喀斯特石漠化治理不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分分布特征
——以貴州花江示范區(qū)為例

王 進(jìn)，劉子琦*，張 國，李 淵，李開萍，鮑恩俁

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱[1]，其衍生的石漠化是制約該區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大生態(tài)問題[2-3]。石漠化本質(zhì)是一種石質(zhì)荒漠化景觀，是由于人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及脆弱自然環(huán)境形成的[4]，引發(fā)人地矛盾突出、植被退化、土壤侵蝕嚴(yán)重等一系列生態(tài)問題[5-6]。為更好認(rèn)識(shí)和治理石漠化，改善生態(tài)環(huán)境，需要對(duì)已開展的石漠化治理模式進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐及優(yōu)化治理模式。【前人研究進(jìn)展】土壤是人類生存和發(fā)展所需最基礎(chǔ)的自然資源，土壤養(yǎng)分是指土壤提供給植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，能被植物直接或者轉(zhuǎn)化后吸收[7]。土壤養(yǎng)分含量的高低是土壤肥力的好壞的重要體現(xiàn)，是土壤質(zhì)量的重要保證。宋同清等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著地表植被退化和石漠化程度的增加，土壤粘粒和粉粒含量明顯下降，砂粒含量和土壤容重增加，土壤質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。在喀斯特石漠化過程中，土壤保肥性能發(fā)生惡化，然而，通過退耕還林或封山育林能在一定程度上改善土壤的養(yǎng)分含量，提高土壤質(zhì)量[9]。龍健等[10]對(duì)西南喀斯特石漠化治理區(qū)退耕還林(草)10 a后土壤肥力質(zhì)量演變研究得出土壤綜合肥力指標(biāo)呈升高趨勢(shì)，土壤肥力得到不程度的恢復(fù)，土壤養(yǎng)分含量得到明顯改善。在對(duì)喀斯特石漠化區(qū)不同植被類型的研究中表明，不同植被類型的土壤養(yǎng)分存在明顯差異[11]。石漠化治理生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)促使生物量增加，有機(jī)質(zhì)的來源變廣，土壤養(yǎng)分含量增加，同時(shí)，土壤質(zhì)量變好能促進(jìn)地表植物的生長(zhǎng)，促進(jìn)石漠化治理[12]。地表植物對(duì)土壤養(yǎng)分具有一定的調(diào)節(jié)作用，植物通過凋落物和生物量的調(diào)節(jié)使不同植物下的土壤養(yǎng)分存在差異性。林地凋落物對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響明顯高于草地[13-14]?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】目前石漠化綜合治理不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量的研究主要集中在對(duì)峰叢、峰林區(qū)域、不同的小生境和雨季的研究，而缺乏長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)及雨季前后不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量的變化情況的研究。選取貴州喀斯特高原峽谷花江石漠化綜合治理示范區(qū)4種恢復(fù)模式為研究對(duì)象，通過對(duì)比3 a不同季節(jié)土壤養(yǎng)分特征，揭示雨季前中后土壤養(yǎng)分含量的相互關(guān)系，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期為喀斯特石漠化治理生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及喀斯特生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省安順市關(guān)嶺縣和黔西南州貞豐縣交界處的北盤江峽谷兩岸，E 105°36′30″～105°46′30″，N 25°39′13″～25°41′00″。巖石裸露率高，海拔600～1200 m，屬典型的熱帶亞熱帶干熱河谷氣候，冬春季節(jié)溫暖干旱，夏季高溫多雨，年降雨量1100 mm，雨季一般在5-10月，占全年降雨量的83%。以白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主，土壤類型主要為黑色石灰土和棕黃色石灰土。主要植物有花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.)、香椿(Toonasinensis)、金銀花(Lonicerajaponica)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、砂仁(Amomumfructus)和仙人掌(Opuntiastrictavar.dillenii)，野生植物有窄葉火棘(Pyracanthaangustifolia)和光皮樺(Betulaluminifera)等植物。

1.2 樣品采集與處理

2015年4月至2017年12月的雨季前(4月)、中(7月)和后(11月)分別選取種植年限基本相同的花椒純林、砂仁純林、金銀花純林和花椒+金銀花+構(gòu)樹+雜草混交林等4種恢復(fù)模式，以撂荒地(草本為主)為對(duì)照。在5種研究樣地(表1)中設(shè)置10m×10m典型樣地，每塊樣地以S形布點(diǎn)采集5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)從上到下垂直分3層(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm)取樣，每個(gè)樣品500 g，剔除土壤中的凋落物、礫石等雜質(zhì)后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。用200 cm3環(huán)刀取樣后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其重量后，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其物理性質(zhì)。

表1 不同恢復(fù)模式樣地的概況

1.3 指標(biāo)測(cè)定

采用環(huán)刀法測(cè)試土壤容重、田間持水量、毛管持水量、總孔隙度和毛管孔隙度。土壤養(yǎng)分的分析方法參照《土壤農(nóng)化分析》[15]，其中有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全氮采用高氯酸-硫酸消煮，半微量凱氏定氮法測(cè)定；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提，鉬銻抗比色，紫外分光光度法測(cè)定；全磷采用高氯酸-硫酸消煮，鉬銻抗比色，分光光度法測(cè)定；速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定；全鉀采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2007、IBM Spss Statistics 19、Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。采用LSD方法分析顯著性，數(shù)據(jù)檢驗(yàn)過程中對(duì)于偏離程度較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行部分剔除。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)模式土壤的物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)是土壤環(huán)境的重要組成部分，對(duì)土壤水肥運(yùn)移，涵養(yǎng)水分，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，調(diào)控土壤環(huán)境等有著重要的作用[16]。從2015-2017年貴州喀斯特高原峽谷花江石漠化綜合治理示范區(qū)各樣地土壤物理性質(zhì)均值(表2)看出，土壤容重：與撂荒地相比，花椒純林、金銀花純林和混交林地分別顯著下降6.50 %、2.44 %和9.76 %；砂仁林地增加16.26 %。表明當(dāng)撂荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榛ń芳兞帧⒔疸y花純林和混交林地的土壤質(zhì)量有改良的傾向；撂荒地轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭始兞值?，土壤容重增加，說明土壤質(zhì)量有退化的趨勢(shì)。田間持水量：各樣地與撂荒地相比，花椒林地、金銀花地和砂仁林地分別下降1.15 %、11.78 %和37.19 %；混交林地增加18.23 %?？偪紫抖龋夯ń妨值?、金銀花地、混交林地分別比撂荒地增加10.37 %、5.52 %和18.09 %，砂仁林地下降13.67 %。毛管持水量：花椒林地、金銀花地、混交林地分別比撂荒地增加21.29 %、11.45 %和46.71 %，砂仁林地下降26.28 %。毛管孔隙度：花椒林地、混交林地分別比撂荒地增加10.61 %、7.39 %；金銀花林地、砂仁林地分別顯著下降6.48 %、16.02 %。5種類型樣地的土壤容重、總孔隙度和毛管持水量差異均達(dá)顯著水平。

2.2 不同恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分特征

從表3看出，各樣地土壤養(yǎng)分中的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷及速效鉀含量的最高值分別出現(xiàn)在混交林地、花椒林地、砂仁林地、砂仁林地、花椒林地、砂仁林地和砂仁林地，較撂荒地分別增加0.99、1.00、4.70、0.46、0.83、0.06和0.80倍；較對(duì)照增幅最大的是砂仁林地的全磷含量，降幅最大的是砂仁林地的有機(jī)碳含量。4種恢復(fù)模式土壤有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀均值分別比撂荒地提高55.14 %、55.04 %和62.36 %。全氮、全磷和全鉀均值較撂荒地提高62.33 %、166.98 %和11.96 %。表明石漠化治理實(shí)施生態(tài)恢復(fù)后，土壤養(yǎng)分含量得到提高，土壤環(huán)境得到顯著改善。

2.3 不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分雨季前中后的分布特征

從圖1可見，同一樣內(nèi)地均表現(xiàn)出雨季中各養(yǎng)分含量最高。雨季前較雨季中和雨季后各土壤養(yǎng)分含量下降最高的：花椒林地的是全磷，為27.62 %；金銀花地的是全磷，為21.55 %；混交林地的是全磷，為28.41 %；砂仁林地的是全氮，為22.11 %。

表2 不同恢復(fù)模式土壤的物理性質(zhì)

注：同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate 5 % significant levels. The same as below.

表3 不同恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分含量

圖1 不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分雨季中前后的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil nutrients before and after the rainy season in different restoration modes

下降最低的：花椒林地的是速效鉀，為2.02 %；金銀花地的是堿解氮，為1.63 %；混交林地的是速效鉀，為1.18 %；砂仁林地的是速效鉀，為1.14 %。在同一恢復(fù)模式下，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)為雨季中(7月)>雨季后(11月)>雨季前(4月)。

2.4 不同恢復(fù)模式土壤剖面養(yǎng)分的含量特征

如圖2所示，土壤剖面垂直分布上土壤養(yǎng)分存在較大差異，總體隨土層深度的加深土壤養(yǎng)分含量降低，呈“表聚效應(yīng)”。土壤有機(jī)碳在0～10 cm土層到10～20 cm土層中砂仁林地降幅最大，為27.45 %，其次是撂荒地，為19.79 %，其他恢復(fù)模式降幅為10.30 %～14.96 %；10～20 cm土層到20～30 cm土層垂直分布降幅較大，其中，砂仁林地降幅最大，為36.95 %，花椒地降幅最小，為5.76 %。全氮在0～10 cm土層到10～20 cm土層分布中，降幅為7.43 %～39.840 %；10～20 cm土層到20～30 cm土層降幅較大，與有機(jī)碳相似；0～20 cm土層和0～30 cm土層各營(yíng)養(yǎng)元素的平均降幅分別為全磷15.23 %和33.87 %、全鉀12.30 %和29.69 %、堿解氮10.16 %和21.07 %、有效磷9.91 %和21.17 %及速效鉀14.70 %和23.92 %。0～10 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均值分別為10～20 cm土層的1.19、1.24、1.18、1.14、1.12、1.11和1.17倍，分別為20～30 cm土層的1.40、1.44、1.51、1.42、1.27、1.27和1.31倍，表明，不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量在垂直剖面上隨土層深度加深養(yǎng)分含量降低。

圖2 不同恢復(fù)模式土壤剖面養(yǎng)分的含量特征Fig.2 Nutrient content characteristics of soil profile in different restoration modes

3 討 論

3.1 土壤養(yǎng)分含量特征及對(duì)不同恢復(fù)模式的響應(yīng)

土壤碳、氮、磷是植物生長(zhǎng)所需要的主要土壤養(yǎng)分[17]。地表化學(xué)、地球系統(tǒng)表面的組成成分、溫度、降水、徑流、土地覆蓋和土壤類型都被列入影響土壤養(yǎng)分的主要因素[18]。不同恢復(fù)模式過程和人為干擾的程度也對(duì)土壤養(yǎng)分有重要影響，不同恢復(fù)模式改變了不同土壤的微生態(tài)環(huán)境，使不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出不同趨勢(shì)。許多研究表明，不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分存在顯著差異[19-21]。

姜紅梅等[22-24]研究得出，同一地區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分含量均存在較大差異，說明土壤養(yǎng)分含量受植被類型的影響較大。在不同植被類型覆蓋下土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性特征存在明顯差異，對(duì)于土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性而言，受不同植被類型的凋落物、土壤動(dòng)物和微生物、植物群落及生物多樣性特征等的影響[10]?？λ固厥瘒?yán)重區(qū)，植物多樣性較低，則土壤養(yǎng)分極低，生態(tài)環(huán)境惡劣。隨著生態(tài)環(huán)境的重建，森林植被的恢復(fù)，植物多樣性的增強(qiáng)，土壤養(yǎng)分狀況得到恢復(fù)。植被的種類、分布和結(jié)構(gòu)對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分布存在顯著影響，且空間的異質(zhì)性越高，樹種種類和結(jié)構(gòu)分布、樹種多樣性等的豐富度引起物種資源豐富度增強(qiáng)和凋落物返還及生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化等因素可能是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性越高的主要原因[25]。不同植被類型下的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性特征明顯，不同植被的種類，多樣性、覆蓋度均對(duì)土壤養(yǎng)分含量的差異存在較大影響[21，26]。該研究中花椒、金銀花及混交林地的土壤全氮、速效鉀、堿解氮、有機(jī)碳、全磷等養(yǎng)分含量均高于撂荒地，表明不同恢復(fù)模式能夠改善土壤養(yǎng)分含量。與胡芳等[26-27]研究結(jié)果相一致。土壤養(yǎng)分受植被類型和覆蓋度等的影響，植被主要是通過凋落物的質(zhì)與量、生物因素和非生物因素等控制土壤養(yǎng)分含量與分布。反之，土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性也影響植被的分布。因此，研究土壤養(yǎng)分含量及空間異質(zhì)性對(duì)治理石漠化植被的選取與搭配具有參考價(jià)值。

3.2 土層深度對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤圈位于大氣圈、巖石圈、生物圈的界面上，是眾多生物生存活動(dòng)的場(chǎng)所，土體剖面表面到基巖由于養(yǎng)分的遷移和不同生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化及物質(zhì)之間的置換，導(dǎo)致不同土壤深度之間養(yǎng)分含量存在較大差異[28]。李文斌等[29]研究陜北風(fēng)沙區(qū)不同植被覆蓋下的土壤養(yǎng)分特征發(fā)現(xiàn)，土壤不同剖面上的土壤養(yǎng)分存在異質(zhì)性，除全鉀和全磷在土壤剖面不同土層深度的變化微弱外，土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀和堿解氮均隨土層深度的增加含量呈下降趨勢(shì)。

姚喜軍等[30]對(duì)4類不同土地利用方式土壤養(yǎng)分分布特征研究分析表明，在垂直剖面上，土壤有機(jī)碳、全氮和全磷隨剖面深度的增加而逐漸下降，全鉀含量隨剖面深度的增加變化不明顯。王雅等[31]在選取4種不同植被類型進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量分布特征研究得出，不同植被類型，隨土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量均呈降低趨勢(shì)，這與本研究結(jié)果一致。就同一林分類型而言，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷及有效鉀含量隨土壤深度的增加顯著遞減；全磷含量隨土壤深度的增加呈遞減趨勢(shì)，但減小不明顯；全鉀含量在不同土層間變化規(guī)律不明顯。半落葉闊葉林、針闊混交林全鉀含量隨土層深度的增加而增加，毛竹林土壤全鉀含量隨土層深度的增加明顯降低[32]。表明土壤養(yǎng)分含量空間異質(zhì)性受土壤垂直深度的影響較大。王琳等[33]研究土壤有機(jī)碳和氮素特征分布表明，土壤有機(jī)質(zhì)和氮素在土壤剖面中的垂直分布趨勢(shì)一致，凋落物層和土壤A層高于B、C層，與動(dòng)植物殘?bào)w在土壤中的垂直分布格局類似。群落過渡帶在腐殖質(zhì)A層出現(xiàn)氮素累積峰。陳晨等[34]研究不同森林植被土壤理化性質(zhì)得出，不同森林植被覆蓋對(duì)土壤理化性狀有較大影響。闊葉林下土壤的孔隙度最大，針葉林下土壤的孔隙度最小，闊葉林下土壤中的堿解氮、速效鉀含量明顯高于針葉林與針闊混交林；速效磷含量在0～5 cm土層由大到小是闊葉林、針闊混交林、針葉林，但在5～40 cm土層由大到小卻是針葉林、闊葉林、針闊混交林，3種森林植被下土壤有機(jī)碳含量隨土層的加深呈下降趨勢(shì)。說明，土壤養(yǎng)分含量受土層深度的影響，王璐等[35]對(duì)3種人工林樣地進(jìn)行研究得出，有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量總體隨土層深度的增加呈遞減趨勢(shì)，土壤養(yǎng)分總體呈表層聚集。吳昊等[36]研究秦嶺山地松櫟混交林土壤養(yǎng)分空間變異得出，隨土層深度增加，有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效氮和速效鉀含量均呈極顯著下降趨勢(shì)。研究結(jié)果與之相符，即土壤養(yǎng)分在不同土層垂直深度中存在顯著差異。

3.3 氣候因素對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分主要來源于動(dòng)植物和微生物殘?bào)w腐解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)，草地枯落物分解是草地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)殘?bào)w分解轉(zhuǎn)化的基本過程，系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤肥力和植物生產(chǎn)力等起決定作用[37]。大環(huán)境的空間尺度下，枯落物的分解主要受降水和溫度2個(gè)主要非生物環(huán)境因子的影響[38]。高溫可促進(jìn)枯落物的分解，反之，低溫則抑制枯落物的分解[39]，這是因?yàn)槎鄶?shù)微生物在較高溫度條件下更適宜生活，適宜的溫度可以促進(jìn)微生物群體的活力，增進(jìn)分解酶的活性，加快枯落物的分解。而影響枯落物分解的另一重要因素則是降水，降水不僅在枯落物的淋溶階段起重要的促進(jìn)作用，同時(shí)通過土壤水分的調(diào)節(jié)也直接決定地下生物群體的生存環(huán)境，影響地下生物種類、數(shù)量和活力，進(jìn)而影響枯落物的分解[40-41]。土壤中水分含量的高低直接影響地下生物的生存與繁殖，水分過高影響土壤通氣和土壤生物的生存，水分過低則不利于生物的生存與繁殖[38]。秦小靜等[42]研究表明，土壤有機(jī)碳、全磷和全氮對(duì)年平均溫度比年降水量敏感度更低，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且土壤養(yǎng)分在淺層比深層對(duì)溫度降水的靈敏度更大，然而速效磷與年均溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明，土壤養(yǎng)分含量受到降水和溫度因素的影響。

研究表明，在降水和溫度等因素影響下，不同恢復(fù)模式下的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量表現(xiàn)為雨季中>雨季后>雨季前。研究區(qū)域?qū)儆诟蔁岷庸葏^(qū)，夏季高溫多雨，雨季溫度高，濕度大，土壤微生物和動(dòng)物活躍，加速了枯落物等的分解速率[41，43-44]，使同一恢復(fù)模式在雨季中土壤養(yǎng)分含量增加；雨季前受冬春季節(jié)干旱影響，濕度較低，致使枯落物分解速率降低，同時(shí)隨著春天的到來，植物生根發(fā)芽，需要吸收土壤中的養(yǎng)分，不利于土壤養(yǎng)分含量的富集；而雨季后，降雨逐漸減少，氣溫逐漸降低，微生物和土壤動(dòng)物對(duì)枯落物的分解速率降低及植物根系分泌物的減少，使得土壤養(yǎng)分含量較雨季中減少，而相對(duì)雨季前稍好。

4 結(jié) 論

隨著植被的恢復(fù)和植被枯落物的增加，不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量除有效磷含量外，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均高于撂荒地，表現(xiàn)出良好的養(yǎng)分改善效益。

受溫度和濕度影響，土壤有機(jī)碳和各養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出雨季中(7月)>雨季后(11月)>雨季前(4月)的變化趨勢(shì)。

不同恢復(fù)模式土壤有機(jī)碳及各土壤養(yǎng)分含量在垂直剖面上隨土層深度的增加，養(yǎng)分含量逐層減少，且垂直分布上差異較大。