喀斯特生態重建果園土壤養分季節變化研究

覃家科,殷興華,呂仕洪,楊承伶

(1.廣西林業勘測設計院,南寧530011;2.山東省蒙陰縣環境保護局,山東 臨沂 276200;3.廣西壯族自治區中國科學院廣西植物研究所,廣西桂林541006)

喀斯特石漠化(Karst Rocky Desertification)是土地荒漠化的主要類型之一,是指在亞熱帶脆弱的喀斯特環境背景下,受人類不合理社會經濟活動的干擾破壞,造成土壤嚴重侵蝕,基巖大面積裸露,土地生產力嚴重下降,地表出現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。廣西位于中國西南端,石漠化現象十分嚴重,是喀斯特地貌集中連片的地區,處于世界三大喀斯特地貌集中分布區之一的東亞片區的中心地帶[2]。廣西喀斯特山區主要分布在桂西南和桂中北,面積為9.7萬km2,占全區總面積的41%[3]。從2001年開始,廣西對喀斯特石山特殊灌木林納入了國家公益林范圍,對石漠化進行治理,展開封山育林工程、人工造林工程、生態扶貧和異地搬遷工程等一系列措施。同時對喀斯特山區展開相關的科學研究工作,如喀斯特植被演替特殊性和動力機制研究、喀斯特優良常綠闊葉樹種選育與誘導植被快速恢復技術研究、喀斯特土壤種子庫特性及對植被恢復的貢獻研究、喀斯特(巖溶)峰叢洼地生態重建技術與示范等[3,7]。

喀斯特石漠化土壤退化引起國內專家和學者們極大關注,在喀斯特土壤退化機制 、退化土壤侵蝕、退化土壤理化性質、退化土壤恢復過程空間變異特征、土壤養分等方面開展大量的研究,而對生態重建土壤營養狀況研究方面較少,對喀斯特生態恢復重建后土壤養分恢復能力及土壤養分動態變化的研究不足、鮮有報道[8,12]。本文對喀斯特石漠化生態重建果園土壤主要養分季節性變化研究,探討喀斯特石漠化生態重建土壤養分在時間與空間動態變化、土壤養分盈虧和保墑能力,為石漠化區生態重建提供理論依據。

1 研究區概況

研究區域位于廣西平果縣果化鎮布堯村龍何屯,地處 107°23′E 、23°23′N,屬典型的巖溶峰叢洼地地貌,由高低錯落的聯座尖峭山峰構成(當地村民稱“弄”),植被嚴重退化,森林覆蓋率不足1%,樹種單一(以任豆為主),2001年在這建立喀斯特石漠化生態重建示范區。該區氣候屬南亞熱帶季風氣候,多年氣溫為20.2～22.6℃,多年平均降雨量1 500 mm,降雨多集中于5-8月,占全年的65%,干濕季節交替現象明顯,旱澇災害頻繁。該區地層巖石主要為純石灰巖和硅質灰巖,東南角有少量泥質成分。由巖石風化形成的土層很薄,峰叢洼地區土壤稀少,巖石裸露,加之人對土地資源的不合理利用,石漠化明顯,生態環境十分脆弱。根據該區生態環境與立地條件特點,2001年引進火龍果、無核黃皮、李等果樹及其它經濟作物進行生態重建示范。

2 研究方法

2.1 樣地設置和土壤采集

在示范區各果園內分別設置3個樣地,其中李果園樣地位于山腰中部,面積為688.4 m2,火龍果園樣地位于山底平坡,面積分為360 m2,黃皮果園樣地位于山底平坡,面積為278.1 m2。為了避免耕作、施肥等措施而造成的系統誤差,本實驗采用蛇形采集方式。在樣地內設置5個采集點,用環刀采集各層土壤,測定土壤容重。采集混合樣品的要求：每一點采取的土樣,深度要一致,上下土體要一致,每個樣品按0-10,10-20,20-30 cm分三層取樣,取后混合,按四分法取約1 kg的混合土壤。磨細、過篩和保存、取風干土樣100～200 g,放在牛皮紙上,用木塊碾碎,放在有蓋底的18號篩(孔徑1 mm)中,使之通過1 mm的篩子,此時的土樣可用以測定速效性養分。測定全磷、全氮和全鉀含量時,將通過18號篩的土壤樣品,進一步研磨,使其全部通過 100號篩(孔徑0.149 mm)的土壤樣品,作為其分析用。

2.2 測定方法及數據處理

實驗室的土壤分析過程中,全氮用半微量凱氏法,全磷用堿熔-鉬銻抗比色法,全鉀用堿熔-火焰光度法,水解性氮用堿解擴散法,有效磷用鹽酸和硫酸溶液浸提法,有效鉀用1 mol/L硝酸煮沸浸提-火焰光度法。運用 Excel對所有樣品分析數據進行統計分析,養分之間的相關性分析則用SPSS進行分析[13]。

3 結果分析

3.1 氮素動態變化特征

從表1可看出,全氮含量在土壤0-10 cm層最高,其次是10-20 cm層,含量最少的是20-30 cm層,呈現出從土壤表層向母質層依次遞減的規律性變化。從時間變化來看全氮呈現出季節性變化,9月的含量最高,其次是2月的含量,6月全氮含量最少。全氮含量隨著果樹生長周期發生季節性變化,2月果樹開始復蘇萌芽、吸收營養,全氮含量有所下降,進入6月后,果樹生長最為旺盛,需求大量養分,此時全氮含量最少,到了9月果樹生長停止或開始休眠期,植物對營養吸收減少,全氮含量又開始回升。不同果園全氮含量因立地條件好壞而存在差別,李果園位于坡的中上部,土層較淺,全氮含量最低,火龍果園位于坡底,土層厚,全氮平均含量最高。從土壤肥沃指標看,李果園、火龍果園和黃皮果園全氮含量絕大部分在1.5 g/kg以上,均達到肥沃指標[14]。

全氮含量的高低說明土壤氮素的儲蓄狀況,而水解性氮的含量大小直接影響土壤氮肥力。通過相關分析可知,全氮和水解性氮的相關系數為0.716,顯著性概率Sig.=0.000＜0.01,說明全氮和水解性氮的相關性非常顯著。從表1可看出,李果園和火龍果園的水解性氮含量大小在時間上變化規律是：2月＜9月＜6月,表明水解性氮含量隨著氣溫升高而增加,全氮向水解性氮轉化加快,隨著氣溫降低而水解性含量減少。黃皮果園水解性氮含量時間上變化規律是：2月＜6月＜9月,與李果園和火龍果園水解性在季節上變化規律不一樣。原因是黃皮果園9月套種了黃豆,由于受人工施肥和豆科生物固氮作用的影響而改變水解性氮含量在季節上的變化。水解性氮的垂直結構變化規律與全氮在土壤中呈現一致性,也隨著土壤深度加大含量減少。

表1 全氮動態變化g/kg

表2 水解性氮動態變化 mg/kg

3.2 磷素動態變化特征

土壤磷含量主要決定于母質類型和磷礦石肥料。從表3可以看出,生態重建區果園全磷含量基本都在0.8 g/kg以上的肥沃程度,全磷在土壤垂直結構變化規律是由土壤表層向下依次遞減,0-10 cm層全磷含量最大,10-30 cm層全磷含量最少。研究區全磷的含量隨著氣溫高而增大,在6月達到最高值,然后開始下降,到9月下降到2月的含量相當。在相同季節不同果園之間同一土壤層的全磷含量差異不明顯,表明全磷含量在生態重建區不同立地條件下,沒有明顯區別,全磷含量可能受人工施肥影響較大。

從表3可以看出,有效磷在垂直結構變化上變化非常顯著,表層土壤有效磷含量豐富,而隨著土壤深度加大,有效磷含量明顯不足,如李果園2月土壤0-10 cm有效磷含量為13.21 mg/kg,到10-20 cm層有效磷含量為 3.71 mg/kg,到20-30 cm層有效磷含量只有1.22 mg/kg。究其原因有兩方面,一方面是植物根系集中在土層10 cm以下,有效磷被果樹根系吸收而越來越少;另一方面巖溶區土層薄,水土保持能力差,土層下面有裂隙、裂縫、管道等連通地下空間,有效磷從這些渠道流失,因而越靠近母質巖時含量越來越少。所以在巖溶區施磷肥時要注意深翻,方能使磷肥在植物根部得到有效利用。在時間變化上,有效磷變化有明顯的季節性變化,6月是植物生長旺盛季節,有磷的含量最低,而到了9月生長減緩或停止生長,有效磷的含量又開始回升。通過相關性分析,全磷對有效磷的相關系數為0.392,顯著性概率Sig.=0.018＜0.05,說明全磷和有效磷相關性顯著。通過深翻土壤或施肥等措施來改良土壤不同層次全磷和有效磷的含量。

表3 全磷動態變化 g/kg

表4 有效磷動態變化 mg/kg

3.3 鉀素動態變化特征

大多數含鉀原生礦物都具有很強的抗風化穩定性,在地球陸地表面熱力學條件下,含鉀礦物的風化作用是一個相當緩慢的過程,因而光依靠土壤釋放出的鉀提供植物營養需求,顯然是不足的。從表5可以看出,研究區土壤全鉀含量在土壤垂直結構上無明顯變化,全鉀含量在各層土壤含量幾乎相等,而其季節性變化十分明顯。5-8月為示范區雨季,降雨量大、暴雨多,雨水表面侵蝕和地下滲透,使鉀素隨雨水流失,因而9月全鉀的含量顯著降低[15]。從全鉀的含量來看,生態重建果園鉀素明顯不足,大部分果園全鉀含量處于10～15 g/kg之間的中貧狀態。

表5 全鉀動態變化 g/kg

土壤鉀素按照植物營養有效性可分為無效鉀、緩效鉀和速效性鉀,而緩效鉀和速效性鉀統稱為有效性鉀。通過全鉀和有效鉀的相關性分析,得出兩者相關性系數為0.045,顯著性概率Sig.=0.795＞0.05,說明全鉀與有效鉀相關性不顯著,即全鉀和有效鉀不相關。因全鉀含有非交換鉀,非交換性鉀轉換為交換性鉀的難度較大,致使全鉀和有效鉀不具有相關性。從表6可看出,有效鉀在9月含量是最大的,而全鉀9月的含量是最低的,證明全鉀含量與有效鉀的含量兩者之間不存在相關性。有效鉀能夠被植物直接或間接地吸收,2月和6月是植物生長季節,對有效鉀吸收大,所以2月與6月有效鉀的含量低于9月有效鉀的含量。有效鉀的含量在50～100 mg/kg之間,處于中度貧瘠狀態[14],且隨著土壤深度加大,有效鉀的含量則越來越少,貧瘠程度加大。

表6 有效鉀動態變化 mg/kg

不同果樹對有效鉀需求量也存在差異,火龍果園有效鉀的含量最少,而火龍果園位于巖溶洼地最低部,土地平坦且土層厚,立地條件優于李果園和黃皮果園,在同等施肥條件下,有效鉀的含量應高于李果園和黃皮果園的含量,而實際火龍果園有效鉀的含量反而低于李果園和黃皮果園的含量;表明火龍果對鉀需求量大于李果和黃皮果。由此可見,在喀斯特生態重建時,不同的植物應采取不同施肥措施,如在巖溶區栽植火龍果時,要多施鉀肥,且宜深施。

3.4 9月土壤氮、磷、鉀營養元素盈虧

9月是大多植物結果收獲的季節,也是植物逐步進入休眠期,對土壤養分需求逐步減少,而在9月之前,1-8月植物生長需要吸收大量的營養;因而對9月土壤養分盈虧研究,為冬秋季施肥提供參考依據,合理施肥,保證土壤養分平衡,為重建區果樹安全過冬及來年春天能為植物生長迅速提供營養。全氮在各個重建果園均有盈余,水解性氮稍微虧缺,但是虧缺量不大,平均虧缺量最大是火龍果園,平均虧缺量僅0.6 kg;因此,示范果園經過春夏施肥之后,在秋冬季不宜再施氮肥。因為過多的氮肥能使果樹抽青發芽,出現生長反季節現象,不利于果樹根莖逐漸老化進入休眠狀態安全過冬。磷肥在0-10 cm土壤表層沒有出現虧缺,10-20 cm土壤層稍微出現虧缺現象,由于生態重建區果樹對磷肥需求量很大,因而對果樹的正常生長沒有產生多大影響。鉀肥無論是全鉀還是有效鉀則表現全面虧缺,嚴重不足,其中火龍果園的全鉀虧缺多達771.07 kg,有效鉀達4.04 kg。由于有效鉀含量的不足而出現了李果開花多結實少和黃皮果座果脫落的現象,果樹的產量低,影響了生態重建經濟效益,通過人工補施鉀肥之后,果樹產量時顯著增加。

4 結論與討論

通過上文分析可知,研究區喀斯特生態重建果園土壤養分中氮、磷、鉀含量具有以下特點：(1)土壤中全氮、水解性氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀的含量均隨著果樹的生長周期營養吸收而呈現出季節性變化。在相關性方面,全氮和水解性氮相關顯著,全磷和有效磷相關顯著,全鉀與有效鉀不相關。(2)全鉀在土壤垂直結果變化不明顯,全氮、水解性氮、全磷、有效磷和有效鉀的含量有明顯的垂直變化,從土壤表層向下依次減少,即：0-10 cm層的含量＜10-20 cm層的含量＜20-30 cm層的含量。3月和9月,示范區果園只有氮肥略有盈余之外,磷肥處于一種相對平衡狀態,而鉀素虧缺量相當大。由于鉀素不足,雖然不影響果樹的正常生長;但是對果樹掛果率產生影響,如李果開花多而掛果少。

在自然生態系統中,巖溶區土壤養分處于一個消長動態平衡體系,一方面由植物生長吸收消耗,另一方面由母質母巖釋放,枯枝落葉、動植物體殘體分解補給,土壤養分處于良性循環體系。巖溶區自然生態系統破壞之后輪為耕地的土壤由于農作生長吸收、養分流失而處于一種入不敷出消耗狀態,若不向土壤中增施肥料,土壤養分將日趨下降,土壤質量嚴重退化[16-17],刀耕火種的輪閑地最終失去種植價值而被迫撂荒便是最好的例證。

因此,針對南方喀斯特石漠化地區,植被喪失,土壤資源非常脆弱性的特點[16],對其進行生態重建,提出幾點建議：(1)先易后難、循序漸進,對生態重建所在地的石漠化程度、土壤肥力程度進行評估,對嚴重石漠化、土壤養分虧缺嚴重、立地條件差的石漠化區,應按先種草后種灌木再種喬木的順序來推進生態重建工作。通過種草來保持水土和土壤濕度,改善土壤環境,為下一步種植灌木提供環境基礎,再由灌木到喬木,如此依次展開;而不是在其土壤環境改善之前,直接種植喬木,因其土壤環境惡劣、養分不足,喬木無法生存或生而不長,導致生態重建失敗。(2)通過人工施肥,尤其是多施有機肥、農家肥來改良土壤的理化性質,改良土壤的團粒結構,提高石漠化區土壤保墑能力,提高土壤有機質含量,從而保證土壤養分含量處于一個相對平衡狀態,不因為季節性變化土壤養分含量而大起大落。(3)生態重建工作不僅是為了提高喀斯特石漠化區植被覆蓋度來實現保持水土,更應從生態經濟學的角度出發,根據當地土壤條件,選擇那些既能改善石漠化生態條件又具有一定經濟價值能使農民增收的優良牧草、藥材、果樹,因地適宜地推進。

[1] 任海,彭少麟.恢復生態學導論[M].北京：科學出版社,2001.

[2] 黃鈺鈴,惠二青,李靖.西南喀斯特地區石漠化成因及防治初探[J].地質災害與環境保護,2006,17(1)：1-4.

[3] 覃家科,李先琨,呂仕洪,等.廣西馬山巖溶山地植被恢復過程的種類更替與小氣候動態[J].廣西科學,2005,12(2)：146-151.

[4] 呂仕洪,陸樹華,歐祖蘭,等.桂西南石漠化山地土壤種子庫的基本特征及植被恢復對策[J].植物資源與環境學報,2007,16(1)：6-11.

[5] 歐祖蘭,呂仕洪,陸樹華,等.桂西南峰叢洼地退化植被土壤種子庫的初步研究[J].廣西植物,2006,26(6)：643-649.

[6] 馬文寶,薛建輝,卜曉莉,等.喀斯特山地森林群落土壤種子庫研究綜述[J].生態學雜志,2009,28(12)：2618-2623.

[7] 李先琨,何成新.西部開發與熱帶亞熱帶巖溶脆弱生態系統恢復重建[J].農業系統科學與綜合研究,2002(1)：13-16.

[8] 趙中秋,后立勝,蔡運龍.西南喀斯特地區土壤退化過程與機理探討[J].地學前緣,2006,13(3)：185-189.

[9] 張偉,陳洪松,王克林,等.喀斯特峰叢洼地土壤養分空間分異特征及影響因子分析[J].中國農業科學,2006,39(9)：1828-1835.

[10] 姚長宏,楊桂芳,蔣忠誠,等.巖溶地區生態系統養分平衡研究[J].中國巖溶,2001,20(1)：41-45.

[11] 吳士章,朱文孝,蘇維詞,等.喀斯特地區土壤侵蝕及養分流失定位試驗研究：以貴陽市修文縣久長鎮為例[J].中國巖溶,2005,24(3)：202-205.

[12] 涂成龍,林昌虎,何騰兵,等.石漠化地區生態恢復過程中土壤養分變異特征[J].水土保持通報,2004,24(6)：22-25.

[13] 楊善朝,張軍艦.SPSS統計軟件應用基礎[M].桂林：廣西師大出版社,2001.

[14] 全國土壤普查辦公室.中國土壤[M].北京：中國農業出版社,1998.

[15] 袁東海,王兆騫,郭新波,等.紅壤小流域不同利用方式土壤鉀素流失特征研究[J].水土保持通報,2003,23(3)：16-20.

[16] 何騰兵.貴州喀斯特山區水土流失狀況及農業建設途徑[J].水土保持學報,2000,14(8)：28-34.

[17] 王國梁.黃土丘陵區紙紡溝流域植被恢復的土壤養分效應[J].水土保持通報,2002,22(1)：1-5.