基于最小数据集的大渡河干暖河谷典型植被土壤质量评价

王文武， 朱万泽， 李 霞， 舒树淼

(1.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，610041，成都；2.中国科学院大学，100049，北京)

土壤质量指生态系统土壤发挥其功能的能力，包括维持生物生产力、保持生态环境质量、促进动植物健康生长的能力[1]。土壤质量不能被直接测得，通常采用土壤物理、化学和生物特性的某单项或几个联合指标，分析不同土地利用类型和管理条件下土壤功能是否提高、维持或者退化，评价土壤质量状况[2]。近年来，许多研究[3]涉及森林土壤质量评价指标体系及评价方法，其中最常采用的指标包括土壤有机质含量、阳离子交换量、pH值、密度、孔隙度、持水能力等。土壤质量评价应考虑土壤、植被、周围生态系统，以及土地利用的潜在变化。黄雪菊[4]采用土壤有机质、全氮、全磷、全钾、有效氮、有效钾和有效磷等指标评价岷江上游干旱河谷海拔1 600～2 100 m土壤质量，随着海拔的升高，土壤质量指数呈增加趋势。

干旱河谷是我国西南山地的一类特殊地貌类型，主要分布于澜沧江、怒江、金沙江和雅砻江的中下游，以及大渡河和元江的中游，具有气候干旱、温度较高、植被以灌丛和草地为主等特点[3]。大渡河是岷江最大支流，位于青藏高原东南边缘向四川盆地西部过渡地带，具有海拔高、垂直跨度大，以及生态系统多样性、复杂性、脆弱性等特点[5]。在过垦、过牧、过伐等因素的诱发下，引起土壤退化、植被旱生化、水土流失、自然灾害等生态环境问题。植被恢复是防止土壤退化和水土流失的有效措施，植被恢复对土壤的改良作用已受到广泛的关注[6]。然而，以往的研究多集中在植被恢复或不同土地利用方式对土壤物理性质的影响，而对于植被恢复过程中土壤质量变化的研究还较为缺乏。目前干旱河谷生态修复研究和土壤质量评价主要集中在金沙江下游干热河谷和岷江上游干温河谷，针对大渡河干暖河谷不同植被类型土壤质量评价还十分欠缺。为此，笔者测定大渡河中游泸定至汉源干暖河谷5种典型植被的土壤物理和化学性质，采用最小数据集法对其土壤质量进行评估，以期为川西干暖河谷土壤管理和植被恢复提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于大渡河流域中游泸定至汉源干暖河谷区，地理位置E 102°16′ ～102°55′，N 29°14′ ～29°82′，平均海拔992 m，年均气温15.4 ℃，年降水量753.2 mm，年均蒸发量1 573 mm。河谷植被主要是以清香木(Pistaciaweinmannifolia)、黄连木(Pistaciachinensis)和羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)为代表的旱生河谷灌丛，同时也有云南松(Pinusyunnanensis)为主的次生针叶林，以及以青冈(Quercusglauca)和栓皮栎(Q.variabilis)为主的阔叶林。草本主要有苔草(Carexspp)、白茅(Imperatacylindrica)和鬼针草(Bidenspilosa)等。本研究样点位于海拔1700m以下，土壤质地轻壤至重壤，类型以棕壤和红壤为主，砾石体积分数高(>30%)，最高可达80%，一般呈微碱性或中性(pH值7.4～8.4)。土壤有机碳质量分数较高(≈54.17 g/kg)，但因其矿化程度较低导致有效养分含量低，其中有效磷质量分数最为缺乏(≈8.93 mg/kg)。

2 材料与方法

2.1 野外土壤样品采集

2018年9—10月，沿大渡河流域泸定至汉源干暖河谷区，设置典型植被样地(乔木样地大小为20 m×20 m，灌丛为10 m×10 m，草本为5 m×5 m)共计37个，其中森林植被类型中针叶林3个、针阔混交林3个、阔叶林2个，灌丛17个，草地12个，每个样地设置3个重复。土壤样品分3层(0～10、10～20和20～30 cm)采集。受样地地形、土层厚度等影响，10个样地取样3层，11个样地取样2层，16个样地取样1层，分析数据时采用各层平均值。

2.2 土壤理化性质测定

土壤物理性质测定：土壤砾石含量、土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量、最小持水量、土壤通气度和土壤排水能力等采用环刀法测定。

土壤化学性质测定：土壤pH值采用1∶2.5电位法，有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全钾采用氢氧化钠融化法，全磷采用氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法，有效磷采用碳酸氢钠法，速效钾采用乙酸铵提取法[7]。

2.3 数据分析

最小数据集法是计算土壤质量指数的一种比较常用的方法，包括指标选择、指标权重计算和土壤质量指数计算3个步骤[8]。指标间相关分析采用Pearson相关性分析法，土壤质量指标筛选及权重确定采用主成分分析法。采用SPSS 25.0和Excel进行统计分析和图表制作。

3 结果与分析

3.1 土壤质量评价MDS指标及其权重

基于16个土壤理化指标间的Pearson相关分析，淘汰土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量、土壤通气度和排水能力5个指标，其余11个指标进入MDS候选指标，然后进行主成分分析(表1)。结果显示前3个主成分方差累积解释率为67.34%，表明前3个主成分能很好地解释原数据信息。将各主成分中因子载荷排名前三的指标作为候选指标，比较同一主成分中候选指标间的相关性，淘汰显著相关的部分指标。PC1中保留毛管孔隙度，淘汰土壤密度；PC2中保留全磷，淘汰土壤砾石含量；PC3中3个指标间均不显著相关(P>0.05)，全部保留。基于上述分析，最终确定的大渡河干暖河谷土壤质量MDS评价指标体系包括土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾等7个指标。然后根据各指标的公因子方差，计算其权重。由表1可知，权重较大的3个指标依次为：毛管孔隙度(18.53%)、土壤全磷(17.36%)、有机质(15.88%)，这3个指标累积权重达51.77%。

表1 旋转后的因子载荷及指标权重Tab.1 Factor loadings after rotation and indicators’ weights

3.2 典型植被类型土壤质量指数

研究区土壤质量指数(值越大代表土壤质量越好)的平均值为0.494，最大值为0.722(灌丛样地)，最小值为0.171(针叶林样地)。由图1可见，5种植被类型土壤质量指数平均值依次为：灌丛(0.558)、草地(0.482)、阔叶林(0.392)、针阔混交林(0.387)和针叶林(0.357)。从不同植被类型土壤质量指数的变异系数来看，灌丛(0.20)<草地(0.27)<阔叶林(0.30)<针阔混交林(0.31)<针叶林(0.35)。

“评分法”是按照土壤指标肥力等级对各指标进行打分，然后取所有指标得分的平均值，该平均值即为评价土壤质量的标准，该方法操作较简单，并且可对土壤质量进行定量评价，但在指标选择、指标打分和土壤质量等级划分上存在不可避免的人为主观因素的影响[9]。采用评分法作为最小数据集法的一种验证方法，参照全国第二次土壤普查推荐的肥力划分标准，将研究区土壤质量划分为5个等级，其结果与最小数据集法评价结果高度吻合，即5种植被类型土壤质量依次为灌丛(4.143)>草地(3.857)>阔叶林(3.25)>针阔混交林(3.125)>针叶林(2.875)。

3.3 土壤质量等级划分

目前对于干旱河谷区森林植被土壤质量指数的评估并没有统一的规范，选择的指标不尽相同，因此土壤质量指数等级划分并没有统一的标准。“箱形图”是一种采用“四分位”法绘制的统计图，可用作显示数据分散情况，也可进行多组数据分布特征的比较[10]。为分析各植被类型土壤质量指数特点，根据土壤质量指数箱形图(图2)，将该研究区的土壤质量指数分为4个等级(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级)，其范围分别是：Ⅰ级0.171～0.384，Ⅱ级>0.384～0.527，Ⅲ级>0.527～0.600，Ⅳ级>0.600～0.722。灌丛样地以Ⅱ级(占29.41%)和Ⅲ级(占35.29%)为主；草地以Ⅳ级(占33.33%)样地为最多，其次是Ⅰ级(占25%)和Ⅲ级样地(占25%)；针阔混交、针叶林和阔叶林均以Ⅰ级或者Ⅱ级样地为主，仅针阔混交林有1个Ⅳ级样地。

SB：灌丛；GD：草丛；BF：阔叶林；BC：针阔混交林；CF：针叶林。不同小写字母代表不同植被类型土壤质量指数差异显著(P<0.05)。SB refers to shrub, GD to grassland, BF to broad leaf forest, BC to mixed broadleaf-conifer, and CF to coniferous forest. Different letters above the bars indicate significant differences at the P<0.05 level. 图1 不同植被类型土壤质量指数比较Fig.1 Comparison of soil quality indexes of the vegetation

图2 土壤质量等级划分Fig.2 Classification of soil quality

4 讨论

4.1 大渡河干暖河谷土壤质量评价指标体系

在土壤质量评价中，指标的选择既要考虑对土地利用的敏感性和测量的可操作性，还要考虑指标的可解释性和实验成本[10]。笔者通过土壤管理评估框架确定的MDS包括7个土壤指标，与岷江上游干旱河谷土壤质量评价指标体系的不同之处在于本研究中MDS未包含土壤密度、pH和全钾，但含有土壤毛管和非毛管孔隙度，其中土壤密度与毛管孔隙度具有极强的相关性，因此可相互替代[11]。2个指标体系均包含有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾，本研究中土壤全磷和有机质在土壤质量指数中所占权重分别为17.36%和15.88%，暗示全磷和有机质含量对岷江上游干旱河谷和大渡河干暖河谷区土壤质量起着重要作用，可能是影响2个区域植被恢复的关键因子。

Bünemann等[1]对已发表的62篇土壤质量评价论文的统计分析表明，出现频率最高的物理指标均与土壤持水能力有关，如土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度等，这些指标反映了土壤结构状况，影响土壤团聚体稳定和土壤持水能力，进而影响土壤的生态功能；土壤毛管孔隙和非毛管孔隙度影响土壤水分和植物生长[12]。90%以上土壤质量的研究论文中均涉及土壤有机质，土壤有机质通过影响土壤团聚体稳定性和土壤孔隙，控制土壤气体交换和水分关系，在土壤碳循环与养分利用中也起着重要作用[13]。现有土壤质量评价研究中，大多选择土壤物理和化学指标，生物指标选择较少，应用土壤生物指标评价土壤质量是今后的发展方向，未考虑生物指标也是本研究的不足。

4.2 植被类型对土壤质量的影响

大渡河干暖河谷植被主要为人为干扰破坏后通过自然和人工恢复形成的次生植被。本研究显示灌丛土壤质量优于其他植被类型，可能的原因一是大渡河干暖河谷区优势树种根系生长快、密度大，如羊蹄甲、胡枝子、紫麻(Oreocnidefrutescens)、马桑(Coriarianepalensis)等，能有效疏松土壤，增大土壤毛管和非毛管孔隙度，进而增强土壤通气和持水能力[14]。二是这些灌丛树种大多叶片较薄，凋落物容易被土壤动物和微生物分解，土壤养分含量高，本研究中灌丛土壤有机质、全氮、全磷含量均为最高，全钾、有效磷含量仅次于草地；三是灌丛土壤微生物量较大，微生物作为土壤中主要的分解者之一，能加速凋落物的分解，增加土壤养分含量[15]。由此可见，灌丛对大渡河干暖河谷土壤有着明显的改良效果，能有效促进植被生长发育，在今后大渡河干暖河谷植被恢复中应将灌丛作为主要的植被恢复方向。从土壤质量指数计算结果来看，3种森林植被土壤质量指数变异系数大于灌丛和草地，这可能有两方面原因，一是森林植被土壤性质空间异质性较大，二是因研究区地势险峻，符合采样要求的样地数量较少。

总体来看，大渡河干暖河谷区草地亦具有较好的土壤理化性质。土壤速效钾是植物吸收K素的直接来源，本研究表明，大渡河干暖河谷草地土壤速效钾质量分数为179.30 mg/kg，为5种植被类型中最高，该结果高于岷江上游干旱河谷核心区草地的122.55 mg/kg[16]；土壤有效磷质量分数反映土壤磷供应能力，研究区草地土壤有效磷质量分数(12.58 mg/kg)同样为5种植被中最高，但低于岷江上游干旱河谷核心区草地的21.25 mg/kg[16]。此外，研究区草地土壤物理性质也较好，土壤含水量和毛管孔隙度略低于灌丛；非毛管孔隙度为16.21%，高于岷江上游干旱河谷区草地的11.62%[16]。由此可见，大渡河干暖河谷区草地土壤质量较好，对于植被生长和演替十分有利，具有较好的植被恢复潜力，在生态恢复初期可将其作为过渡植被类型。

5 结论

采用相关分析法和主成分分析法，构建由土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾7个指标组成的大渡河干暖河谷区土壤质量评价最小数据集(MDS)，其中权重排名前3的指标分别是毛管孔隙度、全磷含量和有机质含量。结果表明，土壤质量较好的是灌丛和草地，3种乔木植被类型土壤质量相对较差，阔叶林土壤质量优于针阔混交林和针叶林，土壤肥力评分法进一步验证了该评价结果。土壤质量指数分级结果表明，灌丛和草地以土壤质量较高的Ⅲ、Ⅳ级样点为主，而其余3个植被类型以土壤质量等级较低的Ⅰ、Ⅱ级样点为主。研究结果表明，大渡河干暖河谷灌丛具有较好的土壤改良效果，是今后大渡河干暖河谷植被恢复重建的主要方向；草地亦能较好地改良土壤质量，具有较大的植被恢复潜力。