喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳及磷素賦存特征

岑龍沛,嚴(yán)友進(jìn),戴全厚,*,焦 權(quán),胡 剛,高儒學(xué),伏文兵

1 貴州大學(xué)林學(xué)院,貴陽 550025 2 貴州大學(xué)土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究中心,貴陽 550025 3 遵義市紅花崗區(qū)水務(wù)局,遵義 563000 4 貴州華保環(huán)境技術(shù)咨詢有限公司,貴陽 550002

土壤作為植物的主要載體,為其提供了生長所需的立地空間和養(yǎng)分、水分等,是植被生長和恢復(fù)的必要條件[1]?？λ固厥瘏^(qū)嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致地表土層淺薄不連續(xù)、土壤嚴(yán)重退化,嚴(yán)重制約了石漠化區(qū)的植被恢復(fù)?？λ固仄碌靥厥獾亩Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致該地區(qū)存在地表和地下兩個(gè)方向的水土流失。土壤在徑流驅(qū)動(dòng)下通過裂隙系統(tǒng)向下流失過程中,部分土壤暫時(shí)賦存于淺層巖溶裂隙中,形成了裂隙土壤系統(tǒng)。研究表明,裂隙土壤系統(tǒng)已成為喀斯特石漠化坡地重要的植物生境之一。眾所周知,土壤養(yǎng)分是植物主要的養(yǎng)分來源之一,因此,土壤養(yǎng)分條件直接影響著植物的生長和恢復(fù)程度。土壤碳和磷元素是喀斯特植被恢復(fù)生長不可或缺的營養(yǎng)成分,且是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物圈土壤養(yǎng)分循環(huán)的核心和主要成分,驅(qū)動(dòng)著其他養(yǎng)分元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力和理化性質(zhì)[2-3]。磷含量的盈缺會(huì)直接影響植物的生長及發(fā)育[4],土壤有機(jī)碳作為土壤質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo),在影響土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、反映土地生產(chǎn)力和環(huán)境健康功能等方面具有重要的作用和意義[5]。目前關(guān)于喀斯特有機(jī)碳和磷素的研究報(bào)道,主要集中于喀斯特不同地貌類型、土地利用方式、植被覆蓋/類型下的分布特征等方面[6- 11],如許聯(lián)芳等[6]、潘復(fù)靜等[8]研究了典型喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式有機(jī)碳及植被群落凋落物碳磷比特征；胡忠良[7]對不同植被覆蓋條件下淺層土壤有效磷和總磷的分布特征做了探索,指出在植被類型變化后土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量下降較全量養(yǎng)分顯著；黃先飛等[10]分析了喀斯特地區(qū)不同植被覆蓋及土地利用方式下土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律,提出該區(qū)土壤有機(jī)碳具有含量高、密度低的顯著特征等。劉鴻雁等[12]分析了石灰?guī)r和白云巖地下裂隙對喀斯特關(guān)鍵帶植被組成和生產(chǎn)力的影響。

綜上可見,當(dāng)前關(guān)于喀斯特坡地土壤碳、磷的研究已有了一定的成果。然而,當(dāng)前的研究多集中于對0—20 cm處的土壤碳、磷特征。相較于被植物直接作用的地表土壤,淺層巖溶裂隙土壤條件異于地表。因此,植被與裂隙土壤碳、磷間的相互作用關(guān)系勢必會(huì)發(fā)生改變。鑒于此,本文在典型喀斯特小流域內(nèi),探索不同土地利用類型下裂隙土壤的土壤有機(jī)碳和磷素含量變化及其賦存特征,以期為喀斯特石漠化地區(qū)石漠化治理和植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在貴州省安順市鎮(zhèn)寧縣大山鎮(zhèn)雙龍山街道辦事處新發(fā)社區(qū)的典型喀斯特石漠化新發(fā)小流域(105°49′30"—105°49′51″E,26°06′53″—26°07′23″N),總面積約0.33 km2。研究區(qū)內(nèi)巖石裸露,生境破碎,淺層巖溶裂隙發(fā)育,無落水洞、地下暗河、天窗等分布。地層巖性為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第三段(T2g3)的白云質(zhì)灰?guī)r。海拔1281—1393 m,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,平均氣溫14.03 ℃,積溫(10 ℃)高達(dá)4116 ℃,日照時(shí)數(shù)960—1300 h,平均無霜期294 d,年均降水量1193 mm,多年平均蒸發(fā)量為550 mm。土壤類型以石灰土為主,亞熱帶常綠闊葉林是主要地帶性植被類型。土地利用類型包含草地、撂荒地、灌木林地和喬木林地，具體信息見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 土樣采集

本研究采用樣地調(diào)查法,外業(yè)調(diào)查取樣于2017年7—8月進(jìn)行。在研究區(qū)布設(shè)50 m×50 m的網(wǎng)格,再在網(wǎng)格點(diǎn)處布設(shè)60個(gè)10 m×10 m樣點(diǎn),在每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)選取3條典型裂隙,進(jìn)行樣點(diǎn)、裂隙信息及土壤樣品的采集。按0—20 cm, 20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm四個(gè)層次、同一層次土壤樣品均勻混合采樣,依次標(biāo)記為U1,U2,U3,U4。裂隙數(shù)目分別為草地9條、撂荒地8條、灌木林地29條和喬木林地14條。最后采樣方法具體見Yan等[13]。

1.3 樣品測定

土壤樣品去除土壤侵入體和新生體后,過2 mm 篩孔土壤以測定土壤有效磷及pH,過0.25 mm 篩孔土壤以測定有機(jī)碳和全磷。測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法》[14],土壤有機(jī)碳測定采用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法,土壤全磷含量測定采用硫酸高氯酸消煮鉬藍(lán)比色法,土壤有效磷含量測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法,pH測定采用電位法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,使用Origin 9.1畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型下裂隙土壤有機(jī)碳賦存特征

有機(jī)碳作為土壤中較活躍的重要物質(zhì)組成,提供植物生長所需的營養(yǎng)元素,滿足生命活動(dòng)的條件,且對土壤的理化性質(zhì)、肥力和土地可持續(xù)利用等方面有著十分重要的作用與意義[15- 16]。分析不同土地利用類型對裂隙土壤有機(jī)碳賦存特征可見表2,4種土地利用類型下的裂隙土層U1至U4的土壤有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為隨土層深度增加呈現(xiàn)降低的變化趨勢,土壤有機(jī)碳含量整體上在土層U1高于其他土層；土壤有機(jī)碳含量在土層U1、U2和U3中表現(xiàn)為灌叢地顯著高于喬木林地、草地和撂荒地,在土層U4中喬木林地高于其他土地利用類型。草地的有機(jī)碳含量在U4顯著低于其他3個(gè)土層；撂荒地、灌叢地和喬木林地的有機(jī)碳含量在各自的4個(gè)土層間均無顯著性差異。

表2 不同土地利用類型下裂隙土壤有機(jī)碳賦存特征

撂荒地、草地和灌叢地中,土壤有機(jī)碳含量整體上表現(xiàn)為隨土層增加而減少,各有機(jī)碳含量變化范圍分別為：22.346—26.892 g/kg、16.067—38.330 g/kg和23.539—39.436 g/kg,有機(jī)碳含量在撂荒地的4個(gè)土層間均無顯著性差異；在草地土層U1的土壤有機(jī)碳含量與3個(gè)土層差異顯著,尤其是土層U1顯著高于U4；在灌叢地裂隙土層U1和U2的土壤有機(jī)碳含量均值為最高,分別為39.436 g/kg和38.205 g/kg,土壤有機(jī)碳含量在U1土層顯著高于其他土層。喬木林地中,4個(gè)裂隙土層土壤有機(jī)碳含量變化表現(xiàn)為土壤有機(jī)碳從土層U1至U3整體在減少而后在土層U4增加,即：U2

圖1 不同土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳含量賦存變異特征 Fig.1 Variation of organic carbon content in fissured soils of different land use types

2.2 不同土地利用類型裂隙土壤磷素賦存特征

2.2.1全磷賦存特征

全磷可反映土壤磷庫潛在的供磷能力,有效磷可被植物直接吸收利用,且可作為評價(jià)土壤磷供應(yīng)植物生長能力的重要指標(biāo)[17]。由表3可看出,除喬木林地外,草地、灌叢地和撂荒地裂隙土壤全磷含量主要集中在土層U1和U2,喬木林地表現(xiàn)出的分布特點(diǎn)是上層低下層高,其他3種土地利用類型俱呈現(xiàn)出上層高下層低的分布特征；土壤全磷含量在土層U1和U2中整體表現(xiàn)為喬木林地、灌叢地低于草地和撂荒地,在土層U3中草地高于其他土地利用類型,在土層U4中喬木林地高于其他土地利用類型。撂荒地和草地的全磷含量各在土層U1和U2顯著于U3、U4,灌叢地中的U4則顯著低于其他3個(gè)土層；喬木林地U4則顯著高于其他3個(gè)土層。

表3 不同土地利用類型下裂隙土壤全磷賦存特征

圖2 不同土地利用類型裂隙土壤全磷含量賦存變異特征 Fig.2 Characteristics of occurrence and variation of total phosphorus content in fissured soils of different land use types

對于撂荒地、灌叢地和草地而言,土壤全磷含量總體上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加不斷下降,撂荒地、草地的裂隙土層U1、U2顯著高于U3、U4的土壤全磷含量；灌叢地土層U1與U4關(guān)系明顯,即全磷含量在土層U1中顯著高于U4。對于喬木林地而言,土壤全磷含量在裂隙土層的變化具體表現(xiàn)為在U1先降低后上升最后在U4達(dá)到最高的趨勢,這與喬木林地的有機(jī)碳含量變化趨勢整體一致,且土壤全磷含量在土層U4顯著高于其他3個(gè)土層。由圖2看出,全磷含量變異系數(shù)變化范圍為0.018—0.489,其中草地、喬木林地和灌叢地全磷含量變異在0.241—0.489之間,總體變異程度為中度；撂荒地在4種土地利用類型裂隙土壤中整體變異系數(shù)為最小,在0.0176—0.127之間,總體上屬于弱變異。

2.2.2有效磷賦存特征

由表4可看出,總體來說,土壤有效磷含量在裂隙表層顯著高于其他土層,喬木林地、灌叢地和撂荒地裂隙土壤有效磷含量整體在土層U1和U2高于其他土層,且變化幅度較小,其分布特點(diǎn)為上層高下層低；而草地呈現(xiàn)上下層高,中間低的分布格局。土壤有效磷含量在土層U1表現(xiàn)為撂荒地高于其他土地利用類型,在土層U2和U3趨勢表現(xiàn)為灌叢地高于其他土地利用類型,在土層U4則是草地高于其他土地利用類型。除灌叢地不同土層間存在顯著差異,其余3種土地利用類型的4個(gè)土層間均無顯著性差異。

表4 不同土地利用類型下裂隙土壤有效磷賦存特征

在撂荒地中,隨著土層的增加,土壤有效磷含量總體上在降低；在草地中,各土層變化趨勢表現(xiàn)是先降低后增加,即：U3

圖3 不同土地利用類型裂隙土壤有效磷含量賦存變異特征Fig.3 Variation characteristics of available phosphorus content in fissured soils of different land use types

2.3 不同土地利用類型下裂隙土壤碳磷比特征

土壤碳磷比是有機(jī)質(zhì)或其他成分中碳素與磷素總質(zhì)量的比值,是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量程度的一個(gè)重要指標(biāo)[18]。見圖4和圖5,4種土地利用類型下裂隙的土壤碳磷比表現(xiàn)為,喬木林地和灌叢地的C/P總體上隨土層的加深表現(xiàn)為減小,而草地和撂荒地呈先減小后增加的趨勢；土壤碳磷比在4個(gè)裂隙土層中表現(xiàn)為灌叢地均高于其他土地利用類型。

圖4 不同土地利用類型裂隙土壤碳磷比Fig.4 C/P ratio of fissured soils in different land use types不同大寫字母代表不同土地利用類型間差異顯著；不同小寫字母代表同一土地利用類型不同土層間差異顯著(P<0.05)

喬木林地中,土壤C/P逐漸降低隨土層深度增加,土層U1和U2的碳磷比近似,而U3和U4在170.0以下。草地中,土壤C/P隨土層深度增加,先減小后增大；土層U2與U1相比變化不大,土層U3、U4與U2相比土壤C/P繼續(xù)增大,在U4達(dá)到最大。灌叢地中,土壤C/P隨土層加深先增大后減小,在土層U2與U3變化增大,而在土層U4減小；4個(gè)土層的土壤碳磷比均在213.046以上。撂荒地中,土壤C/P隨土層加深先減小后增大,土壤碳磷比在土層U2僅為86.50,分別為土層U1、U3、U4的77.19%,64.07%,47.20%。不同裂隙土層下4種土地利用類型的土壤碳磷比在U1、U2、U3、U4變化范圍分別為112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,且變化趨勢具體為：在土層U1和U2喬木林地較次之灌叢地,在土層U3和U4草地較次之灌叢地。

2.4 裂隙土壤碳磷賦存的影響因素

喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤磷素和碳磷比主要受土壤有機(jī)碳和土層深度的影響如表 5 所示。其中,土壤全磷含量與其他指標(biāo)相關(guān)性未達(dá)到顯著水平,與 C/P和土層深度表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān),而與pH呈負(fù)相關(guān)；土壤有機(jī)碳與土壤有效磷、C/P和土地利用類型表現(xiàn)為顯著正相關(guān)水平；土壤有效磷含量與C/P和土地利用類型呈極顯著正相關(guān),與土層呈顯著極負(fù)相關(guān)；除土層深度外,pH均與各指標(biāo)呈負(fù)相關(guān),且程度不高；土壤碳磷比與土壤全磷、有效磷和有機(jī)碳均達(dá)到極顯著水平,其中與全磷呈負(fù)相關(guān)；土層深度均與全磷、有機(jī)碳和有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān),即土層深度越增加,全磷、有效磷、有機(jī)碳含量越低；土地利用類型與土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為正相關(guān),與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān),表明土壤有機(jī)碳和有效磷含量亦可能與不同的土地利用類型有關(guān)。

圖5 不同土層下土地利用類型裂隙土壤碳磷比Fig.5 C/P ratio of fissured soils under different land use types

3 討論

通過對比不同土地利用類型對裂隙土壤有機(jī)碳含量賦存特征可知,4種土地利用類型裂隙土層土壤有機(jī)碳含量總體呈現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的變化趨勢,但從表層向下的趨勢不同,相關(guān)性結(jié)果亦顯示,土壤有機(jī)碳含量在不斷降低隨土層深度的增加,且整體上在U1土層為最高,這與許多學(xué)者在喀斯特區(qū)研究相關(guān)土地利用類型土壤結(jié)果相似[10,19],分析其原因可能是裂隙土壤表層有機(jī)碳來源于地表植被的植物凋落物,隨著土層的加深,在微生物的分解作用下土壤有機(jī)質(zhì)組分可降解性不同,難降解物質(zhì)逐漸增加,易降解物質(zhì)逐漸減少[20],同時(shí)由于凋落物的加入會(huì)促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)使其呼吸速率加快,使土壤原有有機(jī)碳的分解加速和釋放[9]；土壤有機(jī)碳含量在土層U1、U2和U3中表現(xiàn)為灌叢地顯著高于喬木林地、草地和撂荒地,原因可能是,灌叢地的植被更替速率快,使凋落物等向下的裂隙土壤遷移形成養(yǎng)分積累,故灌叢地有機(jī)碳含量較高；而喬木林地在土層U4呈上升的趨勢且高于其他土地利用類型,這是由于植物扎根生長于裂隙深層土壤中,植物根系及凋零物補(bǔ)充了有機(jī)質(zhì)或是裂隙土壤含水量較高,溫度變幅小,底層有機(jī)質(zhì)分解較緩慢或是地下裂隙土壤復(fù)雜的養(yǎng)分過程與土壤中植物根系、微生物和介質(zhì)和土壤等的綜合作用密不可分。

表5 裂隙土壤碳磷賦存影響因素相關(guān)性分析

本研究發(fā)現(xiàn),除喬木林地外,其他3種土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳、全磷和有效磷含量在土層U1至U4分布規(guī)律具有相似性,即上層高下層低的分布特點(diǎn),表明有機(jī)碳在很大程度上影響磷素含量變化,見表5可知,有機(jī)碳與土壤有效磷極顯著正相關(guān)水平為0.439。此外,在4種土地利用類型中,裂隙土壤全磷和有效磷主要集中在裂隙土壤表層(U1),隨土層的變化幅度較小,體現(xiàn)出其“表層聚集性”特點(diǎn),這與彭建勤等[21]的研究結(jié)果一致,全磷和有效磷在土壤剖面呈表聚性特征,而Yan等[13]研究也表明淺層巖溶裂隙內(nèi)土壤有機(jī)碳、全磷總體隨土層深度呈線性減小的變化趨勢。土壤質(zhì)地可能是土壤中磷素含量高低的主要性因素,受其影響,黏粒對土壤全磷、有效磷都有極強(qiáng)的吸附作用[22],但其主要原因,本研究試驗(yàn)土壤為石灰土,pH范圍為中性至堿性,磷素極易在偏堿性環(huán)境下被土壤固定而導(dǎo)致活性降低,而裂隙土壤表層有機(jī)質(zhì)豐富,微生物活動(dòng)較強(qiáng),土壤固磷作用較弱,可釋放有效磷；而裂隙土壤深層相反,使得有效磷含量較裂隙表土層少；或是有效磷屬于礦質(zhì)營養(yǎng),易被土壤顆粒吸附或生成難溶性磷酸鹽。

另外,本研究發(fā)現(xiàn),喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳和磷素變異均在中等程度,這與俞月鳳等[23]研究石灰土養(yǎng)分的變異結(jié)果一致；分析其原因可能是與裂隙形態(tài)、土壤質(zhì)地等有關(guān),如Yan等[13]認(rèn)為Y型裂隙頂部存在2處或者更多的開口,導(dǎo)致垂直方向上不同深度土壤的來源不一進(jìn)而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分出現(xiàn)較大的差異,大團(tuán)聚體組分與土壤總磷和有效磷含量呈正相關(guān),其增加可促進(jìn)磷素的積累[24],張偉等[25]通過喀斯特峰叢洼地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征研究則認(rèn)為,風(fēng)化凋落物的輸入和地表土壤的遷入能夠提高土壤養(yǎng)分含量。同時(shí),植被類型對養(yǎng)分分布有重要作用,生物不斷的累積過程是土壤養(yǎng)分形成和維持的基礎(chǔ),而土壤養(yǎng)分的空間變異又影響植物的生長和空間分布[23]。

磷的有效性可由土壤有機(jī)質(zhì)分解速率來確定,C/P低,有助于微生物在分解有機(jī)質(zhì)過程中的釋放從而促進(jìn)有效磷在土壤中的增加；而C/P高,微生物會(huì)出現(xiàn)磷受限情況進(jìn)而與植物競爭土壤磷,具有較強(qiáng)的固磷潛力,進(jìn)而抑制植物生長[18,26]。喬木林地和灌叢地的C/P隨裂隙土層的加深而逐漸降低,這一研究結(jié)果與李占斌等[27]對黃土丘陵區(qū)不同樣地的土壤碳磷及其化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果一致,C/P隨土層加深呈減小的趨勢。而草地和撂荒地呈先降低后上升的趨勢,同時(shí)在4個(gè)土層中灌叢地的土壤碳磷比均高于其他土地利用類型,其原因可能是草地與撂荒地裂隙深層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,由表4中的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,C/P與土壤有機(jī)碳、有效磷之間相關(guān)性極顯著,說明土壤C/P隨土壤深度的變化取決于有機(jī)碳含量。當(dāng)土壤碳磷比<200表示養(yǎng)分凈礦化,>300時(shí)表示養(yǎng)分凈固定,介于200—300表示可溶性磷濃度在土壤中變化較小[28]。本研究中,土壤碳磷比在各裂隙土層變化范圍分別為112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,總體上表現(xiàn)為<200和介于200—300,且均高于中國土壤碳磷比平均值61.00[29],這表明喀斯特裂隙土壤磷的有效性較低。本文主要探討了土壤有機(jī)碳和磷在地表至淺層巖溶裂隙垂直剖面上的空間賦存特征,研究結(jié)果初步指示了淺層巖溶裂隙土壤是喀斯特坡地土壤有機(jī)碳和磷的重要賦存空間。在后期的研究中可結(jié)合土壤生物地球化學(xué)等方面進(jìn)一步探討土壤碳、磷轉(zhuǎn)化和循環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,以提高裂隙土壤碳、磷對石漠化地區(qū)植被恢復(fù)的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

通過對喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳及磷素賦存特征分析,可以看出：

(1)撂荒地、草地、灌叢地和喬木林地裂隙土層的土壤有機(jī)碳賦存含量變化范圍為16.067—39.436 g/kg,總體表現(xiàn)為隨土層深度增加呈現(xiàn)減小的變化趨勢,整體在土層U1為最高；

(2)全磷、有效磷賦存含量變化范圍分別為0.093—0.274 g/kg、3.836—8.025 mg/kg；4種土地利用類型的裂隙土壤磷素整體在表層顯著高于其他土層,體現(xiàn)出上層高下層低的“表聚性”特點(diǎn)；

(3)喬木林地和灌叢地的碳磷比總體上表現(xiàn)出隨土層的加深而減小的趨勢,而草地和撂荒地先減小后增加；此外,土壤碳磷比在各土地利用類型裂隙土層變化范圍為86.499—268.343,表明磷的有效性較低；

(4)有機(jī)碳、全磷和有效磷含量變異系數(shù)變化范圍分別為2.6%—63%、1.8%—48.9%、4.5%—55.5%,整體上變異在中等程度；

(5)由相關(guān)性結(jié)果分析表明,有機(jī)碳對土壤碳磷比、有效磷含量變化有一定影響,隨土層深度的增加,各土地利用類型裂隙土壤有機(jī)碳、全磷和有效磷含量逐漸在減少。