Coupling relationship between vegetation and soil in the early stage of ecological restoration after earthquake: a case study of Weizhou Town in Wenchuan County and Hanwang Town in Mianzhu City of Sichuan Province, southwestern China
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摘要:目的 探究汶川地震重灾区不同气候区恢复初始阶段植被与土壤的耦合协调关系，为促进灾害干扰地区的生态恢复和植被−土壤系统的协调发展提供参考依据。方法 以干旱河谷气候区、亚热带季风性气候区的受损治理区和未受损区（AT和AU、ST和SU）为研究对象，测定植被和土壤的21个指标，采用主成分分析法得出两个气候区4种生态系统的主要影响因子和21个指标的权重，并构建对应的植被−土壤耦合协调度（D）模型。结果 SU的植被、土壤综合指数和D均显著高于其他3种植被−土壤系统。AT和ST均为初级协调发展类土壤滞后发展型，AU和SU分别为初级和中级协调发展类植被土壤同步发展型。干旱河谷气候区的影响因子较为单一，AT的主要影响因子为土壤有机碳、全氮、速效氮和速效磷，AU为植物碳、氮、钾和镁。亚热带季风性气候区的影响因子表现为植被−土壤影响因子共存，ST的主要影响因子为物种丰富度、生物量、土壤全氮和速效氮，SU为植被覆盖度、植物磷、土壤速效钾和细菌。结论 气候和生态恢复类型对植被−土壤耦合状况具有一定的影响。SU的植被−土壤耦合状况显著优于其他3种生态系统。AT和ST的土壤环境均较差，经7年治理尚未恢复到震前水平。Abstract:Objective Studying the coupling and coordination relationship between vegetation and soil in the early stage of restoration in different climate regions of the Wenchuan earthquake-affected areas can provide a basis for promoting the ecological restoration and the coordinated development of vegetation-soil system in the disaster disturbed area.Method In this study, the treated area and undestroyed area of the arid-valley climate region and the subtropical monsoon climate region (AT and AU, ST and SU) were selected as the research objects. We measured twenty-one indexes covering plant and soil, analyzed the main influencing factors and the weights of twenty-one indicators of the four ecosystems in the two climate regions by principal component analysis, and constructed the corresponding model of vegetation-soil coupling coordination degree.Result SU’s D, comprehensive indexes of vegetation and soil were all significantly higher than the other three vegetation-soil systems. AT and ST were both soil lagging development type of primary coordinated development, AU and SU were synchronous development type of vegetation and soil of primary and intermediate-level coordinated development, respectively. The influencing factors of the arid-valley climate region were relatively simple: the main influencing factors of AT were soil organic carbon, total nitrogen, available nitrogen and available phosphorus, and those of AU were plant carbon, nitrogen, potassium and magnesium. The influencing factors of the subtropical monsoon climate region were vegetation-soil influencing factors coexisting: the main influencing factors of ST were species richness, biomass, soil total nitrogen and available nitrogen, and those of SU were vegetation coverage, plant phosphorus, soil available potassium and bacteria.Conclusion The climate and type of ecological restoration had certain influence on the coupling status of vegetation and soil. The coupling status of vegetation-soil in SU was significantly better than the other three ecosystems. The soil environments of AT and ST were both poor, indicating that nutrient condition of treated areas did not recover to the pre-earthquake level after treatment for seven years.
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Keywords:
- coupling relationship /
- vegetation /
- soil /
- earthquake-affected area /
- ecological restoration
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2008年5月12日，我国四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震，地震灾区多属高山峡谷地貌，断裂活动和构造变形显著，大量斜坡处于欠稳定状态，地震以及山体滑坡、泥石流等次生灾害造成大面积森林植被被直接掩埋、摧毁，导致其对土体的锚固作用大大削弱[1]。据统计，地震受灾总面积达到50 × 104 km2，造成包括汶川县、绵竹市等10个重灾县（市）在内的森林植被受到极大的破坏，受损林地面积达到946 km2，森林覆盖率下降1.87%[2]。震后，在连续降雨或者强降雨作用下，附着在土壤团聚体和微团聚体表面的土壤养分随着泥沙和地表径流大量流失，极易引起土壤养分贫瘠和地力衰退，进而导致植物根系生境变差和植被群落生产力的下降[3]。同时，地震对土壤结构的破坏使得微生物失去生长繁殖所需的生存载体和物质基础，微生物数量急剧下降，地上、地下养分周转循环过程受到影响或中断，生态系统的稳定性、抗逆性等生态功能变差，生境支撑能力部分或彻底丧失，易形成植被−土壤系统协同退化的局面[4-5]。因此，地震灾区生态恢复建设刻不容缓。
作为陆地生态系统最重要的两个子系统，植被和土壤在地震灾区生态系统恢复的初期阶段起着至关重要的作用[6]。植被恢复是减少水土流失、防止土地退化的主要措施，也是充分利用植被−土壤复合系统的功能改变局部环境，促进物种多样性形成的重要手段[7]。土壤作为植物赖以生存的物质基础，其特征及其演变规律是评判植被恢复和生态系统功能恢复的重要依据，在这个过程中，植被与土壤相互作用，相互制约，决定着群落的发生、发育和群落演替的方向[7]。在群落演替前期，气候、地形、恢复年限以及人为干扰的频率和强度均会对土壤结构形成、植被稳定性以及养分周转速率产生影响。如海拔梯度通过影响温湿度等环境因子控制植被物种组成与分布[8]，群落演替后物种丰富度的增加不仅可提高土壤微生物数量，进而缓解矿区的土壤重金属污染[9]，其多层次的群落结构，多植物混合的凋落物，根系改良作用等还能够改善土壤理化性质[10-12]。然而，上述研究主要关注植被演替与土壤性质变化间的关系，两者间的协同发展机制及主要限制因子尚少报道，且多集中于人为干扰或自然退化的生态系统恢复过程中植被−土壤耦合关系[13-15]，针对震后重大灾害干扰下生态系统治理过程的研究则较少，并侧重于地震对植被、生态环境的影响评价[4,16]及退化区植被与土壤的恢复策略及成效评价等方面[17-18]，对不同气候条件、不同受损背景下植被和土壤协调程度是否存在差异等问题尚不清楚。因此，本文以汶川地震重灾区的汶川县威州镇和绵竹市汉旺镇为研究区，运用主成分分析方法，筛选出两个研究区中影响受损治理区与未受损区植被−土壤系统的主要因子，运用耦合度模型和耦合协调度模型分析方法揭示不同恢复条件下植被与土壤的耦合协调关系，以期为该地区乃至整个地震灾区优化灾后恢复治理措施，完善生态修复方案等提供数据参考。
1. 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
汶川地震发震断裂位于青藏高原东缘龙门山断裂带，两端最长距离350 km，呈“西南—东北”向条带分布，地震造成龙门山的两条大断裂：映秀—北川和灌县—安县断裂[7]。以龙门山为界，西、北部属于干旱河谷气候，东、南部属于亚热带湿润季风气候。本研究所涉及的干旱河谷气候区样地位于汶川县威州镇岷江与杂谷脑河交会处（102°51′ ~ 103°44′E、30°45′ ~ 31°43′N），平均海拔1 325 m，年平均气温12 ℃，年平均降雨量516 mm，但年蒸发量高达1 870 mm，全年水分亏损严重[19]，土壤为棕壤和河谷褐土。
在干旱河谷气候区的地震滑坡体上设置了受损治理区样地，采取挡土墙、铁网石笼等治理措施，调查时主要物种包括狗尾草（Setaria viridis）、人为种植的岷江柏（Cupressus chengiana）和1年生刺槐（Robinia pseudoacacia）等。本研究两个气候区未受损样地均设置在受损治理样地附近，其植被类型与受损治理样地震前保持一致，故将未受损样地作为受损治理样地的震前状态。干旱河谷气候区未受损样地地表植被以狗牙根（Cynodon dactylon）、白刺花（Sophora davidii）和刺蔷薇（Rosa acicularis）等多年生草本和低矮灌木为主，受损治理样地与未受损样地的植被平均盖度分别为55%和75%。
亚热带季风性气候区样地位于四川盆地西北部的绵竹市汉旺镇（103°54′ ~ 104°20′E、30°09′ ~ 31°42′N），平均海拔650 m，年平均气温15 ℃，年降雨量为1 600 mm，基带土壤为黄壤及其亚类[18]。在亚热带季风性气候区的崩塌体上设置受损治理区样地，采用竹栅栏和石片叠梯等治理措施，调查时物种主要以竹柳（Salix fragilis）、小蓬草（Conyza canadensis）和川滇盘果菊（Prenanthes henryi）为主。
未受损样地设置在相近处，以莎草（Cyperus rotundus）、扁桃（Amygdalus communis）和刺槐等为主要优势种，受损治理样地与未受损样地的植被平均盖度分别为65%和80%。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置和样品采集
2015年6月，在干旱河谷气候区与亚热带季风性气候区的受损区各划分3条30 m × 10 m样带作为受损治理区样地，样带间隔约15 m。由于样地均以灌木和草本植物为主，将每个样带自上而下随机划分3个5 m × 5 m样方用于调查灌木物种、高度、株数和盖度，同时记录样方内的少量胸径 > 3 cm乔木物种的树高、胸径和盖度，在5 m × 5 m样方内划分1 m × 1 m小样方用于调查草本物种和盖度。以受损治理样带为参照，在同一等高线范围划分3个未受损样带，并以同样的距离设置样方。
在5 m × 5 m灌木样方内挖取土壤剖面，分3个层次（0 ~ 5 cm、5 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm）进行20 cm深度的土壤采样，每一层用100 cm3的环刀随机取样3次，最后将3个土壤层次的样品均匀混合，取混合土样中一部分放入4 ℃冰袋后，再转移至实验室4 ℃恒温冰箱中用于测定土壤微生物指标，另一部分带回实验室风干，过0.149 mm孔径土壤筛后用于测定土壤养分。同时，对1 m × 1 m小样方内灌草层植物全部挖取，全株混合后放置70 ℃烘箱恒温烘至恒质量测定总生物量，然后将样品研磨成粉状测定植物碳（PC）、氮（PN）、磷（PP）、钾（PK）、钙（PCa）、镁（PMg）、钠（PNa）。
物种丰富度(SR)=1m2样地内物种(乔灌草)数目 (1) 1.2.2 样品处理及测定
（1）植物元素测定[20]。PC采用重铬酸钾氧化−外加热法。PN、PP、PK、PCa、PMg、PNa均采用H2SO4-H2COL4消煮法，其中PN则采用半微量凯式定氮法，PP则采用碱熔−钼锑抗比色法，PK、PCa、PMg、PNa则通过原子吸收分光光度计测定。
（2）土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）及其速效养分测定[19]。采用重铬酸钾氧化−外加热法测SOC；采用半微量凯式定氮法测TN；采用碱熔−钼锑抗比色法测TP；采用碱解−扩散法测土壤水解性氮（AN）；采用盐酸−硫酸浸提法测土壤有效磷（AP）；采用乙酸铵浸提−火焰光度法测土壤速效钾（AK）。
（3）土壤微生物指标测定[21]。微生物碳（MBC）、微生物氮（MBN）均为K2SO4提取，测定则分别为重铬酸钾氧化−外加热法和半微量凯式定氮法；微生物数量则均采用稀释平板涂抹计数法测定。
1.3 模型建立
1.3.1 耦合度模型
植被综合评价函数f(x)和土壤综合评价函数g(y)：
f(x)=p∑i=1axi (2) g(y)=q∑j=1byj (3) 式中：p、q分别代表植被特征和土壤特征的指标个数，本次研究中植被特征和土壤特征指标的个数分别为10和11，a、b分别为植被指标和土壤指标的待定权重值，xi、yj分别代表反映植被特征的第i个标准化指标和反映土壤特征的第j个标准化指标，并建立植被、土壤的耦合度模型[13]：
C=2(f(x)g(y))12f(x)+g(y) (4) 式中：C为地震灾区不同气候区受损治理区与未受损区的植被−土壤耦合度，C一般为0 ~ 1，当C接近1，表现植被与土壤之间达到良性耦合关系，而C为0时则表明二者不存在耦合关系。
1.3.2 植被−土壤耦合协调度模型
由于耦合度仅反映植被、土壤相互作用的程度强弱，难以体现二者协调状况好坏，因此在植被−土壤耦合模型的基础上建立耦合协调度模型[6]：
D=(CT)12 (5) T=αf(x)+βg(y) (6) 式中：D为地震灾区不同气候区受损治理区及未受损区的植被−土壤耦合协调度；T为植被、土壤的综合调和指数，其值越大，表明二者的协调效果越好；α、β为待定权重数且其和为1，此两个权重数可运用熵值赋权法[22]进行计算，经计算得出本研究中α为0.356，β为0.644。耦合协调度D的范围一般为0 ~ 1，耦合协调度越高，表明植被与土壤的协同效果越好。
表 3 植被土壤耦合协调评价层次结构及指标权重Table 3. Level structural and weights of indexes in coupling coordinative evaluation of vegetation and soil项目 Item 第1层 Level one 第2层 Level two 综合权重 Comprehensive weight 指标 Index 权重 Weight 指标 Index 权重 Weight 植被 Vegetation 植物多样性 Plant diversity 0.164 VC 0.360 0.059 SR 0.323 0.053 Bio 0.317 0.052 植物元素 Plant element 0.192 PC 0.127 0.025 PN 0.130 0.025 PP 0.161 0.031 PK 0.147 0.028 PCa 0.132 0.025 PMg 0.147 0.028 PNa 0.157 0.030 土壤 Soil 土壤养分 Soil nutrient 0.396 SOC 0.151 0.060 TN 0.151 0.060 TP 0.144 0.057 AN 0.166 0.066 AP 0.164 0.065 AK 0.223 0.088 微生物性状 Microbial trait 0.248 MBC 0.181 0.045 MBN 0.217 0.054 BAC 0.267 0.066 ACT 0.183 0.045 FUN 0.152 0.038 1.4 权重确定
首先运用Excel 2016对植被和土壤的21个指标进行初步整理和标准化处理，再根据PCA（主成分分析）原理，运用SPSS 22.0的主成分分析分别得到21个指标在综合得分模型中的指标系数，并将其归一化处理作为各个指标的权重[23]。
1.5 数据处理
运用Excel 2016进行数据整理，运用R-Studio软件对两个气候区的21个植被、土壤指标进行单因素方差分析和Pearson相关性分析，运用SPSS 22.0的主成分分析得到4个植被−土壤系统的主要影响因子，文中显著性水平为P < 0.05。
2. 结果与分析
2.1 地震灾区不同气候区受损治理区和未受损区的植物及土壤相关指标
两个气候区受损治理区与未受损区的21个植物及土壤指标的比较详见表1。植被覆盖度和生物量在同一气候区不同样地之间存在显著差异，均表现为未受损区显著高于受损治理区（P < 0.05）。物种丰富度在两气候区均表现为未受损区高于受损治理区，但仅在亚热带季风性气候区存在显著差异（P < 0.05）。植物元素数据表明，在干旱河谷气候区，除了PC、PMg含量表现为受损治理区显著高于未受损区（P < 0.05），整体上其他植物养分均表现为受损治理区低于未受损区；在亚热带季风性气候区，除了PCa含量表现为受损治理区显著低于未受损区（P < 0.05），其他植物养分在亚热带季风性气候区不同样地之间差异均不显著（P > 0.05）。从土壤养分数据来看，除了干旱河谷气候区AK和亚热带季风性气候区AP，其他土壤养分在两个气候区均表现为受损治理区显著低于未受损区（P < 0.05）。微生物指标数据表明，MBC、MBN含量在两个气候区表现为受损治理区显著低于未受损区（P < 0.05），仅ACT 数量在亚热带季风性气候区表现为受损治理区显著低于未受损区（P < 0.05）。
表 1 两个气候区受损治理区与未受损区的植物及土壤指标Table 1. Plant and soil indicators of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions指标
Index干旱河谷气候区 Arid-valley climate region 亚热带季风性气候区 Subtropical monsoon climate region 受损治理区
Destroyed treatment area未受损区
Undestroyed area受损治理区
Destroyed treatment area未受损区
Undestroyed area植被指标
Index of
vegetationVC/% 41.00 ± 1.95b 80.88 ± 1.38a 52.22 ± 1.42b 79.44 ± 0.81a SR/(plant·m−2) 8.22 ± 0.22ab 10.44 ± 0.43ab 7.67 ± 0.32b 10.88 ± 0.31a Bio/(g·m−2) 211.02 ± 4.77b 267.24 ± 6.54a 194.00 ± 4.88b 241.11 ± 4.98a PC/(g·kg−1) 407.97 ± 7.72a 348.91 ± 1.48b 353.55 ± 1.94b 354.30 ± 2.18b PN/(g·kg−1) 13.07 ± 0.12b 13.60 ± 0.18b 15.16 ± 0.29ab 17.20 ± 0.39a PP/(g·kg−1) 0.55 ± 0.01c 0.98 ± 0.05b 1.20 ± 0.02ab 1.42 ± 0.04a PK/(g·kg−1) 8.46 ± 0.19b 9.21 ± 0.31b 15.65 ± 0.23a 14.51 ± 0.24a PCa/(g·kg−1) 10.77 ± 0.21b 13.83 ± 0.43ab 10.60 ± 0.37b 14.47 ± 0.47a PMg/(g·kg−1) 3.50 ± 0.04a 2.82 ± 0.04b 2.00 ± 0.04c 1.87 ± 0.03c PNa/ (g·kg−1) 0.29 ± 0.01b 0.45 ± 0.01a 0.23 ± 0.01b 0.32 ± 0.01b 土壤指标
Index of soilSOC/(g·kg−1) 11.28 ± 0.74b 31.05 ± 1.29a 10.14 ± 0.43b 27.14 ± 0.56a TN/(g·kg−1) 0.84 ± 0.05b 2.81 ± 0.13a 1.19 ± 0.05b 2.32 ± 0.08a TP/(g·kg−1) 0.43 ± 0.02b 1.08 ± 0.06a 0.54 ± 0.02b 1.09 ± 0.04a AN/(g·kg−1) 53.17 ± 1.98c 145.17 ± 11.06b 70.73 ± 4.74bc 222.38 ± 8.44a AP/(mg·kg−1) 2.25 ± 0.04b 7.00 ± 0.40a 1.93 ± 0.06b 3.83 ± 0.36b AK/(mg·kg−1) 26.52 ± 1.68c 44.30 ± 2.55c 150.20 ± 10.25b 221.96 ± 9.19a MBC/(mg·kg−1) 355.35 ± 13.31c 639.59 ± 8.98b 462.00 ± 10.20b 804.49 ± 10.01a MBN/(mg·kg−1) 40.30 ± 2.61b 125.47 ± 3.51a 51.13 ± 1.61b 103.05 ± 2.27a BAC/(105cfu·g−1) 48.51 ± 1.28a 57.29 ± 1.30a 46.63 ± 1.28a 54.77 ± 2.28a ACT/(105cfu·g−1) 3.61 ± 0.19a 3.91 ± 0.05a 1.64 ± 0.10b 3.69 ± 0.13a FUN/(105cfu·g−1) 0.57 ± 0.06a 0.51 ± 0.04ab 0.17 ± 0.01c 0.24 ± 0.01bc 注：同行不同小写字母表示同一气候区不同样地之间差异显著(P < 0.05)。VC为植被覆盖度；SR为物种丰富度；Bio为生物量；PC为植物碳；PN为植物氮；PP为植物磷；PK为植物钾；PCa为植物钙；PMg为植物镁；PNa为植物钠；SOC为土壤有机碳；TN为土壤全氮含量；TP为土壤全磷含量；AN为速效氮；AP为有效磷；AK为速效钾；MBC为微生物碳；MBN为微生物氮；BAC为细菌；ACT为放线菌；FUN为真菌。下同。Notes: different lowercase letters in the same row indicate significant differences between varied sample plots of the same climate regions (P < 0.05). VC represents vegetation coverage; SR represents species richness; Bio represents biomass; PC represents plant carbon; PN represents plant nitrogen; PP represents plant phosphorus; PK represents plant potassium; PCa represents plant calcium; PMg represents plant magnesium; PNa represents plant sodium; SOC represents soil organic carbon; TN represents soil total nitrogen; TP represents soil total phosphorus; AN represents available nitrogen; AP represents available phosphorus; AK represents available potassium; MBC represents microbial carbon; MBN represents microbial nitrogen; BAC represents bacteria; ACT represents actinomycetes; FUN represents fungus. The same below. 2.2 地震灾区生态系统的主成分分析
两个气候区受损治理区与未受损区的10个植被指标、11个土壤指标的主成分分析（表2）表明，4种植被−土壤系统前5个主成分的方差解释的累积贡献率均超过了85%，降维效果较为突出，基本可以反映原来21个指标的整体信息。干旱河谷气候区受损治理区第1主成分主要影响因子为SOC、TN、AN、AP，说明土壤养分在干旱河谷气候区脆弱生态系统中处于主导地位；第2主成分主要影响因子为PMg、TP、AK、BAC，表明它们在脆弱生态系统中处于重要地位；第3主成分主要影响因子（SR、PP）、第4主成分主要影响因子（PN）和第5主成分主要影响因子（VC）均为植物指标，说明植物多样性和植物元素在脆弱生态系统恢复过程中也发挥着重要作用。干旱河谷气候区未受损区第1主成分主要影响因子（PC、PN、PK、PMg）、第2主成分主要影响因子（VC、Bio）和第4主成分主要影响因子（SR、PP）均为植物元素和植物多样性指标，说明植物在该生态系统发展过程中起到主导作用，第3主成分主要影响因子（SOC、TN）和第5主成分主要影响因子（AN、MBC）为土壤指标，说明土壤对该生态系统发育的作用要次于植物。
表 2 两个气候区受损治理区与未受损区的主要影响因子分析Table 2. Analysis of the main influencing factors of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions主成分
Principal component生态系统
Ecosystem主成分因子
Principal component factor累积解释变量
Cumulative explanatory variable/%第1主成分 First principal component AT SOC、TN、AN、AP 37.91 AU PC、PN、PK、PMg 31.65 ST SR、Bio、TN、AN 31.99 SU VC、PP、AK、BAC 38.08 第2主成分 Second principal component AT PMg、TP、AK、BAC 54.57 AU VC、Bio 53.89 ST PP、PK、AK 54.00 SU PNa、SOC 58.18 第3主成分 Third principal component AT SR、PP 69.12 AU SOC、TN 70.14 ST PC、PNa 69.00 SU TP、MBN 70.75 第4主成分 Fourth principal component AT PN 81.13 AU SR、PP 81.68 ST PCa、PMg 82.42 SU Bio、MBC 80.23 第5主成分 Fifth principal component AT VC 89.86 AU AN、MBC 89.46 ST ACT、FUN 90.76 SU AN 88.06 注：AT为干旱河谷气候区受损治理区；AU为干旱河谷气候区未受损区；ST为亚热带季风性气候区受损治理区；SU为亚热带季风性气候区未受损区。下同。Notes: AT represents destroyed treatment area of arid-valley climate region; AU represents undestroyed area of arid-valley climate region; ST represents destroyed treatment area of subtropical monsoon climate region; SU represents undestroyed area of subtropical monsoon climate region. The same below. 亚热带季风性气候区受损治理区第1主成分主要影响因子为SR、Bio、TN、AN，说明植物多样性指标和土壤氮养分在该生态系统的恢复过程中发挥主导作用，第2主成分主要影响因子（PP、PK、AK）和第3主成分主要影响因子（PC、PNa）均为植物元素，说明其在脆弱生态系统的恢复过程中也处于重要的地位，第5主成分主要影响因子为ACT、FUN，说明微生物也在该生态系统恢复过程中扮演着比较重要的角色。亚热带季风性气候区未受损区第1主成分主要影响因子（VC、PP、AK、BAC）和第2主成分主要影响因子（PNa、SOC）均包含植物指标和土壤指标，说明植物、土壤均在该生态系统的运行过程中起到重要作用，第3主成分主要影响因子（TP、MBN）和第4主成分主要影响因子（Bio、MBC）均包含了微生物养分指标，说明微生物也在该生态系统中处于重要地位，第5主成分主要影响因子为AN，说明其也在生态系统的运行中发挥较为重要的作用。
2.3 地震灾区植被−土壤耦合协调评价层次结构以及权重的确定
地震灾区生态系统不同指标间存在量纲、数量级的差异，本文对各指标数据进行标准化处理后，采用主成分分析法计算21个因子的权重[23]（表3）。本研究中，植被子系统权重系数为0.356，土壤子系统的权重系数为0.644，植被子系统中植物元素指标权重（0.192）高于植物多样性权重（0.164），土壤子系统中土壤养分权重（0.396）高于微生物性状指标权重（0.248）。
2.4 地震灾区植被−土壤耦合发展类型及其评价标准
地震灾区生态系统恢复的过程是植被子系统与土壤子系统相互依赖、相互制约的过程。因此，在评判两大子系统的耦合发展状况时，既要考虑植物多样性以及群落结构特征，也要考虑土壤养分以及微生物在恢复演替中的驱动作用。目前对植被−土壤耦合协调等级的划分尚无统一标准，本研究在综合多位学者的研究基础上[13-15]，根据植被−土壤耦合协调度（D）将地震灾区植被−土壤耦合状况划分为5大协调发展类，再根据植被综合评价函数与土壤综合评价函数的比值（R）划分为15种耦合协调类型（表4）。
表 4 植被−土壤耦合协调类型划分Table 4. Classification of coupling coordination type of vegetation and soilD 类型 Type R 耦合协调类型 Coupling coordination type 0.8 < D ≤ 1.0 优质协调发展类
Type of high-quality coordinated developmentR > 1.2 优质协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of high-quality coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 优质协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of high-quality coordinated development0 < R ≤ 0.8 优质协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of high-quality coordinated development0.6 < D ≤ 0.8 良好协调发展类
Type of good coordinated developmentR > 1.2 良好协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of good coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 良好协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of good coordinated development0 < R ≤ 0.8 良好协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of good coordinated development0.4 < D ≤ 0.6 中级协调发展类
Type of intermediate-level coordinated developmentR > 1.2 中级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of intermediate-level coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 中级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of intermediate-level coordinated development0 < R ≤ 0.8 中级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of intermediate-level coordinated development0.2 < D ≤ 0.4 初级协调发展类
Type of primary coordinated developmentR > 1.2 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 初级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of primary coordinated development0 < R ≤ 0.8 初级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of primary coordinated development0 < D ≤ 0.2 低级协调发展类
Type of low-level coordinated developmentR > 1.2 低级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of low-level coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 低级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of low-level coordinated development0 < R ≤ 0.8 低级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of low-level coordinated development注：D为植被−土壤耦合协调度；R为植被综合评价函数/土壤综合评价函数。下同。Notes: D represents coupling coordinative degree; R represents ratio of comprehensive evaluation function of vegetation to comprehensive evaluation function of soil. The same below. 2.5 地震灾区植被−土壤耦合状况评价
由表5可知，亚热带季风性气候区未受损区的植被综合评价函数和土壤综合评价函数均显著高于其他3种植被−土壤系统（P < 0.05），后三者之间无显著差异（P > 0.05）。4种植被−土壤系统的植被−土壤耦合度差异较小，其值均接近1。植被−土壤耦合协调度表现为亚热带季风性气候区未受损区显著高于其他3种植被−土壤系统（P < 0.05），后三者之间无显著差异（P > 0.05）。耦合协调结果表明：两个气候区的受损治理区均为初级协调发展类土壤滞后发展型，干旱河谷气候区未受损区为初级协调发展类植被土壤同步发展型，亚热带季风性气候区未受损区为中级协调发展类植被土壤同步发展型。
表 5 两个气候区受损治理区和未受损区植被土壤耦合协调状况综合评价Table 5. Comprehensive evaluation of coupling and coordination status of vegetation and soil system of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions样地
Sample plot植被综合评价函数
Comprehensive evaluation function of vegetation土壤综合评价函数
Comprehensive evaluation
function of soilC D R 耦合协调模型
Coupled coordination modelAT 0.15 ± 0.05b 0.11 ± 0.06b 0.90 ± 0.06a 0.35 ± 0.016b 1.35 ± 0.05a 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated developmentAU 0.13 ± 0.07b 0.15 ± 0.04b 0.98 ± 0.05a 0.37 ± 0.01b 0.88 ± 0.04b 初级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of primary coordinated developmentST 0.15 ± 0.08b 0.10 ± 0.03b 0.84 ± 0.02a 0.32 ± 0.01b 1.45 ± 0.17a 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated developmentSU 0.33 ± 0.12a 0.35 ± 0.17a 0.99 ± 0.78a 0.58 ± 0.02a 0.96 ± 0.04b 中级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of intermediate-level coordinated development注：小写字母表示不同样地之间差异显著(P < 0.05)。C为植被−土壤耦合度。Notes: different lowercase letters indicate significant differences between varied sample plots (P < 0.05). C represents vegetation and soil coupling degree. 3. 讨论与结论
本研究中植被−土壤耦合度在4个植被−土壤系统之间差异不大且均较高，表明整体上研究区植被与土壤间存在着协同发展的关系，但二者的发展速度存在差异。
其中，干旱河谷气候区未受损区为初级协调发展类植被土壤同步发展型，亚热带季风性气候区未受损区为中级协调发展类植被土壤同步发展型，其植被综合评价函数、土壤综合评价函数以及植被−土壤耦合协调度（D）均显著高于其他3种植被−土壤系统（P < 0.05），说明亚热带季风性气候区未受损区植被与土壤的耦合协调状况最优，这归功于区内良好的气候条件。湿热条件极有利于植物的生长和繁衍，容纳物种的生态幅范围广[24]，植物生长促进凋落物增加，提高表层土壤养分含量，而土壤条件的改善又为生态系统群落的演替提供了保障[25]。干旱河谷气候区未受损区降雨分布不均且蒸发量大，土壤多砾石且土层浅薄，对环境因子要求严苛的物种难以生存，以耐旱耐瘠薄且竞争激烈的灌草植物为主[26]，经过一段时间的演替，该区生存资源减少，反而会降低植物群落结构合理度和植被−土壤耦合协调发展水平[27]。以上分析表明，气候既能指示环境条件的优劣，也能影响植被−土壤系统的形成和演化水平。
本研究中，两个受损治理区均为初级协调发展类土壤滞后发展型，说明受损治理区土壤环境较差。这是因为：（1）植被的损毁造成植物茎叶对径流流速的消减作用以及植物根系的抗侵蚀能力均大幅度减弱[28]，滑坡、泥石流等次生灾害造成土壤高腐殖质层严重流失，土壤养分也会随着泥沙和地表径流而大量损失[29]；（2）地震造成原有土体大面积裸化，不稳定的土壤环境和土壤养分的匮乏，使微生物缺乏生长繁殖所必须的生存载体和物质条件，从而导致其对有机体的分解速率下降，土壤养分归还效率低[30]。尽管植被的恢复对土壤质量的提高具有一定的改善作用，但在恢复初期阶段，植物的生长需要从土壤中吸收大量养分，又因为恢复时间较短，凋落物较少，导致土壤养分“供” < “还”[31-33]。
为了有效提高地震灾区生态恢复初期阶段的植被−土壤的耦合协调度，应了解影响植被−土壤系统稳定性的主要因素。由于不同区域的气候条件、植被及土壤特性等存在差异，影响生态系统恢复的主要因子也存在差异，因此，需要针对具体生境研究分析得出生态系统的主要限制因子[4]。
通过对4个植被−土壤系统分别进行主成分分析，发现干旱河谷气候区受损治理区最主要的影响因子为SOC、TN、AN、AP，说明土壤养分对生态系统恢复的作用主要通过SOC和N元素来实现[34]。SOC可为微生物、酶类物质提供丰富碳源，TN、AN的增加可提高土壤脲酶与土壤过氧化氢酶的活性[35]，有助于土壤表层凋落物和地下死根的及时降解[10]。磷在植物体生命代谢过程起到重要作用[36]，土壤中的磷只有经过矿化作用形成AP后，才能被植物直接吸收利用[37]。干旱河谷气候区受损治理区植被类型为典型的先锋群落，植被固碳作用较弱，氮、磷等土壤养分因土壤结构的破坏、水土流失的加剧而大量流失[3]，从而导致其恢复治理受到土壤养分限制较大，因此可通过人为施肥，引入本土固氮植物等措施提高土壤养分含量。
干旱河谷气候区未受损区第1、第2和第4主成分主要影响因子均为植物指标，说明植物在该生态系统发展过程中起到主导作用。这是因为干旱河谷气候区未受损区的群落结构以灌草丛为主，长期处于偏顶极状态[38]，因此在该区域进行适当的群落改造，如培育乡土乔木，提高植物群落的立体结构和生物区系的复杂性，保障乔灌草群落结构的合理性，同时引种分解速率快的灌草植物等来提高植被、土壤养分循环速率，从而提高植被−土壤系统的稳定性和抗干扰能力。
亚热带季风性气候区受损治理区最主要的影响因子为SR、Bio、TN、AN，表明物种丰富度、生物量以及土壤氮元素在生态系统的恢复过程中起到主导作用。本研究中亚热带季风性气候区受损治理区物种丰富度与生物量均显著低于未受损区，说明受损治理区的植被恢复水平并未达到震前状态。气候湿润区土壤无机氮组分中的硝态氮和有机氮组分中的氨基酸氮均易随着地表径流而流失[3]，从而导致受损治理区的TN、AN均显著低于未受损区。此外，PP、PK、AK等多种植物元素以及真菌、放线菌也在该区生态系统恢复过程中起着重要作用，这是因为恢复阶段的植物会经历植物营养最大效率期，期间植物生长迅速，吸收矿物质元素能力特别强，以及时满足植物生长发育的需要。地震对森林土壤和植被的破坏使得微生物数量急剧减少，真菌和放线菌数量经过7年的恢复仍与未受损区存在显著差异，不利于储备植物有效养分以及调控地上与地下养分循环[30]。因此在该生态系统的恢复治理过程中，应适当添加氮肥以保证土壤主要养分的平衡与补给，同时增加植物种类和数量，加速地上−地下养分循环速率以提高植被−土壤的耦合协调度。
亚热带季风性气候区未受损区前两个主成分主要影响因子均包含植物指标和土壤指标，说明生态系统的演化主要受到植物、土壤的共同影响。其中，该区第1、第3和第4主成分均包含了微生物性状，说明微生物也在该生态系统发育过程中起到较为重要的作用。MBC和MBN作为土壤有机质最为活跃的部分，能够敏感指示土壤质量的变化[39-40]，本研究中4个植被−土壤系统中MBC和MBN的比值均小于20，说明研究区微生物的生长受C元素限制较大[21]。亚热带季风性气候区未受损区区内组分复杂，生物量高，植被−土壤系统养分循环速率很大程度上受到有机质分解速率的控制，细菌作为土壤最重要的微生物之一，不仅数量显著高于放线菌和真菌，而且直接或间接参加所有土壤过程[41]。因此，后期可在此区域适当添加富碳有机肥，有助于微生物尤其是细菌的生长繁殖，促进亚热带季风性气候区未受损区向更稳定类型快速过渡和演替。
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表 3 植被土壤耦合协调评价层次结构及指标权重
Table 3 Level structural and weights of indexes in coupling coordinative evaluation of vegetation and soil
项目 Item 第1层 Level one 第2层 Level two 综合权重 Comprehensive weight 指标 Index 权重 Weight 指标 Index 权重 Weight 植被 Vegetation 植物多样性 Plant diversity 0.164 VC 0.360 0.059 SR 0.323 0.053 Bio 0.317 0.052 植物元素 Plant element 0.192 PC 0.127 0.025 PN 0.130 0.025 PP 0.161 0.031 PK 0.147 0.028 PCa 0.132 0.025 PMg 0.147 0.028 PNa 0.157 0.030 土壤 Soil 土壤养分 Soil nutrient 0.396 SOC 0.151 0.060 TN 0.151 0.060 TP 0.144 0.057 AN 0.166 0.066 AP 0.164 0.065 AK 0.223 0.088 微生物性状 Microbial trait 0.248 MBC 0.181 0.045 MBN 0.217 0.054 BAC 0.267 0.066 ACT 0.183 0.045 FUN 0.152 0.038 
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表 1 两个气候区受损治理区与未受损区的植物及土壤指标
Table 1 Plant and soil indicators of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions
指标
Index干旱河谷气候区 Arid-valley climate region 亚热带季风性气候区 Subtropical monsoon climate region 受损治理区
Destroyed treatment area未受损区
Undestroyed area受损治理区
Destroyed treatment area未受损区
Undestroyed area植被指标
Index of
vegetationVC/% 41.00 ± 1.95b 80.88 ± 1.38a 52.22 ± 1.42b 79.44 ± 0.81a SR/(plant·m−2) 8.22 ± 0.22ab 10.44 ± 0.43ab 7.67 ± 0.32b 10.88 ± 0.31a Bio/(g·m−2) 211.02 ± 4.77b 267.24 ± 6.54a 194.00 ± 4.88b 241.11 ± 4.98a PC/(g·kg−1) 407.97 ± 7.72a 348.91 ± 1.48b 353.55 ± 1.94b 354.30 ± 2.18b PN/(g·kg−1) 13.07 ± 0.12b 13.60 ± 0.18b 15.16 ± 0.29ab 17.20 ± 0.39a PP/(g·kg−1) 0.55 ± 0.01c 0.98 ± 0.05b 1.20 ± 0.02ab 1.42 ± 0.04a PK/(g·kg−1) 8.46 ± 0.19b 9.21 ± 0.31b 15.65 ± 0.23a 14.51 ± 0.24a PCa/(g·kg−1) 10.77 ± 0.21b 13.83 ± 0.43ab 10.60 ± 0.37b 14.47 ± 0.47a PMg/(g·kg−1) 3.50 ± 0.04a 2.82 ± 0.04b 2.00 ± 0.04c 1.87 ± 0.03c PNa/ (g·kg−1) 0.29 ± 0.01b 0.45 ± 0.01a 0.23 ± 0.01b 0.32 ± 0.01b 土壤指标
Index of soilSOC/(g·kg−1) 11.28 ± 0.74b 31.05 ± 1.29a 10.14 ± 0.43b 27.14 ± 0.56a TN/(g·kg−1) 0.84 ± 0.05b 2.81 ± 0.13a 1.19 ± 0.05b 2.32 ± 0.08a TP/(g·kg−1) 0.43 ± 0.02b 1.08 ± 0.06a 0.54 ± 0.02b 1.09 ± 0.04a AN/(g·kg−1) 53.17 ± 1.98c 145.17 ± 11.06b 70.73 ± 4.74bc 222.38 ± 8.44a AP/(mg·kg−1) 2.25 ± 0.04b 7.00 ± 0.40a 1.93 ± 0.06b 3.83 ± 0.36b AK/(mg·kg−1) 26.52 ± 1.68c 44.30 ± 2.55c 150.20 ± 10.25b 221.96 ± 9.19a MBC/(mg·kg−1) 355.35 ± 13.31c 639.59 ± 8.98b 462.00 ± 10.20b 804.49 ± 10.01a MBN/(mg·kg−1) 40.30 ± 2.61b 125.47 ± 3.51a 51.13 ± 1.61b 103.05 ± 2.27a BAC/(105cfu·g−1) 48.51 ± 1.28a 57.29 ± 1.30a 46.63 ± 1.28a 54.77 ± 2.28a ACT/(105cfu·g−1) 3.61 ± 0.19a 3.91 ± 0.05a 1.64 ± 0.10b 3.69 ± 0.13a FUN/(105cfu·g−1) 0.57 ± 0.06a 0.51 ± 0.04ab 0.17 ± 0.01c 0.24 ± 0.01bc 注：同行不同小写字母表示同一气候区不同样地之间差异显著(P < 0.05)。VC为植被覆盖度；SR为物种丰富度；Bio为生物量；PC为植物碳；PN为植物氮；PP为植物磷；PK为植物钾；PCa为植物钙；PMg为植物镁；PNa为植物钠；SOC为土壤有机碳；TN为土壤全氮含量；TP为土壤全磷含量；AN为速效氮；AP为有效磷；AK为速效钾；MBC为微生物碳；MBN为微生物氮；BAC为细菌；ACT为放线菌；FUN为真菌。下同。Notes: different lowercase letters in the same row indicate significant differences between varied sample plots of the same climate regions (P < 0.05). VC represents vegetation coverage; SR represents species richness; Bio represents biomass; PC represents plant carbon; PN represents plant nitrogen; PP represents plant phosphorus; PK represents plant potassium; PCa represents plant calcium; PMg represents plant magnesium; PNa represents plant sodium; SOC represents soil organic carbon; TN represents soil total nitrogen; TP represents soil total phosphorus; AN represents available nitrogen; AP represents available phosphorus; AK represents available potassium; MBC represents microbial carbon; MBN represents microbial nitrogen; BAC represents bacteria; ACT represents actinomycetes; FUN represents fungus. The same below.
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表 2 两个气候区受损治理区与未受损区的主要影响因子分析
Table 2 Analysis of the main influencing factors of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions
主成分
Principal component生态系统
Ecosystem主成分因子
Principal component factor累积解释变量
Cumulative explanatory variable/%第1主成分 First principal component AT SOC、TN、AN、AP 37.91 AU PC、PN、PK、PMg 31.65 ST SR、Bio、TN、AN 31.99 SU VC、PP、AK、BAC 38.08 第2主成分 Second principal component AT PMg、TP、AK、BAC 54.57 AU VC、Bio 53.89 ST PP、PK、AK 54.00 SU PNa、SOC 58.18 第3主成分 Third principal component AT SR、PP 69.12 AU SOC、TN 70.14 ST PC、PNa 69.00 SU TP、MBN 70.75 第4主成分 Fourth principal component AT PN 81.13 AU SR、PP 81.68 ST PCa、PMg 82.42 SU Bio、MBC 80.23 第5主成分 Fifth principal component AT VC 89.86 AU AN、MBC 89.46 ST ACT、FUN 90.76 SU AN 88.06 注：AT为干旱河谷气候区受损治理区；AU为干旱河谷气候区未受损区；ST为亚热带季风性气候区受损治理区；SU为亚热带季风性气候区未受损区。下同。Notes: AT represents destroyed treatment area of arid-valley climate region; AU represents undestroyed area of arid-valley climate region; ST represents destroyed treatment area of subtropical monsoon climate region; SU represents undestroyed area of subtropical monsoon climate region. The same below.
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表 4 植被−土壤耦合协调类型划分
Table 4 Classification of coupling coordination type of vegetation and soil
D 类型 Type R 耦合协调类型 Coupling coordination type 0.8 < D ≤ 1.0 优质协调发展类
Type of high-quality coordinated developmentR > 1.2 优质协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of high-quality coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 优质协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of high-quality coordinated development0 < R ≤ 0.8 优质协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of high-quality coordinated development0.6 < D ≤ 0.8 良好协调发展类
Type of good coordinated developmentR > 1.2 良好协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of good coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 良好协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of good coordinated development0 < R ≤ 0.8 良好协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of good coordinated development0.4 < D ≤ 0.6 中级协调发展类
Type of intermediate-level coordinated developmentR > 1.2 中级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of intermediate-level coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 中级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of intermediate-level coordinated development0 < R ≤ 0.8 中级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of intermediate-level coordinated development0.2 < D ≤ 0.4 初级协调发展类
Type of primary coordinated developmentR > 1.2 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 初级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of primary coordinated development0 < R ≤ 0.8 初级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of primary coordinated development0 < D ≤ 0.2 低级协调发展类
Type of low-level coordinated developmentR > 1.2 低级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of low-level coordinated development0.8 < R ≤ 1.2 低级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of low-level coordinated development0 < R ≤ 0.8 低级协调发展类植被滞后发展型
Vegetation lagging development type of low-level coordinated development注：D为植被−土壤耦合协调度；R为植被综合评价函数/土壤综合评价函数。下同。Notes: D represents coupling coordinative degree; R represents ratio of comprehensive evaluation function of vegetation to comprehensive evaluation function of soil. The same below.
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表 5 两个气候区受损治理区和未受损区植被土壤耦合协调状况综合评价
Table 5 Comprehensive evaluation of coupling and coordination status of vegetation and soil system of destroyed treatment area and undestroyed area in the two climate regions
样地
Sample plot植被综合评价函数
Comprehensive evaluation function of vegetation土壤综合评价函数
Comprehensive evaluation
function of soilC D R 耦合协调模型
Coupled coordination modelAT 0.15 ± 0.05b 0.11 ± 0.06b 0.90 ± 0.06a 0.35 ± 0.016b 1.35 ± 0.05a 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated developmentAU 0.13 ± 0.07b 0.15 ± 0.04b 0.98 ± 0.05a 0.37 ± 0.01b 0.88 ± 0.04b 初级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of primary coordinated developmentST 0.15 ± 0.08b 0.10 ± 0.03b 0.84 ± 0.02a 0.32 ± 0.01b 1.45 ± 0.17a 初级协调发展类土壤滞后发展型
Soil lagging development type of primary coordinated developmentSU 0.33 ± 0.12a 0.35 ± 0.17a 0.99 ± 0.78a 0.58 ± 0.02a 0.96 ± 0.04b 中级协调发展类植被土壤同步发展型
Synchronous development type of vegetation and soil of intermediate-level coordinated development注：小写字母表示不同样地之间差异显著(P < 0.05)。C为植被−土壤耦合度。Notes: different lowercase letters indicate significant differences between varied sample plots (P < 0.05). C represents vegetation and soil coupling degree.
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