杭州灣圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化特征及閾值分析

邱樂豐，呂豪豪，虞舟魯，祝錦霞，潘 藝，吳紹華 2

（1.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)土地與城鄉(xiāng)發(fā)展研究院，浙江 杭州 310018；2.浙江省八八戰(zhàn)略研究院，浙江 杭州 310018；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 4.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058）

圍墾耕地是通過圍填海形成陸地并經(jīng)過長(zhǎng)期熟化和改良后種植農(nóng)作物的土地，作為重要的耕地后備資源，對(duì)于補(bǔ)充耕地資源總量不足、確保國(guó)家糧食安全具有重要意義。但是，大規(guī)模的圍墾工程也造成海岸帶生態(tài)破壞、生物多樣性減少、環(huán)境污染和土地退化等嚴(yán)重問題。為此，2018年《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》發(fā)布，對(duì)新增圍墾工程實(shí)施“史上最嚴(yán)”管控。然而，對(duì)于大量存量圍墾土地的生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)利用仍缺少理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，低效利用、閑置浪費(fèi)、土壤退化等問題日趨嚴(yán)重[1]。因此，探索圍墾耕地生態(tài)功能的長(zhǎng)期變化特征，開展適應(yīng)性治理是亟待解決的重要問題。

當(dāng)前，關(guān)于圍墾土地利用的研究主要集中在驅(qū)動(dòng)機(jī)制和生態(tài)效應(yīng)。一方面，研究認(rèn)為人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是大規(guī)模圍墾的驅(qū)動(dòng)力，前期因?yàn)榉ㄒ?guī)不完善，對(duì)圍墾缺少應(yīng)有的剛性管制，而后期對(duì)圍墾土地缺乏科學(xué)評(píng)估，適應(yīng)性治理策略缺位[2-3]。另一方面，普遍認(rèn)為圍墾生態(tài)效應(yīng)具有時(shí)間階段性特征[4]。由自然灘涂濕地轉(zhuǎn)化為耕地、養(yǎng)殖水塘和建設(shè)用地的土地利用變化，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降、生態(tài)系統(tǒng)脆弱失衡以及污染風(fēng)險(xiǎn)增加等負(fù)面作用，造成沿海生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化風(fēng)險(xiǎn)，其中供給服務(wù)是唯一的增長(zhǎng)型服務(wù)，但其增加量仍小于調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)的合計(jì)減少量[5-6]。這些研究主要通過圍墾前后時(shí)間截點(diǎn)的土地利用面板數(shù)據(jù)來(lái)簡(jiǎn)單測(cè)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，缺乏對(duì)圍墾耕地生態(tài)服務(wù)功能長(zhǎng)期演變過程和關(guān)鍵特征的剖析。土壤是評(píng)估耕地生態(tài)服務(wù)功能的關(guān)鍵，但是迄今還沒有建立一種能夠有效協(xié)調(diào)土壤各項(xiàng)功能并為后續(xù)戰(zhàn)略設(shè)計(jì)提供信息的方法[7]。相關(guān)研究多集中在土壤質(zhì)量評(píng)估，并提出生態(tài)安全、土壤健康等概念，主要聚焦于耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量保護(hù)[8-9]，突出強(qiáng)調(diào)耕地生產(chǎn)能力，但對(duì)評(píng)估土壤多功能表現(xiàn)出非適用性。指標(biāo)體系構(gòu)建多從質(zhì)量、產(chǎn)能、環(huán)境等多個(gè)角度選取相關(guān)指標(biāo)[10]，但生態(tài)指標(biāo)的選取還存在較大局限性，往往使用土壤有機(jī)質(zhì)、微量元素或環(huán)境污染指標(biāo)作為替代[11-12]，并不能準(zhǔn)確反映土壤的生態(tài)狀況。評(píng)價(jià)方法包括PSR模型、最小限制因子、變化向量等[13-15]，注重土壤質(zhì)量綜合水平的測(cè)度，但由于方法的復(fù)雜性，往往難以分辨影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因子，造成對(duì)策建議的針對(duì)性不夠強(qiáng)。

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是在全球土壤保護(hù)利用問題日益嚴(yán)峻背景下提出的新概念，能夠有效整合土壤與可持續(xù)發(fā)展之間的聯(lián)系[16]。部分學(xué)者利用土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論來(lái)分析毀林開墾[17]、土地修復(fù)[18]、侵蝕防治[19]、功能評(píng)估[20]等土地利用行為，研究結(jié)果日趨定量化和精細(xì)化。生態(tài)閾值是指生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量、性質(zhì)或者現(xiàn)象發(fā)生突變的臨界條件。耕地作為復(fù)雜的社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)，研究土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨圍墾時(shí)間延長(zhǎng)的閾值效應(yīng)，可以深化對(duì)圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期變化特征的理解，為后續(xù)的政策建議提供支撐。部分學(xué)者利用閾值理論分析耕地系統(tǒng)變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為耕地利用管理提供了重要參考，如趙華甫等[21]認(rèn)為我國(guó)耕地彈性變形階段和塑性變形階段的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為2010 年和2056 年，祝錦霞等[22]發(fā)現(xiàn)種植茶葉的“非糧化”耕地因在7 年前后應(yīng)及時(shí)復(fù)耕，以保護(hù)耕地糧食生產(chǎn)能力。由此可見，將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論和生態(tài)閾值理論應(yīng)用于圍墾耕地研究具有可行性。

為此，本文以浙江省慈溪市杭州灣圍墾區(qū)為例，引入土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論和生態(tài)閾值理論，構(gòu)建圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多維評(píng)價(jià)體系，探索圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的長(zhǎng)期演變過程，厘清土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨圍墾時(shí)間變化的關(guān)鍵閾值和階段特征，為沿海地區(qū)存量圍墾耕地資源的適應(yīng)性治理和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估框架

1.1 理論研究框架

本文引入土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論設(shè)計(jì)概念模型（圖1），土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象主要為農(nóng)作物，農(nóng)業(yè)土壤管理在多個(gè)尺度上影響這些服務(wù)，并且這些服務(wù)能力的大小可以通過土壤物理、化學(xué)或生物性質(zhì)來(lái)估算。沿海濕地土壤經(jīng)圍墾開發(fā)后成為農(nóng)業(yè)用地土壤，其物理、化學(xué)和生物性質(zhì)絕大部分會(huì)發(fā)生變化。隨著圍墾時(shí)間的增加，土壤不斷熟化、粘性上升、鹽分和pH 值降低，養(yǎng)分增加、質(zhì)量提高，朝著有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物生長(zhǎng)的方向變化[23-24]；圍墾對(duì)供給服務(wù)的影響首先在于植物生長(zhǎng)的物理固定和所需養(yǎng)分的供應(yīng)保持，并體現(xiàn)在從灘涂海洋生物、礦產(chǎn)和工業(yè)資源向耕地農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化上；圍墾對(duì)調(diào)節(jié)和支持服務(wù)的影響更為復(fù)雜，土壤提供的碳存儲(chǔ)[25-26]、養(yǎng)分和水循環(huán)調(diào)控[27-28]、抗侵蝕能力[29-30]等服務(wù)，在人為干預(yù)下呈現(xiàn)恢復(fù)提高過程；圍墾使得生境服務(wù)從自然灘涂濕地向半人工陸生棲息地轉(zhuǎn)變，依賴于生境條件的生物群落組成和多樣性也因此而改變；圍墾對(duì)文化服務(wù)的影響體現(xiàn)在濱海景觀、休閑娛樂和科研教育等方面[31]。

圖1 圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究理論框架Fig.1 Conceptual framework for the soil-related ecosystem services after coastal reclamation

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在理論研究框架基礎(chǔ)上，吸收借鑒相關(guān)耕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立方法，構(gòu)建基于“人類需求—服務(wù)類別—關(guān)鍵服務(wù)—評(píng)價(jià)指標(biāo)”的圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖2）。從邏輯上說(shuō)，人類對(duì)于耕地有一種需求，耕地土壤就有一種對(duì)應(yīng)的服務(wù)，與服務(wù)相對(duì)應(yīng)的則是支撐服務(wù)的相應(yīng)性質(zhì)及其作用過程。人類對(duì)于圍墾耕地的需求，不僅包含穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和高效的生產(chǎn)功能，更應(yīng)該注重生態(tài)和可持續(xù)生產(chǎn)能力。因此，本文設(shè)計(jì)考察土壤供給服務(wù)、調(diào)節(jié)/支持服務(wù)和生境服務(wù)三個(gè)類別，前者主要影響作物生產(chǎn)能力，后兩者主要影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)能力的可持續(xù)性。文化服務(wù)則因?yàn)榕c農(nóng)作物生產(chǎn)沒有明顯聯(lián)系，故本文暫不作考慮。其次，通過文獻(xiàn)綜述和專家咨詢，在以上三個(gè)服務(wù)類別中分別選取研究頻率較高以及對(duì)于圍墾環(huán)境變化敏感性較強(qiáng)的關(guān)鍵服務(wù)，具體包括：物理支撐和養(yǎng)分循環(huán)（供給服務(wù)）、碳存儲(chǔ)和抗蝕性（調(diào)節(jié)/支持服務(wù)）、生境支持（生境服務(wù)）5 項(xiàng)服務(wù)。再次，遵循針對(duì)性、區(qū)域性、敏感性和可行性原則，選取與之相匹配的影響要素與可以量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖2）。

圖2 圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 The evaluation index system of the soil-related ecosystem service after coastal reclamation

為作物提供生長(zhǎng)介質(zhì)是土壤最基本的服務(wù)，通過農(nóng)業(yè)耕作和土壤改良可以加速圍墾土壤熟化，改善物理環(huán)境，使其更適合種植農(nóng)作物。土壤容重、質(zhì)地和含水率指標(biāo)與土壤支持植物生長(zhǎng)的能力密切相關(guān)，是最常用的反映土壤物理質(zhì)量變化的指標(biāo)[28,32]，而電導(dǎo)率所測(cè)度的土壤含鹽量指標(biāo)是沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因素[33]。土壤是作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的主要來(lái)源，土壤氮磷鉀是作物生長(zhǎng)所必需的常量營(yíng)養(yǎng)元素，pH值對(duì)土壤養(yǎng)分有效性影響重大，是反映耕地肥力和相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最常用的指標(biāo)[34-35]。土壤具有強(qiáng)大的固碳能力，土壤碳儲(chǔ)量的高低與土壤中有機(jī)碳密度指標(biāo)緊密聯(lián)系，有機(jī)碳密度下降直接指示土壤固碳能力的下降[25,30]。土壤侵蝕是土壤的頭號(hào)威脅，抗蝕性描述的是土壤抵抗侵蝕的能力。土壤結(jié)構(gòu)性越好，微團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，含腐殖質(zhì)越多，則土壤抗蝕性越強(qiáng)。有機(jī)碳含量（SOC）和土壤平均質(zhì)量直徑（MWD）是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)之一，也可以用來(lái)確定土壤抗蝕性的強(qiáng)弱[36]。土壤還是全球最大的基因庫(kù)和物種棲息地。蚯蚓在土壤改良和生態(tài)恢復(fù)中起著重要的作用[37]；而土壤微生物對(duì)團(tuán)聚體形成、碳和養(yǎng)分循環(huán)等方面有重要貢獻(xiàn)[38]。因此，選擇蚯蚓密度和細(xì)菌群落多樣性Shannon指數(shù)指示土壤生態(tài)系統(tǒng)生境服務(wù)具有代表性。綜上，所選取的指標(biāo)僅是土壤提供相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的間接指代，而不是直接測(cè)量值。

1.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

首先，依據(jù)隸屬度函數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系，將隸屬度函數(shù)分為戒上型（式（1））、戒下型（式（2））和適中型（式（3））。計(jì)算公式如下：

式（1）—式（3）中：Xi和Si分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值；maxXi和minXi分別為數(shù)據(jù)樣本的最大值和最小值；O1和O2為評(píng)價(jià)指標(biāo)的臨界值。根據(jù)已有文獻(xiàn)，確定土壤容重、電導(dǎo)率為戒下型，有機(jī)碳、氮磷鉀等養(yǎng)分元素、MWD、微生物多樣性和蚯蚓密度等為戒上型，土壤質(zhì)地、pH值和含水率為適中型[27,32]。指標(biāo)臨界值取值參考耕地質(zhì)量等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GBT 33469—2016）。其次，采用多指標(biāo)加權(quán)求和法求取各項(xiàng)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)。對(duì)于物理支撐和養(yǎng)分循環(huán)服務(wù)，指標(biāo)權(quán)重根據(jù)主成分分析法確定，計(jì)算分為4步：（1）分別計(jì)算得到物理支撐和養(yǎng)分循環(huán)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的KMO值為0.758 和0.702，介于0.7～0.8 之間，說(shuō)明比較適合進(jìn)行分析；（2）計(jì)算線性組合系數(shù)矩陣，公式為：載荷系數(shù)/對(duì)應(yīng)特征根的平方根；（3）計(jì)算綜合得分系數(shù)，公式為：累積（線性組合系數(shù)×方差解釋率）/累積方差解釋率；（4）計(jì)算權(quán)重，將綜合得分系數(shù)進(jìn)行歸一化處理即得到各指標(biāo)權(quán)重值，即物理支撐服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別為：容重（0.266 3）、土壤質(zhì)地（0.285 2）、電導(dǎo)率（0.273 2）和土壤含水率（0.175 3）；養(yǎng)分循環(huán)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分別為：pH值（0.151 1）、全氮（0.144 9）、堿解氮（0.134 9）、全磷（0.148 5）、速效磷（0.141 0）、全鉀（0.155 2）和速效鉀（0.124 4）。此方法基于數(shù)據(jù)信息濃縮原理，利用方差解釋率進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，可以避免人為賦權(quán)的主觀性。后續(xù)通過對(duì)比可知，本文確定的指標(biāo)權(quán)重與參考文獻(xiàn)相接近，可認(rèn)為可靠性較高。對(duì)于抗蝕性和生境支持服務(wù)，分別賦予單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)50%的權(quán)重；碳存儲(chǔ)服務(wù)分值即為有機(jī)碳密度單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化分值。最后，在假設(shè)以上5項(xiàng)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在當(dāng)前背景下具有同等重要性的基礎(chǔ)上，求取平均值作為代表研究區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合指數(shù)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省寧波市慈溪市，地處杭州灣南岸（121°02′～121°42′E，30°02′～30°24′N），年平均氣溫和年平均降水量分別為16.0 ℃和1 272.8 mm，屬亞熱帶季風(fēng)型氣候。該區(qū)位于錢塘江入?？?，海涂資源豐富，歷史圍墾開發(fā)海涂近10余萬(wàn)畝，是浙江省土地后備資源最富足的地區(qū)之一。一方面采取水利土壤改良技術(shù)，通過工程改造，挖深溝排鹽，強(qiáng)化水利設(shè)施，另一方面采用農(nóng)業(yè)綜合改良技術(shù)，通過培肥土壤，種植水稻、西蘭花等作物降低土壤鹽分。該地區(qū)也是浙江省集中連片規(guī)模最大的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合區(qū)，在農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)引領(lǐng)下，推行農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)，通過套種、輪作等管理措施，由單一的糧油生產(chǎn)，逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)榧Z、油、瓜、果、蔬多元化種植。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究的4 幅Landsat MSS、TM 和OLI 遙感影像數(shù)據(jù)（2020年、2010年、2000年、1973年），主要來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。對(duì)影像進(jìn)行人工判讀，提取陸地岸線，并將土地利用類型分為灘涂、耕地、養(yǎng)殖水體和建設(shè)用地。土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于野外土壤采樣和實(shí)驗(yàn)室分析。

2.3 土壤采樣與實(shí)驗(yàn)測(cè)定

為研究灘涂圍墾后耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化過程，本文選擇圍墾時(shí)間分別為10 a、20 a、50 a、100 a、200 a、300 a、500 a和1 000 a的8個(gè)墾區(qū)以及未圍墾的自然灘涂（光灘，0 a）為研究對(duì)象。墾區(qū)土地利用類型全部為耕地，種植作物為大豆和西蘭花。野外采樣于2019年11月進(jìn)行，采樣前后天氣晴朗，在各墾區(qū)內(nèi)作物收割后的不同地塊選取5個(gè)樣點(diǎn)并重復(fù)取樣，取樣深度為0～20 cm 表土層，采樣點(diǎn)空間分布見圖3。每份土壤樣品被分成三部分，一部分用于基本理化分析，另一部分用于土壤團(tuán)聚體分級(jí)，最后一部分冷凍儲(chǔ)存后立即寄送測(cè)序機(jī)構(gòu)檢測(cè)微生物多樣性。同時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)調(diào)查土壤中蚯蚓數(shù)量。具體方法為選取1 m×1 m 的樣方，在清除地表植被后，用鏟子挖開表土，人工挑出蚯蚓進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖3 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布Fig.3 Study area and soil sampling sites

土壤樣品理化性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)方法[39]。土壤團(tuán)聚體顆粒組分級(jí)沿用國(guó)際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。平均重量直徑（MWD）計(jì)算公式如下：

式（4）中：Xi表示第i粒徑顆粒組的平均直徑；Wi表示第i粒徑顆粒組組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。土壤微生物多樣性檢測(cè)：首先，使用MP 的土壤DNA 提取試劑盒提取土壤DNA，對(duì)細(xì)菌16S的V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增；其次，利用上海美吉生物的Illumina MiSeq 2 500平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序；最后，使用QIIME 軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得到Shannon指數(shù)。

2.4 研究方法

2.4.1 “時(shí)空替代”方法

年代序列和時(shí)空替代（Space-for-time substitutions）是研究多時(shí)間尺度生態(tài)系統(tǒng)演替和土壤發(fā)生過程的必要方法之一。該方法適用于具有類似演變軌跡、具有不同年齡的研究區(qū)，目前也廣泛應(yīng)用于土壤研究領(lǐng)域，揭示土壤長(zhǎng)期演化過程[25,30,32]。本文根據(jù)《慈溪水利志》和《慈溪海堤集》中慈溪市歷代海塘圖所記載的各個(gè)海塘修筑時(shí)間，大致推算圍墾土地的歷史年限，為圍墾長(zhǎng)時(shí)間序列的建立提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多類似利用歷史海塘空間分布信息輔助確定圍墾時(shí)間序列的研究，如WEI 等[23]對(duì)浙江慈溪灘涂濕地圍墾后1 000 a時(shí)間序列下土壤質(zhì)量變化開展研究；WANG等[30]對(duì)浙江慈溪沿海圍墾區(qū)700 a植稻年限下土壤理化性質(zhì)變化進(jìn)行分析等。通過這些文獻(xiàn)佐證和對(duì)比分析遙感提取的陸地岸線結(jié)果證實(shí)了本文所使用的“時(shí)空替代法”在圍墾長(zhǎng)時(shí)間尺度上具有科學(xué)性，可靠性較高。

2.4.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨圍墾時(shí)間變化的差異顯著性分析采用單因素方差分析方法（ANOVA）。閾值識(shí)別采用分段線性回歸模型（Piecewise Linear Regression），根據(jù)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)與圍墾時(shí)間之間的散點(diǎn)圖，分別擬合低值區(qū)和高值區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)與圍墾時(shí)間之間的線性回歸模型，兩個(gè)模型交點(diǎn)即為變化閾值[40]。所有數(shù)據(jù)均在EXCEL 2021和R 4.2環(huán)境中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化特征

圍墾以及后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)改變了土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生變化。方差分析結(jié)果顯示，研究區(qū)不同圍墾年限的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異顯著（表1）。以未圍墾的灘涂土壤作為對(duì)照，隨著圍墾時(shí)間的延長(zhǎng)，5 項(xiàng)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)都產(chǎn)生了顯著增長(zhǎng)。其中增長(zhǎng)幅度最大的是抗蝕性，圍墾后1 000 a的抗蝕性指數(shù)為0.74，是圍墾前0.10 的7 倍有余，年均提高0.62%；其余依次為生境支持、碳存儲(chǔ)、物理支撐和養(yǎng)分循環(huán)服務(wù)，圍墾前后1 000 a 的年均增長(zhǎng)幅度分別為0.45%、0.34%、0.19%和0.17%。這表明灘涂圍墾后的土壤改良、農(nóng)業(yè)管理和作物生長(zhǎng)等因素極大的增強(qiáng)了土壤提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力。從橫向?qū)Ρ葋?lái)看（圖4），圍墾前灘涂土壤的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均不理想（＜0.33），不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。隨著圍墾后土壤環(huán)境的改善，各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生了不同速率的增長(zhǎng)。截至到1000 a前后，植物支持、抗蝕性和碳存儲(chǔ)指數(shù)都已超過0.66，而生境支持和養(yǎng)分循環(huán)指數(shù)依然不高，阻礙了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體水平的進(jìn)一步提升。根據(jù)綜合指數(shù)的變化趨勢(shì)，研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由低（0.17）到高（0.70），朝著有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的方向提升顯著。這一結(jié)果可在其他學(xué)者研究中得到驗(yàn)證，如WEI 等[23]、WANG 等[25]和LIU 等[36]分別在杭州灣地區(qū)開展的長(zhǎng)期土壤有機(jī)碳調(diào)查，土壤健康評(píng)價(jià)和土壤團(tuán)聚體調(diào)查結(jié)果都展示了和本文土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)相似的變化特征。

圖4 研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)變化對(duì)比Fig.4 Comparison of the changes in soil-related ecosystem service indices in the study area

3.2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨圍墾時(shí)間變化閾值分析

從不同土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)與圍墾時(shí)間的散點(diǎn)分布關(guān)系可以看出（圖5），全部指數(shù)與圍墾時(shí)間都有正相關(guān)關(guān)系。此外，圍墾時(shí)間超過某一值時(shí)，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)的增長(zhǎng)速度都會(huì)出現(xiàn)顯著變化，出現(xiàn)“急劇提高—穩(wěn)定增長(zhǎng)”突變特征。通過分段回歸模型進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，5 項(xiàng)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)和綜合指數(shù)對(duì)圍墾時(shí)間的響應(yīng)都呈現(xiàn)出顯著的閾值效應(yīng)。圖5 中圍墾時(shí)間閾值為紅色虛線，兩端藍(lán)色實(shí)線分別代表閾值點(diǎn)兩側(cè)的回歸模型。各項(xiàng)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)閾值的出現(xiàn)時(shí)間不一，最早的是碳存儲(chǔ)指數(shù)，即圍墾后20 a；其次為生境支持和養(yǎng)分循環(huán)，分別出現(xiàn)在圍墾后50 a和78 a；物理支撐和抗蝕性都在圍墾100 a以后到達(dá)閾值；而綜合指數(shù)的閾值出現(xiàn)在圍墾后74 a。根據(jù)擬合模型的決定系數(shù)判斷，除碳存儲(chǔ)的擬合效果一般外，其余指數(shù)均達(dá)到了較好的擬合效果。此外，據(jù)模型得出，當(dāng)圍墾時(shí)間到達(dá)閾值時(shí)，物理支撐、碳存儲(chǔ)、養(yǎng)分循環(huán)、抗蝕性、生境支持和綜合指數(shù)分別為0.80、0.23、0.38、0.50、0.49和0.47。

圖5 研究區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)（放大100倍）隨圍墾時(shí)間變化的閾值厘定Fig.5 Thresholds identification of the changes in soil-related ecosystem service indices (enlarging 100 times) along the changing period of the reclamation

4 討論

4.1 灘涂圍墾對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

從沿海灘涂到圍墾耕地的土地利用變化對(duì)土壤關(guān)鍵生態(tài)過程和功能產(chǎn)生影響，特別是物理支撐、碳存儲(chǔ)、養(yǎng)分循環(huán)、抗蝕性和生境支持服務(wù)等。例如，圍墾明顯導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳含量的增加，增加趨勢(shì)在長(zhǎng)時(shí)間序列的圍墾耕地上體現(xiàn)的尤為明顯。與天然灘涂相比，耕地土壤可以從有機(jī)肥料、農(nóng)作物根系凋落物和根際沉積物中吸收更多的新鮮碳，使得碳輸入量大于流失量，因此土壤有機(jī)碳含量隨著圍墾時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增加。這一結(jié)果可在其他地區(qū)研究中得到驗(yàn)證，如杭州灣圍墾區(qū)[41]、江蘇省蘇北圍墾區(qū)[34]、上海市崇明島圍墾區(qū)[42]、黃海沿岸地區(qū)[43]等。本文中，較高的有機(jī)碳輸入改良和穩(wěn)定了土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升土壤支持植物生長(zhǎng)和抵抗外界侵蝕的物理能力。同時(shí)，由于常年的耕作活動(dòng)（如灌溉、熟化、耕種和施肥等），使得土壤養(yǎng)分含量上升、鹽分和pH值下降，提升了土壤調(diào)節(jié)化學(xué)養(yǎng)分的能力。另外，圍墾導(dǎo)致依賴于生境條件的土壤生物群落發(fā)生改變。隨著土壤環(huán)境改善，作物及植被覆蓋度提高，有機(jī)殘留物不斷增加，土壤動(dòng)物和微生物群落逐漸豐富。本文將土壤細(xì)菌群落多樣性和蚯蚓密度引入評(píng)價(jià)體系，得到了理想的結(jié)果，對(duì)圍墾區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理具有重要指示作用?？傮w而言，本文建立的方法框架能夠較好地反映圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化特征，為圍墾耕地保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供借鑒。受益于長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤改良，圍墾耕地生產(chǎn)力得到了極大改善。雖然，與內(nèi)陸傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)相比，圍墾耕地各項(xiàng)土壤指標(biāo)水平仍然較低，但也為后續(xù)的田間管理和保護(hù)措施提供了方向。

4.2 圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化閾值效應(yīng)

圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨圍墾年限增長(zhǎng)而提升，但變化過程存在閾值效應(yīng)，即當(dāng)圍墾時(shí)間超過一定范圍時(shí)，提升速度開始放緩。如何利用好這一變化特征對(duì)于合理利用圍墾土地資源至關(guān)重要。文獻(xiàn)研究[29,34]表明，圍墾后土壤屬性演變過程具有階段性特征，大致可以分為三個(gè)階段：（1）劇變期（0～10 a左右），土壤從海水環(huán)境轉(zhuǎn)化為陸地，受限于高鹽分和高pH值環(huán)境，土地利用以拋荒為主；（2）提升期（10～100 a左右），人類對(duì)土地的改良和利用活動(dòng)逐步介入，土壤環(huán)境得到大幅改善，土地利用以耕地和養(yǎng)殖魚塘為主；（3）穩(wěn)定期（100 a以后），絕大多數(shù)土壤性質(zhì)逐漸穩(wěn)定，耕作方式開始成為影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要因素。本文與已有研究結(jié)果基本一致，除物理支撐和抗蝕性服務(wù)略有延后以外，其余指數(shù)變化閾值都在圍墾后10～100 a 區(qū)間。而物理支撐和抗蝕性服務(wù)指數(shù)主要反映的是土壤物理環(huán)境和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有學(xué)者認(rèn)為土壤物理性質(zhì)的改變所需周期較長(zhǎng)，對(duì)于耕作管理的敏感性相較化學(xué)、生物指標(biāo)偏低[44]，因此這兩項(xiàng)指數(shù)變化閾值出現(xiàn)較晚具有合理性。

4.3 存量圍墾區(qū)土地利用的適應(yīng)性治理政策

目前國(guó)家對(duì)于存量圍墾土地的生態(tài)修復(fù)和集約利用仍缺少理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，不合理的管理措施可能會(huì)嚴(yán)重影響土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并從根本上降低圍墾耕地保障糧食安全的能力。因此，在不同空間尺度上，實(shí)施土壤管理以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

在區(qū)域尺度上，首先需要全面評(píng)估存量圍墾土地，統(tǒng)籌謀劃生態(tài)治理策略，實(shí)現(xiàn)土地利用、農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)修復(fù)的“多規(guī)合一”，實(shí)行圍墾土地生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的總體布局。建議對(duì)圍墾時(shí)間已超過變化閾值（74 a）、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平較高的耕地實(shí)行剛性管制，優(yōu)先劃入永久基本農(nóng)田保護(hù)范圍；對(duì)于未達(dá)到變化閾值的圍墾耕地，采取彈性調(diào)控策略[45]，退出宜農(nóng)性差的邊際耕地，滿足多樣性用地需求，為鄉(xiāng)村振興與城市化發(fā)展提供資源保障。改變圍墾土地利用“濕地→耕地→建設(shè)用地”的傳統(tǒng)開發(fā)路徑，嚴(yán)禁占用經(jīng)過長(zhǎng)期熟化改良的優(yōu)質(zhì)耕地，避免已投入時(shí)間金錢的極大浪費(fèi)。

在景觀尺度上，應(yīng)綜合考慮濱海生態(tài)景觀格局、農(nóng)田規(guī)?；枨蠹吧锒鄻有员Ｗo(hù)的需求，避免因過度整治而造成對(duì)農(nóng)田半自然生境的破壞，導(dǎo)致生物棲息地喪失及土壤功能受損。應(yīng)慎重考慮選擇圍墾時(shí)間在10 a 以內(nèi)的土地開展“退耕還海、退耕還濕”試點(diǎn)，推動(dòng)景觀層面的可持續(xù)土壤功能調(diào)控。

在田塊尺度上，需要以土地資源工程技術(shù)實(shí)施土地整治與生態(tài)修復(fù)，有效提升圍墾土地質(zhì)量與功能價(jià)值。建議對(duì)圍墾時(shí)間未達(dá)到閾值點(diǎn)、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)處于急劇提高階段的耕地，以改良土壤和培肥地力為主要措施，重點(diǎn)是提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，提升土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力；對(duì)于已過變化閾值、高強(qiáng)度利用的圍墾耕地，應(yīng)當(dāng)側(cè)重提升土壤的水分調(diào)節(jié)及養(yǎng)分循環(huán)功能，采取兼顧保護(hù)、治理和開發(fā)利用相結(jié)合的治理策略，注重長(zhǎng)期綜合效益。

5 結(jié)論與展望

（1）本文引入土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論，在充分考慮“人類需求—服務(wù)類別—關(guān)鍵服務(wù)—評(píng)價(jià)指標(biāo)”關(guān)系基礎(chǔ)上，從物理支撐、養(yǎng)分循環(huán)、碳存儲(chǔ)、抗蝕性和生境支持5 個(gè)關(guān)鍵服務(wù)維度，利用物理、化學(xué)和生物等相關(guān)土壤指標(biāo)構(gòu)建圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)理論框架和指標(biāo)體系，豐富和完善了目前的耕地評(píng)價(jià)研究。后續(xù)還需擴(kuò)大研究區(qū)域，選擇環(huán)境差異更為顯著的研究區(qū)進(jìn)行對(duì)比研究，不斷完善指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。

（2）通過杭州灣實(shí)證研究表明，不同圍墾年限的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異顯著，圍墾耕地土壤服務(wù)農(nóng)作物可持續(xù)生產(chǎn)的能力顯著高于自然灘涂土壤，并隨圍墾時(shí)間延長(zhǎng)不斷提高。持續(xù)的土壤改良和農(nóng)業(yè)管理措施是促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提高的主要因素。杭州灣圍墾耕地土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期變化具有階段性特征，在圍墾后74 a 左右呈現(xiàn)顯著閾值效應(yīng)，產(chǎn)生“急劇提高—穩(wěn)定增長(zhǎng)”的突變，這一發(fā)現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)存量圍墾耕地的差異性管控。

（3）本文利用土壤采樣數(shù)據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有一定的魯棒性、透明度和適應(yīng)性，但部分指標(biāo)如土壤蚯蚓密度和土壤微生物多樣性指數(shù)作為生境支持服務(wù)高低的指示性指標(biāo)，對(duì)外界環(huán)境，如溫度、水分、土地利用等因素的敏感性較強(qiáng)，可能會(huì)對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響，應(yīng)用可行性值得下一步研究驗(yàn)證。另外，由于現(xiàn)實(shí)條件限制，本文采用歷史海塘信息和時(shí)空替代法等間接手段建立圍墾時(shí)間序列，難以獲得精確圍墾時(shí)間，導(dǎo)致一定的不確定性，由此可能會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的短期變化特征和閾值的精確厘定造成影響，這是未來(lái)需要重點(diǎn)研究的問題。