肖時珍，何江湖，曾 成，肖 華，石紹妮

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001;2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001;3.中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所，貴州 貴陽 550081)

0 引言

貴州省地處中國西南部，境內(nèi)喀斯特地區(qū)是中國乃至世界熱帶、亞熱帶喀斯特地貌分布面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的高原山區(qū)，也是世界上發(fā)育最完全的喀斯特連續(xù)地帶[1]。喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境極其脆弱，疊加不合理的人類活動，極易導(dǎo)致石漠化的發(fā)生。土壤質(zhì)量變劣是石漠化的本質(zhì)，重點(diǎn)表現(xiàn)在土壤物質(zhì)流失，土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)退化，以及土壤發(fā)生層次的變化[2]。文獻(xiàn)[3]研究表明：在貴州省喀斯特石漠化發(fā)生的區(qū)域中，連續(xù)性灰?guī)r地區(qū)是最易發(fā)生石漠化的，其次是連續(xù)性白云巖地區(qū)。在喀斯特石漠化地區(qū)土壤的生物元素循環(huán)中，C、N、P元素是養(yǎng)分元素循環(huán)與轉(zhuǎn)化的核心，調(diào)節(jié)和驅(qū)動著整個喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的演替過程[4]。土壤C、N、P、K不僅能反映土壤肥力狀況，其化學(xué)計(jì)量比也是反映土壤養(yǎng)分供給能力的重要指標(biāo)[5]。通過生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的方法研究石漠化生態(tài)系統(tǒng)，對于揭示石漠化過程影響因素及其作用機(jī)制具有重要意義[6]。但目前對白云巖喀斯特生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量缺乏深入研究，其土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學(xué)計(jì)量對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響仍不清楚。

本研究選取貴州省施秉縣白垛鄉(xiāng)白云巖喀斯特地區(qū)5種不同生態(tài)系統(tǒng)樣地為研究對象，采樣分析土壤養(yǎng)分狀況，探討土壤養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，以及土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性，揭示土壤養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響，以期為白云巖喀斯特地區(qū)石漠化防治與土地資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

以貴州省施秉縣東北部的白垛鄉(xiāng)(108°09′00″E，27°08′55″N)為研究區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)大部分屬于喀斯特地貌，海拔600～1 250 m。研究區(qū)域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均溫16 ℃，年均降水量1 220 mm[7]。地層巖性主要是寒武系高臺組灰色、質(zhì)純、致密的薄層細(xì)粒白云巖，巖石整體破碎，地下水主要為巖溶裂隙水[8]。土壤類型主要為白云巖風(fēng)化的薄層石灰土，土體較連續(xù),土層分布均勻，土壤石礫含量高,土壤孔隙度高,水分容易下滲[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

通過查閱文獻(xiàn)和野外勘察，根據(jù)土地利用方式，在研究區(qū)域選擇了水田、草坡、旱地、灌木林、有林地等5類用地作為研究樣地。樣地基本情況見表1。每種土地利用方式取6個平行樣，共采集30個樣品。剔除土壤里的砂礫、根系和動物殘?bào)w等雜物，自然風(fēng)干，研磨后通過2.00 mm和0.15 mm篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 樣地基本情況

1.2.2 土壤養(yǎng)分測定

土壤分析參照文獻(xiàn)[10]的方法。全氮(total nitrogen，TN)的測定采用半微量開氏法，全磷(total phosphorus，TP)的測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，全鉀(total potassium，TK)的測定采用氫氧化鈉熔融-原子吸收法，土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)前期處理。使用Origin 8.0軟件作圖。使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)分析獲得各土壤養(yǎng)分的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；采用單因素方差分析方法，置信度為95%，檢驗(yàn)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分及質(zhì)量比間的差異顯著性；采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析土壤中各養(yǎng)分元素的含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

不同生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征見圖1，圖1中，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。不同生態(tài)系統(tǒng)SOC含量均值為9.27～51.23 g/kg，具體表現(xiàn)為：SOC有林地(51.23 g/kg)>SOC灌木林(43.95 g/kg)>SOC草坡(40.66 g/kg)>SOC水田(35.69 g/kg)>SOC旱地(9.27 g/kg)，其顯著性差異如圖1a所示。5種生態(tài)系統(tǒng)SOC平均含量變異系數(shù)為1.18%～45.86%，變化較大。SOC平均含量受植被、海拔、耕種方式等多種因素的影響[11]，研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)SOC平均含量差異表現(xiàn)為林草地以及水田顯著高于旱地，林草地豐富的植被根系和枯落物是其表層土壤重要的碳源物質(zhì)，被微生物分解后導(dǎo)致林草地的SOC含量高。水田由于較長時間處于淹水條件，SOC礦化速率慢，有利于SOC的積累[12]。而耕作使旱地土壤團(tuán)聚體破碎，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)層遭到破壞，在微生物的作用下，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，使表層SOC平均含量下降[13]。

(a) 有機(jī)碳特征 (b) 全氮特征

(c) 全磷特征 (d) 全鉀特征

圖1 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征

不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的TN平均含量差異較大，表現(xiàn)為TN灌木林(6.00 g/kg)>TN有林地(5.15 g/kg)>TN草坡(4.09 g/kg)>TN水田(3.82 g/kg)>TN旱地(1.40 g/kg)，其顯著性差異如圖1b所示。TN含量均值為1.40～6.00 g/kg，其中，灌木林的TN含量均值最高，旱地的最低，變異系數(shù)變化較大，為0.39%～26.47%。灌木林、有林地、草坡的TN平均含量顯著高于旱地，原因是受人類活動影響較小，枯枝落葉回歸土壤，土壤中有機(jī)質(zhì)殘留量較多。由于旱地沒有凋落層積累，加上農(nóng)耕活動的影響，使有機(jī)質(zhì)分解迅速，釋放出來的大部分N都被農(nóng)作物吸收，導(dǎo)致旱地土壤中TN平均含量低[14]。

不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的TP平均含量差異表現(xiàn)為TP草坡(0.78 g/kg)>TP水田(0.51 g/kg)>TP旱地(0.43 g/kg)>TP有林地(0.34 g/kg)>TP灌木林(0.13 g/kg)，其顯著性差異如圖1c所示。TP含量均值為0.13～0.78 g/kg，其中，草坡的TP含量均值最高，灌木林的最低，變異系數(shù)為4.45%～36.51%。草坡土壤中TP平均含量最高，由于草坡草本植物覆蓋度高，有豐富凋落物，植物的生物歸還量高于其余生態(tài)系統(tǒng)，累積于土壤表層。灌木林和有林地土壤中的TP主要來源于凋落物，有機(jī)質(zhì)隨著凋落物歸還土壤，進(jìn)而影響土壤中有機(jī)質(zhì)的構(gòu)成和含量[15-16]。同時，有機(jī)質(zhì)中的P轉(zhuǎn)化為土壤中的P，水田和旱地土壤TP可能大部分來源于施肥。

不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的TK平均含量差異表現(xiàn)為TK水田(31.73 g/kg)>TK灌木林(24.38 g/kg)>TK旱地(22.87 g/kg)>TK草坡(18.59 g/kg)>TK有林地(15.64 g/kg)，其顯著性差異如圖1d所示。TK含量均值為15.64～31.73 g/kg，其中，水田的TK含量均值最高，有林地的最低，變異系數(shù)為4.36%～40.43%。水田、旱地土壤TK含量相對較高，與人為施肥增加土壤肥力有關(guān)，通過施肥能夠在一定程度上補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，從而有較高的TK平均含量。灌木林一方面由于植被覆蓋率高，由淋溶而造成的養(yǎng)分損失較少[17]；另一方面，由于表層濕度大，能夠加速土壤表層凋落物的分解，促進(jìn)養(yǎng)分的釋放，從而使TK含量均值較高。

2.2 土壤養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比如圖2所示，圖2中，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(N)如圖2a所示。不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(N)以草坡最高，為10.01，處于中國平均水平(10～12)[18]，與水田和有林地差異不顯著，以旱地最低，為6.36。草坡、水田、旱地、有林地、灌木林的土壤m(xù)(C)∶m(N)均低于全球平均水平(14.3)[19]，表明有機(jī)質(zhì)分解和礦化速率均較快，易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分無效消耗。

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(P)如圖2b所示。由圖2b可知：不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(P)為21.68～337.83，其中，灌木林的碳磷質(zhì)量比最高，且顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，高于中國平均水平(136)和全球平均水平(186)[20]，表明灌木林生態(tài)系統(tǒng)土壤缺P，可能是由于植被覆蓋度雖高但殘?bào)w有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換為P相對較少。其余生態(tài)系統(tǒng)中，土壤m(xù)(C)∶m(P)均低于中國平均水平和全球平均水平，表明土壤P表現(xiàn)為凈礦化，土壤P有效性較高，有利于植物的生長。

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(K)如圖2c所示。由圖2c可知:不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(C)∶m(K)為0.41～3.28。由于SOC對外界環(huán)境較為敏感，而土壤K相對穩(wěn)定，導(dǎo)致研究區(qū)m(C)∶m(K)的差異與SOC的大致相似，表現(xiàn)為有林地、草坡、灌木林的土壤m(xù)(C)∶m(K)顯著高于水田和旱地的。

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(N)∶m(P)如圖2d所示。由圖2d可知：灌木林和有林地的土壤m(xù)(N)∶m(P)分別為46.13和15.38，高于全球平均水平(13.1)[20]和中國平均水平(9.3)[21]，這可能與研究區(qū)降雨量大、土壤由于淋溶作用導(dǎo)致P積累量小有關(guān)。其余生態(tài)系統(tǒng)中，土壤m(xù)(N)∶m(P)以旱地為最低，僅為3.42，但高于黃土丘陵區(qū)土壤(0.86)[22]，表明本研究區(qū)土壤缺N可能性較小，土壤P表現(xiàn)出相對缺乏的狀態(tài)。

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(N)∶m(K)如圖2e所示。由圖2e可知：不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(N)∶m(K)為0.06～0.33。有林地、草坡、灌木林的土壤m(xù)(N)∶m(K)顯著高于水田和旱地的，與m(C)∶m(K)、SOC含量表現(xiàn)相似，因?yàn)橥寥繩較穩(wěn)定，m(N)∶m(K)主要受N控制，而N主要來源于SOC的分解。

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤m(xù)(P)∶m(K)如圖2f所示。由圖2f可知：草坡的m(P)∶m(K)最高為0.05，且顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，而灌木林最低，僅為0.01。同時，由于草坡、有林地和灌木林土壤中的K較穩(wěn)定，m(P)∶m(K)主要受P控制，導(dǎo)致這3種生態(tài)系統(tǒng)的m(P)∶m(K)差異變化與TP含量的差異變化相似。

(a) 碳氮質(zhì)量比特征 (b) 碳磷質(zhì)量比特征 >(c) 碳鉀質(zhì)量比特征

(d) 氮磷質(zhì)量比特征 (e) 氮鉀質(zhì)量比特征 (f) 磷鉀質(zhì)量比特征

圖2 不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比

2.3 土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

土壤養(yǎng)分與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性如表2所示。SOC平均含量與各生態(tài)化學(xué)計(jì)量比間均呈正相關(guān)，且SOC平均含量與m(C)∶m(N)、m(C)∶m(P)、m(C)∶m(K)、m(N)∶m(K)呈極顯著正相關(guān)，與m(N)∶m(P)呈顯著正相關(guān)，說明SOC對m(C)∶m(N)、m(C)∶m(P)、m(C)∶m(K)、m(N)∶m(K)、m(N)∶m(P)的增加具有促進(jìn)作用，SOC在分解過程中會釋放N、P等元素，同時有機(jī)質(zhì)中的腐殖物質(zhì)主要帶負(fù)電荷，能吸附土壤中的K+，分解后土壤中的K平均含量也會相對增加[18]。TN平均含量與m(P)∶m(K)呈不顯著負(fù)相關(guān)，與m(C)∶m(N)呈顯著正相關(guān)，與其他生態(tài)化學(xué)計(jì)量比呈極顯著正相關(guān)，說明TN對m(P)∶m(K)的增加影響不大，對其余生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的增加有促進(jìn)作用。TP平均含量與m(C)∶m(N)、m(C)∶m(K)均呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，與m(P)∶m(K)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與m(C)∶m(P)、m(N)∶m(P)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與m(N)∶m(K)呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明P對C、N、K的影響不大，單獨(dú)增加P肥投入，不利于控制m(C)∶m(P)、m(N)∶m(P)和改良土壤質(zhì)量。TK平均含量與m(C)∶m(N)呈正相關(guān)，與其他生態(tài)化學(xué)計(jì)量比呈負(fù)相關(guān)，說明單獨(dú)施加K肥不利于土壤質(zhì)量的改良。從總體上看，C、N兩種元素分別對除自身外的其他元素含量的增加與抑制具有重要影響，而P、K兩種元素含量的單獨(dú)增加對其他元素的質(zhì)量比影響較大，不利于土壤質(zhì)量的改良。

表2 土壤養(yǎng)分與其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

注：**和*分別表示相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平。

3 結(jié)論與展望

(1)白云巖喀斯特地區(qū)水田、旱地、灌木林、草坡、有林地等5種生態(tài)系統(tǒng)中土壤的TN平均含量、TP平均含量、TK平均含量和SOC平均含量差異表現(xiàn)為：有林地、灌木林、草坡和水田的SOC含量和TN平均含量顯著高于旱地，草坡的TP含量最高，水田的TK含量最高。

(2)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)分解和礦化速率均較快，易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分無效消耗，土壤P相對缺乏。C、N兩種元素分別對除自身外的其他元素含量的增加與抑制具有重要影響，而P、K兩種元素含量的單獨(dú)增加對其他元素的質(zhì)量比影響較大，不利于土壤質(zhì)量的改良。單獨(dú)施加K肥和P肥對于土壤質(zhì)量的改良效果不佳，需注意無機(jī)肥與有機(jī)肥配施，以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的動態(tài)平衡。

(3)本文僅對白云巖喀斯特地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中表層土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行了初步研究，對于全面評價不同生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分狀況，還需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁?、坡度、土壤含水量、植物器官及枯落物中的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比開展進(jìn)一步研究，以揭示白云巖喀斯特地區(qū)植被-枯落物-土壤間的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律、化學(xué)計(jì)量特征及其相互關(guān)系。