廣西喀斯特地區荒草地墾田的土壤肥力變化

胡業翠，李 英，王其兵

〔1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京100083；2.中國科學院 植物研究所，北京100093〕

土壤是一種寶貴的自然資源，土壤質量的優劣不僅直接影響到當地居民的生活水平，而且是全球糧食安全問題的核心。人口增長、經濟社會發展和資源約束決定了全球長期存在巨大的糧食安全壓力，因此土壤質量的研究已經成為國際研究的熱點問題。國內外眾多學者致力于土壤質量方面的研究，研究內容可以總結為兩個方面，一是通過統計分析土壤某些物理、化學及生物指標的變化反映土壤質量變化［1－8］，如Kong等［2］研究發現，在中國北方集中農業區，土地利用方式按原始草地、旱地、水田、菜地順序變化，土壤有機碳、全氮、有效磷均增加；許聯芳等［8］研究發現，在桂西北喀斯特生態移民區，土壤有機碳、全氮、有效氮含量與土壤的利用強度有關，隨土地利用強度的增加而降低。Francis Dube［5］等研究發現，智利巴塔哥尼亞火山土土壤有機碳的含量變化順序為：退化的天然草原＞未管理的次生林假山毛櫸林＞間伐和修剪的黃松人工林。二是通過比較土壤質量的綜合分值分析土壤質量變化［9－14］。如李靈［9］對南方丘陵區不同土地利用方式的土壤質量研究發現，土壤質量以受人為干擾較少的次生闊葉林的土壤質量最優，桉樹人工林和經濟林次之，耕地土壤質量較差，而采礦跡地的土壤退化最為嚴重。已有的研究結果均表明，土壤質量與土地利用方式有直接的關系。

廣西壯族自治區巖溶地貌分布廣泛，受特殊自然條件的影響，巖溶地區生態系統十分脆弱，加上石山區人口過多，遠遠超過了自然生態系統的承載能力，導致廣西巖溶地區生態環境惡化，出現了石漠化等一系列重大生態問題。石漠化使得石山區土地生產力下降，同時石山區人口不斷增加，這就使許多石山區陷入人均耕地不足，糧食不能自給，經濟收入少，群眾生活十分貧困，越貧越墾、越墾越貧的惡性循環。因此，為解決石漠化、貧困化問題，廣西壯族自治區各級政府積極探索異地種養、異地就業、異地安置等解決方案。異地安置、生態移民政策的實施改變了原有的土地利用方式，系統分析土地利用變化對土壤質量影響是保證移民工程實施后遷入區生態和糧食安全的有效方法。關于喀斯特生態脆弱區土壤質量研究主要是通過土壤性狀指標和土壤綜合分值測試和計算進行的［8，15］，利用模型分析生態移民工程對土壤質量的動態影響研究甚少。本研究以廣西自治區環江縣移民區為對象，選取3個代表不同開墾年限的典型樣點，基于空間代替時間的理論，在利用相關系數法確定權重，隸屬度函數指標歸一化的基礎上，對開墾年限分別為30a和15a的玉米地以及未開墾荒草地的土壤肥力質量狀況進行分析，并應用Markov鏈模型動態分析土地利用變化對土壤肥力質量影響。研究結果對探明已實施的移民工程對該區土壤的影響及未來移民工程的規劃實施具有重大意義。

1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區環江縣（東經107°51′—108°43′，北緯24°44′—25°33′），屬于亞熱帶季風氣候區。年均氣溫南部丘陵一帶為19.9℃，北部山區為15.7℃，無霜期290d。年平均降雨量北部為1 750mm，南部為1 389mm，降雨集中于4—9月份，占全年降雨量的70%，空氣平均相對濕度79%。主要土壤類型有紅壤、黃壤、石灰土等；主要種植作物包括玉米、水稻、甘蔗、桉樹和桑樹。樣地選在大安鄉金洞村，該村位于喀斯特地區，屬于移民工程遷入區。該地區經常出現荒草地開墾為耕地的現象，而且自1996年移民工程實施以來，為滿足農戶耕地需求，荒草地被開墾為耕地的數量大幅度增加。根據調查發現，開墾的耕地質量相對較差，而且坡度大多在15°～25°，玉米是其主要種植作物之一。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

分別選擇開墾30a和15a的玉米地及未開墾的荒草地土壤進行對比研究（表1）。試驗區采用蛇形布點、多點取樣的方法，每個處理選取5塊典型樣地，樣地面積約0.067～0.100hm2，各樣地之間直線距離250～350m。取樣時每塊樣地取5個樣點，每樣點分6層取0—100cm（分為0—10cm，10—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm）土層土樣，將每個樣點各層樣品充分混合后，用四分法取500g土樣帶回實驗室，風干，去除動、植物殘體等非土壤物質，粉碎，過80目篩，保存備用。

2.2 評價因子的選取

土壤肥力質量是土壤物理、化學和生物學性質以及形成這些性質的復雜過程的綜合體現。影響土壤肥力質量的因子眾多，目前還沒有形成統一的土壤肥力質量指標評價體系。本研究主要選取了對作物產量、質地影響較大的土壤養分指標，如氨態氮、硝態氮、全氮、全磷、容重、有機碳。另外，土壤微生物指標更能反映土壤肥力質量和土壤肥力質量在自然和人為因素作用下的微小變化，故選擇了微生物碳、微生物氮指標。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤全氮測定采用凱氏定氮法，土壤全磷測定用硫酸—高氯酸消煮—流動分析儀法，土壤氨態氮和硝態氮測定采用氯化鉀提取—流動分析儀法，土壤微生物碳測定用氯仿熏蒸浸提—TOC測定法，土壤微生物氮測定采用氯仿熏蒸浸提—流動分析儀法。

表1 試驗樣地概況

2.3 評價因子隸屬度的確定

各評價因子之間沒有明確的外延，也沒有統一的量綱，測算結果無法直接進行比較。根據各評價因子對土壤肥力質量的影響特點，選擇各因子隸屬度函數，并確定其極限值（表2）。表2中各評價因子的極限值是結合研究區實測數據制定的。

（1）戒上型函數。某些土壤性質在一定范圍內，指標值與土壤肥力質量呈正相關，超出這一范圍對土壤肥力質量的影響較小。這類指標隸屬度函數為：

（2）拋物線型函數。某些土壤性質對土壤功能的影響均有一最適的范圍，超過這一范圍，偏離程度越大對土壤功能越不利。這類指標隸屬度函數為：

式中：f（x）——指標隸屬度；x1——指 標 下 界；x2——指標上界；x3——指標最適值下界；x4——指標最適值上界。

2.4 評價因子權重的確定

目前研究者多用的指標權重的確定方法為特爾菲法、層次分析法和主成分分析法，為客觀反映各評價因子對土壤功能影響能力，采用相關系數法［14］計算各評價因子之間的相關系數，然后將某評價因子與其它評價因子相關系數的平均值占所有評價因子相關系數的比例作為評價因子的權重（表3）。

表2 評價因子極限值

表3 各指標相關系數平均值及權重

2.5 土壤肥力質量指標分值的確定

土壤肥力質量指標分值為各評價指標的隸屬度與權重的乘積［13］。計算公式為：

式中：IQI——為土壤肥力質量指標分值；Wi——為指標權重；f（xi）——為指標隸屬度。

根據土壤肥力質量指標分值將土壤肥力質量從優到劣分為Ⅰ—Ⅳ共4個等級，得到土壤肥力質量狀態空間S＝（Ⅰ—Ⅳ）（表4）。

表4 土壤肥力質量分級

2.6 Markov土壤肥力質量變化分析

2.6.1 Markov原理 Markov過程是隨機過程，假設如果在已知時刻t0系統處于狀態x的條件下，在時刻t0＋t系統所處狀態和時刻t以前所處的狀態無關。在Markov鏈中，系統狀態的轉移可用概率矩陣P表示：

式中：Pij——i類型轉變為j類型的概率。

2.6.2 進步矩陣的確定 荒草地土壤肥力質量數據設為初始數據，根據荒草地與15a玉米地土壤肥力質量變化，得到荒草地種植15a玉米后土壤肥力質量轉移矩陣，根據荒草地與15a，30a玉米地任意相鄰兩次觀察的土壤肥力質量變化，得到荒草地種植30a玉米后的土壤肥力質量轉移矩陣。

式中：Pk——第k土層的概率轉移矩陣；nijk——第k土層相鄰兩次觀察間區域土壤肥力質量由i級變為j級的總數；Mik——整個研究期第k個土層內土壤肥力質量為i的樣點數；mik——研究期內最后一次觀察，第k土層土壤肥力質量為i級的樣點數。

將肥力質量等級變化（i－j）3作為土壤肥力質量變化提高或退化的權重，利用土壤肥力質量進步矩陣：

分別得到15a玉米地土壤肥力質量進步矩陣和30a玉米地土壤肥力質量進步矩陣。由進步矩陣計算第k土層土壤肥力質量進步度pd（Sk）：

pd（Sk）＞0，表示土壤肥力質量提高；pd（Sk）＜0，表示土壤肥力質量退化；pd（Sk）＝0，表示土壤肥力質量不變。

荒草地開墾種植玉米15a玉米地進步矩陣為：

荒草地開墾種植玉米30a玉米地進步矩陣為：

3 結果與分析

3.1 研究區土壤質量概況

荒草地開墾后土壤肥力質量狀況詳見表5。由表5可以看出，荒草地開墾種植玉米后各土層土壤肥力質量下降，然而隨著種植時間的增加，30a玉米地比15a玉米地各土層土壤肥力質量均有所恢復。土地利用情況相同的情況下，土壤肥力質量隨土層深度增加降低?；牟莸?—20cm土層土壤肥力質量主要集中在Ⅰ級，20cm以下土層土壤肥力質量主要集中在Ⅱ和Ⅲ級。15a玉米地0—20cm土層土壤肥力質量主要集中在Ⅱ和Ⅲ級，20cm以下土層土壤肥力質量主要集中在Ⅲ和Ⅳ級，相對荒草地土壤肥力質量下降。30a玉米地0—20cm土層土壤肥力質量主要集中在Ⅱ級，較15a玉米地土壤肥力質量有所提高，20cm以下土層土壤肥力質量主要集中在Ⅲ和Ⅳ級，與15a玉米地相比土壤肥力質量變化不大。

3.2 土壤肥力質量變化分析

由荒草地開墾種植玉米15a土壤肥力質量變化進步矩陣可得：pd（S1）＝－6.25，pd（S2）＝－6.25，pd（S3）＝－6.25，pd（S4）＝－3.8，pd（S5）＝－2，pd（S6）＝－1。結果表明，荒草地開墾種植玉米15a后，0—100cm土層范圍內各土層土壤肥力質量均退化，隨著土層深度增加，土壤退化程度減小。矩陣中所有值均為負數或零，即所有樣點土壤肥力質量均退化，表明荒草地開墾種植玉米對土壤肥力質量的破壞是必然的。

由荒草地開墾種植玉米30a地土壤肥力質量變化進步矩陣可得：pd（S1）＝－5.92，pd（S2）＝－5.59，pd（S3）＝－1.5，pd（S4）＝－2.47，pd（S5）＝－1，pd（S6）＝－1.6，表明荒草地開墾種植玉米30a后，0—100cm土層范圍內各層土壤肥力質量均下降。20cm以上土層土壤肥力質量下降較為嚴重，20cm以下土層土壤肥力質量下降相對較小。與開墾15a玉米地進步度數據相比，30a玉米地各土層進步度均增大，即各層土壤肥力質量下降幅度均減小。而且30a玉米地進步矩陣中出現部分正數，在15a玉米地進步矩陣中正數是不曾出現的，說明部分開墾30a玉米地較15a玉米地土壤肥力質量得到了提高。

表5 土壤肥力質量變化情況

4 結論

（1）荒草地開墾種植玉米會導致土壤肥力質量退化，土壤肥力質量退化程度與土層深度和開墾種植時間有關，表現為隨土層深度加深退化程度有所下降，即20cm以上土層土壤肥力質量下降較為嚴重，20cm以下土層土壤肥力質量下降相對較小，另外，隨著開墾時間的延長，人為培肥作用使土壤肥力質量有所恢復。

（2）0—20cm以上土層是根系、殘落物的分解和人類活動層?；牟莸厮募局脖桓采w，根系及殘落物一方面可以增加地表滲透和儲水，防止水土流失［16］，另一方面經微生物分解后可以增加土壤腐殖質，促進土壤團聚體結構形成，提高土壤保水保肥性［17］。開墾種植作物后，作物的生長有一定的季節性，土壤必有一段時間暴露在外接受雨水的淋洗造成土壤養分流失，物理性質下降，化肥的使用及秸稈還田等農業管理措施的實施可以補充一部分的土壤養分但數量有限。20cm以下土層，作物根系的生長和人類活動的干擾較小，開墾對該層土壤肥力質量變化影響較小。

（3）荒草地的開墾很容易造成土壤肥力質量的破壞，尤其是對0—20cm土層土壤肥力質量，但是土壤肥力質量的恢復卻是漫長而艱巨的任務。因此，喀斯特地區開展生態移民工程時要考慮移入區農業用地的供給能力，謹慎開展農用地整理工程，避免由移民工程驅動的荒草地大量開墾造成移入區土壤肥力質量退化，導致移入區出現貧困化、石漠化等問題隱患。

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