基于最小數(shù)據(jù)集沂蒙山區(qū)不同治理模式下的土壤質(zhì)量評價

張宇恒, 王忠誠, 王亞楠, 王興玲, 韓佳忻, 安 娟

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室, 臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山東 臨沂 276005; 2.平邑縣天寶山林場, 山東 臨沂 273306)

沂蒙山區(qū)作為北方土石山區(qū)的典型代表，區(qū)內(nèi)廣泛分布的棕壤性土夾雜大量石礫、土層淺薄、涵蓄水能力低，且暴雨集中、區(qū)內(nèi)輕度及以上侵蝕強(qiáng)度面積達(dá)44%[1]，是中國土壤侵蝕治理重點區(qū)域。此外，區(qū)內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤水分易蒸發(fā)和滲漏，且隨風(fēng)化裂隙多形成裂隙水，難以被植物利用。水土流失和土壤干旱致使沂蒙山區(qū)土壤退化嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)了石漠化，加劇了土壤質(zhì)量下降趨勢，嚴(yán)重限制了該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。治理模式是影響土壤質(zhì)量演變方向、強(qiáng)度最為關(guān)鍵的因子之一[2]。科學(xué)合理的治理模式可改善土壤水、肥、氣、熱因子的耦合關(guān)系，提高土壤質(zhì)量[3]，削弱土壤侵蝕強(qiáng)度；不適宜的治理模式則降低水分利用效率，致使土壤質(zhì)量下降，加劇土壤侵蝕。土壤質(zhì)量評價是評估不同治理模式對土壤影響最為有效的手段之一，可有助于掌握不同治理模式下的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀[4]。因此，定量評價沂蒙山區(qū)不同治理模式下的土壤質(zhì)量，及時掌控土壤質(zhì)量動態(tài)變化，成為修復(fù)和改善該區(qū)生態(tài)環(huán)境的迫切需求。

土壤質(zhì)量評價過程中，影響土壤功能且對土壤環(huán)境變化敏感的土壤物理、化學(xué)和生物特性等因子往往被作為評價指標(biāo)[5]。雖然指標(biāo)選取越多越能體現(xiàn)土壤的綜合質(zhì)量，但指標(biāo)間往往存在一定的相關(guān)關(guān)系，這可造成指標(biāo)數(shù)據(jù)間的冗余，且大量土壤質(zhì)量指標(biāo)的測試費時費力。因此，減少土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，構(gòu)建評價指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集(MDS)，成為開展土壤質(zhì)量評價的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外一般常采用主成分分析[6-10]、聚類分析[11]、逐步回歸分析[12]、典范對應(yīng)分析等[13]方法建立最小數(shù)據(jù)集，多以主成分分析法為主，并基于最小數(shù)據(jù)集中各指標(biāo)的權(quán)重或隸屬度/指標(biāo)得分獲取土壤質(zhì)量指數(shù)來綜合評價土壤質(zhì)量優(yōu)劣。目前，基于最小數(shù)據(jù)集方法已在黃土高原黃土區(qū)、東北黑土區(qū)、紫色丘陵區(qū)等區(qū)域?qū)Ω?、喬草混交、礦區(qū)廢棄地等土地利用類型開展了土壤質(zhì)量評價[10,14-16]。然而，受氣候、水文等條件的影響，土壤類型的復(fù)雜、評價對象的多樣性，評價指標(biāo)選取的差異，加之評級方法的不同(過多刪除指標(biāo)信息，未根據(jù)指標(biāo)對土壤質(zhì)量影響的正負(fù)效應(yīng)選取隸屬度函數(shù))，使得土壤質(zhì)量評價的標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一。同時，針對沂蒙山區(qū)土壤質(zhì)量評價的研究較少，尤其是關(guān)于該區(qū)不同治理模式下土壤質(zhì)量評價的研究較為匱乏。因此，本文以沂蒙山水土保持示范園為研究地，分析徑流小區(qū)內(nèi)不同治理模式(喬草混交、土坎梯田+果樹種植、撂荒、封禁植草)下土壤理化性質(zhì)，結(jié)合主成分分析、相關(guān)分析和Norm值計算，建立土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集，并以此開展不同治理模式下的土壤質(zhì)量評價。研究結(jié)果可為沂蒙山區(qū)乃至北方土石山區(qū)水土流失治理模式優(yōu)選、土壤質(zhì)量改良提供科學(xué)依據(jù)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沂蒙山國家水土保持示范園 (117°44′30″—117°45′00″ E, 35°18′24″—35°19′05″ N)。示范園建設(shè)于2012年，總面積為145 hm2。園區(qū)內(nèi)多年平均降雨量803.4 mm，土壤以棕壤為主。園區(qū)內(nèi)建有16個面積為5 m×10 m的徑流小區(qū)，包含10°，15°，20°，25°共4個坡度，且每個坡度設(shè)4個小區(qū)。本研究選取徑流小區(qū)內(nèi)典型的4種治理模式：喬草混交、土坎梯田+果樹種植、撂荒、封禁植草。其中，喬草混交小區(qū)內(nèi)按照株行距3 m×2 m種植黑松(Pinus tabulaeformis)，并在林下撒播種植馬唐草(Digitariasanguinalis)；土坎梯田+果樹種植小區(qū)，在兩個土坎上按照株行距為4 m×3 m種植桃樹；撂荒小區(qū)不做任何處理；封禁植草小區(qū)內(nèi)種植黑麥草(LoliumperenneL )。

1.2 土樣采集及其土壤理化性質(zhì)測定

自2013年對4種治理模式下的徑流小區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，次降雨結(jié)束后采集徑流池內(nèi)樣品，稱重、烘干后，測定徑流量、泥沙量等指標(biāo)。2019年10月在4種治理模式徑流小區(qū)的坡上、坡下位置利用環(huán)刀按照0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm深度采集土壤樣品，用于土壤容重、土壤總孔隙度、飽和含水量和田間持水量4個土壤物理指標(biāo)的測定。同時，利用土鉆采集0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm深度的土壤樣品，用于土壤化學(xué)指標(biāo)的測定。土鉆采集樣品帶回實驗室避光自然風(fēng)干后，剔除石塊、植物根系等雜質(zhì)，研磨后分別過0.25 mm，0.15 mm土篩。全磷含量采用HCIO4-H2SO4法測定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀法測定，全氮含量利用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NO3-N含量用雙波長系數(shù)法測定，無機(jī)磷含量采用鉬藍(lán)比色分光光度法測定。

1.3 土壤質(zhì)量評價

1.3.1 最小數(shù)據(jù)集的建立 野外徑流小區(qū)監(jiān)測過程中，2014—2016年在撂荒、土坎梯田+果樹種植小區(qū)觀測到部分泥沙，但2016年以后僅土坎梯田+果樹種植小區(qū)產(chǎn)生較少泥沙。因此，未將土壤侵蝕參數(shù)納入土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系。而，對于土壤侵蝕嚴(yán)重、土層貧瘠的沂蒙山區(qū)，土壤理化性質(zhì)是制約該區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵因素。所以，本文選取代表土壤養(yǎng)分、孔隙、水分、容重4類9個土壤屬性指標(biāo)構(gòu)建初選指標(biāo)評價體系。由于指標(biāo)量綱的不統(tǒng)一，先將各指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，以便對指標(biāo)進(jìn)行降維和剔除指標(biāo)間可能包含的重疊信息。主成分分析過程中，先選取特征值≥1的主成分，將同一主成分上載荷≥0.5的土壤指標(biāo)歸為一組；同時在2個主成分上且載荷均>0.5的指標(biāo)，對其做相關(guān)性分析后，將其歸到與其他指標(biāo)相關(guān)性較低的那一組。

分組完成后，分別計算各組指標(biāo)的Norm值(公式1)，選取每組中Norm值在該組最大Norm值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)。當(dāng)同組同時保留多個指標(biāo)時，基于Pearson相關(guān)系數(shù)分析指標(biāo)間的相關(guān)性。若指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)>0.5，則認(rèn)為指標(biāo)間高度相關(guān)，此時Norm值較高的進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；若相關(guān)系數(shù)<0.5，則全部指標(biāo)均納入最小數(shù)據(jù)集[17]。

(1)

式中:Nik代表第i個指標(biāo)在特征值≥1的前k個主成分的Norm值;uik表示第i個指標(biāo)在第k個主成分的載荷;ek為第k個主成分的特征值。

1.3.2 土壤質(zhì)量指數(shù) 土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)是對最小數(shù)據(jù)集中選取指標(biāo)的集成，其值越大代表土壤質(zhì)量越高。計算如下：

SQI=∑AiX′i

(2)

式中:Ai是第i個指標(biāo)的權(quán)重;X′i是第i個指標(biāo)的隸屬度值。

參選指標(biāo)的權(quán)重由主成分分析中該指標(biāo)公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比例確定[18]；指標(biāo)隸屬度值利用指標(biāo)所屬的隸屬度函數(shù)計算獲取?；谕寥乐笜?biāo)對土壤質(zhì)量評價的正負(fù)效應(yīng)，本文選擇了升型和降型兩種隸屬度函數(shù)(公式3，4)，并將指標(biāo)的最小值x1和最大值x2作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點[19]。

升型隸屬函數(shù)：

(3)

降型隸屬函數(shù)：

(4)

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 16.0軟件中的Descriptive Statistics模塊對土壤屬性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計性分析，并利用該軟件中的Factor Analysis進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及Norm值計算，并在0.05水平上達(dá)到顯著。利用Origin 8.6軟件繪制柱狀和線性回歸圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理模式間土壤理化性質(zhì)差異

采用3個土層深度土壤理化性質(zhì)指標(biāo)值的算術(shù)平均值，對比分析治理模式間土壤理化性質(zhì)的差異。養(yǎng)分類中，封禁植草的全氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)磷含量最高，分別為1.01 g/kg，14.56 mg/kg，20.81 g/kg，11.76 mg/kg(表1)，且顯著高于喬草混交、土坎梯田+果樹種植和撂荒；全磷含量最高則出現(xiàn)在撂荒(3.28 g/kg)，但撂荒和土坎梯田+果樹種植間的全磷含量無顯著性差異。此外，全氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、全磷、無機(jī)磷含量最低值則分別出現(xiàn)在喬草混交、撂荒、土坎梯田+果樹種植、封禁植草和撂荒?？紫额惡退诸?個指標(biāo)中，封禁植草的孔隙度、田間含水量和飽和含水量最高，分別為45.00%，25.03%和29.81%，最小值則出現(xiàn)在土坎梯田+果樹種植。但，撂荒和封禁植草間的孔隙度、田間含水量無顯著性差異，且喬草混交和封禁植草的飽和含水量差異不顯著。土坎梯田+果樹種植的容重最大為1.59 g/cm3，與撂荒間無顯著性差異，而喬草混交的容重最小?？梢?，四大類各指標(biāo)的評價結(jié)果無統(tǒng)一指向。因此，無法判定哪一種治理模式下的土壤質(zhì)量更優(yōu)。

表1 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

不同治理模式下的土壤容重變異系數(shù)僅為6.04%，屬低度敏感指標(biāo)(CV%<10%或相對極差<1.00)(表1)。田間持水量、飽和含水量的變異系數(shù)介于10.62%～14.06%；有機(jī)質(zhì)、全磷和無機(jī)磷含量的變異系數(shù)為15.48%～49.00%，六者均屬于中度敏感指標(biāo)(10%≤CV%≤50%或相對極差>1.00)。全氮變異系數(shù)為62.97%，是高度敏感指標(biāo)(50%≤CV%≤100%或相對極差>2.00)；硝態(tài)氮變異系數(shù)高達(dá)192.71%，是極敏感指標(biāo)(CV%>100%或相對極差>5.00)。可見，土壤化學(xué)指標(biāo)隨治理模式的變異程度高于土壤物理指標(biāo)，即土壤化學(xué)指標(biāo)對治理模式更為敏感。

2.2 最小數(shù)據(jù)集的建立

為減少數(shù)據(jù)冗余，篩選最少且最為敏感的影響土壤質(zhì)量的指標(biāo)，需建立土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集。對影響土壤理化性質(zhì)的9個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)前3個主成分的特征值大于1，且累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到89.16%(表2)?？梢姡@3個主成分可解釋大部分參評指標(biāo)的變異性。

主成分1(PC1)上載荷>0.5的指標(biāo)有8個，分別為全氮、有機(jī)質(zhì)、全磷、無機(jī)磷、硝態(tài)氮、田間持水量、飽和含水量、土壤孔隙度(表2)。表明，第1組選取指標(biāo)主要反映了土壤水肥特性。主成分2(PC2)上土壤孔隙度、田間持水量、全磷、飽和含水量的載荷均大于0.5，說明第2組選取指標(biāo)主要體現(xiàn)土壤水分特性。主成分3(PC3)上載荷>0.5的指標(biāo)僅包含容重。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙度、田間持水量、飽和含水量、全磷在PC1，PC2的載荷均大于0.5。因此，需分析這4個指標(biāo)與其他指標(biāo)的相關(guān)性。相關(guān)分析表明，全磷與第1組中的全氮、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)磷、硝態(tài)氮呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>0.58)(表3)，且相關(guān)系數(shù)大于與第2組指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)；土壤孔隙度與第1，2組中的田間持水量、飽和含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>0.8)，且土壤孔隙度在PC2的載荷最高。因此，將全磷和土壤孔隙度歸到第2組。則，第1組中包含全氮、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)磷、硝態(tài)氮、田間持水量、飽和含水量 6個指標(biāo)；第2組中涉及土壤孔隙度和全磷2個指標(biāo)，第3組指標(biāo)則為容重。

根據(jù)最小數(shù)據(jù)集建立原則，需計算3組中各指標(biāo)的Norm值，每組中Norm值在最高總分值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)才能最終進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第1組中，全氮的Norm值最大為2.075，有機(jī)質(zhì)和無機(jī)磷均在其10%范圍內(nèi)，但全氮與有機(jī)質(zhì)、無機(jī)磷均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表3)。因此，全氮進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第2組中，土壤孔隙度的Norm值最大為1.828，全磷不在其10%范圍內(nèi)，雖然二者間的相關(guān)系數(shù)小于0.5。因此，土壤孔隙度歸入最小數(shù)據(jù)集。第3組中僅包含容重一個指標(biāo)。最終，全氮、土壤孔隙度和容重3個指標(biāo)構(gòu)成土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集。

表3 土壤質(zhì)量評價初選指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 基于最小數(shù)據(jù)集評價土壤質(zhì)量準(zhǔn)確性的驗證

最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建的合理性，直接關(guān)系到土壤質(zhì)量評價的準(zhǔn)確程度。過度的簡化指標(biāo)，導(dǎo)致土壤質(zhì)量評價準(zhǔn)確度的下降。因此，需對比分析基于全部指標(biāo)計算(總數(shù)據(jù)集，TDS)的土壤質(zhì)量指數(shù)和基于最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)計算的土壤質(zhì)量指數(shù)間的差異。全部評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，用指標(biāo)公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比例來獲取各指標(biāo)的權(quán)重(表4)?？倲?shù)據(jù)集中，土壤孔隙度的權(quán)重最大(0.123)，其次為飽和含水量和容重(0.121)，全氮(0.114)和田間含水量(0.117)的次之；最小數(shù)據(jù)集中，權(quán)重大小順序表現(xiàn)為容重(0.386)>土壤孔隙度(0.308)>全氮(0.306)?；谌?、有機(jī)質(zhì)、全磷、無機(jī)磷、硝態(tài)氮、土壤孔隙度、田間持水量、飽和含水量對土壤質(zhì)量的正效應(yīng)，選擇升型隸屬函數(shù)，根據(jù)公式(3)確定隸屬度；土壤容重對土壤質(zhì)量起負(fù)效應(yīng)，選擇降型隸屬函數(shù)，根據(jù)公式(4)計算其隸屬度。基于各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，根據(jù)公式(2)分別獲取不同治理模式下基于總數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)。

表4 土壤指標(biāo)的公因子方差和權(quán)重

基于總數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-TDS)為0.12～0.83，平均值為0.49，變異系數(shù)為43.44%；基于最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)介于0.10～0.89，平均值為0.50，變異系數(shù)為47.41%。為進(jìn)一步驗證最小數(shù)據(jù)集建立的準(zhǔn)確性，對SQI-TDS和SQI-MDS進(jìn)行線性擬合。發(fā)現(xiàn)，SQI-TDS和SQI-MDS間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖1)，關(guān)系為: SQI-TDS=0.8615SQI-MDS+0.0603，R2=0.9147。說明，構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集能較好地體現(xiàn)全部數(shù)據(jù)集指標(biāo)對沂蒙山區(qū)不同治理模式下土壤質(zhì)量評價的信息，且評價結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

圖1 最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)與總數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-TDS)的相關(guān)性

2.4 不同治理模式下的土壤質(zhì)量評價

4種治理模式下，土壤質(zhì)量指數(shù)均隨土層深度的增加而減小(圖2)。0—5 cm和5—10 cm土層的土壤質(zhì)量指數(shù)較10—20 cm土層分別增加了136.20%和37.60%。這是因為表層土壤質(zhì)量通氣性好、枯枝落葉物較多、透水性較好。然而，治理模式間土壤質(zhì)量的差異隨土層深度明顯變化，且在10—20 cm土層深度內(nèi)差異最明顯(圖2)。0—5 cm土層，喬草混交、撂荒和土坎梯田+果樹種植間的土壤質(zhì)量指數(shù)無顯著性差異，但較封禁植草顯著增加了39.25%～46.86%。5—10 cm土層，土壤質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)為撂荒>喬草混交>封禁植草>土坎梯田+果樹種植；與土坎梯田+果樹種植相比，撂荒、喬草混交和封禁植草的土壤質(zhì)量指數(shù)分別增加45.91%，14.40%和3.49%。10—20 cm土層，喬草混交、土坎梯田+果樹種植和封禁植草的土壤質(zhì)量指數(shù)顯著高于撂荒，分別增加85.84%，82.22%和34.70%。0—20 cm土層深度內(nèi)，喬草混交、土坎梯田+果樹種植、撂荒、封禁植草4種治理模式下的平均土壤質(zhì)量指數(shù)分別為0.53，0.52，0.51，0.41?？梢?，喬草混交和土坎梯田+果樹種植的土壤質(zhì)量指數(shù)較高，撂荒次之，封禁植草最小。說明，喬草混交可有效提高土壤質(zhì)量，在今后小流域治理中應(yīng)重點增加喬草混交措施的經(jīng)濟(jì)投入。

圖2 不同治理模式的土壤質(zhì)量指數(shù)

為更直觀分析不同治理模式下的土壤質(zhì)量，以0.2為組距將土壤質(zhì)量指數(shù)劃分為5個等級[20]。各級土壤質(zhì)量指數(shù)分布如下：低(0

3 討 論

3.1 沂蒙山區(qū)土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集

不同治理模式下，地表覆被、土壤結(jié)構(gòu)、物質(zhì)循環(huán)等土壤理化性狀和人類干擾的差異，必然會導(dǎo)致土壤質(zhì)量的不同。土壤質(zhì)量評價主要針對土壤物理、化學(xué)和生物特性進(jìn)行時間或空間尺度上的判斷和衡量。目前，國內(nèi)外基于最小數(shù)據(jù)集建立的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系中，物理、化學(xué)指標(biāo)的選取率較高，而生物指標(biāo)選取頻率卻相對較低[4]，選取的土壤物理和化學(xué)指標(biāo)主要包括土壤容重、pH值、全氮、有機(jī)質(zhì)、孔隙度、有效磷等[20-25]。其中，土壤容重是入選最高的指標(biāo)，入選頻率高達(dá)90%；全氮、有機(jī)質(zhì)的入選率分別為70%，60%。本文利用主成分分析，結(jié)合相關(guān)性分析和Norm值計算開展了最小數(shù)據(jù)集的篩選，這考慮了各個指標(biāo)在所有主成分上的載荷，保留了指標(biāo)在其他主成分上的信息，最終篩選出全氮、總孔隙度和容重為最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。沂蒙山區(qū)棕壤砂礫含量達(dá)70%以上[26]，腐殖質(zhì)層呈暗棕色，有機(jī)質(zhì)含量較低，且與全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此未納入最小數(shù)據(jù)集?？梢姡狙芯亢Y選出的3個指標(biāo)均進(jìn)入了土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的前10位。此外，全氮含量在一定程度上代表了土壤肥力的高低，總孔隙度反映了土壤保持水分的能力，而容重也有助于土壤保持、釋放水分和養(yǎng)分。說明，本文篩選出的這3個指標(biāo)體現(xiàn)了土壤的水肥能力，建立的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系具有較好地的代表性，可準(zhǔn)確量化沂蒙山區(qū)不同治理模式下的土壤質(zhì)量。由于沂蒙山區(qū)是北方土石山區(qū)水土流失重點治理區(qū)域，后續(xù)研究中可結(jié)合抗沖性、土壤崩解等試驗，將影響土壤侵蝕性能的指標(biāo)，如：侵蝕模數(shù)、徑流量、可蝕性等納入初選指標(biāo)評價系統(tǒng)，以便提高所構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集的普適性和應(yīng)用性。

3.2 沂蒙山區(qū)土壤質(zhì)量評價及治理模式優(yōu)選

本研究基于建立的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)，獲取喬草混交、土坎梯田+果樹種植、撂荒、封禁植草4種治理模式下的土壤質(zhì)量指數(shù)，發(fā)現(xiàn)喬草混交的質(zhì)量最高，土坎梯田+果樹種植和撂荒次之，封禁植草土壤質(zhì)量最差。這與在國內(nèi)其他區(qū)域開展的研究結(jié)果不一致。黃土高原區(qū)域，馬芊紅等[27]認(rèn)為土壤質(zhì)量表現(xiàn)為喬草混交>封禁植草>土坎梯田+果樹種植>撂荒；南方丘陵區(qū)，閆建梅等[28]發(fā)現(xiàn)土坎梯田+果樹種植的質(zhì)量優(yōu)于喬草混交和撂荒；鹽漬化黃河三角洲區(qū)域，劉慶等[29]發(fā)現(xiàn)土坎梯田+果樹種植利用方式下的土壤質(zhì)量高于喬草混交和撂荒。這是因為沂蒙山區(qū)大力實行封山育林、人工林種植，樹種以側(cè)柏(Platycladusorientalis)、黑松、麻櫟(Quercusacutissima)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等為主，枯枝落葉物豐富、表層土壤通氣性與透水性良好。同時，喬草混交植被系統(tǒng)可增加土壤微生物量[30]，進(jìn)而加快有機(jī)質(zhì)礦化和腐殖化速率。因此，喬草混交很好地改善和維持土壤肥力質(zhì)量，體現(xiàn)出較高的土壤質(zhì)量指數(shù)。然而，撂荒治理模式下的土壤表層易板結(jié)、養(yǎng)分含量低，不利于植被的演替和土壤生物活動，土壤質(zhì)量較低。因此，在沂蒙山區(qū)小流域綜合治理中，應(yīng)將撂荒與人工林、經(jīng)濟(jì)林相結(jié)合。此外，為了加強(qiáng)沂蒙山區(qū)水土流失防治、土壤質(zhì)量的提升，同時提高經(jīng)濟(jì)效益，可選擇種植果樹。而，當(dāng)?shù)貎?yōu)勢果樹(桃、蘋果)一年中需4個灌水期，需水量較大，可結(jié)合果樹盤草、秸稈覆蓋等措施增加土壤含水量。沂蒙山區(qū)土層淺薄，棕壤砂礫含量大，且易“跑水、跑土、跑肥”，土壤酸化嚴(yán)重、有機(jī)質(zhì)較為缺乏，土壤相對比較貧瘠。因此，根據(jù)沂蒙山區(qū)不同治理模式下土壤屬性的變化，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)封山育林、增加喬草混交覆蓋率，同時結(jié)合土坎梯田+果樹種植+樹盤植草。這不僅可削弱該區(qū)水土流失強(qiáng)度、增加水源涵養(yǎng)量，改善生態(tài)環(huán)境，還可提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1) 土壤化學(xué)指標(biāo)屬中度到極敏感指標(biāo)，而物理指標(biāo)則為低度到中度指標(biāo)。土壤化學(xué)指標(biāo)隨治理模式的變異性高于土壤物理指標(biāo)。

(2) 沂蒙山區(qū)土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集由全氮、土壤孔隙度、容重3個指標(biāo)構(gòu)成，且權(quán)重表現(xiàn)為容重(0.386)>土壤孔隙度(0.308)>全氮(0.306)。

(3) 基于總數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集計算的土壤質(zhì)量指數(shù)無明顯差異，且二者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.92)。說明，構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集能較準(zhǔn)確地體現(xiàn)沂蒙山區(qū)土壤質(zhì)量信息。

(4) 4種治理模式下，0—5 cm和5—10 cm土層的土壤質(zhì)量指數(shù)較10—20 cm土層分別增加136.20%和37.60%。不同治理模式下的土壤質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)為喬草混交>土坎梯田+果樹種植>撂荒>封禁植草?？傮w來看，沂蒙山區(qū)不同治理模式下的土壤質(zhì)量屬于中等水平。