中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤理化性質的響應

盛茂銀，劉 洋，熊康寧，*

(1.貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴陽 550001;2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴陽 550001)

石漠化是指在脆弱喀斯特生態環境下人類不合理的社會經濟活動，造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產力衰退甚至喪失，地表呈現類似于荒漠化景觀的演變過程或結果［1-4］。我國西南喀斯特地區位于世界三大連片喀斯特發育區之一的東亞片區中心，面積約54萬km2。目前居住著1億多人口、48個少數民族［2］，貧困人口相對集中，人地矛盾非常突出，坡地植被一旦破壞，土壤侵蝕作用加劇，導致稀薄土層全部流失，造成嚴重的石漠化，水分、養分調蓄能力迅速降低［5-6］。石漠化已經成為制約我國西南喀斯特地區區域經濟社會發展的一個重大生態問題［7-9］。

土壤是陸地生態系統的重要組成部分，是生態系統諸多生態過程的載體，是植物群落更新演替過程中不可或缺的研究內容［10］。通過對特定環境條件下生態系統演替過程中土壤理化性質變化的研究，將有助于認識生態系統演變過程中地上與地下相互作用關系及機理，進而為實現人工調控森林更新演替的進程提供科學依據［11-12］。但到目前為止，盡管對喀斯特生態系統單一生態過程的研究較深入［13］，但對喀斯特生態系統土壤理化性質缺乏深入研究，其時空分異及其對石漠化過程的響應尚無研究［14］;石漠化生態系統經過人工更新演替后，土壤理化性質及變化趨勢如何，人工植被演替又怎樣影響地下土壤的演變，以及構建怎樣的森林植被才有利于該區域土壤性質的改善等問題，尚缺乏研究。為此，以中國西南典型喀斯特石漠化生態系統土壤為研究對象，研究不同等級石漠化環境土壤理化性質特征，探討石漠化過程中土壤理化性質變化的響應及其機制，以期為中國西南喀斯特森林生態保護和石漠化生態系統恢復重建提供理論支撐。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

研究選擇了中國西南喀斯特地區3個典型石漠化區域作為研究區，3個研究區的地理位置和基本信息見表1和圖1。

研究區Ⅰ位于貴州省畢節市鴨池鎮東南13 km處，屬長江流域烏江水系白浦河支流區。區內以喀斯特高原山地地貌類型為主，地勢起伏大，海拔為1400—1742 m。區內年均降雨量為863 mm，年最大降水量995 mm，年最小降水量618 mm，降雨量主要分布在7—9月，占全年總降雨的52%。巖石以碳酸鹽類的石灰巖為主，有部分侏羅紀紫色砂頁巖、頁巖分布。土壤以黃壤土及紫砂土為主，在洼地和平地有水源的地方有零星水稻土分布，坡耕地以黃色石灰土屬的巖泥土，灌草叢為黑灰色石灰土。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，原生植被基本上被破壞，現以次生植被為主。野生植被有以窄葉火棘(Pyracantha angustifolia)、刺梨(Rosa roxbunghii)、救軍糧(Pyracantha fortuneana)、鐵線蓮(Clematis florida)等為主的藤、刺、灌叢，以及零星分布的青岡(Cyclobalanopsis glauca)、馬尾松(Pinus massoniana)、光皮樺(Betula luminifera)為主的喬木林。

研究區Ⅱ位于貴州省清鎮市紅楓鎮簸籮村王家寨組，距清鎮市12 km，屬長江流域烏江水系麥翁河支流區。區內地貌類型為典型的喀斯特高原盆地，地勢平緩，海拔為1271—1451 m。區內年均降雨量為1215 mm，降雨量主要分布在4—8月，占全年總降雨的75%。區內巖石多屬三疊系的白云巖、泥質白云巖及頁巖。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被以農田植被為主，自然植被在小區中所占比重較小，其中柏木(Cupressus funebris)是其常見喬木物種，灌木層多為典型石灰巖有刺灌叢，以金佛山莢蒾(Viburnum chinshanense)、救軍糧、野薔薇(Rosa multiflora)、懸鉤子(Rubus corchorifolius)、亮葉鼠李(Rhamnus hemsleyana)等為主，草本層常見種類有白茅(Imperata cylindrica)、五節芒(Miscanthus floridulu)、芒(Miscanthus sinensis)、藎草(Arthraxon hispidus)、鐵線蓮等。

研究區Ⅲ位于貴州省安順市北盤江花江河段峽谷兩岸，地貌類型為典型的喀斯特高原峽谷，地勢起伏大，海拔為450—1450 m，相對高差達1000 m。區內年均降雨量為1100 mm，降雨量主要分布在5—10月，占全年總降雨的83%。區內巖石多屬三疊系的白云巖、泥質白云巖及頁巖。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林，原生植被基本上被破壞，現以次生植被為主。野生植被是以窄葉火棘、刺梨、救軍糧、鐵線蓮等為主的藤、刺、灌叢，以及零星分布的青岡、馬尾松、光皮樺為主的喬木林。

表1 研究區基礎信息及樣方設置Table 1 Basic information of experiment sites and sample plots set in the study

圖1 研究區位置及其概況Fig．1 Location and basic information of experiment sites in this study

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

在對研究區詳細踏查的基礎上，選取石漠化演替過程中5個典型階段為研究對象，分別為無石漠化的原生森林、潛在石漠化的疏林地、輕度石漠化的灌草地、中度石漠化的疏草地和強度石漠化的石旮旯地，石漠化等級劃分參照熊康寧等［15］的方法。在3個研究區分別針對每個研究對象設立面積為20 m×20 m重復樣地3個，共建立了45個土壤取樣樣地(表1)。所有的樣地除石漠化演替階段不同外，其它的因子都大致一致，土壤是同質的，均為黃色石灰土。在樣地中心按蛇形方式選3個采樣點，各點間距在5 m之內。2012年8月和2013年1月分別在各樣點用環刀(0—15 cm)取樣3次重復，均勻混合組成待測土樣。石漠化區域土壤很薄，部分僅有15 cm左右，因此以0—15 cm土壤層中作為研究對象。

1.2.2 土壤物理性質測定

容重、田間持水量、自然含水量和毛管持水量測定采用環刀法;總孔隙度用pt=93.947-32.995×b來計算，b為容重，pt為總孔隙度;毛管孔隙度測定采用環刀法;非毛管孔隙度用po=pt-pc來計算，po為非毛管孔隙度，pc為毛管孔隙度;滲透特性測定采用雙環滲透法。以上分析方法見森林土壤分析方法［16］。

1.2.3 土壤化學性質測定

pH值采用2.5∶1的水土比，用電位計法測定;有機質采用硫酸重鉻酸鉀氧化為容量法測定;全氮采用硫酸鉀為硫酸銅為硒粉消煮，定氮儀自動分析法測定;水解氮采用堿解擴散法測定;全磷采用硫酸為高氯酸消煮為鉬銻抗比色法測定;有效磷采用碳酸氫鈉浸提為鉬銻抗比色法測定;全鉀采用氫氟酸為高氯酸消煮火焰光度計法測定;速效鉀采用中性乙酸銨提取為火焰光度計法測定;土壤呼吸采用氣室法進行測定。以上分析方法見土壤農業化學分析方法［17］。

1.2.4 數據處理與分析

采用Excel軟件進行繪圖，利用SPSS 16.0軟件進行方差分析、t檢驗、多重比較(Duncan檢驗)、相關性分析和主成分分析等統計分析［18］。

2 結果分析

2.1 不同等級石漠化環境土壤理化性質

2.1.1 土壤物理性質

(1)土壤容重

土壤容重是土壤緊實度的敏感性指標，表征土壤的疏松程度與通氣性，是土壤質量的一個重要參數，其值大小與土壤的通氣性、透水性和根系生長阻力有關［19］。研究顯示，不同等級石漠化環境土壤容重存在顯著差異(表2)。潛在石漠化顯著大于中度和強度石漠化，無石漠化、潛在和輕度石漠化土壤容重沒有明顯差異;隨著石漠化程度增加，土壤容重有降低趨勢。

(2)土壤孔隙度

土壤孔隙狀況直接影響著土壤的通氣透水性及根系穿插的難易程度，對土壤中水、肥、氣、熱以及生物活性等發揮著不同的作用［20］。從表2看出，不同等級石漠化土壤孔隙度差異顯著，潛在石漠化的土壤總孔隙度顯著小于中度石漠化，潛在石漠化的毛管孔隙度顯著小于強度石漠化，而非毛管孔隙度在不同等級石漠化環境無明顯差異。

(3)土壤自然含水量及持水狀況

研究發現，不同等級石漠化環境土壤自然含水量無明顯差異(表2)。土壤田間持水量和毛管持水量存在顯著差異:潛在石漠化的土壤田間持水量顯著小于強度石漠化，對于毛管持水量，潛在和輕度石漠化顯著小于強度石漠化。可見，隨著石漠化程度增加，土壤田間持水量和毛管持水量顯著增加。

(4)土壤滲透性

土壤滲透性是土壤理水調洪功能極為重要的特征參數之一，是將地表徑流轉化為壤中流、地下徑流的能力，對土壤水土保持及水源涵養功能影響極大［21］。對于土壤滲透速率，5種不同等級石漠化環境土壤，不管是上層飽和滲透率還是下層飽和滲透率均無明顯差異。

2.1.2 土壤化學性質

(1)土壤有機質、pH值及土壤呼吸

土壤有機質是土壤固相部分的重要組分，它與土壤礦物質共同作為林木營養的來源，直接影響和改變土壤的一系列物理、化學和生物學性質［20］。研究表明(表3)，潛在石漠化環境土壤有機質明顯小于無石漠化，而無石漠化與輕度、中度和強度石漠化土壤有機質無明顯差異。土壤pH值研究顯示，無石漠化環境土壤pH值明顯小于潛在、輕度、中度和輕度石漠化，但無石漠化和強度石漠化環境土壤為酸性，pH值均小于7，而其它土壤pH值均大于7。對于土壤呼吸，不同等級石漠化環境間無顯著差異。

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(2)土壤氮素

全氮是土壤氮素養分的儲備指標，在一定程度上說明土壤氮的供應能力［22］;水解氮能較好地反映出近期內土壤氮的供應狀況和氮的釋放速率。研究表明，不同等級石漠化環境土壤全氮無明顯差異，顯示了石漠化環境土壤受母巖影響明顯。而不同等級石漠化環境土壤水解氮存在明顯差異，無石漠化和中度石漠化顯著大于潛在石漠化，強度石漠化顯著小于中度石漠化，顯示土壤水解氮的變化與石漠化演化無明顯相關，這可能與水解氮聚集效果強烈、取樣隨機有關。

(3)土壤磷素

全磷是衡量土壤中各種形態磷總和的一個指標，其值大小受土壤母質、成土作用影響很大，另外與土壤質地和有機質有關系［23］。研究顯示，不同等級石漠化環境土壤全磷無顯著差異。而土壤有效磷在不同等級石漠化環境存在顯著變化，潛在石漠化顯著大于無石漠化和強度石漠化，隨石漠化程度增加，顯示了先增加后降低的趨勢。

(4)土壤鉀素

土壤鉀是植物光合作用、淀粉合成和糖類轉化所必需的元素，也是衡量土壤肥力的一個重要指標［23］;速效鉀是植物能利用的鉀，占土壤中鉀素的極少部分，能真實反映土壤中鉀素的供應情況。研究結果顯示，不同等級石漠化環境土壤全鉀存在顯著差異，無石漠化顯著大于輕度、中度和強度石漠化，而土壤有效鉀在不同等級石漠化環境無明顯變化。

2.2 石漠化環境土壤理化性質相關性

不同等級石漠化環境土壤理化性質相關性分析表明(表4)，土壤有化學性質的機質和氮素與土壤其它絕大多數理化因子具有明顯的相關性。有機質與全氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量、上層滲透率成極顯著正相關，與全磷、下層滲透率成顯著正相關，與土壤容重成極顯著負相關。全氮與pH值、有機質、全磷、水解氮、速效鉀、總孔隙度、毛管持水量、田間持水量和上層滲透率成極顯著正相關，與容重成極顯著負相關，與有效磷成顯著正相關。水解氮與有機質、全氮、全磷、孔隙度、毛管持水量、田間持水量和上層滲透率成極顯著正相關，與pH值、速效鉀、下層滲透率成顯著正相關，與容重成極顯著負相關。相關性分析也顯示，土壤物理性質的毛管持水量、容重和孔隙度與其它絕大多數理化因子具有明顯的相關性。由此可見，石漠化環境有機質、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度是土壤理化性質的關鍵因子，在改善土壤理化性質和促進養分循環方面起著關鍵作用。

2.3 石漠化環境土壤理化性質季節波動

對不同時間(1月和8月)定點采樣檢測的土壤理化性質t檢驗分析(表5)顯示，18個土壤理化性質指標有7個指標存在(極)顯著差異，其余11個指標無明顯變化。土壤物理性質的土壤容重、土壤總孔隙度和毛管持水量等3個指標在不同季節存在顯著差異，夏季(8月)的土壤容重顯著的小于冬季(1月)，而夏季的土壤總孔隙度和毛管持水量顯著的大于冬季;毛管孔隙度和土壤自然含水量在不同季節存在極顯著的差異，夏季的毛管孔隙度極顯著大于冬季，而夏季的土壤自然含水量極顯著小于冬季。土壤化學性質的全鉀和有效磷在不同季節也顯示了顯著的差異，夏季的土壤全鉀和有效磷均顯著小于冬季。

2.4 基于土壤理化性質的石漠化主成分分析

基于土壤18個理化性質指標的石漠化主成分分析表明(表6)，主成分1的貢獻率為40.83%，主成分2的貢獻率為30.13%，主成分3的貢獻率為25.25%，累計貢獻率已達96.21%。可見，前3個主成分保留了18個土壤理化性質指因子評價石漠化特征的絕大部分信息，因此選取這3個主成分作為評價石漠化土壤演變的依據。主成分1中，有機質、全氮、水解氮、全鉀、速效鉀、土壤容重、田間持水量、自然含水量的毛管含水量的權重系數較大，顯示主成分1主要反映了土壤有機質、氮素、鉀素、容重和持水狀況表征石漠化的信息。主成分2中，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、下層飽和滲透率、pH值的權重系數較大，顯示主成分2主要反映了土壤pH值、孔隙度和滲透性表征石漠化的信息。主成分3中，土壤呼吸、全磷和有效磷的權重系數較大，顯示主成分3主要反映了土壤呼吸和磷素表征石漠化的信息。

3 討論與結論

3.1 石漠化演變過程中土壤理化性質的響應及其機制

研究顯示，不同等級石漠化環境土壤全氮、全磷、有效鉀等理化因子無明顯差異，表明石漠化環境土壤受碳酸鹽巖母巖影響明顯。土壤是在氣候、植被、地形、母質等因子綜合作用下形成的，并隨著植被演替的進行總是在不斷地發生變化［24］。本研究對中國西南喀斯特地區典型石漠化區域5個典型石漠化演替階段的土壤理化性質研究顯示，石漠化環境土壤變化與植物群落的演替具有明顯的相關性。在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤養分不斷積累、物理性能不斷改善的過程，而植物群落的逆向演替是土壤不斷退化的過程。

喀斯特脆弱生態系統的退化是以強烈的人類干擾為驅動力、以植被減少為誘因、以土地生產力退化為本質、以出現類似荒漠化景觀為標志的復合過程［11］。長期以來，人們一直認為隨著石漠化程度增加，土壤退化程度亦是隨之增加，強度石漠化環境的土壤退化最嚴重［1，25-26］。然而，事實卻并非如此，研究結果顯示，喀斯特石漠化環境土壤不管是物理性質還是化學性質的演變均不是隨著石漠化等級的增加而一直退化，而是一個先退化后改善的過程。究其原因，這應該與石漠化環境裸露巖石聚集效應有關。這種聚集效應指的是裸露的巖石將大氣沉降的養分及其巖溶產物匯聚到周圍的土壤中(圖2)。隨著石漠化程度增加，裸巖聚集效應逐漸增強。在強度石漠化環境中，這種聚集效應非常明顯，加之水土流失作用減弱，致使退化的土壤養分和物理性能得到改善。本研究結果也顯示，石漠化環境土壤演變過程中，有機質、氮素、容重和持水狀況等是其關鍵因子，在改善土壤理化性質和促進養分循環方面起著關鍵作用。

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表5 不同季節石漠化環境土壤理化性質變化Table 5 Comparison of soil physical-chemical properties of rocky desertification environment between seasons of summer and winter

表6 基于土壤理化性質的石漠化主成分分析Table 6 Principal component analysis of rocky desertification based on plant diversity and soil physical-chemical properties

綜上所述，石漠化演變過程中土壤理化性質的響應及其機制可歸納為:無石漠化環境由于森林植被毀壞，土壤養分隨著水土流失作用而流失，加之植被凋落物有機質輸入減少，導致土壤退化。隨著石漠化等級不斷增加，裸露巖石聚集效應逐漸明顯，匯集大氣沉降養分和巖溶產物，增加了土壤氮素和有機物的輸入;同時隨著石漠化程度增加，因可流失的土壤越來越少，導致水土流失越來越弱，土壤養分流失微弱，在強烈裸露巖石聚集效應和微弱的水土流失作用下，強度石漠化環境土壤養分和物理性能得到了明顯的改善(圖3)。

圖2 石漠化環境裸露巖石對土壤養分的聚集作用示意圖Fig．2 The action of soil nutrients collected by exposed rocks in rocky desertification ecosystem

3.2 石漠化環境土壤理化性與石漠化退化生態系統恢復重建

長期以來，人們一直認為喀斯特石漠化生態系統土壤退化隨石漠化程度增加而增強，強度石漠化環境土壤退化最嚴重［2，25-26］。而本研究顯示，喀斯特石漠化生態系統土壤理化性質演變并非如此，而是隨著石漠化程度增加先退化后改善的一個過程。強度石漠化和無石漠化土壤條件明顯好于其他等級石漠化環境，潛在和輕度石漠化環境土壤條件反而是最差的。這一研究結果很好解釋了為什么喀斯特地區裸巖石山植被能夠演替成頂級森林群落并能夠維系穩定。

同時，這一研究結果在指導喀斯特石漠化生態系統恢復重建中具有極其重要意義。石漠化已經是制約我國西南喀斯特地區區域經濟發展和地方社會穩定的重大生態問題，嚴重阻礙了我國同步小康戰略目標的實現［5，14，27］。自 2008年以來，石漠化治理已經成為我國社會經濟發展建設中一項重要內容，投入了大量的人力物力開展石漠化治理［2，5］。然而，治理效果并不理想。其中一個重要原因就是石漠化治理缺乏對石漠化環境土壤的深入研究［26，28-29］，導致相關技術措施仍停留在經驗總結層面、難說科學，甚至是錯誤。例如，在石漠化治理領域，長期以來，人們一直認為(極)強度石漠化環境，植被恢復措施只能是封山育林，人工種植措施是不可能成功的，甚至是在一些地方石漠化治理規程中也是這樣總結的［2］。然而，本研究結果不能支持這一觀點，(極)強度石漠化環境土壤條件不但不比潛在-輕度石漠化環境差，而且優于潛在-輕度石漠化環境土壤，完全應該實施人工造林措施修復石漠化。這一結論已被一些地區石漠化治理實踐所證實，在貴州花江石漠化治理示范區的(極)強度石漠化環境土壤上種植任豆樹(Zenia insignis，一種高大喬木)非常成功。相反潛在-輕度石漠化環境土壤很貧瘠、土層薄，采取人工種植恢復植被措施往往不能成功，這一論斷同樣被眾多已實施的石漠化實踐所證實。

圖3 石漠化演變過程中土壤理化性質的響應及其機制Fig．3 Response and its mechanism of soil physical-chemical properties to rocky desertification succession

石漠化治理是一項復雜的綜合工程，需要林業、農業、水利等多領域的合作［2，27，30］。然而，長期以來由于石漠化治理技術措施缺乏對土壤深入的理論研究支撐，基本上是經驗式的總結提煉，導致不同地區、不同領域、不同專家總結了紛繁復雜的治理技術和模式［2，30-31］，在這些技術和模式中存在大量的混亂，甚至是出現了完全矛盾的觀點。例如，部分專家對(極)強度石漠化環境種植皇竹草(Pennisetum hydridum)、金銀花(Lonicera Japonica)等大水大肥物種一直持否定態度，認為(極)強度石漠化環境土壤不可能支撐這些物種的生長。這些物種在(極)強度石漠化環境土壤生長的非常好，這一現象也支持了研究結果。對中國西南喀斯特森林生態保護和石漠化生態系統恢復重建具有一定的理論意義和實踐指導價值。

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