喀斯特高原峡谷区不同植被类型的土壤抗蚀性

肖盛杨, 舒英格, 陈梦军

(贵州大学 农学院, 贵州 贵阳 550025)

喀斯特高原峡谷区环境较脆弱，由于人类不合理的土地利用，在雨水的冲刷作用下，易造成水土流失，土壤侵蚀加剧，土地生产力降低等，最终导致石漠化问题的加剧[1]。受地质背景的强烈制约，西南喀斯特地区土壤侵蚀主要是化学溶蚀、重力侵蚀和流水侵蚀的综合侵蚀(地面流失和地下漏失)机制[2]。土壤侵蚀加剧石漠化进程，而石漠化则是土壤侵蚀的结果，二者是同一生态退化过程的两个不同阶段[3]。土壤抗蚀性由我国朱显谟院士于1956年提出。土壤抗蚀性是指土壤抵抗水(包括降水和径流)的分散和悬浮的能力[4]，是评定土壤抵抗侵蚀能力的重要参数之一。土壤抗蚀性不仅与土壤本身的内在因素有关，还受植被、地形和降雨等外部环境因素的影响[5]。关于喀斯特地区土壤抗蚀性的研究报道很多，但主要集中在喀斯特高原盆谷区[6]、喀斯特高原峰丛洼地区[7-8]、高原和中低山槽谷区[9-12]等，对喀斯特高原峡谷区土壤抗蚀性的研究较少。本研究以典型喀斯特高原峡谷区为研究对象，对不同植被类型下土壤抗蚀性的演变特征研究，进一步完善喀斯特地区土壤抗蚀性研究，对喀斯特高原峡谷区水土保持和脆弱生态系统的恢复具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省晴隆县西南部，是典型的石漠化治理示范区，地理坐标为25°49′—25°51′N,105°11′—105°15′E，地形地貌为典型喀斯特高原峡谷区，地势起伏大，平均海拔1 428 m，相对高差达1 482 m。属于高原亚热带季风气候，年均日照数为1 462 h,年均温约14 ℃，总降雨量在1 500～1 600 mm，无霜期约320 d。岩性以石灰岩和白云岩为主，且地表层为第四系薄层沉积物。

1.2 样品采集及测定

研究区以喀斯特石漠化治理区“晴隆模式”为研究对象，根据喀斯特高原峡谷区生态系统的自然演替过程，并结合植被群落的外部特征和内部结构，选择林地(以楸树林为主的自然林地)、林草间作地(柏树与茅草间作)、荒草地、退耕还草地(退耕5～10 a，主要种植皇竹草和薹草两种养殖草)和耕地(以玉米和烤烟轮作)5种不同植被类型(表1)。于2017年1月在研究区内选取不同植被类型下立地条件基本类似的典型样地3～5个，样地面积采用10 m ×10 m，每个样方内采用“蛇形”取样法，用木制工具采集0—10 cm表层土壤(该石漠化地区土层较薄)2 kg左右的原状土样，装入铝盒避免挤压，在采集和运输过程中尽量减少对土壤的扰动，以免破坏土壤团聚体结构，尽量保持土样的原状性。带回实验室后把土样分为两份，其中分取1.5 kg用于测定团聚体；另一部分用于土壤理化性质的测定。土壤机械组成按简易比重计法测定;团聚体组成按干—湿筛法测定;微团聚体—吸管法;有机质—重铬酸钾外加热法，具体操作方法参考文献[13]，样品于2017年6月完成测定。

表1 研究区样地基本情况

注：各物种拉丁学名分别为楸树(Catalpabungei)，柏树(Platycladusorientalis)，长芒草(Stipabungeane)，白三叶(Trifoliumrepens)，黑麦草(Loliumperenne)，皇竹草(Pennisetumsinese)，薹草(Carexparva)，车前草(Plantagodepressa)，烟草(Nicotianatabacum)，玉米(Zeamays)。

1.3 土壤抗蚀性指标的选取

土壤有机质为土壤团粒结构的形成提供胶结源,促进土壤团粒结构的形成,增强土壤的透水性、通气性，提高土壤抗蚀性等[14]。土壤颗粒是构成土壤结构体的主要成分，不仅影响土壤养分循环，还可以用来解释土壤抗侵蚀的程度[15]。土壤水稳性团聚体对土壤的通透性、保水性和抗蚀性有着重要的影响[16-17]。水稳性团聚体被水机械打击和消散后不易分散，具有较高的稳定性。因此，土壤水稳性团聚体的数量和稳定性是评价土壤抗蚀性的重要指标。土壤微团聚体在土壤质量评价、培肥和水土保持等方面具有重要的意义，常用来计算分散系数和团聚度等指标，并作为土壤抗蚀性评价依据之一[18]。本文借鉴国内其他地区的研究和结合前人研究土壤抗蚀性常用的指标[19-20]，共选取了11个指标，采用主成分分析法进行最佳评价指标的筛选。11个指标分别为：<0.05 mm 粉黏粒含量%(X1)；<0.01 mm 物理性黏粒含量%(X2);<0.001 mm黏粒含量%(X3);结构性颗粒指数(X4)=黏粒(<0.001 mm)含量%/粉粒(0.001～0.05 mm)含量%;团聚状况(X5)=>0.05 mm微团聚体分析值->0.05 mm机械组成分析值;团聚度(X6)=团聚状况/>0.05 mm微团聚体分析值;分散率(X7)=<0.05 mm微团聚体分析值/<0.05 mm机械组成分析值;>0.25 mm水稳性团聚体含量，即水稳性大团聚体含量(X8);>0.5 mm 水稳性团聚体含量(X9);>0.25 mm 团聚体破坏率%(X10)=(干筛>0.25 mm-湿筛>0.25 mm)/(干筛>0.25 mm);有机质含量(X11)，单位为g/kg。

1.4 数据分析

采用Office 2016进行数据处理，利用SPSS 21软件进行主成分分析,采用单因素方差分析(ANOVA)对不同植被类型土壤性质进行比较，当方差分析结果显示出显著差异时，进行最小差异检验。

2 结果与分析

2.1 土壤抗蚀性综合评价指标的筛选

由于各指标间信息可能重叠和相互关联，所以采用主成分分析法，提取较少能够评价土壤抗蚀性的指标，以较少的公因子代替原有指标，并尽可能保留原有指标的信息量，以最佳评价指标对土壤抗蚀能力进行综合评价。主成分分析结果表明(表2)，研究区土壤抗蚀性前3个主成分(PC1，PC2，PC3)的累积方差贡献率达89.30%以上，且特征根均大于1，符合主成分分析要求，表明前3个主成分基本能反映研究区土壤的抗蚀指标的大部分信息。从表2中公共因子和原始变量的相关系数可以看出，旋转前的各因子的意义不是很明显。为了使因子载荷矩阵中系数更加显著，利用方差最大旋转法对各因子载荷进行旋转后，使因子和原始变量间的关系进行重新分配，更加容易进行解释。第一、第二、第三主成分的方差贡献率分别为34.02%，30.24%和25.05%，基本上解释了11个指标的绝大部信息，因此选取前3个主成分作为评价不同植被类型土壤抗蚀性主成分分析的依据，其中在第一主成分中<0.001 mm黏粒含量(X3)、结构性颗粒指数(X4)的因子载荷较高，可达到0.89以上；第二主成分中，水稳性大团聚体含量(X8)、>0.5 mm水稳性团聚体含量(X9)、团聚体破坏率(X10)载荷量较高，第三主成分中团聚状况(X5)、分散率(X7)载荷量较高；因此，根据对研究区土壤进行主成分分析所得的因子载荷矩阵综合分析，载荷量较高的指标有黏粒含量、结构性颗粒指数、分散率、团聚状况、水稳性大团聚体含量和团聚体破坏率，因此，这6个指标评价该地区土壤抗蚀性的最优选择指标，为今后土壤喀斯特地区土壤的抗蚀性评价工作提供参考。

表2 土壤旋转前后的因子载荷阵及贡献率

注：X1—X11评价指标的具体含义详见正文1.3。

2.2 不同植被类型抗蚀性评价指标的变化特征

根据主成分分析法筛选出黏粒含量、结构性颗粒指数、分散率、团聚状况、水稳性大团聚体含量和团聚体破坏率6个指标对不同植被类型土壤抗蚀性进行评价，分析不同植被类型下各指标的变化特征。

2.2.1 土壤黏粒含量变化 土壤黏粒含量愈多，土壤的吸收和持水能力好，因此，可以用作评价土壤抗蚀性指标之一。由表3分析可知,土壤黏粒含量大小顺序为：林地>退耕还草地=林草间作地>荒草地>耕地。退耕还草地的含量与林草间作地相近，且高于荒草地，可能是由于退耕还草地受人为影响破坏土壤结构，导致黏粒含量增加，而退耕还草后可以防止水土流失。

2.2.2 土壤水稳性团聚体含量及破坏率 土壤水稳性团聚体是由有机质胶结而成一种土壤有机—无机物质的复合体,可以改善土壤结构,具有较高的稳定性，对土壤的抗蚀性有很重要的作用。由图1可知，研究区除耕地外，其他植被类型下水稳性团聚体含量组成均以>5 mm，5～2 mm两个粒级为主，尤其是>5 mm 粒级的水稳性团聚体，平均含量可达30%以上，耕地显著低于其他植被类型(p≤0.05)；而耕地主要以1～0.5 mm 粒级为主。说明耕作严重破坏大团聚体的形成，增大该区域水土流失的发生机率。不同植被类型下均表现为0.5～0.25 mm粒径的含量都显著低于其他粒径的含量。耕地表现为随着粒级减小,水稳性团聚体含量呈先增加后减小的趋势；其他4种植被类型表现为随着粒级减小，水稳性团聚体含量逐渐降低的趋势。5种植被类型下相同粒级团聚体含量间存在一定差异，2～1 mm的粒级团聚体间差异不显著；>5 mm，5～2 mm和水稳性大团聚体含量，林地显著大于耕地；1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒径的水稳性团聚体，耕地显著大于林地。>0.25 mm水稳定团聚体含量是土壤中最好的结构体，其含量高低可以反映土壤结构稳定性与土壤质量[21]。不同植被类型下，水稳性大团聚体含量大小顺序表现为：林地(89.65%)>荒草地(88.56%)>林草间作地(86.92%)>退耕还草地(83.77%)>耕地(76.67%)。相对于耕地，林地水稳性大团聚体含量增加16.93%，说明研究区不同植被类型对水稳性团聚体的影响较大。

注：不同小写字母表示处理间在p<0.05水平上差异显著。

图1 不同植被类型土壤水稳性团聚体各粒级含量的变化

由表3可知，土壤团聚体破坏率分析表明，耕地土壤团聚体破坏率最大，破坏率达20.89%，显著大于其他植被类型，是林地土壤的2.35倍，一方面说明耕地土壤水稳性团聚体的破坏严重,导致抗侵蚀性和保肥保水性能显著降低,发生土壤侵蚀的几率较大；另一方面说明林地土壤抗崩解能力较强，土壤颗粒水稳性较好，土壤抗蚀性能好。

2.2.3 以微团聚体含量为基础的土壤抗蚀性指标 土壤微团聚体是由胶体凝聚土壤原生颗粒组成的，对土壤培肥和水土保持等方面具有重要的意义，常用来计算分散系数和团聚度等指标，并作为土壤抗蚀性评价依据之一。 ①土壤结构性颗粒指数。土壤结构性颗粒指数反映土壤形成微团聚体的能力和稳定性，值越大，说明土壤结构性越好，土壤抗蚀性强[22]。由表3分析可知，不同植被类型土壤结构性颗粒指数(X4)的大小为林地最大，退耕还草地最小，说明林地的土壤抗蚀性最强。 ②团聚状况。团聚状况表示土壤颗粒的团聚程度，其值的大小与土壤抗蚀性强弱密切相关，值越大土壤抗蚀性越强。由表3可知，5种植被类型中土壤团聚状况(X5)为林地(52.17%)、林草间作地(53.07%)、荒草地(56.50%)和退耕还草地(50.63%)显著高于耕地(37.48%)，这与>0.25 mm水稳性团聚体最低和团聚体破坏率最大一致，说明耕地受人为翻耕后，结构性较差，团聚能力显著降低，土壤抗性较弱。 ③分散率。分散率是以微团聚体分析中<0.05 mm粒级的含量与机械组成分析中0.05 mm粒级含量的比值表示，分散率越高，土壤的分散性越强，土壤抗蚀性越弱[23]。表3显示，土壤分散率(X7)的大小排序为：耕地(53.84%)>退耕还草地(40.72%)>林地(39.03%)>林草间作地(37.23%)>荒草地(29.18%)，耕地显著高于其它植被类型，说明耕地土壤抗蚀性能最差，受人为干扰影响较大，是水土流失治理的重点。

表3 不同植被类型的土壤抗蚀性指标含量变化

注：数据为平均值±标准差；不同小写字母表示不同植被类型间土壤抗蚀性指标间存在显著差异(p≤0.05)。

2.3 不同植被类型土壤抗蚀性的综合评价

对筛选的6个最佳指标进行主成分分析，结果显示，3个公因子的方差累积率分别为44.96%，32.15%，18.62%；特征值分别为2.69，1.93，1.12。不同样地综合主成分分值公式为：

PC=0.469PC1+0.336PC2+0.194PC3。

计算方法为:

PC=〔λ1/(λ1+λ2+λ3)〕PC1+

〔λ2/(λ1+λ2+λ3)〕PC2+

〔λ3/(λ1+λ2+λ3)〕PC3

式中：λ1，λ2，λ3——每个主成分对应的特征值。然后用主成分线性函数计算不同植被类型样地的主成分值(通过对初始因子载荷矩阵除以开方后相应的特征根得到3个主成分的变量系数)。主成分线性函数表达式为：

PC1=0.182X3+0.074X4+0.522X5-

0.500X7+0.488X8-0.447X10

PC2=0.653X3+0.678X4+0.107X5+

0.035X7-0.198X8+0.247X10

PC3=0.191X3+0.177X4-0.449X5-

0.519X7+0.450X8-0.507X10

在土壤抗蚀性的综合评价中，综合指数越高，土壤抗蚀性越强，综合指数值是通过评价指标标准化后与主成分分值的乘积相加计算的结果，正负值只表示相对大小，不表示实际意义，综合值正和负只表示高于和低于平均水平，表示相对大小[11]。由表4可知，第1主成分各类型排名与综合主成分排名一致,第2主成分和第3主成分稍有不同，通过3个主成分的综合评价得到各植被类型下土壤抗蚀性顺序为：林地>林草间作地>荒草地>退耕还草地>耕地。说明不同植被类型对土壤抗蚀性的影响较大，楸树林自然恢复模式是增强喀斯特高原峡谷区土壤抗蚀性的一种有效方式。

表4 不同植被类型的土壤抗蚀性综合指数

3 讨论与结论

喀斯特高原峡谷区生态环境较脆弱，植被较少，土层薄，加上人类不合理的土地利用，水土流失强度大，土壤抗蚀性亦不同于常态地貌，因此，水土保持和生态恢复工作对该地区的发展起关键性的作用。喀斯特地区土壤的抗蚀性颇有研究，但土壤抗蚀性评价的指标没有统一化。前人对喀斯特地区土壤抗蚀性的研究结果中，有机质、黏粒含量、结构性颗粒指数、水稳性大团聚体含量和水稳性团聚体破坏率是表征土壤抗蚀性的最佳指标，但本文得出有机质不是表征土壤抗蚀性的主要指标。Mallick等[24]通过对沙特阿拉伯地区的研究表明土壤有机质含量与土壤可蚀性间不存在相关性,不能作为表征土壤抗蚀性的主要参数。本文研究结果与之类似。本研究结果表明，不同植被类型下土壤有机质含量的变化表现为：林草间作地>荒草地>林地>退耕还草地>耕地，与土壤抗蚀性综合指数的大小不一致。可能的原因是林草间作地和荒草地虽然地表枯枝落叶丰富，生物归还量大，加上牲畜粪便在一定程度上也补充了有机质，使得有机质处于较高的水平，表层土壤内根系和根系分泌物较多，增强土壤的团聚能力[25-26],但林草间作地和荒草地是近几年才有不同程度的恢复，原先人为严重破坏了植被和土壤性状，而一些土壤性状的变化滞后于植被的生长，其退化后需较长的时间恢复[27]。该结果同时也解释了林草间作和荒草地土壤黏粒含量、结构性指数、水稳性大团聚体含量均低于林地，团聚体破坏率高于林地的原因。本文得出团聚状况和分散率也可以用来表征土壤抗蚀性，这与罗兰花等[28]的研究结论相符，说明本研究得出的土壤抗蚀性最佳指标有一定合理性。

本研究得出不同植被类型下土壤抗蚀性的强弱表现为：林地>林草间作地>荒草地>退耕还草地>耕地。与王佩将等[11]和李阳芳等[29]分别得出灌草丛和荒草地土壤抗蚀性最强的结果不一致。研究区为典型喀斯特高原峡谷区，主要以裸露型喀斯特为主，不合理的人类活动造成石漠化加剧，岩石大面积裸露。有林地主要以楸树为优势种的自然恢复林地，林下土壤由于受人为扰动较小，林下还生长其它杂木和草本植物，结构较为复杂，植被覆盖率较高(表1)。林地的自然恢复能够改善土壤理化性质和提高植被根系密度，在很大程度上控制土壤可蚀性的变化[30]；同时还可以防止土壤水分蒸发，降低降雨对土壤结构体的消散和机械打击，并有效控制径流对土壤的侵蚀[31]。有研究[32]表明，相对于香椿林和滇柏林，楸树林能较好的改善土壤理化性质，进一步说明楸树林能增强土壤抗蚀性；但对喀斯特高原峡谷区土壤抗蚀性的影响机理还待进一步研究。

本研究区仅从有机胶体类、无机黏粒类和团聚体稳定性等土壤理化性质指标进行土壤评价还存在许多不足，土壤侵蚀量是评价土壤侵蚀的重要指标[33]。在喀斯特地区常采用退耕还林还草等方式增强土壤抗蚀性，而生物结皮能促进土壤发育，改善土壤理化属性，防治土壤侵蚀。该方法在黄土高原干旱和半干旱地区已经取得成效[34]。在喀斯特地区，大量具有耐旱、吸水性强、喜钙等特征的石生藓类与地衣和藻类等构成大面积的生物结皮层[35]。因此，生物结皮增强喀斯特高原峡谷区土壤的抗蚀性可以作为下一步研究的方向。

综上所述，林草间作模式能够有效的提高土壤抗蚀性，但楸树自然恢复林的抗蚀性更优，建议该研究区在石漠化治理过程中，以增加楸树林的面积，提高土壤抗蚀性，促进生态恢复和增强水土保持功能。本研究仅对喀斯特高原峡谷区不同植被类型土壤抗蚀性的一般规律作了初步研究，缺少与土壤侵蚀量相结合做相关研究，结果没能够解释土壤抗蚀性的机制过程，今后还需深入研究。