劉文民, 田 鵬, 劉利昆, 趙廣舉,3, 穆興民,3
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)
土地沙漠化是土地退化的主要類型之一,導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,生態(tài)環(huán)境惡化[1]。青藏高原被稱為“世界屋脊”和“地球第三極”,既是我國(guó)乃至世界重要的生態(tài)安全屏障,也是我國(guó)江河源區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地[1-2]。受氣候變化與人類活動(dòng)影響,青藏高原沙漠化土地呈現(xiàn)不斷擴(kuò)張趨勢(shì),威脅著青藏高原的“生態(tài)安全屏障”[2]。土壤質(zhì)量決定著土壤的功能,是土壤物理、化學(xué)和生物等特性的綜合反映。沙漠化是引起土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)降低的主要原因,其通過(guò)影響土壤物理水文特征、養(yǎng)分循環(huán)與利用和碳儲(chǔ)存能力,從而影響土壤功能的發(fā)揮[3-4]。
為明確自然與人為因素對(duì)沙漠化進(jìn)程的驅(qū)動(dòng),許多研究通過(guò)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的變化,從多個(gè)角度探索,尤其關(guān)注農(nóng)田與草地沙化過(guò)程的土壤質(zhì)量變化[3]。余衛(wèi)等[5]運(yùn)用主成分分析法(PCA)對(duì)青藏高原金露梅灌叢草甸進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)微生物指標(biāo)可作為表征金露梅灌叢土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo);張立欣等[6]探究了庫(kù)布齊沙漠不同人工固沙灌木林土壤微生物量與土壤養(yǎng)分特征,發(fā)現(xiàn)不同人工固沙灌木林的建植均能提高土壤養(yǎng)分和微生物量,沙漠化研究多集中在沙漠草原土壤理化性質(zhì)、生物特性等方面。羅雅曦等[7]探究了寧夏風(fēng)沙區(qū)不同人工固沙灌叢林土壤質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)流動(dòng)沙地扎設(shè)草方格營(yíng)造油蒿能在短期內(nèi)提高風(fēng)沙土壤綜合質(zhì)量,而其他造林方式固沙效果有限。已有研究依據(jù)土壤理化指標(biāo)、土壤微生物及植被群落等指標(biāo)探究了其在沙漠化過(guò)程中的變化,然而針對(duì)青藏高原土地沙漠化演變過(guò)程中的土壤質(zhì)量特征與變化研究仍較少。
鑒于此,本文選取青海省3個(gè)縣沙化地區(qū)5種不同沙化程度的草地,對(duì)比分析沙化過(guò)程中植被地上、地下生物量、土樣容重、土壤機(jī)械組成(黏粒、粉粒、砂粒)、土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮)、CEC、pH值等指標(biāo)特征,構(gòu)建沙化區(qū)草地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用主成分分析法構(gòu)建研究區(qū)沙化草地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集(MDS),對(duì)典型沙化區(qū)5種不同沙化程度的草地土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為青藏高原制定相應(yīng)的沙漠化防治策略提供理論支撐。
本研究選取海晏縣三角城鎮(zhèn)(36°75′89″—36°87′29″N,100°78′31″—100°86′94″E)、貴南縣森多鎮(zhèn)(35°57′86″—35°59′33″N,100°87′03″—100°89′14″E)、共和縣鐵蓋鄉(xiāng)(35°83′95″—35°84′03″N,100°28′56″—100°29′04″E)3個(gè)典型沙化區(qū)作為研究區(qū)。研究區(qū)位于青海省東北部平均海拔3 100~3 300 m,屬高原大陸性氣候。海晏縣三角城鎮(zhèn)多年平均氣溫在-0.8~0.6℃,平均年降水介于300~400 mm,全年蒸發(fā)量高達(dá)1 502 mm;貴南縣森多鎮(zhèn)多年平均氣溫為2.3℃,平均年降水量為403.8 mm,年平均蒸發(fā)量為1 378.5 mm;共和縣鐵蓋鄉(xiāng)年平均氣溫4.1℃,年均降水量為250~450 mm。海晏縣三角城鎮(zhèn)試驗(yàn)地植被類型主要為蒺藜(Tribulusterrester)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、草地老鶴草(Geraniumpratense);貴南縣森多鎮(zhèn)試驗(yàn)地主要植被為:豬毛菜(Salsolacollina)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、香附子(Cyperusrotundus)、臭蒿(Artemisiahedinii);共和縣鐵蓋鄉(xiāng)試驗(yàn)地主要植被為:芨芨草(Achnatherumsplendens)、針茅(StipacapillataLinn)、沙生苔草(CarexpraeclaraNelmes)。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱,受自然和人為因素影響,草地沙化現(xiàn)象極為普遍,植被破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植被蓋度差異顯著。
針對(duì)青藏高原沙化草地特征,結(jié)合前人對(duì)沙化類型和程度的劃分方法[2,8],將高寒草地沙化程度劃分為5種類型(圖1),即無(wú)沙化草地、輕度沙化草地、中度沙化草地、重度沙化草地和完全沙化土地,具體地表特征見表1。于2020年7月在典型區(qū)內(nèi)以極重度沙化程度樣地為中心,根據(jù)植被覆蓋度劃分樣地,向周圍發(fā)散確定每種沙化程度的采樣點(diǎn),并采集土壤樣品。在典型沙化區(qū)內(nèi)的不同沙化程度的草地設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方,共計(jì)45個(gè)樣方,將樣方內(nèi)植物齊地剪取,記錄每個(gè)樣方內(nèi)優(yōu)勢(shì)種和種群數(shù)量、種群高度等,測(cè)定地上生物量;同時(shí)在各樣方內(nèi)用隨機(jī)取樣法,用土鉆(直徑8 cm)取0—15 cm的土樣,用粗篩篩去與根系脫離的土壤,將根系樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,采用漂洗法清洗根系,在烘箱內(nèi)烘干至恒重并稱重獲取每個(gè)樣方內(nèi)的地下生物量[9];用環(huán)刀取樣和S型取樣法,在每種沙化程度過(guò)渡帶內(nèi)選取15個(gè)采樣點(diǎn),3個(gè)典型區(qū)共計(jì)225個(gè)土壤樣品。取3個(gè)環(huán)刀和300 g土樣裝袋并編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。在各樣方內(nèi)用環(huán)刀取樣,記錄樣品環(huán)刀重和濕土重,帶回實(shí)驗(yàn)室烘干至恒重測(cè)定土壤容重[10];用數(shù)碼相機(jī)垂直對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行拍照,通過(guò) Photoshop CC 2018計(jì)算得到植被覆蓋度[11]。
注:從左至右沙化程度依次為完全沙化、重度沙化、中度沙化、輕度沙化、無(wú)沙化草。
土壤樣品經(jīng)冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。土壤容重(BD)用環(huán)刀法測(cè)定,土壤pH值用電位法測(cè)定,全氮(TN)用凱氏法消解,凱氏定氮儀測(cè)定,全磷(TP)用鉬銻抗比色法測(cè)定,堿解氮(AN)用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,陽(yáng)離子交換量(CEC)用乙酸鈉法測(cè)定,全鉀(TK)用火焰光度法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)(OM)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定,速效磷(AP)用0.5 mol/L的NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀(AK)1 mol/L的NH4OAc浸提,火焰光度法測(cè)定,土壤機(jī)械組成用馬爾文激光粒度儀2000E測(cè)定,以上指標(biāo)測(cè)定主要參照《土壤農(nóng)化分析》第3版[12]。
2.3.1 最小數(shù)據(jù)集的建立 主成分分析法是通過(guò)降維的思想,將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)的綜合指標(biāo)即主成分,且采用幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)表征原始指標(biāo)的方法;基于主成分分析法篩選評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的最小數(shù)據(jù)集[13]。通過(guò)對(duì)土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,選取特征值≥1的主成分,并根據(jù)各主成分上的因子載荷值進(jìn)行分組,并計(jì)算Norm值,比較每組中指標(biāo)間的相關(guān)性和Norm值,確定最小數(shù)據(jù)集。其中Norm值越大,表明該指標(biāo)對(duì)所有主成分的綜合載荷越大,指標(biāo)所包含的土壤質(zhì)量信息就越多,其解釋綜合信息的能力越強(qiáng)[14]。
2.3.2 土壤指標(biāo)評(píng)分及評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算 通過(guò)線性評(píng)分模型將土壤各指標(biāo)轉(zhuǎn)換為0~1無(wú)量綱分?jǐn)?shù)。選取線性評(píng)分模型中的“越多越好”型函數(shù)和“越少越好”型函數(shù)[14],計(jì)算各指標(biāo)的線性評(píng)分,計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
式中:SL為線性評(píng)分(0~1);X為指標(biāo)實(shí)測(cè)值;m為指標(biāo)最低值;M為指標(biāo)最高值。公式(1)為“越多越好”型指標(biāo)評(píng)分函數(shù),公式(2)為“越少越好”型指標(biāo)評(píng)分函數(shù)[15]。
通過(guò)主成分分析得到的公因子方差能夠反映出某一指標(biāo)對(duì)整體方差的貢獻(xiàn)率,其值越大則對(duì)整體方差貢獻(xiàn)越大;通過(guò)各指標(biāo)公因子方差占所有公因子方差之和的比率計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[16]。
2.3.3 土壤質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算 根據(jù)各指標(biāo)的評(píng)分和權(quán)重,采用下式計(jì)算土壤質(zhì)量指數(shù):
(3)
式中:Si為土壤質(zhì)量指數(shù);n為指標(biāo)數(shù)量;Wi為指標(biāo)權(quán)重值。SQI值越高,表明土壤質(zhì)量更好。
表2為不同沙化程度草地的土壤理化性質(zhì)及生物特征。不同沙化程度草地的土壤容重存在顯著性差異(p<0.05),隨沙化程度的減弱,土壤容重均值從1.6 g/cm3減小至1.16 g/cm3;土壤砂粒、粉粒和土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮含量在完全沙化草地、重度沙化和中度沙化程度下無(wú)顯著性差異(p>0.05),在輕度沙化地和無(wú)沙化草地差異顯著;5種沙化程度草地的土壤 pH值變化范圍為 8.14~8.67;土壤速效磷和速效鉀含量隨沙化程度的增強(qiáng)而減小,變化范圍分別為 4.47~7.69 mg/kg,40.07~230.39 mg/kg,且不同沙化程度草地的差異顯著(p<0.05);輕度沙化地和無(wú)沙化草地的地上、地下生物量無(wú)顯著差異(p>0.05),與其他3種樣地顯著差異(p<0.05),無(wú)沙化草地的地下生物量均值最大,為0.025 kg/m2;輕度沙化草地的地上生物量均值最大,為 0.80 kg/m2;無(wú)沙化草地的土壤有機(jī)質(zhì)含量和 CEC與其他 4種樣地差異顯著(p<0.05),其有機(jī)質(zhì)含量均值為 49.38 g/kg,CEC均值為 23.27 cmol/kg。
表2 土壤指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)
3.2.1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集 針對(duì)3個(gè)沙化樣區(qū)不同沙化程度草地的15個(gè)土壤性質(zhì)及生物指標(biāo),采用主成分分析,發(fā)現(xiàn)主成分特征值大于1的主成分有3個(gè),且累計(jì)方差達(dá)到 86.24 %,通過(guò)Norm值,并進(jìn)行指標(biāo)間的相關(guān)性分析(表3),所選指標(biāo)中的粉粒、CEC和地上生物量進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。對(duì) MDS進(jìn)行主成分分析,得出 MDS中指標(biāo)的公因子方差和指標(biāo)的權(quán)重(表4),粉粒百分含量、地上生物量、CEC的公因子方差分別為0.784,0.562,0.327;粉粒百分含量、地上生物量、CEC的權(quán)重值分別為0.469,0.336,0.195,選取線性評(píng)分模型將MDS中的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為0~1之間的數(shù)。在本研究中,隨沙化程度逐漸轉(zhuǎn)好,地上生物量、CEC及土壤粉粒含量增大,因此在本研究中 MDS中的地上生物量、粉粒、CEC適用于“越多越好”型函數(shù)。
3.2.2 土壤指標(biāo)相關(guān)性分析 采用皮爾遜相關(guān)分析,計(jì)算每個(gè)樣區(qū)的土壤性質(zhì)相關(guān)性,結(jié)果見表4。粉粒百分含量與砂粒、黏粒百分含量、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較高(0.98,0.94,0.94),與速效磷相關(guān)性最低(0.53),與其他指標(biāo)間的相關(guān)性較高(>0.70);地上生物量與有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較高(0.83),與速效磷相關(guān)性低(0.50);CEC與全磷、速效鉀、砂粒含量、有機(jī)質(zhì)、粉粒含量相關(guān)性較高(0.92,0.88,0.88,0.87,0.88),與速效磷相關(guān)性低(0.50),與其他指標(biāo)間的相關(guān)性較高(>0.70)。
分析不同沙化程度土地的土壤質(zhì)量指數(shù),比較各研究區(qū)最小數(shù)據(jù)集的SQI,結(jié)果如圖2所示,3個(gè)典型沙化區(qū)的MDS-SQI值隨沙化程度減弱呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。在不同沙化程度草地中,完全沙化草地MDS-SQI均值為0;重度沙化草地SQI均值為0.07,其中地上生物量的比重接近1;中度沙化草地MDS-SQI均值為0.18,地上生物量、粉粒含量占比分別為66.67%,33.33%;輕度沙化草地MDS-SQI均值為0.51,地上生物量、粉粒含量、CEC占比分別為50%,48%,2%;無(wú)沙化草地MDS-SQI均值為0.83,其中地上生物量、粉粒含量、CEC占比分別為28%,51%,21%。海晏縣三角城鎮(zhèn)MDS-SQI均值為0.27,變化范圍0~0.81;共和縣鐵蓋鄉(xiāng)MDS-SQI均值為0.33,變化范圍0~0.90;貴南縣森多鎮(zhèn)MDS-SQI均值為0.35,變化范圍0~0.92,研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍較大,貴南縣沙化草地土壤質(zhì)量指數(shù)最大,其次為共和縣,海晏縣沙化草地土壤質(zhì)量指數(shù)最小。綜上隨沙化程度的加劇,MDS-SQI值逐漸減小,MDS-SQI中各指標(biāo)的比重逐漸降低,且指標(biāo)間的占比大小存在顯著差異。
基于各指標(biāo)在主成分的因子載荷和各指標(biāo)間的相關(guān)性篩選出最小數(shù)據(jù)集,根據(jù)線性相關(guān)模型即“越多越好”和“越小越好”計(jì)算各指標(biāo)的因子得分,通過(guò) TDS公因子方差計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重,得到各研究區(qū)TDS-SQI;對(duì)MDS進(jìn)行主成分分析,分別得到各研究區(qū)的MDS-SQI。為了驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集在各研究區(qū)的適用性,對(duì)各研究區(qū)MDS-SQI和TDS-SQI進(jìn)行了回歸分析(圖3)。結(jié)果可知,3個(gè)研究區(qū)的擬合系數(shù)R2值分別為0.92,0.95,0.98,表明MDS-SQI與TDS-SQI變化規(guī)律一致,即最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系對(duì)土壤特性指標(biāo)的代表性和適用性較好。
表3 土壤指標(biāo)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)
表4 土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)載荷矩陣、公因子方差及權(quán)重
土地沙化影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物特性,造成土壤功能的退化[3]。植被地上、地下生物量是土地生產(chǎn)力的表現(xiàn)。本研究表明,隨沙化程度的加劇,植被生物量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),且在中度沙化程度以后的下降幅度極為顯著,與王輝[2]的研究一致,而輕度沙化草地的地上生物量均值為(0.80±0.18) kg/m2,無(wú)沙化草地地上生物量均值為(0.74±0.33) kg/m2,低于輕度沙化草地地上生物量值,可能是為防止輕度沙化草地進(jìn)一步發(fā)展,區(qū)域廣泛開展了禁牧措施,在無(wú)沙化草地上,過(guò)多的人為擾動(dòng)和動(dòng)物啃食植被導(dǎo)致地上生物量減小[17]。草地沙化過(guò)程中植被群落與環(huán)境、土壤養(yǎng)分等理化性質(zhì)相互作用,植被生長(zhǎng)條件越差,沙化程度越高,生物量越低。因此,在草地沙化進(jìn)程中,植被生物量可直接或間接反映草地沙化程度,也能反映出各沙化階段的土壤質(zhì)量狀況。
注:A為完全沙化;B為重度沙化;C為中度沙化;D為輕度沙化;E為無(wú)沙化草地。
圖3 MDS-SQI與TDS-SQI線性擬合
本研究表明,隨著沙化程度減弱,砂粒含量占比減小,而黏粒、粉粒含量占比增加,與閻欣等[18]在寧夏荒漠草原的研究結(jié)果相似。在中度沙化階段前,砂粒含量的增加不明顯,可能是植被覆蓋減弱了風(fēng)蝕作用,地表土壤結(jié)構(gòu)破壞相對(duì)較小,土壤保肥、保水能力相對(duì)較好,而中度沙化后,植被群落從減少到消亡,導(dǎo)致風(fēng)沙活動(dòng)劇烈,地表結(jié)構(gòu)破壞程度逐漸加大,土壤水分和養(yǎng)分的消失逐漸向土壤深層演化,導(dǎo)致土壤逐步失去土地生產(chǎn)力,演變?yōu)樯衬?/p>
沙化程度由極重度減弱至無(wú)沙化草地,土壤容重減小了33.62%,CEC逐漸增大了87.28%。此外,土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分指標(biāo)是衡量土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo)[19],隨沙化程度的加劇,有機(jī)質(zhì)含量逐漸減小,這表明土壤沙化加劇,不利于有機(jī)質(zhì)積累,而有研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)影響土壤養(yǎng)分含量變化[20],尤其對(duì)氮含量影響最為顯著。本研究發(fā)現(xiàn),以中度沙化為界,土壤養(yǎng)分指標(biāo)前后變化幅度差異顯著,在各沙化階段,速效養(yǎng)分含量較全養(yǎng)分含量變化幅度差異最為明顯。隨沙化加劇,土壤養(yǎng)分含量不能滿足植被生長(zhǎng)的需求,導(dǎo)致土地貧瘠化,土壤質(zhì)量逐漸降低。
土壤質(zhì)量指數(shù)的大小反映了土壤質(zhì)量的好壞[13],對(duì)評(píng)價(jià)土地可持續(xù)利用與有效管理具有重要意義[21]。本研究選取了15個(gè)基于植物生物量和土壤理化性質(zhì)的指標(biāo),通過(guò)主成分分析法選出MDS評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量。土壤粉粒含量反映了土壤的質(zhì)地,土壤質(zhì)地控制著土壤水分、養(yǎng)分和氧氣的交換、保留和吸收[22],隨土地沙化程度減弱,粉粒含量增多。CEC是土壤保肥、供肥和緩沖能力的重要標(biāo)志,而有機(jī)質(zhì)是CEC的貢獻(xiàn)因子,隨沙化程度的加劇,有機(jī)質(zhì)含量減小,CEC減小[23-24],與張德罡[25]在祁連山區(qū)高寒草原的研究一致。綜上所述,MDS中的土壤指標(biāo)能表征沙化草地狀況,應(yīng)考慮其合理性和可信度。
從評(píng)價(jià)結(jié)果看,無(wú)沙化草地MDS的SQI值最大,土壤質(zhì)量相對(duì)較好,完全沙化地MDS的SQI值接近于0,表明該程度沙化草地的土地喪失了土地生產(chǎn)力。3個(gè)典型沙化區(qū),同一程度沙化草地土壤質(zhì)量存在差異,有研究表明,海拔、地形、氣候及生物因素影響土壤質(zhì)量[19,26],不同程度沙化草地,受海拔、氣候、降雨和過(guò)度放牧等因素的影響,土壤質(zhì)量差異顯著,綜合來(lái)看,海晏縣三角城鎮(zhèn)土壤質(zhì)量最差,容易發(fā)生土地沙化,應(yīng)采取相應(yīng)措施,防止土地沙化進(jìn)一步發(fā)展,其次為共和縣鐵蓋鄉(xiāng)和貴南縣森多鎮(zhèn)。
(1) 無(wú)沙化草地至極重度沙化地,3個(gè)典型區(qū)沙化草地的地上生物量均值由(0.8±0.18) kg/m2減少至0 kg/m2;土壤容重、砂粒含量分別增大了33.62%,21.06%,粉粒、CEC、全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)分別減少了89.83%,87.28%,93.67%,93.27%,93.62%。
(2) 隨著沙化程度加劇,各沙化階段土壤質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)顯著遞減的趨勢(shì)??傮w來(lái)看,3個(gè)典型沙化區(qū)草地土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍為0.27~0.35,土壤質(zhì)量相對(duì)貧瘠,貴南縣森多鎮(zhèn)土壤質(zhì)量最好,其次為共和縣鐵蓋鄉(xiāng),海晏縣三角城鎮(zhèn)土壤質(zhì)量最差。
(3) 基于最小數(shù)據(jù)集與全數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)二者具有極顯著的相關(guān)關(guān)系,表明最小數(shù)據(jù)集方法能夠代替全數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)典型區(qū)沙化草地土壤質(zhì)量。
探究青藏高原典型區(qū)草地沙化過(guò)程中的土壤質(zhì)量變化,研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)沙化土地的土壤性質(zhì)變化,為制定沙漠化防治對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。