桂西北喀斯特區不同退化程度石灰土有機碳與養分剖面分布特征

何鐵光, 俞月鳳, 蒙炎成, 蘇天明, 胡鈞銘,杜 虎, 王 瑾, 李忠義, 張 野, 韋彩會， 范 適

(1.廣西壯族自治區農業科學院 農業資源與環境研究所, 南寧 530007; 2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所, 長沙 410125； 3.湖南環境生物職業技術學院 園林學院， 湖南 衡陽 421005)

我國西南喀斯特地區為中國四大生態環境脆弱區之一，桂西北喀斯特地區位于我國西南喀斯特南部斜坡地帶[1]。由于其形成的碳酸鹽巖基質的特殊性而與常態地貌有著極大的差別，過度的人為干擾造成了喀斯特地區植被的減少或消失，水土流失加劇，土壤的生物地球化學過程改變或中斷，成為土壤退化及石漠化發展的主要外驅動力[2-3]。自20世紀80年代中期進入環境保護階段之后，植被開始得到自然恢復，石漠化治理及退化生態系統的恢復重建已初見成效。土壤養分含量是衡量土壤肥沃程度的量化指標，是土壤最重要的生態功能之一，是退化生態系統的重要研究內容之一。張偉等[4]研究了桂西北喀斯特區植被演替過程中表層土壤的養分積累和影響因素，發現坡度、坡向和裸巖率等地形因子對土壤的養分影響較小。歐陽資文等[5]探索了喀斯特峰叢洼地表層土壤有機質的空間變異特征及其對干擾的響應，提出減少干擾是退化生態系統恢復的保障。俞月鳳等[6]研究了桂西北喀斯特區域內表層石灰土養分的空間變異特征，發現在區域大尺度下，地形因子(如海拔、坡度和巖石裸露率等)和植被類型是影響桂西北喀斯特石灰土空間變異特征的重要因素。何寧等[7]分析了喀斯特區3種典型次生林土壤有機碳含量和密度的剖面分布。這些研究對桂西北喀斯特石灰土養分狀況有初步的探索，多集中在表層土壤，或某一植被類型的有機碳分布。然而，由于喀斯特生態環境的特異性，目前對石灰土土壤退化機理還缺乏充分認知[8]，因此，針對石灰土退化過程中，土壤有機質、氮、磷和鉀等養分含量的剖面分布特征有何響應有待進一步探索，對揭示石灰土退化現狀及退化機理，促進喀斯特地區生態恢復有著重要的作用。

土壤退化是一個長期的動態過程，需要大范圍、長時間的定位動態觀測才能準確地認識土壤退化，這也使得時間序列的土壤性狀縱向比較的可操作性差[9]。土壤養分的退化與植被退化相互促進，是土壤退化的重要機制[10]。本研究利用空間分布代替時間序列的方法[11]，根據土壤退化的概念，在直觀性原則、簡單性原則、可操作性原則、主導因素原則和綜合代表性原則的基礎上，以巖石裸露率和植被覆蓋率作為土壤退化等級劃分的基本依據，將石灰土劃分為5個退化等級：無退化、潛在退化、輕度退化、中度退化和重度退化。本文通過建立不同退化程度石灰土的樣地，并進行土壤和植被調查，分析對比石灰土不同退化程度剖面養分含量特征，以期對桂西北喀斯特地區石灰土退化過程中養分剖面分布特征有較完整的認識，并為揭示石灰土退化機制及分布機理提供資料，為喀斯特地區植被恢復、土壤資源利用以及生態恢復提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區選擇在廣西大化瑤族自治縣(107°18′45″—108°03′45″E，23°32′30″—24°22′30″N)，位于云貴高原向廣西丘陵過渡地帶的斜坡上，屬于廣西最典型的“九山半水半分田”的石山區貧困縣。全縣總面積2 804 km2，耕地總面積162 km2，境內峰叢密布，喀斯特面積共2 059 km2，占全縣總面積的73%，喀斯特地貌較為典型。成土母質以碳酸鹽巖為主，地帶性紅壤只是分布在土山，石山、半石山普遍為石灰土。研究區氣候溫和，屬南亞熱帶季風氣候，雨熱同季。年平均氣溫1 812～2 117℃，年降雨量為1 249～1 673 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與采樣 本研究依據巖石裸露率和植被覆蓋率將石灰土分為5個退化程度[12]：無退化(Ⅰ)、潛在退化(Ⅱ)、輕度退化(Ⅲ)、中度退化(Ⅳ)、重度退化(Ⅴ)，樣地基本概況見表1。經過全面踏查，2016年7月選擇符合5個退化程度的典型植被群落設置樣地，每個退化程度設置9個20 m×20 m樣地，共獲樣地45個。每個退化程度選擇3個標準樣地挖取一個典型土壤剖面分層取樣，由于土層較薄，每10 cm土層取3個環刀用于測定土壤容重，同時取500 g土樣。在每個標準樣地的4角和中間分0—10，10—20，20—30，30—50，50—70 cm分層用土鉆取樣，5個點同層次的土樣組成一個混合樣。由此共獲取剖面樣品74個，用于測定土壤有機碳，混合樣207個，用于測定土壤有機碳及養分含量。土樣置于陰涼處自然風干后，用四分法取土樣過0.15 mm篩，編號后供分析測定用。去除環刀內土樣的植物根系和石礫，在105℃烘干24 h后，稱重并計算土壤容重。土壤樣品室內分析指標為有機碳SOC(重鉻酸鉀—外加熱法)、全氮TN(半微量開氏法)、全磷TP(NaOH熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法)、全鉀TK(NaOH熔融—火焰光度計法)、堿解氮AN(堿解—擴散法)、速效磷AP(0.5 mol/L NaHCO3浸提法)、AK速效鉀(NH4OAc浸提法)。

表1 不同退化程度樣地基本情況

1.2.2 土壤容重推算 喀斯特地區土壤土層淺薄、石礫含量和巖石較多，導致一些剖面深層的土壤容重無法測定。有研究表明，土壤容重、土層、土壤有機質含量間存在相關關系[13-14]。根據5個退化程度15個土壤剖面的數據建立的土壤有機碳含量和土壤容重關系散點圖(圖1)，發現二者存在良好的直線關系(p<0.01)，土壤有機碳含量隨土壤容重的增加遞減，從而依據測定的有機碳含量可以求得土壤容重。

圖1 石灰土有機碳含量與容重的關系

1.2.3 有機碳密度的計算 土壤有機碳密度是指單位面積一定深度土層中的土壤有機碳(SOC)貯量，單位一般為t/hm2或kg/m2。某一土層i的有機碳密度(SOCi，kg/m2)的計算公式為：SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100；式中:Ci為土壤有機碳含量(g/kg);Di為容重(g/m3);Ei為土層厚度(cm);Gi為直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。

1.2.4 數據處理與分析 采用SPSS 18.0和Origin 8.0進行數據處理與制圖。應用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同樣地間各指標的差異顯著性，應用最小顯著差數法(LSD)進行多重比較，應用Pearson相關系數進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同退化程度石灰土有機碳含量與有機碳密度

由圖2可以看出，不同退化程度石灰土SOC垂直分布特征基本一致，即石灰土SOC隨著土層深度的增加逐漸降低，表層土壤SOC最高，上高下低的分布特征明顯。土層深度越大，SOC變化幅度越小，不同退化程度石灰土SOC隨土層深度變化的幅度和范圍不同。無退化、潛在退化和輕度退化石灰土SOC含量在0—10 cm處顯著高于10—20 cm 處，其中無退化石灰土SOC變化迅速，其變化幅度高于其他退化程度石灰土；20—30 cm范圍內幾乎無變化，30—50 cm處變化幅度增大。中度退化石灰土SOC在各土層中變化較為緩慢，變化幅度較為一致，呈逐漸降低的趨勢；重度退化石灰土SOC在0—30 cm范圍內變化不大，在30—50 cm處顯著降低。同一土層中，不同退化程度石灰土SOC含量差異顯著。0—10 cm表層土中，無退化、潛在退化和輕度退化程度石灰土有機碳含量之間無顯著性差異，分別為33.12，34.45，36.17 g/kg，三者顯著高于中度和重度退化石灰土有機碳含量。

注：Ⅰ為無退化，Ⅱ為潛在退化，Ⅲ為輕度退化，Ⅳ為中度退化，Ⅴ為重度退化，下圖同。

圖2 不同退化程度石灰土各層有機碳含量垂直分布

不同退化程度石灰土有機碳密度變化趨勢與有機碳含量一致(圖3)，都隨土層深度的增加而降低。就整個土層而言，5個不同退化程度石灰土的有機碳密度為：輕度退化(16.38 kg/m2)>潛在退化(14.69 kg/m2)>無退化(13.08 kg/m2)>重度退化(11.84 kg/m2)、中度退化(11.58 kg/m2)。沿著石灰土退化程度增加的方向，0—10 cm土層的土壤碳密度分別占整個土層的31.63%，28.68%，26.80%，35.10%，29.19%；10—30 cm土層的占整個土層的42.90%～53.38%。不同退化程度同一土層的有機碳密度不同，0—10 cm土層表現為輕度退化>潛在退化>無退化>中度退化>重度退化，輕度、潛在和無退化在其他土層中的差異表現與0—10 cm土層中一致，中度和重度在其他各層則表現為重度退化高于中度退化石灰土有機碳密度。

圖3 不同退化程度石灰土各層的有機碳密度

2.2 不同退化程度石灰土氮磷鉀養分含量

桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土養分剖面分布特征如圖4所示。不同退化程度石灰土TN含量剖面變化趨勢與SOC相似，均隨土層深度的增加而降低，但在各層的變化范圍與幅度有所差異。無退化石灰土TN含量0—20 cm土層之間變化迅速，20—70 cm各土層之間無顯著變化；潛在和重度退化石灰土0—10 cm土層TN含量顯著高于其他土層，其他土層之間無顯著變化；輕度和中度退化石灰土TN含量0—20 cm土層之間無變化，并顯著高于其他土層。0—10 cm土層中，無退化、潛在和中度退化石灰土TN含量無顯著性差異，均高于輕度和重度退化石灰土；0—20 cm土層中，重度退化石灰土TN最低；30—70 cm土層中，無退化石灰土TN含量顯著低于其他退化程度石灰土。不同退化程度石灰土AN含量也隨土層深度增加而降低，但變化較為緩慢。

圖4 不同退化程度石灰土各層養分含量垂直分布

不同退化程度石灰土TP和TK含量隨土層深度的增加而無明顯變化，TP隨土層深度增加有略微降低的趨勢，TK隨土層深度的增加則有略微升高的趨勢，但在各土層間均無顯著性差異。0—30 cm各土層中，潛在退化石灰土TP和TK含量均高于其他退化程度石灰土含量。AP和AK含量均隨土層深度增加而降低，表現為0—20 cm土層中含量高于其他土層。0—10 cm土層中，中度和重度退化石灰土AP含量顯著高于其他退化程度，表現為重度退化>中度退化>輕度退化>無退化>潛在退化，AK含量變化則表現為：無退化>潛在退化>輕度退化>中度退化>重度退化。

2.3 不同退化程度石灰土C∶N

由圖5可以看出，桂西北喀斯特地區石灰土C∶N為7.03～13.14，除了潛在退化石灰土C∶N外，其他退化程度均隨土層深度增加而降低。中度退化石灰土各土層中C∶N最低，沿土層以線性趨勢降低，潛在退化和重度退化石灰土C∶N在20—30 cm土層中有所升高。0—10 cm土層中，C∶N表現為輕度退化>重度退化>無退化>潛在退化>中度退化。

2.4 石灰土有機碳、養分與土層深度的相關性分析

相關分析結果(表2)表明，石灰土SOC與TN，AN，SOCi，C∶N存在極顯著相關關系，TN與TP，AN，AK，SOCi極顯著正相關，TK與TP，AK極顯著正相關，除TP，TK外，其他指標與土層深度均呈顯著或極顯著的負相關關系。

圖5 不同退化程度石灰土各層C∶N垂直分布

表2 石灰土中有機碳與養分的相關性分析

注：SOC為有機碳，TN為全氮，TK為全鉀，TP為全磷，AN為堿解氮，AP為速效磷，AK為速效鉀，SOCi為有機碳密度，H為土層深度。

3 討論與結論

3.1 桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土碳和氮剖面分布特征

土壤有機碳和氮素是土壤肥力的重要物質基礎，是衡量土壤肥力水平的重要指標，對于土壤生產力和土地可持續利用有著重要的作用[15]。土壤有機碳含量主要取決于輸入土壤的有機物質與土壤輸出的有機碳之間的動態平衡[16]。天然土壤有機質的輸入量主要依賴于有機殘體歸還量及有機殘體的腐殖化系數[17]，有機質的輸出量則主要包括分解和侵蝕損失，易受到各種生物和非生物條件的控制[18]。在下滲水作用下，土壤有機物質和腐殖質在土體中淋溶、遷移、淀積以及其在土壤微生物作用下與礦物質土土體擾動、混合，該過程決定了有機碳在土壤剖面中的分布特征。本研究中，桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土有機碳含量和有機碳密度隨土層加深均呈下降的趨勢，表層土壤含量最高，原因是自然條件下，表層土壤是植被枯枝落葉的主要接受層，因此碳含量高；石灰土有機碳和碳密度均與土層深度有極顯著負相關關系，即隨土層深度增加而顯著降低，結果與喀斯特峰叢洼地次生林3種群落土壤有機碳分布特征基本一致[7]。不同退化程度石灰土SOC隨土層深度變化的幅度和范圍不同，其中中度和重度退化石灰土隨土深變化較小，原因可能是植被覆蓋率較低，土壤容易發生淋溶。有關研究表明在鈣質豐富的石灰土環境中，細菌及放線菌等微生物活動異常活躍[19]，使有機質不斷分解形成腐殖質，腐殖化后的胡敏酸易于與Ca2+形成不易分解的胡敏酸鈣，該化合物降低有機質的分解程度，有利于土壤有機質的累積[20]。因此，退化程度高的地區，碳酸鹽巖出露率高，石灰土中鈣質越豐富，有機碳含量較高。本研究發現輕度退化石灰土有機碳含量和碳密度高于其他退化程度，原因是無退化和潛在退化石灰土同時有著豐富的植被歸還量和高的分解速率，中度和重度退化石灰土植被覆蓋率低和裸巖率高，而輕度退化石灰土有一定的植被歸還量同時有利于有機質的積累。

土壤中的氮素主要來源于動植物殘體的歸還量及生物固氮過程，也有少部分來自于大氣沉降[21]，其輸出主要靠土壤有機質的分解。土壤有機質分解后大部分被植物吸收利用，部分經過礦化、硝化、反硝化作用以及氨揮發等生物過程而重返大氣中[22]。因此，有機質的積累與分解作用的相對強度決定了土壤全氮含量。因此，本研究中不同退化程度石灰土全氮和有效氮含量的剖面分布特征與有機質含量的變化相一致。

土壤C∶N通過影響土壤微生物的代謝活動，從而影響有機質的分解速率。一般來說，當土壤的C∶N約為25∶1時，最有利于微生物通過同化作用形成自身的細胞及提供其生命活動的能源。而比值為15～25時，土壤的有機質供肥條件優越。本研究結果表明，桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土的C∶N均低于15，說明有機質的分解較容易，尤其是氮素的礦質化作用明顯，可以釋放更多的有效態氮，但也容易造成氮素的大量流失[23]。

3.2 桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土磷和鉀素剖面分布特征

自然條件下，土壤磷素主要依賴于成土母質風化和動植物殘體歸還，其含量受土壤類型和氣候因素的影響，成土母質的磷素含量直接影響土壤對磷的吸附能力以及成土母質全磷的含量，也是形成磷素垂直分布特征的直接原因[24]。因此，各退化程度石灰土TP含量剖面特征不明顯，缺乏規律性。土壤中P除了來源于母質，還來源于植物歸還，由于植被類型和土壤差異，導致全P具有較大的變異性[25]。土壤鉀素基本全部由成土母質風化而來，其剖面分布特征可能與土壤的淋溶特征有關。本研究中，桂西北喀斯特地區不同退化程度石灰土TP和TK含量隨土層深度的增加沒有顯著性變化，相關分析結果表明，各退化程度石灰土TP和TK與土層深度之間基本無顯著性相關關系，該分布特征與其含量主要來源與土母質有關。此外，中度和重度退化石灰土AP含量顯著高于其他退化程度，原因是退化程度高的群落受到的人為干擾較大。AK在無退化石灰土中的含量高于退化石灰土，原因是土壤中的AK含量是受植被根系吸收量和植被枯枝落葉歸還量共同影響的。然而，認識土壤有機碳及養分剖面分布特征對石灰土不同退化程度的響應，有利于進一步認識石灰土的退化現狀及退化過程中石灰土養分的地球化學循環過程，其影響因素有待進一步探究，從而真正揭示喀斯特區石灰土退化機理。