黔南喀斯特峰丛洼地土壤养分时空动态

蔡国俊，张丽敏，李安定，龙秀琴

(贵州科学院 贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001)

土壤是植物生长和固定的基础，土壤养分是土壤肥力的重要指标[1]，土壤养分的空间分布特征直接影响着土壤生产力和生态恢复的途径和方向[2]。研究表明，土壤养分具有普遍的时空异质性[1,3-4]，土壤养分的时空异质性导致生长在其表面的植被的生理特征、群落结构和空间分布发生变化[5-6]。土壤养分的时空异质性受气候、母质特征、地形、地貌部位、植被类型及其演替过程、土地利用方式、小生境等环境因素的影响[7-8]。对土壤养分时空变化的研究，对于了解土壤的形成过程、结构和功能，以及生态环境脆弱区的恢复重建具有重要指示意义[9]。

喀斯特峰丛洼地是典型的喀斯特岩溶地貌，广泛分布于我国西南地区，受地质环境特殊性与区域气候独特性的综合影响，形成了土层薄、土体不连续、空间异质性高和保水能力低的土壤特征[10]。特殊的二元水文结构及复杂的地貌环境和小生境特征，导致其土壤养分变异呈现出多来源和高变异的特征[9]。目前，我国关于喀斯特峰丛洼地土壤养分变异的研究主要集中于用地统计学的方法对部分采样区进行半方差函数分析和自相关性分析[11-12]，对不同坡位土壤养分差异及其季节变化的研究较少，关于喀斯特峰丛洼地土壤养分异质性的季节特征更是鲜见报道。此外，对于喀斯特峰丛洼地坡面土壤养分异质特征是表现为养分随坡位升高而增加的养分倒置效应，还是表现为随着坡位升高而逐渐降低的养分洼积效应尚存在不同的观点和论据[1]，喀斯特峰丛洼地坡面土壤养分的养分倒置效应或养分洼积效应是否具有普遍性等亦须深入研究。本文运用传统统计方法对黔南喀斯特峰丛洼地不同季节、不同地貌部位的土壤养分特征进行研究，并分析其成因，探讨土壤养分在喀斯特峰丛洼地石漠化区不同地貌部位、不同季节的变化规律，以期为该区土壤养分的调控和生态恢复与重建提供理论基础和参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于石漠化较典型、喀斯特发育较完整、峰丛洼地集中连片的贵州省平塘县克度镇刘家湾，地理坐标106°50′32″～107°11′47″E、25°38′19″～25°59′09″N，距我国最大射电望远镜(FAST)仅2.5 km。该区主要以峰丛与岩溶漏斗、落水洞、天坑正负地形组合，巨型锥状洼地密集分布，平均1 km2就有3～4个洼地。研究区属中亚热带湿润季风气候，年均气温17 ℃，极端低温-3.5 ℃，年的降水量1 259 mm，无霜期312 d，年日照时间1 065.7 h。区内土壤为石灰土、黄壤土，海拔在841.2～1 193.8 m，相对高差352.6 m。研究区主要分布有勾儿茶(Berchemiasinica)、构树(Broussonetiapapyrifera)、八角枫(Alangiumchinense)等天然次生树种，以及西番莲(Passifloracaerulea)、葛藤(Puerariamontana)、黄褐毛忍冬(Lonicerafulvotomentosa)等人工种植树种。

1.2 样品采集与分析

在研究区内，按上坡、中坡、下坡3个地貌部位布设17个采样点，其中，上坡布设5个采样点、中坡和下坡各布设6个采样点，采样点坡度25°～30°，分别于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)，在每个采样点采取3个0～20 cm的混合土壤样品带回实验室，风干，研磨过100目土壤筛后测定pH、土壤有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾等土壤养分指标。

土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮(TN)采用半微量-凯氏定氮法测定；全磷(TP)用H2SO4-HClO4消煮—钼锑抗显色—紫外分光光度法测定；全钾(TK)采用NaOH熔融—火焰光度法测定[13]；土壤pH值、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾等用多功能土壤肥料养分速测仪(河南迅捷，YN-4000型)测定。

1.3 数据分析

数据用Microsoft Excel 2013进行整理，用SPSS 19.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。采用变异系数(CV)表征样品的变异程度：CV≤10%属于弱变异性，10%

2 结果与分析

2.1 不同季节的土壤养分特征

土壤养分因受到水热条件、林木更新等影响而表现出一定的季节性变化[14-15]。如表1所示，土壤pH、有机质含量、铵态氮和硝态氮在不同季节间存在显著差异。冬季土壤pH值、有机质含量和硝态氮含量最高，而铵态氮含量最低。冬季土壤铵态氮和硝态氮含量变异较大，变异系数分别为29.61%和74.26%。各季节中，全氮、全磷和全钾的变异系数也较大，分别为44.4%～100.0%、33.3%～40.0%和28.1%～61.9%，属中等变异水平。

表1 不同季节的土壤养分特征

2.2 不同坡位的土壤养分特征

如表2所示，不同坡位的土壤养分特征间，仅全磷和速效磷含量存在显著差异。受地形、母质及水热条件等成土因素的影响，土壤养分的理化特征因空间位置的不同而表现出不同的空间变异性(表3)。总体上，土壤pH属弱变异(变异系数3.3%～4.0%)、中坡土壤硝态氮含量属强变异(变异系数133.3%)外，其余指标属中等变异，变异系数在17.4%～98.3%。土壤有机质、全氮含量的变异性表现为上坡>中坡>下坡，土壤pH值、全磷、硝态氮、速效磷和速效钾在中坡的变异性较上坡和下坡大，土壤全钾、铵态氮的变异性表现为下坡较上坡和中坡大。

表2 不同坡位的土壤养分特征

表3 不同坡位的土壤养分变异系数 %

2.3 不同坡位土壤养分特征的季节动态

如图1所示，不同坡位的土壤养分特征表现出明显的季节变化。土壤pH值从春到冬在不同坡位均表现出先降低后缓慢升高的趋势，夏季土壤pH值最低，冬季最高，整体呈偏碱性。不同坡位的土壤有机质含量从春到冬逐渐增加，这可能与环境中植被凋落物的积累有关。全氮含量在3个坡位上从春到冬均表现为先降低后上升的趋势，秋季全氮含量最低，且四季均表现为上坡>下坡>中坡。土壤全磷在中坡表现为从春到冬逐渐升高，而上坡却表现为逐渐降低。土壤全钾在中坡和下坡表现为从春到冬先上升后降低，而在上坡却表现为先下降和升高的趋势。土壤铵态氮含量在3个坡位条件下均表现为从春到冬先增加后降低的趋势，最大值出现在夏季。土壤硝态氮含量在3个坡位条件下整体表现出从春到冬先下降后升高的趋势。土壤速效磷含量在上坡和中坡从春到冬先下降后上升，而在下坡却是先上升后下降。土壤速效钾含量在上坡和下坡表现为从春到冬先上升后下降的趋势，而在中坡波动变化。

图1 不同坡位土壤养分特征的季节变化

3 讨论

土壤养分的季节动态与雨水淋溶、植被状况、凋落物状况及微生物特征等密切相关，同时受到季节气候变化、植被状况、土地利用方式及凋落物类型和数量的影响[16]。本研究表明，黔南喀斯特峰丛洼地土壤有机质平均含量为63.0 g·kg-1，与桂北喀斯特峰丛洼地灌木林[1]、黔中喀斯特藤刺灌丛[17]土壤有机质含量(有机质含量分别为64.0、65.3 g·kg-1)相当，说明喀斯特地区土壤有机质含量较为一致。按照全国第二次土壤普查养分分级标准[18]，黔南喀斯特峰丛洼地土壤有机质属于第一等级，处于较高的水平。这可能是由于喀斯特地区岩石溶蚀过程形成的可溶性碳酸盐与土壤腐殖质结合、凝聚，形成稳定的腐殖酸钙，从而使得喀斯特地区土壤有机质含量增高[19]。各季节土壤有机质含量差异显著，从春到冬逐渐升高。土壤全氮、全磷和全钾的季节变化不显著。按照全国第二次土壤普查养分分级标准，本研究中土壤全氮和全磷属于第一级，处于高养分水平，全钾属于第五等级，处于低养分水平。

以往对常态地貌的研究表明，由于长期的地表径流作用，我国常态地貌地区土壤养分存在明显的洼积效应，即随着坡位的上升，土壤养分逐渐降低[20-21]。在桂北喀斯特地区的研究却表明，在喀斯特峰丛洼地区，土壤有机质、全氮、全钾等土壤养分出现上坡位高于下坡位的养分倒置现象[1,7]。本研究结果显示，黔南喀斯特峰丛洼地土壤有机质、土壤全氮、全钾、铵态氮和硝态氮含量在不同坡位间没有显著差异，而土壤全磷和速效磷在不同坡位间差异显著，表现为养分洼积效应。研究结果与刘淑娟等[1]对桂北喀斯特峰丛洼地灌木林土壤养分的研究结果相似，这可能与研究区植被多为灌木次生林和人工林，且研究区受人为干扰严重等有关。

本研究显示，除pH值外，黔南喀斯特峰丛洼地土壤养分因子无论是在不同季节还是不同地貌部位整体表现为中等强度的变异，与张伟等[2]、刘淑娟等[1]、高鹏等[12]对桂北喀斯特峰丛洼地土壤养分时空分异特征的研究结果表现一致。喀斯特峰丛洼地土壤养分的强变异特性主要受两方面因子的影响：一是强烈的人为干扰和土地利用方式[7]；二是喀斯特地区独特的二元结构和生境的高度异质性[22]。研究区位于黔南州典型的喀斯特峰丛洼地区，该区域被贵州省山地资源研究所作为喀斯特植被恢复示范基地，广泛发育着石沟、石槽、石坑等小生境类型，具有较高的环境异质性[23]，并受到了强烈的人为干扰，从而导致该区域土壤养分表现出较强的变异性。