黔南喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分時(shí)空動(dòng)態(tài)

蔡國(guó)俊，張麗敏，李安定，龍秀琴

(貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001)

土壤是植物生長(zhǎng)和固定的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)[1]，土壤養(yǎng)分的空間分布特征直接影響著土壤生產(chǎn)力和生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向[2]。研究表明，土壤養(yǎng)分具有普遍的時(shí)空異質(zhì)性[1,3-4]，土壤養(yǎng)分的時(shí)空異質(zhì)性導(dǎo)致生長(zhǎng)在其表面的植被的生理特征、群落結(jié)構(gòu)和空間分布發(fā)生變化[5-6]。土壤養(yǎng)分的時(shí)空異質(zhì)性受氣候、母質(zhì)特征、地形、地貌部位、植被類型及其演替過(guò)程、土地利用方式、小生境等環(huán)境因素的影響[7-8]。對(duì)土壤養(yǎng)分時(shí)空變化的研究，對(duì)于了解土壤的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和功能，以及生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的恢復(fù)重建具有重要指示意義[9]。

喀斯特峰叢洼地是典型的喀斯特巖溶地貌，廣泛分布于我國(guó)西南地區(qū)，受地質(zhì)環(huán)境特殊性與區(qū)域氣候獨(dú)特性的綜合影響，形成了土層薄、土體不連續(xù)、空間異質(zhì)性高和保水能力低的土壤特征[10]。特殊的二元水文結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的地貌環(huán)境和小生境特征，導(dǎo)致其土壤養(yǎng)分變異呈現(xiàn)出多來(lái)源和高變異的特征[9]。目前，我國(guó)關(guān)于喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分變異的研究主要集中于用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)部分采樣區(qū)進(jìn)行半方差函數(shù)分析和自相關(guān)性分析[11-12]，對(duì)不同坡位土壤養(yǎng)分差異及其季節(jié)變化的研究較少，關(guān)于喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分異質(zhì)性的季節(jié)特征更是鮮見(jiàn)報(bào)道。此外，對(duì)于喀斯特峰叢洼地坡面土壤養(yǎng)分異質(zhì)特征是表現(xiàn)為養(yǎng)分隨坡位升高而增加的養(yǎng)分倒置效應(yīng)，還是表現(xiàn)為隨著坡位升高而逐漸降低的養(yǎng)分洼積效應(yīng)尚存在不同的觀點(diǎn)和論據(jù)[1]，喀斯特峰叢洼地坡面土壤養(yǎng)分的養(yǎng)分倒置效應(yīng)或養(yǎng)分洼積效應(yīng)是否具有普遍性等亦須深入研究。本文運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)黔南喀斯特峰叢洼地不同季節(jié)、不同地貌部位的土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行研究，并分析其成因，探討土壤養(yǎng)分在喀斯特峰叢洼地石漠化區(qū)不同地貌部位、不同季節(jié)的變化規(guī)律，以期為該區(qū)土壤養(yǎng)分的調(diào)控和生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于石漠化較典型、喀斯特發(fā)育較完整、峰叢洼地集中連片的貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)劉家灣，地理坐標(biāo)106°50′32″～107°11′47″E、25°38′19″～25°59′09″N，距我國(guó)最大射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)僅2.5 km。該區(qū)主要以峰叢與巖溶漏斗、落水洞、天坑正負(fù)地形組合，巨型錐狀洼地密集分布，平均1 km2就有3～4個(gè)洼地。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫17 ℃，極端低溫-3.5 ℃，年的降水量1 259 mm，無(wú)霜期312 d，年日照時(shí)間1 065.7 h。區(qū)內(nèi)土壤為石灰土、黃壤土，海拔在841.2～1 193.8 m，相對(duì)高差352.6 m。研究區(qū)主要分布有勾兒茶(Berchemiasinica)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、八角楓(Alangiumchinense)等天然次生樹種，以及西番蓮(Passifloracaerulea)、葛藤(Puerariamontana)、黃褐毛忍冬(Lonicerafulvotomentosa)等人工種植樹種。

1.2 樣品采集與分析

在研究區(qū)內(nèi)，按上坡、中坡、下坡3個(gè)地貌部位布設(shè)17個(gè)采樣點(diǎn)，其中，上坡布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)、中坡和下坡各布設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)坡度25°～30°，分別于2011年3月10日(春季)、2011年5月26日(夏季)、2011年10月2日(秋季)和2012年3月10日(冬季)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采取3個(gè)0～20 cm的混合土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干，研磨過(guò)100目土壤篩后測(cè)定pH、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀等土壤養(yǎng)分指標(biāo)。

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定；全氮(TN)采用半微量-凱氏定氮法測(cè)定；全磷(TP)用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測(cè)定；全鉀(TK)采用NaOH熔融—火焰光度法測(cè)定[13]；土壤pH值、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀等用多功能土壤肥料養(yǎng)分速測(cè)儀(河南迅捷，YN-4000型)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013進(jìn)行整理，用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)。采用變異系數(shù)(CV)表征樣品的變異程度：CV≤10%屬于弱變異性，10%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)的土壤養(yǎng)分特征

土壤養(yǎng)分因受到水熱條件、林木更新等影響而表現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化[14-15]。如表1所示，土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同季節(jié)間存在顯著差異。冬季土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和硝態(tài)氮含量最高，而銨態(tài)氮含量最低。冬季土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變異較大，變異系數(shù)分別為29.61%和74.26%。各季節(jié)中，全氮、全磷和全鉀的變異系數(shù)也較大，分別為44.4%～100.0%、33.3%～40.0%和28.1%～61.9%，屬中等變異水平。

表1 不同季節(jié)的土壤養(yǎng)分特征

2.2 不同坡位的土壤養(yǎng)分特征

如表2所示，不同坡位的土壤養(yǎng)分特征間，僅全磷和速效磷含量存在顯著差異。受地形、母質(zhì)及水熱條件等成土因素的影響，土壤養(yǎng)分的理化特征因空間位置的不同而表現(xiàn)出不同的空間變異性(表3)?？傮w上，土壤pH屬弱變異(變異系數(shù)3.3%～4.0%)、中坡土壤硝態(tài)氮含量屬?gòu)?qiáng)變異(變異系數(shù)133.3%)外，其余指標(biāo)屬中等變異，變異系數(shù)在17.4%～98.3%。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的變異性表現(xiàn)為上坡>中坡>下坡，土壤pH值、全磷、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀在中坡的變異性較上坡和下坡大，土壤全鉀、銨態(tài)氮的變異性表現(xiàn)為下坡較上坡和中坡大。

表2 不同坡位的土壤養(yǎng)分特征

表3 不同坡位的土壤養(yǎng)分變異系數(shù) %

2.3 不同坡位土壤養(yǎng)分特征的季節(jié)動(dòng)態(tài)

如圖1所示，不同坡位的土壤養(yǎng)分特征表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。土壤pH值從春到冬在不同坡位均表現(xiàn)出先降低后緩慢升高的趨勢(shì)，夏季土壤pH值最低，冬季最高，整體呈偏堿性。不同坡位的土壤有機(jī)質(zhì)含量從春到冬逐漸增加，這可能與環(huán)境中植被凋落物的積累有關(guān)。全氮含量在3個(gè)坡位上從春到冬均表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢(shì)，秋季全氮含量最低，且四季均表現(xiàn)為上坡>下坡>中坡。土壤全磷在中坡表現(xiàn)為從春到冬逐漸升高，而上坡卻表現(xiàn)為逐漸降低。土壤全鉀在中坡和下坡表現(xiàn)為從春到冬先上升后降低，而在上坡卻表現(xiàn)為先下降和升高的趨勢(shì)。土壤銨態(tài)氮含量在3個(gè)坡位條件下均表現(xiàn)為從春到冬先增加后降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在夏季。土壤硝態(tài)氮含量在3個(gè)坡位條件下整體表現(xiàn)出從春到冬先下降后升高的趨勢(shì)。土壤速效磷含量在上坡和中坡從春到冬先下降后上升，而在下坡卻是先上升后下降。土壤速效鉀含量在上坡和下坡表現(xiàn)為從春到冬先上升后下降的趨勢(shì)，而在中坡波動(dòng)變化。

圖1 不同坡位土壤養(yǎng)分特征的季節(jié)變化

3 討論

土壤養(yǎng)分的季節(jié)動(dòng)態(tài)與雨水淋溶、植被狀況、凋落物狀況及微生物特征等密切相關(guān)，同時(shí)受到季節(jié)氣候變化、植被狀況、土地利用方式及凋落物類型和數(shù)量的影響[16]。本研究表明，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為63.0 g·kg-1，與桂北喀斯特峰叢洼地灌木林[1]、黔中喀斯特藤刺灌叢[17]土壤有機(jī)質(zhì)含量(有機(jī)質(zhì)含量分別為64.0、65.3 g·kg-1)相當(dāng)，說(shuō)明喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較為一致。按照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機(jī)質(zhì)屬于第一等級(jí)，處于較高的水平。這可能是由于喀斯特地區(qū)巖石溶蝕過(guò)程形成的可溶性碳酸鹽與土壤腐殖質(zhì)結(jié)合、凝聚，形成穩(wěn)定的腐殖酸鈣，從而使得喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量增高[19]。各季節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，從春到冬逐漸升高。土壤全氮、全磷和全鉀的季節(jié)變化不顯著。按照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究中土壤全氮和全磷屬于第一級(jí)，處于高養(yǎng)分水平，全鉀屬于第五等級(jí)，處于低養(yǎng)分水平。

以往對(duì)常態(tài)地貌的研究表明，由于長(zhǎng)期的地表徑流作用，我國(guó)常態(tài)地貌地區(qū)土壤養(yǎng)分存在明顯的洼積效應(yīng)，即隨著坡位的上升，土壤養(yǎng)分逐漸降低[20-21]。在桂北喀斯特地區(qū)的研究卻表明，在喀斯特峰叢洼地區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀等土壤養(yǎng)分出現(xiàn)上坡位高于下坡位的養(yǎng)分倒置現(xiàn)象[1,7]。本研究結(jié)果顯示，黔南喀斯特峰叢洼地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、全鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在不同坡位間沒(méi)有顯著差異，而土壤全磷和速效磷在不同坡位間差異顯著，表現(xiàn)為養(yǎng)分洼積效應(yīng)。研究結(jié)果與劉淑娟等[1]對(duì)桂北喀斯特峰叢洼地灌木林土壤養(yǎng)分的研究結(jié)果相似，這可能與研究區(qū)植被多為灌木次生林和人工林，且研究區(qū)受人為干擾嚴(yán)重等有關(guān)。

本研究顯示，除pH值外，黔南喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分因子無(wú)論是在不同季節(jié)還是不同地貌部位整體表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的變異，與張偉等[2]、劉淑娟等[1]、高鵬等[12]對(duì)桂北喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分時(shí)空分異特征的研究結(jié)果表現(xiàn)一致。喀斯特峰叢洼地土壤養(yǎng)分的強(qiáng)變異特性主要受兩方面因子的影響：一是強(qiáng)烈的人為干擾和土地利用方式[7]；二是喀斯特地區(qū)獨(dú)特的二元結(jié)構(gòu)和生境的高度異質(zhì)性[22]。研究區(qū)位于黔南州典型的喀斯特峰叢洼地區(qū)，該區(qū)域被貴州省山地資源研究所作為喀斯特植被恢復(fù)示范基地，廣泛發(fā)育著石溝、石槽、石坑等小生境類型，具有較高的環(huán)境異質(zhì)性[23]，并受到了強(qiáng)烈的人為干擾，從而導(dǎo)致該區(qū)域土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出較強(qiáng)的變異性。