不同土地利用方式对喀斯特峰丛洼地土壤团聚体碳、氮、磷分布特征的影响

卢怡+龙健++廖洪凯++李娟+刘灵飞++郭琴++姚斌++龙治峰

摘要：以贵州茂兰喀斯特自然保护区耕地、退耕还草地、退耕还林地、灌丛和原生林为研究对象，研究不同土地利用方式对0～20 cm土层土壤团聚体有机碳、全氮、全磷的分布特征以及对团聚体中有机碳、全氮、全磷含量的影响。结果表明，与耕地相比，退耕还草地、退耕还林地、灌丛和原生林明显提高了原状土壤及各粒径团聚体土壤有机碳、全氮的含量，而全磷含量则相反；随着粒径的逐渐减小，有机碳、全氮含量在0.25～0.50 mm粒级团聚体中最高。相关分析表明，土壤有机碳、全氮含量均与>5、>2～5、>1～2、>0.25～0.50、≤0.25 mm粒级团聚体之间呈极显著相关关系，其中与>5粒级团聚体呈极显著负相关，而与>0.5～1.0 mm粒级团聚体不相关；全磷含量与有机碳、全氮含量及>2～5、>0.25～0.50 mm粒级呈极显著负相关，与>5、>2～5 mm粒级团聚体呈显著相关，而全磷含量与>0.5～10 mm、≤0.25 mm粒级团聚体间不相关。

关键词：茂兰喀斯特；土地利用；洼地；土壤团聚体；碳；氮；磷

中图分类号： S152.4；S153.6+1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）06-0289-05

土壤团聚体对土壤有机碳、氮、磷、钾等养分具有稳定和保护的作用，由单个土粒和土壤养分结胶而成，且对土壤许多物理化学性质均有影响[1-2]。同时，土壤团聚体是肥力的重要组成部分和土壤肥力指标之一[3]。土壤粒径的大小和稳定性会对土壤的通气性、土壤含水量等产生很大的影响，与土壤物理、生态化学计量学特征及植物的生长有密切的联系。在不同利用方式下，由于土壤养分输入或者输出的方式不同，对土壤团聚体各粒径土壤养分含量的影响有所差异。目前，一些研究者如张履勤等认为，土壤有机碳、氮、磷、钾在土壤团聚体中出现两端高、中间低的特征，土壤团聚体含量与有机质含量呈正相关[4-5]；另一些研究者如李辉信等认为，土壤团聚体活性有机碳含量以0.25～1.00 mm粒级含量最高，团聚体<0.25 mm时随粒径的减小而减小[6]；李玮等却认为，土壤有机碳、氮、磷含量随土壤团聚体粒径的减小而增加[7]。在喀斯特石漠化地区，阔叶林土壤有机碳高于灌木林、灌草丛和稀疏草丛[8]。可见，在土壤团聚体研究方面，大多数研究针对喀斯特石漠化地区、干旱、半干旱及红壤丘陵地区[9]，而对于我国亚热带喀斯特地区的研究较少。近20余年来，贵州茂兰喀斯特国家自然保护区受“退耕还林”、旅游业发展、人口增长等因素的影响，土地利用方式发生了改变，在产生一定经济利益的同时也使环境发生了演变。因茂兰保护区有着峰丛漏斗、峰丛洼地的地形，与其他地貌的地区相比，无论在任何一方面都有显著不同之处，是一种很特殊的地理群落，因而其生态环境问题一直是学术界关注的焦点。因此本研究以茂兰喀斯特自然保护区主要土地利用方式下的土壤作为研究对象，探讨不同土地利用方式土壤团聚体中有机碳、氮、磷的分布特征，对调控土壤肥力及土壤资源的合理利用具有良好的作用，可作为预测养分限制性的重要指标。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究地点在茂兰国家级自然保护区，该地位于贵州省南部荔波县境内，地处中亚热带南缘（地理位置107°57′34.21″～107°57′41.22″E，25°18′0.27″～25°18′12.68″N），研究区内主要是由纯质石灰岩、白云岩构成的喀斯特地貌，地貌类型组合主要为峰丛漏斗、峰丛洼地。最高海拔1 078 m，最低 430 m，平均海拔500～800 m，年平均气温15.3 ℃，1月平均气温 5.2 ℃，7月平均气温23.5 ℃。年降水量1 750 mm，集中分布在4—10月，年平均相对湿度83%。土壤呈中性（pH值663～7.05），主要为黑色石灰土，其次为黄壤。该区森林生态系统与分布在其他地貌上的森林植被相比，无论在生态环境方面还是系统组成、结构、功能及对环境影响等方面，都有显著不同之处，是一种很特殊的森林生态系统和非地带性生物地理群落，在世界植被中占有重要地位，同时也是世界上同纬度地区仅幸存下来的一片原生性较强的喀斯特森林[10]。茂兰保护区有耕地、退耕还草地、退耕还林地、灌丛和原生林这5种土地利用类型。

1.2样品采集

供试土壤于2015年6月采集，在野外实地调查的基础上，根据不同土地利用方式的地理位置及周边环境情况进行综合考虑，选择地理位置相对集中、不同土地利用方式的样地（分别为耕地、退耕还草地、退耕还林地、灌丛、原生林）为采样对象。土壤样品按照“S”形，在每个样地中设置5～7个样点，采样时先将土体表面枯枝落叶除掉，取样深度在0～20 cm，并混制成1个土样。土样带回实验室后，挑出可见的残根、石头及凋落物，室内风干，一部分保持原状用于团聚体分级，然后研磨过100目筛测定碳、氮、磷含量；另一部分风干后用于土壤常规分析。

1.3分析方法

土壤团聚体采用干筛法[11]分离出>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm的团聚体，土样有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定[12]；土样总氮含量采用全自动碳氮分析仪（vario MACRO CUBE）测定。土壤样品的基本性状见表1。

1.4数据处理与统计分析

数据采用SPSS 18.0软件进行统计分析，对数据进行单因素方差分析（ANOVA），差异顯著性分析用Duncans法，相关性分析中采用Pearson指数表示。

各粒径团聚体质量百分含量=各粒径团聚体质量/土样样品总质量×100%；

各粒级养分储量（g/kg）=该级团聚体中养分的含量（g/kg）×该级团聚体的组成（%）；

团聚体对土壤养分的贡献率=某粒级养分储量（g/kg）/原状土壤中养分含量×100%。

2结果与分析

2.1不同土地利用方式各团聚体的组成特征

由表2可见，团聚体分布以>5 mm粒级所占比例最高，平均约为40.06%；其次是>2～5 mm粒级，平均约为2154%；≤0.25 mm粒级微团聚体含量最少，平均约为383%。在不同土地利用方式下，土壤中>1～2 mm、≤0.25 mm 粒级团聚体含量排序均是原生林>灌丛>耕地>退耕还林地>退耕还草地；而在原生林土壤中，>2～5 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm粒级团聚体含量则均显著高于退耕还草地、退耕还林地；随着土壤肥力的增加，耕地、退耕还草地、退耕还林地、灌丛和原生林土壤中团聚体含量间的差异逐渐增大；除原生林土壤以>2～5 mm团聚体含量最高外，耕地、退耕还草地、退耕还林地和灌丛均以 >5 mm 粒级团聚体含量最高，且不同土地利用方式同级粒级间达显著差异水平，说明不同土地利用方式间均以大颗粒团聚体为主体（表2）。

2.2不同土地利用方式对团聚体有机碳、全氮、全磷含量的影响

2.2.1土地利用方式对团聚体有机碳含量的影响从不同土地利用方式下土壤原土有机碳含量（表1）可以看出，耕地土壤有机碳含量最低，退耕还草地、退耕还林地、灌丛、原生林分别是耕地的1.14、1.23、2.20、5.04倍，后两者与耕地之间差异达显著水平。在不同粒级的团聚体中，以>0.25～0.50 mm 粒级的团聚体含量最高，其次是≤0.25、>0.5～1.0 mm 粒级的团聚体，三者平均分别约为52.91、51.01、5030 g/kg，与原土有机碳含量相比分别提高了6.95%、311%、1.65%；而 >5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm粒級团聚体有机碳含量较低，平均分别约为47.37、48.61、49.15 g/kg，分别比原土降低了 4.24%、1.74%、0.65%（表3）。从总体上来看，除了 ≤0.25 mm 粒级以外，不同土地利用方式中土壤各团聚体有机碳含量排序均为原生林>灌丛>退耕还林地>退耕还草地>耕地，与耕地相比，不同土地利用方式中>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～050 mm粒级团聚体的有机碳含量均有所提高，增幅分别为0.38%～335.72%、3.18%～357.09%、10.63%～371.27%、11.07%～367.52%、7.36%～329.44%（表3）。

2.2.2土地利用方式对团聚全氮含量的影响由表1、表3差异性分析可看出，不同土地利用方式对土壤全氮含量的影响与对有机碳含量的影响较一致。不同土地利用方式下原土的全氮含量（表1）显示，耕地的全氮含量最低，退耕还草地、退耕还林地、灌丛、原生林分别比耕地提高了0.40%、1093%、85.43%、234.41%，后两者与耕地之间差异显著。由表3可见，不同粒级中>1～2 mm粒级团聚体全氮含量最低，平均约为3.92 g/kg，比原土低4.62%，其次是 ≤0.25 mm、>5 mm、>2～5 mm粒级全氮含量较低，平均含量分别为3.93、4.01、4.01 g/kg，分别比原土降低4.38%、243%、2.43%；而>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm粒级全氮含量较高，平均含量分别为4.29、4.35 g/kg，分别比原土高4.38%、5.84%。总体来看，不同土地利用方式下土壤各团聚体全氮含量排序均是原生林>灌丛>退耕还林地>退耕还草地>耕地，且均是原生林、灌丛与耕地、退耕还林、退耕还草间达到差异显著水平，与耕地相比，不同土地利用方式下各团聚体的全氮含量均有所增加，增幅分别为8.51%～247.45%、6.06%～254.55%、11.89%～227.31%、12.39%～25983%、15.68%～252.54%、14.72%～211.26%（表3）。

2.2.3土地利用方式对团聚体全氮含量的影响由表3可见，不同土地利用方式中原土全磷含量最高，平均为 0.892 g/kg，退耕还草地、退耕还林地、灌丛、原生林与耕地相比分别降低了12.96%、20.37%、22.22%、31.48%。不同粒级中全磷含量分别比原土全磷含量提高了0.90%、2.91%、1.79%、2.91%、2.47%、2.02%；不同土地利用方式下全磷含量与有机碳、全氮含量则相反，除了>0.25～0.50 mm的全磷含量排序为耕地>退耕还草地>灌丛>退耕还林地>原生林，其他粒级均是耕地>退耕还草地>退耕还林地>灌丛>原生林；在不同土地利用方式下，差异达到显著水平，与耕地相比，不同土地利用方式下各团聚体的全磷含量均有所下降，降幅分别为13.76%～29.36%、17.65%～38.66%、12.39%～33.63%、8.85%～37.17%、11.97%～38.46%、13.51%～34.23%。

2.3不同土地利用方式对团聚体有机碳、全氮和全磷储量及贡献率的影响

2.3.1对团聚体有机碳储量及贡献率的影响上述研究表明，不同土地利用方式下>5 mm粒级团聚体有机碳含量最低，但所占比例最高。从表4、表5可看出，有机碳储量在 >5 mm 粒级团聚体中最大，平均为15.36 g/kg；>2～5 mm粒级次之，平均为11.66 g/kg；≤0.25 mm粒级最少，随着粒级的减小储量随之减少。在>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm 6个粒级中，有机碳的贡献率分别为39.62%、21.30%、13.78%、1476%、4.17%，说明>5 mm粒级是有机碳储量的主体。不同土地利用方式间比较发现，原生林与灌丛均提高了6个粒级团聚体中有机碳的储量，与耕地相比分别是其2.28、6.56、7.70、4.17、9.39、4.23、1.23、2.54、3.33、1.35、3.56、1.74倍；耕地、退耕草地、退耕还林地、灌丛均以>5 mm粒级对有机碳贡献率最大，分别为45.10%、53.98%、53.24%、25.41%；原生林在>2～5 mm粒级对有机碳贡献率最大，为27.02%。

2.3.2对团聚体全氮储量及贡献率的影响从表4、表5可以看出，全氮储量与有机碳储量规律较一致，不同粒级团聚体中储量是>5 mm粒级最多，平均为1.359 g/kg，其次是>2～5 mm，为0.948 g/kg；在>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm 6个粒级中的平均贡献率分别为38.94%、20.97%、13.29%、1462%、701%、3.77%，说明>5 mm是全氮储量的主体。对不同土地利用方式间的比较发现，原生林、灌丛均提高了6个粒级团聚体中全氮的储量，与耕地相比分别是其1.85、507、5.38、3.10、7.64、3.81，1.36、2.63、3.23、1.28、3.82、218倍。耕地、退耕还草地、退耕还林地、灌丛均以>5 mm粒级对有机碳贡献率最大，分别为38.48%、56.33%、5092%、27.89%；原生林在>2～5 mm粒级对有机碳贡献率最大，为27.37%。

2.3.3对团聚体全磷储量及贡献率的影响从表4、表5可看出，全磷储量与有机碳、全氮储量规律基本一致，不同粒级团聚体中储量也是>5 mm粒级最多，平均为0.366 g/kg，其次是>2～5 mm，为0.193 g/kg；在>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm 6个粒级中的平均贡献率分别为38.94%、2097%、13.29%、

14.62%、7.01%、3.77%，说明>5 mm也是全磷储量的主体。对不同土地利用方式的比较发现，退耕还草地与退耕还林地均降低了>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1.0 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm粒级团聚体中全磷的储量，与耕地相比分别是降低了24.89%、29.32%、48.66%、24.14%、34.88%，38.86%、39.10%、52.68%、3276%、25.58%。耕地、退耕還草地、退耕还林地、灌丛均以>5 mm粒级对全磷贡献率最大，分别为46.23%、47.20%、49.35%、35.95%；原生林在>2～5 mm 粒级对全磷贡献率最大，为24.27%。

2.4土壤养分含量与团聚体的相关性

由表6可见，土壤有机碳、土壤全氮含量均与>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.25～0.50 mm、≤0.25 mm粒级团聚体含量之间达到了极显著相关关系（P<0.01），其中与 >5 mm 粒级团聚体呈极显著负相关（P<0.01），分别为 -0.839**、-0.899**；有机碳含量与全氮含量之间呈显著相关（P<0.05）；全磷含量与>2～5 mm、>0.25～0.50 mm粒级团聚体、有机碳、全氮含量呈极显著相关（P<0.05），与>0.25～0.50 mm粒级团聚体、有机碳、全氮含量呈极显著负相关，与>5 mm、>1～2 mm粒级团聚体分别呈显著正相关、显著负相关（P<0.05）；>0.5～1.0 mm粒级团聚体、有机碳、全氮、全磷含量均无显著相关关系。

3讨论

不同土地利用方式对土壤有机碳、全氮、全磷存在一定影响，同时也在改变土壤团聚体的分配状况。本研究中原生林地和灌丛地有机碳、氮和磷主要来源于动物粪便、动植物残体、根系分泌物及代谢产物，退耕还草地、退耕还林地主要是曾经施用而还未分解完全的磷肥，耕地还包括人为施加磷肥、粪肥等养分。本研究发现，在不同土地利用方式下，原生林主要增加了>2～5 mm团聚体的含量， 其他土地利用方式下的

土壤团聚体含量的增加均集中在>5 mm粒级。可能是因为受人为干扰多，且雨水较多，导致大粒级团聚体（>5 mm，>2～5 mm）增加，因此大团聚体是喀斯特山区地表层团聚体的主要存在形式，这与廖洪凯等研究结果[13]基本一致。原生林地、灌丛地各粒径团聚体中有机碳、氮含量均高于耕地、退耕还草地和退耕还林地，原生林地和灌丛地植被丰富，生长旺盛，光合作用强，根系发达，因此为土壤提供了大量的养分，并为刺激微生物活性发挥了营养作用[14]，而且原生林地和灌丛地几乎无人为干扰，凋落物的分解腐烂也为土壤提供了丰富的碳源、氮源。而耕地、退耕还草地、退耕还林地虽有外源养分的加入，但退耕还草地和退耕还林地因曾经频繁的耕作，使土壤的通气性提高，加速了土壤碳氮的分解；而耕地由于长期耕作导致土壤疏松，土壤中碳氮容易流失，又因耕地常年为农作物施加绿肥和粪肥，因此耕地的磷含量高，而耕地农作物根系不发达，根系生物量较小，对土壤碳氮的提供有限。另外耕地主要的作物是蓝靛，收割作物及作物清理等，都使农作物的碳氮不能归还到土壤中；耕地、退耕还草地和退耕还林地凋落物较少，无法形成较厚的凋落物层，所以土壤养分含量较小。

不同土地利用方式对团聚体的形成和稳定产生直接或间接的影响，一方面进入土壤中的有机质和土壤微生物不同，另一方面由于表层植物不同，导致地下根系的分布和生物量变化不同。土壤团聚体有机碳、全氮含量均是原生林最高，灌丛其次，与原状土壤有相似之处，表明原状土壤有机碳、全氮含量对土壤各粒径团聚体有机碳、全氮含量的多少起了决定性作用。在本研究中，有机碳含量在>0.25～0.50 mm之间达到最大值（平均为52.91 g/kg），随着团聚体粒径的降低，有机碳含量有所增加，这与Christensen等对有机碳主要分布在小粒径团聚体中的研究结果[15]基本一致。但刘晓利等研究认为，随着土壤肥力的降低，各粒级团聚体中有机碳含量的变化是先降低后升高，本研究结果与其基本符合[16]。土壤全氮对有机碳的保持起主要作用，土壤有机碳与全氮含量的分布情况较为一致[17-18]，>0.25～0.50 mm之间粒径团聚体全氮含量最高（平均为4.35 g/kg），这与土壤有机碳含量有关。土地利用方式的不同，在受人为干扰逐渐减少的情况下，全氮含量显著升高，特别是原生林有机碳、全氮含量均是最高，主要是有机碳的积累及枯枝落叶为表层土壤全氮提供了重要来源。然而全磷与有机碳、全氮含量分布规律相反，全磷在土壤中的迁移率较低，使全磷的变化较为稳定[16]。本研究表明，在不同土地利用方式下，原生林地最低，各团聚体中全磷含量的分布规律一致，均是耕地>退耕还草地>退耕还林地>灌丛>原生林，表明土壤磷素在不同土地利用方式中的分布不同于有机碳、全氮，这与刘晓利等的研究结果[16]一致。根据实地调查，虽然原生林与灌丛有丰富的凋落物，同时也有利于磷的积累[9]，但是与耕地相比，耕地磷含量明显大于原生林、灌丛，主要是因为耕地常年人为施加磷肥、粪肥，这是导致全磷含量在耕地中最高的原因。

就各粒级团聚体对土壤有机碳、全氮、全磷含量而言，>5 mm 团聚体贡献率最高，>2～5 mm团聚体贡献率也较高，不同土地利用方式中，除了原生林>2～5 mm粒级团聚体贡献率最高以外，整体效应表现为较大团聚体对土壤有机碳、全氮、全磷含量贡献率在48.35%以上。虽然>0.25～0.50 mm 粒级团聚体有机碳、全氮含量最高，但>0.25～0.50 mm 粒级团聚体对有机碳、全氮含量贡献率较低，且变幅较小，说明有机碳、全氮、全磷含量具有一定稳定性。而团聚体对有机碳、全氮、全磷含量的贡献率峰值均在>5 mm、>0.5～1.0 mm粒级出现，这主要是由于<0.50 mm粒级的微团聚体在不同土地利用方式土壤中的占有率远低于其他组分。可见，>0.5 mm 粒级的较大团聚体是茂兰喀斯特山区中团聚体有机碳、全氮、全磷的主要載体，表明大团聚体是微团聚体在有机质的胶结作用下形成的，因此适当增加有机物的投入有助于改善团聚体结构及植物的生长。从相关分析来看，土壤团聚体有机碳、全氮、全磷含量与各粒级团聚体含量均达显著相关性，表明土壤团聚体含量可作为判断有机碳、全氮、全磷含量动态的敏感性指标，能有效地提高土壤养分含量，从而促进>0.5 mm以上的团聚体形成，并降低了土壤微团聚体的含量，有研究者认为>0.25 mm粒级的土壤团粒结构是最好的结构体，数量上与土壤养分呈正相关[19]，与本研究结果基本一致。本研究得出，>0.25 mm粒级团聚体含量占全土的97.09%以上，与土壤有机碳、全氮和全磷呈显著相关，可作为反映茂兰喀斯特山区土壤肥力的指标。

4结论

土壤各团聚体随着受干扰程度的减少及植被的恢复，有机碳、全氮、全磷含量发生了一定的改变，不同土地利用方式下土壤全氮与有机碳含量分布规律大体一致，而土壤全磷含量相反。不同土地利用方式下，受到的干扰程度越小越有利于有机碳、全氮、全磷的积累，但是在各粒径团聚体中，土壤有机碳、全氮、全磷分布不均匀，较大的团聚体是土壤有机碳、全氮、全磷的主要载体。植被的恢复促进了有机碳、全氮和全磷的恢复，从而促进了团聚体的形成。因此，在茂兰喀斯特地区进行生态恢复时，可通过人工补给养分和保护地表的凋落物层，以促进团聚体的形成和土壤肥力的增加。

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