南方红壤侵蚀区土壤肥力质量的突变——以福建省长汀县为例

陈志强，陈志彪

(福建师范大学地理科学学院，福州 350007)

土壤对植被恢复具有重要作用，不仅影响植物群落的发生、发育和演替速度，决定着植物群落演替的方向［1］，而且对生态系统过程、生产力和结构等具有重要影响［2］。土壤肥力质量是土壤的基本属性和本质特征，是土壤特性的综合反映，是揭示土壤条件动态变化的敏感指标，能体现人类活动对土壤肥力的影响，是度量退化生态系统功能恢复与维持的关键指标之一［3］。在一定的生态条件下，已退化的土壤具有一定的恢复能力，这种特性被称为土壤复退性能［4］。生态环境建设的成效在很大程度上取决于生态恢复与重建过程中土壤肥力质量的演化及其环境效应，只有系统中的土壤能够不断形成发育、正向演替，土壤肥力质量逐步得到提高并保持在较高水平，退化生态系统才能达到生态平衡和良性循环［5］。因此，了解土壤肥力质量演变的规律，搞清哪些土壤容易复退，哪些土壤不易复退;哪些土壤可自然恢复，哪些土壤需要人为干预，是成功地防治土壤退化和恢复土壤生产力的先决条件［4］，是深化发展土壤学科的需要，更重要的是可以评价生态恢复与重建措施的合理与否，以便预测正在广泛开展的生态环境建设工程产生的效益［5］。

突变理论是法国数学家雷内-托姆(Rene Thom)于1972年创立的一门研究突变的新兴数学，它建立于拓扑动力学、微积分、奇点理论及结构稳定性理论之上，是目前唯一研究由渐变引起突变的理论［6］。突变理论认为，对连续平滑的变化，控制变量微小的扰动仅仅引起状态变量的微小增量;而位于临界点附近，控制变量的微小变化将导致状态变量的巨变。因此，突变理论的关键便是寻求状态变量发生突变的控制变量的取值，以揭示突变的形式及发生的机制［7］。突变理论的出现引起各方面的重视，被称为“牛顿和莱布尼茨发明微积分三百年以来数学上最大的革命”［8］。几十年来，突变理论己在化学［9］、医学［10］、计算机［11］等方面取得了阶段性成果，在地学中的应用也逐渐增多，如地震［12］、洪水［13］和断层滑动［14］等，但目前突变理论应用于土壤肥力质量演变的相关研究鲜见报道。

我国南方红壤地区面积约203.53万km2，占全国土地总面积的21%，水土流失面积超过60万km2，是南方面积最大、垦殖指数最高、水土流失最严重的区域，部分地域曾一度成为南方的“红色沙漠”［15-16］。本文以南方红壤侵蚀区的典型代表长汀县为研究区域，将突变理论应用于土壤肥力质量演变，建立尖点突变模型，分析土壤肥力质量演变的关键影响因子，以期为我国南方红壤侵蚀区土壤肥力质量恢复提供理论依据与技术指导，有助于减少生态建设的盲目性。

1 研究区概况

长汀县位于东经 116°00'45"—116°39'20"，北纬 25°18'40″—26°02'05″，属中亚热带季风性湿润气候，年均气温为18.3℃，年均降雨量为1730.4mm，降雨年内分配为双峰型，降雨量集中，降雨强度大;地貌以丘陵为主，平地狭小，盆谷相间［17］;土壤类型以红壤为主，占土地总面积的79.81%;中部以河田盆地为中心的低山丘陵区人类活动剧烈，水土流失最为严重，原生植被破坏殆尽，以马尾松、灌丛等次生植被为主，由中部向边缘山区逐步过渡到以常绿阔叶林、竹林和针阔混交林为主［17］;由于地面植被遭到破坏，红色风化壳直接受到流水的强烈侵蚀，坡面呈现千沟万壑的景象。经过多年治理，水土流失强度有所降低，但与全省平均值相比，长汀县仍属福建省水土流失严重地区［16］;长汀县素有“八山一水一分田”之称，土地面积约3099.5km2，耕地面积约210km2，对于拥有近50万人口的长汀县来说，人均耕地仅为0.042hm2，具有人多地少的特点。据有关部门统计，长汀县2005年农民人均劳动纯收入3369元，为福建省平均水平(4450.36元)的75.70%，尚有贫困人口1.19万人，占全省贫困人口数的9.64%，是比较典型的生态脆弱和经济落后的县份［18］。因其水土流失的严重性、典型性和治理的长期性，长汀县早在20世纪40年代就是全国仅有的3个设置水土保持试验站的县份之一，学术界已把长汀县作为研究福建省乃至中国南方红壤侵蚀区的典型区，进行了大量相关研究［19］。

2 研究方法

2.1 土壤肥力质量因子测定与外部因子提取

2002年8月，对长汀县以河田镇为中心的水土流失区进行土壤调查。针对每一种立地条件及土地利用方式布设样点，在每个样点周围随机采集3个位置的土壤样品，混合后形成1个混合样品;由于水土流失程度较强，相当部分样点土壤的表层甚至心土层已被剥蚀。为使各个样点具备可比性，当存在土壤垂直分层时，对土壤表层进行取样，当不存在垂直分层时取0—20cm的表土层;剔除根系、风干土样和分级过筛等处理后，对90个样点土壤进行化验［19］。已有研究表明，红壤土壤肥力质量主要包括两大因素，一是物理因素，主要为有效土层厚度和土壤粘粒含量，二是以有机质为中心的肥力因素［4］。因此，本研究选取的土壤肥力质量因子及其测定方法包括:有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法，全氮采用开氏消煮法，碱解氮采用碱解扩散法，全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，速效磷采用双酸浸提-钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法，速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法，容重采用环刀法，pH值采用1∶2.5水浸-电位法，＜2μm黏粒质量分数采用氢氧化钠分散-吸管法。本研究根据林海明提供的方法，利用SPSS 17.0软件的因子分析模块，一步算出土壤肥力质量的主成分得分值，再通过自然断裂法进行分级［20］，将肥力质量分为6级，由高到低数值化为 1、2、3、4、5 和 6。

阮伏水等［21］认为长汀土壤肥力质量变化的主导影响因子包括水土流失、地质、地貌、气候气象、植被、人类活动等。由于研究区岩石基本为花岗岩，且降水、温度等差异较小，因此，根据研究区实际情况及数据可获取性，选取水土流失强度、坡度和植被覆盖度作为影响土壤肥力质量演变的外部因子。在土壤采样过程中，对水土流失强度信息进行预判，再按照《全国土壤侵蚀动态遥感调查和数据库更新技术规程》，参考研究区第二次土壤侵蚀遥感调查成果(1995年土壤侵蚀、土地利用图和遥感影像)和2000年TM、SPOT遥感影像、士地利用图、地形图以及其它相关资料，经综合分析后对野外预判的异常信息进行校正，最终生成各样点水土流失强度，包括微度流失、轻度流失、中度流失、强度流失、极强度流失和剧烈流失，数值化为6、5、4、3、2和1;以研究区1∶1万地形图为底图，在 ArcGIS9.0中矢量化等高线，创建不规则三角网 TIN(Triangulated Irregular Network)，将TIN转成数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)，再从中提取坡度信息，将样点所处位置的坡度值赋予样点，坡度分级标准为:0—5°、5—10°、10—15°、15—20°和 ＞ 20°，数值化为 1、2、3、4 和 5;在ENVI4.5中，以同期TM遥感影像为数据源(前期经过辐射校正、几何精校正、投影转换等处理)，根据研究目的，对影像进行重采样、镶嵌和水体掩膜处理等，最后利用线性光谱分离技术提取研究区植被覆盖度。植被覆盖度分级标准为:0—0.1、0.1—0.2、0.2—0.3、0.3—0.4 和 ＞0.4，数值化为 1、2、3、4 和 5。在 SPSS 17.0 中，对数据进行标准差标准化，使各因子均值为0，方差为1，从而消除各因子量纲和自身变异的影响。

2.2 尖点突变模型

突变理论的研究对象之一是势函数，势函数通过状态变量和控制变量来描述系统行为［6］。

若将内部因子u和外部因子v作为两个控制变量，把系统功能x作为状态变量，则可建立系统变化的尖点突变模型，其势函数为:

式中，V(x)为势，即位置为x时的系统状态，u、v为控制变量。当V′(x)=0时，系统处于平衡位置，系统所有临界点构成的平衡曲面方程为:

平衡曲面有切线在满足式(3)的点附近:

由式(2)、式(3)消去x项可得到分叉集方程为:

分叉集是系统发生突变与否的界限。系统控制变量的坐标落在分叉集内时，系统就会发生突变，否则就是平稳变化。即只有当Δ≤0时，系统才可能跨越分叉集发生突变，因此Δ≤0为系统突变的判断条件。Δ值的大小可以作为系统演化状态与临界状态的距离，称之为突变特征值，值越小则越易发生突变［12］。就土壤而言，曲面的上叶表示土壤肥力良性循环，肥力质量稳定性较高，脆弱度较低，下叶表示土壤肥力循环受阻，肥力质量稳定性较差，脆弱度较高，功能比上叶差。系统从上叶到下叶或从下叶到上叶的突变表示系统发生突发性变化［22］(图 1)。

图1 尖点突变模型Fig.1 Cusp mutation model

3 结果与分析

3.1 土壤肥力质量演变的建模与计算

南方红壤侵蚀区土壤肥力质量演变的影响因子可分为内部因子和外部因子。内部因子包括有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、容重、pH值和＜2μm黏粒质量分数，外部因子包括坡度、植被覆盖度和水土流失强度。若将内部因子u和外部因子v作为两个控制变量，把土壤肥力质量x作为状态变量，则可建立土壤肥力质量演变的尖点突变模型。根据林海明提供的方法，利用SPSS17.0软件的因子分析模块，一步算出内部因子u及外部因子v的主成分得分值［20］。经计算，u和v可以分别反映两组因子信息的81%和79%。

将u和v代入尖点突变模型，经计算，90个样点中，Δ≤0的样点共27个，占30%，Δ＞0的样点共63个，占70%。就土壤肥力质量等级而言，发生突变的样点主要集中于等级1和等级2，分别占突变样点总数的48.15%和33.33%，且肥力质量由高到低，发生突变的样点数目呈下降趋势;就水土流失强度而言，发生突变的样点主要集中于微度和轻度，分别占突变样点总数的37.04%和44.44%，强度、极强度和剧烈三级对应的样点数目都为0个;就坡度而言，发生突变的样点主要集中于5—10°和10—15°，分别占突变样点总数的37.04%和40.74%，而＞20°和＜5°对应的样点数目最少，分别为0和1个;就植被覆盖度而言，突变样点最多的植被覆盖度为 ＞0.4，占突变样点总数的 48.15%，其次为 0.3—0.4，占 37.04%，＜0.1、0.1—0.2 和 0.2—0.3三级的突变样点都较少(表1)。

3.2 土壤肥力质量演变与影响因子的统计关系

采用SPSS17.0中的双变量相关对Δ与土壤肥力质量等级、水土流失强度、坡度和植被覆盖度的相关性分别进行分析。由表2可知，Δ与土壤肥力质量等级呈正相关，与水土流失强度、坡度和植被覆盖度都呈负相关，Δ与四者都呈极显著(P＜0.01)的相关关系，即土壤肥力质量等级、水土流失强度、坡度和植被覆盖度都对Δ产生显著影响;皮尔逊相关系数绝对值的大小顺序为:水土流失强度＞植被覆盖度＞土壤肥力质量等级＞坡度，可见水土流失强度对Δ的影响最大，其次为植被覆盖度，最小为坡度。

3.3 土壤肥力质量演变的影响因子分析

花岗岩发育的土壤表层砂砾含量高而粘粒少，抗侵蚀性弱，加上风化壳中抗侵蚀性极弱的砂土层存在，成为该土壤水土流失特别严重的内在原因。同时，亚热带季风性湿润气候，丘陵、山地为主的地形，历史上乃至当今人类对山地的不合理利用尤其是对山地植被的大面积破坏，致使水土流失成为中国南方红壤侵蚀区尤其是南方花岗岩红壤侵蚀区最主要的制约因素之一［21］。随着水土流失的发生和加剧，土壤经历了薄层化、养分失衡、贫瘠化、砂质化和逆向发育等一系列退化过程，最终形成不长植被的“光板地”［23］。几乎所有土壤肥力质量因子都随着水土流失强度的增强而呈递减趋势。经计算，微度水土流失区的土壤肥力质量因子均高于90个样点的平均值，轻度水土流失区土壤肥力质量因子稍高于平均状况，中度水土流失区土壤肥力质量因子与90个样点平均值较为接近，强度、极强度和剧烈水土流失区均低于平均值。例如，90个样点的全磷含量以39号(自叶岭，剧烈水土流失)最小，50号(五通岭风水林地，微度水土流失)最大，全氮含量以中度以上水土流失的10个样点最小，50号(五通岭风水林地，微度水土流失)最大。

表1 土壤肥力质量演变与影响因子的关系Table 1 Relationship between soil fertility quality evolution and influence factors

表2 Δ与土壤肥力质量等级、水土流失强度、坡度和植被覆盖度的相关性Table 2 Correlations between Δ and soil fertility quality grade，soil and water loss，slope and vegetation cover

研究区面蚀主要集中在10—30°的坡地上，沟蚀和崩岗侵蚀集中在20—40°坡地上，滑坍等重力侵蚀集中在30—60°的坡地上，因此，在＞20°的坡地上，面蚀、沟蚀、崩岗侵蚀等最为严重［21］，即随着坡度增加，水土流失不断加剧。坡度通过影响人为活动，也对水土流失分布规律产生影响。＜5°的平地区，除已被开发成农地的区域外，因坡度较缓且水热等自然条件较好，容易开发利用，加之人口密度大，人类活动强度大，如工矿开采、铁路及高速路修建等，使自然植被受到破坏，导致土壤肥力质量出现较低级别;在＞20°的坡地上，人类活动频繁，植被破坏较严重，重力梯度也较大，所以水土流失特别严重;处于5—15°坡地的土壤肥力质量因子一般高于上述两种坡地，如 0—5°、5—10°、10—15°、15—20°、＞20°的全氮分别为 0.04、0.07、0.04、0.07、0.03 g/kg，全钾分别为 17.23、28.79、29.72、45.32、18.50 g/kg。

随着土壤肥力质量恢复，植被覆盖度增加，植物生长产生的枯枝落叶和根系腐解物在土壤中积累和矿化，一方面把大部分无机营养元素归还土壤，另一方面改善了土壤的物理性质，土壤质地和通气状况变好［24］。当土壤肥力质量恢复到一定阶段之后，植被群落稳定性增加，恢复速度应趋于变缓［25］。随着植被覆盖度的增加，土壤肥力质量因子都随之呈现增大趋势。植被覆盖度＜0.1区域土壤肥力质量因子明显低于90个样点平均状况;植被覆盖度0.1—0.2及0.2—0.3区域的土壤肥力质量因子，除个别指标差异较明显外，绝大多数与平均状况非常接近;植被覆盖度0.3—0.4和＞0.4区域的土壤肥力质量因子明显大于平均值。

未经治理的严重水土流失区，植物覆盖度极低，土壤极端贫瘠，土壤肥力质量要自然恢复的可能性很小。因而，水土流失为强度、极强度和剧烈，土壤肥力质量等级为5和6，坡度＞20°和坡度＜5°，植被覆盖度小于0.3的区域，土壤肥力质量发生突变的数目很少;经过生物和工程措施进行治理或通过封禁消除人为干扰，减轻了水土流失，改善了植物生存的小生境，地表覆盖先锋植物后，土壤肥力质量恢复才就此开始［25］。由此可见，突变主要发生于土壤肥力质量等级较高、水土流失强度较轻、坡度中等、植被覆盖较好的地点。

4 讨论

长期以来，众多学者把突变理解成事物从状态的一种形式突然地跳跃到根本不同的另一种形式的不连续变化，包含着突然变化的瞬间过程［26］。近年来，众多学者将突变理论应用于作用力或动力的渐变导致状态突变的现象，如地震、滑坡、围岩失稳等［27］，取得令人满意的结果。与地震、滑坡、围岩失稳等相比，生态系统对外部条件及环境压力的响应也常常是以非线性变化过程为特征，在明显事件的诱发下，生态系统有可能从一种状态转变为另一种形成强烈对比的稳定状态。土壤作为一个特殊的生态系统，其变化也遵循非线性特征，土壤的各单一因子或过程，“如土壤的养分含量和形态、土壤的生物学特性、土壤的生产力等会呈现突变的现象在许多试验研究中都可以见到。”［28］。然而，与地震等现象相比，土壤肥力质量演变的时间相对较长。已有学者指出，小气候环境(如地表最高温度)在短时间内就可发生明显变化，而植物群落特征及土壤养分的改变却要相对缓慢得多，且土壤的形成远远落后于植被的演化［19］。从长汀八十里河和水东坊20a的恢复与重建的历史来看，恢复森林生态系统的结构需40a左右，而恢复其土壤肥力则需140a左右［19］。强度红壤水土流失区治理24a后，土壤的结构、渗透性、蓄水性能、养分特征、微生物性质及其抗侵蚀能力得到了改善，但土壤养分的恢复程度不高，土壤肥力质量要恢复到顶级群落的土壤水平还需漫长的时间［16］。根据突变理论，判断转变方式是否为突变，不能用中间过渡态变化的快慢来决定，而必须根据转变过程中事物所经历的中间过渡状态是否稳定。若中间过渡状态为稳定，则转变属渐变过程;若为非稳定，则转变属突变过程［26］。本研究中，长汀县从40年代即开展了一系列生态恢复与重建工作，经过60余年的时间，90个样点中仅有27个样点产生突变，说明了土壤肥力质量恢复的艰巨性和时间上的漫长性。

由于土壤本身的高度复杂性以及干扰体系的多样性，土壤演变所表现出的类型、阶段、过程及其响应机理也各不相同［28］。包维楷等［29］把生态系统的退化过程归纳为:突变过程、渐变过程、间断不连续过程及复合退化过程。土壤肥力质量演变过程也可分为:①突变过程。如吴蔚东等认为江西省红壤地区杉木人工林从造林阶段到5—8a的幼林期，包括林地凋落物层、土层厚度、有机质、全氮、CEC、BS、pH和速效氮、速效磷、速效钾在内的主要土壤质量性状大幅度退化［30］;传统的炼山造林可使杉木林地枯枝落叶和养分库呈突变形式退化［31］;吕春花等认为黄土高原子午岭地区植被自然恢复1—140a阳坡墚坡地土壤质量演变过程中，植被恢复初期土壤质量综合指数呈快速增长［32］;②渐变过程。如郝文芳等通过分析黄土丘陵沟壑区退耕2、6、9、13、16、19、25、30、40a的弃耕地土壤性质的演变，认为随着演替时间的延续，土壤有机质等都呈逐渐增加的趋势［33］;③间断不连续变化过程。如戴全厚等研究认为黄土丘陵区坡耕地退耕撂荒后，植被逐渐恢复其自然面貌，土壤理化性状逐渐改善，但如继续干扰破坏，则会引起植被和土壤恢复受阻甚至土壤退化和植被逆行演替［34］;④复合变化过程。即上述多种变化的组合。

相对稳定的生态系统退化的过程，大体可分为四个阶段:轻度干扰阶段，退化程度较轻，自然恢复较易成功;中度干扰阶段，人为调控结合自然恢复能力可以恢复，但所需时间较长;强度干扰阶段，相对短时间内难以自我修复，须先改变非生物环境如水土流失;剧烈干扰阶段，该阶段生态恢复与重建的难度最大，须通过多种措施进行综合治理［19］。根据阮伏水等在长汀河田、南安美林、安溪官桥等地的研究，不同花岗岩坡地生态系统其恢复能力不同:植被覆盖率低于0.3，土壤有机质低于0.4%，土壤B层被剥蚀殆尽的坡地系统，已无法通过封禁得到恢复，系统已出现逆向演替，必须人工加以干预;而植被覆盖率在0.35以上，土壤剖面B层尚残存，有机质在0.5%以上的坡地系统，通过封禁后基本可以靠系统本身能力恢复，如继续遭受破坏，系统将出现逆向演替［21］。因此，土壤肥力质量演变不同阶段具有不同特点，治理方式、治理投入和产出也不相同。在南方红壤侵蚀区，人们往往把治理重点放在强度及其以上水土流失区，也就是放在水土流失稳定区，在那里投放了大量的人力、物力和财力，而忽视了微度、轻度和中度水土流失区的治理，也就是忽视了对易发生突变的区域的治理，这无论从科学或经济角度来说都是不正确的［26］。本研究结果显示，发生突变的样点所对应的水土流失强度为微度和轻度，而强度、极强度和剧烈三级都处于较为稳定状态。如果及时预先获知区域的突变状态，并据此进行针对性治理，控制突变走向，采用终止、引导、加速等不同方式，促进土壤肥力质量正向演变，则可用最小投入获取最大效益。

5 结论

(1)发生突变的样点主要集中于土壤肥力质量等级1和等级2，水土流失微度和轻度，坡度5—10°和10—15°，植被覆盖度0.3—0.4和＞0.4的区域;土壤肥力质量等级、水土流失强度、坡度和植被覆盖度对土壤肥力质量演变都有较大影响，Δ与土壤肥力质量等级、水土流失强度、坡度和植被覆盖度都呈极显著相关关系，皮尔逊相关系数绝对值的大小顺序为:水土流失强度＞植被覆盖度＞土壤肥力质量等级＞坡度;发生突变的样点基本集中在土壤肥力质量等级较高、水土流失强度较轻、坡度中等、植被覆盖较好的地区。

(2)土壤肥力质量演变的时间相对较长，应根据转变过程中事物所经历的中间过渡状态来判断是否产生突变;土壤肥力质量处于突变状态时可用较小投入产生较大效益，在关注严重水土流失区生态恢复与重建的同时，不应忽视突变区的治理。

(3)在生态恢复与重建过程中，应定量确定土壤肥力质量演变所处的阶段，研究各种生态恢复与重建途径应在何时介入才能达到最大效益，何时退出才不会导致土壤肥力质量停止恢复甚至退化，从而保持最小风险并获得最大效益。突变模型可以确定土壤肥力质量所处的状态，较好地揭示外部因子引起土壤肥力质量演变的规律，从而为生态恢复与重建提供新的思路与方法。

(4)尖点突变模型是一个确定性模型，可根据Δ是否小于等于0分为稳定与突变两种状态，但Δ并非为二值型数值，其大小代表突变的程度。因此，如何根据Δ的数值细分土壤肥力质量演变状态，确定演变的方向如正向抑或逆向即土壤肥力质量由差转好还是由好转差，还需结合土壤肥力质量及研究区特点进行深入研究。同时，如何将土壤肥力质量突变状态与各土壤肥力质量因子有机联系，求取各土壤肥力质量因子的突变临界值，仍需进一步探讨。

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