇小流域外，其他養(yǎng)分指標(biāo)均高于頂壇小流域。
2.2 土壤養(yǎng)分最小數(shù)據(jù)集的確定
本文所選取的土壤養(yǎng)分指標(biāo)依次為土壤pH值、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀8個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)在SPSS中進(jìn)行主成分分析，同時(shí)進(jìn)行KMO值和Bartlett球形檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后結(jié)果顯示，KMO=0.709，Sig.=0.001且小于顯著性水平0.05，檢驗(yàn)的結(jié)果所表明適合做主成分分析。
由主成分分析結(jié)果所知，已獲取前3個(gè)均大于1的特征值(表4)，其累積貢獻(xiàn)率為75.540%，并按照上述方法所列出的分組原則進(jìn)行分為3個(gè)組(表5)。兩類小流域的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選指標(biāo)為：土壤pH值、土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤堿解氮、土壤速效鉀。在其中土壤堿解氮與土壤速效鉀、土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)分別屬于PC1，PC4中的多個(gè)高載荷變量因子，按照原則對(duì)上述2組土壤養(yǎng)分指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果顯示(表6)，土壤堿解氮與土壤速效鉀顯著相關(guān)(p<0.01)，對(duì)比其兩者Norm值大小可知：土壤堿解氮<土壤速效鉀，因此，土壤速效鉀進(jìn)入MDS；土壤pH值與土壤全鉀兩者之間無顯著性且為弱相關(guān)，因此兩者均進(jìn)入MDS。最后依據(jù)原則所篩選進(jìn)入MDS的土壤養(yǎng)分指標(biāo)為土壤pH值、土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效鉀4個(gè)指標(biāo)，其中全氮和速效鉀是石漠化治理區(qū)植被恢復(fù)重要限制因子，不僅是影響土壤養(yǎng)分的有效性，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標(biāo)，土壤pH值是影響植物根系吸收土壤中氮素而維持自身電荷平衡，土壤有機(jī)質(zhì)為植物生長和促進(jìn)其根系發(fā)育以便植物吸收養(yǎng)分而發(fā)揮作用。
表3 兩種石漠化治理區(qū)不同治理模式地及整體土壤養(yǎng)分含量
注：相同字母表示無顯著差異，不同字母表示具有顯著差異(p<0.05)。
表4 前4個(gè)均大于1的特征值
表5 土壤養(yǎng)分的各個(gè)主成分載荷矩陣
表6 同一主成分中多個(gè)高載荷變量因子相關(guān)性分析
注：**表示p<0.01。
2.3 石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)
石漠化治理模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響屬于模糊性的概念，為此建立土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，達(dá)到量綱標(biāo)準(zhǔn)歸一化。因此，將進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行隸屬度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中土壤pH值在土壤環(huán)境中屬于一個(gè)穩(wěn)定范圍，其范圍過高或過低對(duì)土壤產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，因而屬于拋物線型函數(shù)；而土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀對(duì)土壤養(yǎng)分有正效應(yīng)作用，屬于S型函數(shù)。因此依據(jù)正負(fù)效應(yīng)指標(biāo)的不同分別代入公式(2)—(3)中得出隸屬度值，其權(quán)重系數(shù)則由上述方法得出(表7)。
表7 土壤養(yǎng)分隸屬函數(shù)與權(quán)重值
結(jié)合上述的隸屬度值和采取綜合評(píng)價(jià)法對(duì)朝營小流域與頂壇小流域土壤養(yǎng)分進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)為0.1～1.0的數(shù)值，以示評(píng)價(jià)結(jié)果更易區(qū)分和直觀，便于不同地貌與不同等級(jí)石漠化的治理模式地進(jìn)行對(duì)比。將所求的隸屬度值與權(quán)重系數(shù)代入公式(4)中求出了不同地貌與不同等級(jí)石漠化治理模式地的評(píng)價(jià)分值(表8)。
表8 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值
3 討論與結(jié)論
3.1 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集
根據(jù)Norm值和分組原則確立了土壤pH值、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀等指標(biāo)入選土壤養(yǎng)分的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系，不僅是影響土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的指標(biāo)，而且是植物生長所需主要土壤養(yǎng)分的指標(biāo)。說明這4項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)無冗余能夠代表石漠化治理區(qū)的土壤養(yǎng)分特性。此外，本文研究所取土壤養(yǎng)分指標(biāo)較少，下一步可細(xì)化增進(jìn)可供選擇的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行參評(píng)，豐富評(píng)價(jià)石漠化地區(qū)參評(píng)指標(biāo)體系，以便更全面反饋評(píng)價(jià)結(jié)果。
3.2 不同等級(jí)石漠化地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)
由土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值可知，朝營小流域土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)分值，呈現(xiàn)隨石漠化程度加深，土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值遞減趨勢(shì)。其中潛在石漠化地為最高，受石漠化治理中封山育林模式影響，促進(jìn)林下灌草叢恢復(fù)和林地枯落物的增加，有利于枯落物腐敗加速土壤養(yǎng)分的累積[19]，因此土壤評(píng)價(jià)分值相對(duì)較高。退耕地和裸巖溶蝕凹槽對(duì)土壤養(yǎng)分有重要影響[20]，該研究區(qū)因坡耕地較多，退耕后在輕度、中度石漠化地廣泛栽種以刺梨核桃為主的經(jīng)果林和紫花苜宿、鴨茅等牧草。對(duì)土壤減少翻耕和土壤養(yǎng)分的破壞有積極性的作用；據(jù)實(shí)地觀測(cè)朝營小流域強(qiáng)度石漠化地僅限于較陡的坡地且分布范圍較小，裸巖覆蓋地衣與苔蘚等初級(jí)植物，受流水侵蝕與運(yùn)移作用往往在石槽下部蓄積土壤，有利于土壤養(yǎng)分在溶蝕凹槽中累積。此外，單一的植被配置方式，缺少一定數(shù)量枯落物的輸入，構(gòu)成牧草種植的中度石漠化地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值低于刺梨為主的經(jīng)濟(jì)林輕度石漠化地。
而頂壇小流域表現(xiàn)為輕度土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值高于潛在土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值，出現(xiàn)中度向強(qiáng)度遞減的趨勢(shì)。說明頂壇小流域?yàn)閷?shí)施退耕還林(草)的工作開展已有多年，退耕地的退耕時(shí)間與土壤養(yǎng)分累積有正相關(guān)關(guān)系[21]。該地廣泛種植花椒、金銀花等經(jīng)濟(jì)林和構(gòu)樹、鐵線蓮、白三葉等灌草叢植物，因其在一定程度上鞏固水土減輕土壤養(yǎng)分流失，同時(shí)枯落物的蓄積還具有腐敗分解其形成土壤養(yǎng)分的作用，為石漠化進(jìn)一步惡化降低了可能性。潛在石漠化地受除草、施肥及農(nóng)耕翻種玉米、花生等作物等因素影響導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量低于輕度、中度石漠化退耕還林(草)地。此外，該地石槽中土壤厚度較厚的地方有花椒以及少量分布構(gòu)樹等天然灌叢生長，這主要受裸露的巖石含有節(jié)理、裂隙吸收了降雨，攔截了一定的坡面產(chǎn)流的速度和土壤蓄積的影響[22]，加之大氣沉降養(yǎng)分與裸巖受喀斯特溶蝕風(fēng)化產(chǎn)物，在這些石質(zhì)凹槽處下的土壤中蓄積形成植物有關(guān)[23]。
3.3 不同地貌區(qū)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)對(duì)比
兩類研究區(qū)綜合評(píng)價(jià)分值表明，朝營小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏上水平(0.673)，而頂壇小流域土壤養(yǎng)分處于中等偏下水平(0.478)。該評(píng)價(jià)分值與朝營小流域和頂壇小流域?qū)嶋H土壤養(yǎng)分狀況較為符合。
針對(duì)朝營小流域而言，其處于夷平面為核心組成的高原區(qū)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升地勢(shì)起伏高，河流侵蝕作用較弱，為貴州喀斯特溶蝕作用滯后發(fā)育區(qū)。該地土被較為連續(xù)，土層較厚且發(fā)育土壤為黃壤、黃棕壤為主，石質(zhì)荒漠化景觀均出現(xiàn)在較陡坡地且范圍較小，整體上石漠化程度以潛在—輕度為主?；诖?，該小流域既采取退耕還林模式種植刺梨與核桃，同時(shí)引進(jìn)草食畜牧業(yè)以種植飼用牧草等措施減輕水土流失，從而改善土壤增進(jìn)土壤養(yǎng)分的累積。使朝營小流域在土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值高于頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值。
與朝營小流域?qū)Ρ?，頂壇小流域處于坡降大、水流急而深切的峽谷區(qū)，受山區(qū)性河流影響侵蝕作用強(qiáng)且地表更為崎嶇破碎，為貴州喀斯特溶蝕重置發(fā)育區(qū)。因該地在更早時(shí)期出現(xiàn)人地矛盾尖銳，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重和石質(zhì)荒漠化景觀遍布廣，石漠化程度形成以中度—強(qiáng)度為主。遍布的裸巖下形成土被不連續(xù)、土壤層薄，分布非地帶性石灰土，小范圍的洼地、臺(tái)地有較厚土層且發(fā)育黃壤土。小流域內(nèi)多年退耕恢復(fù)生態(tài)效果較好，尤其是種植花椒帶來植被覆蓋率和生態(tài)效益的提升。由于花椒為當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)林品種，相比金銀花和砂仁等藥用植物有很大的范圍種植，個(gè)別退耕還林時(shí)間長的高樹齡花椒改良土壤作用趨弱、生產(chǎn)管理不善和水肥供應(yīng)不力構(gòu)成立地衰退型[24-25]，從而對(duì)頂壇小流域土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)分值構(gòu)成影響。
盡管朝營小流域與頂壇小流域在土壤養(yǎng)分上存有差異，本文研究還注意到兩類研究區(qū)的綜合評(píng)價(jià)分值均低于有關(guān)研究[10]在喀斯特山區(qū)耕地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)分值(0.744)，這在一定程度上反映當(dāng)前石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分還有上升的空間，常年的石漠化治理進(jìn)行植被恢復(fù)所帶來的生態(tài)效益是較顯著的，但在追求以植被覆蓋為量的同時(shí)忽略對(duì)以土壤養(yǎng)分為質(zhì)的培育和改良，這既是石漠化加速植被演替工作出現(xiàn)的缺陷之一，同時(shí)也是石漠化治理區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足與滯后，而亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
參考文獻(xiàn)：
[1]龍健,鄧啟瓊,江新榮,等.貴州喀斯特石漠化地區(qū)土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量恢復(fù)能力的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(12):3188-3195.
[2]熊康寧,黎平,周忠發(fā),等.喀斯特石漠化的遙感—GIS典型研究:以貴州省為例[M].北京:地質(zhì)出版社,2002.
[3]國家林業(yè)局防治荒漠化管理中心,國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院.石漠化綜合治理模式[M].北京:中國林業(yè)出版社,2012.
[4]熊康寧,陳永畢,陳起偉,等.點(diǎn)石成金：貴州石漠化防治技術(shù)與模式[M].貴陽:貴州科技出版社,2011.
[5]曹建華,袁道先,童立強(qiáng).中國西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)特征與石漠化綜合治理對(duì)策[J].草業(yè)科學(xué),2008(9):40-50.
[6]龐世龍,歐芷陽,申文輝,等.廣西喀斯特地區(qū)不同植被恢復(fù)模式土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(7):60-66.
[7]鐘杰,蔣新革,吳立潮,等.石漠化演替過程中土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(7):56-61.
[8]孫泉忠.貴州省石漠化綜合治理人工種草土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(9):94-97.
[9]王建鋒.重慶石漠化丘陵區(qū)耕層土壤養(yǎng)分空間變異性研究及肥力綜合評(píng)價(jià)[D].重慶：西南大學(xué),2010.
[10]舒英格,何騰兵,高雪,等.喀斯特山區(qū)縣域耕地土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(8):112-115.
[11]熊康寧,李晉,龍明忠.典型喀斯特石漠化治理區(qū)水土流失特征與關(guān)鍵問題[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(7):878-888.
[12]熊平生,袁道先,謝世友.我國南方巖溶山區(qū)石漠化基本問題研究進(jìn)展[J].中國巖溶,2010,29(4):355-362.
[13]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.
[14]Doran J W, Parkin T B. Defining and assessing soil quality[M]. Madison, Wisconsin, USA： Soil Science Society of American, Inc, 1994.
[15]李婕羚,李朝嬋,胡繼偉,等.典型喀斯特山區(qū)無籽刺梨基地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2017,24(1):54-59.
[16]王建國,楊林章,單艷紅.模糊數(shù)學(xué)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].土壤學(xué)報(bào),2001,38(2):176-183.
[17]周瑋,周運(yùn)超.花江峽谷喀斯特區(qū)土壤質(zhì)量?jī)煞N定量評(píng)價(jià)方法研究[J].中國巖溶,2009,28(3):313-318.
[18]司彬,姚小華,任華東,等.黔中喀斯特植被恢復(fù)演替過程中土壤理化性質(zhì)研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(6):1122-1125.
[19]楊吉華,張永濤,高祥偉,等.封山育林提高森林蓄水保土效益的研究[J].水土保持研究,2001,8(3):2-5,54.
[20]張偉,陳洪松,王克林,等.種植方式和裸巖率對(duì)喀斯特洼地土壤養(yǎng)分空間分異特征的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(7):1459-1463.
[21]周濤,戴全厚,吳秀芹,等.喀斯特山區(qū)退耕還林地土壤養(yǎng)分效應(yīng)及評(píng)價(jià)[J].水土保持研究,2011,18(6):71-74.
[22]王濟(jì),蔡雄飛,雷麗,等.不同裸巖率下我國西南喀斯特山區(qū)土壤侵蝕的室內(nèi)模擬[J].中國巖溶,2010,29(1):1-5.
[23]盛茂銀,劉洋,熊康寧.中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6303-6313.
[24]楊蘇茂,熊康寧,喻陽華,等.我國喀斯特石漠化地區(qū)林草植被恢復(fù)模式的診斷與調(diào)整[J].世界林業(yè)研究,2017，30(3):91-96.
[25]廖洪凱,龍健,李娟,等.花椒(Zanthoxylumbungeamun)種植對(duì)喀斯特山區(qū)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015(1):106-113.
猜你喜歡
長江科學(xué)院院報(bào)(2023年8期)2023-08-29 07:05:22
內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)(2021年2期)2021-06-29 02:38:12
落葉果樹(2021年6期)2021-02-12 01:28:54
閱讀(低年級(jí))(2020年8期)2020-11-06 06:23:19
文苑(2020年12期)2020-04-13 00:54:10
鄉(xiāng)村地理(2019年2期)2019-11-16 08:49:32
海峽姐妹(2019年1期)2019-03-23 02:42:46
————水溶蝕巖石的奇觀
家教世界(2019年4期)2019-02-26 13:44:20
中國水土保持(2018年11期)2018-11-06 11:52:38
學(xué)術(shù)論壇(2016年5期)2016-05-17 05:44:46
