喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體演變特征及土壤養(yǎng)分效應(yīng)

董亞輝，戴全厚，鄧伊晗，周 濤

(貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

石漠化問(wèn)題是喀斯特巖溶地區(qū)最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，由于人口的增長(zhǎng)，土地嚴(yán)重超載，土壤侵蝕加劇，土地退化，植被破壞，基巖大面積裸露，形成類似荒漠化的景觀[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)家退耕還林還草工程、珠治工程等的實(shí)施，該區(qū)也出現(xiàn)了大量的退耕還林地及植被自然恢復(fù)地。這些地類在生態(tài)恢復(fù)建設(shè)過(guò)程中，土壤抗蝕性等特性的演變規(guī)律，及與土壤養(yǎng)分的協(xié)調(diào)效應(yīng)關(guān)系等都是亟需探討的問(wèn)題[2]。大量研究[3-4]結(jié)果表明土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是土壤質(zhì)量敏感性重要的理化指標(biāo)。前人對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成機(jī)制、土壤微團(tuán)聚體與土壤的能量變化、土壤團(tuán)聚體的抗蝕性、土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和抗蝕性的指標(biāo)、撂荒地水穩(wěn)性團(tuán)聚體演變特征及養(yǎng)分效應(yīng)等都有較多研究[5-9]，且多集中在黃土高原、黑土地等常態(tài)地貌地區(qū)，而對(duì)喀斯特地區(qū)退耕地中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的演變特征及其土壤養(yǎng)分效應(yīng)的研究較少。本研究以喀斯特山區(qū)不同年限退耕還林地為研究對(duì)象，分析喀斯特山區(qū)退耕還林過(guò)程中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的演變規(guī)律，以期限為喀斯特山區(qū)優(yōu)化退耕還林模式和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處貴州省六盤(pán)水市鐘山區(qū)老鷹山鎮(zhèn)竹林河小流域(104°30′—105°10′E;26°26′—26°53′N)，該區(qū)山高陡峭，切割縱深，基巖裸露面積大，土層瘠薄，地形破碎，地形相對(duì)高差大，海拔在1 450～2 900 m之間，年均氣溫12.5℃～13.1℃，年降雨量1 170 mm，年日照時(shí)數(shù)1 415～1 556 h，屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，森林覆蓋率33.3%。土壤以山地灌叢草甸土、山地黃棕壤土、石灰土、潮土、水稻土為主，土壤多呈中性、微酸性，pH 值為5.5～7.5，耕作層厚20 cm左右。研究區(qū)有典型的喀斯特石漠化類型和多時(shí)相不同退耕方式的土地，是珠江流域的峰叢谷地輕、中度石漠化生態(tài)修復(fù)與農(nóng)田基本建設(shè)導(dǎo)向型綜合治理小區(qū)。

在研究區(qū)分別選取立地條件基本相似不同年限(5～8 a)的退耕還林地，退耕模式一致(柳杉Cryptomeria f ortunei)，土壤和成土母質(zhì)類型相同的林地為樣地，選取中度石漠化樣地及自然恢復(fù)松林作為對(duì)照樣地。樣地基本特征見(jiàn)表1。

表1 樣地概況

1.2 樣品采集及分析

2008年7月，在各試驗(yàn)樣地多點(diǎn)(4～6點(diǎn))采集0—20 cm表層有代表性的原狀土樣，運(yùn)回室內(nèi)，沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開(kāi)，剝成直徑為10～20 mm的小土塊，并剔去粗根和小石塊，在室溫下風(fēng)干后，用干篩法和濕篩法分別測(cè)定的各級(jí)風(fēng)干團(tuán)聚體(沙維諾夫法)和水穩(wěn)定聚體含量(約得法)[10]。同時(shí)在樣地按“S”型選取多點(diǎn)，用土鉆法取0—20 cm混合土樣裝袋，3次重復(fù)，室內(nèi)自然風(fēng)干后過(guò)1和0.25 mm 篩后測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)[11]。土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法;全氮用高氯酸—硫酸消化法、堿解氮用擴(kuò)散吸收法、全磷用高氯酸—硫酸酸融—鉬銻抗比色法、速效磷用碳酸氫鈉法、全鉀用高氯酸—硫酸消化—火焰光度計(jì)法、速效鉀用火焰光度計(jì)法、pH值用PHS-3S型pH計(jì)測(cè)定[11]

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化

坡耕地退耕還林后，隨著土壤有機(jī)質(zhì)的增加，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量也有一定程度的增加(表2)，同時(shí)，隨著退耕年限的延長(zhǎng)，土壤＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量呈增加趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)退耕3～5 a土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體快速增長(zhǎng)期后，5～8 a增長(zhǎng)幅度變緩[14]，水穩(wěn)性團(tuán)聚體由小粒徑向大粒徑的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)明顯。人為耕作活動(dòng)對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響，最為明顯的是大粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體[15]。＞5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體與退耕年限具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù) R＞0.95，表明喀斯特山區(qū)退耕5 a后，之前人為耕作對(duì)土壤的破壞影響正在逐漸減弱，同時(shí)由于林下植被的恢復(fù)，增加了土壤膠結(jié)物質(zhì)源，利于土壤有機(jī)碳庫(kù)的儲(chǔ)存，沒(méi)有人為耕作活動(dòng)的影響，土壤的膠結(jié)團(tuán)聚過(guò)程增加，從而使團(tuán)聚體數(shù)量增加。當(dāng)小粒徑團(tuán)聚體增加到一定程度時(shí)，將趨于穩(wěn)定(表2)。0.5～0.25 mm，1～0.5 mm及2～1 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)體在連續(xù)4 a中變化已不明顯。連續(xù)退耕5～8 a后，水穩(wěn)性團(tuán)聚體多集中在5～2 mm粒徑，且＞5 mm的團(tuán)聚體呈現(xiàn)出明顯的逐年增加狀態(tài)，可以推斷出退耕地在今后幾年，還將處于中粒徑向大粒徑轉(zhuǎn)化狀態(tài)。

表2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量 %

2.2 退耕地土壤養(yǎng)分主要理化性狀的演變

喀斯特山區(qū)坡耕地退耕還林連續(xù)5～8 a后，還林地的土壤理化性狀得到明顯改善，表現(xiàn)為碳、氮、磷、鉀的整體提高，以退耕5 a樣地為例，相比于石漠化樣地，有機(jī)質(zhì)含量增加了69%，全氮增加了9%，堿解氮含量增加了107%，全磷增加了176%，速效鉀增加了161%，全鉀則有所減少，減少了43%，而退耕其它年份亦有明顯增加(表3)。從表中還可以看出，自然松林樣地的養(yǎng)分狀況均低于退耕地，這主要是由于自然松林的立木已經(jīng)處于壯年期(均胸徑6.2 cm)，且種植較集中(10 m×10 m樣地中有42株)，其對(duì)土壤養(yǎng)分的需求量大;另一方面，松林下幾乎沒(méi)有草本植物(松林蓋度95%)，限制了土壤養(yǎng)分庫(kù)源的供給，雖然沒(méi)有人為干擾，但土壤的養(yǎng)分補(bǔ)給不足。從而導(dǎo)致自然松林的土壤養(yǎng)分狀況整體低于退耕地，但均高于石漠化地區(qū)。

2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤養(yǎng)分狀況的關(guān)系

據(jù)研究表明[9]，侵蝕環(huán)境中土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，土壤中的大團(tuán)聚體能夠合理調(diào)節(jié)土壤的通氣性與持水性，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的保持與釋放間的矛盾[16-17]。對(duì)喀斯特山區(qū)連續(xù)退耕5～8 a樣地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體及土壤養(yǎng)分主要性狀因子進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀及速效鉀具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R分別達(dá)到 0.97，0.70，0.93，0.88;與堿解氮 、全磷的相關(guān)性不明顯。

表3 退耕地土壤養(yǎng)分狀況

2.3.1 喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)等因素的關(guān)系 水穩(wěn)性團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相關(guān)分析表明，水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)(R＞0.97)、全氮(R＞0.70)的相關(guān)性顯著，與堿解氮的相關(guān)性不顯著。由坡耕地退耕后，消除了人為耕作活動(dòng)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，植被由單一的農(nóng)作物變成豐富的林下雜草，在貴州濕潤(rùn)氣候條件下，這些豐富的林下植物，更易腐化分解，逐漸形成土壤有機(jī)質(zhì)，為水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成提供條件，二者表現(xiàn)出極顯著相關(guān)性。連續(xù)退耕5～8 a后，林下分解和半分解植物體的有機(jī)碳持續(xù)增加，這些年輕的有機(jī)碳更容易形成穩(wěn)定大團(tuán)聚體[18]，與退耕5～8 a后水穩(wěn)性團(tuán)聚體向大粒徑轉(zhuǎn)化趨勢(shì)一致。水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和堿解氮的相關(guān)性不明顯，一是因?yàn)榭λ固氐貐^(qū)土壤普遍缺乏氮素[19]，喀斯特特殊的地形及坡耕地形式不利于氮的積累;二是速效堿解氮的積累受人為施肥活動(dòng)影響明顯，退耕地由完全人為干擾生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的生態(tài)系統(tǒng)，在退耕還林的近幾年，植被與土壤間的氮素供求還處于一種協(xié)調(diào)階段，穩(wěn)定性不明顯。適當(dāng)補(bǔ)充土壤中的有效氮元素，以利于植被的健康生長(zhǎng)及土壤質(zhì)量的提高。

2.3.2 喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體與全磷、全鉀及速效鉀的關(guān)系 喀斯特山區(qū)退耕地在連續(xù)退耕5～8 a后，＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體與土壤全磷全鉀(R＞0.93)、速效鉀(R＞0.88)具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了極顯著(R＞0.88)水平，而與全磷的相關(guān)性不顯著。在退耕5～8 a后，林下豐富的雜草植被在枯落后，為土壤積累了大量的腐殖質(zhì)，增加土壤形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的所需膠結(jié)源的同時(shí)也利于了土壤鉀元素與植被間的循環(huán)，使二者具有很好的相關(guān)性。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和磷元素的不相關(guān)性，說(shuō)明磷元素對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成作用不明顯，另外也不排除之前的耕作措施對(duì)樣地的干擾因素依然存在。磷和鉀元素是植物生長(zhǎng)必不可少的元素，且受人工施肥活動(dòng)影響明顯，考慮到初期退耕林木的生長(zhǎng)需求，在條件允許的情況下，可適當(dāng)人為增加土壤磷鉀元素的補(bǔ)給。同時(shí)嚴(yán)禁人為對(duì)林下植被的破環(huán)，確保林下植物對(duì)土壤養(yǎng)分元素的返還。

3 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的中心調(diào)節(jié)器，影響著土壤的空隙性持水性通透性和抗蝕性，團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量的敏感性物理指標(biāo)[12]，可以用來(lái)反映生態(tài)恢復(fù)過(guò)程土壤質(zhì)量的演變過(guò)程[9]。在水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成過(guò)程中，有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用是形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要因素[13]?？λ固厣絽^(qū)土層淺薄，一旦山坡被開(kāi)墾為耕地后，土壤有機(jī)質(zhì)氧化分解，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，土壤膠結(jié)物質(zhì)減少，使大團(tuán)聚體分解降為小粒徑團(tuán)聚體，加之耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，使土壤團(tuán)聚體急劇減少，人為耕作尤其對(duì)＞2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響明顯[14]。

從以上結(jié)果分析可以看出，坡耕地退耕5～8 a后，土壤大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明之前人為耕作活動(dòng)對(duì)土壤的機(jī)械破壞作用的影響正在消除。退耕地中植被恢復(fù)與土壤間的水穩(wěn)性團(tuán)聚體及養(yǎng)分狀況正處于一種協(xié)調(diào)促進(jìn)狀態(tài)，對(duì)于退耕還林地到什么階段土壤各質(zhì)量因子及植被將達(dá)到穩(wěn)定現(xiàn)在還不十分清楚。這也為下一步工作設(shè)想提供了思路，本研究由于受客觀條件限制，只能夠選取5～8 a的退耕地進(jìn)行研究，研究結(jié)果具有一定的局限性，今后可以選擇更多退耕年限的樣地進(jìn)行跟蹤研究，同時(shí)也有必要對(duì)退耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及植被恢復(fù)質(zhì)量等方面進(jìn)行研究比較，以對(duì)喀斯特地區(qū)實(shí)施退耕還林工程的效益評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

(1)喀斯特山區(qū)退耕地水穩(wěn)性團(tuán)聚體隨退耕年限延長(zhǎng)有明顯增加，退耕5 a后，小粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增長(zhǎng)已趨于穩(wěn)定和平緩，多集中于5～2 mm粒徑，向大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化趨勢(shì)明顯，＞5 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與退耕年限相關(guān)性極顯著，擬合曲線顯示，今后一段時(shí)間內(nèi)，還將延續(xù)這種趨勢(shì)。

(2)退耕地退耕5～8 a后土壤養(yǎng)分的各項(xiàng)因子比石漠化樣地有了顯著提高，土壤質(zhì)量得到明顯改善，水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、速效鉀呈極顯著相關(guān)。與土壤堿解氮氮、全磷相關(guān)性不顯著。

(3)喀斯特山區(qū)實(shí)施退耕還林工程及石漠化治理工程中，應(yīng)避免植被的人為破壞，確保林下植被對(duì)土壤的營(yíng)養(yǎng)返還。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)退耕還林地林木及其它植被狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，積累土壤及植被特征時(shí)空資料，開(kāi)展對(duì)退耕還林地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的準(zhǔn)確評(píng)估，為喀斯特山區(qū)的退耕還林工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

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