黃土高原紙坊溝流域不同土地利用類型土壤質量評價

馬芊紅, 張光輝, 耿 韌, 王 兵

(1.北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875; 2.北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875; 3.南京水利科學研究院, 南京 210029; 4.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤質量是影響陸地生態系統持續健康發展的重要因素，土地利用方式作為可直接作用于土壤的關鍵因素之一，普遍而深刻地影響著土壤質量[1]。不同土地利用類型間必然存在地表覆被、土壤結構、物質循環、土壤微生物活動等一系列土壤理化性狀和生態過程的差異。土地利用對土壤質量的影響具有方向性，因地制宜的土地利用方式可以改良土壤理化性狀，促進水、肥、氣、熱因子相互協調；相反不適宜的土地利用方式會加劇土壤侵蝕，打破土壤系統動態平衡，降低土壤生態功能和生產功能[2]。

20世紀90年代以來，土地利用與管理措施對土壤質量的影響的研究已成為土壤質量研究領域的熱點[2-5]。張汪壽等[6]利用土壤質量指數法計算了北京郊區7種土地利用方式下的土壤質量，發現土壤質量從低到高依次為草地、荒地、林地、果園、菜地、農田、濕地。王雪梅等[7]的研究結果表明在渭干河—庫車三角州綠洲地區各土地利用方式間土壤質量存在顯著差異，其中林地土壤質量最高，其次為耕地、荒漠灌叢，而鹽堿草地的土壤質量最低。郭旭東等[8]在河北省遵化市低山丘陵區的研究結果顯示林地或草地開墾為板栗園或耕地后土壤質量發生了嚴重退化。黃土高原地區突出的人地矛盾加劇了生態環境的脆弱性和風險性，土壤質量對維系該地區生態環境和農業可持續發展至關重要?！巴烁€林還草”工程的實施和以小流域為單元的水土流失綜合治理使黃土高原地區的生態環境和土壤質量得到了有效改善，但目前對黃土高原典型小流域土壤質量整體狀況和不同土地利用方式間土壤質量的差異缺乏系統認識。本文選取陜西省安塞縣紙坊溝流域為研究區，對比分析該流域典型土地利用方式下土壤理化性質及土壤質量差異，從而為同類小流域以及黃土高原地區土地利用方式的優化配置，土壤質量的維系與改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

紙坊溝流域(東經109°13′—109°16′，北緯36°42′—36°46′)位于陜西省延安市安塞縣沿河灣鎮，面積約8.27 km2，是國家級退耕還林還草示范區，同時也是黃土高原水土流失綜合治理典型小流域。該流域地處黃土高原丘陵溝壑區第二副區，地表崎嶇，支離破碎，年均溫為8.8℃，年均降雨量約549 mm，降雨年際和季節變化大，黃綿土為主要的土壤類型[9]。研究區主要的土地利用類型為林地、灌木地、草地、農地、果園、苗圃、撂荒地等。夏季植被覆蓋較高，以人工栽種的植被類型為主，如刺槐、小葉楊、檸條、沙棘、沙打旺等，玉米、谷子、馬鈴薯等為主要的農作物。

1.2 樣品采集與分析

經過充分的野外調查，參考許明祥等[10]2001年在紙坊溝流域野外試驗的采樣點信息，在流域內共布設了26個采樣點，分屬林地、灌木地、草地、農地、果園、苗圃、撂荒地7種典型的土地利用類型(表1)。由于苗圃在紙坊溝流域的分布面積較小，因此布設了2個采樣點，其余6種土地利用類型分布較為廣泛，各布設了4個采樣點。采樣時間為2016年5月，以地塊為采樣單元，到達采樣點后，利用手持GPS獲取采樣點經緯度信息，使用地質羅盤測定采樣點坡度、坡向，觀察記錄采樣點主要植被類型并目估蓋度或郁閉度。去除地表枯落物等雜質后，利用“S”形5點采樣法，采集表層0—20 cm土樣，將分樣混合均勻后用四分法留取1 kg左右土樣裝袋，帶回室內備用[11]。

測定土壤理化指標時對供測土樣顆粒大小有不同的要求，因此將野外采集的土樣經風干、研磨后，分別過2 mm，1 mm和0.15 mm孔徑的篩子后裝袋保存。容重測定采用環刀法，比重測定采用比重瓶法，總孔隙度根據容重和比重計算得到[總孔隙度=(1-容重/比重)×100%]。采用馬爾文法(所用儀器為Mastersizer 2000激光粒度儀)測定土壤質地和微團聚體含量，根據美國制標準確定各級粒徑。微團聚體平均質量直徑(MICMWD)和結構系數能夠間接反映微團聚體穩定性和土壤抗蝕性，兩者均與微團聚體水穩性和土壤抗蝕能力成正比，采用許明祥等[10]的方法計算這兩個參數。有機質測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用NaOH熔融鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH熔融分光光度法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4AOc浸提火焰光度法，pH值采用2.5∶1水土比浸提電位法[12]，除土壤容重外(9個重復)，其余指標均重復測量2次。

1.3 數據處理

土壤理化指標測定值的存儲和預處理以及指標隸屬度值和土壤質量指數的計算均在Excel 2010中完成，在ArcMap 10.2和Origin 8.5中繪制采樣點分布圖和不同土地利用類型土壤質量指數對比圖，在SPSS 18.0中根據不同研究目標對數據進行統計分析，包括描述性統計分析、非參數檢驗、相關分析、主成分分析、一般線性模型方差成分估計和單因素方差分析等。

2 結果與分析

2.1 土壤理化指標統計特征

為了全面準確地反映紙坊溝流域不同土地利用類型下的土壤性狀，本文分別測定各采樣點的土壤容重、孔隙度、黏粒含量、砂粒含量、物理性黏粒含量、微團聚體含量、MICMWD、結構系數、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH值16項土壤理化指標(表2)。

表1 采樣點基本信息

表2 土壤理化指標統計特征

結果表明，整體而言紙坊溝流域土壤容重與總孔隙度適宜，土壤容重均值為(1.10±0.11) g/cm3，總孔隙度均值為59.40%±3.98%。從黏粒含量和砂粒含量均值來看，該流域土壤質地類型為耕性良好的粉壤土，與許明祥等[10]結果相比，本文中黏粒含量較低，而砂粒含量較高，這可能是由于測定土壤質地時許明祥等[10]采用傳統的吸管法，而本文選用馬爾文法，該方法可能存在黏粒測定值偏低的弊端。依據全國第二次土壤普查養分分級標準，紙坊溝流域26個采樣點的土壤速效鉀含量為高水平，全鉀、全磷和速效磷為中上等水平，有機質和全氮為中下等水平，堿解氮含量為低水平，速效鉀與全鉀含量較高主要是由于該地區黃土礦物長石、云母及主要黏土礦物高嶺石、伊利石中鉀含量明顯高于其他地區[13]。除全鉀含量基本相同外，本文中有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均高于許明祥等[10]的研究結果，說明從2001—2016年紙坊溝流域土壤肥力質量得到了顯著改善。該流域土壤堿性較強，pH值均值為8.51±0.13。16個指標中，速效磷的變異系數最大(129.9%)，不同土地利用類型間速效磷含量差異顯著，農地、果園的速效磷含量顯著高于撂荒地和草地(p<0.05)，說明速效磷含量受人類施肥活動的影響最大。pH值和全鉀的變異系數最小，僅為1.6%和2.6%，氣候和成土母質作為影響pH值與全鉀含量的主要因素，在小流域尺度上變化較小。除速效磷為強變異指標外，其余指標均為中等變異指標或弱變異指標，這主要是由于研究區面積較小，黃土母質較為均一，絕大部分土壤理化性質差別不大。非參數K-S檢驗表明，除速效磷為對數正態分布外，其余15項指標均符合正態分布。

2.2 單因素土壤質量評價

2.2.1 選取關鍵指標 相關分析表明，16項土壤理化指標間存在嚴重的共線性，因此可以采用主成分分析法從中選取若干關鍵指標來表征紙坊溝流域不同土地利用方式下的土壤質量。主成分分析結果表明，前4個主成分的特征值均大于1，累積方差貢獻率超過80%，因此本文選取前4個主成分。根據各指標在主成分上旋轉因子載荷大小及指標間的相關關系，確定土壤質量評價關鍵指標。

第1個主成分(PC1)上，有機質、全氮、堿解氮和速效鉀的旋轉因子載荷均大于0.9(表3)，有機質是土壤中氮、磷、鉀等養分元素的重要來源，全氮、堿解氮和速效鉀均與有機質呈極顯著正相關，相關系數大于0.85，因此，首先將有機質列為關鍵指標之一。pH值在PC1上旋轉因子載荷絕對值大于0.6，且與有機質相關關系較弱，pH值可列入關鍵指標。黏粒含量、砂粒含量和物理性黏粒含量在第2個主成分(PC2)上旋轉因子載荷絕對值均大于0.9，黏粒是土壤活力的中心，與砂粒和物理性黏粒相關程度極高，據此黏粒含量可入選關鍵指標。第3個主成分(PC3)上，容重與總孔隙度的旋轉因子載荷絕對值最高，且兩者負相關關系極顯著，選取容重作為關鍵指標之一。第4個主成分(PC4)上，旋轉因子載荷絕對值最大的為MICMWD，且MICMWD與旋轉因子載荷較大的速效磷和全鉀均呈極顯著負相關，因此將MICMWD作為PC4的代表指標。綜上所述，本文選取容重、黏粒含量、MICMWD、有機質和pH值作為評價紙坊溝流域不同土地利用類型土壤質量的關鍵指標。

表3 土壤指標在各主成分上的旋轉因子載荷

2.2.2 計算指標隸屬度 由于土壤理化指標的量綱和量級各不相同，無法直接放到一起計算土壤質量指數，另外土壤質量指標的優劣以及其對土壤功能的影響具有漸變性，因此采用模糊數學中的隸屬度函數計算各指標的隸屬度值[10]。根據許明祥等[10]在黃土高原安塞縣的相關研究，MICMWD和有機質適用于“S”型隸屬度函數(公式1)，其上臨界值(x0)分別為0.07 mm和41.5 g/kg，容重、黏粒含量和pH值采用拋物線型隸屬度函數標準化(公式2)，臨界值見表4。

表4 拋物線型隸屬度函數評價指標轉折點取值

(1)

(2)

對各指標隸屬度值的方差分析結果表明(表5)，紙坊溝流域容重隸屬度值在不同的土地利用類型間差異不顯著。從土壤質地來看，農地和果園的黏粒含量隸屬度顯著低于苗圃、林地、灌木地和撂荒地，這主要是由于人類耕作活動使耕地和果園表土疏松，冬春季節地表裸露，細顆粒物質更易被侵蝕。林地、灌木地、草地的MICMWD隸屬度明顯高于果園和苗圃，說明這3種土地利用方式下的土壤微團聚體穩定性較好。林地的有機質隸屬度顯著高于其他土地利用類型，這與郭旭東等[8]在河北遵化低山丘陵區所得研究結果相同。這主要是由于林地枯落物豐富，土壤生物種類與數量較多，利于有機質富集和養分循環。相反，撂荒地的有機質隸屬度值為7種土地利用類型中的最低值，說明養分含量較低是制約紙坊溝流域撂荒地土壤質量最主要的原因。與林地、灌木地、草地相比，撂荒地生物量較小，枯落物補給較少，同時無人類培肥活動，因此養分含量較低。另外，撂荒地的pH值高達8.69，土壤呈偏堿性，在一定程度上抑制了土壤生物活動和養分循環。

地形對土壤和植被的影響不容忽視，為了對比土地利用類型和地形因子(海拔、坡度、坡位、坡向)對土壤質量指標變異性的影響程度，通過一般線性模型方差成分估計模塊計算得到各因子對評價指標隸屬度總方差的貢獻率(表6)。結果表明，土地利用對容重、黏粒含量、MICMWD、有機質和pH值總方差的貢獻率均高于地形因子，其中土地利用可解釋黏粒含量和pH值總方差的60%以上。由此可見，在紙坊溝流域土地利用類型對土壤質量評價關鍵指標的影響高于地形因子。郭旭東等[8]的研究結果同樣表明土地利用是影響河北遵化低山丘陵區土壤容重和土壤養分含量最重要的因素。

表5 不同土地利用類型下各評價指標隸屬度

注：表中數值后所帶小寫字母表示關鍵指標隸屬度在不同土地利用間存在顯著差異(p<0.05)。

表6 土地利用及地形因子在土壤評價指標隸屬度方差中所占的百分比

注：表中小括號內的百分數代表土地利用或地形因子在土壤質量指標隸屬度方差變異中所占比例。

2.3 土壤質量綜合評價

2.3.1 綜合評價方法 權重系數可以定量的表示各指標在土壤質量綜合評價中的貢獻率[14]，為了保證權重系數的準確性和客觀性，本文將主成分分析所得各指標公因子方差占公因子方差總和的比例作為權重。容重、黏粒含量、MICMWD、有機質和pH值的權重系數分別為0.17，0.15，0.22，0.22，0.24。土壤系統是一個密不可分的整體，為了更好地體現土壤質量指標間的交互作用，本文選用加權綜合法計算各采樣點的土壤質量指數(SQI)，計算公式如下：

(3)

式中：Ki是第i個指標的隸屬度值；wi是第i個指標的權重；n是評價指標的個數，本文中n=5，各采樣點的土壤質量指數均介于0～1。

2.3.2 土壤質量指數 26個采樣點的土壤質量指數介于0.56～0.94，均值為0.71±0.10，變異系數為14.0%。一般線性模型方差分量分析結果表明土地利用因素可以解釋土壤質量指數總方差的66.0%，遠高于其他地形因子，說明土地利用方式是影響紙坊溝流域土壤質量最重要的因素。不同土地利用類型間土壤質量差異極顯著(p<0.01)，土壤質量指數均值從大到小依次為林地(0.87±0.06)>灌木地(0.80±0.05)>苗圃(0.69±0.04)>草地(0.69±0.08)>果園(0.69±0.02)>農地(0.63±0.03)>撂荒地(0.61±0.05)(圖1)。該結論與許明祥等[10]的研究結果基本一致，不同之處在于許明祥等[10]的研究結果認為農地和果園的土壤質量低于撂荒地，這可能是由于本試驗采樣時間為5月份，正值作物和果樹追肥時節，土壤養分含量較高，而許明祥等[10]的采樣時間為8—9月，土壤中的養分通過作物根系轉移到了成熟的作物中。與尹剛強等[15]在湘中丘陵區的研究結果不同之處在于，尹剛強等[15]認為苗圃地的土壤質量最低，這可能是由于湘中地區苗圃地中主要栽種馬尾松、油茶、柑橘等樹種，土壤酸性很強，養分含量很低，從而制約了苗圃地的土壤質量。

紙坊溝流域林地土壤通氣性、透水性良好，枯落物最多，有機質含量高，微生態環境(如光照、地表溫度、微生物等)良好[15]，因而林地土壤質量明顯高于苗圃、草地、果園、農地和撂荒地。該結論與許明祥[10]、鞏杰[16]等的研究結果一致。灌木地土壤質量略低于林地，與林地差異不顯著，灌叢可有效地攔蓄水土、改善土壤肥力，在坡面上具有“肥力島嶼”的作用[16]。苗圃、果園與草地的土壤質量同處于較高水平，這主要是由于農民對果園和苗圃施肥較多，草地地上和地下生物量較大。農地和撂荒地的土壤質量最低，種植糧食作物的經濟效益低于果樹，因此當地農民對耕地的投入相對較少，且農地冬季缺少植被保護，易遭受土壤侵蝕，導致農地土壤質量在紙坊溝流域相對較低；撂荒地表層硬殼化現象普遍，養分含量低，土壤呈偏堿性，不利于植被的演替和土壤生物活動，因此在黃土高原實施“退耕還林還草”過程中，應將農地天然撂荒與人工種植林灌草相結合[16]，因地制宜，合理布局，逐步提高土壤質量，改善區域生態環境。

圖1不同土地利用類型土壤質量指數對比

為了更直觀地對比各采樣點的土壤質量，以0.2為組距將土壤質量指數分為5個等級，分別為低(0

3 結 論

(1) 結合主成分分析和相關分析選取的關鍵指標為容重、黏粒含量、MICMWD、有機質和pH值，農地和果園的黏粒隸屬度顯著偏低，林地、灌木地、草地的MICMWD隸屬度顯著高于果園和苗圃，林地有機質隸屬度顯著高于其他土地利用類型，撂荒地的pH值隸屬度為7種土地利用類型中的最低值。

(2) 土地利用類型在關鍵指標隸屬度和土壤質量指數總方差中所占比例大于地形因子，是影響紙坊溝流域土壤質量最重要的因素。

(3) 整體而言，紙坊溝流域土壤質量指數均值為0.71±0.10，屬于較高水平，不同土地利用類型間土壤質量存在顯著差異，土壤質量指數均值從大到小依次為林地>灌木地>苗圃>草地>果園>農地>撂荒地。

總之，容重、黏粒含量、MICMWD、有機質和pH值5項關鍵指標能夠客觀準確地反映紙坊溝流域不同土地利用類型的土壤質量。該流域土壤質量整體狀況良好，林地和灌木地土壤質量較高，而農地和撂荒地土壤質量相對較低，由此可見，“退耕還林還草”工程在改善黃土高原小流域生態環境和提高土壤質量中發揮著重要作用。

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