典型喀斯特小流域土壤有機碳和全氮空間格局變化及其對退耕還林還草的響應(yīng)

段亞鋒,王克林,馮 達(dá),吳 敏,張 偉,陳洪松

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),長沙 410125 2 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室,長沙 410125 3 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,環(huán)江 547100 4 長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站,長沙 410000 5 湖南省測繪科技研究所,長沙 410007

受植被類型和其他環(huán)境因素影響,土壤養(yǎng)分在空間上的分布受多種物理過程、化學(xué)過程和生物過程的綜合影響,呈現(xiàn)出強烈的空間異質(zhì)性[1- 3]。土壤養(yǎng)分的空間格局是這一系列生態(tài)過程綜合作用的結(jié)果[4],但以往針對土壤養(yǎng)分空間格局的研究主要集中探明測量尺度內(nèi)不同養(yǎng)分元素的空間格局及影響因素。如從大范圍尺度上講,中國和愛爾蘭SOC空間分布與區(qū)域降水量、海拔及用地類型等密切相關(guān),其高值聚類區(qū)與泥炭土空間分布基本一致[5- 7]；從小范圍尺度上來說,黃土高原小流域尺度上土壤碳密度分布格局主要與土地利用類型密切相關(guān),灌木林最高,撂荒地、果園、耕地次之,人工草地最低[8],在生態(tài)系統(tǒng)尺度內(nèi),土壤有機碳空間格局主要受植被群落結(jié)構(gòu)和干擾影響[9]。但部分研究表明植被生產(chǎn)力的恢復(fù)和土壤養(yǎng)分的恢復(fù)之間往往具有時滯性,如在美國南部地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),棄耕地經(jīng)過30a的演替,生態(tài)系統(tǒng)幾乎所有的碳積累都由地表生物量貢獻,而土壤有機碳庫的變化很小,也有研究表明在植被恢復(fù)最初的10a,土壤有機碳儲量甚至低于恢復(fù)前水平[10- 11]。這說明只探討某一時段內(nèi)土壤碳氮的空間格局及其影響因素并不能真實反映生態(tài)過程(植被演替、土地利用類型轉(zhuǎn)變等)對土壤碳氮格局的影響。

20世紀(jì)90年代后期以來中國國家重大生態(tài)工程的實施(退耕還林、封山育林、生態(tài)移民與石漠化治理等),極大地促進了植被恢復(fù),西南喀斯特區(qū)域植被覆蓋增加[12],植被生產(chǎn)力[13- 15]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[16- 17]正逐步提升。但在該區(qū)研究中缺乏植被重建對土壤養(yǎng)分格局和維持功能影響的探討。如以往研究中探討典型喀斯特區(qū)域不同土地利用類型下土壤養(yǎng)分空間格局差異一般采用空間代時間的方法,以原森林、撂荒地或耕地為對照[18- 20],以期說明植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分空間格局的影響。但該地區(qū)土壤環(huán)境較非喀斯特地區(qū)更為復(fù)雜,具有微地貌復(fù)雜多樣、土壤淺薄、分布不連續(xù)、基巖廣泛出露等基本特征,其研究樣區(qū)環(huán)境之間的差異會影響時序分析上(空間代時間)的精確性,分析結(jié)果可能存在誤差。此外,此類研究中不同土地利用類型下利用歷史不同也會影響研究結(jié)果的科學(xué)性。這要求我們在設(shè)計實驗時盡可能保證樣區(qū)環(huán)境和土地利用歷史的一致性,采用定點回顧實驗設(shè)計的方法,減小因樣區(qū)環(huán)境差異和土地利用歷史不同而造成分析結(jié)果的誤差,以期較為真實地反映植被群落恢復(fù)這一過程和土壤養(yǎng)分格局變化的相互聯(lián)系。

峰叢洼地是喀斯特地區(qū)最基本也是最典型的地貌單元,在典型的喀斯特峰叢洼地內(nèi)采用定點回顧實驗,對比退耕還林前后土壤碳氮的空間格局變化特征,可了解喀斯特區(qū)域土壤碳氮變化對退耕還林還草的響應(yīng)及其時空演化規(guī)律,對進一步探討該區(qū)域土壤碳氮與植被轉(zhuǎn)變的關(guān)系具有重要意義,本研究結(jié)果以期為因地制宜、針對性地解決退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)各階段存在的養(yǎng)分限制障礙提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)自然環(huán)境概況

研究區(qū)為典型喀斯特石漠化治理示范區(qū)(古周移民示范區(qū))是一個封閉的峰叢洼地單元,位于廣西環(huán)江毛南族自治縣下南鄉(xiāng)西南部(24°50′N,107°55′E)。區(qū)內(nèi)海拔最低點為376m,與最高點高差為440m。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫16.5—20.5℃,多年平均降雨量為1389.1mm,成土母質(zhì)為石灰?guī)r,土壤交換量和鹽基飽和度均高,多為粘質(zhì),整個土體與基巖面過渡清晰,平均裸巖率為31.5%[21]。

1.2 示范區(qū)土地利用類型變化

退耕還林還草工程實施初期(2005年),研究區(qū)土地利用類型以旱地為主,種植面積為17.3hm2,占總面積的74.5%,牧草(桂牧一號)種植面積為5.0hm2,占洼地總面積21.5%(圖1、表1)。工程實施10a后(2014年)研究區(qū)約一半的旱地(10.4hm2)轉(zhuǎn)化為人工林、牧草、人工林草間種和撂荒,轉(zhuǎn)換面積約占總面積的44.8%。牧草地轉(zhuǎn)為人工林草間種的面積約為3.1hm2,轉(zhuǎn)換面積約占總面積的13.3%。同時,生態(tài)移民工程實施后,由于居民外遷,在缺乏耕作管理的情況下,示范區(qū)部分牧草地自然演替為荒草地,此類荒地面積約增加0.2hm2(圖1、表1),其中旱地主要以玉米(ZeaMaysL.)、大豆(Glycinemax)、紅薯(Ipomoeabatatas)輪種為主,牧草主要指桂牧一號(GuiMuNo.1),人工林優(yōu)勢種為任豆(ZeniainsignisChun),荒地主要為白茅(Imperatacylindrica)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、類蘆(Neyraudiareynaudinana)等草類和灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)、紅背山麻桿(bauhiniabrachycarpavarcavaleriei)、鹽膚木(Rhuschinensis)等灌木以及少量菜豆(Radermacherasinica)、香椿(Toonasinensis)等喬木。

圖1 典型喀斯特區(qū)域土地利用類型分布與轉(zhuǎn)變圖Fig.1 Landuse pattern and landuse change in typical karst area B: 建筑物 building; O: 果園 orchard; D: 旱地 dryland; F: 牧草 forage; A: 荒地 abandoned; P: 人工林 plantation; P&F: 人工林草間種 plantation intercropped with forage; N: 未發(fā)生變化 no change; →: 變化 change

年份Years總面積Totalarea旱地Dryland人工林Plantation人工林草間種Plantationintercroppedwithforage牧草Forage荒地Abandoned果園Orchard建筑物Building200523．217．3005．00．30．050．5201423．26．90．67．43．54．20．050．5

2 研究方法

2.1 采樣方法與實驗分析

樣本點的布設(shè)采用規(guī)則網(wǎng)格和線形(鏈形)相結(jié)合的方法。如圖2所示,在洼地和坡腳采用網(wǎng)格取樣,取樣間隔20m,共設(shè)置樣本點528個(2005)和504個(2014)。用全站儀(南方,NTS- 302R)和GPS測定并記錄每個樣本點的位置,并用PVC管標(biāo)記。分別于2005年1月20日至25日[22]與2014年12月20日至31日進行采樣,采樣時在每根PVC管周圍2m范圍內(nèi)隨機采取5—8個0—15cm的表層土壤樣本,混合后代表該樣點土樣。并詳細(xì)記錄該樣點的土地利用變化方式、植被類型、耕作制度、巖石出露率(裸巖率)等環(huán)境信息,其中裸巖率以樣點周圍2m×2m范圍內(nèi)巖石出露的面積估算。坡腳的樣點記錄每個樣點的坡度、坡向、土層厚度等信息,其中土層厚度以樣點周圍2m×2m范圍內(nèi)8—10個點的土層厚度平均值表示。采樣結(jié)束后,土壤樣品及時帶回實驗室風(fēng)干過篩,利用相同的實驗方法分別測定土壤碳氮,其中土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法(油浴)測定,土壤全氮利用用碳氮儀測定[23]。

圖2 研究區(qū)樣地和土壤采樣點分布圖Fig.2 The location of sampling area and distribution of soil sampling points

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用SPSS 16.0和Orgin 8.5進行數(shù)據(jù)的經(jīng)典統(tǒng)計分析, 利用GS+Version 7.0進行數(shù)據(jù)的半變異函數(shù)模型擬合,利用ArcGIS 10.1進行數(shù)據(jù)的聚類分析(Anselin local Moran′s I)和Kriging插值(首先利用GS+擬合最優(yōu)的土壤碳氮半變異函數(shù)模型,將擬合的參數(shù)輸入Kriging插值的半變異函數(shù)模型后插值[24- 25]),分析方法運用比較廣泛,本文不再介紹。

3 統(tǒng)計結(jié)果分析

3.1 描述性統(tǒng)計分析

研究區(qū)2005年土壤有機碳含量為6.0—49.4g/kg,均值為15.5g/kg,2014年土壤有機碳含量為6.5—60.3g/kg,均值為16.8g/kg。2005年土壤全氮含量約為0.78—5.98g/kg,均值為2.00g/kg,2014年土壤全氮含量為0.82—5.64g/kg,均值為2.02g/kg(圖3),退耕還林還草10a后洼地土壤有機碳和土壤全氮分別提高了1.3g/kg與0.02g/kg,其中退耕還林還草10a前后土壤有機碳存在顯著性差異。土壤碳氮數(shù)據(jù)的單樣本K-S檢驗結(jié)果均小于5%顯著水平,原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布(圖3),本文通過對數(shù)轉(zhuǎn)換使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布后進行地統(tǒng)計分析。

圖3 土壤碳氮描述性統(tǒng)計分析Fig.3 Descriptive statistics of soil organic carbon and total nitrogenAVG: 均值 average

3.2 土壤有機碳空間聚類分析

退耕還林還草10a后土壤碳氮高值聚類區(qū)范圍擴大,2005年土壤碳氮的高值聚類區(qū)主要分布在坡腳旱地區(qū)與荒地(荒草)類型區(qū),2014年主要分布在荒地(荒草和灌叢)類型區(qū)；而退耕還林還草10a后土壤有機碳低值聚類區(qū)范圍縮小,土壤全氮低值聚類區(qū)范圍分布更為分散,但2005年和2014年土壤碳氮的低值聚類區(qū)一直分布在洼地旱地類型區(qū)(圖4)。

圖4 土壤碳氮空間聚類分布圖Fig.4 Clustering points distribution of soil organic and total nitrogen

3.3 半變異函數(shù)結(jié)構(gòu)分析

土壤碳氮理論模型的決定系數(shù)均較高(表2)[24],說明理論模型能很好的反映研究區(qū)土壤碳氮的空間結(jié)構(gòu)特征。具體表現(xiàn)為退耕還林還草10a后,土壤有機碳空間結(jié)構(gòu)變化不大,其空間結(jié)構(gòu)模型皆為球狀模型(圖5),塊基比和變程皆降低(表2),說明土壤有機碳空間異質(zhì)性增強；而退耕后土壤全氮空間結(jié)構(gòu)存在變化,其理論模型由指數(shù)模型轉(zhuǎn)為球狀模型(圖5),塊基比和變程增大(表2),由強空間自相關(guān)變?yōu)橹械瓤臻g自相關(guān)[24],說明土壤全氮空間異質(zhì)性減弱。土壤碳氮的半變異函數(shù)均表現(xiàn)出一定的孔穴效應(yīng)(圖5)[24],說明研究區(qū)土壤碳氮存在周期性變化的特征。

3.4 Kriging空間插值分析

Kriging空間插值圖結(jié)果直觀地表明研究區(qū)退耕還林還草10a后土壤有機碳的累積量增加,但土壤全氮的累積增量不明顯。從空間分布而言,退耕還林還草10a前后研究區(qū)洼地中心區(qū)域的土壤碳氮含量皆低于坡腳地帶,旱地類型區(qū)在部分地段內(nèi)甚至可見負(fù)增長,人為恢復(fù)類型區(qū)的土壤碳氮增量低于自然恢復(fù)類型區(qū)(圖1、圖6)。

圖5 土壤碳氮的半變異函數(shù)圖Fig.5 Semivariograms of soil organic and total nitrogen

圖6 土壤碳氮空間分布圖 Fig.6 Spatial distribution map of soil organic carbon and total nitrogen

4 討論

研究區(qū)土壤有機碳和全氮分別增加了1.3g/kg和0.02g/kg,固碳量為固氮量的65倍,但Deng等[26]研究表明黃土高原地區(qū)退耕還林還草后表層土壤碳氮增量皆較大,其固碳氮比(8—10倍)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本研究[26],與本研究結(jié)果不一致。這可能由于研究區(qū)尚存有部分旱地,且退耕還林還草的年限(10a)小于黃土高原地區(qū)(>20a)。Li等[27]通過meta分析41篇研究得出退耕還林還草后土壤有機碳增加,而土壤全氮變化不大,此結(jié)果與本研究一致。Zhang等[28]在喀斯特地區(qū)研究表明退耕還林還草早期生態(tài)系統(tǒng)主要受氮限制,說明植被恢復(fù)初期需氮量較大,而土壤全氮存量較少。同時,本文采用定點回顧實驗推斷植被演替10a后土壤有機碳增量明顯低于采用空間代時間方法的研究結(jié)果[29]。

退耕前大部分土地利用類型以旱地為主,退耕10a后旱地比例由74.6%下降至29.7%。退耕前旱地土壤時常受到人為擾動,而喀斯特地區(qū)土壤主要通過有機結(jié)合態(tài)Ca維持團聚體穩(wěn)定性,其團聚體結(jié)合的SOC并不穩(wěn)定,受到干擾之后極易礦化丟失[30],這可能導(dǎo)致10a前后洼地中心部位旱地一直是土壤碳氮的低值聚類區(qū)。但在退耕還林還草初期坡腳旱地為土壤碳氮的高值聚類區(qū),這主要由于洼地是示范區(qū)單元的匯水區(qū),土壤淋溶較為強烈,SOC和N易于以可溶態(tài)向地下遷移,而坡腳盡管坡度大于洼地中心地帶,但坡腳巖石出露率較高,多封閉性的小生境發(fā)育,土壤養(yǎng)分反而不易侵蝕,這可能導(dǎo)致研究區(qū)洼地中心部位土壤碳氮含量低于坡腳[31]。退耕還林還草后,植被和土壤會逐漸耦合協(xié)調(diào)發(fā)展,隨著植被群落的正向演替,其凋落物歸回量增加[32]。而凋落物的分解是土壤有機質(zhì)形成、養(yǎng)分積累和C平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其中荒地凋落物全部歸還土壤,這會導(dǎo)致退耕前后土壤碳氮的高值聚類區(qū)主要分布在荒地,也表明撂荒是固持土壤碳氮較好的退耕模式。同時,人工林在生長初期急需大量養(yǎng)分,導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分累積量小,牧草每年被人為移走大量地上生物量,其凋落物歸回較少[33],導(dǎo)致人為退耕用地類型區(qū)土壤碳氮累積量較自然恢復(fù)低,難以形成土壤碳氮高值聚類區(qū)。

土壤有機碳的空間異質(zhì)性增強,說明隨機因素對土壤有機碳空間結(jié)構(gòu)的影響減小,其空間分布可能受母質(zhì)和群落結(jié)構(gòu)的控制。土壤全氮空間異質(zhì)性減弱,說明隨機變異對土壤全氮空間結(jié)構(gòu)的影響增加,全氮空間分布可能受洼地多種小生境和微地貌控制[34],隨著植被群落的恢復(fù)土壤有機碳累積量較大而土壤全氮變化不大,其植被群落結(jié)構(gòu)的變化對土壤有機碳的空間結(jié)構(gòu)影響也增強,而對土壤全氮空間格局的影響減弱?？籽ㄐ?yīng)是指半變異函數(shù)在超過一定滯后距范圍后呈現(xiàn)出的圍繞基臺值周期性上下波動的特征[24]。出現(xiàn)孔穴效應(yīng)表明區(qū)域化變量的數(shù)學(xué)期望在空間上不是常數(shù),而是一個周期函數(shù),這主要是由區(qū)域化變量周期性的變化引起。退耕還林還草10a前后土壤碳氮皆存在周期性變化的特征,這主要由于研究區(qū)洼地東西兩側(cè)坡腳相似的地形特征、退耕前皆為旱地以及相似地退耕模式導(dǎo)致的。其中土壤有機碳的孔穴效應(yīng)減弱,而土壤全氮的孔穴效應(yīng)變化不大,這可能由于洼地兩側(cè)坡面微地貌不相同,同一種退耕模式存在不同的恢復(fù)速率。

5 結(jié)論

本研究主要通過對比分析典型喀斯特區(qū)域土壤碳氮的空間格局變化及其對退耕還林還草的響應(yīng),結(jié)果表明退耕還林還草工程實施10a后顯著提高了研究區(qū)土壤有機碳的含量,但土壤全氮的累積增量不明顯,這主要由于退耕后凋落物歸回量增加而植被恢復(fù)初期需氮量較大造成的。退耕還林還草10a前后,土壤有機碳的空間異質(zhì)性增強,而土壤全氮的空間異質(zhì)性減弱,這表明地表植被的變化對土壤有機碳的空間格局影響增強,而對土壤全氮的空間格局影響減弱。工程實施前后,土壤碳氮的低值聚類區(qū)一直位于洼地中心部位的旱地,其高值聚類區(qū)則主要分布在荒地類型區(qū),說明在典型喀斯特峰叢洼地小流域范圍內(nèi)撂荒是固持土壤碳氮含量和維持土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的較優(yōu)退耕模式。以上結(jié)果表明,在生態(tài)脆弱的西南喀斯特區(qū)域,應(yīng)合理規(guī)劃區(qū)域自然恢復(fù)植被和人為恢復(fù)植被的面積,以自然恢復(fù)為主,合理布局植被群落的空間結(jié)構(gòu),以調(diào)控植被重建區(qū)的中后期發(fā)展和實現(xiàn)土壤生態(tài)功能的整體提升。

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