劉 淼，蔡春菊，范少輝，張大鵬，康 劍

(1國(guó)際竹藤中心 竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102；2中國(guó)科學(xué)院 華南植物園，廣東 廣州 510650)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其動(dòng)態(tài)變化直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[1]。因此研究土壤動(dòng)態(tài)顯得尤為重要，其中土壤質(zhì)量的研究是一個(gè)重要的方向。土壤質(zhì)量是土壤多個(gè)功能指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，是揭示土壤動(dòng)態(tài)條件最敏感的指標(biāo)，體現(xiàn)了自然因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤的影響[2]。對(duì)于土壤質(zhì)量的研究主要是通過(guò)簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析論述土壤指標(biāo)與土壤質(zhì)量的關(guān)系[3]。然而近年來(lái)，隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展及其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法不斷豐富[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的土地經(jīng)營(yíng)方式會(huì)通過(guò)影響土壤的理化性質(zhì)而影響土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)[7-10]。退耕還林是我國(guó)獨(dú)特的土地經(jīng)營(yíng)方式的具體措施之一，同時(shí)也是防治水土流失和土壤退化的重要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林措施對(duì)林地土壤質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響[11-13]。因此，監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)土地經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響具有重要意義。

川南地區(qū)位于長(zhǎng)江上游，雨量充沛，但長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)使得土壤退化和水土流失嚴(yán)重。作為該地區(qū)最為豐富的生物資源，竹類(lèi)植物由于克隆生長(zhǎng)的特性，其生長(zhǎng)快、繁殖能力強(qiáng)，地下莖縱橫交錯(cuò)，具有涵養(yǎng)水源和固土防沖的作用[14]。硬頭黃竹(Bambusarigida)屬于竹亞科箣竹屬，為地下莖合軸叢生型竹種，是四川本地的鄉(xiāng)土竹種[15]，其根系和竹稈較散生竹密集。隨著退耕還林工程的實(shí)施，硬頭黃竹在該地區(qū)得到了較為廣泛的應(yīng)用和推廣，經(jīng)濟(jì)價(jià)值明顯，但對(duì)其產(chǎn)生的生態(tài)效益，尤其是對(duì)土壤質(zhì)量的影響還鮮有研究，對(duì)川南地區(qū)不同恢復(fù)年限竹林地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究采用空間替代時(shí)間的方法，在同一時(shí)間內(nèi)研究不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)的17項(xiàng)土壤指標(biāo)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林地的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為川南地區(qū)竹林生態(tài)修復(fù)提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省長(zhǎng)寧縣(104°44′-105°3′E，28°15′-28°7′N(xiāo))，是我國(guó)竹類(lèi)植物的主分布區(qū)之一。該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，氣候溫和。年平均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 104.2 mm，集中在6～9月，無(wú)霜期358 d，年日照時(shí)數(shù)1 212 h，相對(duì)濕度在80%以上。土壤以黃壤土和紫色土為主，有機(jī)質(zhì)含量較低。植物種類(lèi)豐富，主要有毛竹(Phyllostachysedulis)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、苦竹(Pleibolastusamarus)、梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)、硬頭黃竹、撐綠雜交竹、杉木(Cunninghamialanceolata)、麻櫟(Quercusacutissima)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、潤(rùn)楠(Machiluspingii)等。

1.2 樣地設(shè)置

基于對(duì)研究區(qū)域硬頭黃竹分布和生長(zhǎng)狀況的調(diào)查，選取立地條件一致、密度接近的恢復(fù)年限為5年竹林地(Y5)和10年竹林地(Y10)，以非退耕竹林地為對(duì)照(CK)，分別設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共9塊樣地。每個(gè)樣地四周設(shè)置3 m的緩沖帶。分別測(cè)定樣地的坡向、坡度、海拔、郁閉度和林分密度的基本情況。樣地內(nèi)未進(jìn)行過(guò)施肥、墾復(fù)等人為干預(yù)。各樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林基本情況Table 1 Basic characteristics of Bambusa rigida plantations under different recovery years

1.3 土樣的采集與測(cè)定

在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)以“S”形設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)挖取60 cm深度土壤剖面，分3層(0～20，20～40和40～60 cm)用環(huán)刀取土，編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤物理性質(zhì)指標(biāo)。同時(shí)用自封袋分別取0～20，20～40，40～60 cm土層土樣，并將同一樣地的同一土層土樣混合，去除石塊、根系等雜質(zhì)，用四分法取約1.0 kg混合土樣作為該樣地該土層的測(cè)試樣品，編號(hào)并帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干磨碎后用于土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤體積質(zhì)量、最大持水量、毛管持水量、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度；10個(gè)土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中，pH采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效磷含量采用HCl-H2SO4浸提法測(cè)定，全鉀含量采用NaOH熔融法測(cè)定，有效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定，交換性Ca、Mg含量采用乙酸銨交換-EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定。具體方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“森林土壤分析方法”(LY/T 1210～1275)(1999年)[16]。

1.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

1.4.1 土壤測(cè)定指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶有不同的量綱，首先應(yīng)當(dāng)將各指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到其在0～1的無(wú)量綱值(即隸屬度)。采用離差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，具體見(jiàn)式(1)。

F(Xi)=(Xi-Xi min)/(Xi max-Xi min)。

(1)

式中：F(Xi)為隸屬度值，Xi為第i項(xiàng)因子平均值，Xi max為第i項(xiàng)因子中的最大值，Xi min為第i項(xiàng)因子中的最小值，i為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.4.2 主成分分析及權(quán)重的計(jì)算 運(yùn)用SAS軟件對(duì)各指標(biāo)的隸屬度值進(jìn)行主成分分析得到主成分的載荷矩陣，并計(jì)算各主成分因子貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率和公因子方差。根據(jù)因子提取條件，只有特征值大于1的主成分才能被提取并保留，然后根據(jù)負(fù)荷量從17個(gè)指標(biāo)中篩選出對(duì)土壤質(zhì)量影響較大的指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)各因子的作用大小，利用公因子方差確定權(quán)重，具體見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，Ci為第i個(gè)指標(biāo)的公因子方差，i為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.4.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù) 根據(jù)篩選出的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重，采用加權(quán)綜合指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法中的加乘法則，對(duì)不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：F為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SAS 9.0、R等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖形處理。采用單因素分析(ANOVA)方法和最小顯著性檢驗(yàn)(LSD)方法對(duì)各處理土壤理化性質(zhì)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)的變化

2.1.1 土壤物理性質(zhì) 土壤體積質(zhì)量、持水量和孔隙度是土壤重要的物理性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)土壤水、肥、氣、熱等具有重要影響。不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤物理性質(zhì)見(jiàn)圖1～3。由圖1～3可知，恢復(fù)年限不同，土壤物理性質(zhì)存在一定差異。在0～60 cm土層，Y10的土壤體積質(zhì)量平均值最大，達(dá)1.58 g/cm3；Y5最小，為1.19 g/cm；同一恢復(fù)年限下，硬頭黃竹林土壤體積質(zhì)量隨土層深度的增加而增大。在同一土層下，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均隨恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)；但在同一恢復(fù)年限下，硬頭黃竹林土壤的以上3個(gè)指標(biāo)均隨土層深度的增加而減少。土壤孔隙度由毛管和非毛管孔隙度組成。在同一土層下，隨著恢復(fù)年限增加，土壤毛管孔隙度和總孔隙度總體呈降低趨勢(shì)，而非毛管孔隙度呈先降低后升高的趨勢(shì)。同一恢復(fù)年限下，隨著土層深度的增加，以上3個(gè)指標(biāo)變化無(wú)明顯規(guī)律性。土壤總孔隙度以非退耕竹林地(CK)最大，為49.95%，Y5最小，為39.69%。

圖柱上標(biāo)不同大寫(xiě)字母表示同一恢復(fù)年限下不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同小寫(xiě)字母表示同一土層下不同恢復(fù)年限間差異顯著(P<0.05)。下圖同 Different capital letters indicate significant differences among different soil layers at P<0.05 level,and different lowercase letters indicate significant differences among different de-farming years at P<0.05 level.The same below

圖2 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤持水量的影響Fig.2 Effects of different restoration years on soil water capacity of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖3 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤孔隙度的影響Fig.3 Effects of different restoration years on soil porosity of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林地土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀和交換性鈣鎂含量的影響見(jiàn)圖4～8。

圖4 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.4 Effects of different restoration years on soil pH and organic matter content of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖5 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤氮含量的影響Fig.5 Effects of different restoration years on soil nitrogen content of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

圖8 不同恢復(fù)年限對(duì)川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤交換性鈣和鎂含量的影響Fig.8 Effects of different restoration years on soil exchangeable calcium and magnesium contents of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

由圖4～8可知，不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤主要化學(xué)性質(zhì)差異性顯著。土壤pH值主要與土壤類(lèi)型有關(guān)，各樣地土壤pH變化范圍較小，且各土層深度間差異較小。同一土層下，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、交換性Ca和Mg含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，土壤有效鉀含量則總體降低。在同一恢復(fù)年限下，隨著土層深度的增加，土壤各養(yǎng)分(全鉀除外)含量總體降低。

2.2 不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

由表2可知，F(xiàn)1、F2、F3前3個(gè)主成分的特征值大于1，其累積貢獻(xiàn)率為95.100%。由于第1主成分的貢獻(xiàn)率最大，故其包含的原始數(shù)據(jù)的信息量最大，對(duì)土壤質(zhì)量的影響也最大，據(jù)此可知17個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的影響由大到小表現(xiàn)為X9>X2>X16>X11>X4>X17>X13>X10>X3>X8>X15>X12>X5>X7>X14>X6>X1，從中篩選出對(duì)土壤質(zhì)量影響最大的8個(gè)因子，分別為最大持水量(X2)、田間持水量(X4)、有機(jī)質(zhì)(X9)、全氮(X10)、堿解氮(X11)、速效磷(X13)、交換性鈣(X16)和交換性鎂(X17)。

表2 川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤理化性質(zhì)指標(biāo)因子前3個(gè)主成分的載荷矩陣、公因子方差及權(quán)重Table 2 Rotated principal component matrix,communality and weight of top three components of soil physical and chemical properties of Bambusa rigida plantations in hilly region of southern Sichuan

不同恢復(fù)年限川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知，不同恢復(fù)年限硬頭黃竹林3個(gè)土層的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)變化規(guī)律相同，均隨恢復(fù)年限的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；各土層中均以恢復(fù)5年硬頭黃竹林(Y5)的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高。同一恢復(fù)年限下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均隨土層深度的增加而降低。硬頭黃竹林0～60 cm土層土壤質(zhì)量綜合指數(shù)平均值以Y5最高，為0.577 2；非退耕竹林地次之，為0.352 2；Y10最低，為0.294 8。

圖9 不同恢復(fù)年限川南丘陵區(qū)硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化Fig.9 Changes in soil quality comprehensive index of Bambusa rigida plantations with different restoration years in hilly region of southern Sichuan

3 結(jié)論與討論

川南地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，表層土壤流失殆盡，生態(tài)系統(tǒng)急劇惡化，土壤質(zhì)量極差，植被自然恢復(fù)較為困難。通過(guò)恢復(fù)竹林可以防治水土流失和土壤退化，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在同一土層，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤體積質(zhì)量和非毛管孔隙度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，土壤田間持水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，這與前人對(duì)其他地區(qū)的研究結(jié)果[17-19]一致。本研究中，同一土層下，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、交換性Ca和Mg含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，土壤速效磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，土壤有效鉀含量則總體降低。對(duì)不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，恢復(fù)5年的硬頭黃竹林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最高；在同一恢復(fù)年限下，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均隨土層深度的增加而降低。

土壤質(zhì)量及其演替是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，并受氣候變化、林木生長(zhǎng)發(fā)育、人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)等多個(gè)因素的影響。從農(nóng)耕地到硬頭黃竹林，土地利用方式的改變意味著耕作和收獲莊稼的循環(huán)被更長(zhǎng)周期的森林循環(huán)所代替，產(chǎn)生了更多的生物量，并減少了土壤干擾的程度[20]。土壤理化性質(zhì)會(huì)隨著恢復(fù)年限的變化而變化，進(jìn)而影響到土壤質(zhì)量。在恢復(fù)還林初期(5年)，硬頭黃竹林鞭根生長(zhǎng)及土壤動(dòng)物活動(dòng)疏松了土壤，改善了土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，同時(shí)土壤溫度亦有所提高，微生物活動(dòng)較為強(qiáng)烈，因此土壤質(zhì)量綜合指數(shù)上升明顯[21]。恢復(fù)還林后10 年，硬頭黃竹林鞭根生長(zhǎng)受到限制，對(duì)土壤的改善作用不明顯。此外，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，林分密度增高，地表光照條件變差，土壤溫度亦降低，隨之土壤微生物活動(dòng)下降，有機(jī)質(zhì)分解緩慢[22-23]。因此，有必要對(duì)恢復(fù)10年的硬頭黃竹林進(jìn)行人工管理，以提高土壤質(zhì)量，使其更好地發(fā)揮生態(tài)功能，改善生態(tài)環(huán)境。