伏文兵, 严友进, 王 凯, 胡 刚, 林梽桓, 黄朝海

(1.贵州华力创通工程咨询有限公司, 贵阳 550001; 2.贵州大学 林学院/贵州省森林资源与环境研究中心/土壤侵蚀与生态修复研究中心, 贵阳 550025; 3.贵州华保环境技术咨询有限公司, 贵阳 550001)

石漠化是喀斯特地区土壤质量下降、退化的终极形式，其已成为威胁该地区人类生活、社会经济发展和生态环境安全的最为严重生态环境问题之一[1-2]。遏制土壤退化、提高土壤质量已是关乎该地区生态安全的首要工作[3]。我国于2011年起在200个试点县开展了石漠化综合治理[4]。经过近10 a的石漠化综合治理，虽然石漠化发展已得到了有效遏制、生态恢复也初见成效[5]。但是依然存在石漠化区土壤质量低下、植被恢复效果不佳等问题[3,6-7]。如何高效且可持续的治理石漠化成为该地区可持续发展面临的主要难题[3,5]。随着西南喀斯特地区石漠化综合治理二期工程的全面实施，无论是决策上还是实践中都越来越迫切需要进一步了解石漠化治理措施对土壤质量演变的影响作用，为该地区进一步开展石漠化治理提供重要的科学理论支撑。

近年来，关于石漠化区土壤特性的研究已有大量的报道,如石漠化演替、植被类型和演替过程、土地利用、治理措施等对土壤理化性质的影响[8-12]。研究显示石漠化综合治理能够降低土壤容重、提高土壤含水率和孔隙特性[10]、促进土壤养分积累[8-9,12]、提高土壤质量[11-12]。也有部分学者集中研究了石漠化区土壤生态化学计量特征[12-13]。尽管已有的研究已经较好地揭示了石漠化治理对土壤性质的影响特征。但是多是以空间代替时间的方法，通过单次采样对比分析治理措施对土壤性质的影响。这导致了研究结果可能与实际情况会有所偏差。本研究在贵州省遵义市仁江河石漠化综合治理区，从治理初期(2011年)开始，通过长期定点监测，对比分析3种常用的石漠化治理措施(封山育林、人工造林和坡改梯)对土壤质量演变的影响特征。基于分析治理措施对土壤理化性质和生态化学计量比特征，综合评价不同治理措施下土壤质量演变特征。研究结果能够为西南喀斯特地区石漠化综合治理二期工程的实施提供参考依据。

1 研究区概况

研究区域位于贵州省遵义市汇川区北部的仁江河小流域，是乌江重要的水源补给区。仁江河小流域属中亚热带温暖湿润季风气候区，年降雨量1 032 mm，年平均温度14℃，无霜期为245 d。该流域主要是出露于背斜核部的娄山关群(∈2—3ls)白云岩，土壤类型以石灰土为主。小流域国土面积4 158.21 hm2，其中喀斯特面积3 405.85 hm2，占流域土地总面积的81.81%。石漠化面积为1 368.10 hm2，轻度石漠化占77.67%，中度石漠化占21.9%，强度石漠化占0.43%，无极强度石漠化分布。主要植物有光皮桦(BetulaluminiferaH.Winkl)、枫香(LiquidambarformosanaHance)、麻栎(QuercusacutissimaCarruth.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、小果蔷薇(RosacymosaTratt.)、荚蒾(ViburnumdilatatumThunb.)、火棘[Pyracanthafortuneana(maxim.)Li]、莎草(CyperusrotundusL.)，白茅[Imperatacylindrica(L.)Beauv.]等，作物以玉米(ZeamaysL.)为主。2011年当地政府在该流域实施了石漠化综合治理工程，主要措施包含封山育林(CF)、人工造林(AF)和坡改梯(TS)。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

2.1.1 样方设置及采样方法 本研究于2011年7月在研究区内选取了坡改梯、人工造林和封山育林3种治理措施，并以撂荒地(AL)为对照开展试验(表1)。每种措施布置了3个定点监测样地(20 m×20 m)，共12个样地。每个样地间的海拔、坡位、坡向等环境因素相近，以降低环境因素对研究结果的干扰。

表1 样地基本信息

研究分别于2011年7月、2015年7月和2018年7月采集土壤样品。在每个固定样地内采用“S”形布点法布置5个土壤采样点。采样前先去除土壤表面的枯枝落叶，然后用环刀采集原状土样用于测定土壤容重，每10 cm为一层，采集深度为20 cm。在每个采样点同时采集3个重复土样用于化学性质分析。每种措施每年采集45个土壤样品，本研究总共采集了540个土壤样品。土样在室内剔除植物根系等杂物后，自然风干，过筛处理，用于土壤性质测定。

2.1.2 土壤理化性质测定 土壤理化指标测定参照《土壤农业化学分析方法》[14]，每个样品测试3个重复。其中土壤容重(BD)采用环刀法；pH值采用5∶1(V∶V)水土比浸提法测定；有机质(OM)含量采用重铬酸钾外加热法测定；全氮(TN)含量采用半微量凯氏定氮法测定；碱解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定；全磷(TP)含量采用硫酸—高氯酸消煮法测定;速效磷(AP)含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；全钾(TK)含量采用NaOH熔融—火焰光度计法测定；速效钾(AK)含量采用1 mol/L的NH4Ac溶液浸提—火焰光度计法测定。

2.2 土壤质量综合评价方法

土壤肥力是众多土壤因子的综合反映，其难以通过单一的土壤因子进行判断。为此，本研究选取了土壤物理(BD)和化学(pH,OM,TN,AN,TP,AP,TK和AK)共9个土壤质量紧密相关的土壤因子，基于主成分分析，采用全体数据集(TDS)方法对土壤质量进行综合评价(表2)。

表2 各土壤因子的主成分因子载荷、公因子方差及权重

(1) 指标权重计算。采用主城分析方法确定各评价因子的权重(Wi)，权重计算公式为：

(1)

式中:Wi为指标权重;Cvi为各指标的公因子方差。

(2) 评价指标标准化。各土壤因子原始指标数据无量纲标准化(Qi)采用min—max归一化处理，具体公式如下：

(2)

式中:Xi为第i个土壤因子的数值;Xi,min是第i个土壤因子的最小值;Xi,max是第i个土壤因子的最大值。

(3) 隶属度函数转换。为了更为全面地进行土壤质量评价，本研究将各项指标数据用隶属度函数进行换算，并依据主成分载荷值的正负性，选择隶属度函数类型[15]。其中土壤OM，TN，TP，AN，AP和AK采用升型分布函数，土壤BD，pH和TK采用降型分布函数。

(3)

式中:Si为各指标的隶属度值；Qij为各肥力因子值；Qimax和Qimin分别为第i项土壤肥力因子中的最大值和最小值。

(4) 土壤肥力质量指数(SQI)计算。

SQI=∑Qi×Si

(4)

式中:Qi为各指标的权重;Si为各指标的隶属度值。

2.3 数据统计分析

利用STATISTICA软件采用广义线性回归(GLM)分析土壤因子对治理措施和时间的响应特征(Turkey检验)。利用SPSS软件对各土壤因子进行主成分分析，以及Excel软件对数据进行统计分析处理。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质对治理措施和治理时间的响应特征

石漠化治理措施(GLM,F27,64=580.7,p<0.0001)和治理时间(GLM,F18,44=139.5,p<0.0001)能够显著影响土壤理化性质(图1)。人工造林和封山育林的土壤容重总体上显著(p<0.05)高于撂荒地和坡改梯的土壤容重。相较于撂荒地而言，坡改梯、人工造林和封山育林总体上能够显著(p<0.05)降低土壤pH值。而土壤pH值在坡改梯、人工造林和封山育林间的差异(p>0.05)不大。相较于撂荒地而言，石漠化治理措施能够有效地促进土壤养分的积累。其中，土壤有机质和全氮含量均表现为封山育林>人工造林>坡改梯>撂荒地。土壤全磷含量表现为坡改梯>封山育林>人工造林>撂荒地。土壤全钾含量表现为封山育林>人工造林、撂荒地>坡改梯。此外，治理时间也是影响土壤理化性质的重要因素。随着治理时间的延长，不同治理措施下土壤理化性质总体上得到了显著的改善。相较于土壤物理性质(容重)而言，土壤养分性质对治理时间的变化更为敏感。各治理措施下，土壤养分含量总体上随时间的推移呈显著性(p<0.05)增加。

注：小写字母表示土壤因子在同一治理措施下不同治理时间的差异特性，大写字母表示同一治理时间下不同治理措施间的差异特性。AL代表撂荒地，TS代表坡改梯，AF代表人工造林，CF代表封山育林，下图同。

3.2 土壤化学计量比对治理措施和治理时间的响应特征

治理措施和治理年限对土壤化学计量特征均有显著影响(图2)。其中，相较于治理时间而言(GLM,F6,56=20.23,p<0.001)，土壤化学计量对治理措施变化的响应更为敏感(GLM,F9,68=63.04,p<0.0001)。广义线性回归分析表明，人工造林中的土壤平均C/N(29.71)显著高于坡改梯(23.34)和撂荒地的土壤平均C/N(23.23)。封山育林地中土壤平均C/N(26.35)介于人工造林地和坡耕地之间。从微生物促进土壤矿化作用的最适C/N(25∶1)而言，封山育林措施对促进土壤矿化作用的效果最强，其次是坡改梯，人工造林相对较弱。4种措施中，封山育林(52.77)和人工造林(50.09)的土壤C/P均显著(p<0.05)高于撂荒地(36.93)和坡改梯(35.15)。土壤C/K对治理措施的响应亦存在显著性差异。总体表现为人工造林和封山育林的土壤C/K显著(p<0.05)高于坡改梯的，坡改梯土壤C/K显著(p<0.05)高于撂荒地的。此外，土壤C/N总体上随治理时间的推移呈现先增大后减小的趋势：2011年(24.01)<2018年(24.75)<2015年(28.49)。土壤C/P和C/K总体上随治理时间的延长呈增大的变化趋势，均表现为2011年<2015年<2018年。

图2 治理措施和治理时间对土壤化学计量比特征的影响

3.3 不同治理措施土壤质量综合评价

石漠化治理措施对土壤质量均有明显的改善作用，但是不同措施对土壤质量的改善效果存在差异。由图3可知，撂荒地的土壤质量指数2011—2018年的变化幅度不大。相较于2011年、2015年和2018年时，撂荒地土壤质量指数分别增长了6.0%，4.2%。而相较于撂荒措施，坡改梯、人工造林和封山育林措施均明显改善了土壤质量。与2011年时各措施的土壤质量指数相比，2015年时撂荒地土壤质量指数增长了20.9%(年增长率为4.2%)，人工造林的土壤质量指数增长了28.3%(年增长率为5.6%)，封山育林的土壤质量指数增长了224.3%(年增长率为44.9%)。到了2018年时，撂荒地土壤质量指数比2015年时增长了7.4%(年增长率为2.5%)，人工造林的土壤质量指数增长了27.6%(年增长率为9.2%)，封山育林的土壤质量指数增长了41.9%(年增长率为13.9%)。可见，各治理措施对土壤质量的改善效果为：封山育林>人工造林>坡改梯>撂荒地。此外，各治理措施对土壤质量的改善效果随时间的推移逐渐减缓。

图3 不同治理措施对土壤质量的影响

4 讨 论

石漠化综合治理中土壤理化性质的改善，是治理措施和时间综合作用的结果。从单个土壤因子对治理措施和治理时间的响应特征来看，土壤化学特性对治理措施和时间的响应比物理特性要敏感。本研究对比分析了4种治理措施在3个时间段下土壤理化性质的变化特征。结果表明，相较于土壤化学性质，土壤容重在各个治理措施间的差异相对较弱。土壤养分在各治理措施间存在显著性差异(p<0.05)，总体上表现为封山育林和人工造林对土壤有机质、全氮和全钾含量积累的促进效果最佳，坡改梯的次之。这主要是由于随着封山育林措施的实施，人为活动对地表土壤的干扰减小，土壤表层的枯枝落叶含量随封禁时间的推移而逐渐增加[16]。枯枝落叶在微生物等作用下分解进入土壤，增加了土壤碳、氮、钾元素的来源[10,17]。而人工造林的时间较短，枯枝落叶的积累量较少，植物根系等对土壤作用时间也相对较短。此外，坡耕地的土壤养分含量容易受到耕作活动的影响。而人为耕作活动下，坡耕地的土壤养分含量并不会有太大的变化。

对比各措施下土壤化学计量比特征发现，封山育林措施下土壤C/N最接近25∶1，坡耕地次之。这同样反映出封山育林措施能显著的改善土壤碳、氮养分结构，使得土壤养分含量更有利植物生长[18-19]。此外，本研究发现封山育林和人工造林中的土壤C/P相对较高，且随着治理时间的延长呈增大的变化趋势。一般认为土壤C/P特征可以很好地反映出土壤磷含量的赋存特征，土壤C/P越大，则表示土壤有效磷含量越低[20]。可见，封山育林和人工造林增大了植物对土壤磷含量的摄取，导致土壤有效磷含量逐渐降低。这表明磷缺乏可能是限制石漠化地区植被恢复的重要因子。

土壤质量影响植物的生长状况，同样其也受到植物的反馈影响。本研究中封山育林和人工造林对土壤质量的改善作用明显优于坡改梯和撂荒地。这主要是由于在封山育林或人工造林中土壤受到人为活动的干扰较少。使得枯落物量的不断积累，进而提高了土壤养分。此外，植物根系生长能够改善土壤结构特性[10]。而随着植物根系在土壤中死亡和分解，也进一步促进了土壤养分的积累，极大地改善了土壤质量[11,16]。相较于撂荒地而言，坡耕地也能促进土壤质量的改善。但是由于长期耕作，导致土壤养分含量降低，土壤结构易受到破坏[20]。尽管人工施肥能够将坡耕地土壤养分含量保持在一定范围内，但是其无法从根本上改善土壤性质。综上可见，石漠化综合治理过程中，封山育林和人工造林能够显著改善土壤质量。但是值得注意的是，随着植被恢复年限的推移，林地中土壤磷肥缺乏可能会限制植物生物量的积累，从而影响植被恢复效果。因此，在石漠化综合治理应注意后期的管护，以达到喀斯特石漠化生态可持续性。

5 结 论

本研究通过长期定点监测结合土壤质量综合分析，对比分析了石漠化综合治理中常用的封山育林、人工造林和坡改梯措施对土壤质量的影响效果。研究表明，相较于撂荒地，封山育林、人工造林和坡改梯对土壤理化性质和土壤质量均有显著性(p<0.05)的改善作用。其中，封山育林和人工造林对土壤养分积累和土壤质量的改善效果相对优于坡改梯。随着治理时间的推移，封山育林、人工造林和坡改梯的土壤质量指数均呈明显的增长趋势，但是土壤指数年增长率则逐渐降低。此外，封山育林和人工造林均能明显改善土壤碳、氮、磷含量。但是随着时间推移，封山育林和人工造林中土壤可能会出现磷素缺乏现象，从而影响石漠治理区的植被恢复效果。