巖溶石漠化地區不同利用方式對土壤肥力和重金屬質量分數的影響

邵 晗，王 虎，王 妍，2，徐紅楓，蘇 倩，劉云根，2

（1. 西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業大學 云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224）

中國西南喀斯特地區是巖溶地貌發育最典型、石漠化最嚴重、人地矛盾最突出、分布面積最大的喀斯特連續地帶[1-2]。近20 a來，針對西南喀斯特地區的生態地質環境問題，中國采取了一系列以植被修復為主的石漠化治理措施，如封山育林、退耕還林還草、建設防護林、種植經濟作物等，獲得了顯著的研究成果和治理成效[3-5]。大量研究證實植被修復能夠有效改善土壤的理化性質，如白義鑫等[6]研究表明：土壤有機碳含量對不同土地利用方式的響應不同，其中花椒Zanthoxylum bungeanum林有機碳含量顯著高于其他地類；XU等[7]研究發現：同一地區不同植被類型土壤養分含量之間差異顯著；李青等[8]通過對不同植被恢復模式下土壤化學特征的測定分析發現，混交林生態恢復效果優于純林，豆科Fabaceae植物恢復效果優于非豆科植物。然而，關于石漠化區不同植被恢復模式土壤的研究多集中于理化性質變化特征及其關系等方面，對土壤質量的系統研究相對較少。此外，西南地區豐富的礦產資源導致該地區土壤存在嚴重的重金屬污染現象。有研究表明：巖溶地區鉛鋅礦開采和特殊的喀斯特環境能夠導致土壤重金屬超標[9]；羅緒強等[10]研究發現：喀斯特地區不同石漠化程度土壤重金屬鎘含量不同，其中部分鎘伴隨石漠化過程向周邊擴散。目前，土壤貧瘠和重金屬污染是西南喀斯特地區較為嚴重的土壤環境問題，在分析不同土地利用方式下土壤養分特征的同時，關注養分與重金屬之間的關系，對改善石漠化地區土壤養分和重金屬修復具有重要價值。本研究以滇東南西疇縣三光石漠化綜合治理示范區為例，比較不同土地利用方式土壤養分和重金屬質量分數分布特征的差異，分析土壤養分與重金屬之間的關系，以揭示不同土地利用方式對石漠化區生態修復的影響，為石漠化治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三光石漠化綜合治理示范區位于云南省文山州西疇縣 (23°10′～23°14′N，104°34′～104°38′E)，屬熱帶低緯季風氣候，年平均氣溫為 15.9 ℃，年均降水量為 1 294.0 mm，年日照時數為 1 500～1 600 h。近年來，該地區實施了一系列生態工程，如對山頭采取封山育林、植樹造林、公益林保護等措施修復森林植被，對山腰耕作條件較差的石旮旯地進行退耕還林，大力發展核桃Juglans regia、獼猴桃Actinidia chinensis等特色經濟林果，對山腳坡度小于25°，有改造條件的緩坡地和石旮旯地，實施坡改梯和炸石造地，建成了全省石漠化綜合治理示范區。

1.2 樣點布設及樣品采集

查閱研究區相關資料并進行野外考察，根據當地土地利用方式及主要農作物和經濟作物類型，并綜合考慮了海拔、坡度、坡向以及植被生長狀況，選取撂荒地、灌草地、人工林地、自然林地、玉米Zea mays地、核桃林地和獼猴桃地共7種利用方式(表1)。每種土地利用方式分別設置3個重復樣地。樣品采集于2020年8月，每個樣地設置3個1 m×1 m的樣方，按照S型5點采樣法，共采集63份土樣。采樣時先除去地面凋落物，采集0～10 cm表層土壤樣品，并采用四分法混勻。將土樣帶回實驗室經自然風干、剔除植物根莖和石礫后分為2份，研磨分別過20和100目篩，用于化學分析。

表1 研究區樣地概況Table 1 Sample overview of the study area

1.3 樣品分析及數據處理

1.3.1 樣品分析 土壤理化性質[11]及重金屬元素[12]測定方法見表 2。

表2 土壤理化性質及重金屬元素測定方法Table 2 Measuring methods of soil physicochemical indexes and heavy metal elements

1.3.2 土壤肥力指數綜合評價 本研究選取有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀及pH作為評價土壤肥力質量的基本指標。在計算土壤肥力綜合指數時，采用主成分分析法確定不同用地類型土壤肥力指標的權重值(表3)，并構建評價指標的隸屬度函數模型(S型和拋物線型)，根據全國第2次土壤普查標準確定土壤屬性值的分級標準(表4)，最后采用模糊綜合評價(Fuzzy)法計算土壤肥力指數[13]。

表3 土壤肥力綜合評價指標權重值Table 3 Weight value of soil fertility comprehensive evaluation index

表4 土壤養分及 pH 分級標準Table 4 Soil nutrient and pH classification criteria

土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀采用S型隸屬函數[14]，土壤pH采用拋物線隸屬函數[14]。土壤肥力綜合指數(IFI)計算公式如下：

其中：Wi和Ni分別表示第i項指標的權重值和隸屬度值，n為指標數。IFI取值范圍為0～1。土壤肥力分級標準見表5。

表5 土壤肥力水平分級標準[17]Table 5 Classification standard for soil fertility level[17]

表6 土壤重金屬潛在生態危害分級標準Table 6 Soil heavy metals potential ecological hazard grading standard

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤養分特征分析

2.1.1 不同土地利用方式下土壤養分質量分數差異特征 巖溶石漠化地區不同土地利用方式下土壤養分質量分數之間存在差異(圖1)，總體表現為：自然恢復方式下土壤有機質、全氮、全磷顯著高于其他利用方式(P＜0.05)。撂荒地(76.25 g·kg-1)和灌草地(78.40 g·kg-1)的土壤有機質質量分數較高，其次是人工林地 (55.77 g·kg-1)、自然林地 (52.20 g·kg-1)和玉米地 (53.18 g·kg-1)，而核桃林地 (35.91 g·kg-1)和獼猴桃地(27.96 g·kg-1)土壤有機質質量分數較低，但差異不顯著(P＞0.05)。不同利用方式下土壤的全氮與有機質質量分數的變化趨勢相似，不同的是撂荒地全氮質量分數最高(2.35 g·kg-1)，獼猴桃地全氮質量分數最低(1.00 g·kg-1)，且核桃林地和獼猴桃地與撂荒地土壤全氮質量分數具有顯著差異(P＜0.05)。不同利用方式下土壤全磷與有機質質量分數不同的是，撂荒地土壤全磷質量分數最高(1.19 g·kg-1)，其次是玉米地(1.00 g·kg-1)，與人工林地、自然林地、核桃林地、獼猴桃地全磷質量分數的差異顯著(P＜0.05)，人工林地土壤全磷質量分數最低(0.35 g·kg-1)。由此可見，撂荒地和灌草地更有益于該地區土壤養分的提升，而獼猴桃地和核桃林地因其人為擾動過強導致養分嚴重流失。

圖1 不同土地利用方式下土壤有機質、土壤全氮和土壤全磷的差異特征Figure 1 Characteristics of soil organic matter contents， soil total nitrogen contents and soil total phosphorus contents under different utilization methods

2.1.2 不同土地利用方式下土壤肥力綜合評價 通過對不同利用土地方式土壤肥力綜合指數的計算可知，巖溶石漠化地區人為干擾較弱的利用方式下土壤較為肥沃。撂荒地、灌草地和玉米地的土壤肥力處于高水平，人工林地和自然林地土壤肥力處于較高水平，核桃林地和獼猴桃地土壤肥力處于中等水平，其中，獼猴桃地IFI最低，為0.485，灌草地IFI最高，達到0.915，是獼猴桃地的1.9倍(表7)，說明灌草模式比人為干擾較強的經濟作物模式更適合石漠化地區的土壤修復。

表7 不同利用方式土壤肥力指數Table 7 Soil fertility index in different utilization modes

2.2 不同土地利用方式下土壤重金屬污染風險特征

運用潛在生態危害指數法評價不同土地利用方式下土壤重金屬的生態風險水平，可見 7種土地利用方式下土壤IR均小于150，在輕微風險水平范圍內(表8)，IR從大到小依次為獼猴桃地、自然林地、核桃林地、撂荒地、玉米地、人工林地、灌草地。根據Ei可知：砷的風險水平最高，在自然林地和獼猴桃地表現為強生態風險水平，在撂荒地、人工林地和核桃林地生態風險水平為中等，在灌草地和玉米地生態風險水平為輕微。砷質量分數均值在自然林地中達到最大值122.27 mg·kg-1(圖2)，超過國家土壤環境質量標準值3倍，在玉米地中最低，為35.55 mg·kg-1，略高于土壤質量標準值。此外，除撂荒地鎳的污染水平為中等，7種利用方式下土壤中鋅、銅、鎳、鉻和錳均表現為輕微污染。綜上，研究區7種不同土地利用方式下土壤重金屬污染均為輕度風險水平，獼猴桃地重金屬污染風險水平最高，其中砷是造成該地區重金屬污染的主要污染物。

圖2 不同利用方式下土壤重金屬空間分布特征Figure 2 Spatial distribution characteristics of soil heavy metals under different utilization modes

表8 土壤重金屬潛在生態危害指數Table 8 Soil heavy metals potential ecological hazard index

2.3 不同土地利用方式下土壤養分和重金屬之間的相關性

對不同土地利用方式下土壤養分與重金屬之間的相關性分析可知(圖3)：不同土地利用方式下各重金屬元素與土壤養分之間存在顯著相關性(P＜0.05)。具體表現為：撂荒地中土壤有機質、全氮、全磷與鉻和錳呈顯著正相關(P＜0.05)；灌草地和人工林地中土壤養分與大部分重金屬元素呈顯著負相關(P＜0.05)；自然林地中除土壤全磷、堿解氮與鉻呈顯著負相關外(P＜0.05)，土壤養分與重金屬元素呈顯著正相關(P＜0.05)；核桃林地中土壤全磷和速效磷與砷和銅呈顯著負相關(P＜0.05)；在人為干擾較強的玉米地和獼猴桃地中，土壤養分與重金屬元素之間的相關性不顯著(P＞0.05)?？偠灾?，巖溶石漠化地區土壤養分質量分數對重金屬質量分數具有顯著的影響，但這種影響因土地利用方式的不同而不同。

圖3 不同利用方式下土壤養分和重金屬之間的相關性Figure 3 Correlation between soil nutrients and heavy metals under different utilization methods

3 討論

3.1 不同土地利用方式下土壤養分特征分析

本研究發現：不同土地利用方式對土壤養分質量分數具有較為顯著的影響。人為干擾是直接引起該地區土壤養分流失的重要因素，其中受人為干擾較大的獼猴桃地土壤養分流失最為嚴重。研究[18-21]表明：人為踩踏行為導致土壤容重增加，土壤保水持水能力退化，土壤有機質、全磷和全氮含量降低。自然屬性較強的灌草地養分質量分數明顯高于其他地類，是因為灌草地所受人為干擾較弱，生態系統穩定，養分不易流失，且植物種類豐富多樣，根系密度較大，能夠改善土壤結構，從而使得更多的養分進入土壤[22]。自然林地和人工林地多為純林，植被群落豐富度和多樣性較低，導致養分質量分數低于灌草地。長年耕作的玉米地，所受人為擾動最強，但因長期施肥的作用增加了土壤的氮磷質量分數。因此，在巖溶石漠化地區，為了能夠更好地改善土壤養分狀況，應因地制宜，選擇合適的植被模式，并適當減少人為干預，防止養分流失。

3.2 不同土地利用方式下土壤重金屬污染特征分析

不同土地利用方式下土壤重金屬的分布特征具有顯著差異[23]。本研究中，獼猴桃地土壤重金屬污染風險水平最高。胡春華等[24]研究結果表明：農業生產活動中投入大量材料如肥料、除草劑、殺蟲劑、塑料薄膜，不僅提升了土壤養分，也會導致農用地土壤重金屬污染。玉米地土壤重金屬污染風險水平較撂荒地低，是因為玉米的根部能夠富集重金屬[25]，也可能是收割作物時帶走了土壤中的部分重金屬。研究區灌草地重金屬污染風險水平最低，其原因可能是土壤有機質質量分數高，提高了重金屬的環境遷移能力，且灌草地受人為活動影響較小，進而重金屬輸入源較少，也有可能是因為灌草地上的植被對重金屬有一定的富集作用。

3.3 不同土地利用方式下土壤養分對重金屬質量分數的影響特征

土壤養分與重金屬之間具有一定的耦合關系[26]。本研究結果表明：不同土地利用方式下土壤養分與重金屬的相關性不同，其中重金屬對灌草地、人工林地和自然林地養分的提升影響較為顯著。土壤重金屬與土壤酶活性之間的關系密不可分[27-28]，土壤重金屬污染常具隱蔽性、難降解和易富集等特性。重金屬以離子形態進入植物體內，從而影響土壤微生物的生態特性，在適宜濃度時可促進酶活性，濃度過低或過高時對酶活性可起到抑制作用，而養分與酶活性密切相關[29]。在本研究中，重金屬污染風險最低的灌草地中土壤肥力指數最高，可能是適度的重金屬污染對酶活性起到了促進作用，從而提升了土壤的肥力。然而，重金屬污染對撂荒地和作物種植地土壤養分的作用并不顯著，主要原因是撂荒地土壤重金屬污染是由其特殊的土壤母質造成的，而玉米地、核桃林地和獼猴桃地的土壤貧瘠及重金屬污染主要是由較活躍的人為活動導致的。總之，土壤養分對重金屬的污染程度在不同土地利用方式下有較為顯著的響應，但其響應機制仍需更深入的研究。

4 結論

通過對云南省西疇縣石漠化治理示范區不同土地利用方式下表層土壤養分和重金屬質量分數特征及其關系的研究，得出以下結論：①研究區7種不同土地利用方式中，灌草地對土壤養分的改良效果最好，獼猴桃地因較強的人為干擾導致養分流失嚴重，而玉米地因長期施肥使得土壤養分質量分數增加。②砷是該地區主要污染物，灌草地重金屬質量分數較低且生態風險水平最低，獼猴桃地生態風險水平最高。③在灌草地、人工林地和自然林地中，土壤養分質量分數對重金屬質量分數的影響較為顯著。

綜上所述，在不同土地利用方式下，人為干擾是導致土壤養分流失的重要因素，然而，在人為干擾較弱的利用方式下，土壤養分質量分數對重金屬質量分數具有顯著影響。對于該地區土壤所面臨的生態問題，應盡可能地降低人為干擾強度，以改善土壤的養分狀況，減少土壤重金屬的累積，降低生態風險水平。而土壤養分對重金屬的響應機制有待更深入的研究。