兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价.pdf
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1、第4 3卷第4期2 0 2 3年8月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 0 修回日期:2 0 2 2-1 2-0 6 资助项目:国家自然科学基金项目“黄土丘陵区土壤斥水性及其对降水入渗机制的影响研究”(4 1 9 7 7 4 2 6);甘肃省科学院应用研究与开发项目“马兰黄土边坡土壤侵蚀降雨模拟研究”(J K-2 0 1 9-0 7)第一作者:任秀子(1 9 9 9),女(汉族),陕西省勉县人,硕
2、士研究生,研究方向为草地生态。E m a i l:2 0 2 1 0 5 1 6 7 1n w a f u.e d u.c n。通讯作者:徐学选(1 9 6 6),男(汉族),陕西省大荔县人,博士,研究员,主要从事草地生态方面的研究。E m a i l:x u x u e x u a n n w s u a f.e d u.c n。兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价任秀子1,王 龙2,徐学选3,张连科4(1.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.北京良乡蓝鑫水利工程设计有限公司,北京1 0 2 4 8 8;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌7
3、 1 2 1 0 0;4.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所,甘肃 兰州7 3 0 0 0 0)摘 要:目的评价兰州市北山削山造地引起的土壤质量变化,旨在为该区削山造地工程和生态效益评价提供科学依据和建议。方法选择兰州市城关区北山原有耕地、林地、草地、削山产生的新造地4种土地利用方式,采集土壤物理性质、化学性质和根系生物量样品,基于主成分分析法(p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s,P C A)筛选出最小数据集(m i n i m u md a t as e t,MD S),通过土壤质量指数对兰州市北山土壤质量进行评价。结果基于包
4、括1 2项理化指标的土壤质量全数据集(t o t a l d a t as e t,T D S)的主成分分析,构建了由容重、速效磷、速效钾、全氮、p H值组成的最小数据集。兰州市北山4种土地利用方式下土壤质量指数排序为:耕地林地新造地草地,削山造地显著影响了土壤的水分保持、有机质积累、全氮、速效钾含量等。最小数据集和全数据集之间相关性系数为0.6 6,最小数据集能够较好地进行土壤质量评价(p f o r e s t l a n d n e w l yr e c l a i m e d l a n d g r a s s l a n d.H i l lc u t t i n gs i g n i
5、 f i c a n t l ya f f e c t e ds o i lw a t e rc o n s e r v a t i o n,o r g a n i cm a t t e ra c c u m u l a t i o n,t o t a ln i t r o g e n,a v a i l a b l ep o t a s s i u m,e t c.T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h em i n i m u md a t as e t a n dt h e f u l l d a t
6、 as e tw a s0.6 6,a n dt h em i n i m u md a t as e tb e t t e re v a l u a t e ds o i lq u a l i t y(p0.0 1).C o n c l u s i o nC u l t i v a t e dl a n da n df o r e s tl a n di nB e i s h a n M o u n t a i nh a db e t t e rs o i lq u a l i t yt h a ng r a s s l a n da n dn e w l yr e c l a i m e
7、dl a n d.W a t e rh o l d i n gc a p a c i t ya n dn u t r i e n ta c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo fn e w l yr e c l a i m e dl a n dw a sl o w e rt h a nt h a to fc u l t i v a t e dl a n da n df o r e s t l a n d,w h i c hi sak e ya r e af o rf u t u r ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i
8、o na n dr e c o n s t r u c t i o n.L a n dc u t t i n go nm o u n t a i n ss h o u l dt a k ep l a c eo ng r a s s l a n d s a s f a r a sp o s s i b l e,a n da t t e n t i o n s s h o u l db eg i v e n t o t h ep r o t e c t i o no fo r i g i n a l c u l t i v a t e d l a n da n df o r e s t l a n
9、 d.K e y w o r d s:s o i l q u a l i t y;m i n i m u md a t a s e t;p r i n c i p l e c o m p o n e n t a n a l y s i s(P C A);l a n d f r o mh i l l c u t t i n g;L a n z h o uC i t y 2 1世纪后中国经济飞速发展引起部分区域城市空间的不足,位于黄土高原西部的兰州市城关区因其典型的带状狭长地貌,长期存在自然生态保护与城市用地扩建冲突的矛盾1。削山造地作为一种更符合经济规律的城市化政策在兰州市城关区北山实施,尽管削
10、山整地区主要土地为未利用荒山,通过削去山头,将无法建设的沟壑整理为城市可利用土地。但在土壤侵蚀强度大的山坡地整治土地后,原有的植被被破坏,水土流失时有发生2,脆弱的生态环境面临巨大的风险和挑战。研究3表明,近年来城市化过程中人为扰动导致土壤侵蚀程度的加剧已影响人类发展,如何协调好削山造地和生态保护是目前的急迫任务。削山造地会引起土地利用格局发生变化,导致区域土壤质量改变,众多国内外学者在寻求解决土壤退化和改善土壤环境等内容时都选择了土壤质量这一综合指标4-5。土壤质量评价作为衡量不同空间或时间尺度土壤属性的重要方式,可评价不同土地利用方式下土壤的响应。到目前为止,尽管国内外没有统一的土壤质量评
11、价标准体系,但有诸多被普遍使用的土壤质量评价方法。如国外多用克立格法6、土壤质量动力学7、土壤质量综合评分,后者一般通过建立最小数据集评价土壤质量8。国内多用土壤质量定量评价方法,包括:层次分析法、主成分分析法、模糊评价法、神经网 络 法、“3 S”技 术 评 价 法、灰 色 关 联 分 析 法等9。主成分分析法通过降维减少变量的干扰,能够提取原始变量信息,但由于各因素载荷值具有正负性,影响最终评价结果的准确性1 0-1 1。各个评价方法具有适合的应用范围,评价方法的结果也会受到选取指标的影响,结果通常具有不一致性。目前针对削山造地对兰州北山生态环境的影响,已开展不同方面研究工作。有学者1 2
12、预测开发新城对生态环境、水土流失、土地利用等方面的影响。彭建等1 3提出评估削山生态风险的方法和基本框架。但国内并没有针对削山造地区土壤质量变化以及如何为削山造地工程提出合理利用土地资源建议的研究。同时在西北地区土壤数据库往往不健全,在全数据集不足的情况下建立最小数据集的方法十分重要。为此,本研究将利用主成分分析法和土壤质量指数法评价甘肃省兰州市城关区北山削山造地后土壤质量,旨在了解兰州市城关区人为扰动下的土壤质量状态,为削山造地工程提供科学依据和建议。1 材料与方法1.1 研究区及样地概况兰 州 市 城 关 区(3 5 5 6 3 6 1 0 N,1 0 3 4 6 1 0 3 5 9 E)
13、,海拔15 0 321 7 1m,属于黄土高原丘陵沟壑区,自北向南可大致划分为北山、城区和南山,总面积约为2 0 8k m2。研究区域位于季风与非季风交界地带,温带半干旱气候,年平均气温约为1 1.5,夏季78月降水量多,最大小时雨强为5 2.2mm,冬季月均降水量小于3mm,年均蒸发量14 4 1mm。北山主要土质为灰钙土1,p H值在89之间。降水量少而集中、蒸发强度大、温度适宜以及日照充足是研究区的主要气候特点。1.2 样品采集与分析1.2.1 代表样地选取 试验根据兰州市城关区北山削山造地后形成的新造地、北山原有的耕地、林地、草地等4个类别,选择当地面积较大、现状土地利用年限长(年限为
14、2 0a以上)的侧柏油松混交林地,梯田农地、多年自然草地以及新造地(年限5a)(表1)。1.2.2 样品的采集 于2 0 2 1年7月在每种土地利用方式下选定相同坡向的3个平缓样地,每个样地分别随机设定3个样点:用直径5 0.4 6mm,高5 0mm的环刀在每个样点采集表层03 0c m土壤样品,测定土壤总孔隙、容重、含水率的土壤样品有3 8个;同时在每个样点用1 0c m1 5c m自封袋采集土样,去除植物根系和石块,带回实验室自然风干,用于土壤化学性质 的 测 定,有3 8个 样 品。直 径1 0.6c m,高26 水土保持通报 第4 3卷1 5c m的环刀取每个样点的土样,用于测定根系生
15、物量,3 9个样品,共计土壤样品1 1 5个。表1 代表样地基本情况T a b l e1 R e p r e s e n t sb a s i c s i t u a t i o no f s a m p l ep l o t土地利用方式海拔/m植被覆盖度/%群落主要物种 耕地20 6 39 0牡丹(P a e o n i as u f f r u t i c o s a)酥梨(P y r u sb r e t s c h n e i d e r i)林 地20 4 76 5侧柏(P l a t y c l a d u so r i e n t a l i s)油松(P i n u s t a
16、 b u l i f o r m i s)白茅(I m p e r a t ac y l i n d r i c a)白莲蒿(A r t e m i s i as a c r o r u m)草 地17 7 87 0长芒草(S t i p ab u n g e a n a)多裂骆驼蓬(P e g a n u m m u l t i s e c t u m)新造地16 1 82 0柽柳(T a m a r i xc h i n e n s i s)白茎盐生草(H a l o g e t o na r a c h n o i d e u s)黄花补血草L i m o n i u ma u r e
17、u m狗尾草(S e t a r i av i r i d i s)1.2.3 具体分析方法 本研究共测定土壤物理化学指标1 2项。容重、总孔隙度采用环刀法测定;含水率采用烘干法测定;采用土壤团聚体干筛湿筛方法获得不同粒级组分数据,计算团聚体破坏率指标。土壤养分状况参考常规方法测得:浓H2S O4消煮凯氏定氮法测定全氮;碱解扩散法测定碱解氮;土壤速效磷含量采用N a HC O3浸提钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用NH4OA c浸 提火 焰 光 度 法 测 定;K2C r2O7浓H2S O4外加热法测定土壤有机质;p H值测定时采用12.5土水比电位法(S a t o r i u sP B-1
18、0,G e r m a n y);电导率测定时采用15土水比电导法(雷磁D D S J-3 0 8 F,上海)测定。根系生物量采用烘干法测定,先用粗筛筛去与根系脱离的土壤,采用漂洗法清洗根系,在烘箱内烘干至恒重,并称重获取每个样点的根系生物量1 4-1 5。1.3 土壤质量指数法(1)构建最小数据集。多指标评价土壤质量计算过程繁琐冗杂,最小数据集(m i n i m u m d a t as e t,MD S)能够指示对土壤功能和最终评价结果有显著影响的指标1 6-1 7。主成分分析(p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s,P C
19、A)能将大量指标转化为少量指标,广泛应用于土壤质量评价研究1 8。总体步骤为:各项土壤理化指标主成分分析完毕后,提取特征值1的主成分,主成分中载荷0.5的分为一组。分组后,每组中因子N o r m值在该组最大N o r m值1 0%范围内的因子入选最小数据集。若各项土壤理化指标显著相关(p0.0 5),则选择N o r m值最大的土壤指标归入MD S,若组内各指标不显著相关,则组内指标全部进入MD S。N o r m值为该指标在所有主成分上的综合载荷大小,其值越大则表明该土壤指标反映的土壤质量信息越丰富1 9-2 0。N o r m值计算公式为:Nx y=yx=1(u2x yty)(1)式中:
20、Nx y表示第x个因子在特征值大于1的前y个主成分的N o r m值;Ux y表示第x个因子在第y个主成分的载荷;ty为第y个主成分的特征值。(2)土壤指标非线性评分。土壤指标测定值通过非线性计算转换为各指标得分值,模型为:Si=A1+(x/x0)B(2)式中:Si为介于01之间的土壤指标得分;A为最大得分,被确定为1;x为土壤指标实测值;x0为相应的指标平均值;B为方程的斜率,“越多越好”类型指标被确定为-2.5,“越少越好”类型指标被确定为2.52 0。(3)计算评价因子的权重。因子权重为主成分分析的公因子方差占总公因子方差的比例2 1。(4)土壤质量指数的计算。将土壤各指标的非线性评分和
21、权重代入公式(3)计算土壤质量指数(s o i lq u a l i t y i n d e x,S Q I)。S Q I=ni=1TiSi(3)式中:Si代表指标得分;n为指标数量;Ti代表指标权重值;S Q I值越高,代表土壤质量更好。1.4 数据处理基于M i c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9和S P S S2 6.0对数据进行S p e a r m a n相关性分析、单因素方差分析和主成分分析,O r i g i n2 0 2 2绘制柱状图和箱线图,R4.2.1进行线性回归分析并绘制回归图。2 结果与分析2.1 不同土地利用下的土壤质量表现不同土地利用方式下
22、土壤物理、化学性质详见表2。表2表明,各样地中新造地容重、团聚体破坏率、速效磷、p H值、电导率质量分数最高,土壤含水量、总孔隙度、速效钾质量分数最低。土壤含水量。与新造地(6.2 92.1 8%)相比,林地(1 2.2 86.6 8%)、耕地(8.4 21.0 0%)、草地(6.8 33.3 2%)都增加了土壤含水量,林地土壤有更多储水,显著高于其他样地(p0.0 5);草地的含水率相对于新造地增加最少。团聚体破坏率。新造地中最高(9 2.1 68.2 7%),显著高于其他样地(p0.0 1),草地(3 5.6 59.6 7%)相比林地(4 8.6 52 6.4 8%)、耕地(6 2.6 4
23、1 1.8 9%)更大程度地缓解了团聚体被破坏的程度。总孔隙36第4期 任秀子等:兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价度。林地(5 6.3 94.6 5g/c m3)最 高,新 造 地 最 低(5 1.4 02.7 8g/c m3),新造地的总孔隙度显著低于原有土地。不同土地利用方式下氮、磷、钾的速效成分等都有显著 差异(p0.0 5)。根系生物量中,林地、耕地的根系生物量显著高于草地根系生物量(3 8 3.5 93 2 5.0 1k g/m3)、新 造 地 根 系 生 物 量(5 5 9.5 67 0 5.9 0k g/m3)。以上结果表明,兰州市北山的林地、耕地相对于草地和新造地在土壤物理
24、、化学、生物指标方面有明显差异。表2 不同样地土壤基本性质T a b l e2 B a s i cp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t s o i l s土壤指标 耕 地 林 地 草 地 新造地 Fp土壤容重/(gc m-3)1.1 90.0 4b1.0 50.2 2c1.1 60.0 6b c1.4 90.0 7a2 0.7 1 70.0 0 0*土壤含水量/%8.4 21.0 0a1 2.2 86.6 8a6.8 33.3 2b6.2 92.1 8b4.2 7 70.0 1 2*团聚体破坏率/%6 2.6 41 1.8 9b4 8.6 52 6.4
25、 8b c3 5.6 59.6 7c9 2.1 68.2 7a2 1.0 5 70.0 0 0*总孔隙度/(gc m-3)5 4.4 11.8 3a b5 6.3 94.6 5a5 4.0 93.2 7a b5 1.4 02.7 8b3.5 0 70.0 2 6*速效磷/(m gk g-1)3.9 90.2 7b c4.4 61.3 6b3.5 10.6 1c5.7 40.4 5a1 3.0 7 80.0 0 0*速效钾/(m gk g-1)2 2 8.6 74 8.6 6a1 6 7.4 42 1.2 1b1 7 7.1 12 1.2 4b1 6 3.7 83 0.3 6b7.8 0 30.
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