喀斯特區不同植被恢復措施土壤質量評價

董 茜，王根柱，龐丹波，董 亮，張 梅，

劉玉國6，萬 龍1,2，周金星1,2＊

(1. 北京林業大學水土保持學院，林業生態工程教育部工程研究中心，水土保持國家林業和草原局重點實驗室，北京 100083；2. 北京林業大學云南建水荒漠生態系統國家定位觀測研究站，北京 100083；3. 寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部 共建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；4. 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021；5. 云南省建水縣林業和草原科技推廣站，云南 建水 654300；6. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091)

人地矛盾沖突導致超量砍伐森林，使得生態系統退化、土地荒漠化速度加快、土壤肥力降低[1-2]。土壤質量與植被類型密切相關，一方面，林木生長吸收土壤中的養分，土壤理化性質影響植物的生長；另一方面，植物凋落物經過分解將養分歸還土壤，改善土壤質量[3]。不同植被恢復措施對土壤養分狀況的影響程度不同[4]，土壤質量優劣綜合體現于土壤生產性能、持水保水性能等方面[5]。我國滇東南喀斯特類型主要為斷陷盆地，氣候季節性干旱嚴重，土壤瘠薄，石漠化現象嚴重，土壤具有低磷高鈣的特征。自2008 年以來，滇東南實施了大面積的石漠化綜合治理工程，探究不同恢復措施下的土壤質量對評判植被恢復成功與否具有重要意義。

提取合適的評價指標是土壤質量評價過程的重要環節[6]，最小數據集法被廣泛應用于土壤質量評價與檢測工作[7-10]。楊文娜等[11]在貴州印江典型喀斯特區利用2 種方法對不同土地利用方式土壤進行質量評價，得出主成分分析法及模糊評價法均能較準確評價土壤質量。孫建等[12]探討石漠化區4 種生態恢復模式對土壤質量的改善，表明金銀花（Lonicera japonicaThunb.） 和 花 椒（Zanthoxylum bungeanumMaxim.）對當地植被恢復有積極作用。盡管先前的研究探索了各種評估土壤質量的指標和方法，但在特殊地質背景下的巖溶生態脆弱區土壤質量評價仍較薄弱。本文以滇東南喀斯特區石漠化治理工程中常用的5 種植被恢復措施為研究對象，深入了解不同植被恢復措施對土壤理化性質、全鈣及全鎂的影響；建立最小數據集土壤質量綜合評價體系，并確定哪種植被恢復措施下土壤質量效果最優，為喀斯特區植被恢復提供理論指導。

1 研究區概況

研究區位于云南建水荒漠生態系統國家定位觀測研究站（102°47′7″～102°57′18″ E，23°40′49″～23°44′9″ N），該地區屬亞熱帶季風氣候。年平均氣溫約19.8 ℃，年平均降水量約805 mm，有明顯的旱季（11 月至次年4 月）和雨季（5—10月）。該地區具有典型的喀斯特地貌特征，屬于喀斯特地塹盆地。土壤主要為石灰質土壤，由石灰巖基底發育而成，呈紅色[13]。由于嚴重的人為干擾，區內土壤和植被退化，形成大面積荒地。自1996 年以來，由于退耕還林工程的實施，該地區大量的人工林用于恢復退化的生態系統。該地區亞熱帶原始森林大部分被人類破壞，出現了天然次生林。研究區主要造林樹種為云南松（PinusyunnanensisFranch.）、 車 桑 子（Dodonaea viscosa(L.) Jacq.）、女貞（Ligustrum lucidumAit.） 、 白 槍 桿 （Fraxinus malacophyllaHemsl.） 、 栓 皮 櫟 （Quercus variabilisBlume）、直桿藍桉（Eucalyptus globulussubsp.maidenii(F. Mueller) Kirkpatrick）、 馬 尾 松（Pinus massonianaLamb.）、清香木（Pistacia weinmannifoliaJ. Poisson ex Franchet）等[14]。

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2016 年6 月，分別選取不同類型林分，包括天然闊葉次生林及人工林。人工林中喬木選取了云南松及馬尾松針葉林、直桿藍桉闊葉林，同時選取了車桑子灌木林，樣地基本情況見表1。根據對不同林分類型的樹種恢復效果進行對比，結果更具代表性。樣地大小為20 m × 20 m，每種植被類型3 個重復，共選取15 個樣地進行每木檢尺并采樣。于2016 年8 月從每個樣地中隨機挖取3個土壤剖面，移除凋落物層，采集0～10、10～20、20～30 cm3層的土壤樣本。將3個剖面的同一土壤層中的樣品合并，并通過2 mm 與0.15 mm 孔徑網篩進行篩分，進行土壤化學性質及金屬元素測定；同時分3層取土壤環刀并稱質量，帶回實驗室進行物理性質測定。

表1 不同恢復措施樣地基本情況Table 1 Basic information of different recovery measures

2.2 土壤理化性質及金屬元素測定

測定指標包括基礎理化性質：土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、飽和含水量、pH 值、有機碳、全氮、全磷、氨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀，其參照土壤農化分析方法進行測定[15]。研究區屬于巖溶區，母巖多為石灰巖及白云巖，而石灰巖主要由CaCO3組成，白云巖主要由方解石組成，富含鈣、鎂元素，全鈣、全鎂對于植物生長發育有較大影響[16]。全鈣及全鎂采用HNO3-HF-HCl 微波消解法并采用電感耦合等離子體質譜儀測定[17]。

2.3 基于主成分分析法的最小數據集構建

選取不同植被恢復措施0～20 cm 表層[18]土壤指標，利用SPSS 對其理化性質及全鈣、全鎂進行因子分析并計算指標Norm 值[6]。Norm 值（Nik）計算公式如下：

式中：Nik是第i個指標在特征值≥1 的前k個主成分上的綜合載荷[6]；uik是第i個指標在第k個主成分上的載荷[6]；λk是第k個主成分的特征值[6]。

2.4 基于聚類分析法的最小數據集構建

在R 語言中采用Ward 法（歐氏距離）進行聚類分析，將指標分為表征不同土壤質量特征的組別，組內相關性較高的可代替，結合參考文獻[15]及野外調查數據，剔除冗余指標。

2.5 土壤隸屬函數法評定土壤質量

利用“S”型函數、反“S”型函數及拋物線函數，進行土壤質量指數計算。

土壤有機碳、全氮、氨態氮、硝態氮、全磷、有效磷、速效鉀、毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量、飽和含水量在一定范圍內與評價指標及土壤質量成正相關，采用“S”型函數進行計算。

土壤全鈣、全鎂、非毛管孔隙度在一定范圍內與評價指標成負相關，采用反“S”型函數進行計算。

土壤pH 值、密度的指標值具有最佳適宜范圍，偏離程度越大則對土壤功能影響越小[6]，故采用拋物線函數進行計算。

式中：u(x)為隸屬函數，x為指標實際值，a為指標閾值下限，b為指標閾值上限[6]；a1指標臨界值下限，a2指標臨界值上限，b1最適宜值上界點，b2最適宜值下界點[6]。

采用主成分分析法中的權重進行土壤質量指數（SQI）計算：

式中：wi是第i個指標的權重，Ni為第i個指標的隸屬值[19]。

3 結果分析

3.1 不同植被恢復措施土壤質量特征

圖1 表明：毛管持水量、飽和含水量排序為：車桑子灌木林>馬尾松針葉林>天然次生林>直桿藍桉闊葉林>云南松針葉林。車桑子灌木林土壤飽和含水量顯著高于其他植被恢復模式，其保水持水效果最佳，云南松針葉林則較差（p<0.05）。除土壤密度外，其他指標均隨土層深度增加呈降低趨勢。

注：不同大寫字母表示不同恢復措施同一土層間差異顯著（p＜0.05）；不同小寫字母表示同一恢復措施不同土層間差異顯著（p<0.05）。下同。Notes：Different capital letters indicate significant difference between different restoration measures and the same soil layer (p<0.05);Different lowercase letters indicate significant difference between different soil layers of the same restoration measures (p<0.05). The same below.

圖2 表明：pH 值在5.43～7.1 間浮動，馬尾松針葉林及車桑子灌木林土壤偏酸性。土壤有機碳、全氮、氨態氮、硝態氮、全磷整體呈隨土壤深度增加而降低趨勢（車桑子灌木林氨態氮除外）；有效磷及速效鉀呈不規則浮動，車桑子灌木林速效鉀顯著高于其他恢復措施（p<0.05）。圖3 表明，全鈣在不同恢復措施間無顯著差異，天然林及直干藍桉闊葉林全鎂含量顯著高于其他恢復措施（p<0.05）。

圖2 不同植被恢復措施土壤化學性質Fig. 2 Chemical properties of different vegetation restoration measures

注：不同字母表示不同恢復措施間差異顯著（p＜0.05）。Notes: Different letters indicate significant difference between different recovery measures (p < 0.05).

3.2 全量數據集土壤質量評價結果

利用土壤理化性質及全鈣、全鎂等16 個指標對土壤質量指數進行計算，得出5 種植被恢復措施的土壤質量指數順序為：車桑子灌木林（0.496）>馬尾松針葉林（0.475）>云南松針葉林（0.460）>然次生林（0.440）>直桿藍桉闊葉林（0.395）。

3.3 喀斯特區恢復林地最小數據集建立

3.3.1 基于主成分分析最小數據集建立 利用主成分分析法對全量數據集進行因子分析，按照累積方差貢獻率≥80%的原則[20]，提取了前4 個公因子。根據因子載荷分為4 組（表2），其中，第1 組土壤有機碳與pH 值、硝態氮、有效磷、速效鉀、土壤密度及全鈣顯著相關（表3），選取土壤有機碳進入最小數據集；總孔隙度與毛管孔隙度、毛管持水量、飽和含水量高度相關（表3），選取總孔隙度進入最小數據集。第2 組氨態氮與全磷顯著相關，選取氨態氮進入最小數據集；全鎂直接進入最小數據集（表3）。第3 組全氮直接進入最小數據集。第4 組非毛管孔隙度直接進入最小數據集。基于主成分分析法提取的最小數據集包括土壤有機碳、氨態氮、全鎂、全氮、總孔隙度、非毛管孔隙度。根據選取出的6 個指標計算土壤質量指數，不同植被恢復措施排名為：馬尾松針葉林（0.202）>車桑子灌木林（0.199）>天然次生林（0.191）>直桿藍桉闊葉林（0.183）>云南松針葉林（0.149）。

表2 主成分因子載荷矩陣及因子權重Table 2 Principal Component Factor Load Matrix and Factor Weight of Soil Physicochemical Properties

3.3.2 基于聚類分析最小數據集建立 基于聚類分析法中Ward 法（歐氏距離）聚類，對評價指標進行分類。圖4 表明：在聚合水平0～3.5 之間，指標可明顯劃分為4 類。第一類土壤密度與毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量存在相關性，合適的土壤密度有助于植物生長，是最常用的物理指標[21]，選取土壤密度進入最小數據集。全磷及有效磷中，對于短期土壤質量有明顯變化的為有效磷[22]，且其屬于強變異，故選取有效磷進入最小數據集。非毛管孔隙度、全鎂與組內其他因子無明顯相關性，其中，非毛管孔隙度與土壤密度評價效果重疊，故將其剔除，全鎂進入最小數據集。第二類速效鉀與全鈣均進入最小數據集。第三類全氮與氨態氮存在相關性（表3），全氮、硝態氮及氨態氮在植物生長發育過程中，起作用較大的為硝態氮及氨態氮[23]，在pH 值較低和氮限制下，植物對于氨態氮吸收更好[20]，選取氨態氮、pH 值進入最小數據集。第四類有機碳與飽和含水量高度相關（表3），碳含量處在合理范圍內，可以對飽和含水量進行有效調控[24]，選取有機碳進入最小數據集。基于聚類分析法提取的最小數據集包括土壤密度、有效磷、全鎂、速效鉀、全鈣、氨態氮、pH 值、有機碳。根據選取出的8 個指標計算的土壤質量指數排序為：車桑子灌木林（0.292）>直桿藍桉闊葉林（0.259）>馬尾松針葉林（0.226）>云南松針葉林（0.216）>天然次生林（0.211）。

3.3.3 最小數據集合理性驗證 將全量數據集土壤質量指數與最小數據集土壤質量指數作散點圖進行回歸分析，從擬合效果看（圖5），全量數據集-土壤質量指數與主成分分析-土壤質量指數的相關系數為0.843 5，全量數據集-土壤質量指數與聚類分析-土壤質量指數的相關系數為0.767 9。滇東南喀斯特區主成分分析法更適用于提取最小數據集指標進行土壤質量評價。

圖4 不同植被恢復措施土壤質量評價指標聚類分析Fig. 4 Cluster analysis of soil quality evaluation indicators for different vegetation restoration models

圖5 最小數據集與全量數據集的相關性Fig. 5 The correlation between the smallest data set and the full data set

表3 土壤理化性質及全鈣全鎂相關性矩陣Table 3 Physical and chemical properties and correlation matrix of total calcium and total magnesium

4 討論

4.1 不同植被恢復措施土壤理化性質

森林土壤是植被類型、氣候因子以及人為干擾等因素綜合作用的結果。喀斯特斷陷盆地區由于季節性干旱的影響，樹種選擇不同造成了土壤理化性質的差異。車桑子由于喜光、耐旱、耐瘠薄的特性，能在石灰巖裸露的荒山生長，是喀斯特區較干旱區域大面積恢復的植被樹種。車桑子灌木林土壤密度與其他恢復措施存在顯著差異，主要因為車桑子灌木林根系較淺，對于淺層土壤物理性質影響較大，表層土壤改良效果明顯，土壤密度比其他植被恢復措施有顯著降低[25]，但深層土壤受到根系擾動較少，不易改變其物理性質[26]，亟需發展改良深層土壤物理性質的植被恢復措施。車桑子灌木林土壤有機碳、氨態氮、硝態氮、速效鉀等指標均處于優勢地位，其土壤短期恢復效果較佳，故車桑子作為先鋒恢復樹種，對土壤改良有良好作用，但是后期車桑子林恢復措施顯著降低生態系統植物多樣性，需進行物種替代。化學性質是反映不同植被恢復措施改良土壤狀態的重要因素[27]，分析土壤化學性質有助于了解土壤因子與群落類型之間的關系[28]。喀斯特斷陷盆地不同植被恢復措施間化學性質存在顯著性差異。馬尾松針葉林及車桑子灌木林偏酸性，同等環境條件下針葉林土壤酸性更強，將限制細菌活動，分解緩慢，易形成粗腐殖質。不同植被恢復措施因其群落結構、凋落物種類及分解速率存在較大差異，從而導致有機質含量不同[29]。土壤有機碳表現為車桑子灌木林>馬尾松針葉林>天然次生林>直桿藍桉闊葉林>云南松針葉林，闊葉林與針葉林間無明顯規律性，這與耿玉清等[30]研究不同類型對土壤有機碳影響的結果類似。從土壤全氮、全磷等養分含量看，直桿藍桉闊葉林全氮含量位居首位，硝態氮及氨態氮含量卻缺乏。不同植被恢復措施土壤化學性質仍顯現出喀斯特區低磷高鈣的特點，全磷及有效磷整體處于較低狀態，且植被恢復后，磷元素變化幅度不大，這是因為亞熱帶酸性土壤中，磷易于形成不溶性磷化合物[3]，因而，斷陷盆地喀斯特區磷限制性仍是植被恢復需解決的重要瓶頸問題。森林土壤全鎂在不同植被恢復措施間存在顯著差異，說明其含量與林分類型密切相關。全鎂在天然林及直干藍桉闊葉林中含量較高，闊葉林林下凋落物層豐富，有利于土壤陽離子交換吸附，造成土壤堿性金屬相對累積[3]。

4.2 不同植被恢復措施土壤質量評價

采用全量數據集及最小數據集法，結合土壤質量指數對云南省喀斯特區不同植被恢復措施下土壤質量進行綜合評價，最小數據集得出的評價指數與全量評價指數相關系數達顯著相關，且基于主成分分析法的最小數據集提取方法相關系性達0.843 5。說明最小數據集評價指標體系均有較好代表性，適宜于喀斯特巖溶區土壤質量評價。喀斯特斷陷盆地進行土壤質量評價時從16 個指標減少為6 個指標，分別為有機碳、全氮、氨態氮、總孔隙度、非毛管孔隙度、全鎂，大幅減少了工作量，省時省力。

評價結果表明：車桑子灌木林、馬尾松及云南松針葉林恢復效果較好。天然林氨態氮、全磷及有效磷含量占明顯優勢，其群落功能復雜，凋落物分解加快，養分循環與富集功能更強[31]，根據全國第二次土壤普查養分分級標準[6]，天然林全磷含量為一級，有效磷含量雖位于幾種恢復措施首位，但仍處于第6 級，磷元素利用效率低，施用適量磷肥有助于植被更好的恢復；人工林中馬尾松針葉林土壤有效磷含量較高，可以嘗試與馬尾松林混交措施來達到更好的恢復效果。云南松林硝態氮及速效鉀含量較高，林內枯枝落葉層能有效增加地表的粗糙度，凋落物腐爛可以增加土壤氮、鉀含量，起到保水保肥效果等，從而增強了植物群落改良土壤的能力[32]；但其有機碳含量處于較低水平，可能由于其枯落物含不易分解化合物，從而分解周期較長，導致云南松針葉林土壤有機碳返還量減少[33]。車桑子對于土壤短期恢復效果較好，但葉超等[34]研究發現，車桑子密度較大時，本土植物物種豐富度和多樣性相對較低，群落結構簡單且穩定性較差，呈現退化趨勢，車桑子可作為當地恢復先鋒物種，長期生態修復需考慮混交種植措施。直桿藍桉闊葉林對于土壤恢復效果較差，其氨態氮、硝態氮、速效鉀均處于最低水平。有研究發現，與鄰近群落相比，直桿藍桉闊葉林表現出對土壤養分的持續耗竭，易造成生態系統土壤養分貧瘠化[35]。侯曉龍等[36]發現，種植桉樹會導致土壤表層結皮、生境條件變差，群落層次單一致使物種多樣性下降。直桿藍桉闊葉林全鈣、全鎂含量較高，巖溶區鈣元素遷移及富集作用較強[37]，石灰巖發育的土壤上進行人工植被恢復過程中應注意考慮母巖淋溶作用。在滇東南喀斯特區優先選擇馬尾松針葉林進行種植，避免直桿藍桉闊葉林單一種植。

5 結論

（1）研究區植被恢復對表層土壤改良作用較大，深層土壤受到擾動較小。馬尾松針葉林及車桑子灌木林土壤偏酸性。車桑子灌木林土壤有機碳、速效鉀含量顯著高于其他措施，云南松針葉林土壤總孔隙度及速效鉀含量低于其他植被恢復措施。

（2）滇東南喀斯特巖溶區基于主成分分析提取的最小數據集由有機碳、全氮、氨態氮、總孔隙度、非毛管孔隙度、全鎂組成，與全量數據集得出的土壤質量指數相關性達0.843 5，可反應該區域土壤質量狀況。

（3）根據選取出的6 個指標計算土壤質量指數，不同植被恢復措施排名為：馬尾松針葉林（0.202）>車桑子灌木林（0.199）>天然次生林（0.191）>直桿藍桉闊葉林（0.183）>云南松針葉林（0.149）。喀斯特巖溶區植被恢復措施中，馬尾松及車桑子恢復效果比天然林好；直桿藍桉及云南松恢復效果較差。喀斯特區進行人工林恢復時可優先選擇馬尾松針葉林進行種植；若采取車桑子長期生態修復，宜采取混交種植方式。