貴州省云臺(tái)山喀斯特森林土壤性狀特征研究

摘要：以貴州省云臺(tái)山森林土壤為研究對(duì)象，在保證采樣點(diǎn)具有典型性和代表性的基礎(chǔ)上，采集混合樣和土壤剖面（0～60 cm）樣品，并對(duì)樣品土壤性狀特征及顆粒態(tài)有機(jī)碳和黑碳分布特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，次生林地和草地土壤具有較高的水源涵養(yǎng)和水土保持功能；自然林地土壤的平均非毛管孔隙度最大；土壤毛管持水量變化為自然林地﹥草地﹥次生林地﹥耕地。土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為自然林地> 耕地>草地>次生林地；不同林下土壤平均堿解氮含量表現(xiàn)為耕地>自然林地>草地>次生林地；速效磷的含量表現(xiàn)為耕地> 草地>次生林地>自然林地。土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量及其占總有機(jī)碳的比值隨剖面深度的增加而下降，其中顆粒態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例耕地土壤明顯低于林地土壤。

關(guān)鍵詞：森林土壤；性狀；顆粒態(tài)有機(jī)碳；黑碳；喀斯特地區(qū)；貴州省

中圖分類號(hào)：S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3007-04

隨著生態(tài)環(huán)境問題的日趨尖銳，人們對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)越來越重視，IPCC在2006年報(bào)告中提出森林生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)前能夠緩解溫室氣體排放的重要陸地生態(tài)系統(tǒng)[1，2]。而土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林植物賴以生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。一方面土壤為森林植被的生長(zhǎng)提供各種營(yíng)養(yǎng)元素；另一方面森林植被的出現(xiàn)及其演替反過來也將影響土壤的性狀特征[3-5]。不同森林植被下的土壤具有不同的性狀特征，研究不同森林植被下土壤性質(zhì)的差異對(duì)森林的恢復(fù)、重建及更新等都具有重要意義[6]。國(guó)外開展關(guān)于森林土壤理化性狀的研究較早，我國(guó)土壤學(xué)界也有不少研究進(jìn)展和成果[7-9]，但對(duì)土壤性質(zhì)與植被之間關(guān)系的研究較少，尤其是針對(duì)喀斯特地區(qū)森林土壤性狀特征的研究少見報(bào)道。本研究以喀斯特地貌發(fā)育下的施秉縣云臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)森林土壤為研究對(duì)象，探討了不同森林植被下土壤理化性狀，揭示不同森林植被下的土壤性狀特征，為該保護(hù)區(qū)內(nèi)森林土壤資源的科學(xué)管理及其森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、重建與更新提供科學(xué)依據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

云臺(tái)山喀斯特林區(qū)位于貴州省施秉縣北部，屬國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。地處東經(jīng)108°11′-108°15′，北緯27°13′-27°17′，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均日照時(shí)間為1 561.3 h，年均氣溫為14～16 ℃，年均降水量1 200 mm，年均濕度80%。境內(nèi)碳酸鹽類巖石廣泛出露， 喀斯特發(fā)育較為普遍。大部分地區(qū)海拔在640～1 200 m，地勢(shì)西北高、東南低，起伏較大，東西寬15 km，南北長(zhǎng)20 km，總面積約210 km2。主要森林植被類型有針葉林、針闊混交林、常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、竹林、灌叢等。土壤類型主要為黃壤和黃棕壤。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與制備

根據(jù)云臺(tái)山喀斯特森林土壤面積、地形地貌、植被類型等實(shí)際情況，在保證采樣點(diǎn)具有典型性和代表性，同時(shí)要兼顧空間分布的均勻性等原則的基礎(chǔ)上，以平均每3～10 hm2林地作為一個(gè)采樣單元。為保證樣品的代表性，選擇有代表性的一塊林地，按S型布點(diǎn)采集5～8個(gè)點(diǎn)土樣制成一個(gè)混合樣；同時(shí)在植被典型分布區(qū)布設(shè)土壤剖面，按土壤發(fā)生層分層采集土壤樣品。另于附近選擇分布面積較大的坡耕地，采集相應(yīng)坡面樣品和混合樣。共采集混合樣品118個(gè)，剖面樣品25個(gè)。將采集的樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，剔除植物殘?bào)w及大礫石等非土壤物質(zhì)，同時(shí)避免灰塵等污染。取風(fēng)干樣品用木棍輾壓過100目土篩，將過篩樣品置于密封袋中做好標(biāo)簽，放入干燥器中保存?zhèn)溆?，供分析測(cè)試用。

2.2 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理

土壤基本性質(zhì)測(cè)定：土壤容重、土壤孔隙度、土壤毛管持水量均采用環(huán)刀法；有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量采用鹽酸-氟化氨提取-鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法。以上測(cè)定方法參見參考文獻(xiàn)[10]。

土壤碳測(cè)定方法：有機(jī)碳含量采用外加熱重鉻酸鉀氧化法[11]；顆粒態(tài)有機(jī)碳含量用5 g/mL焦磷酸鈉溶液振蕩分散土樣后過53 μm土篩分離獲得[12]；0.1 mol/L重鉻酸鉀+2.0 mol/L H2SO4在55 ℃下氧化60 h后殘余的碳即為黑碳[13]。所采樣品數(shù)的30%用作分析，平行測(cè)定的結(jié)果用算術(shù)平均值表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型的土壤物理性狀

土壤容重是表征土壤的疏松程度與通氣性的重要指標(biāo)，該值可以反映土壤含蓄水分以及供應(yīng)樹木生長(zhǎng)所需水分的能力。而土壤孔隙狀況則直接影響著土壤的通氣透水性及根系穿插的難易程度，對(duì)土壤中水、肥、氣、熱等發(fā)揮著不同的作用。由表1可知，貴州省云臺(tái)山喀斯特森林土壤容重變化范圍為1.09～1.23 g/cm3，耕地土壤容重最高，這是由于人為翻耕清理使其表土根系較少；次生林地和草地土壤容重以及黏粒組成均較小，這說明次生林地和草地土壤較疏松、通氣性能好， 具有較高的水源涵養(yǎng)和水土保持功能。自然林地土壤的平均非毛管孔隙度（總孔隙度減去毛管孔隙度）最小，這是因?yàn)樽匀涣值氐牧址稚锪拷M成及分布較合理，并且其林分地上部分持水量大， 土壤腐殖質(zhì)積累較多所致，其土壤容重中等偏低，土壤孔隙度與毛管持水量均處于較高水平。

云臺(tái)山喀斯特森林土壤毛管持水量變化為自然林地>草地>次生林地>耕地。自然林地土壤毛管持水量最高，是由于自然林地大部分植被類型都為高大喬木，而灌、草地土壤疏松，同時(shí)土壤表面被枯枝落葉覆蓋，使土壤中腐殖質(zhì)不斷積累，這些改善了土壤物理性狀，使土壤容重降低，孔隙度增加，進(jìn)而提高了土壤毛管持水量。次生林地由于土壤表面常年被枯枝落葉覆蓋，有利于土壤中腐殖質(zhì)積累，且土壤比較疏松，土壤毛管持水量一般不低。耕地由于人為翻耕，使土壤中植物根系較少，同時(shí)人為清理耕地導(dǎo)致土壤表層不存在枯枝落葉層，再加上植被覆蓋面積較少，這些都導(dǎo)致土壤容重變大，孔隙度降低，使土壤物理性狀變差，進(jìn)而使耕地土壤毛管持水量處于較低水平。

3.2 不同植被類型的土壤化學(xué)性狀

3.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)特征 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組分，它與土壤礦物質(zhì)共同作為林木營(yíng)養(yǎng)的來源，能夠直接影響和改變土壤的一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[14]。由表2可知，不同林下土壤有機(jī)質(zhì)含量為自然林地>耕地>草地>次生林地，這是由于不同植被類型地表凋落物厚度、組分的差異以及部分動(dòng)物、微生物的殘?bào)w差異所致。由于自然林地中高大喬木下的灌木林和草叢中植物生長(zhǎng)量較大，能夠有效地減弱雨水對(duì)土壤的侵蝕，同時(shí)自然林地中枯枝落葉較多較厚，促使大量的動(dòng)植物殘?bào)w進(jìn)入土壤，保持土壤有機(jī)質(zhì)含量處于較高水平。耕地主要通過人為施入有機(jī)肥，抵消了有機(jī)質(zhì)的流失，維持了土壤有機(jī)質(zhì)含量在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.2.2 土壤養(yǎng)分特征 土壤養(yǎng)分對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響，是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。由表2可知， 不同林下土壤平均堿解氮含量表現(xiàn)為耕地>自然林地>草地>次生林地，這是因?yàn)橹脖环N類不同，其凋落物含氮量、固氮微生物數(shù)量差異導(dǎo)致，耕地堿解氮含量較高主要與其作物為豆科關(guān)系比較大。總體上來看，4種植被類型土壤含氮水平比較低，變化范圍為70.38～106.24 mg/kg，這說明近期土壤的有效氮相對(duì)缺乏， 不能更好地提供植物所需氮素。速效磷的含量標(biāo)志著土壤供磷能力的大小，表現(xiàn)為耕地>草地>次生林地>自然林地， 自然林地中速效磷含量最低，其原因?yàn)樽匀涣值刂袠淠据^多，植物在生長(zhǎng)過程中需要吸收大量的磷，該林下土壤供磷能力不足。鉀是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分之一，植物所能利用的鉀是速效鉀， 它能真實(shí)反映土壤中鉀素的供應(yīng)情況[15]。相比較而言，耕地和自然林地土壤速效鉀平均含量相對(duì)較高， 而次生林地下土壤速效鉀平均含量最低， 這主要是由于不同植物對(duì)鉀的吸收利用能力不同， 從而造成土壤中的鉀含量有所不同。

3.3 不同植被類型的土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳、黑碳分布特征

顆粒態(tài)有機(jī)碳來源于土壤中動(dòng)、植物的半分解，具較高的生物活性，是土壤中不穩(wěn)定的有機(jī)碳庫(kù)。土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳越多，土壤碳庫(kù)越不穩(wěn)定[16]。由表3可知，顆粒態(tài)有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例較高，為13%～63%，隨剖面深度增加明顯遞降。自然植被下土壤與耕地之間的顆粒態(tài)有機(jī)碳的差異比較明顯，由于農(nóng)用地中的有機(jī)碳主要以非顆粒態(tài)存在，盡管耕地土壤有機(jī)碳庫(kù)較低，但其穩(wěn)定性卻較高，最主要與耕作過程中有機(jī)碳容易分解有關(guān)。有學(xué)者研究表明林地開墾為農(nóng)地后顆粒態(tài)有機(jī)碳明顯下降，土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳對(duì)土地利用變化極為敏感；在林地開墾為橘園和蔬菜地后，顆粒態(tài)有機(jī)碳的下降幅度明顯高于非顆粒態(tài)有機(jī)碳[17]。

黑碳的高度芳香化結(jié)構(gòu)使其具有較高的生物和化學(xué)穩(wěn)定性，因此，土壤中黑碳數(shù)量越高，其碳的穩(wěn)定性越大[18]。由表3可知，研究土壤均含有一定數(shù)量的黑碳，一般隨土壤剖面深度增加而下降，這再次證實(shí)了黑碳形成于地表環(huán)境。林地土壤黑碳占總有機(jī)碳的比例為7%～17%。

4 結(jié)論

通過對(duì)貴州省云臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)采集的2類自然植被（林地、灌草叢） 及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用地土壤混合樣中土壤理化性狀特征及剖面樣中的顆粒態(tài)有機(jī)碳和黑碳分布特征研究表明：

1）貴州省云臺(tái)山喀斯特森林土壤容重變化范圍為1.09～1.23 g/cm3，耕地土壤容重最高，為1.23 g/cm3；次生林地和草地土壤容重以及黏粒組成均較低，具有較高的水源涵養(yǎng)和水土保持功能；自然林地下土壤的平均非毛管孔隙度最大；土壤毛管持水量變化為自然林地>草地>次生林地>耕地，自然林地土壤毛管持水量最高。

2）不同林下土壤有機(jī)質(zhì)含量為自然林地>耕地>草地>次生林地；不同林下土壤平均堿解氮含量表現(xiàn)為耕地>自然林地>草地>次生林地；速效磷含量表現(xiàn)為耕地>草地>次生林地>自然林地，自然林地中含量最低；耕地和自然林地土壤速效鉀平均含量相對(duì)較高，而次生林地土壤速效鉀平均含量最低。

3）云臺(tái)山喀斯特森林土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳及其占總有機(jī)碳的比值均隨剖面深度增加而下降，黑碳含量總體上也隨剖面深度增加而下降。其中顆粒態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例耕地明顯低于林地土壤，而黑碳占總有機(jī)碳的比例耕地明顯高于林地，表明耕地土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性明顯高于林地土壤。

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