王 進(jìn)，劉子琦*，張 國，李 淵，李開萍，鮑恩俁

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001)

【研究意義】我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱[1]，其衍生的石漠化是制約該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大生態(tài)問題[2-3]。石漠化本質(zhì)是一種石質(zhì)荒漠化景觀，是由于人類不合理的社會經(jīng)濟(jì)活動及脆弱自然環(huán)境形成的[4]，引發(fā)人地矛盾突出、植被退化、土壤侵蝕嚴(yán)重等一系列生態(tài)問題[5-6]。為更好認(rèn)識和治理石漠化，改善生態(tài)環(huán)境，需要對已開展的石漠化治理模式進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐及優(yōu)化治理模式?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤是人類生存和發(fā)展所需最基礎(chǔ)的自然資源，土壤養(yǎng)分是指土壤提供給植物生長所必須的營養(yǎng)元素，能被植物直接或者轉(zhuǎn)化后吸收[7]。土壤養(yǎng)分含量的高低是土壤肥力的好壞的重要體現(xiàn)，是土壤質(zhì)量的重要保證。宋同清等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著地表植被退化和石漠化程度的增加，土壤粘粒和粉粒含量明顯下降，砂粒含量和土壤容重增加，土壤質(zhì)量呈下降趨勢。在喀斯特石漠化過程中，土壤保肥性能發(fā)生惡化，然而，通過退耕還林或封山育林能在一定程度上改善土壤的養(yǎng)分含量，提高土壤質(zhì)量[9]。龍健等[10]對西南喀斯特石漠化治理區(qū)退耕還林(草)10 a后土壤肥力質(zhì)量演變研究得出土壤綜合肥力指標(biāo)呈升高趨勢，土壤肥力得到不程度的恢復(fù)，土壤養(yǎng)分含量得到明顯改善。在對喀斯特石漠化區(qū)不同植被類型的研究中表明，不同植被類型的土壤養(yǎng)分存在明顯差異[11]。石漠化治理生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)促使生物量增加，有機質(zhì)的來源變廣，土壤養(yǎng)分含量增加，同時，土壤質(zhì)量變好能促進(jìn)地表植物的生長，促進(jìn)石漠化治理[12]。地表植物對土壤養(yǎng)分具有一定的調(diào)節(jié)作用，植物通過凋落物和生物量的調(diào)節(jié)使不同植物下的土壤養(yǎng)分存在差異性。林地凋落物對土壤養(yǎng)分含量的影響明顯高于草地[13-14]。【本研究的切入點】目前石漠化綜合治理不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量的研究主要集中在對峰叢、峰林區(qū)域、不同的小生境和雨季的研究，而缺乏長時間的監(jiān)測及雨季前后不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量的變化情況的研究。選取貴州喀斯特高原峽谷花江石漠化綜合治理示范區(qū)4種恢復(fù)模式為研究對象，通過對比3 a不同季節(jié)土壤養(yǎng)分特征，揭示雨季前中后土壤養(yǎng)分含量的相互關(guān)系，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期為喀斯特石漠化治理生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及喀斯特生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省安順市關(guān)嶺縣和黔西南州貞豐縣交界處的北盤江峽谷兩岸，E 105°36′30″～105°46′30″，N 25°39′13″～25°41′00″。巖石裸露率高，海拔600～1200 m，屬典型的熱帶亞熱帶干熱河谷氣候，冬春季節(jié)溫暖干旱，夏季高溫多雨，年降雨量1100 mm，雨季一般在5-10月，占全年降雨量的83%。以白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主，土壤類型主要為黑色石灰土和棕黃色石灰土。主要植物有花椒(Zanthoxylumplanispinumvar.)、香椿(Toonasinensis)、金銀花(Lonicerajaponica)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、砂仁(Amomumfructus)和仙人掌(Opuntiastrictavar.dillenii)，野生植物有窄葉火棘(Pyracanthaangustifolia)和光皮樺(Betulaluminifera)等植物。

1.2 樣品采集與處理

2015年4月至2017年12月的雨季前(4月)、中(7月)和后(11月)分別選取種植年限基本相同的花椒純林、砂仁純林、金銀花純林和花椒+金銀花+構(gòu)樹+雜草混交林等4種恢復(fù)模式，以撂荒地(草本為主)為對照。在5種研究樣地(表1)中設(shè)置10m×10m典型樣地，每塊樣地以S形布點采集5個樣點，每個點從上到下垂直分3層(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm)取樣，每個樣品500 g，剔除土壤中的凋落物、礫石等雜質(zhì)后裝入自封袋帶回實驗室自然風(fēng)干。用200 cm3環(huán)刀取樣后現(xiàn)場測定其重量后，帶回實驗室測定其物理性質(zhì)。

表1 不同恢復(fù)模式樣地的概況

1.3 指標(biāo)測定

采用環(huán)刀法測試土壤容重、田間持水量、毛管持水量、總孔隙度和毛管孔隙度。土壤養(yǎng)分的分析方法參照《土壤農(nóng)化分析》[15]，其中有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；全氮采用高氯酸-硫酸消煮，半微量凱氏定氮法測定；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提，鉬銻抗比色，紫外分光光度法測定；全磷采用高氯酸-硫酸消煮，鉬銻抗比色，分光光度法測定；速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提，火焰光度計法測定；全鉀采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消解，火焰光度計法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2007、IBM Spss Statistics 19、Origin 8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。采用LSD方法分析顯著性，數(shù)據(jù)檢驗過程中對于偏離程度較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行部分剔除。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)模式土壤的物理性質(zhì)

土壤物理性質(zhì)是土壤環(huán)境的重要組成部分，對土壤水肥運移，涵養(yǎng)水分，促進(jìn)植物生長，調(diào)控土壤環(huán)境等有著重要的作用[16]。從2015-2017年貴州喀斯特高原峽谷花江石漠化綜合治理示范區(qū)各樣地土壤物理性質(zhì)均值(表2)看出，土壤容重：與撂荒地相比，花椒純林、金銀花純林和混交林地分別顯著下降6.50 %、2.44 %和9.76 %；砂仁林地增加16.26 %。表明當(dāng)撂荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榛ń芳兞?、金銀花純林和混交林地的土壤質(zhì)量有改良的傾向；撂荒地轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭始兞值?，土壤容重增加，說明土壤質(zhì)量有退化的趨勢。田間持水量：各樣地與撂荒地相比，花椒林地、金銀花地和砂仁林地分別下降1.15 %、11.78 %和37.19 %；混交林地增加18.23 %?？偪紫抖龋夯ń妨值?、金銀花地、混交林地分別比撂荒地增加10.37 %、5.52 %和18.09 %，砂仁林地下降13.67 %。毛管持水量：花椒林地、金銀花地、混交林地分別比撂荒地增加21.29 %、11.45 %和46.71 %，砂仁林地下降26.28 %。毛管孔隙度：花椒林地、混交林地分別比撂荒地增加10.61 %、7.39 %；金銀花林地、砂仁林地分別顯著下降6.48 %、16.02 %。5種類型樣地的土壤容重、總孔隙度和毛管持水量差異均達(dá)顯著水平。

2.2 不同恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分特征

從表3看出，各樣地土壤養(yǎng)分中的有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷及速效鉀含量的最高值分別出現(xiàn)在混交林地、花椒林地、砂仁林地、砂仁林地、花椒林地、砂仁林地和砂仁林地，較撂荒地分別增加0.99、1.00、4.70、0.46、0.83、0.06和0.80倍；較對照增幅最大的是砂仁林地的全磷含量，降幅最大的是砂仁林地的有機碳含量。4種恢復(fù)模式土壤有機碳、堿解氮和速效鉀均值分別比撂荒地提高55.14 %、55.04 %和62.36 %。全氮、全磷和全鉀均值較撂荒地提高62.33 %、166.98 %和11.96 %。表明石漠化治理實施生態(tài)恢復(fù)后，土壤養(yǎng)分含量得到提高，土壤環(huán)境得到顯著改善。

2.3 不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分雨季前中后的分布特征

從圖1可見，同一樣內(nèi)地均表現(xiàn)出雨季中各養(yǎng)分含量最高。雨季前較雨季中和雨季后各土壤養(yǎng)分含量下降最高的：花椒林地的是全磷，為27.62 %；金銀花地的是全磷，為21.55 %；混交林地的是全磷，為28.41 %；砂仁林地的是全氮，為22.11 %。

表2 不同恢復(fù)模式土壤的物理性質(zhì)

注：同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate 5 % significant levels. The same as below.

表3 不同恢復(fù)模式土壤的養(yǎng)分含量

圖1 不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分雨季中前后的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil nutrients before and after the rainy season in different restoration modes

下降最低的：花椒林地的是速效鉀，為2.02 %；金銀花地的是堿解氮，為1.63 %；混交林地的是速效鉀，為1.18 %；砂仁林地的是速效鉀，為1.14 %。在同一恢復(fù)模式下，土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)為雨季中(7月)>雨季后(11月)>雨季前(4月)。

2.4 不同恢復(fù)模式土壤剖面養(yǎng)分的含量特征

如圖2所示，土壤剖面垂直分布上土壤養(yǎng)分存在較大差異，總體隨土層深度的加深土壤養(yǎng)分含量降低，呈“表聚效應(yīng)”。土壤有機碳在0～10 cm土層到10～20 cm土層中砂仁林地降幅最大，為27.45 %，其次是撂荒地，為19.79 %，其他恢復(fù)模式降幅為10.30 %～14.96 %；10～20 cm土層到20～30 cm土層垂直分布降幅較大，其中，砂仁林地降幅最大，為36.95 %，花椒地降幅最小，為5.76 %。全氮在0～10 cm土層到10～20 cm土層分布中，降幅為7.43 %～39.840 %；10～20 cm土層到20～30 cm土層降幅較大，與有機碳相似；0～20 cm土層和0～30 cm土層各營養(yǎng)元素的平均降幅分別為全磷15.23 %和33.87 %、全鉀12.30 %和29.69 %、堿解氮10.16 %和21.07 %、有效磷9.91 %和21.17 %及速效鉀14.70 %和23.92 %。0～10 cm土層土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均值分別為10～20 cm土層的1.19、1.24、1.18、1.14、1.12、1.11和1.17倍，分別為20～30 cm土層的1.40、1.44、1.51、1.42、1.27、1.27和1.31倍，表明，不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量在垂直剖面上隨土層深度加深養(yǎng)分含量降低。

圖2 不同恢復(fù)模式土壤剖面養(yǎng)分的含量特征Fig.2 Nutrient content characteristics of soil profile in different restoration modes

3 討 論

3.1 土壤養(yǎng)分含量特征及對不同恢復(fù)模式的響應(yīng)

土壤碳、氮、磷是植物生長所需要的主要土壤養(yǎng)分[17]。地表化學(xué)、地球系統(tǒng)表面的組成成分、溫度、降水、徑流、土地覆蓋和土壤類型都被列入影響土壤養(yǎng)分的主要因素[18]。不同恢復(fù)模式過程和人為干擾的程度也對土壤養(yǎng)分有重要影響，不同恢復(fù)模式改變了不同土壤的微生態(tài)環(huán)境，使不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)出不同趨勢。許多研究表明，不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分存在顯著差異[19-21]。

姜紅梅等[22-24]研究得出，同一地區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分含量均存在較大差異，說明土壤養(yǎng)分含量受植被類型的影響較大。在不同植被類型覆蓋下土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性特征存在明顯差異，對于土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性而言，受不同植被類型的凋落物、土壤動物和微生物、植物群落及生物多樣性特征等的影響[10]?？λ固厥瘒?yán)重區(qū)，植物多樣性較低，則土壤養(yǎng)分極低，生態(tài)環(huán)境惡劣。隨著生態(tài)環(huán)境的重建，森林植被的恢復(fù)，植物多樣性的增強，土壤養(yǎng)分狀況得到恢復(fù)。植被的種類、分布和結(jié)構(gòu)對土壤養(yǎng)分的空間分布存在顯著影響，且空間的異質(zhì)性越高，樹種種類和結(jié)構(gòu)分布、樹種多樣性等的豐富度引起物種資源豐富度增強和凋落物返還及生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化等因素可能是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性越高的主要原因[25]。不同植被類型下的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性特征明顯，不同植被的種類，多樣性、覆蓋度均對土壤養(yǎng)分含量的差異存在較大影響[21，26]。該研究中花椒、金銀花及混交林地的土壤全氮、速效鉀、堿解氮、有機碳、全磷等養(yǎng)分含量均高于撂荒地，表明不同恢復(fù)模式能夠改善土壤養(yǎng)分含量。與胡芳等[26-27]研究結(jié)果相一致。土壤養(yǎng)分受植被類型和覆蓋度等的影響，植被主要是通過凋落物的質(zhì)與量、生物因素和非生物因素等控制土壤養(yǎng)分含量與分布。反之，土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性也影響植被的分布。因此，研究土壤養(yǎng)分含量及空間異質(zhì)性對治理石漠化植被的選取與搭配具有參考價值。

3.2 土層深度對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤圈位于大氣圈、巖石圈、生物圈的界面上，是眾多生物生存活動的場所，土體剖面表面到基巖由于養(yǎng)分的遷移和不同生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化及物質(zhì)之間的置換，導(dǎo)致不同土壤深度之間養(yǎng)分含量存在較大差異[28]。李文斌等[29]研究陜北風(fēng)沙區(qū)不同植被覆蓋下的土壤養(yǎng)分特征發(fā)現(xiàn)，土壤不同剖面上的土壤養(yǎng)分存在異質(zhì)性，除全鉀和全磷在土壤剖面不同土層深度的變化微弱外，土壤有機碳、全氮、速效磷、速效鉀和堿解氮均隨土層深度的增加含量呈下降趨勢。

姚喜軍等[30]對4類不同土地利用方式土壤養(yǎng)分分布特征研究分析表明，在垂直剖面上，土壤有機碳、全氮和全磷隨剖面深度的增加而逐漸下降，全鉀含量隨剖面深度的增加變化不明顯。王雅等[31]在選取4種不同植被類型進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量分布特征研究得出，不同植被類型，隨土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量均呈降低趨勢，這與本研究結(jié)果一致。就同一林分類型而言，土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷及有效鉀含量隨土壤深度的增加顯著遞減；全磷含量隨土壤深度的增加呈遞減趨勢，但減小不明顯；全鉀含量在不同土層間變化規(guī)律不明顯。半落葉闊葉林、針闊混交林全鉀含量隨土層深度的增加而增加，毛竹林土壤全鉀含量隨土層深度的增加明顯降低[32]。表明土壤養(yǎng)分含量空間異質(zhì)性受土壤垂直深度的影響較大。王琳等[33]研究土壤有機碳和氮素特征分布表明，土壤有機質(zhì)和氮素在土壤剖面中的垂直分布趨勢一致，凋落物層和土壤A層高于B、C層，與動植物殘體在土壤中的垂直分布格局類似。群落過渡帶在腐殖質(zhì)A層出現(xiàn)氮素累積峰。陳晨等[34]研究不同森林植被土壤理化性質(zhì)得出，不同森林植被覆蓋對土壤理化性狀有較大影響。闊葉林下土壤的孔隙度最大，針葉林下土壤的孔隙度最小，闊葉林下土壤中的堿解氮、速效鉀含量明顯高于針葉林與針闊混交林；速效磷含量在0～5 cm土層由大到小是闊葉林、針闊混交林、針葉林，但在5～40 cm土層由大到小卻是針葉林、闊葉林、針闊混交林，3種森林植被下土壤有機碳含量隨土層的加深呈下降趨勢。說明，土壤養(yǎng)分含量受土層深度的影響，王璐等[35]對3種人工林樣地進(jìn)行研究得出，有機碳、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量總體隨土層深度的增加呈遞減趨勢，土壤養(yǎng)分總體呈表層聚集。吳昊等[36]研究秦嶺山地松櫟混交林土壤養(yǎng)分空間變異得出，隨土層深度增加，有機碳、全氮、速效磷、速效氮和速效鉀含量均呈極顯著下降趨勢。研究結(jié)果與之相符，即土壤養(yǎng)分在不同土層垂直深度中存在顯著差異。

3.3 氣候因素對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分主要來源于動植物和微生物殘體腐解產(chǎn)生的有機質(zhì)，草地枯落物分解是草地生態(tài)系統(tǒng)中有機質(zhì)殘體分解轉(zhuǎn)化的基本過程，系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對土壤理化性質(zhì)、土壤肥力和植物生產(chǎn)力等起決定作用[37]。大環(huán)境的空間尺度下，枯落物的分解主要受降水和溫度2個主要非生物環(huán)境因子的影響[38]。高溫可促進(jìn)枯落物的分解，反之，低溫則抑制枯落物的分解[39]，這是因為多數(shù)微生物在較高溫度條件下更適宜生活，適宜的溫度可以促進(jìn)微生物群體的活力，增進(jìn)分解酶的活性，加快枯落物的分解。而影響枯落物分解的另一重要因素則是降水，降水不僅在枯落物的淋溶階段起重要的促進(jìn)作用，同時通過土壤水分的調(diào)節(jié)也直接決定地下生物群體的生存環(huán)境，影響地下生物種類、數(shù)量和活力，進(jìn)而影響枯落物的分解[40-41]。土壤中水分含量的高低直接影響地下生物的生存與繁殖，水分過高影響土壤通氣和土壤生物的生存，水分過低則不利于生物的生存與繁殖[38]。秦小靜等[42]研究表明，土壤有機碳、全磷和全氮對年平均溫度比年降水量敏感度更低，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且土壤養(yǎng)分在淺層比深層對溫度降水的靈敏度更大，然而速效磷與年均溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明，土壤養(yǎng)分含量受到降水和溫度因素的影響。

研究表明，在降水和溫度等因素影響下，不同恢復(fù)模式下的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量表現(xiàn)為雨季中>雨季后>雨季前。研究區(qū)域?qū)儆诟蔁岷庸葏^(qū)，夏季高溫多雨，雨季溫度高，濕度大，土壤微生物和動物活躍，加速了枯落物等的分解速率[41，43-44]，使同一恢復(fù)模式在雨季中土壤養(yǎng)分含量增加；雨季前受冬春季節(jié)干旱影響，濕度較低，致使枯落物分解速率降低，同時隨著春天的到來，植物生根發(fā)芽，需要吸收土壤中的養(yǎng)分，不利于土壤養(yǎng)分含量的富集；而雨季后，降雨逐漸減少，氣溫逐漸降低，微生物和土壤動物對枯落物的分解速率降低及植物根系分泌物的減少，使得土壤養(yǎng)分含量較雨季中減少，而相對雨季前稍好。

4 結(jié) 論

隨著植被的恢復(fù)和植被枯落物的增加，不同恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分含量除有效磷含量外，土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均高于撂荒地，表現(xiàn)出良好的養(yǎng)分改善效益。

受溫度和濕度影響，土壤有機碳和各養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出雨季中(7月)>雨季后(11月)>雨季前(4月)的變化趨勢。

不同恢復(fù)模式土壤有機碳及各土壤養(yǎng)分含量在垂直剖面上隨土層深度的增加，養(yǎng)分含量逐層減少，且垂直分布上差異較大。