基于主成分分析的大渡河中游干暖河谷草地土壤質量評價

李 霞,朱萬澤,舒樹淼,盛哲良,王文武

1 中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所, 成都 610041

2 中國科學院大學, 北京 100049

大渡河干暖河谷位于我國西南山區青藏高原過渡帶,生態環境脆弱,自然地質條件錯綜復雜。河谷區為自然災害的多發地段,多高山峽谷,植被在河谷坡面上作斷續帶狀分布,以灌叢、草叢或稀樹灌木草叢為主,植物群落層次結構單一,外貌隨干濕季節交替變化明顯[1]。河谷兩岸有大量裸露坡面,是泥石流、崩塌、滑坡等自然災害物源的主要來源之一[2-3],也是山區治理中最關鍵和最困難的一種特殊地域類型[1]。

坡面植被可減緩河流對河谷兩岸的直接沖刷,穩定坡面泥石流和滑坡物源,在調節坡面水分、攔截泥沙、網絡固結松散土體、維持和提高土壤質量等方面具有重要作用[4]。坡面植被恢復的理想方法是通過自然演替逐漸改善生態系統的微環境,由相對單一的植物群落逐漸恢復成為結構、組成和功能相對復雜的穩定群落[5]。干旱河谷植被恢復應從草地植被恢復入手[6],草地具有生長快,對生存環境要求相對較低等優點,只要灌草叢覆蓋度大于60%,即可保護土壤免于侵蝕[7],是快速增加坡面植被覆蓋的有效措施,也是植被自然演替重要的一環。大渡河干暖河谷草地面積約106.12 km2,為河谷區植被面積的12.2%,是河谷區重要的植被類型[8],其水土保持功能主要體現在顯著地防止風力和水力侵蝕,此外,草地在截留降水、廢棄物降解、營養元素循環和維持生物多樣性等方面發揮著重要作用[9],也是生物多樣性和珍稀動植物物種保護的重要基地[10]。發揮草地生態功能對推進河谷區植被恢復、區域生態平衡維系及促進當地畜牧業發展具有重要的意義[9-10]。

西南干旱河谷植被恢復與重建的關鍵在于土壤質量的改善[11]。土壤質量作為土壤的一種固有屬性,是土壤理化及生物學性質的綜合反映,在維持生態系統生物生產力、保護環境質量和動植物健康等方面具有重要作用[12],土壤質量優劣關系到生態恢復進程、演替方向以及整個生態系統穩定性[13],直接影響河谷兩岸植被恢復進程,土壤在植被恢復演替過程中的作用已受到廣泛的關注[14]。坡向作為山地的主要地形因子之一,雖然相互間的距離較近,但不同坡向土壤含水量、土壤養分等生境因子變化劇烈[15],并影響著相應的植被分布格局[16]。開展大渡河干暖河谷土壤質量評估,可為該區域植被恢復和生態系統功能的可持續性提供科學依據。

大渡河干暖河谷瀘定到漢源段是地質災害多發的中游河谷區,河谷土壤歸屬于黃紅壤[17],王良健等[18]依據該區域河谷土壤理化性質又將土壤歸屬于山地褐土和山原紅壤。隨著對土地可持續利用的日益重視,大渡河干暖河谷區土壤質量相關研究也逐漸深入,劉蔚等[19]分析了大渡河中游干旱河谷云南松凋落葉分解和土壤呼吸對降水增加的響應,發現土壤全氮、微生物碳和氮呈現濕季高、干季低的特征,而土壤硝態氮和銨態氮濕季低、干季高,土壤微生物碳與土壤全氮、硝態氮、銨態氮之間存在明顯的相關關系。趙琳等[20]研究表明,海拔、坡度、坡向、微地形、土層厚度和土壤質地是大渡河干暖河谷區各立地類型的主要影響因子。但尚缺乏針對大渡河干暖河谷區草地土壤質量的研究報道,鑒于其在大渡河干暖河谷植被恢復及植物群落演替中具有重要作用,本研究從分析大渡河干暖河谷不同坡向類型和植被蓋度的草地土壤理化學性質入手,采用主成分分析法評價了河谷區草地土壤質量,分析了河谷坡向和草地植被蓋度與土壤質量的關系,研究可為川西干暖河谷土壤管理和植被恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于大渡河中游瀘定至漢源干暖河谷區,地理位置102°13′E—102°45′ E,29°14′N—29°82′ N,平均海拔1300 m。流經長度152.4 km,屬北亞熱帶季風氣候,干濕季明顯,年均氣溫16.9℃,年均降水量801.3 mm,降雨多集中于6—9 月,約占全年降水量的82.2%[21]。該區域植被群落以灌草為主,根據LANDSAT-TM、HJ衛星遙感數據,采用混合分類法對研究區進行土地利用類型提取,并對天然植被面積和草地面積分析顯示,草地約占區域內天然植被面積的10.03%,灌叢主要有多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)、車桑子(Dodonaeaviscosa)等旱生河谷灌叢,草主要有薹草(Carexspp)、白茅(Imperatacylindrica)、黃茅(Heteropogonconiorius)、鬼針草(Bidenspilosa)、蕓香草(Cymbopogondistans)、黃背草(Themedatriandravar.japonica)等種類,同時也分布有以云南松(Pinusyunnanensis)及櫟類為主的次生針葉林或針闊混交林。該區域土壤主要由砂頁巖發育而來,代表性土壤從下到上的垂直序列為褐土—棕壤—暗棕壤,土壤質地輕壤至重壤土,巖性松散,土層淺薄且礫石含量大。

1.2 野外土壤樣品采集

于2018年9月和2019年9月分別進行了兩次土壤樣品采集,沿大渡河流域瀘定至漢源干暖河谷,將整個河谷坡面依據坡向劃為8 個方位(北、東北、東、東南、南、西南、西、西北),在每個坡向根據植被蓋度隨機設置5 m × 5 m的草本研究樣地,將每個樣地分為9個網格,每個網格順序編號后利用抽簽的方法隨機抽取3 個網格作為樣點,采集樣點表層0—20 cm土壤樣品,將同一樣地內的3 個樣點土壤混合作為該樣地土壤樣品,共采集了102 個樣品。其中,植被蓋度< 30%的樣地12 個,植被蓋度為30%—50%的樣地33 個,植被蓋度為50%—70%的樣地48 個,植被蓋度> 70%的樣地9 個,在相同剖面相應深度處用100 cm3的環刀采集土壤樣品,土壤樣品收集到自封袋中,帶回實驗室進行土壤物理化學性質分析。

1.3 土壤理化性質測定

土壤物理性質測定：土壤礫石含量、容重、最大持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、土壤通氣度和土壤排水能力等采用環刀法測定,土壤含水量采用鋁盒法測定。

土壤化學性質測定：土壤pH值采用1：2.5電位法,土壤全碳、全氮采用元素分析儀(Elementar vario MACRO cube,Germany)測定；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[22]。

1.4 主成分分析

(1)最小數據集(MDS)構建

主成分分析(PCA)可將土壤指標的數量減少到有限的一組向量中,包含若干關鍵指標,這些指標反映了土壤主要生態功能[23]。通過PCA確定影響土壤質量的最小數據集(MDS),可在一定程度上通過數據篩選,減少參評土壤指標的數量,解決了數據冗余的問題。PCA選擇對樣本總方差的解釋力大于5%的主成分,在所有主成分組別中,只將具有較大特征值的指標保留至MDS中[24]。為了避免數據冗長以及信息丟失的問題,通過計算變量的Norm值(矢量常模)的方法來克服此缺陷,當一個組別中存在大量的土壤指標,并且這些土壤指標都具有代表性時,則選擇具有最大Norm值的指標,Norm值的計算公式為[25]：

(1)

式中,Nik為第i個變量在特征值≥ 1的前k個主成分上的綜合荷載；Uik為第I個變量在第k個主成分上的荷載,反映了第i個變量在第k個主成分的相對重要性；λk是第k個主成分的特征值。

選出PCA分析特征值≥ 1且主成分中因子荷載絕對值≥ 0.5的土壤指標分為一組,若出現土壤指標同時在兩個主成分中的因子荷載值都≥ 0.5的情況,則進行指標間相關性分析,將相應土壤指標歸并到與其他土壤指標相關性較低的那一組[26]。土壤指標間的相關性越好,表明土壤指標的作用效果相近,相關性較高的土壤指標只有一個可以入選MDS,其余將被剔除[27]。

1.5 土壤質量進行評價

將確定的MDS各指標數值標準化處理為0—1的無量綱值,再根據各指標公因子方差通過式(2)計算其相應權重：

(2)

式中,Wi為指標權重；Ci為該指標公因子方差；n為最小數據集指標數。

最后,指標得分通過式(3)被整合為一個綜合指數,即土壤質量指數(SQI)[27]:

(3)

式中,Qi為評價對象的質量指數；Wi為第i個評價指標的權重；Cij為評價對象i在第j個評價指標的值(無量綱值),其中n= 9,m由各植被類型所采集土壤樣品數而定。

利用SPSS 16.0軟件的Descriptive Statistics進行最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數分析,利用Factor Analysis進行相關性分析、主成分分析,土壤指標的相關性分析檢驗在0.05或0.01顯著性水平上進行,圖表繪制使用Origin和Excel完成。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

土壤物理化學性質是反映土壤綜合質量的重要指標。大渡河干暖河谷區草地土壤理化性質分析顯示(表1),土壤pH值在5.380—8.780之間,變異系數最小,其中弱堿性樣地占樣地總數的75%,弱酸性樣地占25%,研究區土壤以弱堿性為主；土壤有效磷變異系數大于1,為強變異指標,說明該區域草地土壤有效磷具有強烈的空間異質性,其余土壤理化指標變異系數均在0.1—1的范圍內,屬于中等變異。整體來看,研究區土壤理化性質在中等變異范圍內。

表1 土壤指標的描述性統計

2.2 最小數據集(Minimum data set, MDS)的確定

基于13個土壤理化指標的主成分分析結果見表2,表中列出PCA分析所得4組主成分特征值均大于1,解釋了研究區理化指標對土壤質量影響的77.37%。土壤質量指標的公因子方差分析表明,4組主成分能解釋土壤有機質90%以上的差異,礫石含量、容重、土壤含水量、毛管空隙度、全氮、碳氮比、速效鉀和速效磷80%以上的差異,非毛管空隙度、p H值、全鉀及全磷約70%的差異(表2)。選擇各主成分組荷載因子絕對值≥ 0.5的指標組成4組主成分分析MDS備選指標,其中,第1組包括礫石含量、有機質、速效鉀、全磷和全鉀；第2組包括土壤含水量、碳氮比和有效磷；第3組包括毛管空隙度和非毛管空隙度；第4組包括容重和全氮。

表2 土壤指標主成分分析的結果及公因子方差和分組

Pearson相關性顯著的土壤指標中僅一個可入選MDS,其余被剔除,如果一個指標與其他指標間高度加權的相關不顯著,則保留為最小數據集。在分組1、3中,分別將Norm值最大的有機質和非毛管孔隙度納入MDS; 在分組2中,土壤含水量Norm值大于碳氮比和有效磷,但碳氮比與土壤各指標相關性小于土壤含水量和有效磷,因此,選擇碳氮比進入MDS,以同樣的方法將分組4中的容重納入MDS。最終確定的大渡河干暖河谷草地土壤質量MDS包含土壤非毛管孔隙度、容重、有機質和碳氮比等4個指標。

通常干旱河谷、干暖河谷植被狀態的主要限制因素是土壤水分條件,但水分含量與土壤容重顯著相關(P< 0.1),根據顯著相關的指標選擇Norm值最大的指標歸入MSD的原則,本文土壤含水量沒有納入MSD中,這也與大渡河干暖河谷中游區降水量差別不大,造成各樣地土壤水分含量異質性不大有關。

2.3 草地土壤質量指數

根據最小數據集(MDS)的公因子方差,運用公式(2)計算出最小數據集各土壤質量指標的權重(表3),再根據公式(3)計算出草地土壤質量指數(SQI)。

表3 最小數據集(Minimum data set, MSD)中的土壤指標的公因子方差及權重

圖1 最小數據集(MSD)土壤理化指標對土壤質量指數的影響

MDS中各理化指標對土壤質量指數的影響見圖1,非毛管孔隙度對草地土壤質量的影響為最大,土壤質量指數分布在0.033—0.115,均值為0.077；碳氮比對土壤質量影響最小,其土壤質量指數分布在0.02—0.064,均值為0.048。MDS中各土壤理化指標對土壤質量指數的影響大小依次為：非毛管孔隙度> 容重> 有機質> 碳氮比。

研究區不同坡向草地土壤質量存在一定差異(圖2),可根據SQI高低分為2 組,其中,SQI較高的一組東北坡> 東坡> 西坡> 北坡,SQI較低的一組西南坡> 南坡> 東南坡> 西北坡,SQI總體呈現由東北向西南遞減的趨勢,表明大渡河干暖河谷草地土壤質量的坡向空間變異較大。東北坡、東坡和北坡SQI受土壤容重的影響較大；東南坡、南坡、西坡、西北坡、西南坡SQI受土壤非毛管空隙度的影響較大；不同坡向MSD各指標SQI平均值：非毛管空隙度> 容重> 有機質> 碳氮比,非毛管空隙度對土壤質量影響最大。

圖2 坡向與土壤質量指數(SQI)之間的關系

圖3 植被蓋度與土壤質量指數(SQI)之間的關系

植被蓋度是評估土地退化的有效指數[28]。由圖3可知,大渡河干暖河谷土壤質量隨著植被蓋度的減少而降低,與蓋度> 70%的草地土壤相比,50%—70%、30%—50%和< 30%蓋度的草地SQI分別降低了12.9%,33.7%和37.9%。土壤容重與植被蓋度具有較好相關性,隨著草地植被蓋度的減少,土壤容重對土壤質量的影響增強,非毛管孔隙度、土壤有機質和碳氮比則逐漸減弱。植被蓋度< 30%草地MDS各指標土壤質量指數：土壤容重> 非毛管孔隙度> 有機質> 碳氮比,而> 70%蓋度草地MDS各指標土壤質量指數：非毛管孔隙度> 有機質> 土壤容重> 碳氮比,表明低植被蓋度土壤質量主要受土壤容重和非毛管孔隙度的影響,而高植被蓋度土壤質量主要受土壤非毛管空隙度和有機質影響。

磷和鉀是植物生長必須的營養元素,也是土壤肥力的重要組成分。本文分析發現這兩項指標并非影響大渡河干暖河谷草地土壤質量的主要指標。為了評價鉀和磷對土壤質量的影響,本文將磷和鉀分別加入重建MSDⅠ和MSD Ⅱ。土壤全磷除與有效磷顯著相關外,還與礫石含量、容重、含水率、非毛管孔隙度和速效鉀等5個指標顯著相關,而有效磷則與容重、含水率、毛管空隙度和全鉀等4個指標顯著相關(表2),按照相關性較高的土壤指標只有一個可以入選最小數據集,并且應選擇與其他指標相關性較弱的指標進入最小數據集的原則,將有效磷納入新建的最小數據集Ⅰ(MSDⅠ),同時去掉與其顯著相關的土壤容重指標,MSDⅠ包括有效磷、有機質、非毛管空隙度和碳氮比等4個指標。以相同的方式重建鉀對土壤質量的影響最小數據集Ⅱ(MSDⅡ),包括速效鉀、有機質、非毛管孔隙度和容重等4個指標,通過公式(2)和(3)分別計算對SQIⅠ和SQIⅡ進行計算。

由圖4可知,MDSⅠ中,對土壤質量的影響最大的是土壤有機質含量,SQIⅠ集中分布在0.047—0.116,均值為0.090；有效磷對土壤質量影響最小,SQIⅠ分布在0.007—0.024,均值較土壤有機質降低了61.1%,也低于MDSⅠ中其他指標,可見,土壤有效磷并非影響大渡河干暖河谷區草地土壤質量的核心土壤理化指標；將速效鉀納入MDSⅡ后,對土壤質量的影響最大的是容重(圖5),SQIⅡ分布在0.030—0.164,均值為0.109,速效鉀對土壤質量影響最小,SQIⅡ集中分布在0.015—0.046,均值較土壤有機質降低了68.8%,土壤速效鉀也非影響大渡河干暖河谷區土壤質量的核心土壤理化指標。因此,本文評價大渡河干暖河谷草地土壤質量所使用的MSD是合理的。

圖4 最小數據集(Minimum data setⅠ, MSDⅠ)土壤理化指標對土壤質量指數的影響

圖5 最小數據集(Minimum data set Ⅱ, MSDⅡ)土壤理化指標對土壤質量指數的影響

2.4 土壤質量等級劃分

本文用“箱形圖”表征各植被類型土壤質量指數分散情況,分析土壤質量分布特征(圖6),將研究區的土壤質量分為由低到高的Ⅰ—Ⅳ級,各級別土壤質量指數分布情況如下：Ⅰ級0.069—0.190,Ⅱ級0.190—0.251,Ⅲ級0.251—0.344,Ⅳ級0.344—0.567。根據各坡向SQI將東北坡劃分為Ⅳ級,東坡、西坡、北坡是Ⅲ級,西南坡、南坡和東南坡是Ⅱ級,僅西北坡是Ⅰ級。不同草地植被蓋度土壤質量均值分級均在Ⅱ級以上,可見,坡向對土壤等級的劃分更加細致準確,Ⅱ級和Ⅲ級等中間級別分布較多,參照第二次全國土壤普查中所采用的6級土壤肥力的分級標準[29],大渡河干暖河谷區草地土壤肥力在2—4級之間,也屬于中等肥力水平。

圖6 土壤質量等級劃分

3 討論

3.1 坡向對土壤質量的影響

坡向對河谷區土壤生境因子(土壤含水量、土壤養分)影響較大[15]。本研究發現,大渡河干暖河谷區草地土壤質量從東北坡到西南坡逐漸降低,與吳昊[30]與劉旻霞等[31]關于土壤因子對坡向的響應研究結果一致。由于北半球南坡所接受的太陽輻射明顯強于北坡,且日照時間長,蒸發量大,在河谷區南坡形成熱而干旱的微氣候,而北坡則正好相反[31],受這些因素的影響,南坡土壤礦化作用遠高于北坡,地溫變化更劇烈,進而對土壤微生物活性產生不利影響[32]。相對而言,北坡光照恒定,地溫趨于穩定,更有利于土壤動物和微生物活動[33]。在草地生態系統服務功能中,土壤微生物的生物化學活性對土壤肥力影響較大,進而影響草地植物生長發育與土壤健康狀況[34],導致北坡土壤有機質及氮素的分解和轉化速率相對低于南坡,更有利于養分積累。

3.2 植被蓋度對土壤質量的影響

植物群落的變化總是與土壤相關聯,土壤為植被的存在和發展提供必要的物質基礎,土壤質量的變化會在一定程度上影響植被的變化,反過來植被的變化也會影響土壤發育[35-36]。大渡河干暖河谷區草地土壤質量隨著植被蓋度的減少而降低,這與尚占環[37]和劉鑫[23]等有關草地土壤質量與植被蓋度關系的研究結果一致,隨著生態系統的退化,草地表層失去植被保護導致表層土壤養分流失[38],進而降低了土壤質量。

本研究發現高蓋度草地土壤質量主要受非毛管空隙度影響,非毛管孔隙度大則土壤通透性強,有利于土壤生物(土壤動物、微生物)生長和土壤有機質含量增加[39],從而促進了主要來源于植物根、土壤微生物、植物和動物殘留物的土壤酶增加,有利于土壤質量的提高[40]。反之,土壤質量的惡化也體現在土壤微生物和土壤動物的生存與繁衍受到嚴重威脅[41]。低植被蓋度草地土壤質量主要受容重影響,容重、有機質是表征土壤理化性質的重要參數,對土壤肥力狀況、結構穩定性及抗蝕性能有著重要的影響[42],容重越大,土壤越緊實,導致土壤通氣性小,不利于土壤動物和微生物的生存和活動,從而降低了土壤有機質的形成與轉化速率,使土壤質量降低。此外,雖然河谷區土壤粘化作用微弱,鈣化作用明顯,潛在肥力水平較高,但由于焚風效應和干濕季節分明的氣候特點,河谷區土壤水分的限制作用降低了土壤有效性肥力的轉化形成[43-44],也不利于土壤質量的提高。土壤容重較高是導致河谷區低植被蓋度的草地土壤質量指數較低的主要原因。

3.3 土壤磷和鉀對土壤質量的影響

土壤磷和鉀作為植物生長必須的營養元素是土壤質量研究中的重要因子。本研究發現磷和鉀并非影響大渡河干暖河谷草地土壤質量的主要指標,這與磷和鉀含量的高低和分布與地形、母質等自然因素有關,主要決定于母質[45],干暖河谷具有的光熱資源及水熱條件有利于土壤中鉀和磷的釋放,河谷區土壤潛在肥力水平較高[43-44],土壤中磷和鉀供給量與植被蓋度之間無明顯的關系[46],未對草地植物生長造成顯著影響。

3.4 土壤質量評價

大渡河干暖河谷區草地質量分級表明,土壤質量中間級別占比大,且大多處在2—4級的中等肥力水平。總體來看,該區域草地土壤質量較好,潛在肥力水平較高,對于植物生長和植被演替十分有利,是今后植被人工恢復和重建的重點區域。在大渡河干暖河谷區植被恢復過程中,應綜合考慮區域土壤特性、植被群落情況、地形地貌、氣候條件和管理措施等因素,科學開展裸地和稀疏草地植被恢復,促進大渡河干暖河谷植被生態治理,增強干暖河谷水土保持能力。草地土壤質量評價為植被恢復過程中各環境因子調節以及生態系統多元功能之間的權衡提供了科學依據,提供未來發展變化趨勢的有效預警,使草地系統在科學的調控下可持續發展。