喀斯特不同土地利用类型裂隙土壤有机碳及磷素赋存特征

2020-11-24岑龙沛严友进戴全厚高儒学伏文兵

生态学报 2020年21期

岑龙沛,严友进,戴全厚,*,焦权,胡刚,高儒学,伏文兵

1 贵州大学林学院,贵阳 550025 2 贵州大学土壤侵蚀与生态修复研究中心,贵阳 550025 3 遵义市红花岗区水务局,遵义 563000 4 贵州华保环境技术咨询有限公司,贵阳 550002

土壤作为植物的主要载体,为其提供了生长所需的立地空间和养分、水分等,是植被生长和恢复的必要条件[1]。喀斯特石漠化区严重的水土流失导致地表土层浅薄不连续、土壤严重退化,严重制约了石漠化区的植被恢复。喀斯特坡地特殊的二元结构导致该地区存在地表和地下两个方向的水土流失。土壤在径流驱动下通过裂隙系统向下流失过程中,部分土壤暂时赋存于浅层岩溶裂隙中,形成了裂隙土壤系统。研究表明,裂隙土壤系统已成为喀斯特石漠化坡地重要的植物生境之一。众所周知,土壤养分是植物主要的养分来源之一,因此,土壤养分条件直接影响着植物的生长和恢复程度。土壤碳和磷元素是喀斯特植被恢复生长不可或缺的营养成分,且是陆地生态系统生物圈土壤养分循环的核心和主要成分,驱动着其他养分元素的循环与转化,进而影响土壤养分的供应能力和理化性质[2-3]。磷含量的盈缺会直接影响植物的生长及发育[4],土壤有机碳作为土壤质量评价的重要指标,在影响土壤理化性质、调节土壤结构、反映土地生产力和环境健康功能等方面具有重要的作用和意义[5]。目前关于喀斯特有机碳和磷素的研究报道,主要集中于喀斯特不同地貌类型、土地利用方式、植被覆盖/类型下的分布特征等方面[6- 11],如许联芳等[6]、潘复静等[8]研究了典型喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式有机碳及植被群落凋落物碳磷比特征；胡忠良[7]对不同植被覆盖条件下浅层土壤有效磷和总磷的分布特征做了探索,指出在植被类型变化后土壤有效态养分含量下降较全量养分显著；黄先飞等[10]分析了喀斯特地区不同植被覆盖及土地利用方式下土壤有机碳的分布规律,提出该区土壤有机碳具有含量高、密度低的显著特征等。刘鸿雁等[12]分析了石灰岩和白云岩地下裂隙对喀斯特关键带植被组成和生产力的影响。

综上可见,当前关于喀斯特坡地土壤碳、磷的研究已有了一定的成果。然而,当前的研究多集中于对0—20 cm处的土壤碳、磷特征。相较于被植物直接作用的地表土壤,浅层岩溶裂隙土壤条件异于地表。因此,植被与裂隙土壤碳、磷间的相互作用关系势必会发生改变。鉴于此,本文在典型喀斯特小流域内,探索不同土地利用类型下裂隙土壤的土壤有机碳和磷素含量变化及其赋存特征,以期为喀斯特石漠化地区石漠化治理和植被恢复提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区设在贵州省安顺市镇宁县大山镇双龙山街道办事处新发社区的典型喀斯特石漠化新发小流域(105°49′30"—105°49′51″E,26°06′53″—26°07′23″N),总面积约0.33 km2。研究区内岩石裸露,生境破碎,浅层岩溶裂隙发育,无落水洞、地下暗河、天窗等分布。地层岩性为三叠系中统关岭组第三段(T2g3)的白云质灰岩。海拔1281—1393 m,属亚热带湿润季风气候,平均气温14.03 ℃,积温(10 ℃)高达4116 ℃,日照时数960—1300 h,平均无霜期294 d,年均降水量1193 mm,多年平均蒸发量为550 mm。土壤类型以石灰土为主,亚热带常绿阔叶林是主要地带性植被类型。土地利用类型包含草地、撂荒地、灌木林地和乔木林地，具体信息见表1。

表1 样地基本情况

1.2 土样采集

本研究采用样地调查法,外业调查取样于2017年7—8月进行。在研究区布设50 m×50 m的网格,再在网格点处布设60个10 m×10 m样点,在每个样点内选取3条典型裂隙,进行样点、裂隙信息及土壤样品的采集。按0—20 cm, 20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm四个层次、同一层次土壤样品均匀混合采样,依次标记为U1,U2,U3,U4。裂隙数目分别为草地9条、撂荒地8条、灌木林地29条和乔木林地14条。最后采样方法具体见Yan等[13]。

1.3 样品测定

土壤样品去除土壤侵入体和新生体后,过2 mm 筛孔土壤以测定土壤有效磷及pH,过0.25 mm 筛孔土壤以测定有机碳和全磷。测定方法参照《土壤农业化学分析法》[14],土壤有机碳测定采用浓硫酸—重铬酸钾外加热法,土壤全磷含量测定采用硫酸高氯酸消煮钼蓝比色法,土壤有效磷含量测定采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法,pH测定采用电位法。

1.4 数据处理

使用Excel 2016、SPSS 19.0软件进行数据统计与分析,使用Origin 9.1画图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型下裂隙土壤有机碳赋存特征

有机碳作为土壤中较活跃的重要物质组成,提供植物生长所需的营养元素,满足生命活动的条件,且对土壤的理化性质、肥力和土地可持续利用等方面有着十分重要的作用与意义[15- 16]。分析不同土地利用类型对裂隙土壤有机碳赋存特征可见表2,4种土地利用类型下的裂隙土层U1至U4的土壤有机碳含量总体表现为随土层深度增加呈现降低的变化趋势,土壤有机碳含量整体上在土层U1高于其他土层；土壤有机碳含量在土层U1、U2和U3中表现为灌丛地显著高于乔木林地、草地和撂荒地,在土层U4中乔木林地高于其他土地利用类型。草地的有机碳含量在U4显著低于其他3个土层；撂荒地、灌丛地和乔木林地的有机碳含量在各自的4个土层间均无显著性差异。

表2 不同土地利用类型下裂隙土壤有机碳赋存特征

撂荒地、草地和灌丛地中,土壤有机碳含量整体上表现为随土层增加而减少,各有机碳含量变化范围分别为：22.346—26.892 g/kg、16.067—38.330 g/kg和23.539—39.436 g/kg,有机碳含量在撂荒地的4个土层间均无显著性差异；在草地土层U1的土壤有机碳含量与3个土层差异显著,尤其是土层U1显著高于U4；在灌丛地裂隙土层U1和U2的土壤有机碳含量均值为最高,分别为39.436 g/kg和38.205 g/kg,土壤有机碳含量在U1土层显著高于其他土层。乔木林地中,4个裂隙土层土壤有机碳含量变化表现为土壤有机碳从土层U1至U3整体在减少而后在土层U4增加,即：U2

图1 不同土地利用类型裂隙土壤有机碳含量赋存变异特征 Fig.1 Variation of organic carbon content in fissured soils of different land use types

2.2 不同土地利用类型裂隙土壤磷素赋存特征

2.2.1全磷赋存特征

全磷可反映土壤磷库潜在的供磷能力,有效磷可被植物直接吸收利用,且可作为评价土壤磷供应植物生长能力的重要指标[17]。由表3可看出,除乔木林地外,草地、灌丛地和撂荒地裂隙土壤全磷含量主要集中在土层U1和U2,乔木林地表现出的分布特点是上层低下层高,其他3种土地利用类型俱呈现出上层高下层低的分布特征；土壤全磷含量在土层U1和U2中整体表现为乔木林地、灌丛地低于草地和撂荒地,在土层U3中草地高于其他土地利用类型,在土层U4中乔木林地高于其他土地利用类型。撂荒地和草地的全磷含量各在土层U1和U2显著于U3、U4,灌丛地中的U4则显著低于其他3个土层；乔木林地U4则显著高于其他3个土层。

表3 不同土地利用类型下裂隙土壤全磷赋存特征

图2 不同土地利用类型裂隙土壤全磷含量赋存变异特征 Fig.2 Characteristics of occurrence and variation of total phosphorus content in fissured soils of different land use types

对于撂荒地、灌丛地和草地而言,土壤全磷含量总体上表现为随着土壤深度的增加不断下降,撂荒地、草地的裂隙土层U1、U2显著高于U3、U4的土壤全磷含量；灌丛地土层U1与U4关系明显,即全磷含量在土层U1中显著高于U4。对于乔木林地而言,土壤全磷含量在裂隙土层的变化具体表现为在U1先降低后上升最后在U4达到最高的趋势,这与乔木林地的有机碳含量变化趋势整体一致,且土壤全磷含量在土层U4显著高于其他3个土层。由图2看出,全磷含量变异系数变化范围为0.018—0.489,其中草地、乔木林地和灌丛地全磷含量变异在0.241—0.489之间,总体变异程度为中度；撂荒地在4种土地利用类型裂隙土壤中整体变异系数为最小,在0.0176—0.127之间,总体上属于弱变异。

2.2.2有效磷赋存特征

由表4可看出,总体来说,土壤有效磷含量在裂隙表层显著高于其他土层,乔木林地、灌丛地和撂荒地裂隙土壤有效磷含量整体在土层U1和U2高于其他土层,且变化幅度较小,其分布特点为上层高下层低；而草地呈现上下层高,中间低的分布格局。土壤有效磷含量在土层U1表现为撂荒地高于其他土地利用类型,在土层U2和U3趋势表现为灌丛地高于其他土地利用类型,在土层U4则是草地高于其他土地利用类型。除灌丛地不同土层间存在显著差异,其余3种土地利用类型的4个土层间均无显著性差异。

表4 不同土地利用类型下裂隙土壤有效磷赋存特征

在撂荒地中,随着土层的增加,土壤有效磷含量总体上在降低；在草地中,各土层变化趋势表现是先降低后增加,即：U3

图3 不同土地利用类型裂隙土壤有效磷含量赋存变异特征Fig.3 Variation characteristics of available phosphorus content in fissured soils of different land use types

2.3 不同土地利用类型下裂隙土壤碳磷比特征

土壤碳磷比是有机质或其他成分中碳素与磷素总质量的比值,是土壤有机质组成和质量程度的一个重要指标[18]。见图4和图5,4种土地利用类型下裂隙的土壤碳磷比表现为,乔木林地和灌丛地的C/P总体上随土层的加深表现为减小,而草地和撂荒地呈先减小后增加的趋势；土壤碳磷比在4个裂隙土层中表现为灌丛地均高于其他土地利用类型。

图4 不同土地利用类型裂隙土壤碳磷比Fig.4 C/P ratio of fissured soils in different land use types不同大写字母代表不同土地利用类型间差异显著；不同小写字母代表同一土地利用类型不同土层间差异显著(P<0.05)

乔木林地中,土壤C/P逐渐降低随土层深度增加,土层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随土层深度增加,先减小后增大；土层U2与U1相比变化不大,土层U3、U4与U2相比土壤C/P继续增大,在U4达到最大。灌丛地中,土壤C/P随土层加深先增大后减小,在土层U2与U3变化增大,而在土层U4减小；4个土层的土壤碳磷比均在213.046以上。撂荒地中,土壤C/P随土层加深先减小后增大,土壤碳磷比在土层U2仅为86.50,分别为土层U1、U3、U4的77.19%,64.07%,47.20%。不同裂隙土层下4种土地利用类型的土壤碳磷比在U1、U2、U3、U4变化范围分别为112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,且变化趋势具体为：在土层U1和U2乔木林地较次之灌丛地,在土层U3和U4草地较次之灌丛地。

2.4 裂隙土壤碳磷赋存的影响因素

喀斯特不同土地利用类型裂隙土壤磷素和碳磷比主要受土壤有机碳和土层深度的影响如表 5 所示。其中,土壤全磷含量与其他指标相关性未达到显著水平,与 C/P和土层深度表现为显著负相关,而与pH呈负相关；土壤有机碳与土壤有效磷、C/P和土地利用类型表现为显著正相关水平；土壤有效磷含量与C/P和土地利用类型呈极显著正相关,与土层呈显著极负相关；除土层深度外,pH均与各指标呈负相关,且程度不高；土壤碳磷比与土壤全磷、有效磷和有机碳均达到极显著水平,其中与全磷呈负相关；土层深度均与全磷、有机碳和有效磷呈极显著负相关,即土层深度越增加,全磷、有效磷、有机碳含量越低；土地利用类型与土壤有机碳含量表现为正相关,与土壤有效磷含量呈极显著正相关,表明土壤有机碳和有效磷含量亦可能与不同的土地利用类型有关。

图5 不同土层下土地利用类型裂隙土壤碳磷比Fig.5 C/P ratio of fissured soils under different land use types

3 讨论

通过对比不同土地利用类型对裂隙土壤有机碳含量赋存特征可知,4种土地利用类型裂隙土层土壤有机碳含量总体呈现出随土层深度增加而降低的变化趋势,但从表层向下的趋势不同,相关性结果亦显示,土壤有机碳含量在不断降低随土层深度的增加,且整体上在U1土层为最高,这与许多学者在喀斯特区研究相关土地利用类型土壤结果相似[10,19],分析其原因可能是裂隙土壤表层有机碳来源于地表植被的植物凋落物,随着土层的加深,在微生物的分解作用下土壤有机质组分可降解性不同,难降解物质逐渐增加,易降解物质逐渐减少[20],同时由于凋落物的加入会促进土壤微生物的活动使其呼吸速率加快,使土壤原有有机碳的分解加速和释放[9]；土壤有机碳含量在土层U1、U2和U3中表现为灌丛地显著高于乔木林地、草地和撂荒地,原因可能是,灌丛地的植被更替速率快,使凋落物等向下的裂隙土壤迁移形成养分积累,故灌丛地有机碳含量较高；而乔木林地在土层U4呈上升的趋势且高于其他土地利用类型,这是由于植物扎根生长于裂隙深层土壤中,植物根系及凋零物补充了有机质或是裂隙土壤含水量较高,温度变幅小,底层有机质分解较缓慢或是地下裂隙土壤复杂的养分过程与土壤中植物根系、微生物和介质和土壤等的综合作用密不可分。

表5 裂隙土壤碳磷赋存影响因素相关性分析

本研究发现,除乔木林地外,其他3种土地利用类型裂隙土壤有机碳、全磷和有效磷含量在土层U1至U4分布规律具有相似性,即上层高下层低的分布特点,表明有机碳在很大程度上影响磷素含量变化,见表5可知,有机碳与土壤有效磷极显著正相关水平为0.439。此外,在4种土地利用类型中,裂隙土壤全磷和有效磷主要集中在裂隙土壤表层(U1),随土层的变化幅度较小,体现出其“表层聚集性”特点,这与彭建勤等[21]的研究结果一致,全磷和有效磷在土壤剖面呈表聚性特征,而Yan等[13]研究也表明浅层岩溶裂隙内土壤有机碳、全磷总体随土层深度呈线性减小的变化趋势。土壤质地可能是土壤中磷素含量高低的主要性因素,受其影响,黏粒对土壤全磷、有效磷都有极强的吸附作用[22],但其主要原因,本研究试验土壤为石灰土,pH范围为中性至碱性,磷素极易在偏碱性环境下被土壤固定而导致活性降低,而裂隙土壤表层有机质丰富,微生物活动较强,土壤固磷作用较弱,可释放有效磷；而裂隙土壤深层相反,使得有效磷含量较裂隙表土层少；或是有效磷属于矿质营养,易被土壤颗粒吸附或生成难溶性磷酸盐。

另外,本研究发现,喀斯特不同土地利用类型裂隙土壤有机碳和磷素变异均在中等程度,这与俞月凤等[23]研究石灰土养分的变异结果一致；分析其原因可能是与裂隙形态、土壤质地等有关,如Yan等[13]认为Y型裂隙顶部存在2处或者更多的开口,导致垂直方向上不同深度土壤的来源不一进而导致土壤养分出现较大的差异,大团聚体组分与土壤总磷和有效磷含量呈正相关,其增加可促进磷素的积累[24],张伟等[25]通过喀斯特峰丛洼地区土壤养分空间变异特征研究则认为,风化凋落物的输入和地表土壤的迁入能够提高土壤养分含量。同时,植被类型对养分分布有重要作用,生物不断的累积过程是土壤养分形成和维持的基础,而土壤养分的空间变异又影响植物的生长和空间分布[23]。

磷的有效性可由土壤有机质分解速率来确定,C/P低,有助于微生物在分解有机质过程中的释放从而促进有效磷在土壤中的增加；而C/P高,微生物会出现磷受限情况进而与植物竞争土壤磷,具有较强的固磷潜力,进而抑制植物生长[18,26]。乔木林地和灌丛地的C/P随裂隙土层的加深而逐渐降低,这一研究结果与李占斌等[27]对黄土丘陵区不同样地的土壤碳磷及其化学计量特征的研究结果一致,C/P随土层加深呈减小的趋势。而草地和撂荒地呈先降低后上升的趋势,同时在4个土层中灌丛地的土壤碳磷比均高于其他土地利用类型,其原因可能是草地与撂荒地裂隙深层土壤有机质含量较高,由表4中的相关性分析结果显示,C/P与土壤有机碳、有效磷之间相关性极显著,说明土壤C/P随土壤深度的变化取决于有机碳含量。当土壤碳磷比<200表示养分净矿化,>300时表示养分净固定,介于200—300表示可溶性磷浓度在土壤中变化较小[28]。本研究中,土壤碳磷比在各裂隙土层变化范围分别为112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,总体上表现为<200和介于200—300,且均高于中国土壤碳磷比平均值61.00[29],这表明喀斯特裂隙土壤磷的有效性较低。本文主要探讨了土壤有机碳和磷在地表至浅层岩溶裂隙垂直剖面上的空间赋存特征,研究结果初步指示了浅层岩溶裂隙土壤是喀斯特坡地土壤有机碳和磷的重要赋存空间。在后期的研究中可结合土壤生物地球化学等方面进一步探讨土壤碳、磷转化和循环的驱动机制,以提高裂隙土壤碳、磷对石漠化地区植被恢复的贡献。