衡陽紫色土丘陵坡地植被恢復過程中土壤質量評價

陳 璟， 楊 寧*

(湖南環境生物職業技術學院 園林學院，湖南 衡陽 421005)

土壤質量是指土壤在生態系統范圍內，維持生物生產、保護環境質量及促進動植物健康的能力，是土壤物理、化學及生物學性質以及形成這些性質的一些重要過程的綜合體現[1-2]。土壤質量作為土壤動態變化最敏感的指標，其不僅能反映土壤的管理水平，而且能揭示土壤的恢復能力[3-4]。不同土地利用方式和管理措施影響著土壤環境變化的方向和程度[5-6]，合理的土地利用措施可以改善土壤質量，增強土壤抗干擾能力，而不合理的土地利用方式則會破壞土壤的團聚結構，加速土壤侵蝕，降低土地生產力[7-8]，因而，通常從土壤生產潛力和環境管理的角度建立土壤質量評價指標體系，監測和評價土壤質量[9]。

衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，區域水土流失嚴重，植被稀疏，基巖裸露，有的區域幾乎沒有土壤發育層，生態環境十分惡劣，植被恢復十分困難，是湖南省環境最為惡劣的地區之一，也是中國南方極具代表性的生態災害易發地區[10]。長期以來，該區域實施的植被恢復及退耕還林還草政策取得了良好的水土保持效果，但以往的研究多集中于有關植被恢復后減少徑流泥沙及養分流失方面[11-12]，因此，針對該區域植被恢復演替過程中對土壤質量的影響亟待深入。本研究采用“空間序列代替時間序列”的方法[13-15]，研究不同植被恢復階段的土壤物理、化學以及生物學性狀，探討植被恢復過程中土壤質量的演變規律，并對土壤恢復做出全面合理的評價，以尋求恢復和改善土壤質量的對策，為區域植被恢復提供科學依據。

1 研究區概況

該區域位于湖南省中南部，湘江中游(地理坐標：110032′16″～113016′32″ E，26007′05″～27028′24″ N)，地貌類型以丘崗為主，呈網狀集中分布于該區域中部海拔60～200 m的地帶；該區域屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18℃，極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-7.9℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發量1426.5 mm。平均相對濕度80%,全年無霜期286 d。

2 研究方法

2.1 樣地設置與取樣

2015年9—10月，結合當地記載資料，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態因子基本一致的坡中下部、沿等高線的有代表性的、按照植被恢復階段從低到高順序的樣地分別為草坡(grassplot, GT)群落階段、灌草(frutex and grassplot, FG)群落階段、灌叢(frutex, FX)群落階段和喬灌(arbor and frutex, AF)群落階段，代表不同的恢復階段，每個樣地面積>1 hm2，演替初期均為撂荒地(表1)。在每個>1 hm2的樣地內設置3塊400 m2(20 m×20 m)的樣方，樣方間距>20 m，在每個樣方內按“S”型或“梅花”型布點，分別0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土樣，將相同生境、相同層次的5個點的土樣等比例混合為一個樣，去掉土壤中可見的植物根系和殘體，重復3次，編號；將土樣分為2部分，一部分風干過2 mm篩后供測土壤的理化性質；另一部分過篩(2 mm)后置于4 ℃的冰箱中(保存時間不超過4 d)備用，用于測定土壤的生物學性狀。

表1 樣地概況Table 1 Basic status of sampling sites

2.2 評價指標的選擇與測定方法

2.3 土壤質量評價

2.3.1評價指標隸屬度的計算 由于土壤因子的變化具有連續性，因此，采用具有連續性的隸屬度函數對各土壤因子評價指標進行標準化，同時利用主成分因子的正負性來確定隸屬度函數分布的升降性，其中土壤容重、電導率兩指標用函數(1)求隸屬度值，其他土壤因子指標采用函數(2)求隸屬度值[20-21]：

F(X)=(Xman-X)/(Xmax-Xmin)

(1)

F(X)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中：F(X)表示各土壤因子的隸屬度值，X表示各土壤因子值，Xmax和Xmin分別表示各土壤因子的最大值和最小值。

2.3.2評價指標權重的確定 由于各土壤因子的重要性不同，通常用權重系數表示各因子的重要性程度，通過主成分分析(principal component analysis, PCA)分別計算土壤各因子的主成分負荷量、方差貢獻率和積累方差貢獻率，進而計算各土壤因子在土壤質量評價中的權重。

(3)

式中：Wi為各土壤因子的權重，CCi為第i項土壤因子的因子載荷。

2.3.3土壤因子綜合指標值的計算 應用模糊數學中的模糊集加權綜合方法，計算各恢復階段IFI。

(4)

式中：Wi為各土壤因子的權重向量，F(Xi)為各土壤因子的隸屬度值。

2.4 數據分析

采用SPSS13.0進行方差分析法(ANOVA)、主成分分析法和相關分析(Correlation analysis)。所有數據均為3次重復的平均值。

3 結果與分析

3.1 不同恢復階段的土壤理化性狀

研究表明(見表2)，在0～20、20～40和40～60 cm各土層中，隨著恢復進行，土壤含水量顯著增加(P<0.05)，土壤容重和土壤電導率顯著減小(P<0.05)；在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落各階段，隨著土層深度的增加，土壤含水量顯著減小(P<0.05)，土壤容重和土壤電導率顯著增加(P<0.05)。

0～20 cm土層，隨著恢復的進行，土壤有機質含量顯著增加(P<0.05)，灌草、灌叢和喬灌群落的土壤有機質含量分別是草坡群落的1.54、1.78和3.39倍， 20～40 cm土層，土壤有機質的大小順序為喬灌群落>灌草群落>灌叢群落>草坡群落(P<0.05)，40～60 cm土層，灌草群落的土壤有機質最高，達(16.81±1.58) g·kg-1，顯著高于其他恢復階段(P<0.05)；在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落各恢復階段，隨土層深度增加，土壤有機質含量顯著減小(P<0.05)。

0～20 cm土層，隨恢復進行，全氮和硝態氮顯著增加(P<0.05)；20～40 cm土層，4個恢復階段全氮的大小順序為灌叢群落>喬灌群落>草坡群落>灌草群落(P<0.05)，硝態氮，灌叢和喬灌群落的值明顯高于草坡和灌草群落的值(P<0.05)；40～60 cm土層，隨著恢復的進行，全氮含量顯著增加(P<0.05)，硝態氮，喬灌群落的含量顯著高于其他植物群落的值(P<0.05)，分別為草坡、灌草和灌叢群落的1.92、1.21和1.23倍；在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落各恢復階段中，隨著土層深度的增加，全氮和硝態氮含量明顯減小(P<0.05)。

0～20 cm土層，灌叢和喬灌群落的土壤速效磷含量明顯高于草坡和灌草群落的土壤速效磷含量(P<0.05)，20～40 cm土層，灌叢群落>喬灌群落>草坡群落>灌草群落(P<0.05)，40～60 cm土層，喬灌群落的土壤速磷含量明顯高于其他植物群落的值(P<0.05)；在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落中，隨土層深度增加，土壤速效磷含量明顯減小(P<0.05)。

0～20 cm土層，草坡和灌叢群落土壤速效鉀的含量明顯高于灌草和喬灌群落的值(P<0.05)，20～40 cm土層，喬灌群落的值含量明顯低于其他植物群落的值，分別為草坡、灌草和灌叢群落的86.79%、88.68%和84.84%，40～60 cm土層，隨恢復進行，土壤速效鉀含量顯著增加(P<0.05)；在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落中，隨著土層深度的增加，土壤速效鉀的含量顯著減小(P<0.05)。

表2 不同恢復階段土壤理化性質Table 2 Soil physio-chemical properties at different re-vegetation stages

注：同行數據后不同大寫字母表示不同恢復階段差異顯著，同列數據后不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(P<0.05) ，下同

Note：Data followed by different capital letters within row indicate significant difference among different re-vegetation stages at 0.05 level, and data followed by different small letters within column indicate significant difference between soil layers at 0.05 level. The same as below

3.2 不同恢復階段土壤微生物生物量的變化

研究表明(見表3)，在0～20、20～40和40～60 cm各土層中，隨著恢復的進行，土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮顯著增加(P<0.05)。0～20 cm土層，灌草、灌叢和喬灌群落的土壤微生物生物量碳分別為草坡群落的1.33、2.03和2.28倍，20～40 cm土層，1.39、2.25和2.84倍，40～60 cm土層，1.56、2.78和3.60倍；0～20 cm土層，草坡、灌草和灌叢群落土壤微生物生物量氮分別為喬灌群落的48.74%、64.13%的64.94%，20～40 cm土層，77.52%、86.27%和92.82%，40～60 cm土層，84.63%、86.77%和89.16%。在草坡、灌草、灌叢和喬灌群落各恢復階段中，隨著土層深度的增加，土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮顯著減小(P<0.05)，草坡、灌草、灌叢和喬灌群落各土層的土壤微生物生物量碳的變化范圍分別為(176.00±14.28～351.02±27.12)、(275.34±25.27～466.54±31.01)、(486.67±32.37～712.43±43.21)和(631.50±54.29～798.97±50.28) mg·kg-1之間，土壤微生物生物量氮為(34.81±2.16～36.87±3.01)、(35.69±3.12～48.51±5.58)、(36.67±3.59～49.12±4.90)和(41.13±4.20～75.64±5.29) mg·kg-1之間。

表3 不同恢復階段土壤微生物生物量碳、氮的含量Table 3 SMBC and SMBN content at different re-vegetation stage

3.3 不同恢復階段土壤質量因子間的耦合關系

研究表明(見表4)，全氮與土壤有機質的相關系數為0.966**；硝態氮與土壤有機質、全氮的相關系數分別為0.893**和0.867**；速效鉀與全氮和土壤有機質的相關系數分別為0.601**和0.486*；土壤微生物生物量碳與土壤有機質、全氮、硝態氮和全鉀的相關系數分別為0.628**、0.672**、0.459*和0.601**；土壤微生物生物生物量氮與土壤有機質、全氮、硝態氮、速效鉀和土壤微生物生物量碳的相關系數分別為0.480*、0.483*、0.454*、0.592**和0.563**(**: α=0.01水平顯著; *: α=0.05水平顯著)。

表4 土壤質量因子間的相關性分析Table 4 Correlation analysis among soil quality factors

注：*表示P<0.05; **表示P<0.01

Note：*indicates difference at the 0.05 level；**indicates difference at the 0.01 level

3.4 土壤質量的綜合評價

表5 不同恢復階段土壤質量因子的隸屬值Table 5 Membership value of soil quality factors at different re-vegetation stages

表6 土壤質量因子的主成分分析Table 6 Principal component analysis of soil quality factors

3.4.2不同恢復階段土壤質量的綜合評價 由各恢復階段土壤質量的隸屬度值(表5)及其權重值(表6)，根據公式(4)計算得到草坡、灌草、灌叢和喬灌群落的土壤質量的綜合指數分別為0.482、0.485、0.522和0.528，灌草、灌叢和喬灌群落的土壤質量的綜合指數分別比草坡群落增加了0.62%、8.09%和13.69%。說明，在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復的進行，土壤質量綜合指數逐年提高。

圖1 不同恢復階段土壤質量綜合指數Fig.1 Integrated soil quality index at different re-vegetation stage

4 討論與結論

土壤質量是土壤系統內物理、化學和生物學組分之間復雜的相互作用體系[24]，土壤的生物學性質幾乎與所有的土壤過程有關。Pinkhurst[25]研究表明，土壤生物化學指標應滿足下列標準：(1)反映土壤生態過程的結構或功能，同時適用于所有的土壤類型和地貌特點；(2)對土壤健康變化做出反映；(3)有可行的度量測定方法；(4)能夠進行合理的解釋。土壤微生物生物量可以快速地反映土壤養分含量的變化、微生物群落大小和結構特征及植物根際活動所帶來的土壤微生物活性的變化。它與土壤肥力、土壤健康狀況等密切相關[26]，土壤微生物生物量更能反映微生物在土壤中的實際含量和作用潛力[27-28]。土壤微生物生物量是土壤有機質中最活躍和最易變化的部分，極易受土壤環境因子的影響，氣候變暖會降低土壤微生物量碳、氮的含量，其影響程度的強弱不僅與溫度有關，而且還決定于土壤基質和數量，土壤水分等因素[29-30]。在衡陽紫色土丘陵坡地，隨著植被恢復的進行，地表凋落物和根際代謝物增加，為土壤微生物提供較多的代謝能源，顯著增加土壤微生物生物量；在不同的恢復階段，隨著土層深度的增加，土壤微生物量顯著減小，說明0～20 cm土層的存在較多的土壤微生物，將其土壤的C、N固存在自身體內，這種方式有利于調節土壤養分的供應，提高養分供應率[31]。

從土壤理化性狀的時空性來看，隨著恢復進行，土壤含水量顯著增加，土壤容重、土壤電導率顯著減小，隨著土層深度的增加，土壤含水量顯著減小，土壤容重、土壤電導率顯著增加，說明植被恢復能夠改善土壤的質地和結構，使土壤的疏松、通氣和水分的有效性更加協調；另外，隨著植被恢復的進行，地表凋落物的量增大，有利于土壤養分的積累外[32]，由于作為土壤養分主要來源的枯落物與根際分泌物均聚集于土壤表層[33-34]。隨著植被恢復的進行，土壤養分顯著增加，由于逐漸增加的林分郁閉度減緩了枯落物的分解速度，且越靠近地表，養分差異越顯著，則隨著恢復的進行，不同土層深度的養分差異逐漸減小。這說明土壤理化指數是確保土壤生產力和維持土壤功能的基礎，同時，進一步印證了生態系統各個組分之間相互調節，使土壤質量指數處于不斷的變化狀態，最終土壤質量以生物指數的形式表現出來[35-36]。

土壤質量指標間的相互作用及協調效應能綜合地反映土壤生產力的高低和對逆境的適應能力[37]。本研究所選取的土壤質量指標間相互作用顯著(表4)，故在質量評價中全部預以考慮。同時，除速效磷與其他土壤因子的相關性不顯著之外，微生物量生物量碳、微生物生物量氮與其他指標間呈顯著相關。Zhang等[38]認為土壤聚合體不僅對微生物群落的結構有影響，還借助土壤有機質供給的保護作用調節微生物群落結構的穩定性，土壤理化性質的微小變化可引起土壤生物學性質的波動。本研究所選取的生物因子能夠反映土壤的生物學性質，他們與土壤肥力和土壤健康有緊密的關系[39-40]。

對不同恢復階段土壤質量的綜合評價可為該區域的植被恢復提供依據。本文采用“空間序列代替時間序列”的方法，研究了不同恢復階段的土壤理化性狀與生物學性質的變化特征，并且對不同恢復階段土壤質量進行了定量評價。結果表明：隨著植被恢復的進行，土壤的物理、化學及生物學性狀得到有效改善，土壤綜合質量得到提高，因為植被恢復是一個伴隨地上植被生長、發展的連續過程，所以隨著恢復時間的延長，地上植被逐漸向頂極群落發展，土壤改良效果越來越明顯[41]。因此，在衡陽紫色土丘陵坡地的生態治理過程中，應因地制宜進行植被恢復，并予以加強保護以增加成林年限，最終改善退化地區的土壤質量及生態系統功能。