岩溶槽谷区弃耕地次生演替过程中土壤质量变化特征与评价

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岩溶槽谷区作为人类活动影响剧烈的生态环境脆弱区,近些年随着各种生态修复工程的实施以及城镇化的发展,形成了一定数量的弃耕地。弃耕地撂荒后在次生演替过程中不再受人类活动的直接影响,上覆植被、管理方式等因子发生显著变化,势必导致土壤各项性质发生变化,进而对土壤质量产生影响。然而以往对于岩溶区土壤质量的研究主要关注于岩溶区不同土地利用方式之间的对比,缺乏对弃耕地土壤质量在次生演替过程的不同时间阶段之间的动态变化研究,同时岩溶槽谷区到目前为止仍缺乏一个统一的、可以广泛适用的土壤质量评价指标体系。因此,本研究旨在明确岩溶槽谷区弃耕地次生演替对土壤物理、化学和生物学性质的影响,在此基础上构建适合岩溶槽谷区土壤质量的评价方法,并对岩溶槽谷区次生演替过程中土壤质量的变化特征进行综合评价,研究结果可为岩溶槽谷区内土壤的保护和利用提供参考。本研究通过对重庆北碚青木关岩溶槽谷区内耕地、草地、灌丛地和林地土壤的物理性质、化学性质、生物学性质的37个具体指标进行测定和分析,揭示了岩溶槽谷区弃耕地土壤物理性质、化学性质、生物学性质对次生演替过程的响应;在此基础上采用单因素方差分析确定了20个对次生演替响应敏感的土壤指标作为土壤质量评价的总数据集,运用主成分分析法提取总数据集中具有高度相关性的土壤指标,构建出土壤质量评价的最小数据集,运用得分函数对最小数据集中各项土壤指标进行标准化处理,并为标准化后的土壤指标赋予权重并计算得到不同演替阶段弃耕地土壤质量指数的综合得分,量化不同演替阶段下弃耕地的土壤质量状况。此外,本研究还对次生演替过程中弃耕地土壤质量变化的影响因素及其机理进行了一定的探讨。研究结果最终可为研究区土壤的合理管理和保护提供数据支持与科学参考。通过实验与分析,本研究主要结果如下:(1)岩溶槽谷区弃耕地次生演替过程中,土壤物理、化学、生物学性质均有一定变化。(1)物理性质方面,随次生演替发展,土壤中大团聚体和微团聚体的比例增加,粉粒黏粒组分比例减少,土壤团粒结构更加明显;土壤分形维数减小,平均重量直径和几何平均直径增大,表明土壤水稳性和抗侵蚀能力显著增强。(2)化学性质方面,草地与灌丛地表层土壤的全氮含量增加,但差异不显著;灌丛地和林地表层土壤的速效氮含量增加,其中灌丛地达到显著水平;土壤全磷与速效磷含量则显著降低;土壤全钾与速效钾含量均呈现先增加后减少的趋势;土壤有机碳含量增加,但变化不显著;土壤惰性有机碳组分含量下降,活性有机碳组分含量增加,表明研究区弃耕地的次生演替有利于提高土壤有机碳活性,增强土壤肥力。(3)在生物学性质方面,草地、林地土壤的微生物生物量碳含量增加,四种土壤酶(蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶)活性在表层土壤中没有显著变化。综合四种酶的几何平均数也发现,在自然恢复过程中酶活性的几何平均数在表层和亚表层土壤中均没有发生显著变化。(2)研究确定了岩溶槽谷区不同土壤中代表性最强、差异最显著的四个指标作为土壤质量评价的最小数据集,分别是土壤分形维数、土壤总钾含量、土壤大团聚体占比和土壤速效钾含量。这四个指标可以作为今后岩溶槽谷区土壤质量评价的参考指标。(3)对比四种土壤质量指数计算方法(线性权重土壤质量指数、线性累加土壤质量指数、非线性权重土壤质量指数、非线性累加土壤质量指数)发现线性权重土壤质量指数最适宜于岩溶槽谷区的土壤质量评价,可以作为今后岩溶槽谷区土壤质量评价的定量化方法。(4)运用构建的土壤质量指数方法对次生演替不同阶段的土壤质量进行定量评价,发现不同弃耕阶段的草地、灌丛地和林地的土壤质量相较耕地均有所提高,表明次生演替有利于岩溶槽谷区土壤质量的恢复和提高,弃耕地的自然恢复也是岩溶槽谷区一种较好的植被恢复和生态重建方式。
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