王霖嬌, 盛茂銀, 李瑞

1. 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院, 貴陽550001

2. 貴州師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴陽550025

3. 貴州省水土保持監(jiān)測站, 貴陽 550002

中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤有機(jī)碳的響應(yīng)及其影響因素分析

王霖嬌1,2, 盛茂銀1,*, 李瑞3

1. 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院, 貴陽550001

2. 貴州師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴陽550025

3. 貴州省水土保持監(jiān)測站, 貴陽 550002

以中國南方典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤為研究對象, 運用野外定點取樣和實驗室分析檢測方法, 研究喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布特征及其影響因素; 運用空間代替時間方法, 探討石漠化演替過程中土壤有機(jī)碳的響應(yīng)及其機(jī)制, 旨在為中國南方喀斯特森林生態(tài)保護(hù)和石漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供理論支撐。結(jié)果表明： 1)喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量較低, 三個研究區(qū)平均值分別為23.42、25.78和26.03 g·kg-1; 2)不同等級石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異, 但土壤有機(jī)碳含量并不是隨著石漠化程度增加而一直降低, 而是一個先降低后增加的趨勢; 3)土壤有機(jī)碳與土壤特性有明顯的相關(guān)性, 與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān), 與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān), 與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān),而與pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性; 4)土地覆被變化明顯影響石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量, 而地貌的影響不明顯。研究結(jié)果不僅對中國南方喀斯特森林生態(tài)保護(hù)和石漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建具有重要的意義, 而且對應(yīng)對全球變化碳循環(huán)的減源增匯同樣具有重要的科學(xué)價值。

喀斯特; 石漠化; 土壤有機(jī)碳; 演變規(guī)律; 機(jī)制

1 引言

石漠化是指在脆弱喀斯特生態(tài)環(huán)境下人類不合理的社會經(jīng)濟(jì)活動, 造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失,地表呈現(xiàn)類似于荒漠化景觀的演變過程或結(jié)果[1-3]。我國西南喀斯特地區(qū)位于世界三大連片喀斯特發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心, 面積約54萬km2。目前居住著 1億多人口、48個少數(shù)民族[2], 貧困人口相對集中, 人地矛盾非常突出, 坡地植被一旦破壞, 土壤侵蝕作用加劇, 導(dǎo)致稀薄土層全部流失, 造成嚴(yán)重的石漠化, 水分、養(yǎng)分調(diào)蓄能力迅速降低[4-5]。石漠化已經(jīng)成為制約我國西南喀斯特地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一個重大生態(tài)問題[4-6]。

土壤是連接大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的紐帶。土壤碳是陸地碳庫的重要組成部分, 是構(gòu)成土壤肥力的重要基礎(chǔ)。土壤碳包括土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳, 土壤無機(jī)碳很少變動, 對碳循環(huán)的影響不大,土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子[7]。它的轉(zhuǎn)化和積累變化一方面直接影響著全球碳循環(huán)動態(tài)[8], 另一方面影響了土壤肥力和植物生長, 也間接影響了陸地生物碳庫[9-10], 因而, 土壤有機(jī)碳常被選作土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo), 用來綜合反映土地生產(chǎn)力、環(huán)境健康功能[11]。石漠化的形成, 是強(qiáng)烈的人為干擾和脆弱的自然環(huán)境共同作用的結(jié)果, 是土地退化的極端表現(xiàn)。土壤有機(jī)碳的大量損失可造成土壤退化以及降低生態(tài)系統(tǒng)利用的可持續(xù)[12]。因此, 了解和掌握石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化規(guī)律和變化特征, 不僅為石漠化土地系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)與重建工作的提供理論依據(jù), 也是碳循環(huán)減源增匯研究的重要內(nèi)容。

但到目前為止, 盡管對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)單一生態(tài)過程的研究較深入[13], 對于石漠化的特點、成因、生態(tài)治理原則以及關(guān)于喀斯特土壤質(zhì)量退化已進(jìn)行了一些研究[2-6,14-15], 但對喀斯特石漠化形成機(jī)理和過程的研究主要在生態(tài)地質(zhì)環(huán)境、生物群落演變等方面, 對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)缺乏深入研究, 尤其是土壤有機(jī)碳研究更是如此, 其時空分異及其對石漠化過程的響應(yīng)尚無研究[16]; 石漠化生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過人工更新演替后, 土壤有機(jī)碳變化趨勢如何, 人工植被演替又怎樣影響地下土壤有機(jī)碳的演變, 以及構(gòu)建怎樣的森林植被才有利于該區(qū)域土壤性質(zhì)的改善等問題, 尚缺乏研究。為此, 以中國南方典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤為研究對象, 研究不同等級石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳特征, 探討石漠化過程中土壤有機(jī)碳變化的響應(yīng)及其機(jī)制, 以期為中國西南喀斯特森林生態(tài)保護(hù)和石漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供理論支撐, 同時也為掌握該區(qū)森林土壤有機(jī)碳的存儲情況, 為區(qū)域性森林土壤碳庫估算及應(yīng)對氣候變化下的森林經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究選擇了中國西南喀斯特地區(qū)3個典型石漠化區(qū)域作為研究區(qū), 3個研究區(qū)的地理位置和基本信息見表1和圖1。

研究區(qū)Ⅰ位于貴州省畢節(jié)市鴨池鎮(zhèn)東南 13 km處, 屬長江流域烏江水系白浦河支流區(qū)。區(qū)內(nèi)以喀斯特高原山地地貌類型為主, 地勢起伏大, 海拔為1400—1742 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為863 mm, 年最大降水量995 mm, 年最小降水量618 mm, 降雨量主要分布在7—9月, 占全年總降雨的52%。巖石以碳酸鹽類的石灰?guī)r為主, 有部分侏羅紀(jì)紫色砂頁巖、

頁巖分布。土壤以黃壤土及紫砂土為主, 在洼地和平地有水源的地方有零星水稻土分布, 坡耕地以黃色石灰土屬的巖泥土, 灌草叢為黑灰色石灰土。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林, 原生植被基本上被破壞, 現(xiàn)以次生植被為主。野生植被有以窄葉火棘(Pyracantha angustifolia)、刺梨(Rosa roxbunghii)、救軍糧(Pyracantha fortuneana)、鐵線蓮(Clematis florida)等為主的藤、刺、灌叢, 以及零星分布的青岡(Cyclobalanopsis glauca)、馬尾松(Pinus massoniana)、光皮樺(Betula luminifera)為主的喬木林。

表1 研究區(qū)基礎(chǔ)信息及樣方設(shè)置Tab. 1 Basic information of study areas and sample plots set in the present study

圖1 研究區(qū)位置及其概況Fig. 1 Location and basic information of study areas in the present study

研究區(qū)Ⅱ位于貴州省清鎮(zhèn)市紅楓鎮(zhèn)簸籮村王家寨組, 距清鎮(zhèn)市12 km, 屬長江流域烏江水系麥翁河支流區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌類型為典型的喀斯特高原盆地,地勢平緩, 海拔為1271—1451 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為1215 mm, 降雨量主要分布在4—8月, 占全年總降雨的75%。區(qū)內(nèi)巖石多屬三疊系的白云巖、泥質(zhì)白云巖及頁巖。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被以農(nóng)田植被為主, 自然植被在小區(qū)中所占比重較小, 其中柏木(Cupressus funebris)是其常見喬木物種,灌木層多為典型石灰?guī)r有刺灌叢, 以金佛山莢蒾(Viburnum chinshanense)、救軍糧、野薔薇(Rosa multiflora)、懸鉤子(Rubus corchorifolius)、亮葉鼠李(Rhamnus hemsleyana)等為主, 草本層常見種類有白茅(Imperata cylindrica)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulu)、芒(Miscanthus sinensis)、藎草(Arthraxon hispidus)、鐵線蓮等。

研究區(qū)Ⅲ位于貴州省安順市北盤江花江河段峽谷兩岸, 地貌類型為典型的喀斯特高原峽谷, 地勢起伏大, 海拔為450—1450 m, 相對高差達(dá)1000 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為1100 mm, 降雨量主要分布在5—10月, 占全年總降雨的83%。區(qū)內(nèi)巖石多屬三疊系的白云巖、泥質(zhì)白云巖及頁巖。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上被破壞, 現(xiàn)以次生植被為主。野生植被是以窄葉火棘、刺梨、救軍糧、鐵線蓮等為主的藤、刺、灌叢, 以及零星分布的青岡、馬尾松、光皮樺為主的喬木林。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤樣品采集

在對研究區(qū)詳細(xì)踏查的基礎(chǔ)上, 選取石漠化演替過程中 5個典型階段為研究對象, 分別為無石漠化的原生森林、潛在石漠化的疏林地、輕度石漠化的灌草地、中度石漠化的疏草地和強(qiáng)度石漠化的石旮旯地, 石漠化等級劃分參照熊康寧等(2002)的方法[17]。在3個研究區(qū)分別針對每個研究對象設(shè)立面積為20 m × 20 m重復(fù)樣地6個, 共建立了90個土壤取樣樣地(表1)。所有的樣地除石漠化演替階段不同外, 其它的因子都大致一致, 土壤是同質(zhì)的, 均為黃色石灰土。在樣地中心按蛇形方式選3個采樣點, 各點間距在5 m之內(nèi)。2012年8月和2013年1月分別在各樣點用環(huán)刀(0—15 cm)取樣3次重復(fù), 均勻混合組成待測土樣。石漠化區(qū)域土壤很薄, 部分僅有15 cm左右, 因此以0—15 cm土壤層中作為研究對象。

2.2.2 土壤有機(jī)碳等土壤化學(xué)性質(zhì)測定

采樣結(jié)束后, 土壤樣品及時帶回實驗室, 風(fēng)干,過篩, 利用重鉻酸鉀容量法—外加熱法(油浴) (GB7857—87)測定土壤有機(jī)碳含量。

pH 值采用2.5∶1 的水土比, 用電位計法測定;全氮采用硫酸鉀為硫酸銅為硒粉消煮, 定氮儀自動分析法測定; 水解氮采用堿解擴(kuò)散法測定; 全磷采用硫酸為高氯酸消煮為鉬銻抗比色法測定; 有效磷采用碳酸氫鈉浸提為鉬銻抗比色法測定; 全鉀采用氫氟酸為高氯酸消煮火焰光度計法測定; 速效鉀采用中性乙酸銨提取為火焰光度計法測定; 土壤呼吸采用氣室法(靜態(tài)堿液吸收法)進(jìn)行測定。以上分析方法見土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[18]。

2.2.3 土壤物理性質(zhì)測定

容重、田間持水量、自然含水量和毛管持水量測定采用環(huán)刀法; 總孔隙度用 pt= 93.947 -32.995×b來計算, b為容重, pt為總孔隙度; 毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法; 非毛管孔隙度用po= pt- pc來計算, po為非毛管孔隙度, pc為毛管孔隙度; 滲透特性測定采用雙環(huán)滲透法。以上分析方法見森林土壤分析方法[19]。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel軟件進(jìn)行繪圖, 利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析、t檢驗、多重比較(Duncan檢驗)和相關(guān)性分析等統(tǒng)計分析[20]。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤有機(jī)碳的分布特征

3.1.1 不同研究區(qū)土壤有機(jī)碳的分布

三個研究區(qū)的土壤有機(jī)碳進(jìn)行了統(tǒng)計分析比較,結(jié)果見表2。從表2可以看出, 三個研究區(qū)90個取樣點冬夏兩個季節(jié)共180個土壤樣品土壤有機(jī)碳含量的平均值為 25.08 g·kg-1, 最小值為 13.55 g·kg-1,最大值為34.82 g·kg-1。其中, 畢節(jié)鴨池研究區(qū)的土壤有機(jī)碳平均值為23.42 g·kg-1, 最小值為17.02 g·kg-1,最大值為33.21 g·kg-1; 清真紅楓湖研究區(qū)的土壤有機(jī)碳平均值為 25.78 g·kg-1, 最小值為 16.17 g·kg-1,最大值為34.82 g·kg-1; 安順花江研究區(qū)的土壤有機(jī)碳平均值為26.03 g·kg-1, 最小值為13.55 g·kg-1, 最大值為33.18 g·kg-1。多重比較Duncan檢驗結(jié)果顯示, 不同研究區(qū)間的土壤有機(jī)碳含量無顯著差異。

3.1.2 不同石漠化等級土壤有機(jī)碳分布

五個典型石漠化等級(無、潛在、輕度、中度和強(qiáng)度)的土壤有機(jī)碳進(jìn)行了統(tǒng)計分析比較, 結(jié)果見表3。從表3可以看出, 不同石漠化等級土壤有機(jī)碳含量有顯著差異, 無石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量(平均值為 30.59 g·kg-1)顯著大于潛在石漠化(平均值為20.44 g·kg-1), 而潛在石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳與輕度石漠化(平均值為27.54 g·kg-1)、中度石漠化(平均值為26.96 g·kg-1)、強(qiáng)度石漠化(平均值為26.36 g·kg-1)無顯著差異, 無石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量與輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化也無顯著差異。隨著石漠化程度的增加, 土壤有機(jī)碳含量有先減小后增加的趨勢。

表2 不同研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量Tab. 2 Comparisons of SOC content among the three experiment sites

表3 不同石漠化等級土壤有機(jī)碳含量Tab. 3 Comparisons of SOC content among the five degrees of karst rocky desertification

3.1.3 土壤有機(jī)碳含量的時間變化特征

三個研究區(qū)共90個土壤采樣點分別于2012年8月和2013年1月進(jìn)行了采樣測定土壤有機(jī)碳, 對兩個不同季節(jié)獲得的土壤有機(jī)碳進(jìn)行統(tǒng)計分析比較(表4)結(jié)果顯示, 石漠化環(huán)境冬季土壤有機(jī)碳含量均值為26.81 g·kg-1, 變異范圍為18.35—32.34 g·kg-1;夏季土壤有機(jī)碳含量均值為24.99 g·kg-1, 變異范圍為17.25—30.18 g·kg-1, 但兩者之間無顯著差異。

3.2 土壤有機(jī)碳含量的影響因素

3.2.1 土壤理化性質(zhì)對土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳是土壤固相部分的重要組分, 它與土壤礦物質(zhì)共同作為林木營養(yǎng)的來源[21], 土壤的一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)對土壤有機(jī)碳具有直接和間接的影響。

本研究統(tǒng)計分析了 17個土壤理化因子與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性, 結(jié)果見表5。從表5可以看出, 土壤有機(jī)碳與土壤其它絕大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性, 與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān), 與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān), 與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān), 而與pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性?？梢? 石漠化環(huán)境有機(jī)碳是土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因子, 在改善土壤理化性質(zhì)和促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)方面起著關(guān)鍵作用。

3.2.2 土地覆被變化對土壤有機(jī)碳的影響

表4 不同季節(jié)土壤有機(jī)碳含量變化Tab. 4 Comparisons of SOC content between seasons of winter and summer

土地覆被變化通過影響土壤有機(jī)碳的儲量和分布, 進(jìn)而影響溫室氣體排放和陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量[22]。研究土地覆被變化影響下的土壤有機(jī)碳儲量及其動態(tài)變化規(guī)律, 對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建、應(yīng)對全球氣候變化具有重要意義。本研究對喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)五個典型土地覆被(原生森林、疏林地、灌草地、疏草地和石旮旯地)的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行了統(tǒng)計分析, 結(jié)果見表6。從表6可以看出, 土地覆被變化明顯影響了土壤有機(jī)碳含量, 原生森林土壤有機(jī)碳含量明顯大于疏林地土壤有機(jī)碳含量, 但與灌草地、疏草地、石旮旯地土壤有機(jī)碳無明顯差異, 同樣, 疏林地土壤有機(jī)碳與灌草地、疏草地、石旮旯地土壤有機(jī)碳也無明顯差異。隨著土地覆被由原生森林至石旮旯地退化不斷增加的過程, 土壤有機(jī)碳有先降低后增加的變化趨勢。

3.2.3 地貌對土壤有機(jī)碳的影響

喀斯特山地不同地貌由于坡度、植被及石漠化程度不同, 它們在地表所積累的有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量也不相同, 引起土壤有機(jī)碳含量也有差異。本研究考察了中國南方喀斯特地區(qū)三個典型地貌(喀斯特高原山地、高原盆地和高原峽谷, 每個地貌每個石漠化等級分別 10個取樣)對土壤有機(jī)碳含量的影響(表 7), 結(jié)果顯示, 喀斯特高原山地土壤有機(jī)碳均值為21.13 g·kg-1, 變異范圍為15.82—34.13 g·kg-1, 喀斯特高原盆地土壤有機(jī)碳均值為24.68 g·kg-1, 變異范圍為16.34—35.67 g·kg-1, 喀斯特高原峽谷土壤有機(jī)碳均值為25.02 g·kg-1, 變異范圍為13.89—36.03 g·kg-1,但三種地貌類型土壤有機(jī)碳無顯著差異。

4 討論

4.1 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布特征

土壤有機(jī)碳的含量及其動態(tài)平衡也是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個重要指標(biāo), 直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低[23]。研究表明, 土壤有機(jī)碳在很大程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性、土壤的持水性能和植物營養(yǎng)的生物有效性以及土壤的緩沖性能和土壤生物多樣性等, 緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化及土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列土壤過程[23]。本研究結(jié)果顯示, 所選取的三個典型研究土壤有機(jī)碳平均值為23.42—26.03 g·kg-1, 與前人在中國南方喀斯特其他石漠化地區(qū)研究結(jié)果一致[24-26], 明顯小于其他生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的含量[27-29], 顯示了喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤貧瘠, 也印證了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。

表5 土壤有機(jī)碳對土壤各理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Tab. 5 Correlation of SOC content to other soil physical-chemical properties in rocky desertification environment

表6 不同土地利用對土壤有機(jī)碳含量的影響Tab. 6 Effect of land use to soil organic carbon content

表7 不同地貌類型對土壤有機(jī)碳含量的影響Tab. 7 Effect of landform to soil organic carbon content

喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)的退化是以強(qiáng)烈的人類干擾為驅(qū)動力、以植被減少為誘因、以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì)、以出現(xiàn)類似荒漠化景觀為標(biāo)志的復(fù)合過程[15]。長期以來, 人們一直認(rèn)為隨著石漠化程度增加, 土壤退化程度亦是隨之增加, 強(qiáng)度石漠化環(huán)境的土壤退化最嚴(yán)重[30-31]。然而, 事實卻并非如此, 研究結(jié)果顯示, 喀斯特石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量的演變均不是隨著石漠化等級的增加而一直退化, 而是一個先退化后改善的過程, 這與盛茂銀等(2013)[32]研究結(jié)果一致。盛茂銀等(2013)基于對中國南方喀斯特石漠化土壤理化性質(zhì)研究結(jié)果提出石漠化環(huán)境裸露巖石聚集效應(yīng)學(xué)說[32]。這種聚集效應(yīng)指的是裸露的巖石將大氣沉降的養(yǎng)分及其巖溶產(chǎn)物匯聚到周圍的土壤中。隨著石漠化程度增加, 裸巖聚集效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。在強(qiáng)度石漠化環(huán)境中, 這種聚集效應(yīng)非常明顯, 加之水土流失作用減弱, 致使退化的土壤養(yǎng)分和物理性能得到改善, 本研究支持這一學(xué)說。對不同季節(jié)的土壤有機(jī)碳含量比較研究結(jié)果顯示, 石漠化環(huán)境冬季土壤有機(jī)碳含量與夏季土壤有機(jī)碳含量無顯著差異。研究結(jié)果對石漠化退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建以及應(yīng)對全球氣候變化具有重要意義。

4.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布的影響因素

土壤有機(jī)碳是陸地碳庫的重要組成部分, 是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建研究的重要內(nèi)容, 也是當(dāng)前全球碳循環(huán)和全球變化研究的熱點。目前在全球變化的背景下, 對土壤有機(jī)碳儲量、分布、轉(zhuǎn)化、衰減機(jī)理進(jìn)行研究, 并揭示其影響因素和生態(tài)效應(yīng), 將有助于探求如何科學(xué)地利用和保護(hù)有限的土壤資源,減緩?fù)寥乐袦厥覛怏w排放、增加土壤碳截存, 提高土壤質(zhì)量, 對退化土地的生態(tài)恢復(fù)及環(huán)境治理和保存都具有重要的意義。土壤中的有機(jī)碳是進(jìn)入土壤的植物殘體量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結(jié)果。其儲量的大小受氣候、植被、土壤屬性以及農(nóng)業(yè)經(jīng)營實踐等多種物理因素、生物因素和人為因素的控制, 并存在各種因子之間的相互作用。近年來, 對于影響土壤有機(jī)碳儲量的自然因素和人為因素, 以及土壤有機(jī)碳向大氣的排放, 土地利用/覆蓋變化對土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的影響等, 已成為人們非常關(guān)心和研究的熱點[23]。

本研究考察了土壤理化性質(zhì)、土地覆被變化和地貌對土壤有機(jī)碳含量的影響。研究結(jié)果顯示, 土壤有機(jī)碳與土壤其它絕大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性, 與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān), 與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān), 與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān), 而與pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性, 研究結(jié)果與前人研究[33]結(jié)果一致, 顯示了土壤性質(zhì)是影響土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性的重要因素[23]。

土壤環(huán)境如地形地貌特征也是影響土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性的重要因素[23]。本研究考察了中國南方喀斯特三個典型地貌的土壤有機(jī)碳, 結(jié)果顯示不同地貌土壤有機(jī)碳無顯著差異。這一結(jié)果可能是研究區(qū)選擇、研究尺度上的差異以及樣地的選擇導(dǎo)致研究結(jié)果和前人不一致。由人類活動引起的土地利用/覆蓋變化是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子[23], 本研究也考察了喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)典型土地覆被變化對土壤有機(jī)碳的影響, 結(jié)果顯示不同土地覆被對土壤有機(jī)碳含量有顯著地影響。研究結(jié)果不僅對石漠化退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建具有重要意義, 同時對應(yīng)對全球變化、碳循環(huán)減源增匯也具有重要參加價值。

5 結(jié)論

喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤貧瘠, 土壤有機(jī)碳含量明顯小于其他生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的含量, 且土地覆被對土壤有機(jī)碳含量有顯著地影響。

喀斯特石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量的演變并不是隨著石漠化等級的增加而一直退化, 而是一個先退化后改善的過程。

喀斯特石漠化環(huán)境土壤性質(zhì)是影響土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性的重要因素, 土壤有機(jī)碳與土壤其它絕大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性, 與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān), 與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān), 與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān), 而與 pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性。

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Response of soil organic carbon to rocky desertification succession in south China karst and the analysis of its influence factors

WANG Linjiao1,2, SHENG Maoyin1,*, LI Rui3

1. Karst Research Institute, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China
2. School of Vocational and Technical, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China
3. Guizhou Provincial Monitoring Station of Soil and Water Conservation, Guiyang 550002, China

In this study, three typical karst rocky desertification regions, Yachi, Hongfenghu, and Huajiang of Guizhou Province, representing three typical karst landforms of plateau mountain, plateau basin, and plateau gorge respectively, were selected as experiment areas. Then, the soil organic carbon (SOC) was surveyed and analyzed by the methods of chemical determination and mathematical statistics. Results are as follows. 1)The SOC content of karst rocky desertification ecosystem is low, and the averageSOC content of the three experiment sites studied is 23.42, 25.78 and 26.03 g·kg-1, respectively. 2) There are obvious differences of SOC content in different degrees of rocky desertification. But, not as expected, the SOC content does not always decrease with the increased degree of rocky desertification. In fact, with the increased degree of rocky desertification, the SOC content firstly decreases and then increases. 3) There are significant correlations between SOC content and other soil properties studied. The SOC content is extremely significant and positive correlation with soil total nitrogen content, hydrolysis nitrogen content, available potassium content, total porosity, natural moisture capacity, capillary moisture capacity, field moisture capacity, and upper strata saturated permeability, significant and positive correlation with soil total phosphorus content and lower strata saturated permeability, and extremely significant and negative correlation with soil bulk density. 4) The effect of land use and land cover change (LUCC) on SOC content in karst rocky desertification ecosystem is significant, and the effect of landform on SOC content is not obvious. Results have important values in the protection of karst forest ecosystem, the control of rocky desertification, and the scientific management for carbon cycle.

karst; rocky desertification; soil organic carbon; response; mechanism

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.007

P94

A

1008-8873(2016)01-047-09

2015-01-08;

2015-02-13

貴州省社會發(fā)展攻關(guān)計劃課題(黔科合SZ[2014]3036號); 國家水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401050); 貴州省水利廳科技項目(KT201409); 貴州師范大學(xué)博士科研啟動基金(2012)

王霖嬌(1982—), 女, 貴州遵義人, 碩士, 講師, 主要從事喀斯特石漠化生態(tài)學(xué)研究, E-mail： wlj111717@163.com

*通信作者：盛茂銀, 男, 博士, 教授, 主要從事喀斯特植物生態(tài)學(xué)研究, E-mail： shmoy@163.com

王霖嬌, 盛茂銀, 李瑞. 中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤有機(jī)碳的響應(yīng)及其影響因素分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)：47-55.

WANG Linjiao, SHENG Maoyin, LI Rui. Response of soil organic carbon to rocky desertification succession in south China karst and the analysis of its influence factors[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 47-55.