喀斯特地區(qū)河岸土壤碳磷對(duì)土地利用演變的響應(yīng)

張 寒，吳 琳 娜，2，歐 陽 坤 長(zhǎng)，馮 紫 薇

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

土地利用演變是陸地生態(tài)循環(huán)最直接、最深刻、最普遍的人為影響因素之一[1]，其通過影響自然和生態(tài)過程，改變土壤中碳、磷的含量[2-3]，從而影響土壤碳庫(kù)、磷庫(kù)的收支平衡。其中，土壤有機(jī)碳庫(kù)是地球表層系統(tǒng)最大的碳庫(kù)之一，在碳達(dá)峰中扮演著重要的碳匯角色，其改變將深刻影響著全球碳循環(huán)和氣候變化[4-5]。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必要的營(yíng)養(yǎng)因子[6]，也是生態(tài)系統(tǒng)重要的限制因子。土壤中的全磷含量不僅影響氮元素的形態(tài)[7]，還是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素，同時(shí)還會(huì)改變稻田溫室氣體的排放[8]，進(jìn)而影響全球氣候變化。隨著喀斯特地區(qū)生態(tài)治理工程的實(shí)施，土地利用覆蓋發(fā)生了較大變化。同時(shí)，河流沿岸地區(qū)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳和磷進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵地帶，也是水生生態(tài)系統(tǒng)碳和磷的主要來源。因此，研究喀斯特地區(qū)河流沿岸土壤中碳、磷與土地利用演變的響應(yīng)關(guān)系對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣候環(huán)境改善及生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)都具有重要的意義。

已有研究表明，土地利用與土壤碳、磷含量及理化性質(zhì)具有緊密關(guān)系[9]。部分學(xué)者認(rèn)為土地利用的演變是土壤有機(jī)碳、磷變化的重要因素[10-11]，林地、草地、耕地的演變會(huì)改變土壤碳庫(kù)、磷庫(kù)的輸入，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分差異[12]，優(yōu)化土地利用可以有效改善土壤質(zhì)量[13]。如周汝波等[14]指出退耕還林還草有利于碳匯的形成；劉國(guó)棟等[15]提出自然生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變會(huì)改變土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及微生物活性，影響呼吸作用，進(jìn)而引起土壤有機(jī)碳變化。除此之外，耕地中不同的農(nóng)業(yè)管理措施，如免耕和少耕也會(huì)通過減少土壤擾動(dòng)降低土壤O2和CO2的交換速率，改變土壤呼吸速率，進(jìn)而影響土壤碳、磷等養(yǎng)分的儲(chǔ)量[16]。隨著空間分析技術(shù)的發(fā)展，土壤碳、磷空間分布研究受到廣大學(xué)者的關(guān)注。部分學(xué)者采用克里金插值法辨識(shí)土壤碳、磷空間分布，現(xiàn)有研究表明，克里金插值適用于碳磷密度的空間插值[17-18]，其中經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確[19]。此外，在土壤-植物關(guān)系與碳、氮、磷循環(huán)的研究中，生態(tài)化學(xué)計(jì)量法在生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了物理學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)等基本原理，研究生物系統(tǒng)能量平衡和碳、氮、磷的平衡，能有效分析多重化學(xué)元素的質(zhì)量平衡對(duì)生態(tài)交互作用的影響[20]。研究表明，碳、氮、磷養(yǎng)分比例的變化會(huì)影響動(dòng)植物與土壤之間的相互作用，進(jìn)而影響土壤中碳、氮、磷的循環(huán)過程[21]。因此，研究土地利用演變過程中養(yǎng)分元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，是揭示土地利用演變生態(tài)效應(yīng)的重要手段。目前，關(guān)于土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究，大多集中于研究不同土地利用類型土壤養(yǎng)分含量的差別，而對(duì)于不同土地利用演變過程對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究不多，特別是其對(duì)土壤碳磷密度及碳磷比影響的研究鮮有報(bào)道。

都柳江屬于珠江水系，是西江干流黔江段支流柳江的上源河段。都柳江上游沿岸地區(qū)巖溶發(fā)育，坡度較陡，地形落差大，降水充沛，雨季集中，伴有水土流失現(xiàn)象。該區(qū)域碳磷元素含量不僅是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要來源，還可能隨徑流和土壤顆粒進(jìn)入河流對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和下游生態(tài)系統(tǒng)造成影響，因此該區(qū)域承擔(dān)了重要的碳匯、水土保持和水源涵養(yǎng)等生態(tài)功能，是都柳江乃至珠江流域重要的生態(tài)安全屏障。2010年以來，該區(qū)域內(nèi)退耕還林使得林地和耕地面積發(fā)生了較大變化。因此，本研究選取都柳江上游沿岸地區(qū)作為研究對(duì)象，采集耕地、林地上黃壤和石灰土等土壤樣品，測(cè)定土壤有機(jī)碳、全磷含量、含水量、pH等土壤基本特征，采用土壤類型法估算土壤有機(jī)碳、全磷密度及儲(chǔ)量，查明土壤有機(jī)碳、全磷密度空間分布特征，并從土地利用演變的角度分析土壤有機(jī)碳、全磷密度及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量變化特征，以期為喀斯特地區(qū)土地資源管理和農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)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)位于都柳江上游流域三都縣、獨(dú)山縣一帶，面積為820.47 km2，巖溶發(fā)育，地形起伏較大，地勢(shì)整體西高東低，自西向東傾斜，海拔介于368～1 553 m之間，落差1 185 m。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16～18 ℃，年平均雨量在1 100～1 400 mm之間[22]。區(qū)內(nèi)黃壤、石灰土分布較廣，除此之外還包括水稻土、紅壤以及粗骨土，土壤類型分布如圖1所示。其中黃壤面積最大，為345.9 km2，占比42.2%；其次是石灰土，面積171.3 km2，占比20.9%；水稻土面積154.7 km2，占比18.8%；紅壤面積78.3 km2，占比9.5%；面積最小的是粗骨土，70.3 km2，占比8.6%。

圖1 土壤類型及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Soil types and sampling points distribution

1.2 樣品采集與測(cè)定

空間系統(tǒng)抽樣方法是在確定抽樣間隔的基礎(chǔ)上隨機(jī)選擇抽樣單元，后續(xù)的樣本單元在第1個(gè)選擇的抽樣單元上加上抽樣間隔得到，當(dāng)空間研究對(duì)象具有較強(qiáng)空間相關(guān)性時(shí)，這種抽樣方法比空間隨機(jī)抽樣能更好地測(cè)量研究對(duì)象的空間分異[23]。為了進(jìn)一步刻畫土壤有機(jī)碳、全磷密度的空間分異，本研究采用空間系統(tǒng)抽樣布點(diǎn)法進(jìn)行布設(shè)樣點(diǎn)，于2019年3月在研究區(qū)采集62個(gè)點(diǎn)位表層土壤(0～20 cm)樣品。采樣過程中從都柳江發(fā)源地向下游每間隔1 km，使用GPS定位采樣，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。黃壤中分布有16個(gè)點(diǎn)位，石灰土中分布有25個(gè)點(diǎn)位，水稻土中7個(gè)點(diǎn)位，紅壤中3個(gè)點(diǎn)位，粗骨土中11個(gè)點(diǎn)位。去除礫石、植物根系等雜物后，裝入PE塑封袋密封并標(biāo)記，整理后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)處理。土壤樣品在室溫條件下自然風(fēng)干，使用球磨機(jī)進(jìn)行研磨，過100目尼龍篩后放于磨口塞棕色玻璃瓶中保存?zhèn)溆谩?/p>

本研究測(cè)定的土壤基本特征指標(biāo)主要包括有機(jī)碳、全磷含量，以及土壤含水量、pH等。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進(jìn)行測(cè)定，全磷含量采用堿熔-鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定，土壤含水量采用重量法進(jìn)行測(cè)定，土壤pH采用電位法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用人機(jī)交互式目視解譯方法

本研究利用人機(jī)交互式目視解譯方法識(shí)別研究區(qū)2018年和2019年Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)字影像，獲得研究區(qū)相應(yīng)年份土地利用數(shù)據(jù)。研究區(qū)涉及影像軌道號(hào)為path126，row42，云量均低于8%。在ENVI中對(duì)影像進(jìn)行校正、真彩色合成、投影等預(yù)處理，在ArcGIS中以2013年土地利用矢量圖為基礎(chǔ)，疊加顯示遙感影像，運(yùn)用人機(jī)交互式目視解譯方法，解譯出研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)，主要分為林地、耕地、草地、城鄉(xiāng)居民用地和水域。所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影為Albers投影，標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25°和47°。

1.3.2土壤有機(jī)碳、全磷密度及儲(chǔ)量計(jì)算

本研究采用土壤類型法估算研究區(qū)土壤有機(jī)碳和全磷儲(chǔ)量，計(jì)算公式如下：

SOCD(SPD)=SOC(SP)×ρ×D÷10

(1)

(2)

式中：SOCD為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2;SPD為土壤全磷密度，kg/m2；SOC為土壤有機(jī)碳含量，%；SP為土壤全磷含量，%；ρ為土壤容重，g/cm3；D為土壤深度，即20 cm；SOCR為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，kg；SPR為土壤全磷儲(chǔ)量，kg;SOCDi為第i種土壤類型土壤有機(jī)碳密度，kg/m2;SPDi為第i種土壤類型土壤全磷密度，kg/m2;Si為第i種土壤類型土壤面積，m2。

公式中土壤容重ρ參考相關(guān)轉(zhuǎn)化公式[24-25]進(jìn)行估算，并參考《貴州土種志》及文獻(xiàn)[26]進(jìn)行調(diào)整。

(3)

式中：ρ為土壤容重，g/cm3；SOM為土壤有機(jī)質(zhì)含量，%，可以利用土壤有機(jī)碳含量SOC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.724。

1.3.3經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法(EBK)

經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法(EBK)是一種基于克里金法的地統(tǒng)計(jì)插值方法，可通過構(gòu)造子集和模擬的過程來調(diào)整參數(shù)，自動(dòng)執(zhí)行構(gòu)建有效克里金模型過程中的那些最困難的步驟，比其他克里金方法預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)確[19]。本研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法(EBK)對(duì)都柳江上游沿岸土壤有機(jī)碳(全磷)密度進(jìn)行插值分析并采用交叉驗(yàn)證方法對(duì)插值模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，交叉驗(yàn)證結(jié)果如表1所列。有機(jī)碳和全磷標(biāo)準(zhǔn)平均值誤差都在0附近，均方根誤差碳磷均最小，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差與均方根誤差最相近，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差碳磷皆臨近于1，表示插值模型較準(zhǔn)確。

表1 插值模型交叉驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 Cross-validation results of interpolation model

1.3.4土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量法

土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量法通過土壤中主要組成元素(通常是碳、氮、磷)之間的關(guān)系，反映土壤中的養(yǎng)分情況以及元素循環(huán)，為評(píng)價(jià)土壤水平提供了一種新的途徑。本研究中土壤碳磷比是土壤有機(jī)碳含量與全磷含量的比值，反映了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，是衡量土壤組成及質(zhì)量的一種重要指標(biāo)[27]。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)土地利用演變

由人機(jī)交互式目視解譯方法得到2018年和2019年研究區(qū)土地利用類型分布圖(見圖2)，分別統(tǒng)計(jì)研究區(qū)不同年份各土地利用類型的面積，結(jié)果見表2。2013，2018，2019年研究區(qū)林地面積為413.42，422.12，429.11 km2，分別占總面積的50.39%，51.45%，52.30%；其次是耕地，面積為300.09，258.19，255.04 km2，分別占總面積的36.58%，31.47%，31.08%。6 a間研究區(qū)耕地面積減少了15.01%，林地面積增加了3.80%，草地面積增加了5.21%，總體上呈現(xiàn)出耕地減少，林地草地增多的趨勢(shì)，這主要和研究區(qū)內(nèi)各行政區(qū)深入貫徹執(zhí)行嚴(yán)格保護(hù)耕地政策和大力推進(jìn)退耕還林治理措施有關(guān)。隨著貴州省城市化的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)居民用地從2013年的2.96 km2，增長(zhǎng)到2019年的24.76 km2，相對(duì)于林地和耕地而言，面積均較小，在文中不作討論。

表2 研究區(qū)不同年份各土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)Tab.2 Area statistics of different land use types in different years

圖2 2013，2018年和2019年研究區(qū)土地利用類型分布Fig.2 Distribution of land use types in 2013，2018 and 2019

利用ArcGIS空間分析得到研究區(qū)從2013年到2018年再到2019年主要土地利用演變分布圖，如圖3所示。

圖3 2013～2019年研究區(qū)主要土地利用演變分布Fig.3 Distribution of main land use evolution from 2013 to 2019

研究區(qū)主要土地利用演變類型分為連續(xù)林地(F-F-F)，表示2013～2019年為林地，面積為391.12 km2；林-耕-林(F-C-F)，表示2013年為林地，2018年為耕地，2019年為林地，分布在河流附近，面積為0.04 km2；耕-林-林(C-F-F)，表示2013年為耕地，2018～2019年為林地，退耕還林6 a，分布在研究區(qū)北部，面積為22.24 km2；耕-耕-林(C-C-F)，表示2013～2018年為耕地，2019年變?yōu)榱值?，退耕還林1 a，分布在研究區(qū)南部，面積為4.58 km2；連續(xù)耕地(C-C-C)，表示2013～2019年為耕地，面積為243.97 km2；耕-林-耕(C-F-C)，表示2013年為耕地，2018年為林地，2019年為耕地，分布在研究區(qū)北部河流附近，面積為0.39 km2；林-林-耕(F-F-C)，表示2013～2018年為林地，2019年開墾為耕地，分布在研究區(qū)中部，面積為1.13 km2。2013～2019年研究區(qū)耕地面積減少45.05 km2，其中退耕還林面積26.82 km2，占比60%，是主要的土地利用演變類型，面積較大。

2.2 研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全磷密度及儲(chǔ)量

研究區(qū)土壤類型包括黃壤、石灰土、水稻土、紅壤和粗骨土。依照公式(1)～(3)計(jì)算各采樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳、全磷密度及儲(chǔ)量，統(tǒng)計(jì)各采樣點(diǎn)落入土壤類型的平均值，結(jié)果如表3所列。

表3 研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全磷密度及儲(chǔ)量Tab.3 Density and storage of soil organic carbon and total phosphorus

研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度平均值為3.94 kg/m2，高于中國(guó)典型地區(qū)平均水平(3.19 kg/m2)[28]，與Zhang等[29]的估算比較接近，可能與研究區(qū)氣候溫和濕潤(rùn)，植物茂盛，有機(jī)質(zhì)的分解速度慢，利于土壤有機(jī)質(zhì)累積有關(guān)[30]，有機(jī)碳儲(chǔ)量為3.2×106t。研究區(qū)不同土壤類型有機(jī)碳密度由大到小依次是黃壤(4.39 kg/m2)>石灰土(4.00 kg/m2)>粗骨土(3.90 kg/m2)>紅壤(3.22 kg/m2)>水稻土(3.07 kg/m2)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量由大到小依次是黃壤(1 519 351.5 t)>石灰土(685 316.3 t)>水稻土(474865.3 t)>粗骨土(274 078.3 t)>紅壤(251 746.2 t)。主要由于黃壤屬于鐵鋁土，生物循環(huán)旺盛[31]，有機(jī)碳含量較多[30]。

研究區(qū)表層土壤全磷密度平均值為0.124 kg/m2，略低于中國(guó)表層土壤平均水平(0.166 kg/m2)[32]，全磷儲(chǔ)量為1.0×105t。研究區(qū)常年相對(duì)濕度在70%以上，降水豐沛，加速了土壤全磷流失，導(dǎo)致土壤全磷密度相對(duì)較小[32]。土壤全磷密度由大到小依次是粗骨土(0.136 kg/m2)>紅壤(0.129 kg/m2)>黃壤(0.122 kg/m2)>石灰土(0.121 kg/m2)>水稻土(0.117 kg/m2)。土壤全磷儲(chǔ)量由大到小依次是黃壤(42 190.4 t)>石灰土(20 670.8 t)>水稻土(18 084.8 t)>紅壤(10 070.4 t)>粗骨土(9 579.2 t)。粗骨土集中分布在研究區(qū)下游，受雨水沖刷土壤中全磷淤積于此，土壤全磷密度高[33]；黃壤由于屬于鐵鋁富鋁型土壤，全磷密度較低[34]，但是研究區(qū)黃壤面積最大，使得其全磷儲(chǔ)量最大。

2.3 不同土地利用類型有機(jī)碳、全磷密度分布

采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法獲取研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全磷密度空間分布如圖4所示。結(jié)合2019年研究區(qū)土地利用類型分布進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。研究區(qū)不同土地利用類型有機(jī)碳密度均值排序?yàn)椋焊?3.888 kg/m2)>草地(3.860 kg/m2)>林地(3.813 kg/m2)，這與張燕等[35]和Zhang等[29]的研究結(jié)果相同?？赡苡捎谑┓室鸶赝寥捞己可?，而且土地利用方式的轉(zhuǎn)變也會(huì)影響土壤碳的儲(chǔ)存機(jī)制，其中研究區(qū)2013年以來草地幾乎沒有變化，土壤擾動(dòng)較少，有機(jī)質(zhì)含量較高，而2019年的林地主要包括退耕還林1 a和林地-耕地-林地演變的林地，土壤擾動(dòng)增多，有機(jī)質(zhì)暴露在空氣中會(huì)加速分解，且有機(jī)質(zhì)沒有充足的時(shí)間進(jìn)行累積，導(dǎo)致現(xiàn)狀林地中有機(jī)碳含量下降，林地有機(jī)碳密度略低于草地。研究區(qū)不同土地利用類型全磷密度差異不大，耕地略高為0.123 kg/m2，主要受人工施肥影響，林地與草地全磷密度分別為0.121 kg/m2和0.120 kg/m2，平均密度相差不大。

圖4 研究區(qū)土壤有機(jī)碳、全磷密度分布Fig.4 Distribution of soil organic carbon and total phosphorus density

表4 研究區(qū)主要土地利用類型有機(jī)碳和全磷密度統(tǒng)計(jì)

2.4 不同土地利用演變對(duì)土壤碳磷密度的影響

采用單因素方差分析研究了不同土地利用演變類型中土壤有機(jī)碳和全磷密度的差異。結(jié)果如圖5所示，表明不同土地利用演變類型中土壤有機(jī)碳和全磷密度均存在顯著性差異(α<0.05)。

注：含有相同字母表示含量無顯著差異，不同字母表示含量差異顯著(α<0.05)；下同。圖5 不同土地利用演變土壤有機(jī)碳、全磷密度Fig.5 Soil organic carbon and total phosphorus density in different land use evolution

土壤有機(jī)碳密度由大到小依次為F-F-C(5.85 kg/m2)>C-F-C(4.56 kg/m2)>F-F-F(4.43 kg/m2)>C-F-F(4.37 kg/m2)>C-C-F(4.04 kg/m2)>C-C-C(3.63 kg/m2)>F-C-F(2.13 kg/m2)。F-F-C有機(jī)碳密度顯著高于其他土地利用演變類型，主要由于林地有機(jī)質(zhì)豐富，林地轉(zhuǎn)耕地短時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳含量依舊保持在較高的水平，同時(shí)耕地中施肥的協(xié)同影響提高了有機(jī)碳的含量[36]。F-F-F中有機(jī)碳密度沒有受施肥作用的影響，有機(jī)碳主要來自于枯落物分解，長(zhǎng)時(shí)間累積導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量較高，因此土壤有機(jī)碳密度也高。隨退耕還林時(shí)間的增加，土壤有機(jī)碳密度也相應(yīng)提高，退耕還林6 a有機(jī)碳密度增加了20%，主要是由于林地有機(jī)質(zhì)有充足的時(shí)間進(jìn)行累積，土壤有機(jī)碳密度也隨之增高，相關(guān)研究也表明退耕還林能改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤固碳能力[37-38]。F-C-F由于林地利用類型的轉(zhuǎn)換會(huì)使土壤中穩(wěn)定碳庫(kù)向不穩(wěn)定碳庫(kù)變化，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變，增強(qiáng)微生物活性促進(jìn)呼吸作用[15]，加速土壤有機(jī)碳分解，減少有機(jī)碳含量，而且退耕還林初期沒有肥料添加，且缺乏有機(jī)質(zhì)來源，土壤原有有機(jī)質(zhì)繼續(xù)分解導(dǎo)致有機(jī)碳密度可能會(huì)降低[39-40]，因此土壤有機(jī)碳密度最低。

土壤全磷密度由大到小依次為C-C-C(0.16 kg/m2)>F-F-C(0.15 kg/m2)>C-F-C(0.13 kg/m2)>C-F-F(0.12 kg/m2)>C-C-F(0.11 kg/m2)≈F-F-F(0.11 kg/m2)>F-C-F(0.07 kg/m2)，其中C-C-C(0.16 kg/m2)顯著高于F-C-F(0.07 kg/m2)(α<0.05)。由于C-C-C中持續(xù)的施肥作用，土壤全磷累積明顯；而F-F-C中由于施肥作用的影響[41]，土壤全磷密度比F-F-F提高了36%。F-C-F中全磷密度最小，主要是由于耕地轉(zhuǎn)林地后既缺少施肥，短時(shí)間內(nèi)有機(jī)質(zhì)也難以累積，生物歸還少，同時(shí)植物根系不足，土壤全磷易流失，造成土壤全磷密度最小[42-43]。

2.5 不同土地利用演變土壤碳磷比特征

采用單因素方差分析研究了不同土地利用演變類型中土壤碳磷比差異。結(jié)果表明，不同土地利用演變類型中土壤碳磷比存在顯著性差異(α<0.05)。如圖6所示，不同土地演變類型土壤碳磷比從大到小依次為C-F-F(44.95)>F-F-F(42.65)>F-F-C(41.33)>C-F-C(38.79)>C-C-F(36.49)>F-C-F(33.95)>C-C-C(26.26)。由此可見，退耕還林6 a的土壤碳磷比最高達(dá)44.95，大于F-F-F，顯著高于C-C-C的26.26(α<0.05)。但是，土壤碳磷比均低于全國(guó)土壤碳磷比平均值61[44]，較低的碳磷比會(huì)釋放土壤養(yǎng)分，增加土壤磷的有效性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[45]。隨退耕還林時(shí)間增加，土壤碳磷比逐漸增高，主要是由于退耕還林后林草比農(nóng)作物輸入土壤中的有機(jī)碳增多，土壤擾動(dòng)減少，生物量增多，大量植物根系及凋落物增加了土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)，沒有施肥作用的影響，土壤全磷含量略有波動(dòng)[46]，因此土壤碳磷比較高；F-F-C由于耕地的施肥作用，土壤全磷含量得到補(bǔ)充，因此土壤碳磷比有所下降；C-C-C雖然長(zhǎng)時(shí)間施肥同時(shí)補(bǔ)充土壤有機(jī)碳和全磷含量，但土壤全磷含量增加得更多，因此C-C-C土壤碳磷比最低。

圖6 不同土地利用演變土壤碳磷比Fig.6 Soil carbon to phosphorus ratio in different land use evolution

3 結(jié) 論

本研究估算了都柳江上游沿岸土壤有機(jī)碳、全磷儲(chǔ)量和密度，并分析了土壤有機(jī)碳和全磷密度對(duì)土地利用演變的響應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果表明：退耕還林不僅可以保持土壤磷的有效性，優(yōu)化土壤質(zhì)量，還對(duì)提高土壤碳匯，延緩氣候變暖具有切實(shí)意義。本研究能為喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和生態(tài)治理工程效益評(píng)價(jià)提供一定依據(jù)，具體結(jié)論如下：

(1) 2013～2019年研究區(qū)耕地面積減少了15.01%，林地面積增加了3.80%，草地面積增加了5.21%，說明研究區(qū)土地利用演變主要是林地、耕地和草地的變化，總體呈現(xiàn)出耕地減少、林地草地增多的趨勢(shì)。

(2) 研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度平均值為3.94 kg/m2，高于中國(guó)典型地區(qū)平均水平(3.19 kg/m2)，有機(jī)碳儲(chǔ)量為3.2×106t；全磷密度平均值為0.124 kg/m2，略低于中國(guó)表層土壤平均水平(0.166 kg/m2)，全磷儲(chǔ)量為1.0×105t，說明研究區(qū)土壤固碳釋氧能力較強(qiáng)，同時(shí)農(nóng)業(yè)耕種可以適當(dāng)補(bǔ)充磷素。

(3) 研究區(qū)退耕還林6 a的土壤有機(jī)碳密度增加了20%，且土壤有機(jī)碳密度隨退耕還林時(shí)間的增加而提高，表明退耕還林可以增強(qiáng)土壤的固碳能力，不僅利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，還能減少碳排放，緩和溫室效應(yīng)。林地轉(zhuǎn)耕地1 a土壤全磷密度提高了36%，說明土壤全磷密度更多是受施肥作用的影響。

(4) 研究區(qū)不同土地利用演變中，連續(xù)林地與退耕還林6 a的土壤碳磷比均較高，且隨退耕還林時(shí)間的增長(zhǎng)碳磷比逐漸增高，但低于全國(guó)土壤平均值，說明土壤磷的有效性較高，退耕還林對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力具有積極作用。