喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機碳及磷素賦存特征

岑龍沛,嚴友進,戴全厚,*,焦 權,胡 剛,高儒學,伏文兵

1 貴州大學林學院,貴陽 550025 2 貴州大學土壤侵蝕與生態修復研究中心,貴陽 550025 3 遵義市紅花崗區水務局,遵義 563000 4 貴州華保環境技術咨詢有限公司,貴陽 550002

土壤作為植物的主要載體,為其提供了生長所需的立地空間和養分、水分等,是植被生長和恢復的必要條件[1]。喀斯特石漠化區嚴重的水土流失導致地表土層淺薄不連續、土壤嚴重退化,嚴重制約了石漠化區的植被恢復。喀斯特坡地特殊的二元結構導致該地區存在地表和地下兩個方向的水土流失。土壤在徑流驅動下通過裂隙系統向下流失過程中,部分土壤暫時賦存于淺層巖溶裂隙中,形成了裂隙土壤系統。研究表明,裂隙土壤系統已成為喀斯特石漠化坡地重要的植物生境之一。眾所周知,土壤養分是植物主要的養分來源之一,因此,土壤養分條件直接影響著植物的生長和恢復程度。土壤碳和磷元素是喀斯特植被恢復生長不可或缺的營養成分,且是陸地生態系統生物圈土壤養分循環的核心和主要成分,驅動著其他養分元素的循環與轉化,進而影響土壤養分的供應能力和理化性質[2-3]。磷含量的盈缺會直接影響植物的生長及發育[4],土壤有機碳作為土壤質量評價的重要指標,在影響土壤理化性質、調節土壤結構、反映土地生產力和環境健康功能等方面具有重要的作用和意義[5]。目前關于喀斯特有機碳和磷素的研究報道,主要集中于喀斯特不同地貌類型、土地利用方式、植被覆蓋/類型下的分布特征等方面[6- 11],如許聯芳等[6]、潘復靜等[8]研究了典型喀斯特峰叢洼地不同土地利用方式有機碳及植被群落凋落物碳磷比特征；胡忠良[7]對不同植被覆蓋條件下淺層土壤有效磷和總磷的分布特征做了探索,指出在植被類型變化后土壤有效態養分含量下降較全量養分顯著；黃先飛等[10]分析了喀斯特地區不同植被覆蓋及土地利用方式下土壤有機碳的分布規律,提出該區土壤有機碳具有含量高、密度低的顯著特征等。劉鴻雁等[12]分析了石灰巖和白云巖地下裂隙對喀斯特關鍵帶植被組成和生產力的影響。

綜上可見,當前關于喀斯特坡地土壤碳、磷的研究已有了一定的成果。然而,當前的研究多集中于對0—20 cm處的土壤碳、磷特征。相較于被植物直接作用的地表土壤,淺層巖溶裂隙土壤條件異于地表。因此,植被與裂隙土壤碳、磷間的相互作用關系勢必會發生改變。鑒于此,本文在典型喀斯特小流域內,探索不同土地利用類型下裂隙土壤的土壤有機碳和磷素含量變化及其賦存特征,以期為喀斯特石漠化地區石漠化治理和植被恢復提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區設在貴州省安順市鎮寧縣大山鎮雙龍山街道辦事處新發社區的典型喀斯特石漠化新發小流域(105°49′30"—105°49′51″E,26°06′53″—26°07′23″N),總面積約0.33 km2。研究區內巖石裸露,生境破碎,淺層巖溶裂隙發育,無落水洞、地下暗河、天窗等分布。地層巖性為三疊系中統關嶺組第三段(T2g3)的白云質灰巖。海拔1281—1393 m,屬亞熱帶濕潤季風氣候,平均氣溫14.03 ℃,積溫(10 ℃)高達4116 ℃,日照時數960—1300 h,平均無霜期294 d,年均降水量1193 mm,多年平均蒸發量為550 mm。土壤類型以石灰土為主,亞熱帶常綠闊葉林是主要地帶性植被類型。土地利用類型包含草地、撂荒地、灌木林地和喬木林地，具體信息見表1。

表1 樣地基本情況

1.2 土樣采集

本研究采用樣地調查法,外業調查取樣于2017年7—8月進行。在研究區布設50 m×50 m的網格,再在網格點處布設60個10 m×10 m樣點,在每個樣點內選取3條典型裂隙,進行樣點、裂隙信息及土壤樣品的采集。按0—20 cm, 20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm四個層次、同一層次土壤樣品均勻混合采樣,依次標記為U1,U2,U3,U4。裂隙數目分別為草地9條、撂荒地8條、灌木林地29條和喬木林地14條。最后采樣方法具體見Yan等[13]。

1.3 樣品測定

土壤樣品去除土壤侵入體和新生體后,過2 mm 篩孔土壤以測定土壤有效磷及pH,過0.25 mm 篩孔土壤以測定有機碳和全磷。測定方法參照《土壤農業化學分析法》[14],土壤有機碳測定采用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法,土壤全磷含量測定采用硫酸高氯酸消煮鉬藍比色法,土壤有效磷含量測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法,pH測定采用電位法。

1.4 數據處理

使用Excel 2016、SPSS 19.0軟件進行數據統計與分析,使用Origin 9.1畫圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型下裂隙土壤有機碳賦存特征

有機碳作為土壤中較活躍的重要物質組成,提供植物生長所需的營養元素,滿足生命活動的條件,且對土壤的理化性質、肥力和土地可持續利用等方面有著十分重要的作用與意義[15- 16]。分析不同土地利用類型對裂隙土壤有機碳賦存特征可見表2,4種土地利用類型下的裂隙土層U1至U4的土壤有機碳含量總體表現為隨土層深度增加呈現降低的變化趨勢,土壤有機碳含量整體上在土層U1高于其他土層；土壤有機碳含量在土層U1、U2和U3中表現為灌叢地顯著高于喬木林地、草地和撂荒地,在土層U4中喬木林地高于其他土地利用類型。草地的有機碳含量在U4顯著低于其他3個土層；撂荒地、灌叢地和喬木林地的有機碳含量在各自的4個土層間均無顯著性差異。

表2 不同土地利用類型下裂隙土壤有機碳賦存特征

撂荒地、草地和灌叢地中,土壤有機碳含量整體上表現為隨土層增加而減少,各有機碳含量變化范圍分別為：22.346—26.892 g/kg、16.067—38.330 g/kg和23.539—39.436 g/kg,有機碳含量在撂荒地的4個土層間均無顯著性差異；在草地土層U1的土壤有機碳含量與3個土層差異顯著,尤其是土層U1顯著高于U4；在灌叢地裂隙土層U1和U2的土壤有機碳含量均值為最高,分別為39.436 g/kg和38.205 g/kg,土壤有機碳含量在U1土層顯著高于其他土層。喬木林地中,4個裂隙土層土壤有機碳含量變化表現為土壤有機碳從土層U1至U3整體在減少而后在土層U4增加,即：U2

圖1 不同土地利用類型裂隙土壤有機碳含量賦存變異特征 Fig.1 Variation of organic carbon content in fissured soils of different land use types

2.2 不同土地利用類型裂隙土壤磷素賦存特征

2.2.1全磷賦存特征

全磷可反映土壤磷庫潛在的供磷能力,有效磷可被植物直接吸收利用,且可作為評價土壤磷供應植物生長能力的重要指標[17]。由表3可看出,除喬木林地外,草地、灌叢地和撂荒地裂隙土壤全磷含量主要集中在土層U1和U2,喬木林地表現出的分布特點是上層低下層高,其他3種土地利用類型俱呈現出上層高下層低的分布特征；土壤全磷含量在土層U1和U2中整體表現為喬木林地、灌叢地低于草地和撂荒地,在土層U3中草地高于其他土地利用類型,在土層U4中喬木林地高于其他土地利用類型。撂荒地和草地的全磷含量各在土層U1和U2顯著于U3、U4,灌叢地中的U4則顯著低于其他3個土層；喬木林地U4則顯著高于其他3個土層。

表3 不同土地利用類型下裂隙土壤全磷賦存特征

圖2 不同土地利用類型裂隙土壤全磷含量賦存變異特征 Fig.2 Characteristics of occurrence and variation of total phosphorus content in fissured soils of different land use types

對于撂荒地、灌叢地和草地而言,土壤全磷含量總體上表現為隨著土壤深度的增加不斷下降,撂荒地、草地的裂隙土層U1、U2顯著高于U3、U4的土壤全磷含量；灌叢地土層U1與U4關系明顯,即全磷含量在土層U1中顯著高于U4。對于喬木林地而言,土壤全磷含量在裂隙土層的變化具體表現為在U1先降低后上升最后在U4達到最高的趨勢,這與喬木林地的有機碳含量變化趨勢整體一致,且土壤全磷含量在土層U4顯著高于其他3個土層。由圖2看出,全磷含量變異系數變化范圍為0.018—0.489,其中草地、喬木林地和灌叢地全磷含量變異在0.241—0.489之間,總體變異程度為中度；撂荒地在4種土地利用類型裂隙土壤中整體變異系數為最小,在0.0176—0.127之間,總體上屬于弱變異。

2.2.2有效磷賦存特征

由表4可看出,總體來說,土壤有效磷含量在裂隙表層顯著高于其他土層,喬木林地、灌叢地和撂荒地裂隙土壤有效磷含量整體在土層U1和U2高于其他土層,且變化幅度較小,其分布特點為上層高下層低；而草地呈現上下層高,中間低的分布格局。土壤有效磷含量在土層U1表現為撂荒地高于其他土地利用類型,在土層U2和U3趨勢表現為灌叢地高于其他土地利用類型,在土層U4則是草地高于其他土地利用類型。除灌叢地不同土層間存在顯著差異,其余3種土地利用類型的4個土層間均無顯著性差異。

表4 不同土地利用類型下裂隙土壤有效磷賦存特征

在撂荒地中,隨著土層的增加,土壤有效磷含量總體上在降低；在草地中,各土層變化趨勢表現是先降低后增加,即：U3

圖3 不同土地利用類型裂隙土壤有效磷含量賦存變異特征Fig.3 Variation characteristics of available phosphorus content in fissured soils of different land use types

2.3 不同土地利用類型下裂隙土壤碳磷比特征

土壤碳磷比是有機質或其他成分中碳素與磷素總質量的比值,是土壤有機質組成和質量程度的一個重要指標[18]。見圖4和圖5,4種土地利用類型下裂隙的土壤碳磷比表現為,喬木林地和灌叢地的C/P總體上隨土層的加深表現為減小,而草地和撂荒地呈先減小后增加的趨勢；土壤碳磷比在4個裂隙土層中表現為灌叢地均高于其他土地利用類型。

圖4 不同土地利用類型裂隙土壤碳磷比Fig.4 C/P ratio of fissured soils in different land use types不同大寫字母代表不同土地利用類型間差異顯著；不同小寫字母代表同一土地利用類型不同土層間差異顯著(P<0.05)

喬木林地中,土壤C/P逐漸降低隨土層深度增加,土層U1和U2的碳磷比近似,而U3和U4在170.0以下。草地中,土壤C/P隨土層深度增加,先減小后增大；土層U2與U1相比變化不大,土層U3、U4與U2相比土壤C/P繼續增大,在U4達到最大。灌叢地中,土壤C/P隨土層加深先增大后減小,在土層U2與U3變化增大,而在土層U4減小；4個土層的土壤碳磷比均在213.046以上。撂荒地中,土壤C/P隨土層加深先減小后增大,土壤碳磷比在土層U2僅為86.50,分別為土層U1、U3、U4的77.19%,64.07%,47.20%。不同裂隙土層下4種土地利用類型的土壤碳磷比在U1、U2、U3、U4變化范圍分別為112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,且變化趨勢具體為：在土層U1和U2喬木林地較次之灌叢地,在土層U3和U4草地較次之灌叢地。

2.4 裂隙土壤碳磷賦存的影響因素

喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤磷素和碳磷比主要受土壤有機碳和土層深度的影響如表 5 所示。其中,土壤全磷含量與其他指標相關性未達到顯著水平,與 C/P和土層深度表現為顯著負相關,而與pH呈負相關；土壤有機碳與土壤有效磷、C/P和土地利用類型表現為顯著正相關水平；土壤有效磷含量與C/P和土地利用類型呈極顯著正相關,與土層呈顯著極負相關；除土層深度外,pH均與各指標呈負相關,且程度不高；土壤碳磷比與土壤全磷、有效磷和有機碳均達到極顯著水平,其中與全磷呈負相關；土層深度均與全磷、有機碳和有效磷呈極顯著負相關,即土層深度越增加,全磷、有效磷、有機碳含量越低；土地利用類型與土壤有機碳含量表現為正相關,與土壤有效磷含量呈極顯著正相關,表明土壤有機碳和有效磷含量亦可能與不同的土地利用類型有關。

圖5 不同土層下土地利用類型裂隙土壤碳磷比Fig.5 C/P ratio of fissured soils under different land use types

3 討論

通過對比不同土地利用類型對裂隙土壤有機碳含量賦存特征可知,4種土地利用類型裂隙土層土壤有機碳含量總體呈現出隨土層深度增加而降低的變化趨勢,但從表層向下的趨勢不同,相關性結果亦顯示,土壤有機碳含量在不斷降低隨土層深度的增加,且整體上在U1土層為最高,這與許多學者在喀斯特區研究相關土地利用類型土壤結果相似[10,19],分析其原因可能是裂隙土壤表層有機碳來源于地表植被的植物凋落物,隨著土層的加深,在微生物的分解作用下土壤有機質組分可降解性不同,難降解物質逐漸增加,易降解物質逐漸減少[20],同時由于凋落物的加入會促進土壤微生物的活動使其呼吸速率加快,使土壤原有有機碳的分解加速和釋放[9]；土壤有機碳含量在土層U1、U2和U3中表現為灌叢地顯著高于喬木林地、草地和撂荒地,原因可能是,灌叢地的植被更替速率快,使凋落物等向下的裂隙土壤遷移形成養分積累,故灌叢地有機碳含量較高；而喬木林地在土層U4呈上升的趨勢且高于其他土地利用類型,這是由于植物扎根生長于裂隙深層土壤中,植物根系及凋零物補充了有機質或是裂隙土壤含水量較高,溫度變幅小,底層有機質分解較緩慢或是地下裂隙土壤復雜的養分過程與土壤中植物根系、微生物和介質和土壤等的綜合作用密不可分。

表5 裂隙土壤碳磷賦存影響因素相關性分析

本研究發現,除喬木林地外,其他3種土地利用類型裂隙土壤有機碳、全磷和有效磷含量在土層U1至U4分布規律具有相似性,即上層高下層低的分布特點,表明有機碳在很大程度上影響磷素含量變化,見表5可知,有機碳與土壤有效磷極顯著正相關水平為0.439。此外,在4種土地利用類型中,裂隙土壤全磷和有效磷主要集中在裂隙土壤表層(U1),隨土層的變化幅度較小,體現出其“表層聚集性”特點,這與彭建勤等[21]的研究結果一致,全磷和有效磷在土壤剖面呈表聚性特征,而Yan等[13]研究也表明淺層巖溶裂隙內土壤有機碳、全磷總體隨土層深度呈線性減小的變化趨勢。土壤質地可能是土壤中磷素含量高低的主要性因素,受其影響,黏粒對土壤全磷、有效磷都有極強的吸附作用[22],但其主要原因,本研究試驗土壤為石灰土,pH范圍為中性至堿性,磷素極易在偏堿性環境下被土壤固定而導致活性降低,而裂隙土壤表層有機質豐富,微生物活動較強,土壤固磷作用較弱,可釋放有效磷；而裂隙土壤深層相反,使得有效磷含量較裂隙表土層少；或是有效磷屬于礦質營養,易被土壤顆粒吸附或生成難溶性磷酸鹽。

另外,本研究發現,喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機碳和磷素變異均在中等程度,這與俞月鳳等[23]研究石灰土養分的變異結果一致；分析其原因可能是與裂隙形態、土壤質地等有關,如Yan等[13]認為Y型裂隙頂部存在2處或者更多的開口,導致垂直方向上不同深度土壤的來源不一進而導致土壤養分出現較大的差異,大團聚體組分與土壤總磷和有效磷含量呈正相關,其增加可促進磷素的積累[24],張偉等[25]通過喀斯特峰叢洼地區土壤養分空間變異特征研究則認為,風化凋落物的輸入和地表土壤的遷入能夠提高土壤養分含量。同時,植被類型對養分分布有重要作用,生物不斷的累積過程是土壤養分形成和維持的基礎,而土壤養分的空間變異又影響植物的生長和空間分布[23]。

磷的有效性可由土壤有機質分解速率來確定,C/P低,有助于微生物在分解有機質過程中的釋放從而促進有效磷在土壤中的增加；而C/P高,微生物會出現磷受限情況進而與植物競爭土壤磷,具有較強的固磷潛力,進而抑制植物生長[18,26]。喬木林地和灌叢地的C/P隨裂隙土層的加深而逐漸降低,這一研究結果與李占斌等[27]對黃土丘陵區不同樣地的土壤碳磷及其化學計量特征的研究結果一致,C/P隨土層加深呈減小的趨勢。而草地和撂荒地呈先降低后上升的趨勢,同時在4個土層中灌叢地的土壤碳磷比均高于其他土地利用類型,其原因可能是草地與撂荒地裂隙深層土壤有機質含量較高,由表4中的相關性分析結果顯示,C/P與土壤有機碳、有效磷之間相關性極顯著,說明土壤C/P隨土壤深度的變化取決于有機碳含量。當土壤碳磷比<200表示養分凈礦化,>300時表示養分凈固定,介于200—300表示可溶性磷濃度在土壤中變化較小[28]。本研究中,土壤碳磷比在各裂隙土層變化范圍分別為112.048—213.046,86.499—254.474,135.004—268.343,146.357—213.095,總體上表現為<200和介于200—300,且均高于中國土壤碳磷比平均值61.00[29],這表明喀斯特裂隙土壤磷的有效性較低。本文主要探討了土壤有機碳和磷在地表至淺層巖溶裂隙垂直剖面上的空間賦存特征,研究結果初步指示了淺層巖溶裂隙土壤是喀斯特坡地土壤有機碳和磷的重要賦存空間。在后期的研究中可結合土壤生物地球化學等方面進一步探討土壤碳、磷轉化和循環的驅動機制,以提高裂隙土壤碳、磷對石漠化地區植被恢復的貢獻。

4 結論

通過對喀斯特不同土地利用類型裂隙土壤有機碳及磷素賦存特征分析,可以看出：

(1)撂荒地、草地、灌叢地和喬木林地裂隙土層的土壤有機碳賦存含量變化范圍為16.067—39.436 g/kg,總體表現為隨土層深度增加呈現減小的變化趨勢,整體在土層U1為最高；

(2)全磷、有效磷賦存含量變化范圍分別為0.093—0.274 g/kg、3.836—8.025 mg/kg；4種土地利用類型的裂隙土壤磷素整體在表層顯著高于其他土層,體現出上層高下層低的“表聚性”特點；

(3)喬木林地和灌叢地的碳磷比總體上表現出隨土層的加深而減小的趨勢,而草地和撂荒地先減小后增加；此外,土壤碳磷比在各土地利用類型裂隙土層變化范圍為86.499—268.343,表明磷的有效性較低；

(4)有機碳、全磷和有效磷含量變異系數變化范圍分別為2.6%—63%、1.8%—48.9%、4.5%—55.5%,整體上變異在中等程度；

(5)由相關性結果分析表明,有機碳對土壤碳磷比、有效磷含量變化有一定影響,隨土層深度的增加,各土地利用類型裂隙土壤有機碳、全磷和有效磷含量逐漸在減少。