王文武， 朱萬澤， 李 霞， 舒樹淼

(1.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

土壤質(zhì)量指生態(tài)系統(tǒng)土壤發(fā)揮其功能的能力，包括維持生物生產(chǎn)力、保持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進動植物健康生長的能力[1]。土壤質(zhì)量不能被直接測得，通常采用土壤物理、化學(xué)和生物特性的某單項或幾個聯(lián)合指標，分析不同土地利用類型和管理條件下土壤功能是否提高、維持或者退化，評價土壤質(zhì)量狀況[2]。近年來，許多研究[3]涉及森林土壤質(zhì)量評價指標體系及評價方法，其中最常采用的指標包括土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量、pH值、密度、孔隙度、持水能力等。土壤質(zhì)量評價應(yīng)考慮土壤、植被、周圍生態(tài)系統(tǒng)，以及土地利用的潛在變化。黃雪菊[4]采用土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效鉀和有效磷等指標評價岷江上游干旱河谷海拔1 600～2 100 m土壤質(zhì)量，隨著海拔的升高，土壤質(zhì)量指數(shù)呈增加趨勢。

干旱河谷是我國西南山地的一類特殊地貌類型，主要分布于瀾滄江、怒江、金沙江和雅礱江的中下游，以及大渡河和元江的中游，具有氣候干旱、溫度較高、植被以灌叢和草地為主等特點[3]。大渡河是岷江最大支流，位于青藏高原東南邊緣向四川盆地西部過渡地帶，具有海拔高、垂直跨度大，以及生態(tài)系統(tǒng)多樣性、復(fù)雜性、脆弱性等特點[5]。在過墾、過牧、過伐等因素的誘發(fā)下，引起土壤退化、植被旱生化、水土流失、自然災(zāi)害等生態(tài)環(huán)境問題。植被恢復(fù)是防止土壤退化和水土流失的有效措施，植被恢復(fù)對土壤的改良作用已受到廣泛的關(guān)注[6]。然而，以往的研究多集中在植被恢復(fù)或不同土地利用方式對土壤物理性質(zhì)的影響，而對于植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量變化的研究還較為缺乏。目前干旱河谷生態(tài)修復(fù)研究和土壤質(zhì)量評價主要集中在金沙江下游干熱河谷和岷江上游干溫河谷，針對大渡河干暖河谷不同植被類型土壤質(zhì)量評價還十分欠缺。為此，筆者測定大渡河中游瀘定至漢源干暖河谷5種典型植被的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，采用最小數(shù)據(jù)集法對其土壤質(zhì)量進行評估，以期為川西干暖河谷土壤管理和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大渡河流域中游瀘定至漢源干暖河谷區(qū)，地理位置E 102°16′ ～102°55′，N 29°14′ ～29°82′，平均海拔992 m，年均氣溫15.4 ℃，年降水量753.2 mm，年均蒸發(fā)量1 573 mm。河谷植被主要是以清香木(Pistaciaweinmannifolia)、黃連木(Pistaciachinensis)和羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)為代表的旱生河谷灌叢，同時也有云南松(Pinusyunnanensis)為主的次生針葉林，以及以青岡(Quercusglauca)和栓皮櫟(Q.variabilis)為主的闊葉林。草本主要有苔草(Carexspp)、白茅(Imperatacylindrica)和鬼針草(Bidenspilosa)等。本研究樣點位于海拔1700m以下，土壤質(zhì)地輕壤至重壤，類型以棕壤和紅壤為主，礫石體積分數(shù)高(>30%)，最高可達80%，一般呈微堿性或中性(pH值7.4～8.4)。土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)較高(≈54.17 g/kg)，但因其礦化程度較低導(dǎo)致有效養(yǎng)分含量低，其中有效磷質(zhì)量分數(shù)最為缺乏(≈8.93 mg/kg)。

2 材料與方法

2.1 野外土壤樣品采集

2018年9—10月，沿大渡河流域瀘定至漢源干暖河谷區(qū)，設(shè)置典型植被樣地(喬木樣地大小為20 m×20 m，灌叢為10 m×10 m，草本為5 m×5 m)共計37個，其中森林植被類型中針葉林3個、針闊混交林3個、闊葉林2個，灌叢17個，草地12個，每個樣地設(shè)置3個重復(fù)。土壤樣品分3層(0～10、10～20和20～30 cm)采集。受樣地地形、土層厚度等影響，10個樣地取樣3層，11個樣地取樣2層，16個樣地取樣1層，分析數(shù)據(jù)時采用各層平均值。

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤物理性質(zhì)測定：土壤礫石含量、土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、最小持水量、土壤通氣度和土壤排水能力等采用環(huán)刀法測定。

土壤化學(xué)性質(zhì)測定：土壤pH值采用1∶2.5電位法，有機質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全鉀采用氫氧化鈉融化法，全磷采用氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法，有效磷采用碳酸氫鈉法，速效鉀采用乙酸銨提取法[7]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

最小數(shù)據(jù)集法是計算土壤質(zhì)量指數(shù)的一種比較常用的方法，包括指標選擇、指標權(quán)重計算和土壤質(zhì)量指數(shù)計算3個步驟[8]。指標間相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)性分析法，土壤質(zhì)量指標篩選及權(quán)重確定采用主成分分析法。采用SPSS 25.0和Excel進行統(tǒng)計分析和圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤質(zhì)量評價MDS指標及其權(quán)重

基于16個土壤理化指標間的Pearson相關(guān)分析，淘汰土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤通氣度和排水能力5個指標，其余11個指標進入MDS候選指標，然后進行主成分分析(表1)。結(jié)果顯示前3個主成分方差累積解釋率為67.34%，表明前3個主成分能很好地解釋原數(shù)據(jù)信息。將各主成分中因子載荷排名前三的指標作為候選指標，比較同一主成分中候選指標間的相關(guān)性，淘汰顯著相關(guān)的部分指標。PC1中保留毛管孔隙度，淘汰土壤密度；PC2中保留全磷，淘汰土壤礫石含量；PC3中3個指標間均不顯著相關(guān)(P>0.05)，全部保留。基于上述分析，最終確定的大渡河干暖河谷土壤質(zhì)量MDS評價指標體系包括土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀等7個指標。然后根據(jù)各指標的公因子方差，計算其權(quán)重。由表1可知，權(quán)重較大的3個指標依次為：毛管孔隙度(18.53%)、土壤全磷(17.36%)、有機質(zhì)(15.88%)，這3個指標累積權(quán)重達51.77%。

表1 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷及指標權(quán)重Tab.1 Factor loadings after rotation and indicators’ weights

3.2 典型植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)

研究區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)(值越大代表土壤質(zhì)量越好)的平均值為0.494，最大值為0.722(灌叢樣地)，最小值為0.171(針葉林樣地)。由圖1可見，5種植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)平均值依次為：灌叢(0.558)、草地(0.482)、闊葉林(0.392)、針闊混交林(0.387)和針葉林(0.357)。從不同植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)的變異系數(shù)來看，灌叢(0.20)<草地(0.27)<闊葉林(0.30)<針闊混交林(0.31)<針葉林(0.35)。

“評分法”是按照土壤指標肥力等級對各指標進行打分，然后取所有指標得分的平均值，該平均值即為評價土壤質(zhì)量的標準，該方法操作較簡單，并且可對土壤質(zhì)量進行定量評價，但在指標選擇、指標打分和土壤質(zhì)量等級劃分上存在不可避免的人為主觀因素的影響[9]。采用評分法作為最小數(shù)據(jù)集法的一種驗證方法，參照全國第二次土壤普查推薦的肥力劃分標準，將研究區(qū)土壤質(zhì)量劃分為5個等級，其結(jié)果與最小數(shù)據(jù)集法評價結(jié)果高度吻合，即5種植被類型土壤質(zhì)量依次為灌叢(4.143)>草地(3.857)>闊葉林(3.25)>針闊混交林(3.125)>針葉林(2.875)。

3.3 土壤質(zhì)量等級劃分

目前對于干旱河谷區(qū)森林植被土壤質(zhì)量指數(shù)的評估并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，選擇的指標不盡相同，因此土壤質(zhì)量指數(shù)等級劃分并沒有統(tǒng)一的標準?！跋湫螆D”是一種采用“四分位”法繪制的統(tǒng)計圖，可用作顯示數(shù)據(jù)分散情況，也可進行多組數(shù)據(jù)分布特征的比較[10]。為分析各植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)特點，根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)箱形圖(圖2)，將該研究區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)分為4個等級(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級)，其范圍分別是：Ⅰ級0.171～0.384，Ⅱ級>0.384～0.527，Ⅲ級>0.527～0.600，Ⅳ級>0.600～0.722。灌叢樣地以Ⅱ級(占29.41%)和Ⅲ級(占35.29%)為主；草地以Ⅳ級(占33.33%)樣地為最多，其次是Ⅰ級(占25%)和Ⅲ級樣地(占25%)；針闊混交、針葉林和闊葉林均以Ⅰ級或者Ⅱ級樣地為主，僅針闊混交林有1個Ⅳ級樣地。

SB：灌叢；GD：草叢；BF：闊葉林；BC：針闊混交林；CF：針葉林。不同小寫字母代表不同植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)差異顯著(P<0.05)。SB refers to shrub, GD to grassland, BF to broad leaf forest, BC to mixed broadleaf-conifer, and CF to coniferous forest. Different letters above the bars indicate significant differences at the P<0.05 level. 圖1 不同植被類型土壤質(zhì)量指數(shù)比較Fig.1 Comparison of soil quality indexes of the vegetation

圖2 土壤質(zhì)量等級劃分Fig.2 Classification of soil quality

4 討論

4.1 大渡河干暖河谷土壤質(zhì)量評價指標體系

在土壤質(zhì)量評價中，指標的選擇既要考慮對土地利用的敏感性和測量的可操作性，還要考慮指標的可解釋性和實驗成本[10]。筆者通過土壤管理評估框架確定的MDS包括7個土壤指標，與岷江上游干旱河谷土壤質(zhì)量評價指標體系的不同之處在于本研究中MDS未包含土壤密度、pH和全鉀，但含有土壤毛管和非毛管孔隙度，其中土壤密度與毛管孔隙度具有極強的相關(guān)性，因此可相互替代[11]。2個指標體系均包含有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷和速效鉀，本研究中土壤全磷和有機質(zhì)在土壤質(zhì)量指數(shù)中所占權(quán)重分別為17.36%和15.88%，暗示全磷和有機質(zhì)含量對岷江上游干旱河谷和大渡河干暖河谷區(qū)土壤質(zhì)量起著重要作用，可能是影響2個區(qū)域植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子。

Bünemann等[1]對已發(fā)表的62篇土壤質(zhì)量評價論文的統(tǒng)計分析表明，出現(xiàn)頻率最高的物理指標均與土壤持水能力有關(guān)，如土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度等，這些指標反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況，影響土壤團聚體穩(wěn)定和土壤持水能力，進而影響土壤的生態(tài)功能；土壤毛管孔隙和非毛管孔隙度影響土壤水分和植物生長[12]。90%以上土壤質(zhì)量的研究論文中均涉及土壤有機質(zhì)，土壤有機質(zhì)通過影響土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤孔隙，控制土壤氣體交換和水分關(guān)系，在土壤碳循環(huán)與養(yǎng)分利用中也起著重要作用[13]?，F(xiàn)有土壤質(zhì)量評價研究中，大多選擇土壤物理和化學(xué)指標，生物指標選擇較少，應(yīng)用土壤生物指標評價土壤質(zhì)量是今后的發(fā)展方向，未考慮生物指標也是本研究的不足。

4.2 植被類型對土壤質(zhì)量的影響

大渡河干暖河谷植被主要為人為干擾破壞后通過自然和人工恢復(fù)形成的次生植被。本研究顯示灌叢土壤質(zhì)量優(yōu)于其他植被類型，可能的原因一是大渡河干暖河谷區(qū)優(yōu)勢樹種根系生長快、密度大，如羊蹄甲、胡枝子、紫麻(Oreocnidefrutescens)、馬桑(Coriarianepalensis)等，能有效疏松土壤，增大土壤毛管和非毛管孔隙度，進而增強土壤通氣和持水能力[14]。二是這些灌叢樹種大多葉片較薄，凋落物容易被土壤動物和微生物分解，土壤養(yǎng)分含量高，本研究中灌叢土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量均為最高，全鉀、有效磷含量僅次于草地；三是灌叢土壤微生物量較大，微生物作為土壤中主要的分解者之一，能加速凋落物的分解，增加土壤養(yǎng)分含量[15]。由此可見，灌叢對大渡河干暖河谷土壤有著明顯的改良效果，能有效促進植被生長發(fā)育，在今后大渡河干暖河谷植被恢復(fù)中應(yīng)將灌叢作為主要的植被恢復(fù)方向。從土壤質(zhì)量指數(shù)計算結(jié)果來看，3種森林植被土壤質(zhì)量指數(shù)變異系數(shù)大于灌叢和草地，這可能有兩方面原因，一是森林植被土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性較大，二是因研究區(qū)地勢險峻，符合采樣要求的樣地數(shù)量較少。

總體來看，大渡河干暖河谷區(qū)草地亦具有較好的土壤理化性質(zhì)。土壤速效鉀是植物吸收K素的直接來源，本研究表明，大渡河干暖河谷草地土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)為179.30 mg/kg，為5種植被類型中最高，該結(jié)果高于岷江上游干旱河谷核心區(qū)草地的122.55 mg/kg[16]；土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)反映土壤磷供應(yīng)能力，研究區(qū)草地土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)(12.58 mg/kg)同樣為5種植被中最高，但低于岷江上游干旱河谷核心區(qū)草地的21.25 mg/kg[16]。此外，研究區(qū)草地土壤物理性質(zhì)也較好，土壤含水量和毛管孔隙度略低于灌叢；非毛管孔隙度為16.21%，高于岷江上游干旱河谷區(qū)草地的11.62%[16]。由此可見，大渡河干暖河谷區(qū)草地土壤質(zhì)量較好，對于植被生長和演替十分有利，具有較好的植被恢復(fù)潛力，在生態(tài)恢復(fù)初期可將其作為過渡植被類型。

5 結(jié)論

采用相關(guān)分析法和主成分分析法，構(gòu)建由土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀7個指標組成的大渡河干暖河谷區(qū)土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集(MDS)，其中權(quán)重排名前3的指標分別是毛管孔隙度、全磷含量和有機質(zhì)含量。結(jié)果表明，土壤質(zhì)量較好的是灌叢和草地，3種喬木植被類型土壤質(zhì)量相對較差，闊葉林土壤質(zhì)量優(yōu)于針闊混交林和針葉林，土壤肥力評分法進一步驗證了該評價結(jié)果。土壤質(zhì)量指數(shù)分級結(jié)果表明，灌叢和草地以土壤質(zhì)量較高的Ⅲ、Ⅳ級樣點為主，而其余3個植被類型以土壤質(zhì)量等級較低的Ⅰ、Ⅱ級樣點為主。研究結(jié)果表明，大渡河干暖河谷灌叢具有較好的土壤改良效果，是今后大渡河干暖河谷植被恢復(fù)重建的主要方向；草地亦能較好地改良土壤質(zhì)量，具有較大的植被恢復(fù)潛力。