喀斯特石漠化治理不同恢复模式土壤养分分布特征<br/>——以贵州花江示范区为例

喀斯特石漠化治理不同恢复模式土壤养分分布特征
——以贵州花江示范区为例

2019-08-08刘子琦李开萍鲍恩俣

西南农业学报 2019年7期

王进，刘子琦*，张国，李渊，李开萍，鲍恩俣

(1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州贵阳 550001；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001)

【研究意义】我国西南喀斯特地区生态环境脆弱[1]，其衍生的石漠化是制约该区社会经济发展的重大生态问题[2-3]。石漠化本质是一种石质荒漠化景观，是由于人类不合理的社会经济活动及脆弱自然环境形成的[4]，引发人地矛盾突出、植被退化、土壤侵蚀严重等一系列生态问题[5-6]。为更好认识和治理石漠化，改善生态环境，需要对已开展的石漠化治理模式进行生态监测提供数据支撑及优化治理模式。【前人研究进展】土壤是人类生存和发展所需最基础的自然资源，土壤养分是指土壤提供给植物生长所必须的营养元素，能被植物直接或者转化后吸收[7]。土壤养分含量的高低是土壤肥力的好坏的重要体现，是土壤质量的重要保证。宋同清等[8]研究发现，随着地表植被退化和石漠化程度的增加，土壤粘粒和粉粒含量明显下降，砂粒含量和土壤容重增加，土壤质量呈下降趋势。在喀斯特石漠化过程中，土壤保肥性能发生恶化，然而，通过退耕还林或封山育林能在一定程度上改善土壤的养分含量，提高土壤质量[9]。龙健等[10]对西南喀斯特石漠化治理区退耕还林(草)10 a后土壤肥力质量演变研究得出土壤综合肥力指标呈升高趋势，土壤肥力得到不程度的恢复，土壤养分含量得到明显改善。在对喀斯特石漠化区不同植被类型的研究中表明，不同植被类型的土壤养分存在明显差异[11]。石漠化治理生态系统的恢复促使生物量增加，有机质的来源变广，土壤养分含量增加，同时，土壤质量变好能促进地表植物的生长，促进石漠化治理[12]。地表植物对土壤养分具有一定的调节作用，植物通过凋落物和生物量的调节使不同植物下的土壤养分存在差异性。林地凋落物对土壤养分含量的影响明显高于草地[13-14]。【本研究的切入点】目前石漠化综合治理不同恢复模式土壤养分含量的研究主要集中在对峰丛、峰林区域、不同的小生境和雨季的研究，而缺乏长时间的监测及雨季前后不同恢复模式土壤养分含量的变化情况的研究。选取贵州喀斯特高原峡谷花江石漠化综合治理示范区4种恢复模式为研究对象，通过对比3 a不同季节土壤养分特征，揭示雨季前中后土壤养分含量的相互关系，【拟解决的关键问题】以期为喀斯特石漠化治理生态环境恢复及喀斯特生态环境可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于贵州省安顺市关岭县和黔西南州贞丰县交界处的北盘江峡谷两岸，E 105°36′30″～105°46′30″，N 25°39′13″～25°41′00″。岩石裸露率高，海拔600～1200 m，属典型的热带亚热带干热河谷气候，冬春季节温暖干旱，夏季高温多雨，年降雨量1100 mm，雨季一般在5-10月，占全年降雨量的83%。以白云质灰岩和泥质灰岩为主，土壤类型主要为黑色石灰土和棕黄色石灰土。主要植物有花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.)、香椿(Toonasinensis)、金银花(Lonicerajaponica)、构树(Broussonetiapapyrifera)、砂仁(Amomumfructus)和仙人掌(Opuntiastrictavar.dillenii)，野生植物有窄叶火棘(Pyracanthaangustifolia)和光皮桦(Betulaluminifera)等植物。

1.2 样品采集与处理

2015年4月至2017年12月的雨季前(4月)、中(7月)和后(11月)分别选取种植年限基本相同的花椒纯林、砂仁纯林、金银花纯林和花椒+金银花+构树+杂草混交林等4种恢复模式，以撂荒地(草本为主)为对照。在5种研究样地(表1)中设置10m×10m典型样地，每块样地以S形布点采集5个样点，每个点从上到下垂直分3层(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm)取样，每个样品500 g，剔除土壤中的凋落物、砾石等杂质后装入自封袋带回实验室自然风干。用200 cm3环刀取样后现场测定其重量后，带回实验室测定其物理性质。

表1 不同恢复模式样地的概况

1.3 指标测定

采用环刀法测试土壤容重、田间持水量、毛管持水量、总孔隙度和毛管孔隙度。土壤养分的分析方法参照《土壤农化分析》[15]，其中有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；全氮采用高氯酸-硫酸消煮，半微量凯氏定氮法测定；有效磷采用氟化铵-盐酸浸提，钼锑抗比色，紫外分光光度法测定；全磷采用高氯酸-硫酸消煮，钼锑抗比色，分光光度法测定；速效钾采用中性乙酸铵溶液浸提，火焰光度计法测定；全钾采用氢氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度计法测定。

1.4 数据处理与分析

采用 Excel 2007、IBM Spss Statistics 19、Origin 8.0软件对数据进行分析处理。采用LSD方法分析显著性，数据检验过程中对于偏离程度较大的数据进行部分剔除。

2 结果与分析

2.1 不同恢复模式土壤的物理性质

土壤物理性质是土壤环境的重要组成部分，对土壤水肥运移，涵养水分，促进植物生长，调控土壤环境等有着重要的作用[16]。从2015-2017年贵州喀斯特高原峡谷花江石漠化综合治理示范区各样地土壤物理性质均值(表2)看出，土壤容重：与撂荒地相比，花椒纯林、金银花纯林和混交林地分别显著下降6.50 %、2.44 %和9.76 %；砂仁林地增加16.26 %。表明当撂荒地转变为花椒纯林、金银花纯林和混交林地的土壤质量有改良的倾向；撂荒地转变为砂仁纯林地，土壤容重增加，说明土壤质量有退化的趋势。田间持水量：各样地与撂荒地相比，花椒林地、金银花地和砂仁林地分别下降1.15 %、11.78 %和37.19 %；混交林地增加18.23 %。总孔隙度：花椒林地、金银花地、混交林地分别比撂荒地增加10.37 %、5.52 %和18.09 %，砂仁林地下降13.67 %。毛管持水量：花椒林地、金银花地、混交林地分别比撂荒地增加21.29 %、11.45 %和46.71 %，砂仁林地下降26.28 %。毛管孔隙度：花椒林地、混交林地分别比撂荒地增加10.61 %、7.39 %；金银花林地、砂仁林地分别显著下降6.48 %、16.02 %。5种类型样地的土壤容重、总孔隙度和毛管持水量差异均达显著水平。

2.2 不同恢复模式土壤的养分特征

从表3看出，各样地土壤养分中的有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量的最高值分别出现在混交林地、花椒林地、砂仁林地、砂仁林地、花椒林地、砂仁林地和砂仁林地，较撂荒地分别增加0.99、1.00、4.70、0.46、0.83、0.06和0.80倍；较对照增幅最大的是砂仁林地的全磷含量，降幅最大的是砂仁林地的有机碳含量。4种恢复模式土壤有机碳、碱解氮和速效钾均值分别比撂荒地提高55.14 %、55.04 %和62.36 %。全氮、全磷和全钾均值较撂荒地提高62.33 %、166.98 %和11.96 %。表明石漠化治理实施生态恢复后，土壤养分含量得到提高，土壤环境得到显著改善。

2.3 不同恢复模式土壤养分雨季前中后的分布特征

从图1可见，同一样内地均表现出雨季中各养分含量最高。雨季前较雨季中和雨季后各土壤养分含量下降最高的：花椒林地的是全磷，为27.62 %；金银花地的是全磷，为21.55 %；混交林地的是全磷，为28.41 %；砂仁林地的是全氮，为22.11 %。

表2 不同恢复模式土壤的物理性质

注：同列不同小写字母表示数据差异达显著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate 5 % significant levels. The same as below.

表3 不同恢复模式土壤的养分含量

图1 不同恢复模式土壤养分雨季中前后的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil nutrients before and after the rainy season in different restoration modes

下降最低的：花椒林地的是速效钾，为2.02 %；金银花地的是碱解氮，为1.63 %；混交林地的是速效钾，为1.18 %；砂仁林地的是速效钾，为1.14 %。在同一恢复模式下，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾土壤养分含量表现为雨季中(7月)>雨季后(11月)>雨季前(4月)。

2.4 不同恢复模式土壤剖面养分的含量特征

如图2所示，土壤剖面垂直分布上土壤养分存在较大差异，总体随土层深度的加深土壤养分含量降低，呈“表聚效应”。土壤有机碳在0～10 cm土层到10～20 cm土层中砂仁林地降幅最大，为27.45 %，其次是撂荒地，为19.79 %，其他恢复模式降幅为10.30 %～14.96 %；10～20 cm土层到20～30 cm土层垂直分布降幅较大，其中，砂仁林地降幅最大，为36.95 %，花椒地降幅最小，为5.76 %。全氮在0～10 cm土层到10～20 cm土层分布中，降幅为7.43 %～39.840 %；10～20 cm土层到20～30 cm土层降幅较大，与有机碳相似；0～20 cm土层和0～30 cm土层各营养元素的平均降幅分别为全磷15.23 %和33.87 %、全钾12.30 %和29.69 %、碱解氮10.16 %和21.07 %、有效磷9.91 %和21.17 %及速效钾14.70 %和23.92 %。0～10 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均值分别为10～20 cm土层的1.19、1.24、1.18、1.14、1.12、1.11和1.17倍，分别为20～30 cm土层的1.40、1.44、1.51、1.42、1.27、1.27和1.31倍，表明，不同恢复模式土壤养分含量在垂直剖面上随土层深度加深养分含量降低。

图2 不同恢复模式土壤剖面养分的含量特征Fig.2 Nutrient content characteristics of soil profile in different restoration modes

3 讨论

3.1 土壤养分含量特征及对不同恢复模式的响应

土壤碳、氮、磷是植物生长所需要的主要土壤养分[17]。地表化学、地球系统表面的组成成分、温度、降水、径流、土地覆盖和土壤类型都被列入影响土壤养分的主要因素[18]。不同恢复模式过程和人为干扰的程度也对土壤养分有重要影响，不同恢复模式改变了不同土壤的微生态环境，使不同恢复模式土壤养分含量表现出不同趋势。许多研究表明，不同土地利用方式下的土壤养分存在显著差异[19-21]。

姜红梅等[22-24]研究得出，同一地区不同植被类型土壤养分含量均存在较大差异，说明土壤养分含量受植被类型的影响较大。在不同植被类型覆盖下土壤养分的空间异质性特征存在明显差异，对于土壤养分的空间异质性而言，受不同植被类型的凋落物、土壤动物和微生物、植物群落及生物多样性特征等的影响[10]。喀斯特石漠化严重区，植物多样性较低，则土壤养分极低，生态环境恶劣。随着生态环境的重建，森林植被的恢复，植物多样性的增强，土壤养分状况得到恢复。植被的种类、分布和结构对土壤养分的空间分布存在显著影响，且空间的异质性越高，树种种类和结构分布、树种多样性等的丰富度引起物种资源丰富度增强和凋落物返还及生物化学的转化等因素可能是导致土壤养分空间异质性越高的主要原因[25]。不同植被类型下的土壤养分空间异质性特征明显，不同植被的种类，多样性、覆盖度均对土壤养分含量的差异存在较大影响[21，26]。该研究中花椒、金银花及混交林地的土壤全氮、速效钾、碱解氮、有机碳、全磷等养分含量均高于撂荒地，表明不同恢复模式能够改善土壤养分含量。与胡芳等[26-27]研究结果相一致。土壤养分受植被类型和覆盖度等的影响，植被主要是通过凋落物的质与量、生物因素和非生物因素等控制土壤养分含量与分布。反之，土壤养分的空间异质性也影响植被的分布。因此，研究土壤养分含量及空间异质性对治理石漠化植被的选取与搭配具有参考价值。

3.2 土层深度对土壤养分含量的影响

土壤圈位于大气圈、岩石圈、生物圈的界面上，是众多生物生存活动的场所，土体剖面表面到基岩由于养分的迁移和不同生物化学的转化及物质之间的置换，导致不同土壤深度之间养分含量存在较大差异[28]。李文斌等[29]研究陕北风沙区不同植被覆盖下的土壤养分特征发现，土壤不同剖面上的土壤养分存在异质性，除全钾和全磷在土壤剖面不同土层深度的变化微弱外，土壤有机碳、全氮、速效磷、速效钾和碱解氮均随土层深度的增加含量呈下降趋势。

姚喜军等[30]对4类不同土地利用方式土壤养分分布特征研究分析表明，在垂直剖面上，土壤有机碳、全氮和全磷随剖面深度的增加而逐渐下降，全钾含量随剖面深度的增加变化不明显。王雅等[31]在选取4种不同植被类型进行土壤养分含量分布特征研究得出，不同植被类型，随土层深度的增加，土壤养分含量均呈降低趋势，这与本研究结果一致。就同一林分类型而言，土壤有机质、全氮、速效磷及有效钾含量随土壤深度的增加显著递减；全磷含量随土壤深度的增加呈递减趋势，但减小不明显；全钾含量在不同土层间变化规律不明显。半落叶阔叶林、针阔混交林全钾含量随土层深度的增加而增加，毛竹林土壤全钾含量随土层深度的增加明显降低[32]。表明土壤养分含量空间异质性受土壤垂直深度的影响较大。王琳等[33]研究土壤有机碳和氮素特征分布表明，土壤有机质和氮素在土壤剖面中的垂直分布趋势一致，凋落物层和土壤A层高于B、C层，与动植物残体在土壤中的垂直分布格局类似。群落过渡带在腐殖质A层出现氮素累积峰。陈晨等[34]研究不同森林植被土壤理化性质得出，不同森林植被覆盖对土壤理化性状有较大影响。阔叶林下土壤的孔隙度最大，针叶林下土壤的孔隙度最小，阔叶林下土壤中的碱解氮、速效钾含量明显高于针叶林与针阔混交林；速效磷含量在0～5 cm土层由大到小是阔叶林、针阔混交林、针叶林，但在5～40 cm土层由大到小却是针叶林、阔叶林、针阔混交林，3种森林植被下土壤有机碳含量随土层的加深呈下降趋势。说明，土壤养分含量受土层深度的影响，王璐等[35]对3种人工林样地进行研究得出，有机碳、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量总体随土层深度的增加呈递减趋势，土壤养分总体呈表层聚集。吴昊等[36]研究秦岭山地松栎混交林土壤养分空间变异得出，随土层深度增加，有机碳、全氮、速效磷、速效氮和速效钾含量均呈极显著下降趋势。研究结果与之相符，即土壤养分在不同土层垂直深度中存在显著差异。

3.3 气候因素对土壤养分含量的影响

土壤养分主要来源于动植物和微生物残体腐解产生的有机质，草地枯落物分解是草地生态系统中有机质残体分解转化的基本过程，系统养分循环的关键环节对土壤理化性质、土壤肥力和植物生产力等起决定作用[37]。大环境的空间尺度下，枯落物的分解主要受降水和温度2个主要非生物环境因子的影响[38]。高温可促进枯落物的分解，反之，低温则抑制枯落物的分解[39]，这是因为多数微生物在较高温度条件下更适宜生活，适宜的温度可以促进微生物群体的活力，增进分解酶的活性，加快枯落物的分解。而影响枯落物分解的另一重要因素则是降水，降水不仅在枯落物的淋溶阶段起重要的促进作用，同时通过土壤水分的调节也直接决定地下生物群体的生存环境，影响地下生物种类、数量和活力，进而影响枯落物的分解[40-41]。土壤中水分含量的高低直接影响地下生物的生存与繁殖，水分过高影响土壤通气和土壤生物的生存，水分过低则不利于生物的生存与繁殖[38]。秦小静等[42]研究表明，土壤有机碳、全磷和全氮对年平均温度比年降水量敏感度更低，呈显著正相关关系，且土壤养分在浅层比深层对温度降水的灵敏度更大，然而速效磷与年均温成负相关关系。表明，土壤养分含量受到降水和温度因素的影响。

研究表明，在降水和温度等因素影响下，不同恢复模式下的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量表现为雨季中>雨季后>雨季前。研究区域属于干热河谷区，夏季高温多雨，雨季温度高，湿度大，土壤微生物和动物活跃，加速了枯落物等的分解速率[41，43-44]，使同一恢复模式在雨季中土壤养分含量增加；雨季前受冬春季节干旱影响，湿度较低，致使枯落物分解速率降低，同时随着春天的到来，植物生根发芽，需要吸收土壤中的养分，不利于土壤养分含量的富集；而雨季后，降雨逐渐减少，气温逐渐降低，微生物和土壤动物对枯落物的分解速率降低及植物根系分泌物的减少，使得土壤养分含量较雨季中减少，而相对雨季前稍好。