巖溶區不同植被演替過程中土壤元素及其有效態

周曉東， 鄧 艷

(中國地質科學院 巖溶地質研究所, 國土資源部 巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室， 廣西 桂林 541004)

巖溶區不同植被演替過程中土壤元素及其有效態

周曉東， 鄧 艷

(中國地質科學院 巖溶地質研究所, 國土資源部 巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室， 廣西 桂林 541004)

[目的] 探討巖溶區不同植被演替過程中土壤元素及其有效態變化規律，為巖溶區石漠化治理提供依據。[方法] 采用空間代替時間序列的方法，選取立地條件相似的草地、灌草叢、灌叢、喬幼林和頂級喬林5個植被恢復階段進行分析。[結果] 同一植被類型條件下有機質的含量淺層大于深層；元素的遷移能力在垂向上：在植被演替的早期階段淺層大于深層，后期深層土大于淺層；在橫向上：喬幼林>頂級喬林>灌草叢>草地>灌叢；隨著植被的演替土壤中有機質呈波浪式的增加，并在頂級喬林階段達到最大值；土壤有機質含量與Mn，Zn，Cu元素有效態含量呈明顯的正相關。受此影響，淺層土壤元素態有效率明顯高于深層土壤。[結論] 石漠化治理過程中應針對石漠化地區土層厚度、地形、土壤元素分布特征，選擇合理的植被進行恢復。

植被類型； 植被演替； 元素遷移； 土壤有機質； 分布特征

西南巖溶地區是世界上連片分布面積最大的巖溶區，西南8省(市、區)土地面積1.05× 106km2，巖溶面積5.197×105km2，石漠化面積1.296×105km2。區內碳酸鹽巖是巖溶發育的物質基礎。碳酸鹽巖風化形成石灰土，其理化性質有別于地帶性土壤，表現為富鈣、偏堿性，有效元素供給不足且不平衡。碳酸鹽巖成土速率緩慢、土層薄、造成土壤極易侵蝕流失，加之近年來經濟和社會的發展中，一些人為不合理的開發巖溶區因素，造成該區石漠化問題日趨嚴重，一經破壞很難恢復，治理形勢更加嚴峻。因此，探索碳—水—鈣循環對巖溶環境元素遷移的驅動機制和特征[1],巖溶環境元素有效態富集虧損特征，對促進當地農業持續發展和維持生態平衡有著十分重要的理論和現實意義。

在巖溶區以植被的演替為基礎，前人研究了峰叢洼地不同土地利用條件下的土壤的肥力特征[1]；土壤水分的時空變化[2]；土壤微生物群落、有機碳以及養分特征[2-5]；土壤元素變異特征[6]。在巖石溶蝕方面，探討了峰叢洼地區不同土地利用方式下巖溶溶蝕速率[7]；亞高山區不同土地利用方式下土壤各因素對巖溶溶蝕速率的影響[8-9]；氣候因素對不同土地利用方式對巖溶作用的影響；不同植被演替階段土壤因子和溶蝕率對比研究[10]。但是在植被演替過程中，土壤元素及有效態的變化相對較少。本文擬采用空間代替時間系列的方法，以位于廣西壯族自治區馬山縣弄拉屯典型巖溶區不同植被恢復階段為研究對象，選取立地條件相似的草地、灌草叢、灌叢、喬幼林和頂級喬林5個植被恢復階段，對其土壤狀況進行分析，初步總結不同植被演替階段土壤元素特征、有機質、土壤全氮含量以及各種元素的有效態的差異，掌握西南巖溶區自然演替中土壤有效態微量元素的演變趨勢，以期為巖溶區石漠化治理提供依據。

1 研究區概況和方法

1.1 研究區概況

弄拉位于廣西壯族自治區馬山縣古零鎮，地理坐標為東經108°19′，北緯23°39′，屬亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫19.84 ℃，多年平均降雨量為1 700 mm，4—12月份降雨量占年降雨量的82%，年平均相對濕度85%。為典型的峰叢洼地地貌，弄拉屯的地質背景位泥盆系東崗嶺組中段(D2d2)，巖性以含硅質的白云巖為主[11]。其植被為人為破壞后多年封山育林形成的次生林，到20世紀80年代重新形成了以常綠闊葉林為主的茂密喬木次生林。主要組成中既有次生樹種如黃荊(Vitexnegundo)、老虎刺(Pterolobiumpunctatum)等，又存在大量的原始植被建群種及優勢種，如青岡(Cyclobalanopsisglauca)、圓果化香(Platycaryalongipes)、石山樟(Cinnamomumsaxatile)等[1]。弄拉植被為人為破壞后的次生植被，有封山10,20,40 a的和仍受嚴重會干擾的植物群落，這樣在小范圍內形成了演替的系列群落。本文選取了立地條件相似的草地、灌草叢、灌叢、喬幼林、頂級喬林5種植被類型作為研究對象，樣地基本情況見表1。

表1 研究區各樣地地理狀況

1.2 樣品采集及測定

土壤樣品的主要采集方法：選取立地條件相似的5種植被類型的土壤，去掉表層土即0—20,20—40,40—60 cm取土裝入事先稱好重量的鋁土盒中，土壤有機質、有效氮、有效磷和有效鉀等在中國地質科學院巖溶地質研究所測定；有機質采用重鉻酸鉀—硫酸消化法測定；有效氮采用鋅—硫酸亞鐵還原—蒸餾法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—磷鉬藍分光光度法測定；有效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定。分析土壤中不同深度有機質以及不同取樣地土壤中各元素及其有效態的含量(表2)。

2 結果與分析

2.1 土壤元素遷移與富集特點

土壤是一開放系統，具有輸入輸出C，N以及其他礦質元素的功能，成土過程的實質是后生地球化學過程中元素的離析、遷移和富集的過程。因此不同生態條件下發育的土壤必然會導致土壤元素遷移行為的差異[12]。僅比較同一元素在巖石、母巖層或土壤內部含量的變化，不能反映元素在土壤發生和發育過程中的遷移和變化量。質量平衡法(mass-balance)是目前研究元素遷移的最有效和最常用的方法[13-14]。研究元素在風化和成土過程中移動和在分布以非移動元素作為計算基礎，由于鋁在元素遷移中具有惰性，常假定為不移動元素，并以此來進一步分析土壤元素的風化淋溶度。

式中：xs，xr——x元素在土壤和巖石中的含量(μg/g);Is——鋁元素在土壤中的含量(μg/g)；Ir——鋁元素在巖石中的含量(μg/g)； ΔT>0表示該元素在成土過程中發生富集， ΔT<0則為虧損或遷移。根據表2，帶入淋溶公式，得出結果(表3)。

表2 弄拉基巖及不同植被土壤化學性質

表3 弄拉土壤元素富集與遷移特征

2.2 不同植被類型條件下植被對土壤元素遷移規律

從表2可以看出，弄拉白云巖元素的分布是：弄拉白云巖中元素的分布是Ca>Mg >Si>K>Al>Fe>Na>P>Mn>Cu>Zn。為了便于進行分析，將這5種植被類型中土壤元素不同深度富集虧損值平均后做出雷達圖(圖1)，從圖1可以看出同一元素在不同的植被演替過程中富集虧損程度不同。此次所測得的元素總體上富積虧損序列為：Co>Zn>Mn>Fe>Si>P>K>Cu>Na>Mg>Ca,說明同一植被類型對不同的元素的遷移影響能力不同。同一種元素在不同的植被類型土壤中含量不同，說明不同的植被演替階段植被對土壤的同一元素的遷移能力影響不同。從表3可以看出在成土過程中草地、灌草叢、灌叢、喬幼林、頂級喬林都表現出Co,Zn,Mn強富集，Fe,Si的相對富集，P,K,Cu,Na,Mg,Ca表現出不同程度的虧損。為了進一步的研究元素在不同植被類型條件下的遷移特征，將所測得的元素分為4類：①強富集元素：Co, Zn, Mn； ②相對富集元素：Fe,Si； ③相對虧損，但是各種植被類型條件下差異幾乎為零的元素：P, K, Cu, Na； ④相對虧損，但是各種植被類型條件下差異相對較大的元素Mg, Ca。

弄拉是典型的巖溶峰叢山區，巖石為泥硅質白云巖，不但富含Ca, Mg，而且Al, Fe, Si, P, K等常量元素Mn, Zn, Cu, Co等微量元素背景值也比較高[7，15-16]。土壤中Ca, Mg元素含量與巖溶動力條件正相關，Ca表現出強富積，這是因為Ca, Mg的大量遷移使土壤偏堿性, 由此制約著很多元素,尤其Mn, Zn等微量元素的存在狀態[14]，致使其大量富積。而Cu表現出虧損，且虧損強度僅次于Ca, Mg, Na，這與蔣忠誠[11]在弄拉測得元素虧損序列較為相似，說明堿性環境促使Cu的遷移。

為了進一步研究不同植被演替條件下元素的遷移能力，將不同植被類型條件下各元素遷移能力對比排序。圖1中1—5從內到外表示其元素由富集到虧損的序列，可以看出所測得的土壤元素遷移能力由強到弱的順序為：喬幼林>頂級喬林>灌草叢>草地>灌叢。這表明不同植被演替階段元素的遷移能力不同，灌叢能力最強，灌叢草地次之，喬幼林的最差。

圖1 不同元素在不同植被類型土壤中的分布特征

另外，同一植被類型不同深度層元素富集對比表明：草地、灌草叢、灌叢階段從淺層到深層元素的富集能力逐漸減弱；而喬幼林和頂級喬林階段的富集能力卻逐漸增強，這說明植被的演替可以影響元素在土壤不同深度富集狀態。草地、灌草叢、灌叢的影響主要是集中在土壤表層，喬幼林、頂級喬林的影響主要集中在土壤的深層。在巖溶區不同的地區、不同的地形，表層土壤的厚度不同，因此在保持土壤水土方面應根據各地區不同的條件選擇合適的植被類型進行石漠化治理。

2.3 不同植被恢復階段土壤有機質含量變化

有機質含量對比表明(圖2)，各植被類型條件下土壤有機質的含量依次為：頂級喬林>喬幼林>草地>灌草叢>灌叢。頂級喬林和喬幼林階段植被能產生大量的枯枝落葉，故其土壤中的有機質含量較高。蘭雪指出土壤結構破壞率是用來衡量土壤抗蝕性質的一個重要值標[17]，土壤結構破壞率為大小依次為：灌草>灌木>喬木>坡草>喬灌；王韻等[18]談到植被演替對土壤表層物理性質影響，不同各樣地土壤黏粒含量：灌叢>灌草地>草地>喬木。解釋為隨著植被演替，植被種類和覆蓋度一方面影響了土壤的結構破壞率；另一方面影響了土壤顆粒的組成。土壤中有機質主要來源于枯枝落葉，土壤中的有機質有助于形成土壤團粒結構，增加土壤通氣性、疏松性和透水性，改善土壤物理性質。隨著土壤有機質含量的不斷豐富，土壤結構也得到了不斷的改善，從而增強了土壤的抗蝕抗沖性。頂級喬林和喬幼林階段土壤有機質含量較高，植被在此演替階段對保持水土具有較好的效果。但是土壤有機質的變化并不是隨之植被演替逐漸增加，說明土壤中有機質還受其他因素的影響。

圖2 研究區不同植被演替階段土壤有機質的含量

2.4 不同植被類型條件下各元素的有效態

植被演替階段土壤9種元素的有效態分析結果(表4)表明：土壤元素有效量與全量總體排序十分相似，說明土壤元素有效量總體上受元素豐度所控制。土壤有效態含量普遍低于全量，除了P,K,Fe元素有效率較低，其他各元素的有效率相對都較大。Cu元素的有效率最大，在喬幼林階段，0—20 cm深度最大值達46%。且在喬幼林和頂級喬林階段Cu元素的有效率是其他植被類型條件下Cu元素有效率的6～10倍。表明在喬幼林和頂級喬林階段植被對土壤中Cu元素的利用效率較高。有效態Mn，Zn，Cu與土壤的有機質含量關系密切，對比土壤中Mn，Zn，Cu有效率和其對應的植被演替條件有機質的含量可以知道二者呈明顯的正相關關系。在不同的植被類型條件下土壤元素有效態呈波動變化，這表明植被類型的演替可以對土壤各元素有效態的有效率造成影響，且不同的演替階段土壤元素有效態變化不同。Fe元素在所有的元素中有效率最低，最大值還未達到0.02%。一方面是因為Fe元素是本身就屬于比較難溶的元素,其元素在土壤中的含量較低；另一方面巖溶區富鈣形成的堿性環境降低了元素的有效性。

表4 研究區土壤有效態

另外，同一植被類型條件下不同深度土壤有效態統計對比表明：各元素的有效態在不同深度上總體上表現出從淺層0—20 cm到深層40—60 cm，各元素有效率總體上表現出深層元素低于淺層。一方面土壤中的無效態元素可以通過化學風化作用或有機質的礦化作用轉化為有效態元素，表層土壤風化作用比較強烈，致使其元素有效率大于深層；另一方面植被的枯落物直接覆蓋在表層土壤，致使表層土壤有機質含量比較高，有機質與元素有效態正相關性，使得表層土壤元素有效率比較高。

3 結論與討論

(1) 土壤分析表明：環境中元素遷移是一個復雜的過程，其遷移特性不僅受自身性質的影響，同時還受植被演替過程中環境因素的影響。同一植被對不同的元素的吸收能力不同，不同的植被類型條件對土壤中同一元素的遷移能力影響不同。

(2) 植被的演替可以影響元素在土壤不同深度富集虧損狀態。草地、灌草叢、灌叢的影響主要是在土壤表層，喬幼林、頂級喬林階段的影響主要集中在土壤的深層。

(3) 枯枝落葉是土壤有機質的主要來源，土壤中的有機質受植被演替的影響逐漸增加，有機質在頂級喬林階段達到最大值。

(4) Mn, Zn, Cu元素有效態與土壤的有機質含量關系密切，土壤的有效態普遍低于土壤全態含量，有機質的影響致使淺層土壤的元素有效率明顯大于深層土壤的。富鈣的巖溶環境導致土壤中堿性元素的有效率降低。但是在南方巖溶區強烈的巖溶作用彌補了土壤元素有效態的含量。因此，在石漠化治理過程中要綜合考慮多方面的因素，針對不同的石漠化地區土層厚度、地形、土壤元素分布特征，選擇合理的植被進行恢復。

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SoilElementsLevelandAvailabilityinDifferentVegetationSuccessionStagesinKarstArea

ZHOU Xiaodong, DENG Yan

(InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,KeyLaboratoryofKarstEcosystemandRockyDesertificationTreatment,MinistryofLandandResources,Guilin,Guangxi541004,China)

[Objective] To explore the variations of soil elements and their availabilities in different vegetation successional stages in karst region in order to provide a certain basis for the treatment of rocky desertification. [Methods] Method of investigation in different spatial sites instead of time-series sampling was used. Sites at five different vegetation stages as grass, grass-shrub, shrub, earlier arbor, arbor climax with the same geological backgrounds were investigated and sampled. [Results] The organic matter contents of five vegetation types in shallow soil are all higher than that in deep soil. The elements migration in the vertical direction showed that in shallow soil horizons are all higher than that in deep soil horizons at the early vegetation successional stage and indicate the opposite trend at the late stage. Meanwhile, the elements migration in the horizontal direction indicate the order of earlier arbor stage, climax arbor stage, grass-shrub stage, grass stage, and shrub stage. The soil organic matter showed wavy increase with the vegetation succession and reached the maximum value at climax arbor stage. The availabilities of Mn, Zn, Cu had positive correlations with soil organic matter. Therefore, the soil elements availabilities in shallow soil were higher than that in deep soil. [Conclusion] To deal with the rocky desertification, items of soil thickness, topography and soil element distribution characteristics should be concerned to select reasonable revegetation measures.

vegetationtypes;vegetationsuccession;elementmigration;soilorganicmatter;distribution

A

1000-288X(2017)05-0040-06

Q948.113

文獻參數： 周曉東， 鄧艷.巖溶區不同植被演替過程中土壤元素及其有效態[J].水土保持通報，2017,37(5)：40-45.

10.13961/j.cnki.stbctb.20170519.001； Zhou Xiaodong, Deng Yan. Soil elements level and availability in different vegetation succession stages in karst area[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：40-45.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170519.001

2017-02-17

2017-03-04

國家重點研發計劃課題“斷陷盆地石漠化綜合治理模式與技術集成”(2016YFC0502506)； 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金 “西南典型巖溶關鍵帶生態格局/過程對表層巖溶水的響應”(YWF201401)

周曉東(1991—)男(漢族)，河南省鄭州市人，碩士研究生，主要研究方向為巖溶水環境以及巖溶地球化學。E-mail:641268414@qq.com。

鄧艷(1978—)女(漢族)，廣西省貴港市人，碩士，副研究員，主要從事巖溶生態與石漠化研究。E-mail：dydesk@karst.ac.cn。