盧怡+龍健++廖洪凱++李娟+劉靈飛++郭琴++姚斌++龍治峰



摘要:以貴州茂蘭喀斯特自然保護區(qū)耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢和原生林為研究對象,研究不同土地利用方式對0~20 cm土層土壤團聚體有機碳、全氮、全磷的分布特征以及對團聚體中有機碳、全氮、全磷含量的影響。結果表明,與耕地相比,退耕還草地、退耕還林地、灌叢和原生林明顯提高了原狀土壤及各粒徑團聚體土壤有機碳、全氮的含量,而全磷含量則相反;隨著粒徑的逐漸減小,有機碳、全氮含量在0.25~0.50 mm粒級團聚體中最高。相關分析表明,土壤有機碳、全氮含量均與>5、>2~5、>1~2、>0.25~0.50、≤0.25 mm粒級團聚體之間呈極顯著相關關系,其中與>5粒級團聚體呈極顯著負相關,而與>0.5~1.0 mm粒級團聚體不相關;全磷含量與有機碳、全氮含量及>2~5、>0.25~0.50 mm粒級呈極顯著負相關,與>5、>2~5 mm粒級團聚體呈顯著相關,而全磷含量與>0.5~10 mm、≤0.25 mm粒級團聚體間不相關。
關鍵詞:茂蘭喀斯特;土地利用;洼地;土壤團聚體;碳;氮;磷
中圖分類號: S152.4;S153.6+1文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2017)06-0289-05
土壤團聚體對土壤有機碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分具有穩(wěn)定和保護的作用,由單個土粒和土壤養(yǎng)分結膠而成,且對土壤許多物理化學性質均有影響[1-2]。同時,土壤團聚體是肥力的重要組成部分和土壤肥力指標之一[3]。土壤粒徑的大小和穩(wěn)定性會對土壤的通氣性、土壤含水量等產生很大的影響,與土壤物理、生態(tài)化學計量學特征及植物的生長有密切的聯(lián)系。在不同利用方式下,由于土壤養(yǎng)分輸入或者輸出的方式不同,對土壤團聚體各粒徑土壤養(yǎng)分含量的影響有所差異。目前,一些研究者如張履勤等認為,土壤有機碳、氮、磷、鉀在土壤團聚體中出現(xiàn)兩端高、中間低的特征,土壤團聚體含量與有機質含量呈正相關[4-5];另一些研究者如李輝信等認為,土壤團聚體活性有機碳含量以0.25~1.00 mm粒級含量最高,團聚體<0.25 mm時隨粒徑的減小而減小[6];李瑋等卻認為,土壤有機碳、氮、磷含量隨土壤團聚體粒徑的減小而增加[7]。在喀斯特石漠化地區(qū),闊葉林土壤有機碳高于灌木林、灌草叢和稀疏草叢[8]。可見,在土壤團聚體研究方面,大多數研究針對喀斯特石漠化地區(qū)、干旱、半干旱及紅壤丘陵地區(qū)[9],而對于我國亞熱帶喀斯特地區(qū)的研究較少。近20余年來,貴州茂蘭喀斯特國家自然保護區(qū)受“退耕還林”、旅游業(yè)發(fā)展、人口增長等因素的影響,土地利用方式發(fā)生了改變,在產生一定經濟利益的同時也使環(huán)境發(fā)生了演變。因茂蘭保護區(qū)有著峰叢漏斗、峰叢洼地的地形,與其他地貌的地區(qū)相比,無論在任何一方面都有顯著不同之處,是一種很特殊的地理群落,因而其生態(tài)環(huán)境問題一直是學術界關注的焦點。因此本研究以茂蘭喀斯特自然保護區(qū)主要土地利用方式下的土壤作為研究對象,探討不同土地利用方式土壤團聚體中有機碳、氮、磷的分布特征,對調控土壤肥力及土壤資源的合理利用具有良好的作用,可作為預測養(yǎng)分限制性的重要指標。
1材料與方法
1.1研究區(qū)概況
研究地點在茂蘭國家級自然保護區(qū),該地位于貴州省南部荔波縣境內,地處中亞熱帶南緣(地理位置107°57′34.21″~107°57′41.22″E,25°18′0.27″~25°18′12.68″N),研究區(qū)內主要是由純質石灰?guī)r、白云巖構成的喀斯特地貌,地貌類型組合主要為峰叢漏斗、峰叢洼地。最高海拔1 078 m,最低 430 m,平均海拔500~800 m,年平均氣溫15.3 ℃,1月平均氣溫 5.2 ℃,7月平均氣溫23.5 ℃。年降水量1 750 mm,集中分布在4—10月,年平均相對濕度83%。土壤呈中性(pH值663~7.05),主要為黑色石灰土,其次為黃壤。該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)與分布在其他地貌上的森林植被相比,無論在生態(tài)環(huán)境方面還是系統(tǒng)組成、結構、功能及對環(huán)境影響等方面,都有顯著不同之處,是一種很特殊的森林生態(tài)系統(tǒng)和非地帶性生物地理群落,在世界植被中占有重要地位,同時也是世界上同緯度地區(qū)僅幸存下來的一片原生性較強的喀斯特森林[10]。茂蘭保護區(qū)有耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢和原生林這5種土地利用類型。
1.2樣品采集
供試土壤于2015年6月采集,在野外實地調查的基礎上,根據不同土地利用方式的地理位置及周邊環(huán)境情況進行綜合考慮,選擇地理位置相對集中、不同土地利用方式的樣地(分別為耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢、原生林)為采樣對象。土壤樣品按照“S”形,在每個樣地中設置5~7個樣點,采樣時先將土體表面枯枝落葉除掉,取樣深度在0~20 cm,并混制成1個土樣。土樣帶回實驗室后,挑出可見的殘根、石頭及凋落物,室內風干,一部分保持原狀用于團聚體分級,然后研磨過100目篩測定碳、氮、磷含量;另一部分風干后用于土壤常規(guī)分析。
1.3分析方法
土壤團聚體采用干篩法[11]分離出>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm的團聚體,土樣有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定[12];土樣總氮含量采用全自動碳氮分析儀(vario MACRO CUBE)測定。土壤樣品的基本性狀見表1。
1.4數據處理與統(tǒng)計分析
數據采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析,對數據進行單因素方差分析(ANOVA),差異顯著性分析用Duncans法,相關性分析中采用Pearson指數表示。
各粒徑團聚體質量百分含量=各粒徑團聚體質量/土樣樣品總質量×100%;
各粒級養(yǎng)分儲量(g/kg)=該級團聚體中養(yǎng)分的含量(g/kg)×該級團聚體的組成(%);
團聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻率=某粒級養(yǎng)分儲量(g/kg)/原狀土壤中養(yǎng)分含量×100%。
2結果與分析
2.1不同土地利用方式各團聚體的組成特征
由表2可見,團聚體分布以>5 mm粒級所占比例最高,平均約為40.06%;其次是>2~5 mm粒級,平均約為2154%;≤0.25 mm粒級微團聚體含量最少,平均約為383%。在不同土地利用方式下,土壤中>1~2 mm、≤0.25 mm 粒級團聚體含量排序均是原生林>灌叢>耕地>退耕還林地>退耕還草地;而在原生林土壤中,>2~5 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm粒級團聚體含量則均顯著高于退耕還草地、退耕還林地;隨著土壤肥力的增加,耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢和原生林土壤中團聚體含量間的差異逐漸增大;除原生林土壤以>2~5 mm團聚體含量最高外,耕地、退耕還草地、退耕還林地和灌叢均以 >5 mm 粒級團聚體含量最高,且不同土地利用方式同級粒級間達顯著差異水平,說明不同土地利用方式間均以大顆粒團聚體為主體(表2)。
2.2不同土地利用方式對團聚體有機碳、全氮、全磷含量的影響
2.2.1土地利用方式對團聚體有機碳含量的影響從不同土地利用方式下土壤原土有機碳含量(表1)可以看出,耕地土壤有機碳含量最低,退耕還草地、退耕還林地、灌叢、原生林分別是耕地的1.14、1.23、2.20、5.04倍,后兩者與耕地之間差異達顯著水平。在不同粒級的團聚體中,以>0.25~0.50 mm 粒級的團聚體含量最高,其次是≤0.25、>0.5~1.0 mm 粒級的團聚體,三者平均分別約為52.91、51.01、5030 g/kg,與原土有機碳含量相比分別提高了6.95%、311%、1.65%;而 >5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm粒級團聚體有機碳含量較低,平均分別約為47.37、48.61、49.15 g/kg,分別比原土降低了 4.24%、1.74%、0.65%(表3)。從總體上來看,除了 ≤0.25 mm 粒級以外,不同土地利用方式中土壤各團聚體有機碳含量排序均為原生林>灌叢>退耕還林地>退耕還草地>耕地,與耕地相比,不同土地利用方式中>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~050 mm粒級團聚體的有機碳含量均有所提高,增幅分別為0.38%~335.72%、3.18%~357.09%、10.63%~371.27%、11.07%~367.52%、7.36%~329.44%(表3)。
2.2.2土地利用方式對團聚全氮含量的影響由表1、表3差異性分析可看出,不同土地利用方式對土壤全氮含量的影響與對有機碳含量的影響較一致。不同土地利用方式下原土的全氮含量(表1)顯示,耕地的全氮含量最低,退耕還草地、退耕還林地、灌叢、原生林分別比耕地提高了0.40%、1093%、85.43%、234.41%,后兩者與耕地之間差異顯著。由表3可見,不同粒級中>1~2 mm粒級團聚體全氮含量最低,平均約為3.92 g/kg,比原土低4.62%,其次是 ≤0.25 mm、>5 mm、>2~5 mm粒級全氮含量較低,平均含量分別為3.93、4.01、4.01 g/kg,分別比原土降低4.38%、243%、2.43%;而>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm粒級全氮含量較高,平均含量分別為4.29、4.35 g/kg,分別比原土高4.38%、5.84%。總體來看,不同土地利用方式下土壤各團聚體全氮含量排序均是原生林>灌叢>退耕還林地>退耕還草地>耕地,且均是原生林、灌叢與耕地、退耕還林、退耕還草間達到差異顯著水平,與耕地相比,不同土地利用方式下各團聚體的全氮含量均有所增加,增幅分別為8.51%~247.45%、6.06%~254.55%、11.89%~227.31%、12.39%~25983%、15.68%~252.54%、14.72%~211.26%(表3)。
2.2.3土地利用方式對團聚體全氮含量的影響由表3可見,不同土地利用方式中原土全磷含量最高,平均為 0.892 g/kg,退耕還草地、退耕還林地、灌叢、原生林與耕地相比分別降低了12.96%、20.37%、22.22%、31.48%。不同粒級中全磷含量分別比原土全磷含量提高了0.90%、2.91%、1.79%、2.91%、2.47%、2.02%;不同土地利用方式下全磷含量與有機碳、全氮含量則相反,除了>0.25~0.50 mm的全磷含量排序為耕地>退耕還草地>灌叢>退耕還林地>原生林,其他粒級均是耕地>退耕還草地>退耕還林地>灌叢>原生林;在不同土地利用方式下,差異達到顯著水平,與耕地相比,不同土地利用方式下各團聚體的全磷含量均有所下降,降幅分別為13.76%~29.36%、17.65%~38.66%、12.39%~33.63%、8.85%~37.17%、11.97%~38.46%、13.51%~34.23%。
2.3不同土地利用方式對團聚體有機碳、全氮和全磷儲量及貢獻率的影響
2.3.1對團聚體有機碳儲量及貢獻率的影響上述研究表明,不同土地利用方式下>5 mm粒級團聚體有機碳含量最低,但所占比例最高。從表4、表5可看出,有機碳儲量在 >5 mm 粒級團聚體中最大,平均為15.36 g/kg;>2~5 mm粒級次之,平均為11.66 g/kg;≤0.25 mm粒級最少,隨著粒級的減小儲量隨之減少。在>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm 6個粒級中,有機碳的貢獻率分別為39.62%、21.30%、13.78%、1476%、4.17%,說明>5 mm粒級是有機碳儲量的主體。不同土地利用方式間比較發(fā)現(xiàn),原生林與灌叢均提高了6個粒級團聚體中有機碳的儲量,與耕地相比分別是其2.28、6.56、7.70、4.17、9.39、4.23、1.23、2.54、3.33、1.35、3.56、1.74倍;耕地、退耕草地、退耕還林地、灌叢均以>5 mm粒級對有機碳貢獻率最大,分別為45.10%、53.98%、53.24%、25.41%;原生林在>2~5 mm粒級對有機碳貢獻率最大,為27.02%。
2.3.2對團聚體全氮儲量及貢獻率的影響從表4、表5可以看出,全氮儲量與有機碳儲量規(guī)律較一致,不同粒級團聚體中儲量是>5 mm粒級最多,平均為1.359 g/kg,其次是>2~5 mm,為0.948 g/kg;在>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm 6個粒級中的平均貢獻率分別為38.94%、20.97%、13.29%、1462%、701%、3.77%,說明>5 mm是全氮儲量的主體。對不同土地利用方式間的比較發(fā)現(xiàn),原生林、灌叢均提高了6個粒級團聚體中全氮的儲量,與耕地相比分別是其1.85、507、5.38、3.10、7.64、3.81,1.36、2.63、3.23、1.28、3.82、218倍。耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢均以>5 mm粒級對有機碳貢獻率最大,分別為38.48%、56.33%、5092%、27.89%;原生林在>2~5 mm粒級對有機碳貢獻率最大,為27.37%。
2.3.3對團聚體全磷儲量及貢獻率的影響從表4、表5可看出,全磷儲量與有機碳、全氮儲量規(guī)律基本一致,不同粒級團聚體中儲量也是>5 mm粒級最多,平均為0.366 g/kg,其次是>2~5 mm,為0.193 g/kg;在>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm 6個粒級中的平均貢獻率分別為38.94%、2097%、13.29%、
14.62%、7.01%、3.77%,說明>5 mm也是全磷儲量的主體。對不同土地利用方式的比較發(fā)現(xiàn),退耕還草地與退耕還林地均降低了>2~5 mm、>1~2 mm、>0.5~1.0 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm粒級團聚體中全磷的儲量,與耕地相比分別是降低了24.89%、29.32%、48.66%、24.14%、34.88%,38.86%、39.10%、52.68%、3276%、25.58%。耕地、退耕還草地、退耕還林地、灌叢均以>5 mm粒級對全磷貢獻率最大,分別為46.23%、47.20%、49.35%、35.95%;原生林在>2~5 mm 粒級對全磷貢獻率最大,為24.27%。
2.4土壤養(yǎng)分含量與團聚體的相關性
由表6可見,土壤有機碳、土壤全氮含量均與>5 mm、>2~5 mm、>1~2 mm、>0.25~0.50 mm、≤0.25 mm粒級團聚體含量之間達到了極顯著相關關系(P<0.01),其中與 >5 mm 粒級團聚體呈極顯著負相關(P<0.01),分別為 -0.839**、-0.899**;有機碳含量與全氮含量之間呈顯著相關(P<0.05);全磷含量與>2~5 mm、>0.25~0.50 mm粒級團聚體、有機碳、全氮含量呈極顯著相關(P<0.05),與>0.25~0.50 mm粒級團聚體、有機碳、全氮含量呈極顯著負相關,與>5 mm、>1~2 mm粒級團聚體分別呈顯著正相關、顯著負相關(P<0.05);>0.5~1.0 mm粒級團聚體、有機碳、全氮、全磷含量均無顯著相關關系。
3討論
不同土地利用方式對土壤有機碳、全氮、全磷存在一定影響,同時也在改變土壤團聚體的分配狀況。本研究中原生林地和灌叢地有機碳、氮和磷主要來源于動物糞便、動植物殘體、根系分泌物及代謝產物,退耕還草地、退耕還林地主要是曾經施用而還未分解完全的磷肥,耕地還包括人為施加磷肥、糞肥等養(yǎng)分。本研究發(fā)現(xiàn),在不同土地利用方式下,原生林主要增加了>2~5 mm團聚體的含量, 其他土地利用方式下的
土壤團聚體含量的增加均集中在>5 mm粒級。可能是因為受人為干擾多,且雨水較多,導致大粒級團聚體(>5 mm,>2~5 mm)增加,因此大團聚體是喀斯特山區(qū)地表層團聚體的主要存在形式,這與廖洪凱等研究結果[13]基本一致。原生林地、灌叢地各粒徑團聚體中有機碳、氮含量均高于耕地、退耕還草地和退耕還林地,原生林地和灌叢地植被豐富,生長旺盛,光合作用強,根系發(fā)達,因此為土壤提供了大量的養(yǎng)分,并為刺激微生物活性發(fā)揮了營養(yǎng)作用[14],而且原生林地和灌叢地幾乎無人為干擾,凋落物的分解腐爛也為土壤提供了豐富的碳源、氮源。而耕地、退耕還草地、退耕還林地雖有外源養(yǎng)分的加入,但退耕還草地和退耕還林地因曾經頻繁的耕作,使土壤的通氣性提高,加速了土壤碳氮的分解;而耕地由于長期耕作導致土壤疏松,土壤中碳氮容易流失,又因耕地常年為農作物施加綠肥和糞肥,因此耕地的磷含量高,而耕地農作物根系不發(fā)達,根系生物量較小,對土壤碳氮的提供有限。另外耕地主要的作物是藍靛,收割作物及作物清理等,都使農作物的碳氮不能歸還到土壤中;耕地、退耕還草地和退耕還林地凋落物較少,無法形成較厚的凋落物層,所以土壤養(yǎng)分含量較小。
不同土地利用方式對團聚體的形成和穩(wěn)定產生直接或間接的影響,一方面進入土壤中的有機質和土壤微生物不同,另一方面由于表層植物不同,導致地下根系的分布和生物量變化不同。土壤團聚體有機碳、全氮含量均是原生林最高,灌叢其次,與原狀土壤有相似之處,表明原狀土壤有機碳、全氮含量對土壤各粒徑團聚體有機碳、全氮含量的多少起了決定性作用。在本研究中,有機碳含量在>0.25~0.50 mm之間達到最大值(平均為52.91 g/kg),隨著團聚體粒徑的降低,有機碳含量有所增加,這與Christensen等對有機碳主要分布在小粒徑團聚體中的研究結果[15]基本一致。但劉曉利等研究認為,隨著土壤肥力的降低,各粒級團聚體中有機碳含量的變化是先降低后升高,本研究結果與其基本符合[16]。土壤全氮對有機碳的保持起主要作用,土壤有機碳與全氮含量的分布情況較為一致[17-18],>0.25~0.50 mm之間粒徑團聚體全氮含量最高(平均為4.35 g/kg),這與土壤有機碳含量有關。土地利用方式的不同,在受人為干擾逐漸減少的情況下,全氮含量顯著升高,特別是原生林有機碳、全氮含量均是最高,主要是有機碳的積累及枯枝落葉為表層土壤全氮提供了重要來源。然而全磷與有機碳、全氮含量分布規(guī)律相反,全磷在土壤中的遷移率較低,使全磷的變化較為穩(wěn)定[16]。本研究表明,在不同土地利用方式下,原生林地最低,各團聚體中全磷含量的分布規(guī)律一致,均是耕地>退耕還草地>退耕還林地>灌叢>原生林,表明土壤磷素在不同土地利用方式中的分布不同于有機碳、全氮,這與劉曉利等的研究結果[16]一致。根據實地調查,雖然原生林與灌叢有豐富的凋落物,同時也有利于磷的積累[9],但是與耕地相比,耕地磷含量明顯大于原生林、灌叢,主要是因為耕地常年人為施加磷肥、糞肥,這是導致全磷含量在耕地中最高的原因。
就各粒級團聚體對土壤有機碳、全氮、全磷含量而言,>5 mm 團聚體貢獻率最高,>2~5 mm團聚體貢獻率也較高,不同土地利用方式中,除了原生林>2~5 mm粒級團聚體貢獻率最高以外,整體效應表現(xiàn)為較大團聚體對土壤有機碳、全氮、全磷含量貢獻率在48.35%以上。雖然>0.25~0.50 mm 粒級團聚體有機碳、全氮含量最高,但>0.25~0.50 mm 粒級團聚體對有機碳、全氮含量貢獻率較低,且變幅較小,說明有機碳、全氮、全磷含量具有一定穩(wěn)定性。而團聚體對有機碳、全氮、全磷含量的貢獻率峰值均在>5 mm、>0.5~1.0 mm粒級出現(xiàn),這主要是由于<0.50 mm粒級的微團聚體在不同土地利用方式土壤中的占有率遠低于其他組分。可見,>0.5 mm 粒級的較大團聚體是茂蘭喀斯特山區(qū)中團聚體有機碳、全氮、全磷的主要載體,表明大團聚體是微團聚體在有機質的膠結作用下形成的,因此適當增加有機物的投入有助于改善團聚體結構及植物的生長。從相關分析來看,土壤團聚體有機碳、全氮、全磷含量與各粒級團聚體含量均達顯著相關性,表明土壤團聚體含量可作為判斷有機碳、全氮、全磷含量動態(tài)的敏感性指標,能有效地提高土壤養(yǎng)分含量,從而促進>0.5 mm以上的團聚體形成,并降低了土壤微團聚體的含量,有研究者認為>0.25 mm粒級的土壤團粒結構是最好的結構體,數量上與土壤養(yǎng)分呈正相關[19],與本研究結果基本一致。本研究得出,>0.25 mm粒級團聚體含量占全土的97.09%以上,與土壤有機碳、全氮和全磷呈顯著相關,可作為反映茂蘭喀斯特山區(qū)土壤肥力的指標。
4結論
土壤各團聚體隨著受干擾程度的減少及植被的恢復,有機碳、全氮、全磷含量發(fā)生了一定的改變,不同土地利用方式下土壤全氮與有機碳含量分布規(guī)律大體一致,而土壤全磷含量相反。不同土地利用方式下,受到的干擾程度越小越有利于有機碳、全氮、全磷的積累,但是在各粒徑團聚體中,土壤有機碳、全氮、全磷分布不均勻,較大的團聚體是土壤有機碳、全氮、全磷的主要載體。植被的恢復促進了有機碳、全氮和全磷的恢復,從而促進了團聚體的形成。因此,在茂蘭喀斯特地區(qū)進行生態(tài)恢復時,可通過人工補給養(yǎng)分和保護地表的凋落物層,以促進團聚體的形成和土壤肥力的增加。
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