云南典型石漠化地區(qū)土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)分布特征研究*

黃晨元，劉建祥,，張葉飛，秀潔，李傘劍

(1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院/石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.云南省高校石漠化防治工程研究中心，云南 昆明 650224)

截至2016年底，我國(guó)巖溶地區(qū)石漠化土地總面積為10.07×106hm2，占巖溶面積的22.3%，云南省石漠化土地面積約為 2.35×106hm2，居全國(guó)第二位，另有潛在石漠化土地2.04×106hm2[1]。石漠化作為一種生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象，會(huì)帶來土地退化、植被逆向演替、環(huán)境災(zāi)害頻繁、飲用水困難和農(nóng)民貧困程度加深等一系列問題[2]。云南地處云貴高原，喀斯特地貌顯著，區(qū)域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，加之不合理的土地利用方式，導(dǎo)致境內(nèi)石漠化問題加劇[3]?！笆奈濉币?guī)劃繼續(xù)強(qiáng)調(diào)生態(tài)保護(hù)的重要性，堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主，守住自然生態(tài)安全邊界[4]。對(duì)石漠化地區(qū)進(jìn)行相關(guān)研究，利于深入了解石漠化發(fā)生機(jī)理，深度分析石漠化演變過程及生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，更是石漠化問題發(fā)生的關(guān)鍵所在[5]。土壤中的腐殖質(zhì)對(duì)土壤肥力、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有重要的調(diào)節(jié)功能，在土壤養(yǎng)分循環(huán)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡方面發(fā)揮著顯著作用[6]。土壤中腐殖質(zhì)除少部分以游離態(tài)存在外，大部分與土壤礦質(zhì)顆粒形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，呈結(jié)合態(tài)存在，由于結(jié)合的方式和松緊程度不一，可分為松結(jié)態(tài)、聯(lián)結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)[7]。研究腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)對(duì)于鑒別發(fā)生土類的性質(zhì)及培肥具有重要參考價(jià)值，對(duì)于提高石漠化地區(qū)土壤肥力具有重要作用。

土壤有機(jī)碳和氮素是重要的土壤養(yǎng)分，往往被作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[8]，另有研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及黏粒含量是土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)土壤性質(zhì)的改良和養(yǎng)分循環(huán)起著重要作用[9]。楊賀[10]對(duì)湘西不同石漠化程度土壤特征進(jìn)行研究，探討了土壤理化性質(zhì)隨石漠化程度變化的特征。匡恩俊等[11]研究了原狀土搬遷前和搬遷后4個(gè)典型處理(馬糞+氮磷鉀、馬糞、氮磷鉀、不施肥)的腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的變化，掌握了土壤腐殖質(zhì)隨環(huán)境和土體的變化情況。韓賓等[12]采用大田取樣、室內(nèi)分析相結(jié)合的方法對(duì)不同耕作方式下土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組成的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。前人關(guān)于石漠化理化性質(zhì)及土壤腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)方面做了諸多研究，但兩者結(jié)合于石漠化地區(qū)的研究則少見于報(bào)道。本研究以高原巖溶石漠化地區(qū)為對(duì)象，測(cè)定不同石漠化程度土壤不同腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)分布特征、土壤養(yǎng)分和粒徑分布特征及其相互之間的相關(guān)性，揭示石漠化地區(qū)腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)、土壤養(yǎng)分及粒徑之間的內(nèi)在聯(lián)系，旨在通過系統(tǒng)分析不同石漠化程度土壤理化學(xué)性質(zhì)差異反映此地區(qū)土壤狀況并預(yù)測(cè)石漠化演變趨勢(shì)，為石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于云南省昆明市石林圭山國(guó)家森林公園內(nèi)(24°26′N、103°20′E，海拔1 739～1 856 m)，屬亞熱帶低緯高原山地氣候，年降雨量970 mm，年平均氣溫14 ℃，年平均無霜期210 d。樣地以石灰?guī)r為主，土壤類型主要為紅壤及黃棕壤。研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋率較低，由于受高原亞熱帶季風(fēng)影響，形成了以云南松(Pinusyunnanensis)、白刺花(Nitrariatangutorum)、紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)、火棘(Pyracanthafortuneana)等為主的植被類型。其中，重度石漠化區(qū)域植被覆蓋率低，巖石間隙處覆蓋有草本植物，土層中多含石礫。

1.2 樣地布設(shè)與樣品采集

在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，依據(jù)張信寶等[13]的西南巖溶山地坡地石漠化分類標(biāo)準(zhǔn)，在研究區(qū)選取潛在、輕度、中度、重度石漠化4種石漠化程度的山地，每種石漠化程度山地選擇3個(gè)典型代表性樣地，樣地具體情況見表1。每個(gè)樣地按S型采樣方式在其中心選擇3個(gè)樣點(diǎn)，除去表層枯枝落葉，環(huán)刀取土，帶回實(shí)驗(yàn)室分析土壤物理指標(biāo)，并采集3個(gè)0～30 cm的混合土樣，四分法取1 kg土壤帶回實(shí)驗(yàn)室分析其化學(xué)指標(biāo)。

表1 樣地基本信息

1.3 樣品處理與分析

依據(jù)《土壤理化分析》[14]中的要求，撿去土壤樣品中的枯枝落葉，放在室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，環(huán)刀法所采樣品用來測(cè)定土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量和容重。四分法所采土壤樣品將其過0.25 mm孔徑篩用于土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。pH采用電位法測(cè)定；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度計(jì)法測(cè)定；速效磷采用Bray I法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[15]；速效氮采用凱氏定氮法測(cè)定[16]；粒徑采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定[17]；土壤腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)采用Anderson法測(cè)定[7]。為后續(xù)研究需要，依據(jù)Minasny B等[18]將土壤有機(jī)質(zhì)換算成土壤有機(jī)碳，即除以van bemmelen因數(shù)——1.724。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差分析、多重比較、皮爾遜相關(guān)性等分析，采用Origin 2019及Excel 2019軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同石漠化程度土壤物理性質(zhì)

2.1.1 土壤機(jī)械組成

4種石漠化土壤的粒徑分布皆以粉粒含量最高，不同石漠化程度土壤其粉粒含量大小為潛在>輕度>中度>重度，且彼此之間差異極顯著(P<0.01)，黏粒含量隨著石漠化程度加深而逐漸變小，潛在石漠化程度土壤其黏粒含量極顯著大于重度石漠化程度土壤(P<0.01)，砂粒含量隨石漠化程度加深而逐漸增大且差異極顯著(P<0.01)；粉粒和砂粒含量均隨土層深度的增加而遞減，而黏粒變化規(guī)律則與之相反(表2)。

表2 不同石漠化程度土壤顆粒的粒徑分布與分形維數(shù)

土壤分形維數(shù)能表征土壤顆粒大小，反映土壤結(jié)構(gòu)、肥力和土壤退化程度[19]。土壤分形維數(shù)隨石漠化程度的加重呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且潛在極顯著大于輕度、中度和重度石漠化(P<0.01)，反映了土壤隨石漠化程度增加不斷退化的過程；此外，隨土壤深度的增加，各石漠化程度土壤的分形維數(shù)呈遞減趨勢(shì)(表2)。

2.1.2 土壤容重和持水狀況

土壤容重能表征土壤的疏松程度與通氣性，是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)土壤的通氣性、透水性、溶質(zhì)遷移和抗侵蝕能力有較大影響[20]。由表3可知，土壤容重隨石漠化程度加深呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在潛在與重度石漠化土壤間差異達(dá)極顯著(P<0.01)。由于土壤容重的影響，3種持水量指標(biāo)呈相同的變化規(guī)律——3種持水量指標(biāo)值均隨土層深度的增加而減小、隨石漠化程度的加深而減小，其中土壤飽和持水量為潛在石漠化土壤的極顯著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，土壤毛管持水量及田間持水量均為潛在石漠化土壤的極顯著高于重度石漠化土壤的(P<0.01)。

表3 不同石漠化程度土壤物理性質(zhì)比較

2.2 不同石漠化程度土壤基本化學(xué)性質(zhì)

由表4可以看出，土壤pH值在潛在和重度石漠化土壤間呈現(xiàn)極顯著差異(P<0.01)，不同石漠化程度土壤pH均值在5.37～6.29之間，呈微酸性。有機(jī)碳含量在不同石漠化程度土壤中呈現(xiàn)潛在>輕度>中度>重度的趨勢(shì)，且潛在和輕度石漠化土壤的極顯著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。

表4 不同石漠化程度土壤養(yǎng)分含量

土壤養(yǎng)分元素含量隨石漠化程度的加重呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)(表4)。全氮含量在潛在和輕度石漠化土壤中的值顯著高于其在中度和重度石漠化土壤中的(P<0.05)，速效氮含量在潛在和輕度石漠化土壤中的值顯著高于其在重度石漠化土壤中的(P<0.05)，土壤氮素含量呈現(xiàn)潛在>輕度>中度>重度的趨勢(shì)，表明隨著石漠化程度的加深，土壤供氮能力降低；土壤全鉀含量在潛在和輕度石漠化土壤中的值極顯著高于其在重度石漠化土壤中的(P<0.01)，速效鉀含量在潛在石漠化土壤中的值則極顯著高于其在其它3種石漠化程度土壤中的(P<0.01)；土壤磷素含量在潛在和輕度石漠化土壤中的值極顯著高于其在中度和重度石漠化土壤中的(P<0.01)。

2.3 不同石漠化程度土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組成特征

松結(jié)態(tài)有機(jī)碳(腐殖質(zhì))是土壤腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)中最為活躍的有機(jī)質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易被微生物分解、轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤養(yǎng)分的釋放有著積極的作用[21]。由表5可知，不同石漠化程度土壤中松結(jié)態(tài)有機(jī)碳的含量有顯著差異，其土壤松結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量在(9.41±0.10)～(13.19±1.25)g/kg之間，且潛在和輕度石漠化土壤的松結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量極顯著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。土壤聯(lián)結(jié)態(tài)有機(jī)碳介于松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)之間，其含量可以直接反映土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的進(jìn)程[22]。土壤聯(lián)結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量在潛在石漠化土壤中最高，為(1.90±0.34)g/kg，重度石漠化土壤有機(jī)碳含量最低，為(0.48±0.04)g/kg，潛在和輕度石漠化土壤的有機(jī)碳含量極顯著大于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)。不同石漠化程度土壤的穩(wěn)結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量在(0.40±0.04)～(1.39±0.23)g/kg，緊結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量在(4.95±0.14)～(11.99±0.23)g/kg，土壤松緊比呈現(xiàn)潛在<輕度<中度<重度。

表5 不同程度石漠化土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組成及其含量

由表6可知，在4種結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)中富里酸(FA)、胡敏酸(HA)含量均表現(xiàn)為潛在和輕度石漠化土壤極顯著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，總體呈現(xiàn)隨石漠化程度加重而減小的趨勢(shì)，結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量變化也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

胡富比(H/F)可以進(jìn)一步說明土壤肥力狀況，具有重要意義[22]。不同石漠化程度土壤結(jié)合態(tài)有機(jī)碳H/F值均呈現(xiàn)隨石漠化程度加重而減小的趨勢(shì)，且潛在和輕度石漠化土壤的值均極顯著高于中度和重度石漠化土壤的(P<0.01)，潛在與輕度、中度和重度石漠化土壤之間差異不顯著(P>0.05)。腐殖酸(即松、聯(lián)及穩(wěn)結(jié)態(tài)有機(jī)碳對(duì)應(yīng)胡敏酸和富里酸加和)變化規(guī)律同結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。參試土壤中穩(wěn)結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量占腐殖酸的4.0%～9.1%，除穩(wěn)結(jié)態(tài)有機(jī)碳H/F>1外，松結(jié)態(tài)及聯(lián)結(jié)態(tài)有機(jī)碳均小于1(表6)。

表6 不同石漠化程度土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組成

2.4 不同石漠化程度土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析(圖1)表明，石漠化程度與結(jié)合態(tài)有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；全磷、全氮和有機(jī)碳與結(jié)合態(tài)有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；速效氮、速效磷和鉀素均與結(jié)合態(tài)有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；砂粒與粉粒和黏粒及結(jié)合態(tài)有機(jī)碳呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。各營(yíng)養(yǎng)元素之間相關(guān)性顯著(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

土壤腐殖質(zhì)是土壤構(gòu)成中的關(guān)鍵物質(zhì)，其含量和組成特征可以從一定程度上反映成土條件和過程，具有調(diào)節(jié)土壤肥力的功能[23]。腐殖質(zhì)的4種結(jié)合形態(tài)的含量差異及對(duì)應(yīng)的HA和FA含量變化對(duì)土體肥力、結(jié)構(gòu)及生物群落穩(wěn)定性的保持有直接影響，能較為全面地反映土壤質(zhì)量[24]，這與本研究結(jié)論一致。本研究中，不同石漠化程度土壤的4種腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)含量均呈現(xiàn)潛在>輕度>中度>重度的趨勢(shì)，這與張曉曦等[25]的研究結(jié)果相似。緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性很強(qiáng)，其碳含量的多少對(duì)于保持土體構(gòu)造、積累和貯存養(yǎng)分等方面有顯著作用。松緊比是衡量腐殖質(zhì)活性和品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，本研究表明，潛在和輕度石漠化土壤中的緊結(jié)態(tài)有機(jī)碳含量極顯著高于中度和重度石漠化土壤中的(P<0.01)，松緊比呈現(xiàn)中度和重度石漠化土壤的極顯著大于潛在和輕度石漠化土壤的(P<0.01)，由此表明潛在和輕度石漠化土壤腐殖質(zhì)貯存養(yǎng)分的能力較高但相對(duì)活性較弱，而中度和重度石漠化土壤腐殖質(zhì)養(yǎng)分儲(chǔ)存能力較弱但活性強(qiáng)，有利于生物量較小的草本植物在此處生長(zhǎng)。4種石漠化程度土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)胡富比除穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)H/F>1外，其余均小于1，但所有參試土壤中穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)僅占腐殖酸的4.0%～9.1%，對(duì)土壤腐殖酸整體H/F影響較小，說明該石漠化地區(qū)土壤腐殖酸均以富里酸為主，皆為富里酸型土壤，腐殖化程度整體相對(duì)較低，養(yǎng)分易流失[26]。重度石漠化程度土壤胡富比最小，表明其腐殖質(zhì)品質(zhì)較差，腐殖質(zhì)聚合度較低，土壤肥力較低[27]。相關(guān)性分析表明4種腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)含量與全磷呈極顯著正相關(guān)，這是因?yàn)镻的供應(yīng)會(huì)限制土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用與轉(zhuǎn)化，從而對(duì)腐殖質(zhì)的形成和積累產(chǎn)生一定影響[25]。

本研究表明，土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量均隨著石漠化程度的加深呈遞減趨勢(shì)，土壤容重變化規(guī)律則與此相反，這與顏萍等[28]的研究結(jié)果基本一致。這是因?yàn)橥寥澜Y(jié)合態(tài)分布特征可以對(duì)土壤的其他理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，與土壤的持水性及保溫、保肥的能力息息相關(guān)，從而反映石漠化演變趨勢(shì)[29-30]。本研究表明，隨著土層深度的增加，土壤容重呈增加趨勢(shì)，這與劉忠玲等[31]的研究結(jié)果一致。研究表明，土壤pH作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的因子發(fā)揮著重要作用[32]，本研究中土壤pH隨石漠化程度加深呈遞增趨勢(shì)，這與景宜然等[33]的研究結(jié)果一致。有研究表明土壤疏松度及保水能力與有機(jī)質(zhì)和全N含量密切相關(guān)[33]，本研究中土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、全N含量與土壤持水量變化趨勢(shì)一致，這與本研究結(jié)論相吻合。

綜上所述，研究區(qū)石漠化土壤主要以松、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)為主，其中潛在和輕度石漠化地區(qū)土壤腐殖質(zhì)腐殖化程度相對(duì)較高，潛在和輕度石漠化土壤腐殖質(zhì)貯存養(yǎng)分的能力較高但相對(duì)活性較弱，而中度和重度石漠化地區(qū)土壤腐殖質(zhì)養(yǎng)分儲(chǔ)存能力較弱但活性強(qiáng)。4種石漠化土壤腐殖酸均以富里酸為主，皆為富里酸型土壤，養(yǎng)分易流失。通過對(duì)研究區(qū)土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)分布特征的研究以及理化性質(zhì)分析可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤各理化性質(zhì)均隨石漠化程度變化呈嚴(yán)格規(guī)律變化趨勢(shì)，并且石漠化形勢(shì)不容樂觀。本文以結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)作為新的切入點(diǎn)，對(duì)云南省典型石漠化地區(qū)進(jìn)行研究，進(jìn)一步豐富石漠化地區(qū)理化性質(zhì)的基礎(chǔ)研究，從而加深對(duì)石漠化地區(qū)的認(rèn)知，提高石漠化治理的成效，為石漠化治理乃至生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供新的方向。