趙川，和麗萍，李貴祥，柴勇，邵金平

(云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650201)

土壤質(zhì)量是近年來土壤科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，是土壤在生態(tài)系統(tǒng)界面內(nèi)維持生產(chǎn)、保障環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動物和人類健康行為的能力[1]。土壤質(zhì)量是土壤物理、化學(xué)和生物等性質(zhì)共同作用的結(jié)果，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體現(xiàn)[2-3]。土壤質(zhì)量指標(biāo)則是土壤屬性的外在量度，由于目前對各種土壤屬性與功能之間的關(guān)系，以及形成各種土壤屬性的過程機(jī)理等問題尚未十分明確，土壤質(zhì)量評價(jià)體系仍無明確標(biāo)準(zhǔn)，土壤質(zhì)量的研究仍然只是從不同角度進(jìn)行嘗試。目前國內(nèi)外學(xué)者采用的土壤質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)體系不盡一致，可根據(jù)不同的土壤和不同的評價(jià)目的，選擇不同的評價(jià)指標(biāo)體系。研究不同恢復(fù)模式下的土壤質(zhì)量狀態(tài)，并進(jìn)行綜合評價(jià)，不僅是深化發(fā)展土壤學(xué)科的需要，還可為實(shí)現(xiàn)維持和提高礦區(qū)植被恢復(fù)土壤生產(chǎn)力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

昆陽磷礦是我國著名的大型露天磷礦石生產(chǎn)基地，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。但多年來對礦產(chǎn)資源的大量開采給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。20世紀(jì)80年代以來，項(xiàng)目組在該區(qū)開展了植物材料選擇、土壤改良、水土流失控制以及配套措施等方面的研究，取得了一系列的技術(shù)成果，項(xiàng)目的推廣實(shí)施能夠有效改善礦山廢棄地對生態(tài)環(huán)境帶來的不良影響，解決植被覆蓋的問題，有效降低水土流失，改善礦山生態(tài)環(huán)境，為云南省礦山廢棄地植被生態(tài)恢復(fù)提供了支撐[4-9]。為探究植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量的響應(yīng)，本文以昆陽磷礦廢棄地7種植被恢復(fù)模式的土壤為研究對象，非線性隸屬函數(shù)法確定各指標(biāo)隸屬度值，采用綜合指數(shù)法和加權(quán)求和法對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，為進(jìn)一步加快磷礦廢棄地修復(fù)進(jìn)程、提高土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇在云南磷化集團(tuán)有限公司所屬的經(jīng)過礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程實(shí)施后的昆陽磷礦廢棄地人工植被恢復(fù)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)位于距省會昆明70km的晉寧縣昆陽鎮(zhèn)三家村(24° 12′23″-24° 12′58″N ，103°31′10″-103°34′48″E)，礦山有多條公路和鐵路與外界相連，交通運(yùn)輸十分便捷。試驗(yàn)區(qū)海拔1 860-2 482.6m，屬干濕季分明的亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，最高溫31.4℃，最低溫6.2℃。年均降雨量901.4mm，最大1 172.1mm，最小628.2mm，每年5-10月為雨季(占全年降雨量的87%)。礦區(qū)內(nèi)土壤主要為紅壤及沖積土。

礦區(qū)周圍自然植被類型為亞熱帶西部半濕性常綠闊葉林，代表性植被有滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)林、高山栲(Castanopsisdelavayi)林、元江栲(C.orthacantha)林等。目前，受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，區(qū)域內(nèi)原生植被已很少，取而代之的是各種次生植被、人工林，如云南松(Pinusyunnanensis)次生林、華山松(P.armandi)林、由落葉灌木山柳(Clethrabarbinervis)和榛子(Corylusheterophylla)、杜鵑(Rhododendronsimsii& R.spp.)、水紅木(Viburnumcylindricum)、楊梅(Myricarubra)等組成的灌叢及稀樹灌草叢等[10-11]。

1.2 樣品采集與分析

昆陽磷礦山廢棄地于2005年進(jìn)行覆土碾壓，覆土以采場剝離表土(紅壤)、白云巖、黑頁巖和風(fēng)化巖石混合而成。覆土厚度30-60cm，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)林營建，目前，形成了7種典型的植被類型，分別是藍(lán)桉(Eucalyptusglobulus)林、直干桉(E.maideni)林、圣誕樹(Acaciadealbata)林、藏柏(Cupressustorulosa)林、栓皮櫟(Quercusvariabilis)林、旱冬瓜林(Alnusnepalensis)、旱冬瓜+圣誕樹林。于2015年7月進(jìn)行群落調(diào)查和土壤樣品采集，以廢棄地(尚未采取任何植被恢復(fù)措施的區(qū)域)作為對照，在各人工林分內(nèi)有代表性的地段，設(shè)置3個(gè)20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)固定樣地，對樣地內(nèi)喬木進(jìn)行每木檢尺(表1)。在每個(gè)樣地內(nèi)分別按對角線隨機(jī)布設(shè)3個(gè)點(diǎn)，挖取土壤剖面，并按0-20cm深度取混合土樣，用于室內(nèi)化學(xué)分析，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)取3個(gè)樣作為平行，混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室備用?；谘芯繀^(qū)土壤的形成特點(diǎn)以及群落特性，選取pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀5項(xiàng)因子構(gòu)建土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)。

本研究依據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[12]對土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀進(jìn)行測定。

表1 樣地基本情況表Tab.1 The basic characteristics of the sample plots

1.3 土壤質(zhì)量評價(jià)方法

1.3.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重是一個(gè)相對的概念，針對某一指標(biāo)而言。某一指標(biāo)的權(quán)重是指該指標(biāo)在整體評價(jià)中的相對重要程度。權(quán)重要從若干評價(jià)指標(biāo)中分出輕重來，一組評價(jià)指標(biāo)體系相對應(yīng)的權(quán)重組成了權(quán)重體系。指標(biāo)權(quán)重是某一指標(biāo)在土壤質(zhì)量水平中作用大小的體現(xiàn)。本研究評價(jià)指標(biāo)權(quán)重采用相關(guān)系數(shù)法確定[13-14]。

1.3.2 隸屬度的確定

隸屬度屬于模糊評價(jià)函數(shù)里的概念。模糊綜合評價(jià)是對受多種因素影響的事物做出全面評價(jià)的一種十分有效的多因素決策方法，其特點(diǎn)是評價(jià)結(jié)果不是絕對地肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來表示。由于土壤特性的空間變異性和對土壤質(zhì)量的影響模糊，隸屬度值的大小可以反映各評價(jià)指標(biāo)對土壤質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)率，使其具有可比性[3]。

利用隸屬度函數(shù)來計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度來表示各評價(jià)因子的狀態(tài)值是目前比較常用的方法。根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況和函數(shù)的意義，使用以下2種隸屬函數(shù)來計(jì)算[14]。

根據(jù)以上2種隸屬度函數(shù)的意義，本研究中的有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀都屬于第一種函數(shù)(升半梯形分布的隸屬度函數(shù))；pH屬于第二種函數(shù)(梯形分布的隸屬度函數(shù))。

綜合已有的研究結(jié)果[4-5,8]，并參考第二次全國土壤普查養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[15]，再結(jié)合研究區(qū)土壤實(shí)際情況，確定各評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線的拐點(diǎn)值，見表2。

表2 隸屬度函數(shù)曲線中評價(jià)指標(biāo)的拐點(diǎn)值Tab.2 Values of the turning points of evaluation indicator in membership function curves

1.3.3 土壤質(zhì)量綜合評價(jià)模型

根據(jù)各指標(biāo)得隸屬度和權(quán)重，計(jì)算各個(gè)恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分質(zhì)量指數(shù)值,NQI=∑WiNi⑤,式中，Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Ni為第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Spss 11.5軟件、Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分特征

不同植被恢復(fù)模式下土壤養(yǎng)分特征分析見表3。

根據(jù)全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]，將土壤養(yǎng)分含量分為以下6個(gè)級別(表4)。

表3 不同植被恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分特征Tab.3 Fertility characteristics of soil in different vegetation restoration types

表4 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Classification standard of the soil nutrient

表3、表4結(jié)果顯示，研究區(qū)7種植被恢復(fù)模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，其中，藍(lán)桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的有機(jī)質(zhì)含量為豐，直干桉(38.28g/kg)為稍豐，藏柏林(17.03g/kg)為稍缺；土壤速效氮含量和有機(jī)質(zhì)含量相對應(yīng)，藍(lán)桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的速效氮含量為豐，直干桉(102.58mg/kg)為中等，藏柏林(68.31mg/kg)為稍缺；土壤速效磷含量整體為豐，這是由于在植被恢復(fù)初期，覆土直接采用采場剝離表土和白云巖、黑頁巖的混合土，磷含量本來就很高；旱冬瓜+圣誕樹林的速效鉀含量最高(239.21mg/kg)，其次為藏柏林(228.64mg/kg)、栓皮櫟林(212.32mg/kg)，均達(dá)到了豐級，藍(lán)桉林(152.64mg/kg)為稍豐，圣誕樹林(127.63mg/kg)為中等，直干桉(87.04mg/kg)、旱冬瓜林(90.53mg/kg)為稍缺。礦區(qū)廢棄地土壤為弱酸性，經(jīng)植被恢復(fù)后，7種植被類型土壤pH均顯著增加，其中，藍(lán)桉林pH達(dá)到了6.91，趨于中性。由此可見，植被恢復(fù)對土壤的養(yǎng)分含量均有顯著提高。

2.2 不同植被恢復(fù)模式土壤的質(zhì)量綜合評價(jià)

2.2.1 確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

據(jù)上述公式對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5。從表5可以看出，有機(jī)質(zhì)含量的權(quán)重最大，速效氮和速效鉀次之，且含量相近，凸顯了土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效鉀3個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的作用。

表5 不同土壤特性的平均相關(guān)系數(shù)及權(quán)重Tab.5 Average correlation coefficients and weights of different soul characteristics

2.2.2 以隸屬度函數(shù)確定隸屬度

隸屬度無單位，取值范圍在0-1之間，在同等情況下隸屬度值越大，表示土壤指標(biāo)值越大。根據(jù)雷達(dá)圖屬性坐標(biāo)點(diǎn)的幾何意義：離原點(diǎn)越遠(yuǎn)狀態(tài)越好，各屬性坐標(biāo)點(diǎn)圍成的多邊形區(qū)域面積越大，評價(jià)對象的整體狀態(tài)越好。圖1顯示，pH的隸屬函數(shù)值最小，速效鉀次之，表明pH和速效鉀對土壤質(zhì)量的作用分值較小，是影響該研究區(qū)土壤質(zhì)量的限制性因子之一。7種植被類型的速效氮隸屬度函數(shù)值在0.16-1.0之間，處于中間狀態(tài)；有機(jī)質(zhì)的隸屬度函數(shù)值在0.28-1.0之間，含量較為豐富；速效磷相比廢棄地pH隸屬度函數(shù)值(為0.1)大大增加，在0.46-1.0之間，含量豐富。從各屬性坐標(biāo)點(diǎn)圍成的多邊形面積可看出，廢棄地最小，7種植被類型的面積明顯大于廢棄地面積，說明植被恢復(fù)后的土壤質(zhì)量大大提高。

2.2.3 土壤質(zhì)量綜合評價(jià)

表6為土壤各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與其隸屬度分別加權(quán)求和得出的不同植被恢復(fù)模式土壤質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果。

圖1 土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)雷達(dá)圖Fig.1 Radar plot of membership function values of soil quality evaluation indicator

表6 不同恢復(fù)模式土壤質(zhì)量指數(shù)值Tab.6 Soil quality appraisal index in different vegetation restoration types

從表6可看出，土壤養(yǎng)分質(zhì)量較好的是旱冬瓜+圣誕樹林，7種植被類型的土壤養(yǎng)分質(zhì)量指數(shù)均顯著高于廢棄地土壤。大小依次為旱冬瓜+圣誕樹林>栓皮櫟林>藍(lán)桉林>圣誕樹林>旱冬瓜林>直干桉林>藏柏林>廢棄地。本研究根據(jù)隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值，將土壤綜合質(zhì)量(NQI)分為4個(gè)等級，優(yōu)(0.8-1.0)、良(0.6-0.8)、中等(0.4-0.6)、差(0.2-0.4)。從分析結(jié)果可看出，旱冬瓜+圣誕樹林和栓皮櫟林的質(zhì)量指數(shù)都大于0.8，說明這2種林分的表層土壤質(zhì)量較優(yōu)；藍(lán)桉林和圣誕樹林的質(zhì)量指數(shù)在0.6-0.8之間，說明此2種林分的綜合質(zhì)量良好，旱冬瓜林、直干桉林和藏柏林的綜合質(zhì)量處于中等水平，各個(gè)植被恢復(fù)林分的綜合質(zhì)量都顯著高于廢棄地未恢復(fù)土壤質(zhì)量。

3 結(jié)論與討論

昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復(fù)林地的土壤養(yǎng)分含量差異顯著，土壤質(zhì)量變異較大。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)桉林、圣誕樹林、栓皮櫟林、旱冬瓜林、旱冬瓜+圣誕樹林的有機(jī)質(zhì)含量為豐，直干桉為稍豐，藏柏林稍缺；土壤速效氮含量和有機(jī)質(zhì)含量相對應(yīng)；土壤速效磷含量整體為豐；旱冬瓜+圣誕樹林、藏柏林及栓皮櫟林的速效鉀含量均達(dá)到了豐級，藍(lán)桉林為稍豐，圣誕樹林中等，直干桉、旱冬瓜林為稍缺。礦區(qū)廢棄地土壤為弱酸性，經(jīng)植被恢復(fù)后，7種植被類型土壤pH均顯著增加，其中，藍(lán)桉林pH達(dá)到了6.91，趨于中性。由此可見，經(jīng)過植被恢復(fù)，各試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分含量均顯著提高。

本研究采用相關(guān)系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，以隸屬函數(shù)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15]，采用指數(shù)法對昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復(fù)模式土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。評價(jià)結(jié)果顯示，昆陽磷礦礦區(qū)廢棄地不同恢復(fù)模式土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.516 8-0.835 6之間，以旱冬瓜+圣誕樹林的質(zhì)量指數(shù)最高(0.835 6)，是未恢復(fù)的廢棄地(0.389 2)的2.15倍，增長率為114.70%，栓皮櫟林、藍(lán)桉林、圣誕樹林、旱冬瓜林、直干桉林及藏柏林分別是廢棄地的2.14倍、2.04倍、1.90倍、1.76倍、1.46倍及1.33倍，增長率分別達(dá)到了113.98%、103.80%、89.75%、76.31%、45.53%及32.79%；旱冬瓜+圣誕樹林和栓皮櫟林的表層土壤質(zhì)量較優(yōu)，藍(lán)桉林和圣誕樹林綜合質(zhì)量良好，旱冬瓜林、直干桉林和藏柏林的土壤綜合質(zhì)量處于中等水平。

各土壤指標(biāo)的隸屬度大小顯示pH的隸屬函數(shù)值最小，速效鉀次之，速效磷的最高，有機(jī)質(zhì)、速效氮的隸屬度為中等偏高。說明pH、速效鉀是影響該研究區(qū)土壤質(zhì)量的限制性因子。

研究者已提出多種關(guān)于土壤質(zhì)量評價(jià)方法，如土壤質(zhì)量綜合評分法、土壤質(zhì)量動力學(xué)方法、土壤質(zhì)量多變量指標(biāo)方法等，但無論采用哪種評價(jià)方法，首先要確定有效、可靠、敏感、可重復(fù)及可接受的指標(biāo)，建立全面評價(jià)土壤質(zhì)量的框架體系。本研究充分考慮了評價(jià)指標(biāo)權(quán)重、指標(biāo)隸屬度值和指標(biāo)之間交互作用對土壤質(zhì)量的共同作用，建立土壤質(zhì)量評價(jià)模型，并采用綜合指數(shù)法和加權(quán)求和法對不同植被恢復(fù)模式土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果能夠客觀準(zhǔn)確地反映不同植被恢復(fù)模式的土壤質(zhì)量，可為了解磷礦區(qū)廢棄地植被恢復(fù)土壤狀況、建立土壤質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及土壤可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

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