袁 勇，熊東紅，校 亮，吳 漢，張 素，蘇正安，董一帆

(1.中國科學院 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學院大學，北京 100049)

【研究意義】土壤質量是在生態(tài)系統(tǒng)內保持作物生產(chǎn)力、維持環(huán)境質量、促進動植物健康的能力[1-2]，是土壤肥力質量、環(huán)境質量和健康質量的綜合量度[3]。自20世紀90年代初以來，土壤質量一直是土壤科學家研究的一個重要課題，并逐步認識到土壤在農業(yè)可持續(xù)性和環(huán)境質量方面所起的作用。然而，由于不合理人為活動及氣候變化等引起的土壤退化現(xiàn)象十分普遍[4-5]，其中土壤侵蝕是主要原因之一[6-7]，其引起的嚴重土壤退化問題將在21世紀繼續(xù)存在[8]。維持土壤質量成為確保環(huán)境及生物圈可持續(xù)發(fā)展的關鍵[9]。適當?shù)墓芾泶胧┛梢愿纳仆寥蕾|量因素或性質而提高土壤質量[10]。準確進行土壤質量評價對于制定可持續(xù)農業(yè)政策、恢復退化土壤和改善環(huán)境質量都是至關重要的[11]，不僅能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的變化[12]，還能為土壤質量的改善及可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和技術支撐[13]。在眾多的土壤質量評價方法中，模糊數(shù)學法綜合考慮了土壤質量的漸變性和模糊性使評價結果更符合實際[14]，因而受到了廣泛的應用[15-17]。【前人研究進展】沖溝侵蝕是元謀干熱河谷重要的土壤侵蝕方式，更是該區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問題之一[18]。沖溝侵蝕蠶食耕地，危害土地資源[19]；造成和加速了土壤退化進程[20]；形成大量泥沙，嚴重制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和威脅下游水利水電工程安全[21]。近年來，學者對該區(qū)沖溝侵蝕發(fā)育機制[22]和土壤抗侵蝕性[23]等方便面做了深入研究，發(fā)現(xiàn)沖溝不同區(qū)域土壤水分及顆粒組成等性質迥異[24-25]，同時對該區(qū)沖溝的生態(tài)治理作了探索[26-27]。但對于沖溝發(fā)育區(qū)土壤質量的研究還鮮見報道?！颈狙芯壳腥朦c】本文通過測定云南省元謀縣干熱河谷沖溝侵蝕活躍區(qū)土壤理化性質，采取模糊數(shù)學方法對土壤質量進行綜合評價，以掌握沖溝不同部位土壤質量狀況，并試圖找出影響土壤質量的關鍵因子?！緮M解決的關鍵問題】為進一步研究該區(qū)土壤退化過程奠定基礎，為制定沖溝生態(tài)治理措施提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省元謀縣干熱河谷區(qū)(101°35′～102°26′E，25°23′～26°06′N)，處于金沙江下游地帶，海拔899～1600 m，是我國生態(tài)系統(tǒng)退化的典型區(qū)域之一。氣候為季風型河谷干熱氣候，多年平均氣溫21.9 ℃，極端最高氣溫43 ℃，極端最低氣溫-0.8 ℃，最冷月(12月)均溫15.4 ℃，最熱月(5月)均溫27.2 ℃，≥10 ℃積溫達8001.5 ℃。年降水量520～590 mm，年蒸發(fā)量4000～4300 mm，無霜期360～365 d。呈現(xiàn)出降雨集中(6-10月)、炎熱干燥、干濕季分明而四季不分明的特征。植被屬河谷型薩王納植被，具有獨特的群落外觀和區(qū)系組成，是我國珍稀瀕危的植被類型之一。自然植被為稀樹灌木草叢，以禾草為主，草叢上散生稀樹、稀灌。草本植物主要為扭黃茅(Heteropogoncontortus)、孔穎草(BothriochloaKuntze)等；灌木以車桑子(Dodonaeaviscosa)為主；喬木有山合歡(Albiziakalkora)、余甘子(Phyllanthusemblica)等。土壤以燥紅土與變性土為主，其中燥紅土是該區(qū)基帶土壤[28]。

2 研究方法

2.1 樣點設置及樣品采集

2016年3月，在中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所干熱河谷溝蝕崩塌觀測研究站內選擇了3條鄰近并且發(fā)育程度相當?shù)牡湫蜎_溝(表1)。以沖溝溝頭為基準，向上游在集水區(qū)距離溝頭10 m范圍內設置3個采樣點(樣點間距5 m)，向下游在溝床距離溝頭10、20、30 m處各設置1個采樣點；兩端溝岸分別在距溝頭15、25 m處設置采樣點；溝頭則按上、中、下分別設置1個采樣點。每條沖溝布設13個采樣點，共計39個樣點，采集0～20 cm表層土壤樣品。采樣的同時記錄樣點的經(jīng)緯度、海拔等地理信息，并記錄各樣點的坡向、坡度、地被物等信息。取好的土壤樣品及時帶回實驗室處理后以待測定。

2.2 土壤樣品分析

采用吸管法測定土體機械組成；采取環(huán)刀法測定容重，采用酸度計法測定pH，采取重鉻酸鉀容量法測定有機質，采用氧化鎂浸提-擴散法測定銨態(tài)氮，采取酚二磺酸法測定硝態(tài)氮，采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定速效磷，采取醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀[29]。

表1 沖溝的形態(tài)特征參數(shù)

2.3 土壤質量評價

采用模糊數(shù)學模型計算土壤質量的綜合性指標值，以土壤質量指數(shù)SQI(Soil quality index)表示[30]，計算公式如下：

(1)

其中，Ni表示第i種參評指標所對應的隸屬度值；Wi表示第i種參評指標所對應的權重值；n為參評指標個數(shù)。據(jù)土壤質量評價參數(shù)選擇的原則[31]及前人的研究資料[32-33]，選取了物理性粘粒、粉/粘比、土壤容重、pH值、有機質、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀作為土壤質量參評指標。

2.3.1 隸屬度值的確定 根據(jù)作物效應曲線將隸屬度函數(shù)分為2種類型(拋物線型和S型)[34]，土壤容重、pH值、物理性粘粒含量和粉/粘比等指標屬于拋物線型隸屬度函數(shù)，即式(2)；土壤有機質、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷及速效鉀等屬于S型隸屬度函數(shù)，即式(3)。根據(jù)前人研究資料[35-37]及本區(qū)土壤的肥力特征，確定了曲線中轉折點的相應取值，詳見表2。由式(2)、式(3)和表2可求出各項指標的隸屬度值，其介于0.1～1.0之間，最大值1.0表示土壤肥力指標完全適宜作物生長，最低值0.1表示土壤肥力指標嚴重缺乏。由于完全沒有肥力的土壤極少，因此最小值取0.1，且在計算時可避免零值過多。

(2)

(3)

2.3.2 權重值的確定 各項參評指標的權重值采用主成分分析法來法確定，首先計算出公因子方差，進一步求出各公因子方差占公因子方差總和的比例，將其作為單項評價指標的權重值(表3)。

2.4 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理，采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件進行簡單相關分析、主成分分析及單因素方差分析(差異程度用最小顯著差異法LSD比較)，顯著性水平為α=0.05。繪圖采用SigmaPlot 10.0。

3 結果與分析

3.1 沖溝不同部位土壤理化性質差異

沖溝侵蝕增加了沖溝發(fā)育區(qū)土壤機械組成(粉粒、粘粒)分布的差異性，并增加了土壤緊實度。元謀干熱河谷沖溝侵蝕活躍區(qū)的4個部位中，溝床土壤粘粒含量顯著高于集水區(qū)、溝頭和溝岸(表4)，溝

表2 隸屬度函數(shù)曲線轉折點值

表3 參評指標權重值

表4 沖溝不同部位土壤理化性質

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同行不同小寫字母表示不同部位之間差異顯著(P<0.05)。

Note:Data in the table represent the average value ± standard deviation; Different small letters in each row indicate significant difference at 0.05 level.

床以外其他3個區(qū)域間則差異不顯著；而粉/粘比在不同部位表現(xiàn)出顯著的差異(集水區(qū)和溝岸間除外)，集水區(qū)和溝床粉/粘比較高，在3 %左右，溝頭和溝床較低，不到2 %，表明沖溝侵蝕增加了土壤機械組成的變異性。細小土粒由集水區(qū)和溝頭等隨徑流進入溝床并在溝床沉積而表現(xiàn)出更高的土壤粘粒含量。土壤容重在溝頭和溝岸間具有顯著差異，其余部位間差異不顯著，溝頭容重最高，平均達到1.73 g/cm3，其余部位介于1.6～1.7 g/cm3，土壤均較為緊實。

沖溝侵蝕引起沖溝活躍區(qū)土壤酸堿度顯著提高和土壤有機質含量顯著降低，并造成土壤氮素和磷素損失。沖溝集水區(qū)和溝床土壤pH值接近5.5，為酸性土壤；溝頭和溝岸土壤pH值平均介于6.5～7.0，屬于中性，且與集水區(qū)和溝床土壤差異達到顯著水平。由此表面沖溝侵蝕能提高土壤酸堿度(溝頭和溝岸)。沖溝不同部位土壤有機質含量大小為：集水區(qū)>溝床>溝岸>溝頭，溝岸、溝床和溝頭土壤有機質含量顯著低于集水區(qū)，比集水區(qū)分別下降了84.96 %、71.28 %和57.60 %，表明沖溝侵蝕能顯著降低有機質含量。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在集水區(qū)和溝床間差異不顯著，但顯著高于溝頭和溝岸，說明沖溝侵蝕造成土壤有效性氮素顯著損失。集水區(qū)與其余3個部位間土壤速效磷含量差異均不顯著，但其含量均低于3 mg/kg，處于較低水平，說明沖溝侵蝕能引起土壤磷素流失，但不會造成其空間分布的顯著差異。沖溝侵蝕區(qū)不同部位土壤速效鉀含量均在60 mg/kg以上，處于中等以上水平，除溝岸外，其余區(qū)域差異不顯著，說明沖溝侵蝕未造成速效鉀含量的顯著降低，侵蝕對速效鉀的影響較小。

上述分析表明，干熱河谷沖溝侵蝕增加了土壤理化性質的分布差異，使土壤緊實化，造成粉/粘比例降低，有機質顯著下降，以及加劇土壤有效性氮素和磷素損失，導致土壤貧瘠化。

3.2 沖溝不同部位土壤質量指數(shù)

沖溝侵蝕造成溝頭和溝床土壤質量急劇下降，是干熱河谷區(qū)土壤貧瘠化的主要成因。元謀干熱河谷沖溝土壤質量評價如圖1所示，沖溝不同部位土壤質量指數(shù)(SQI)較低，最大僅為0.406，表明沖溝侵蝕活躍區(qū)土壤質量較差。SQI大小順序為：溝床(0.406)>集水區(qū)(0.357)>溝頭(0.289)>溝岸(0.252)，其中集水區(qū)和溝床間差異不顯著，兩者均顯著高于溝頭和溝岸，而溝岸顯著低于溝頭。溝床土壤質量指數(shù)(SQI)高于集水區(qū)，是因為徑流泥沙在溝床沉積，為草本或灌木植物著生提供場所，植物生長又改善了該區(qū)土壤質量，這與研究區(qū)溝床植被覆蓋度較高相符；而集水區(qū)分散的地表徑流開始匯集，并帶走細小土壤顆粒，使得粉/粘比增大(表4)，進而引起土壤養(yǎng)分隨徑流損失，最終造成土壤質量

圖中不同小寫字母表示不同部位之間差異顯著(P<0.05)Different small letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level圖1 沖溝不同部位土壤質量Fig.1 Soil quality in different plots of gullies

指標Index粘粒Physical clay粉/粘比Physical powder/clay ratio容重Bulk densitypH值pH value有機質Organic matter銨態(tài)氮Ammonium nitrogen硝態(tài)氮Nitrate nitrogen速效磷Available phosphorus速效鉀Available potassiumSQI集水區(qū)0.012-0.925**0.1270.799**0.462-0.890**0.883**0.5910.747*SQI溝頭0.653**-0.564**-0.2410.186-0.210-0.287-0.082-0.260-0.236SQI溝岸0.789**-0.397*0.435*-0.377-0.307-0.475*0.0760.0910.141SQI溝床0.1540.2750.256-0.2680.646*0.691*0.5720.803**0.454

注：表中數(shù)據(jù)為pearson相關系數(shù)；**表示相關性極顯著(P<0. 01)；*表示相關性顯著(P<0. 05)。

Note: Data in the table are pearson correlation coefficients; **indicates significant correlation at 0.01 level; *indicates significant correlation at 0.05 level.

下降。與集水區(qū)相比，溝頭和溝岸土壤質量分別下降了19.05 %和29.41 %，由此可見，干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕引起沖溝不同部位土壤質量不同程度的下降，造成土壤急劇退化。

3.3 沖溝土壤理化性質與土壤質量指數(shù)的關系

干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕引起制約土壤質量的因素由土壤化學性質轉變?yōu)橥寥牢锢硇再|。從表5可以看出，沖溝侵蝕區(qū)土壤理化性質與土壤質量指數(shù)SQI的相關關系在不同侵蝕部位表現(xiàn)不同：集水區(qū)土壤粉/粘比、pH值、硝態(tài)氮與SQI呈現(xiàn)極顯著正相關，而土壤銨態(tài)氮與SQI呈現(xiàn)出極顯著負相關；溝頭僅有粘粒含量和粉/粘比與SQI呈現(xiàn)極顯著相關性，前者為正相關，后者為負相關；溝岸土壤粘粒含量和容重與SQI分別呈現(xiàn)極顯著和顯著正相關，而粉/粘比和銨態(tài)氮與SQI呈現(xiàn)顯著負相關；溝床土壤有機質和銨態(tài)氮與SQI呈現(xiàn)出顯著正相關，土壤速效磷與SQI呈現(xiàn)極顯著正相關。綜合分析發(fā)現(xiàn)，沖溝侵蝕較為強烈的部位(溝頭和溝岸)土壤質量指數(shù)SQI與土壤物理性質關系更為密切(溝岸銨態(tài)氮除外)，而沖溝侵蝕相對緩和的部位(集水區(qū)和溝床)土壤質量指數(shù)SQI與土壤化學性質關系更為密切(集水區(qū)粉/粘比除外)，因此，干熱河谷區(qū)沖溝侵蝕發(fā)育引起制約土壤質量的因素發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為由土壤化學性質轉變?yōu)槲锢硇再|。隨著沖溝的發(fā)育，侵蝕區(qū)土壤養(yǎng)分等隨徑流流失而損失，造成土壤化學性質惡化，使得對土壤質量貢獻較大的土壤養(yǎng)分指標開始轉向土壤物理指標，如土壤粘粒、粉/粘比和容重等。

4 討 論

本文重點研究了元謀干熱河谷沖溝發(fā)育區(qū)土壤理化性質和土壤質量(主要為肥力質量)以及它們之間的關系。沖溝侵蝕增加了土壤理化性質的分布差異，造成土壤質量急劇下降，并且引起影響土壤質量的關鍵因素發(fā)生變化，是干熱河谷區(qū)土壤退化的主要成因之一。為深入理解沖溝侵蝕如何影響土壤質量并造成土壤退化，以及探索如何進行沖溝生態(tài)治理，現(xiàn)作以下討論。

(1)沖溝土壤退化程度及其關鍵因素。元謀干熱河谷沖溝侵蝕以溝頭溯源侵蝕過程為主[38]。沖溝的發(fā)育造成地形急劇變化，引發(fā)溝頭后退、溝床下切和溝岸崩塌等，導致地表土壤大量流失，形成集水區(qū)砂礫化面蝕、溝頭溯源侵蝕、溝床下切/沉積侵蝕、溝岸沖淘崩塌等多種侵蝕形式共存的土壤退化現(xiàn)象。因此，沖溝侵蝕成為干熱河谷土壤退化的主要因素。劉剛才等[39]研究也表明，土壤侵蝕是造成干熱河谷區(qū)土壤退化尤其是土壤養(yǎng)分貧瘠化的主要原因。參照土壤養(yǎng)分貧瘠化的劃分標準[40]，沖溝溝頭和溝岸土壤有機質分別達到嚴重貧瘠和輕度貧瘠狀態(tài)，溝床和集水區(qū)土壤有機質為肥沃水平；沖溝4個部位土壤速效磷均為嚴重貧瘠；土壤速效鉀處于中度和輕度貧瘠，其中溝頭貧瘠化程度最高，其次為溝岸。因此，沖溝侵蝕造成干熱河谷區(qū)各土壤養(yǎng)分不同程度的貧瘠化，其中以土壤有機質和速效磷貧瘠化程度最高。

上述相關分析表明(表5)，沖溝侵蝕較為劇烈的溝頭和溝岸土壤質量與土壤物理性質關系密切(主要為機械組成和容重)，而集水區(qū)和溝床土壤質量與土壤化學性質關系密切(主要為養(yǎng)分含量和pH值)。表明土壤粘粒含量和粉/粘比是溝頭和溝床土壤質量的關鍵影響因素，而集水區(qū)關鍵因素為pH值和有效性氮素，溝床則為土壤有機質、有效性氮素和磷素。即隨著沖溝侵蝕的發(fā)育影響土壤質量的關鍵因素發(fā)生了變化。龐學勇等[41]研究表明土壤退化與土壤有機質有關，土壤氮素和磷素隨土壤有機質的減小而降低，但土壤鉀素變化不顯著，因為鉀素主要受母質的影響。土壤氮素和磷素主要來源于有機質的分解轉化，沖溝侵蝕的發(fā)育使得集水區(qū)表層土壤有機物質隨分散的地表徑流而流失，分散的徑流匯聚后流經(jīng)溝頭，其較強的跌水下切力和徑流沖刷力對溝頭造成劇烈侵蝕，帶走大量表層物質，因而引發(fā)土壤砂礫化及土壤有機質、氮素和磷素等養(yǎng)分大量損失。同時土壤養(yǎng)分含量在不同土層分布差異顯著[42-43]，隨土壤深度增加，土壤有機質、氮、磷等養(yǎng)分含量逐漸降低[44-46]，所以，沖溝發(fā)育區(qū)因表層土壤被侵蝕，使中下層相對貧瘠的土壤出露甚至基巖裸露，造成侵蝕區(qū)土壤質量顯著降低。當徑流流經(jīng)溝床時，因比降下降、糙率增加等，徑流輸沙能力降低，部分泥沙在溝床沉積發(fā)生正侵蝕，徑流消退后，溝床相對優(yōu)越的水熱條件促進了植物的生長，因此，溝床表現(xiàn)出相對較好的土壤質量。沖溝侵蝕發(fā)育過程中，當對土壤質量有重要貢獻的有機質、氮素和磷素等關鍵因子下降到一定程度后，這些因素對土壤質量的作用已經(jīng)很弱，這時，土壤粘粒、粉/粘比和容重等物理性質則成為影響土壤質量的關鍵因子。所以隨著沖溝侵蝕的發(fā)展，影響土壤質量的關鍵因素由土壤化學性質轉變?yōu)橥寥牢锢硇再|，并成為制約土壤質量的關鍵因子。找出這些關鍵因子對于深入研究干熱河谷區(qū)土壤退化過程以及進行沖溝生態(tài)治理具有重要意義。

然而，土壤質量還受干熱河谷區(qū)干熱氣候[47]、土壤母質[48]等因素的影響，但就侵蝕沖溝局部區(qū)域來說，引起不同部位土壤質量變異的主要因素在于土壤內在屬性(主要為物理和化學性質)。下一步將擴大沖溝土壤質量的研究尺度，考慮母質、微氣候變化下沖溝土壤的質量狀況及其退化程度，以為干熱河谷區(qū)更廣泛的生態(tài)治理提供指導。

(2)沖溝生態(tài)治理措施探討。進行沖溝生態(tài)治理的前提是掌握沖溝形成機理及發(fā)展過程，認清沖溝侵蝕區(qū)立地條件和土壤質量狀況，并作出生態(tài)治理適宜性評價。沖溝生態(tài)治理應以因地制宜、因害設防、適地適樹、坡溝兼治為原則。

近年來，學者已對干熱河谷沖溝溝頭形態(tài)進行了廣泛調查[49-50]，并對其活躍程度做了評價[51]，基本掌握了沖溝發(fā)育過程、機制及其產(chǎn)沙效應[52-56]，在此基礎上進行了干熱河谷區(qū)植被野外調查[57]，選育出優(yōu)勢鄉(xiāng)土樹種并做了抗旱生理試驗[58]，同時進行了植被減沙效益和水土保持效益的野外模擬試驗[26-27]。發(fā)現(xiàn)植被恢復可以減弱陡坡土壤侵蝕并促進有機質的積累[59]，干熱河谷區(qū)人工種植銀合歡林能夠產(chǎn)生良好的土壤改良效應[60]。研究還表明植被對沖溝侵蝕過程和生態(tài)環(huán)境有重要影響[61]，植被措施對控制沖溝侵蝕具有重要貢獻[62-64]。結合本文所述沖溝土壤質量狀況，采取植被恢復是干熱河谷區(qū)沖溝生態(tài)治理的一項有效措施。

然而，上述分析表明沖溝不同部位土壤退化程度不同、土壤質量的制約性因素也不同，因此在進行生態(tài)治理時也應區(qū)別對待，并重點關注生態(tài)最脆弱的部位。對于溝頭和溝岸因土壤質量主要由物理性質決定，因此應以穩(wěn)定溝岸和溝頭的措施為主，可以在溝床采取谷坊、溝頭采取消能的工程措施，以防止溝床下切和溝岸沖淘，減輕溝頭溯源侵蝕，并結合植物措施加以治理。對于集水區(qū)和溝床因土壤質量主要由化學性質決定，且土壤質量相對較好，因此應以植物措施為主，選擇抗旱、抗貧瘠能力強的鄉(xiāng)土樹種，結合水平溝、水平階等防護工程進行生態(tài)治理。

經(jīng)多年的努力，元謀干熱河谷區(qū)沖溝生態(tài)治理已經(jīng)取得了較好成效，但對于沖溝生態(tài)治理技術體系的具體效益還需要較長時間來檢驗，研究者將于后續(xù)研究中對所提出的沖溝生態(tài)治理技術效益進行長期監(jiān)測與評價，深入分析生態(tài)治理措施體系對沖溝土壤質量的改善效果，進一步優(yōu)化沖溝生態(tài)治理模式。從而為干熱河谷區(qū)農業(yè)生產(chǎn)及下游水利工程安全運行提供保障。

5 結 論

(1)沖溝侵蝕增加了土壤理化性質的分布差異，使土壤緊實化，造成有機質含量顯著下降，加劇土壤有效性氮素和磷素損失，導致土壤養(yǎng)分貧瘠化，并以土壤有機質和速效磷貧瘠化程度最高。

(2)沖溝侵蝕加劇了土壤退化程度，土壤質量指數(shù)(SQI)表現(xiàn)為：溝床(0.406)>集水區(qū)(0.357)>溝頭(0.289)>溝岸(0.252)，其中以溝岸和溝頭土壤退化程度最高。

(3)沖溝侵蝕引起制約土壤質量的因素由土壤化學性質轉變?yōu)橥寥牢锢硇再|，但沖溝土壤質量尚未退化到最低水平，適宜進行生態(tài)治理，應抓住各部位土壤質量的關鍵限制性因子因地制宜、綜合防治。