陳海濱，陳志彪

（福建師范大學 地理科學學院，福州 350007）

我國南方丘陵紅壤區(qū)，水熱資源豐富，生產潛力巨大，但是由于長期對土地資源的不合理利用，整個地區(qū)生態(tài)與環(huán)境遭到嚴重破壞，土壤退化和水土流失問題嚴重，導致土壤質量與生產力下降［1］。以小流域為基本單元進行流域綜合管理正在被世界上越來越多的國家所認識和采用［2］。長汀縣朱溪小流域是我國南方紅壤侵蝕區(qū)的典型代表，歷經多年治理取得了明顯的生態(tài)、社會和經濟效益，被國家水利部水土保持司譽為是中國水土流失治理的品牌，南方治理的一面旗幟，并在治理過程中探索出了多種值得推廣的治理措施，各種治理措施的水土保持效益也成為研究的熱點。前人的研究多從土壤理化性質的某一方面入手，如用單一的土壤理化性質指標或某幾個指標對治理措施的效果進行簡單的評價，而且多數(shù)的研究僅定性描述了治理措施對土壤某一種或幾種指標所產生的治理效果［3－8］，并沒有定量對比不同治理措施的治理效果，使得推廣高效的治理措施缺乏有力的理論依據。水土流失治理通過恢復植被蓋度，使土壤肥力得以恢復，進而實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復重建，土壤肥力的恢復是水土保持效益的重要體現(xiàn)［1］。土壤肥力綜合評價包括聚類分析、因子分析、主成分分析和模糊綜合評判等［9］，其中模糊綜合評價具有較扎實的數(shù)學基礎，得到廣泛的應用［10－12］。

因此，本研究針對小流域在治理過程中所采取的不同水土保持措施，采用模糊數(shù)學綜合評價方法分析不同治理措施下土壤肥力的恢復效應，進行定量描述，可以對小流域水土流失的后續(xù)治理提供一定的科學依據，并對治理措施在整個紅壤侵蝕區(qū)推廣提供有力依據。

1 研究區(qū)概況

朱溪小流域主要位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)東部和南山鎮(zhèn)西北部，地理坐標為東經116°23′30″－116°30′30″，北緯25°38′15″－25°42′55″，流域土地總面積約為4 495.65 hm2。地貌類型以低山、丘陵為主，海拔高度介于270～680 m，地勢自東北向西南方向傾斜，地形破碎，在河流沿岸有河谷盆地分布，呈盆谷相間的分布狀態(tài)。該區(qū)屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，根據縣氣象站資料（1961－2008年），多年平均氣溫18.4℃，年平均降水量1 700 mm，年際變化大，降雨年內分配為雙峰型，降雨大多集中在3－8月，占全年降雨量的76%，且強度大；風向季節(jié)性變化顯著，夏季盛行東南風，冬季盛行西北風。流域在長汀縣氣象區(qū)劃中屬熱量較高、雨量偏少區(qū)［13－14］。土壤主要為燕山晚期礦物晶粒粗大的黑云母花崗巖在長期濕熱氣候條件下風化而發(fā)育成的紅壤、侵蝕紅壤，節(jié)理發(fā)育，但極其松軟，抗蝕性極差，且酸性強，保水保肥能力低［15－16］。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，但由于長期的人為破壞及政策失誤，地表植被遭到嚴重破壞，原始植被幾乎全部被次生林所替代。在實施水保措施前，不少地方寸草不生，侵蝕較強的區(qū)域植被蓋度僅5%～10%，且年生長量極低。主要植被類型為次生馬尾松中、幼林，樹種單一，結構簡單［13－14］。

2 研究方法

2.1 朱溪小流域水土保持措施

小流域在治理水土流失的過程中，根據不同的水土流失程度及不同的立地條件，設置了不同的水土流失治理措施，并在每一試驗點上設置20 m×20 m的標準樣地，包括2000年和2006年在治理過程中所設置的各種治理措施下的樣地，2009年調查時所記錄的樣地信息見表1。

表1 朱溪小流域不同治理措施樣地基本情況

從表1中可以看出，樣地的坡位、坡度自然條件都較為相似，坡位除了2006年的1號樣地處于坡腳外，其余的樣地均設置在中坡，坡度也是除了2006年的1號樣地位于坡腳而較低外，其余的相差都不超過10°，坡位、海拔、坡度等立地條件都較為相似。

主要的治理措施概況如下：

（1）封禁措施。封禁治理是依靠生態(tài)恢復功能，在短期內迅速恢復植被，遏制水土流失的投資少、見效快的治理措施［13，15］。該措施主要適用于輕度水土流失地或立地條件較好的中度水土流失地及人跡罕至的遠山、陡坡、荒坡地。研究區(qū)的治理主要以封禁措施為主。

（2）生態(tài)林草。生態(tài)林草措施以演替理論、生物多樣性原理等指導，堅持適地適樹，選擇與生物特性、地形、土壤相適應的鄉(xiāng)土喬灌木，并進行優(yōu)化配置；堅持適地適草原則，選擇草被先行，通過草被快速覆蓋地表，有效地抑制林下水土流失［13，15］。該措施適用于幾乎所有的侵蝕地，尤其是表土殘存、造林難度大的侵蝕地，能快速減輕土壤的侵蝕，增加土壤的養(yǎng)分積累。在研究區(qū)主要設置了全坡面播草、水平條溝種植草灌帶、營造喬灌混交林等不同造林種草方法，一般采用穴狀整地或水平條溝等方式，設計造林種草的行距和株距，并輔以一定的管理措施。

（3）低效林改造。馬尾松作為我國南方荒山綠化的先鋒樹種，具有耐旱、耐貧瘠的特點?；◢弾r侵蝕劣地，立地條件極為惡劣，土壤貧瘠，在侵蝕劣地留下眾多“小老頭”馬尾松。該措施主要適用于立地條件較差的坡地，現(xiàn)有坡地上都有一定密度的“小老頭”馬尾松，通過穴狀或條溝施肥改造方式，并施以肥料，至少連續(xù)撫育3 a。研究區(qū)的低效林改造從2006年開始實施。

（4）對照。以未采取生態(tài)恢復措施的嚴重侵蝕地為對照1，地表植物以馬尾松小老頭樹和少量芒萁及野古草為主，無灌木植被，地方近于光板地。土壤侵蝕嚴重，土壤B層露出，立地條件差，部分馬尾松根系裸露。選取20世紀80年代治理后恢復效果較好的八十里河地區(qū)為對照2，可作為長汀縣水土流失治理成效的典型代表。八十里河原來也為嚴重侵蝕地，在1984年采用喬灌草措施進行治理，經過20多年的恢復，現(xiàn)森林群落為針闊混交林，林下植被較多，土壤A層可達15 cm以上，能夠自行進行生態(tài)恢復演替，

2.2 野外取樣方法

在樣地中取樣時，按照隨機原則進行采樣，多點采集土壤表層土樣，均勻混合土樣后，利用四分法取出1 kg左右的土樣，并在樣地內挖掘典型的土壤剖面，利用環(huán)刀采集原狀土樣。而后將采集的樣品放入樣品袋中，用鉛筆寫好標簽，并注明采樣地點、日期、采樣深度、采樣人等。

2.3 樣品分析項目和測定方法

根據研究區(qū)土壤特點，選取對植物生長發(fā)育影響較大的幾個因素：土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、p H、黏粒含量進行分析測定，以上指標的測定均采用《土壤農業(yè)化學分析方法》［17］的分析方法，其中有機質測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化－容量法；全氮測定采用開氏消煮法；堿解氮測定采用堿解擴散法；全磷測定采用氫氧化鈉熔融－鉬銻抗比色法；速效磷測定采用雙酸浸提－鉬銻抗比色法；全鉀測定采用氫氧化鈉熔融－火焰光度法；速效鉀測定采用乙酸按提取－火焰光度法；容重測定采用環(huán)刀法；p H測定采用1∶2.5水浸－電位法；黏粒測定采用氫氧化鈉分散－吸管法。

2.4 土壤肥力綜合評價方法

采用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)對土壤肥力進行綜合評價［18］，對不同治理措施的土壤肥力效應進行比較分析。具體步驟如下：

（1）建立土壤肥力評價的隸屬度函數(shù)。土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀與植物生長效應曲線呈“S”型，即在一定范圍內上述指標與植物生產呈正相關，低于或高于這個范圍對植物生長影響較小。建立如下隸屬度函數(shù)：

式中：x1——評價指標的上限值；x2——評價指標的下限值。

根據南方紅壤退化機制與防治研究專題組（1999）以及中科院部分專家的研究成果［11］，擬定曲線中的臨界值，詳見表2。

表2 養(yǎng)分指標臨界值（1）

土壤容重、p H、黏粒含量與植物生長曲線呈拋物線形，即上訴指標對植物生長有一個最佳范圍，在此范圍外偏離程度越大，對植物生長越不利。建立相應的隸屬度函數(shù)：

式（2）中，x1和x4分別為評價指標的上限值和下限值，最優(yōu)值為x2和x3之間。

根據南方紅壤退化機制與防治研究專題組（1999）以及中科院部分專家的研究成果［11］，擬定曲線中的臨界值，詳見表3。

表3 養(yǎng)分指標臨界值（2）

經過上述步驟處理，消除了各個評價指標之間的量綱差異，建立了土壤養(yǎng)分指標評價的隸屬度值均在0.1～1.0之間，其大小反映了各個評價指標的隸屬度情況。

（2）各評價指標權重的確定。本研究為避免人為主觀因素的干擾，采用因子分析法計算各指標的權重值。利用SPSS軟件對土壤指標的數(shù)據進行因子分析，利用主成分分析法提取因子，并選取特征值大于1作為選取主因子的條件，并由因子載荷矩陣提取公因子方差，最后確定權重值。

從表4中可以看出，研究區(qū)各土壤肥力指標的權重除速效鉀權重較低外，其余的相差并不太明顯，總體上以氮素、磷素、有機質、p H所占的權重相對較大。這也與研究區(qū)的情況較為一致，由于研究區(qū)長期的水土流失土壤氮、磷、有機質都較為缺乏，土壤p H也深刻影響著土壤肥力水平，因此這幾個肥力指標的權重相對較大。

表4 朱溪小流域土壤肥力質量分析指標的權重值

（3）綜合評價模型。根據所建立的隸屬度函數(shù)得到各個養(yǎng)分指標的標準化轉換值，并結合各指標的權重系數(shù)，建立土壤肥力質量評價綜合評價模型，具體

公式為

式中：FI——土壤肥力指數(shù)；fi——第i種土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值；wi——第i種土壤養(yǎng)分指標的權重系數(shù)。

3 結果與分析

3.1 不同治理措施對土壤肥力指標的

不同治理措施下的土壤養(yǎng)分數(shù)據分布見表5。從表5中可以看出，土壤有機質含量為八十里河的樣地最高，從不同年份進行比較，2000年治理的樣地次之，2006年治理的樣地最低，但都高于嚴重侵蝕的對照地，說明土壤有機質含量治理后隨著時間的延長都會提高；從不同治理措施比較，2000年為：封禁＞全坡面播草＞水平條溝＞對照，2006年為：低效林改造＞喬灌草混交＞封禁＞對照。

土壤全氮含量，除了八十里河的樣地能達到中等水平外，其余樣地都處于較差水平，其中2000年治理的樣地高于2006年治理的樣地，說明全氮的提高要經過20 a甚至更長的時間；不同措施的樣地比較，2000年為：封禁＞全坡面播草＞水平條溝＞對照，2006年為：草灌草混交＞低效林改造＞封禁＞對照；堿解氮方面與全氮表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律，其中八十里河、2000年封禁和全坡面播草的樣地可達到較豐富的水平，說明封禁和全坡面播草治理后經過10 a時間土壤供氮水平有了很大改善，可以大大滿足植物生長的需要。

表5 朱溪小流域不同治理措施土壤養(yǎng)分數(shù)據

土壤全磷含量，各個樣地都處于貧乏的狀態(tài)，說明研究區(qū)的磷素較為缺乏，總體上在治理后隨著時間的延長都有一定的提高，但并不明顯；土壤速效磷含量，八十里河、2000年全坡面播草和封禁都大于5 mg／kg，說明封禁和全坡面播草治理后經過10 a左右的恢復，土壤的供磷水平都能夠達到中等水平；不同措施比較，2000年為：全坡面播草＞封禁＞水平條溝＞對照，2006年治理的樣地經過3 a時間，供磷水平還處于中下水平，大小順序依次為喬灌草混交＞低效林改造＞封禁＞對照。

土壤全鉀更多地受土壤母質和淋溶作用的影響，各個樣地的全鉀水平都較低，沒有表現(xiàn)出明顯的不同趨勢，含量相對較高的為2006年的封禁和低效林改造樣地；土壤速效鉀方面，不同時間上表現(xiàn)為八十里河＞2000年樣地＞2006年樣地；不同措施上的比較，2000年封禁＞對照＞生態(tài)林草，2006年封禁＞低效林改造＞生態(tài)林草＞對照，說明可能只要減少人為的擾動，土壤速效鉀水平就可有效地提高；此外2000年的對照地速效鉀含量也較高，可能是侵蝕到母質層，而母質中含有較多鉀素的緣故。

經過治理的樣地土壤容重都比對照地低，其中八十里河和2000年封禁的樣地甚至低于1.0 g／cm3，說明隨著土壤養(yǎng)分的提高，植被的恢復，更多的枯枝落葉轉化為土壤的腐殖質，使得土壤更為疏松，不同治理措施的表現(xiàn)為，2000年封禁＜全坡面播草＜水平條溝＜對照，2006年喬灌草混交＜封禁＜低效林改造＜對照；土壤p H，除了2000年的生態(tài)林草樣地高于5外，其余的都是低于5的酸性土壤，差別不大，其中八十里河和2000年封禁樣地p H特別低，甚至接近于4，說明在植被的恢復過程中，可能會存在著土壤酸化的問題，應引起一定的重視，2006年低效林改造p H低于4.5則可能是施肥的影響；土壤黏粒，除了2000年生態(tài)林草措施的樣地較低，2006年喬灌草措施的樣地較高外，其他樣地都處于較為適宜肥力發(fā)揮的水平，差異不大。

3.2 不同治理措施土壤肥力效應的綜合評價

利用公式（3）計算各治理措施的土壤肥力指標的質量指數(shù)FI值，結果見圖1。從圖中可以看出，經過治理后的FI值都高于0.2，其中最大的為八十里河樣地，F(xiàn)I值為0.53，對照地的FI值都低于0.2。根據呂曉男的五級分類法［12］（FI＞0.8為土壤肥力質量好，0.6＜FI＜0.8為較好，0.4＜FI＜0.6為中等，0.2＜FI＜0.4為差，F(xiàn)I＜0.2為極差），八十里河治理后經過20多年以及2000年封禁和全坡面播草的樣地治理后經過10 a土壤肥力質量都才達到中等水平，而2000年水平條溝措施的樣地和2006年治理的樣地的土壤肥力都處于差的水平，說明土壤肥力的恢復是一個長期的過程，短期內土壤肥力的提高并不明顯。兩個嚴重侵蝕的對照地，土壤肥力則還處于較差的水平，說明嚴重水土流失區(qū)，如果沒有人為的強化治理，要改善土壤的肥力狀況是很難的。

圖1 朱溪小流域不同治理措施FI值

通過不同的治理措施比較，可以看出封禁措施不管在長期還是短期內，對土壤肥力的改善都會優(yōu)于其它措施，一方面由于封禁的區(qū)域一般都是植被條件較好，流失程度較低的地方，土壤肥力狀況本來就較好；另一方面封禁治理消除了人為干擾的影響，通過讓其自然恢復，群落的生物量和生產力得到極大的提高，營養(yǎng)元素循環(huán)較為暢通［5］，利于土壤肥力的積累。全坡面播草措施優(yōu)于水平條溝，全坡面播草能快速覆蓋地表，從而有效地減少水土流失，減少土壤肥力的流失，有效促進植物生長；低效林改造措施在短期內優(yōu)于喬灌草措施，低效林改造區(qū)原來就存在大量的馬尾松，只是由于土地瘠薄而生長緩慢，通過人為連續(xù)的施肥，馬尾松的生長狀況很快得到改善，植被的快速生長也能很快地改善土壤環(huán)境，加快地力的恢復。由此可見，強化措施雖然能有效地提高土壤肥力，但由于強化措施一般都在流失較嚴重的地方采用，土壤肥力不論在短期和中長期都還達不到封禁措施的水平。

4 結論與討論

從不同治理措施的土壤養(yǎng)分比較可以看出，任何一種治理措施，土壤有機質、堿解氮、全氮隨著治理后時間的延長都有所提高，其中2000年治理的封禁和全坡面播草措施土壤有機質經過10 a左右的時間，都可達到較高的水平，分別可達到52.28，51.41 g／kg，堿解氮含量分別可達到114.73，103.29 mg／kg，接近恢復較好的八十里河樣地的水平，全氮、全磷、速效磷、速效鉀也會有所提高，但恢復的時間應該更長；不同措施下在短期內強化治理的生態(tài)林草措施最好，低效林改造次之，封禁較差，中長期則其封禁治理最優(yōu)，生態(tài)林草等強化治理措施次之。強化治理措施因為進行了施肥，土壤養(yǎng)分在短期內提高較快，而隨著土壤養(yǎng)分的消耗，提高速度降低；封禁治理模式在短期內土壤養(yǎng)分提高較慢，但排除了人為的干擾，土壤養(yǎng)分循環(huán)更為通暢，利于土壤養(yǎng)分的積累。

通過對不同治理措施下的土壤肥力效應綜合評價，八十里河樣地治理后經過20多年時間FI值才達到0.53，2000年設置的樣地FI值只有封禁和全坡面播草措施達到0.4，2006年設置的樣地FI值都低于0.3，兩年設置的嚴重侵蝕對照樣地FI值更是低于0.2，說明土壤肥力的恢復是一個漫長的過程，特別在強度侵蝕區(qū)土壤極其旱瘠，植被難以生存，要想較快地恢復土壤肥力是不可能實現(xiàn)的，而是應該選擇合理的治理措施與管理，首先通過改善植被的生長條件來有效地緩解水土流失程度，可以通過采取一些強化治理措施，等土壤肥力恢復到一定階段，進而采用封禁措施并經過長期的努力，逐步提高土壤肥力，以達到改善生態(tài)環(huán)境的目的。

小流域經過多年的治理，水土流失程度已經大大降低，各種治理措施的實施管理機制也日漸成熟。在前期的治理過程中，治理的目標都圍繞在如何有效減少水土流失，如今水土流失程度已經得到有效控制，治理的目標也應轉移到如何實現(xiàn)流域的有效管理，更好地培肥土壤，避免土壤的再次退化，以實現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用。本研究在分析土壤肥力指標過程中，發(fā)現(xiàn)植被恢復較好的八十里河樣地，存在土壤p H較低的情況；通過對不同年份治理的樣地比較也可看出，2000年治理的植被恢復效果較好的樣地比2006年治理樣地的p H值低，可見隨著植被的恢復，土壤肥力提高，土壤存在著一定的酸化現(xiàn)象，在以后進一步的管理過程中應加以重視并有效改善。

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