西南喀斯特地區(qū)石灰?guī)r與白云巖發(fā)育土壤的養(yǎng)分含量

肖時(shí)珍，何江湖*，曾 成，肖 華，雷博林

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001; 2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550081；3.貴州黔東南苗嶺國(guó)家地質(zhì)公園施秉縣管理局，貴州 施秉 556200)

【研究意義】貴州省是典型的喀斯特高原區(qū)，是我國(guó)乃至世界發(fā)育最完全的喀斯特地帶[1]?？λ固氐貐^(qū)土層淺薄，生態(tài)環(huán)境脆弱，人地矛盾異常尖銳[2]，往往還伴隨著水土流失，土壤養(yǎng)分退化等問題。土壤養(yǎng)分含量是衡量土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]和重要指標(biāo)。土壤在形成和演化過程中受氣候、海拔、地貌地形和土地利用方式的影響，其中，土壤養(yǎng)分與土地利用方式有著緊密的聯(lián)系，土地利用和管理水平在很大程度上影響土壤質(zhì)量和變化程度[4-7]。土壤養(yǎng)分的退化會(huì)直接導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降甚至喪失?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，諸多研究者在不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物與土壤養(yǎng)分方面進(jìn)行了大量研究。盛茂銀等[8]研究了喀斯特石漠化地區(qū)的植物多樣性與土壤理化性質(zhì)，肖燁等[9]對(duì)土壤微生物和土壤養(yǎng)分進(jìn)行了具體研究，李果[10]對(duì)喀斯特地區(qū)不同利用方式下土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤肥力的評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，劉夢(mèng)云等[11]則是更全面更具體地研究了不同土地利用方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，為土壤肥力恢復(fù)，土地改良提供了有力依據(jù)。同時(shí)，巖石作為形成土壤母質(zhì)的原始物質(zhì)[12]，是土壤養(yǎng)分的重要來源[13]，在不同的母巖條件下，其土壤養(yǎng)分存在明顯差異[14-15]。不同母巖釋放元素的數(shù)量和速率存在明顯差異[16]，也表征母巖為土壤提供營(yíng)養(yǎng)元素的潛力是有差別的?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在當(dāng)前研究中，針對(duì)喀斯特地區(qū)不同母巖條件下發(fā)育土壤的養(yǎng)分研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于貴州省施秉縣白云巖和石灰?guī)r兩種喀斯特類型的土壤數(shù)據(jù)(pH、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)碳)，研究不同成土母巖的土壤養(yǎng)分含量、不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量的變化和研究區(qū)的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀，為喀斯特地區(qū)的土地優(yōu)化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為杉木河小流域的白垛村和石橋村，位于貴州省東部施秉縣境內(nèi)(27°05′49″～27°13′59″ N、108°01′34″～108°09′32″ E)，地處云貴高原東部邊緣向湘西低山丘陵過渡的山原斜坡地帶，地勢(shì)由西、西北向東、東南部逐漸降低，最高海拔1615 m，最低海拔520 m，總面積28 295 hm2[17]。區(qū)域內(nèi)沉積巖厚度達(dá)2520 m[18]，基本為寒武系地層，僅在研究區(qū)北部包括少部分震旦系、奧陶系、南華系、青白口系等地層。研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)包括以馬尾松為主的針葉林，以殼斗科、樟科和木蘭科植物為主的闊葉林，以馬尾松、銳齒槲櫟等組成的針闊混交林，以及慈竹、河灘冬青等為主的灌叢及灌草叢[19]。白垛村發(fā)育的地層巖性主要為寒武系婁山關(guān)組白云巖，巖石整體破碎，巖相產(chǎn)狀平緩，內(nèi)部縫合線構(gòu)造及裂隙發(fā)育[20]。石橋村發(fā)育的地層巖性為石冷水組含泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r[21]，有巖石裸露，土被不連續(xù)。兩地直線距離為14.5 km，土壤類型主要為石灰?guī)r和白云巖風(fēng)化形成的石灰土，氣候條件相同，多年平均降水量1220 mm，年均溫16 ℃，為中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 通過查閱文獻(xiàn)和野外勘察，根據(jù)土地利用方式，分別在石橋村和白垛村選擇旱地和林地兩類用地作為研究樣地，樣地面積為10 m×10 m，每種土地利用方式各選取6個(gè)平行樣，共采集24個(gè)土樣。樣地基本情況見表1。

表1 土壤樣品采集地的地基本情況

1.2.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定 土壤分析參考鮑士旦[22]的方法：土壤pH采用電極電位法，土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮(TN)采用半微量開氏法(流動(dòng)注射儀測(cè)定)，全磷(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融-原子吸收法，水解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法，有效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法，速效鉀(AK)采用中性乙酸銨提取為火焰光度計(jì)法。

1.2.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià) 根據(jù)國(guó)家土壤第2次普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量大致是有機(jī)碳含量的1.724倍[23]，將所測(cè)的有機(jī)碳含量換算成有機(jī)質(zhì)，根據(jù)研究區(qū)測(cè)定的大量元素養(yǎng)分含量(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。

表2 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行計(jì)算，使用Origin 8.0 作圖，使用SPSS 22.0進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基巖發(fā)育的坡地土壤養(yǎng)分

從圖1看出，除石灰?guī)r發(fā)育土壤的全鉀和全磷含量高于白云巖土壤外，其余指標(biāo)均低于白云巖發(fā)育土壤。

圖1 不同基巖坡地土壤的養(yǎng)分含量

2.2 土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

2.2.1 石灰?guī)r發(fā)育土壤 從表3看出，土壤養(yǎng)分中，呈極顯著正相關(guān)的有全氮與水解氮(r=0.730，P<0.01)、全氮與有機(jī)碳(r=0.989，P<0.01)、全鉀與有機(jī)碳(r=0.708，P=0.01)，呈顯著正相關(guān)的有全氮與全鉀(r=0.638，P<0.05)、水解氮與有機(jī)碳(r=0.675，P<0.05)；其他土壤養(yǎng)分間無顯著相關(guān)性。

表3 石灰?guī)r發(fā)育土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

2.2.2 白云巖發(fā)育土壤 從表4看出，白云巖發(fā)育土壤養(yǎng)分中，全氮與水解氮(r=0.989，P<0.01)、與有機(jī)碳(r=0.996，P<0.01)均呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著正相關(guān)(r=0.830，P<0.05)；水解氮與全磷呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.720，P<0.05)，與速效鉀呈顯著正相關(guān)(r=0.790，P<0.05)，與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(r=0.984，P<0.01)；全磷與有效磷呈顯著正相關(guān)(r=0.794，P<0.05)；速效鉀與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(r=0.863，P<0.01)；其他土壤養(yǎng)分間相關(guān)性均不明顯。

表4 白云巖發(fā)育土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

2.3 不同基巖發(fā)育及利用方式土壤的化學(xué)特征

由圖2看出，不同基巖同種土地利用方式土壤養(yǎng)分含量的相差較大。石灰?guī)r林地的土壤pH呈較強(qiáng)酸性，白云巖pH則呈弱堿性；石灰?guī)r林地速效鉀、全氮、水解氮、有機(jī)碳含量均小于白云巖林地；石灰?guī)r林地的全鉀、全磷、有效磷含量高于白云巖林地；石灰?guī)r旱地pH高于白云巖旱地土壤，兩者均呈酸性；石灰?guī)r旱地的有效磷、水解氮、速效鉀、全氮、有機(jī)碳含量均低于白云巖旱地；石灰?guī)r旱地的全鉀和全磷含量均大于白云巖旱地；石灰?guī)r林地土壤全鉀、全氮、水解氮、有機(jī)碳含量高于旱地，速效鉀、全磷、有效磷、pH低于旱地；白云巖林地土壤全磷、有效磷低于旱地，其他指標(biāo)均高于旱地。

圖2 不同基巖發(fā)育土壤不同利用方式的養(yǎng)分含量

2.4 土壤質(zhì)量分級(jí)

根據(jù)研究區(qū)的大量元素養(yǎng)分含量(表5)，土壤中的有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮屬于較高水平，全磷處于較低水平。其中，白云巖和石灰?guī)r發(fā)育土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮含量平均水平分別在二級(jí)、一級(jí)；石灰?guī)r發(fā)育土壤的全磷、全鉀分別在五級(jí)和一級(jí)；白云巖發(fā)育的全磷、全鉀分別在六級(jí)和三級(jí)。

表5 研究區(qū)土壤的大量元素養(yǎng)分含量

3 討 論

3.1 土壤養(yǎng)分間相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，石灰?guī)r區(qū)和白云巖區(qū)全氮與水解氮和有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)系，水解氮與有機(jī)碳在石灰?guī)r區(qū)為顯著正相關(guān)關(guān)系，在白云巖區(qū)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果與賈申等[25]的研究一致。土壤環(huán)境中的碳、氮元素密切相關(guān)，動(dòng)植物和土壤生物殘?bào)w以及人工施用有機(jī)肥是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源[26]，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量大致是有機(jī)碳含量的1.724倍[23]，而有機(jī)質(zhì)是土壤氮素的主要來源[27]，有機(jī)化合物進(jìn)入土壤后，在微生物酶的作用下，釋放出氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素?？傮w看，土壤中的碳、氮元素具有顯著的相關(guān)性，可以用來指示該區(qū)域的土壤質(zhì)量狀況。

3.2 不同巖性發(fā)育土壤養(yǎng)分差異

不同巖性發(fā)育土壤的養(yǎng)分有很大差異[28]，石灰?guī)r和白云巖發(fā)育土壤的養(yǎng)分含量差異較大。白云巖發(fā)育土壤具有較高的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、水解氮，相比白云巖發(fā)育土壤，石灰?guī)r土壤具有較高的全磷和全鉀。研究區(qū)石灰?guī)r土壤比較濕潤(rùn)，有機(jī)碳、全氮、水解氮、速效鉀、有效磷淋失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤酸度較高，而酸性土壤使微生物種類受到限制，從而減慢了有機(jī)質(zhì)的分解[29]，導(dǎo)致白云巖發(fā)育土壤的這些養(yǎng)分含量高于石灰?guī)r發(fā)育土壤。而土壤鉀和磷元素主要來源于巖石的風(fēng)化[30]，石灰?guī)r的風(fēng)化速度大于白云巖，故石灰?guī)r土壤中的鉀和磷元素含量相對(duì)較高。

3.3 土地利用類型對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

同種巖性不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分含量差異較大。另外，土地利用方式的改變對(duì)兩類基巖發(fā)育土壤的養(yǎng)分具有明顯影響。由林地轉(zhuǎn)為耕地后，石灰?guī)r和白云巖土壤的全氮分別減少57 %和77 %，水解氮分別減少75 %和87 %，全鉀分別減少34 %和6 %，有機(jī)碳分別減少75 %和79 %，石灰?guī)r土壤的全磷、有效磷、速效鉀增加24 %、9 %、13 %，白云巖土壤的全磷、有效磷增加230 %、165 %，速效鉀減少37 %。土壤養(yǎng)分主要來源于地表枯枝落葉層的積累、礦化和微生物對(duì)動(dòng)植物殘?bào)w的分解，林地植被蓋度和生物量相對(duì)旱地高，受人為干擾的影響小，全氮、水解氮、全鉀、有機(jī)碳積累量多。而耕地則相反，因?yàn)槠涞乇韼缀鯖]有枯枝落葉層，造成養(yǎng)分循環(huán)代謝較低，相應(yīng)的養(yǎng)分含量也相對(duì)較低[31]。旱地由于人工施用磷肥，導(dǎo)致土壤中的全磷、有效磷含量增加。因未施鉀肥，導(dǎo)致石灰?guī)r旱地土壤較林地干燥，速效鉀淋失較林地少，而白云巖土壤較干燥，速效鉀淋失現(xiàn)象不明顯，旱地由于農(nóng)作物的吸收，導(dǎo)致土壤中的速效鉀含量較白云巖林地少。

3.4 土壤質(zhì)量狀況

研究區(qū)土壤中的有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮屬于較高水平，全磷處于較低水平。這主要是由于該區(qū)屬于中亞熱帶山地濕潤(rùn)氣候，優(yōu)越的溫、濕條件極有利于生物的繁衍和生長(zhǎng)，生物自肥作用強(qiáng)烈，同時(shí)受人為活動(dòng)的干擾較少，石漠化發(fā)育程度低，大部分區(qū)域基本無石漠化。土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)未發(fā)生顯著退化。

4 結(jié) 論

通過對(duì)相同氣候、海拔條件下白云巖和石灰?guī)r喀斯特地區(qū)不同土地利用方式土壤養(yǎng)分的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)土地利用方式和成土母巖的差異對(duì)土壤養(yǎng)分的影響較大，進(jìn)而可以為后期研究和土壤養(yǎng)分管理與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)工作提供理論支撐。受研究區(qū)土地利用類型的限制，僅對(duì)兩種巖性條件下兩種土地利用類型的養(yǎng)分進(jìn)行了研究。因此，關(guān)于巖性和土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，還有待于尋找相同氣候條件下、相同海拔、相同土地利用方式的自然研究區(qū)或依靠徑流小區(qū)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)合土壤物理性質(zhì)進(jìn)行深入研究。