廣西喀斯特地區(qū)荒草地墾田的土壤肥力變化

胡業(yè)翠，李 英，王其兵

〔1.中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術學院，北京100083；2.中國科學院 植物研究所，北京100093〕

土壤是一種寶貴的自然資源，土壤質(zhì)量的優(yōu)劣不僅直接影響到當?shù)鼐用竦纳钏?，而且是全球糧食安全問題的核心。人口增長、經(jīng)濟社會發(fā)展和資源約束決定了全球長期存在巨大的糧食安全壓力，因此土壤質(zhì)量的研究已經(jīng)成為國際研究的熱點問題。國內(nèi)外眾多學者致力于土壤質(zhì)量方面的研究，研究內(nèi)容可以總結為兩個方面，一是通過統(tǒng)計分析土壤某些物理、化學及生物指標的變化反映土壤質(zhì)量變化［1－8］，如Kong等［2］研究發(fā)現(xiàn)，在中國北方集中農(nóng)業(yè)區(qū)，土地利用方式按原始草地、旱地、水田、菜地順序變化，土壤有機碳、全氮、有效磷均增加；許聯(lián)芳等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在桂西北喀斯特生態(tài)移民區(qū)，土壤有機碳、全氮、有效氮含量與土壤的利用強度有關，隨土地利用強度的增加而降低。Francis Dube［5］等研究發(fā)現(xiàn)，智利巴塔哥尼亞火山土土壤有機碳的含量變化順序為：退化的天然草原＞未管理的次生林假山毛櫸林＞間伐和修剪的黃松人工林。二是通過比較土壤質(zhì)量的綜合分值分析土壤質(zhì)量變化［9－14］。如李靈［9］對南方丘陵區(qū)不同土地利用方式的土壤質(zhì)量研究發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量以受人為干擾較少的次生闊葉林的土壤質(zhì)量最優(yōu)，桉樹人工林和經(jīng)濟林次之，耕地土壤質(zhì)量較差，而采礦跡地的土壤退化最為嚴重。已有的研究結果均表明，土壤質(zhì)量與土地利用方式有直接的關系。

廣西壯族自治區(qū)巖溶地貌分布廣泛，受特殊自然條件的影響，巖溶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，加上石山區(qū)人口過多，遠遠超過了自然生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，導致廣西巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，出現(xiàn)了石漠化等一系列重大生態(tài)問題。石漠化使得石山區(qū)土地生產(chǎn)力下降，同時石山區(qū)人口不斷增加，這就使許多石山區(qū)陷入人均耕地不足，糧食不能自給，經(jīng)濟收入少，群眾生活十分貧困，越貧越墾、越墾越貧的惡性循環(huán)。因此，為解決石漠化、貧困化問題，廣西壯族自治區(qū)各級政府積極探索異地種養(yǎng)、異地就業(yè)、異地安置等解決方案。異地安置、生態(tài)移民政策的實施改變了原有的土地利用方式，系統(tǒng)分析土地利用變化對土壤質(zhì)量影響是保證移民工程實施后遷入?yún)^(qū)生態(tài)和糧食安全的有效方法。關于喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)土壤質(zhì)量研究主要是通過土壤性狀指標和土壤綜合分值測試和計算進行的［8，15］，利用模型分析生態(tài)移民工程對土壤質(zhì)量的動態(tài)影響研究甚少。本研究以廣西自治區(qū)環(huán)江縣移民區(qū)為對象，選取3個代表不同開墾年限的典型樣點，基于空間代替時間的理論，在利用相關系數(shù)法確定權重，隸屬度函數(shù)指標歸一化的基礎上，對開墾年限分別為30a和15a的玉米地以及未開墾荒草地的土壤肥力質(zhì)量狀況進行分析，并應用Markov鏈模型動態(tài)分析土地利用變化對土壤肥力質(zhì)量影響。研究結果對探明已實施的移民工程對該區(qū)土壤的影響及未來移民工程的規(guī)劃實施具有重大意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江縣（東經(jīng)107°51′—108°43′，北緯24°44′—25°33′），屬于亞熱帶季風氣候區(qū)。年均氣溫南部丘陵一帶為19.9℃，北部山區(qū)為15.7℃，無霜期290d。年平均降雨量北部為1 750mm，南部為1 389mm，降雨集中于4—9月份，占全年降雨量的70%，空氣平均相對濕度79%。主要土壤類型有紅壤、黃壤、石灰土等；主要種植作物包括玉米、水稻、甘蔗、桉樹和桑樹。樣地選在大安鄉(xiāng)金洞村，該村位于喀斯特地區(qū)，屬于移民工程遷入?yún)^(qū)。該地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)荒草地開墾為耕地的現(xiàn)象，而且自1996年移民工程實施以來，為滿足農(nóng)戶耕地需求，荒草地被開墾為耕地的數(shù)量大幅度增加。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，開墾的耕地質(zhì)量相對較差，而且坡度大多在15°～25°，玉米是其主要種植作物之一。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集

分別選擇開墾30a和15a的玉米地及未開墾的荒草地土壤進行對比研究（表1）。試驗區(qū)采用蛇形布點、多點取樣的方法，每個處理選取5塊典型樣地，樣地面積約0.067～0.100hm2，各樣地之間直線距離250～350m。取樣時每塊樣地取5個樣點，每樣點分6層取0—100cm（分為0—10cm，10—20cm，20—40cm，40—60cm，60—80cm，80—100cm）土層土樣，將每個樣點各層樣品充分混合后，用四分法取500g土樣帶回實驗室，風干，去除動、植物殘體等非土壤物質(zhì)，粉碎，過80目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 評價因子的選取

土壤肥力質(zhì)量是土壤物理、化學和生物學性質(zhì)以及形成這些性質(zhì)的復雜過程的綜合體現(xiàn)。影響土壤肥力質(zhì)量的因子眾多，目前還沒有形成統(tǒng)一的土壤肥力質(zhì)量指標評價體系。本研究主要選取了對作物產(chǎn)量、質(zhì)地影響較大的土壤養(yǎng)分指標，如氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮、全磷、容重、有機碳。另外，土壤微生物指標更能反映土壤肥力質(zhì)量和土壤肥力質(zhì)量在自然和人為因素作用下的微小變化，故選擇了微生物碳、微生物氮指標。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤全氮測定采用凱氏定氮法，土壤全磷測定用硫酸—高氯酸消煮—流動分析儀法，土壤氨態(tài)氮和硝態(tài)氮測定采用氯化鉀提取—流動分析儀法，土壤微生物碳測定用氯仿熏蒸浸提—TOC測定法，土壤微生物氮測定采用氯仿熏蒸浸提—流動分析儀法。

表1 試驗樣地概況

2.3 評價因子隸屬度的確定

各評價因子之間沒有明確的外延，也沒有統(tǒng)一的量綱，測算結果無法直接進行比較。根據(jù)各評價因子對土壤肥力質(zhì)量的影響特點，選擇各因子隸屬度函數(shù)，并確定其極限值（表2）。表2中各評價因子的極限值是結合研究區(qū)實測數(shù)據(jù)制定的。

（1）戒上型函數(shù)。某些土壤性質(zhì)在一定范圍內(nèi)，指標值與土壤肥力質(zhì)量呈正相關，超出這一范圍對土壤肥力質(zhì)量的影響較小。這類指標隸屬度函數(shù)為：

（2）拋物線型函數(shù)。某些土壤性質(zhì)對土壤功能的影響均有一最適的范圍，超過這一范圍，偏離程度越大對土壤功能越不利。這類指標隸屬度函數(shù)為：

式中：f（x）——指標隸屬度；x1——指 標 下 界；x2——指標上界；x3——指標最適值下界；x4——指標最適值上界。

2.4 評價因子權重的確定

目前研究者多用的指標權重的確定方法為特爾菲法、層次分析法和主成分分析法，為客觀反映各評價因子對土壤功能影響能力，采用相關系數(shù)法［14］計算各評價因子之間的相關系數(shù)，然后將某評價因子與其它評價因子相關系數(shù)的平均值占所有評價因子相關系數(shù)的比例作為評價因子的權重（表3）。

表2 評價因子極限值

表3 各指標相關系數(shù)平均值及權重

2.5 土壤肥力質(zhì)量指標分值的確定

土壤肥力質(zhì)量指標分值為各評價指標的隸屬度與權重的乘積［13］。計算公式為：

式中：IQI——為土壤肥力質(zhì)量指標分值；Wi——為指標權重；f（xi）——為指標隸屬度。

根據(jù)土壤肥力質(zhì)量指標分值將土壤肥力質(zhì)量從優(yōu)到劣分為Ⅰ—Ⅳ共4個等級，得到土壤肥力質(zhì)量狀態(tài)空間S＝（Ⅰ—Ⅳ）（表4）。

表4 土壤肥力質(zhì)量分級

2.6 Markov土壤肥力質(zhì)量變化分析

2.6.1 Markov原理 Markov過程是隨機過程，假設如果在已知時刻t0系統(tǒng)處于狀態(tài)x的條件下，在時刻t0＋t系統(tǒng)所處狀態(tài)和時刻t以前所處的狀態(tài)無關。在Markov鏈中，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移可用概率矩陣P表示：

式中：Pij——i類型轉(zhuǎn)變?yōu)閖類型的概率。

2.6.2 進步矩陣的確定 荒草地土壤肥力質(zhì)量數(shù)據(jù)設為初始數(shù)據(jù)，根據(jù)荒草地與15a玉米地土壤肥力質(zhì)量變化，得到荒草地種植15a玉米后土壤肥力質(zhì)量轉(zhuǎn)移矩陣，根據(jù)荒草地與15a，30a玉米地任意相鄰兩次觀察的土壤肥力質(zhì)量變化，得到荒草地種植30a玉米后的土壤肥力質(zhì)量轉(zhuǎn)移矩陣。

式中：Pk——第k土層的概率轉(zhuǎn)移矩陣；nijk——第k土層相鄰兩次觀察間區(qū)域土壤肥力質(zhì)量由i級變?yōu)閖級的總數(shù)；Mik——整個研究期第k個土層內(nèi)土壤肥力質(zhì)量為i的樣點數(shù)；mik——研究期內(nèi)最后一次觀察，第k土層土壤肥力質(zhì)量為i級的樣點數(shù)。

將肥力質(zhì)量等級變化（i－j）3作為土壤肥力質(zhì)量變化提高或退化的權重，利用土壤肥力質(zhì)量進步矩陣：

分別得到15a玉米地土壤肥力質(zhì)量進步矩陣和30a玉米地土壤肥力質(zhì)量進步矩陣。由進步矩陣計算第k土層土壤肥力質(zhì)量進步度pd（Sk）：

pd（Sk）＞0，表示土壤肥力質(zhì)量提高；pd（Sk）＜0，表示土壤肥力質(zhì)量退化；pd（Sk）＝0，表示土壤肥力質(zhì)量不變。

荒草地開墾種植玉米15a玉米地進步矩陣為：

荒草地開墾種植玉米30a玉米地進步矩陣為：

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)土壤質(zhì)量概況

荒草地開墾后土壤肥力質(zhì)量狀況詳見表5。由表5可以看出，荒草地開墾種植玉米后各土層土壤肥力質(zhì)量下降，然而隨著種植時間的增加，30a玉米地比15a玉米地各土層土壤肥力質(zhì)量均有所恢復。土地利用情況相同的情況下，土壤肥力質(zhì)量隨土層深度增加降低?；牟莸?—20cm土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅰ級，20cm以下土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅱ和Ⅲ級。15a玉米地0—20cm土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅱ和Ⅲ級，20cm以下土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅲ和Ⅳ級，相對荒草地土壤肥力質(zhì)量下降。30a玉米地0—20cm土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅱ級，較15a玉米地土壤肥力質(zhì)量有所提高，20cm以下土層土壤肥力質(zhì)量主要集中在Ⅲ和Ⅳ級，與15a玉米地相比土壤肥力質(zhì)量變化不大。

3.2 土壤肥力質(zhì)量變化分析

由荒草地開墾種植玉米15a土壤肥力質(zhì)量變化進步矩陣可得：pd（S1）＝－6.25，pd（S2）＝－6.25，pd（S3）＝－6.25，pd（S4）＝－3.8，pd（S5）＝－2，pd（S6）＝－1。結果表明，荒草地開墾種植玉米15a后，0—100cm土層范圍內(nèi)各土層土壤肥力質(zhì)量均退化，隨著土層深度增加，土壤退化程度減小。矩陣中所有值均為負數(shù)或零，即所有樣點土壤肥力質(zhì)量均退化，表明荒草地開墾種植玉米對土壤肥力質(zhì)量的破壞是必然的。

由荒草地開墾種植玉米30a地土壤肥力質(zhì)量變化進步矩陣可得：pd（S1）＝－5.92，pd（S2）＝－5.59，pd（S3）＝－1.5，pd（S4）＝－2.47，pd（S5）＝－1，pd（S6）＝－1.6，表明荒草地開墾種植玉米30a后，0—100cm土層范圍內(nèi)各層土壤肥力質(zhì)量均下降。20cm以上土層土壤肥力質(zhì)量下降較為嚴重，20cm以下土層土壤肥力質(zhì)量下降相對較小。與開墾15a玉米地進步度數(shù)據(jù)相比，30a玉米地各土層進步度均增大，即各層土壤肥力質(zhì)量下降幅度均減小。而且30a玉米地進步矩陣中出現(xiàn)部分正數(shù)，在15a玉米地進步矩陣中正數(shù)是不曾出現(xiàn)的，說明部分開墾30a玉米地較15a玉米地土壤肥力質(zhì)量得到了提高。

表5 土壤肥力質(zhì)量變化情況

4 結論

（1）荒草地開墾種植玉米會導致土壤肥力質(zhì)量退化，土壤肥力質(zhì)量退化程度與土層深度和開墾種植時間有關，表現(xiàn)為隨土層深度加深退化程度有所下降，即20cm以上土層土壤肥力質(zhì)量下降較為嚴重，20cm以下土層土壤肥力質(zhì)量下降相對較小，另外，隨著開墾時間的延長，人為培肥作用使土壤肥力質(zhì)量有所恢復。

（2）0—20cm以上土層是根系、殘落物的分解和人類活動層。荒草地四季植被覆蓋，根系及殘落物一方面可以增加地表滲透和儲水，防止水土流失［16］，另一方面經(jīng)微生物分解后可以增加土壤腐殖質(zhì)，促進土壤團聚體結構形成，提高土壤保水保肥性［17］。開墾種植作物后，作物的生長有一定的季節(jié)性，土壤必有一段時間暴露在外接受雨水的淋洗造成土壤養(yǎng)分流失，物理性質(zhì)下降，化肥的使用及秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施的實施可以補充一部分的土壤養(yǎng)分但數(shù)量有限。20cm以下土層，作物根系的生長和人類活動的干擾較小，開墾對該層土壤肥力質(zhì)量變化影響較小。

（3）荒草地的開墾很容易造成土壤肥力質(zhì)量的破壞，尤其是對0—20cm土層土壤肥力質(zhì)量，但是土壤肥力質(zhì)量的恢復卻是漫長而艱巨的任務。因此，喀斯特地區(qū)開展生態(tài)移民工程時要考慮移入?yún)^(qū)農(nóng)業(yè)用地的供給能力，謹慎開展農(nóng)用地整理工程，避免由移民工程驅(qū)動的荒草地大量開墾造成移入?yún)^(qū)土壤肥力質(zhì)量退化，導致移入?yún)^(qū)出現(xiàn)貧困化、石漠化等問題隱患。

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