桂西北喀斯特區(qū)不同退化程度石灰土有機(jī)碳與養(yǎng)分剖面分布特征

何鐵光, 俞月鳳, 蒙炎成, 蘇天明, 胡鈞銘,杜 虎, 王 瑾, 李忠義, 張 野, 韋彩會(huì)， 范 適

(1.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南寧 530007; 2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)沙 410125； 3.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院， 湖南 衡陽(yáng) 421005)

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)為中國(guó)四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，桂西北喀斯特地區(qū)位于我國(guó)西南喀斯特南部斜坡地帶[1]。由于其形成的碳酸鹽巖基質(zhì)的特殊性而與常態(tài)地貌有著極大的差別，過(guò)度的人為干擾造成了喀斯特地區(qū)植被的減少或消失，水土流失加劇，土壤的生物地球化學(xué)過(guò)程改變或中斷，成為土壤退化及石漠化發(fā)展的主要外驅(qū)動(dòng)力[2-3]。自20世紀(jì)80年代中期進(jìn)入環(huán)境保護(hù)階段之后，植被開始得到自然恢復(fù)，石漠化治理及退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建已初見成效。土壤養(yǎng)分含量是衡量土壤肥沃程度的量化指標(biāo)，是土壤最重要的生態(tài)功能之一，是退化生態(tài)系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容之一。張偉等[4]研究了桂西北喀斯特區(qū)植被演替過(guò)程中表層土壤的養(yǎng)分積累和影響因素，發(fā)現(xiàn)坡度、坡向和裸巖率等地形因子對(duì)土壤的養(yǎng)分影響較小。歐陽(yáng)資文等[5]探索了喀斯特峰叢洼地表層土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征及其對(duì)干擾的響應(yīng)，提出減少干擾是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的保障。俞月鳳等[6]研究了桂西北喀斯特區(qū)域內(nèi)表層石灰土養(yǎng)分的空間變異特征，發(fā)現(xiàn)在區(qū)域大尺度下，地形因子(如海拔、坡度和巖石裸露率等)和植被類型是影響桂西北喀斯特石灰土空間變異特征的重要因素。何寧等[7]分析了喀斯特區(qū)3種典型次生林土壤有機(jī)碳含量和密度的剖面分布。這些研究對(duì)桂西北喀斯特石灰土養(yǎng)分狀況有初步的探索，多集中在表層土壤，或某一植被類型的有機(jī)碳分布。然而，由于喀斯特生態(tài)環(huán)境的特異性，目前對(duì)石灰土土壤退化機(jī)理還缺乏充分認(rèn)知[8]，因此，針對(duì)石灰土退化過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀等養(yǎng)分含量的剖面分布特征有何響應(yīng)有待進(jìn)一步探索，對(duì)揭示石灰土退化現(xiàn)狀及退化機(jī)理，促進(jìn)喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)有著重要的作用。

土壤退化是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的定位動(dòng)態(tài)觀測(cè)才能準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)土壤退化，這也使得時(shí)間序列的土壤性狀縱向比較的可操作性差[9]。土壤養(yǎng)分的退化與植被退化相互促進(jìn)，是土壤退化的重要機(jī)制[10]。本研究利用空間分布代替時(shí)間序列的方法[11]，根據(jù)土壤退化的概念，在直觀性原則、簡(jiǎn)單性原則、可操作性原則、主導(dǎo)因素原則和綜合代表性原則的基礎(chǔ)上，以巖石裸露率和植被覆蓋率作為土壤退化等級(jí)劃分的基本依據(jù)，將石灰土劃分為5個(gè)退化等級(jí)：無(wú)退化、潛在退化、輕度退化、中度退化和重度退化。本文通過(guò)建立不同退化程度石灰土的樣地，并進(jìn)行土壤和植被調(diào)查，分析對(duì)比石灰土不同退化程度剖面養(yǎng)分含量特征，以期對(duì)桂西北喀斯特地區(qū)石灰土退化過(guò)程中養(yǎng)分剖面分布特征有較完整的認(rèn)識(shí)，并為揭示石灰土退化機(jī)制及分布機(jī)理提供資料，為喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)、土壤資源利用以及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在廣西大化瑤族自治縣(107°18′45″—108°03′45″E，23°32′30″—24°22′30″N)，位于云貴高原向廣西丘陵過(guò)渡地帶的斜坡上，屬于廣西最典型的“九山半水半分田”的石山區(qū)貧困縣。全縣總面積2 804 km2，耕地總面積162 km2，境內(nèi)峰叢密布，喀斯特面積共2 059 km2，占全縣總面積的73%，喀斯特地貌較為典型。成土母質(zhì)以碳酸鹽巖為主，地帶性紅壤只是分布在土山，石山、半石山普遍為石灰土。研究區(qū)氣候溫和，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同季。年平均氣溫1 812～2 117℃，年降雨量為1 249～1 673 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與采樣 本研究依據(jù)巖石裸露率和植被覆蓋率將石灰土分為5個(gè)退化程度[12]：無(wú)退化(Ⅰ)、潛在退化(Ⅱ)、輕度退化(Ⅲ)、中度退化(Ⅳ)、重度退化(Ⅴ)，樣地基本概況見表1。經(jīng)過(guò)全面踏查，2016年7月選擇符合5個(gè)退化程度的典型植被群落設(shè)置樣地，每個(gè)退化程度設(shè)置9個(gè)20 m×20 m樣地，共獲樣地45個(gè)。每個(gè)退化程度選擇3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地挖取一個(gè)典型土壤剖面分層取樣，由于土層較薄，每10 cm土層取3個(gè)環(huán)刀用于測(cè)定土壤容重，同時(shí)取500 g土樣。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的4角和中間分0—10，10—20，20—30，30—50，50—70 cm分層用土鉆取樣，5個(gè)點(diǎn)同層次的土樣組成一個(gè)混合樣。由此共獲取剖面樣品74個(gè)，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳，混合樣207個(gè)，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分含量。土樣置于陰涼處自然風(fēng)干后，用四分法取土樣過(guò)0.15 mm篩，編號(hào)后供分析測(cè)定用。去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，在105℃烘干24 h后，稱重并計(jì)算土壤容重。土壤樣品室內(nèi)分析指標(biāo)為有機(jī)碳SOC(重鉻酸鉀—外加熱法)、全氮TN(半微量開氏法)、全磷TP(NaOH熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法)、全鉀TK(NaOH熔融—火焰光度計(jì)法)、堿解氮AN(堿解—擴(kuò)散法)、速效磷AP(0.5 mol/L NaHCO3浸提法)、AK速效鉀(NH4OAc浸提法)。

表1 不同退化程度樣地基本情況

1.2.2 土壤容重推算 喀斯特地區(qū)土壤土層淺薄、石礫含量和巖石較多，導(dǎo)致一些剖面深層的土壤容重?zé)o法測(cè)定。有研究表明，土壤容重、土層、土壤有機(jī)質(zhì)含量間存在相關(guān)關(guān)系[13-14]。根據(jù)5個(gè)退化程度15個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)建立的土壤有機(jī)碳含量和土壤容重關(guān)系散點(diǎn)圖(圖1)，發(fā)現(xiàn)二者存在良好的直線關(guān)系(p<0.01)，土壤有機(jī)碳含量隨土壤容重的增加遞減，從而依據(jù)測(cè)定的有機(jī)碳含量可以求得土壤容重。

圖1 石灰土有機(jī)碳含量與容重的關(guān)系

1.2.3 有機(jī)碳密度的計(jì)算 土壤有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度土層中的土壤有機(jī)碳(SOC)貯量，單位一般為t/hm2或kg/m2。某一土層i的有機(jī)碳密度(SOCi，kg/m2)的計(jì)算公式為：SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100；式中:Ci為土壤有機(jī)碳含量(g/kg);Di為容重(g/m3);Ei為土層厚度(cm);Gi為直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用SPSS 18.0和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與制圖。應(yīng)用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同樣地間各指標(biāo)的差異顯著性，應(yīng)用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較，應(yīng)用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度石灰土有機(jī)碳含量與有機(jī)碳密度

由圖2可以看出，不同退化程度石灰土SOC垂直分布特征基本一致，即石灰土SOC隨著土層深度的增加逐漸降低，表層土壤SOC最高，上高下低的分布特征明顯。土層深度越大，SOC變化幅度越小，不同退化程度石灰土SOC隨土層深度變化的幅度和范圍不同。無(wú)退化、潛在退化和輕度退化石灰土SOC含量在0—10 cm處顯著高于10—20 cm 處，其中無(wú)退化石灰土SOC變化迅速，其變化幅度高于其他退化程度石灰土；20—30 cm范圍內(nèi)幾乎無(wú)變化，30—50 cm處變化幅度增大。中度退化石灰土SOC在各土層中變化較為緩慢，變化幅度較為一致，呈逐漸降低的趨勢(shì)；重度退化石灰土SOC在0—30 cm范圍內(nèi)變化不大，在30—50 cm處顯著降低。同一土層中，不同退化程度石灰土SOC含量差異顯著。0—10 cm表層土中，無(wú)退化、潛在退化和輕度退化程度石灰土有機(jī)碳含量之間無(wú)顯著性差異，分別為33.12，34.45，36.17 g/kg，三者顯著高于中度和重度退化石灰土有機(jī)碳含量。

注：Ⅰ為無(wú)退化，Ⅱ?yàn)闈撛谕嘶鬄檩p度退化，Ⅳ為中度退化，Ⅴ為重度退化，下圖同。

圖2 不同退化程度石灰土各層有機(jī)碳含量垂直分布

不同退化程度石灰土有機(jī)碳密度變化趨勢(shì)與有機(jī)碳含量一致(圖3)，都隨土層深度的增加而降低。就整個(gè)土層而言，5個(gè)不同退化程度石灰土的有機(jī)碳密度為：輕度退化(16.38 kg/m2)>潛在退化(14.69 kg/m2)>無(wú)退化(13.08 kg/m2)>重度退化(11.84 kg/m2)、中度退化(11.58 kg/m2)。沿著石灰土退化程度增加的方向，0—10 cm土層的土壤碳密度分別占整個(gè)土層的31.63%，28.68%，26.80%，35.10%，29.19%；10—30 cm土層的占整個(gè)土層的42.90%～53.38%。不同退化程度同一土層的有機(jī)碳密度不同，0—10 cm土層表現(xiàn)為輕度退化>潛在退化>無(wú)退化>中度退化>重度退化，輕度、潛在和無(wú)退化在其他土層中的差異表現(xiàn)與0—10 cm土層中一致，中度和重度在其他各層則表現(xiàn)為重度退化高于中度退化石灰土有機(jī)碳密度。

圖3 不同退化程度石灰土各層的有機(jī)碳密度

2.2 不同退化程度石灰土氮磷鉀養(yǎng)分含量

桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土養(yǎng)分剖面分布特征如圖4所示。不同退化程度石灰土TN含量剖面變化趨勢(shì)與SOC相似，均隨土層深度的增加而降低，但在各層的變化范圍與幅度有所差異。無(wú)退化石灰土TN含量0—20 cm土層之間變化迅速，20—70 cm各土層之間無(wú)顯著變化；潛在和重度退化石灰土0—10 cm土層TN含量顯著高于其他土層，其他土層之間無(wú)顯著變化；輕度和中度退化石灰土TN含量0—20 cm土層之間無(wú)變化，并顯著高于其他土層。0—10 cm土層中，無(wú)退化、潛在和中度退化石灰土TN含量無(wú)顯著性差異，均高于輕度和重度退化石灰土；0—20 cm土層中，重度退化石灰土TN最低；30—70 cm土層中，無(wú)退化石灰土TN含量顯著低于其他退化程度石灰土。不同退化程度石灰土AN含量也隨土層深度增加而降低，但變化較為緩慢。

圖4 不同退化程度石灰土各層養(yǎng)分含量垂直分布

不同退化程度石灰土TP和TK含量隨土層深度的增加而無(wú)明顯變化，TP隨土層深度增加有略微降低的趨勢(shì)，TK隨土層深度的增加則有略微升高的趨勢(shì)，但在各土層間均無(wú)顯著性差異。0—30 cm各土層中，潛在退化石灰土TP和TK含量均高于其他退化程度石灰土含量。AP和AK含量均隨土層深度增加而降低，表現(xiàn)為0—20 cm土層中含量高于其他土層。0—10 cm土層中，中度和重度退化石灰土AP含量顯著高于其他退化程度，表現(xiàn)為重度退化>中度退化>輕度退化>無(wú)退化>潛在退化，AK含量變化則表現(xiàn)為：無(wú)退化>潛在退化>輕度退化>中度退化>重度退化。

2.3 不同退化程度石灰土C∶N

由圖5可以看出，桂西北喀斯特地區(qū)石灰土C∶N為7.03～13.14，除了潛在退化石灰土C∶N外，其他退化程度均隨土層深度增加而降低。中度退化石灰土各土層中C∶N最低，沿土層以線性趨勢(shì)降低，潛在退化和重度退化石灰土C∶N在20—30 cm土層中有所升高。0—10 cm土層中，C∶N表現(xiàn)為輕度退化>重度退化>無(wú)退化>潛在退化>中度退化。

2.4 石灰土有機(jī)碳、養(yǎng)分與土層深度的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明，石灰土SOC與TN，AN，SOCi，C∶N存在極顯著相關(guān)關(guān)系，TN與TP，AN，AK，SOCi極顯著正相關(guān)，TK與TP，AK極顯著正相關(guān)，除TP，TK外，其他指標(biāo)與土層深度均呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同退化程度石灰土各層C∶N垂直分布

表2 石灰土中有機(jī)碳與養(yǎng)分的相關(guān)性分析

注：SOC為有機(jī)碳，TN為全氮，TK為全鉀，TP為全磷，AN為堿解氮，AP為速效磷，AK為速效鉀，SOCi為有機(jī)碳密度，H為土層深度。

3 討論與結(jié)論

3.1 桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土碳和氮剖面分布特征

土壤有機(jī)碳和氮素是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)，對(duì)于土壤生產(chǎn)力和土地可持續(xù)利用有著重要的作用[15]。土壤有機(jī)碳含量主要取決于輸入土壤的有機(jī)物質(zhì)與土壤輸出的有機(jī)碳之間的動(dòng)態(tài)平衡[16]。天然土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量主要依賴于有機(jī)殘?bào)w歸還量及有機(jī)殘?bào)w的腐殖化系數(shù)[17]，有機(jī)質(zhì)的輸出量則主要包括分解和侵蝕損失，易受到各種生物和非生物條件的控制[18]。在下滲水作用下，土壤有機(jī)物質(zhì)和腐殖質(zhì)在土體中淋溶、遷移、淀積以及其在土壤微生物作用下與礦物質(zhì)土土體擾動(dòng)、混合，該過(guò)程決定了有機(jī)碳在土壤剖面中的分布特征。本研究中，桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度隨土層加深均呈下降的趨勢(shì)，表層土壤含量最高，原因是自然條件下，表層土壤是植被枯枝落葉的主要接受層，因此碳含量高；石灰土有機(jī)碳和碳密度均與土層深度有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨土層深度增加而顯著降低，結(jié)果與喀斯特峰叢洼地次生林3種群落土壤有機(jī)碳分布特征基本一致[7]。不同退化程度石灰土SOC隨土層深度變化的幅度和范圍不同，其中中度和重度退化石灰土隨土深變化較小，原因可能是植被覆蓋率較低，土壤容易發(fā)生淋溶。有關(guān)研究表明在鈣質(zhì)豐富的石灰土環(huán)境中，細(xì)菌及放線菌等微生物活動(dòng)異?；钴S[19]，使有機(jī)質(zhì)不斷分解形成腐殖質(zhì)，腐殖化后的胡敏酸易于與Ca2+形成不易分解的胡敏酸鈣，該化合物降低有機(jī)質(zhì)的分解程度，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積[20]。因此，退化程度高的地區(qū)，碳酸鹽巖出露率高，石灰土中鈣質(zhì)越豐富，有機(jī)碳含量較高。本研究發(fā)現(xiàn)輕度退化石灰土有機(jī)碳含量和碳密度高于其他退化程度，原因是無(wú)退化和潛在退化石灰土同時(shí)有著豐富的植被歸還量和高的分解速率，中度和重度退化石灰土植被覆蓋率低和裸巖率高，而輕度退化石灰土有一定的植被歸還量同時(shí)有利于有機(jī)質(zhì)的積累。

土壤中的氮素主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w的歸還量及生物固氮過(guò)程，也有少部分來(lái)自于大氣沉降[21]，其輸出主要靠土壤有機(jī)質(zhì)的分解。土壤有機(jī)質(zhì)分解后大部分被植物吸收利用，部分經(jīng)過(guò)礦化、硝化、反硝化作用以及氨揮發(fā)等生物過(guò)程而重返大氣中[22]。因此，有機(jī)質(zhì)的積累與分解作用的相對(duì)強(qiáng)度決定了土壤全氮含量。因此，本研究中不同退化程度石灰土全氮和有效氮含量的剖面分布特征與有機(jī)質(zhì)含量的變化相一致。

土壤C∶N通過(guò)影響土壤微生物的代謝活動(dòng)，從而影響有機(jī)質(zhì)的分解速率。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)土壤的C∶N約為25∶1時(shí)，最有利于微生物通過(guò)同化作用形成自身的細(xì)胞及提供其生命活動(dòng)的能源。而比值為15～25時(shí)，土壤的有機(jī)質(zhì)供肥條件優(yōu)越。本研究結(jié)果表明，桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土的C∶N均低于15，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的分解較容易，尤其是氮素的礦質(zhì)化作用明顯，可以釋放更多的有效態(tài)氮，但也容易造成氮素的大量流失[23]。

3.2 桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土磷和鉀素剖面分布特征

自然條件下，土壤磷素主要依賴于成土母質(zhì)風(fēng)化和動(dòng)植物殘?bào)w歸還，其含量受土壤類型和氣候因素的影響，成土母質(zhì)的磷素含量直接影響土壤對(duì)磷的吸附能力以及成土母質(zhì)全磷的含量，也是形成磷素垂直分布特征的直接原因[24]。因此，各退化程度石灰土TP含量剖面特征不明顯，缺乏規(guī)律性。土壤中P除了來(lái)源于母質(zhì)，還來(lái)源于植物歸還，由于植被類型和土壤差異，導(dǎo)致全P具有較大的變異性[25]。土壤鉀素基本全部由成土母質(zhì)風(fēng)化而來(lái)，其剖面分布特征可能與土壤的淋溶特征有關(guān)。本研究中，桂西北喀斯特地區(qū)不同退化程度石灰土TP和TK含量隨土層深度的增加沒有顯著性變化，相關(guān)分析結(jié)果表明，各退化程度石灰土TP和TK與土層深度之間基本無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系，該分布特征與其含量主要來(lái)源與土母質(zhì)有關(guān)。此外，中度和重度退化石灰土AP含量顯著高于其他退化程度，原因是退化程度高的群落受到的人為干擾較大。AK在無(wú)退化石灰土中的含量高于退化石灰土，原因是土壤中的AK含量是受植被根系吸收量和植被枯枝落葉歸還量共同影響的。然而，認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分剖面分布特征對(duì)石灰土不同退化程度的響應(yīng)，有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)石灰土的退化現(xiàn)狀及退化過(guò)程中石灰土養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，其影響因素有待進(jìn)一步探究，從而真正揭示喀斯特區(qū)石灰土退化機(jī)理。