貴州喀斯特地區(qū)植被修復對土壤氮素的影響

王碩， 吳云杰*， 張明意， 田鑫， 王潤澤， 馮小林， 申濤

(1.貴州民族大學生態(tài)環(huán)境工程學院/喀斯特濕地研究中心， 貴陽 550025； 2.貴州中貴環(huán)?？萍加邢薰荆?貴陽 550025)

西南喀斯特是毗鄰青藏高原具有海拔跨度大、地貌類型和降雨豐富、景觀格局復雜的極其脆弱的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[1-2]。由于碳酸鹽巖的可溶性和成土物質先天不足等特殊的地質條件，水資源難利用，成土速度慢導致土壤資源短缺，土壤侵蝕風險高，進而限制植被生產力[3-5]。同時喀斯特生態(tài)系統(tǒng)先天賦存不足且穩(wěn)定性差的土壤養(yǎng)分極易流失，而人為作用是導致喀斯特地貌加速向石漠化發(fā)展的最直接因素，人類利用后土壤養(yǎng)分快速丟失，導致部分地區(qū)退化為石漠化，土地退化嚴重，恢復難度較大[4,6-7]?；謴椭脖蛔鳛樗亮魇е卫碇械囊豁椫匾胧?，有利于促進侵蝕土壤發(fā)育、改善土壤特性、提高土壤肥力[8]。

氮是構成蛋白質和核酸的物質基礎，是植物生長發(fā)育和植被恢復的關鍵限制性元素[9]。土壤氮素養(yǎng)分的儲備，在一定程度上反映土壤氮的供應能力[10]。由于生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)之間的密切耦合關系，土壤氮素供應能力很大程度上決定著生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力及植被演替的方向和進程[11]。有研究表明，喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)恢復初期和中期均受氮限制，進一步證明喀斯特生態(tài)系統(tǒng)氮素儲量的先天不足以及氮限制問題的普遍性[7,12-13]。

目前中外對植被恢復已開展深入研究，并證明了植被恢復對土壤碳氮存留與可利用性產生積極的影響，土壤養(yǎng)分庫會得到顯著提高，并影響土壤腐殖質形態(tài)、營養(yǎng)成分、碳氮和磷的礦化速率以及氮的硝化和反硝化速率[14-15]等。當前對喀斯特地區(qū)的研究多集中于不同植被恢復或演替階段對土壤養(yǎng)分及質量[16-20]、微生物多樣性及酶活性[9,21-23]影響的研究，鄭武揚等[16]認為通過不同林分植被模式對喀斯特石漠化地區(qū)土壤質量研究發(fā)現(xiàn)，林分密度對土壤質量存在積極或消極作用；同樣，Pang等[17]也認為不同造林策略顯著增加了不穩(wěn)定性土壤有機碳和非活性碳的固存量，同時發(fā)現(xiàn)自然植被恢復比植樹造林更有利于固碳，但賀同鑫等[18]認為封育林和刈割草地模式具有較高的土壤碳氮存留效應。此外，不同植物群落對土壤碳氮存留也存在較大差別，其中濕地群落不同植物群落土壤各態(tài)氮差異較大[19]，而煙管莢蒾在惡劣環(huán)境下具有較強適應能力，使得在喀斯特山地不同退化植被下基本無差異[20]。除此之外，土壤有效態(tài)養(yǎng)分較全量養(yǎng)分對植物根際微小的變化響應更為靈敏，這可能通過植被凋落物、細根生物量、微生物群落等因素不斷地改善土壤肥力[21]；有研究者[22]發(fā)現(xiàn)隨著植被恢復土壤微生物生物量氮對地上植被及季節(jié)變化響應敏感，同時與土壤有機質及其他微生物指標存在較強的相關性。

綜上，這進一步說明土壤質量受恢復植被模式、植物群落、土壤肥力、微生物群落及植物根際微環(huán)境等多種因素綜合影響，同時植被恢復后土壤碳氮固存效應仍存在爭議，針對高原喀斯特地區(qū)土壤氮循環(huán)與植被修復過程的協(xié)同作用還不十分明確。因此，研究植被修復對草?？λ固氐貐^(qū)土壤氮組分變化特征及其與土壤養(yǎng)分間的內在相關性有利于解決上述問題，對喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)植被的恢復與重建具有重要的理論與實踐意義，為草海地區(qū)進一步的生態(tài)恢復和功能提升提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州草海國家級自然保護區(qū)位于貴州省威寧縣城西部(26°47′32″N～26°52′52″N，104°10′16″E～104°20′40″E),是一個完整、典型的高原喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)[24]，如圖1所示?？偯娣e9 600 km2，海拔為2 171.7 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均降雨量為950 mm，其中88%集中在5—10月。草海自然保護區(qū)是烏江等多條水系的發(fā)源地和重要的水源涵養(yǎng)地，石漠化與水土流失較嚴重，造成土壤物理黏粒改變、植被覆蓋率下降、植物群落逆向演替等結果[25]。

1.2 供試材料

2019年8月，樣帶選取在貴州威寧草海保護區(qū)范圍內，樣帶地理位置及基本情況如表1所示，在草海區(qū)域陽關山處選取非喀斯特樣地貌樣帶1條，江家灣處選取喀斯特與植被恢復地貌樣帶各1條(兩條樣帶均為同一生境下區(qū)域，一半用作植被修復，一半作為對比研究)，其中植被修復樣帶年限為3～4年，以人工植被(榆樹+草本)為主；未修復之前，江家灣區(qū)域土壤類型均為石灰土，植被群落較為均勻，灌木群落以栒子、古鐘金花小檗為主，草本層群落主要以蒿、莎草為主[26-27]。

采用時空互代法對土壤氮含量進行探究，每條樣帶自上而下分別從山頂(SD)、山腰(SY)、山底(SJ)、岸邊(AB)以及濕地(WL)取5個樣地(樣地面積50 m×50 m)，取樣深度為0～50 cm，設置5個深度梯度，深度間隔為10 cm，樣地內設置3個采樣點，采用 “五點法”取樣，對每個樣點內采集的土壤樣品去除枯枝落葉后進行充分混勻，得到最終土壤樣品。將所取土樣分2份用自封袋封裝并做標記，低溫保存?zhèn)溆?。一份鮮土樣用于測定氮含量，一份經過實驗室內風干、過篩等過程，標記后放在陰涼干燥處儲存?zhèn)溆茫糜跍y定碳、磷以及pH等指標。經測定，不同樣帶的各樣點土壤的容重(soil bulk density, BD)、含水率(soil moisture content, SWC)、pH、電導率(electrical conductivity, EC)、有機碳(soil organic carbon, SOC)和速效磷(available phosphorus, AP)等基本理化性質如表2所示。

表1 樣帶地理位置及植被狀況Table 1 Location and vegetation status of the transect

表2 不同樣帶表層土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of surface soil from the different transect

1.3 測定方法

1.4 數(shù)據處理

采用數(shù)理分析方法，選用Excel 2010記錄試驗數(shù)據、Origin9.1制圖、Canoco Software 5.0軟件進行冗余分析(redundancy analysis, RDA)和主成分分析(principal component analysis, PCoA)，運用SPSS 20.0分析各態(tài)氮素與土壤理化性質的差異顯著性和相關性。

2 結果與分析

2.1 非喀斯特樣帶土壤氮素分布特征

非喀斯特樣帶土壤各態(tài)氮含量均表現(xiàn)為表層土壤(0～10 cm)高于或接近其他深度，其中全氮與硝態(tài)氮最為明顯。不同深度土壤的全氮含量[圖2(a)]介于(1.5±0.36)～(2.0±0.16)g/kg，全氮含量隨深度增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢；AB及WL兩樣點表層土壤全氮與其他深度土壤有顯著差異(p<0.05)。表層土壤速效氮[圖2(b)]含量SD和WL兩點含量最高且接近，分別為(80.25±32.22) mg/kg、(76.12±8.61) mg/kg，速效氮含量隨深度增加呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，最終在SD與WL兩點處含量表現(xiàn)為接近。硝態(tài)氮[圖2(c)]含量從SD到WL表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，其中在SJ處含量最高，為(6.49±1.35) mg/kg；在WL處含量最低，為(3.59±0.28) mg/kg。非喀斯特樣帶土壤銨態(tài)氮含量[圖2(c)]不論在同一樣點各垂直梯度上，還是不同樣點同一垂直梯度上基本無明顯差異(p>0.05)，且含量隨著SD到WL樣點海拔高度的降低而呈現(xiàn)降低的趨勢，在SD處含量最高，為(14.81±1.05) mg/kg；在WL處含量最低，為(9.18±2.24) mg/kg。各樣點內土壤銨態(tài)氮含量垂直分布均表現(xiàn)為接近，數(shù)值上無較大差異。

大寫字母表示同一樣點不同深度之間差異顯著；小寫字母 表示不同樣點同一深度之間差異顯著(p<0.05)圖2 非喀斯特樣帶土壤及 含量深度分布Fig.2 The depth distribution of TN, AN, and contents in non-karst transect soils

大寫字母表示同一樣點不同深度之間差異顯著；小寫字母 表示不同樣點同一深度之間差異顯著(p<0.05)圖3 喀斯特樣帶土壤及 含量深度分布Fig.3 The depth distribution of TN, AN, and contents in karst transect soils

2.2 喀斯特樣帶土壤氮素分布特征

喀斯特樣帶全氮含量[圖3(a)]與速效氮含量[圖3(b)]在垂直結構分布上趨勢基本一致，都表現(xiàn)為AB與WL兩點含量較高，且明顯高于山體各點含量。與非喀斯特樣帶相比，喀斯特樣帶土壤硝態(tài)氮[圖3(c)]與銨態(tài)氮[圖3(d)]含量分布有明顯不同。山體各樣點土壤硝態(tài)氮含量明顯均低于2 mg/kg，低于AB與WL處4～7倍，且各樣點表層土壤含量均高于其他深度，具有顯著性差異(p<0.05)。岸邊處土壤硝態(tài)氮在垂直結構上含量分布具有顯著差異(p<0.05)，表層(0～10 cm)含量最高，隨深度變化含量依次降低，40～50 cm土層含量最低，分別為(7.16±1.17) mg/kg和(1.59±0.15) mg/kg?？λ固貥訋т@態(tài)氮自SD到WL具有含量逐漸升高的趨勢，與非喀斯特樣帶土壤銨態(tài)氮含量分布趨勢完全相反，含量分布介于(2.32±0.63) mg/kg和(9.65±1.32) mg/kg，在數(shù)值上跨度較大。在同一深度下，各樣點銨態(tài)氮含量有不同程度的差異(p<0.05)。

2.3 植被修復樣帶土壤氮素分布特征

喀斯特修復樣帶土壤各類型氮素在垂直結構上的含量分布(圖4)基本無明顯差異，且與非喀斯特、喀斯特樣帶相比，各類型氮素含量在數(shù)值上有較大差別，均表現(xiàn)為比非喀斯特、喀斯特樣帶低，全氮[圖4(a)]含量均低于1.0 g/kg，且各樣點無明顯的變化趨勢。在植被修復樣帶的SD、SY和SJ樣點，硝態(tài)氮[圖4(c)]的含量變化趨勢平緩，硝態(tài)氮含量范圍為1.94～3.48 mg/kg，其中在SD、SY中，0～10 cm深度土壤中硝態(tài)氮含量較高，而SJ的硝態(tài)氮在30～40 cm深度下含量較高?？λ固匦迯蜆訋寥冷@態(tài)氮[圖4(d)]含量范圍為(4.71±0.71)～(9.16±2.46) mg/kg，其中在各樣點垂直結構上，銨態(tài)氮含量各深度下的含量并無差異(p>0.05)。

大寫字母表示同一樣點不同深度之間差異顯著；小寫字母 表示不同樣點同一深度之間差異顯著(p<0.05)圖4 植被修復樣帶土壤及 含量深度分布Fig.4 The depth distribution of soil TN, AN, and content in vegetation restoration transect

2.4 表層土壤理化性質與各態(tài)氮素聚類分析

為了分析不同樣帶之間的氮素分布特征，對不同樣帶進行了主坐標分析(principal coordinate analysis，PCoA)。如圖5所示，PC1(55.29%)能夠很好地區(qū)分樣帶，非喀斯特樣地與喀斯特樣帶、植被修復帶之間的距離有明顯的分離，說明不同樣帶中理化性質存在差異。相比之下，喀斯特樣帶和植被修復帶距離較近且重疊區(qū)域較大，說明兩者的理化性質相似。

圖5 理化性質PCoA分析Fig.5 The principal coordinate analysis of physical and chemical properties

2.5 表層土壤理化性質與各態(tài)氮素的冗余分析

DCA排序結果顯示，非喀斯特、喀斯特和植被修復樣帶排序軸中梯度長度均小于3，分別為0.83、1.48和0.17。因此采用冗余分析(RDA)探討不同樣帶土壤理化性質對草海土壤氮含量的影響，RDA分析結果表明(表3～表5)，6個環(huán)境變量解釋了分別解釋了50.75%、64.04%和77.23%的數(shù)據總變異，因此，前兩個排序軸能在一定程度上反映土壤氮素與土壤因子間的相關關系。

表3 非喀斯特樣帶RDA分析排序軸特征值、土壤氮含量與 土壤理化因子的相關系數(shù)Table 3 Eigenvalues for RDA axis and correlation between soil nitrogen and environmental factors of the non-Karst transect

表4 喀斯特樣帶RDA分析排序軸特征值、土壤氮含量與 土壤理化因子的相關系數(shù)Table 4 Eigenvalues for RDA axis and correlation between soil nitrogen and environmental factors of the Karst transect

表5 植被修復樣帶RDA分析排序軸特征值、土壤氮含量與 土壤理化因子的相關系數(shù)Table 5 Eigenvalues for RDA axis and correlation between soil nitrogen and environmental factors of the vegetation restoration transect

圖6 不同樣帶表層土壤理化性質與及 含量的RDA分析Fig.6 The redundancy analysis of physical and chemical properties and contents of TN, AN, and in surface soil with different transects

3 討論

3.1 喀斯特地貌對土壤氮素分布特征的影響

非喀斯特樣帶與喀斯特樣帶土壤垂直結構全氮、速效氮含量接近。非喀斯特樣帶隨著深度增加全氮含量降低，在土壤0～10 cm層含量最高，但喀斯特樣帶并未呈現(xiàn)表層全氮含量高于其他土層。造成此種現(xiàn)象是因為土壤中有機質是土壤氮素最直接的來源[29]，非喀斯特樣帶土壤有機質主要分布在土壤表層。同時土壤有機碳是調節(jié)土壤氮轉化的主要非生物變量之一，且隨著土層加深，土壤溫度、水分和養(yǎng)分以及微生物活性逐漸下降[30-31]。有研究表明，土壤氮素的礦化作用和反硝化隨土壤有機碳含量升高而增強[8]，反映出土壤氮素累積呈現(xiàn)向上富集的規(guī)律。同時，非喀斯特樣帶土壤全氮與硝態(tài)氮含量表聚現(xiàn)象最為明顯，人為因素的干擾較小或幾乎不受干擾，生長狀況良好，使其土壤全氮與硝態(tài)氮的表聚現(xiàn)象較為明顯；而喀斯特樣帶全氮不具有表聚性，可以間接證明喀斯特樣帶受目前植被演替階段的影響，土壤有機質含量低于非喀斯特樣帶。

通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，喀斯特樣帶土壤氮素循環(huán)受有機碳和pH的影響較大?？λ固貥訋襟w土壤pH呈堿性或者弱堿性，而非喀斯特樣帶則呈現(xiàn)酸性，由于非喀斯特樣帶區(qū)域林木(針葉混交林)生長狀況良好，地表枯落物豐富，加劇了酸性淋溶過程，以及由于根系呼吸作用釋放CO2和有機酸，使土壤pH逐漸降低，而低pH土壤有利于氮素的累積[29,32-33]。一方面抑制銨態(tài)氮的氧化和揮發(fā)[34]，另一方面自養(yǎng)硝化細菌含量較低，使得酸性土壤中自養(yǎng)硝化較弱[11]，最終表現(xiàn)為土壤銨態(tài)氮含量較高，且顯著高于硝態(tài)氮，這與前人對酸性土壤的研究一致[35]。

3.2 植被修復對土壤氮素分布特征的影響

相較于喀斯特樣帶，植被恢復樣帶在剖面土壤中全氮及速效氮含量均低于喀斯特樣帶，反而無機態(tài)氮高于喀斯特樣帶。本研究中，通過喀斯特樣帶與植被修復樣帶對比發(fā)現(xiàn)，植被修復樣帶土壤全氮與有機碳均呈現(xiàn)下降趨勢。土壤氮轉化是依賴于有機碳的異養(yǎng)微生物進行的，與土壤有機碳密切相關，因此有機碳是調節(jié)土壤氮動態(tài)的重要因素[39]。產生此種趨勢的原因可能有：一方面由于喀斯特土壤中大量的礦質鈣與土壤有機碳結合形成難分解的碳，具有極高的穩(wěn)定性，使得缺乏更有利于微生物利用活性碳庫，從而土壤氮素也難以累積[40]；在喀斯特植被恢復對土壤氮庫的影響還受巖性調節(jié)，石灰?guī)r區(qū)進行植被恢復會造成土壤氮庫下降[41]。同時土壤中的氮通過影響植被生長來影響土壤有機物的輸入量，進而造成土壤有機碳含量的差異[42]；另一方面隨著植被覆蓋度的提高，植物殘體、根系以及根系分泌物向土壤輸入的碳素增加，但也增大了土壤呼吸所釋放的碳素，同時植被恢復初期水土流失對土壤碳素積累的貢獻會因土壤侵蝕而減弱，可能增加土壤碳的流失[43-44]。本研究采樣時間正值植物生長茂盛期，土壤氮素微生物過程(礦化、硝化和反硝化過程)使得有機碳消耗速率高，最終表現(xiàn)為土壤有機碳含量要低于喀斯特樣帶。

植被修復樣帶土壤全氮含量低于喀斯特樣帶土壤，但硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于喀斯特樣帶，說明土壤硝化速率和氨化速率均有顯著提升，這與劉欣等[45]的研究結果一致。植被修復樣帶土壤pH均值范圍為6.47～7.99，在喀斯特地區(qū)石灰性土壤pH在此范圍適于硝化作用發(fā)生[46]，同時植被恢復初始階段，物質循環(huán)伴隨植被正向演替進一步加強，土壤中氮素儲量和供應強度(無機氮含量) 會得到一定程度的改善[8]，打破原有生態(tài)系統(tǒng)氮素的輸入和輸出動態(tài)平衡，土壤無機態(tài)氮也隨之增加；其次土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮所帶電荷不同的特性，易被土壤膠體吸附或排斥而截留或淋失，銨態(tài)氮則易被土壤吸附，同時存在少部分硝態(tài)氮溶于水而流失[47]；但通過植被修復使得植被覆蓋度增加，土壤固持水分的能力加強，土壤侵蝕作用減弱，使得土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量顯著高于喀斯特樣帶。

4 結論

(1)非喀斯特樣帶氮含量與喀斯特樣帶對比，前者土壤氮素累積呈現(xiàn)向上富集的規(guī)律，在土壤表層呈現(xiàn)表聚現(xiàn)象；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于喀斯特樣帶，銨態(tài)氮占無機氮主要部分?？λ固貥訋芡寥?表層巖溶帶耦合結構和植被類型及凋落物的影響對土壤氮素累積速率與非喀斯特樣帶存在明顯差異。

(2)喀斯特樣帶由于地質條件等穩(wěn)態(tài)有機碳含量較高，又因植被覆蓋度低、凋落物歸還量少導致可供微生物利用的有機碳較低，土壤侵蝕會削弱土壤碳素積累，進而土壤氮素也難以累積；同時植被恢復初始階段，土壤中氮素儲量和供應強度(無機氮含量) 會得到一定程度的改善，土壤硝化速率和氨化速率均有顯著提升，土壤侵蝕作用減弱，土壤對養(yǎng)分的固持能力加強，進而土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量顯著高于喀斯特樣帶。