贵州威宁草海不同土地利用类型土壤理化性质研究

侯春兰,杨 瑞,杨宝勇,刘 志,2,瞿 爽,吴佳伟

(1.贵州大学 林学院,贵阳 550025；2.贵阳市乌当区农业农村局,贵阳 550018)

0 引言

土壤是人类生存、生产活动及植物生殖、生长的必须物质基础,也是陆地生态系统物质、能量循环等生态过程实现的重要场所,发挥着至关重要的作用[1]。研究表明:土地的合理利用不仅可有效地改善土壤物理结构、微生物群落结构等环境因素,还可改善生态循环过程,提高土壤养分含量；而不合理的土地利用则会导致严重的水土及养分流失[2-6],尤其是在土壤生态环境极其脆弱的喀斯特高原地区,土地利用方式的不合理成为喀斯特地区石漠化程度加深、土地退化的主要原因[7-8]。因此,研究土壤理化性质对土地利用方式差异的响应,对指导喀斯特地区调整土地利用方式具有重要意义。

本文所选研究区地处贵州草海湿地与威宁县城的交接处。研究区作为典型的喀斯特高原湿地流域,是维持草海湿地生态的重要屏障。但是居民对草海流域土地资源不合理的开发利用,既严重降低土壤质量,又使流域的生态功能受损,结果导致对湿地的保护屏障作用严重减弱。因此,恢复该区域的生态功能是亟待解决的现实问题。目前,关于贵州草海不同土地利用类型土壤理化性质的量化研究较少。基于此,本文以贵州草海流域6种不同土地利用类型的不同土层土壤为研究对象,对土壤的物理性质及养分含量差异进行量化研究,揭示贵州草海流域土壤理化性质对不同土地利用方式的响应差异,以期为草海流域的土地合理利用、改善土壤质量、恢复重建退化生态系统提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州草海自然保护区(26°49′～26°53′N,104°12′～104°18′E),为典型的高原湿地湖泊。保护区面积为120 km2,平均海拔为2 171.7 m,年均温为10.5℃,年降雨量为950.9 mm[9]。草海湿地植被覆盖率不高,长期以来的人为活动对草海湿地生态环境的安全造成了影响[10]。

2 研究方法

2.1 样地设置

基于对贵州草海流域土地利用特点的实地踏查,2017年8月,在贵州草海流域选取草地、耕地、茶叶林、杉木林、滇杨林、针阔混交林等6种土地利用类型地块,分别布设20 m×20 m的标准样地(所选样地均具有代表性)。每种利用方式设置1块标准样地,共设置6块标准样地。记录样地内的群落起源、主要植被、海拔、土壤类型等信息,具体情况如表1所示。除耕地外,其余土地利用期间均没有人为管控及施肥措施,且土地利用时间均超过20年。

表1 样地基本概况Tab.1 Basic situation of sample plots

2.2 样品采集及指标测定

分别在6种立地类型样地内随机布设5个采样点,采用剖面法在各采样点分别采集不同土层(0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm)土壤,四分法取出足够的土壤样品,去除杂质带回实验室,风干后磨细过筛测定养分含量。其中:浓硫酸-重铬酸钾外加热法用于有机碳测定,半微量凯氏法用于全氮和碱解氮测定,钼锑抗比色法用于全磷和有效磷测定,火焰光度法用于全钾和速效钾测定。环刀法收集土壤样品带回实验室进行土壤容重及孔隙度的测定,测定方法按《森林土壤水分-物理性质的测定》[11]中的规定进行。

2.3 数据处理

实验数据通过Excel 2010整理,不同土地利用类型土壤理化性质指标差异显著性通过SPSS18.0软件的单因素方差分析进行检验,土壤理化性质相关性通过Pearson双尾检验法进行分析。

3 结果分析

3.1 土壤的物理性质

土壤的紧实程度与植物能否正常生长相关,土壤压实会阻碍植物根系生长,使植株不能正常生长[12]。如表2所示:0～20 cm土壤容重在0.93～1.29 g/cm3之间,20～40 cm土壤容重在1.17～1.45 g/cm3之间,40～60 cm土壤容重在1.09～1.47 g/cm3之间,变异系数呈“V”字形变化。表明土地利用类型对土壤容重的影响主要在表层土壤及深层土壤,枯落物含量及人为活动可能影响表层土壤的疏松程度,深层土壤可能由于植物根系的生长及数量多少对土壤疏松程度产生影响。而土壤孔性无明显变化规律,变异系数呈增加的趋势,表明合理的土地利用方式对土壤孔性的改善作用差异在深层土壤更显著。0～60 cm土壤容重均值最大的为草地,最小的为针阔混交林；总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均值最大的均为滇杨林,其次为针阔混交林；总孔隙度、毛管孔隙度最小的为草地,耕地的非毛管孔隙度最小。研究结果表明,针阔混交林及滇杨林的土壤物理性质相对较优,耕地及草地土壤物理性质较差。

表2 不同土地利用类型土壤物理性质Tab.2 Physical properties of soil in different land use patterns

3.2 土壤养分含量特征

由表3可知:研究区土壤有机碳含量在4.54～18.44 g/kg之间,全氮含量在0.09～1.30 g/kg之间,全磷含量在0.11～0.60 g/kg之间,全钾含量在3.33～15.81 g/kg之间,碱解氮含量在17.33～84.67 mg/kg之间,有效磷含量在14.23～196.70 mg/kg之间,速效钾含量在47.79～247.76 mg/kg之间。与第二次国家土壤养分含量分级标准[13]对照可知,研究区,土壤有机碳含量与全量养分含量均处于全国的中下水平,尤以N元素含量最低；速效养分表现为N低P高K中等。

表3 不同土地利用类型土壤的养分含量Tab.3 Nutrition content of soil in different land use patterns

土壤养分含量随土地利用方式不同呈现明显差异(p<0.05),不同立地土壤有效磷含量差异较显著。随着土层深度增加,不同土地利用方式的土壤养分含量总体呈降低的趋势,土壤碱解氮、速效钾含量差异性减小,全氮及有效磷差异性先增加后降低,而有机碳、全磷和全钾含量差异性增大,表明合理的土地利用方式对深层土壤养分的改善作用更显著。其中:针阔混交林土壤有机碳平均含量最高,较耕地高93.97%；茶叶林的全量养分含量均高于其它立地；草地的全氮含量最低；耕地的全磷含量最低；杉木林的全钾含量最低；土壤碱解氮平均含量最高的为草地；针阔混交林的有效磷、速效钾平均含量均最高。总体来说,针阔混交林和茶叶林的土壤养分总体显著高于其它立地土壤,耕地土壤肥力较差。

3.3 土壤理化性质相关性分析

如表4所示,有机碳含量与土壤容重呈极显著负相关关系(p<0.01),与土壤总孔隙度、毛管孔隙度、碱解氮、有效磷、速效钾含量表现为极显著正相关(p<0.01),与土壤非毛管孔隙度、全氮含量表现为显著正相关(p<0.05)；全氮与土壤总孔隙度、毛管孔隙度表现为显著正相关(p<0.05),与全磷、有效磷、速效钾含量表现为极显著正相关(p<0.01),与土壤容重呈显著负相关关系(p<0.05)；全磷与碱解氮表现为显著正相关(p<0.05),与有效磷、速效钾表现为极显著正相关(p<0.01)；全钾与有效磷表现为显著正相关(p<0.05)；碱解氮与速效钾表现为显著正相关(p<0.05)；有效磷与速效钾表现为极显著正相关(p<0.01)；速效钾与土壤总孔隙度、毛管孔隙度表现为极显著正相关(p<0.01)。结果表明C,N,P元素积累循环过程紧密相关,且有机物质的添加有助于改善土壤物理结构及土壤养分状况,与前人研究结果[14-15]相似。

表4 土壤理化性质相关性Tab.4 Correlation between physical and chemical properties of soil

4 结论与讨论

研究区不同立地土壤物理结构存在一定差异,针阔混交林及滇杨林的土壤物理结构相对较优,草地和耕地的土壤结构稍差。土壤容重在0.93～1.47 g/cm3之间,总孔隙度在31.60～55.87 %之间,结果显示,研究区土壤具有良好的物理结构,植物能够正常生长[16]。

研究区土壤有机碳含量与全量养分含量均处于全国的中下水平,速效养分表现为N低P高K中等,表层土壤养分含量较高。全量养分及有效磷、速效钾含量与王玲玲等[17]对威宁草海流域土壤养分的研究结果相似,但其有机碳及碱解氮含量高于本文研究结果。这可能与人为活动的影响有关,立地类型未发生改变,但土壤结构变差,养分含量降低。本文研究结果表明:研究区养分元素缺乏程度表现为N>P>C>K,土壤养分状况主要受限于N元素。这与吴丽芳等[18]对喀斯特高原不同石漠化土壤质量的研究结果相似,其认为全氮是影响喀斯特高原石漠化区土壤质量的主要限制因子。

土壤C,N元素是植被正常生长所需的常量元素。有研究表明,土壤C,N含量主要来源于动植物残体有机质的分解,土地利用方式改变的同时,地上部分及土壤中的有机物质的数量及分解循环过程发生变化,减少C源的输入,从而降低土壤养分[19-20]。研究区土壤有机碳、有效磷、速效钾含量最高的为针阔混交林,茶叶林的全量养分含量均高于其它立地,这可能是由于针阔混交林及茶叶林枯落物层分解较快,而耕地土壤表层较少有枯落物覆盖,且土壤风化严重,因此肥力相对较差。但张珍明等[21]对草海湿地土壤C,N,P养分元素的研究发现,林地的土壤养分总体低于草地及农用地,与本文研究结果不太一致。

综上所述,研究区不同立地土壤理化性质存在一定差异,针阔混交林及滇杨林有利于保持土壤物理结构,维持土壤养分；茶叶林的土壤理化性质显著优于耕地及草地。表明了乔、灌木林分有利于保持土壤结构,维持土壤养分。土壤有机碳含量与N,P,K元素之间具有不同程度的相关关系,并与土壤结构表现为显著相关(p<0.05),表明有机物质的添加有利于改善土壤结构,且良好的土壤结构又有利于养分的积累。因此,应通过合理的退耕还林、林草混植等方式对喀斯特湿地流域进行土地利用方式调整,并通过人工调整林分结构,添加有机物质改良土壤物理性质,促进养分分解循环,提高土壤质量。