黔南喀斯特峰叢洼地土壤養分時空動態

蔡國俊，張麗敏，李安定，龍秀琴

(貴州科學院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001)

土壤是植物生長和固定的基礎，土壤養分是土壤肥力的重要指標[1]，土壤養分的空間分布特征直接影響著土壤生產力和生態恢復的途徑和方向[2]。研究表明，土壤養分具有普遍的時空異質性[1,3-4]，土壤養分的時空異質性導致生長在其表面的植被的生理特征、群落結構和空間分布發生變化[5-6]。土壤養分的時空異質性受氣候、母質特征、地形、地貌部位、植被類型及其演替過程、土地利用方式、小生境等環境因素的影響[7-8]。對土壤養分時空變化的研究，對于了解土壤的形成過程、結構和功能，以及生態環境脆弱區的恢復重建具有重要指示意義[9]。

喀斯特峰叢洼地是典型的喀斯特巖溶地貌，廣泛分布于我國西南地區，受地質環境特殊性與區域氣候獨特性的綜合影響，形成了土層薄、土體不連續、空間異質性高和保水能力低的土壤特征[10]。特殊的二元水文結構及復雜的地貌環境和小生境特征，導致其土壤養分變異呈現出多來源和高變異的特征[9]。目前，我國關于喀斯特峰叢洼地土壤養分變異的研究主要集中于用地統計學的方法對部分采樣區進行半方差函數分析和自相關性分析[11-12]，對不同坡位土壤養分差異及其季節變化的研究較少，關于喀斯特峰叢洼地土壤養分異質性的季節特征更是鮮見報道。此外，對于喀斯特峰叢洼地坡面土壤養分異質特征是表現為養分隨坡位升高而增加的養分倒置效應，還是表現為隨著坡位升高而逐漸降低的養分洼積效應尚存在不同的觀點和論據[1]，喀斯特峰叢洼地坡面土壤養分的養分倒置效應或養分洼積效應是否具有普遍性等亦須深入研究。本文運用傳統統計方法對黔南喀斯特峰叢洼地不同季節、不同地貌部位的土壤養分特征進行研究，并分析其成因，探討土壤養分在喀斯特峰叢洼地石漠化區不同地貌部位、不同季節的變化規律，以期為該區土壤養分的調控和生態恢復與重建提供理論基礎和參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于石漠化較典型、喀斯特發育較完整、峰叢洼地集中連片的貴州省平塘縣克度鎮劉家灣，地理坐標106°50′32″～107°11′47″E、25°38′19″～25°59′09″N，距我國最大射電望遠鏡(FAST)僅2.5 km。該區主要以峰叢與巖溶漏斗、落水洞、天坑正負地形組合，巨型錐狀洼地密集分布，平均1 km2就有3～4個洼地。研究區屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17 ℃，極端低溫-3.5 ℃，年的降水量1 259 mm，無霜期312 d，年日照時間1 065.7 h。區內土壤為石灰土、黃壤土，海拔在841.2～1 193.8 m，相對高差352.6 m。研究區主要分布有勾兒茶(Berchemiasinica)、構樹(Broussonetiapapyrifera)、八角楓(Alangiumchinense)等天然次生樹種，以及西番蓮(Passifloracaerulea)、葛藤(Puerariamontana)、黃褐毛忍冬(Lonicerafulvotomentosa)等人工種植樹種。

1.2 樣品采集與分析

在研究區內，按上坡、中坡、下坡3個地貌部位布設17個采樣點，其中，上坡布設5個采樣點、中坡和下坡各布設6個采樣點，采樣點坡度25°～30°，分別于2011年3月10日(春季)、2011年5月26日(夏季)、2011年10月2日(秋季)和2012年3月10日(冬季)，在每個采樣點采取3個0～20 cm的混合土壤樣品帶回實驗室，風干，研磨過100目土壤篩后測定pH、土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、銨態氮、硝態氮、速效磷和速效鉀等土壤養分指標。

土壤有機質(SOM)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮(TN)采用半微量-凱氏定氮法測定；全磷(TP)用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定；全鉀(TK)采用NaOH熔融—火焰光度法測定[13]；土壤pH值、銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀等用多功能土壤肥料養分速測儀(河南迅捷，YN-4000型)測定。

1.3 數據分析

數據用Microsoft Excel 2013進行整理，用SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)。采用變異系數(CV)表征樣品的變異程度：CV≤10%屬于弱變異性，10%

2 結果與分析

2.1 不同季節的土壤養分特征

土壤養分因受到水熱條件、林木更新等影響而表現出一定的季節性變化[14-15]。如表1所示，土壤pH、有機質含量、銨態氮和硝態氮在不同季節間存在顯著差異。冬季土壤pH值、有機質含量和硝態氮含量最高，而銨態氮含量最低。冬季土壤銨態氮和硝態氮含量變異較大，變異系數分別為29.61%和74.26%。各季節中，全氮、全磷和全鉀的變異系數也較大，分別為44.4%～100.0%、33.3%～40.0%和28.1%～61.9%，屬中等變異水平。

表1 不同季節的土壤養分特征

2.2 不同坡位的土壤養分特征

如表2所示，不同坡位的土壤養分特征間，僅全磷和速效磷含量存在顯著差異。受地形、母質及水熱條件等成土因素的影響，土壤養分的理化特征因空間位置的不同而表現出不同的空間變異性(表3)?？傮w上，土壤pH屬弱變異(變異系數3.3%～4.0%)、中坡土壤硝態氮含量屬強變異(變異系數133.3%)外，其余指標屬中等變異，變異系數在17.4%～98.3%。土壤有機質、全氮含量的變異性表現為上坡>中坡>下坡，土壤pH值、全磷、硝態氮、速效磷和速效鉀在中坡的變異性較上坡和下坡大，土壤全鉀、銨態氮的變異性表現為下坡較上坡和中坡大。

表2 不同坡位的土壤養分特征

表3 不同坡位的土壤養分變異系數 %

2.3 不同坡位土壤養分特征的季節動態

如圖1所示，不同坡位的土壤養分特征表現出明顯的季節變化。土壤pH值從春到冬在不同坡位均表現出先降低后緩慢升高的趨勢，夏季土壤pH值最低，冬季最高，整體呈偏堿性。不同坡位的土壤有機質含量從春到冬逐漸增加，這可能與環境中植被凋落物的積累有關。全氮含量在3個坡位上從春到冬均表現為先降低后上升的趨勢，秋季全氮含量最低，且四季均表現為上坡>下坡>中坡。土壤全磷在中坡表現為從春到冬逐漸升高，而上坡卻表現為逐漸降低。土壤全鉀在中坡和下坡表現為從春到冬先上升后降低，而在上坡卻表現為先下降和升高的趨勢。土壤銨態氮含量在3個坡位條件下均表現為從春到冬先增加后降低的趨勢，最大值出現在夏季。土壤硝態氮含量在3個坡位條件下整體表現出從春到冬先下降后升高的趨勢。土壤速效磷含量在上坡和中坡從春到冬先下降后上升，而在下坡卻是先上升后下降。土壤速效鉀含量在上坡和下坡表現為從春到冬先上升后下降的趨勢，而在中坡波動變化。

圖1 不同坡位土壤養分特征的季節變化

3 討論

土壤養分的季節動態與雨水淋溶、植被狀況、凋落物狀況及微生物特征等密切相關，同時受到季節氣候變化、植被狀況、土地利用方式及凋落物類型和數量的影響[16]。本研究表明，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機質平均含量為63.0 g·kg-1，與桂北喀斯特峰叢洼地灌木林[1]、黔中喀斯特藤刺灌叢[17]土壤有機質含量(有機質含量分別為64.0、65.3 g·kg-1)相當，說明喀斯特地區土壤有機質含量較為一致。按照全國第二次土壤普查養分分級標準[18]，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機質屬于第一等級，處于較高的水平。這可能是由于喀斯特地區巖石溶蝕過程形成的可溶性碳酸鹽與土壤腐殖質結合、凝聚，形成穩定的腐殖酸鈣，從而使得喀斯特地區土壤有機質含量增高[19]。各季節土壤有機質含量差異顯著，從春到冬逐漸升高。土壤全氮、全磷和全鉀的季節變化不顯著。按照全國第二次土壤普查養分分級標準，本研究中土壤全氮和全磷屬于第一級，處于高養分水平，全鉀屬于第五等級，處于低養分水平。

以往對常態地貌的研究表明，由于長期的地表徑流作用，我國常態地貌地區土壤養分存在明顯的洼積效應，即隨著坡位的上升，土壤養分逐漸降低[20-21]。在桂北喀斯特地區的研究卻表明，在喀斯特峰叢洼地區，土壤有機質、全氮、全鉀等土壤養分出現上坡位高于下坡位的養分倒置現象[1,7]。本研究結果顯示，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機質、土壤全氮、全鉀、銨態氮和硝態氮含量在不同坡位間沒有顯著差異，而土壤全磷和速效磷在不同坡位間差異顯著，表現為養分洼積效應。研究結果與劉淑娟等[1]對桂北喀斯特峰叢洼地灌木林土壤養分的研究結果相似，這可能與研究區植被多為灌木次生林和人工林，且研究區受人為干擾嚴重等有關。

本研究顯示，除pH值外，黔南喀斯特峰叢洼地土壤養分因子無論是在不同季節還是不同地貌部位整體表現為中等強度的變異，與張偉等[2]、劉淑娟等[1]、高鵬等[12]對桂北喀斯特峰叢洼地土壤養分時空分異特征的研究結果表現一致。喀斯特峰叢洼地土壤養分的強變異特性主要受兩方面因子的影響：一是強烈的人為干擾和土地利用方式[7]；二是喀斯特地區獨特的二元結構和生境的高度異質性[22]。研究區位于黔南州典型的喀斯特峰叢洼地區，該區域被貴州省山地資源研究所作為喀斯特植被恢復示范基地，廣泛發育著石溝、石槽、石坑等小生境類型，具有較高的環境異質性[23]，并受到了強烈的人為干擾，從而導致該區域土壤養分表現出較強的變異性。