典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳時(shí)空分布格局及其與環(huán)境的相關(guān)性

王霖嬌, 李 瑞, 盛茂銀, 4,*

1 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,貴陽 550001 2 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽 550001 3 貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站,貴陽 550002 4 貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,貴陽 550001

典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳時(shí)空分布格局及其與環(huán)境的相關(guān)性

王霖嬌1,2, 李 瑞3, 盛茂銀1,2, 4,*

1 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,貴陽 550001 2 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽 550001 3 貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站,貴陽 550002 4 貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,貴陽 550001

選取中國西南3個(gè)典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)(貴州畢節(jié)鴨池高原山地石漠化區(qū)、貴陽紅楓湖高原盆地石漠化區(qū)和關(guān)嶺花江高原峽谷石漠化區(qū))為研究區(qū),廣泛建立野外樣地,開展石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布及其與石漠化等級(jí)、地形地貌、植被、土壤性質(zhì)等環(huán)境因子的相關(guān)性研究。結(jié)果表明：1)喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量較低,畢節(jié)鴨池、貴陽紅楓湖和關(guān)嶺花江3個(gè)石漠化生態(tài)系統(tǒng)平均值分別為23.42、25.78、26.03 g/kg,且3個(gè)不同地貌類型石漠化土壤有機(jī)碳含量無明顯差異。2)土地覆被變化明顯影響了土壤有機(jī)碳含量,原生森林土壤有機(jī)碳平均含量31.32 g/kg,是所有類型中最高的。隨著土地覆被由原生森林至石旮旯地退化不斷增加的過程,土壤有機(jī)碳含量顯示先降低后增加的變化趨勢(shì)。3)土壤有機(jī)碳與土壤特性有明顯的相關(guān)性,與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān),與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān),與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān)。4)植物多樣性的豐富度指數(shù)(R)和多樣性指數(shù)(H)與土壤有機(jī)碳含量有明顯的相關(guān)性,達(dá)到了極顯著的水平。5)不同石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳含量有顯著差異,隨著石漠化干擾程度的遞增,土壤有機(jī)碳含量顯示了先減小后增加的趨勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)中國西南喀斯特森林生態(tài)保護(hù)、石漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化碳循環(huán)的減源增匯具有重要的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

喀斯特；石漠化；土壤有機(jī)碳；分布格局；影響因子

隨著全球氣候變化越來越受到世界各國的關(guān)注,土壤有機(jī)碳的研究日益成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)[1]。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的碳庫,土壤在全球碳平衡中的作用和土壤碳固定增匯能力受到了廣泛的關(guān)注[2- 3]。土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分供給、防止土壤侵蝕有重要關(guān)系。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的減少將直接導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低,表現(xiàn)為土壤供給作物養(yǎng)分的能力、土壤的耕性、通氣性和透水性迅速降低[4]。喀斯特石漠化是在喀斯特地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境下,人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成人地矛盾突出、植被破壞、水土流失、巖石逐漸裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失,地表呈現(xiàn)石質(zhì)荒漠景觀的演變過程或結(jié)果[5- 6]。石漠化演替過程一般可以劃分為無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化等幾個(gè)典型演化階段?？λ固厥殉蔀橹萍s中國西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題[7- 10]。喀斯特石漠化其本質(zhì)是土壤質(zhì)量發(fā)生了改變,主要表現(xiàn)在土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)的變化[10- 11]。國內(nèi)外專家就喀斯特石漠化引發(fā)的土壤生態(tài)系統(tǒng)退化研究主要集中在土壤石漠化成因、土壤退化特征、退化生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)等方面,對(duì)于不同等級(jí)石漠化和石漠化背景下土壤中碳循環(huán)及土壤有機(jī)碳的分布情況研究極少[12- 14]。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇了中國西南喀斯特山地典型石漠化區(qū)貴州畢節(jié)鴨池(研究區(qū)Ⅰ)、貴陽紅楓湖(研究區(qū)Ⅱ)、關(guān)嶺花江(研究區(qū)Ⅲ)為研究區(qū),分別代表了喀斯特高原山地、高原盆地和高原峽谷3個(gè)典型地貌石漠化,具體地理位置和基本信息見表1和圖1。

表1 研究區(qū)基礎(chǔ)信息及樣方設(shè)置

研究區(qū)Ⅰ 位于貴州省畢節(jié)市鴨池鎮(zhèn)東南13 km處,屬長江流域?yàn)踅蛋灼趾又Я鲄^(qū)。區(qū)內(nèi)以喀斯特高原山地地貌類型為主,地勢(shì)起伏大,海拔為1400—1742 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為863 mm,降雨量主要分布在7—9月,占全年總降雨的52%。巖石以碳酸鹽類的石灰?guī)r為主,有部分侏羅紀(jì)紫色砂頁巖、頁巖分布,土壤以黃壤土及紫砂土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上被破壞,現(xiàn)以次生植被為主。野生植被有以窄葉火棘(Pyracanthaangustifolia)、刺梨(Rosaroxbunghii)、救軍糧(Pyracanthafortuneana)、鐵線蓮(Clematisflorida)等為主的藤、刺、灌叢,以及零星分布的青岡(Cyclobalanopsisglauca)、馬尾松(Pinusmassoniana)、光皮樺(Betulaluminifera)為主的喬木林。

研究區(qū)Ⅱ 位于貴州省清鎮(zhèn)市紅楓鎮(zhèn)簸籮村王家寨組,距清鎮(zhèn)市12 km,屬長江流域?yàn)踅蝶溛毯又Я鲄^(qū)。區(qū)內(nèi)地貌類型為典型的喀斯特高原盆地,地勢(shì)平緩,海拔為1271—1451 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為1215 mm,降雨量主要分布在4—8月,占全年總降雨的75%。區(qū)內(nèi)巖石以石灰?guī)r為主,有部分三疊系的白云巖、泥質(zhì)白云巖及頁巖,土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被以農(nóng)田植被為主,自然植被在小區(qū)中所占比重較小,其中柏木(Cupressusfunebris)是其常見喬木物種,灌木層多為典型石灰?guī)r有刺灌叢,以金佛山莢蒾(Viburnumchinshanense)、救軍糧、野薔薇(Rosamultiflora)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)、亮葉鼠李(Rhamnushemsleyana)等為主,草本層常見種類有白茅(Imperatacylindrica)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulu)、芒(Miscanthussinensis)、藎草(Arthraxonhispidus)、鐵線蓮等。

研究區(qū)Ⅲ 位于貴州省安順市北盤江花江河段峽谷兩岸,地貌類型為典型的喀斯特高原峽谷,地勢(shì)起伏大,海拔為450—1450 m,相對(duì)高差達(dá)1000 m。區(qū)內(nèi)年均降雨量為1100 mm,降雨量主要分布在5—10月,占全年總降雨的83%。區(qū)內(nèi)巖石以石灰?guī)r為主,有部分三疊系的白云巖、泥質(zhì)白云巖及頁巖。土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上被破壞,現(xiàn)以次生植被為主。野生植被是以窄葉火棘、刺梨、救軍糧、鐵線蓮等為主的藤、刺、灌叢,以及零星分布的青岡、馬尾松、光皮樺為主的喬木林。

1.2 研究方法

1.2.1 石漠化等級(jí)確定與樣地建立

在對(duì)研究區(qū)詳細(xì)踏查的基礎(chǔ)上,基于喀斯特生態(tài)系統(tǒng)退化梯度,將石漠化演替劃分為無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化與強(qiáng)度石漠化等5個(gè)等級(jí),具體劃分標(biāo)準(zhǔn)參照熊康寧等[18]的劃分方法,略有改動(dòng),具體見表2?；谏鲜鍪燃?jí),選取研究區(qū)5個(gè)石漠化演替典型階段為研究對(duì)象,分別為無石漠化的原生森林、潛在石漠化的疏林地、輕度石漠化的灌草地、中度石漠化的疏草地和強(qiáng)度石漠化的石旮旯地。在每個(gè)研究區(qū)分別針對(duì)每個(gè)研究對(duì)象設(shè)立面積為20 m × 20 m重復(fù)樣地6個(gè),共建立了90個(gè)土壤取樣樣地(表1)。所有的樣地土壤是同質(zhì)的、均為黃色石灰土,海拔、地貌、巖石裸露率等具體參見表1。

表2 巖溶地區(qū)石漠化分級(jí)遙感調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)表[18]

1.2.2 土壤取樣與土壤有機(jī)碳測(cè)定

在樣地中心按蛇形方式選3個(gè)采樣點(diǎn),各點(diǎn)間距在5 m之內(nèi)。2014年4月和8月分別在各樣點(diǎn)用環(huán)刀(0—15 cm)取樣3次重復(fù),均勻混合組成待測(cè)土樣。石漠化區(qū)域土壤很薄,部分僅有15 cm左右,因此以0—15 cm土壤層中作為研究對(duì)象。土壤總有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,具體方法參見鮑士旦[19]。

1.2.3 土壤理化因子測(cè)定

容重、田間持水量、自然含水量和毛管持水量測(cè)定采用環(huán)刀法；總孔隙度用pt= 93.947-32.995×b來計(jì)算,式中b為容重,pt為總孔隙度；毛管孔隙度測(cè)定采用環(huán)刀法；非毛管孔隙度用po=pt-pc來計(jì)算,式中po為非毛管孔隙度,pc為毛管孔隙度；滲透特性測(cè)定采用雙環(huán)滲透法。pH 值采用2.5∶1 的水土比,用電位計(jì)法測(cè)定；全氮采用硫酸鉀為硫酸銅為硒粉消煮,定氮儀自動(dòng)分析法測(cè)定；水解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷采用硫酸為高氯酸消煮為鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提為鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用氫氟酸為高氯酸消煮火焰光度計(jì)法測(cè)定；速效鉀采用中性乙酸銨提取為火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤呼吸采用氣室法進(jìn)行測(cè)定。以上分析方法見森林土壤分析方法[19]。

1.2.4 植物多樣性分析

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行繪圖,利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析、t檢驗(yàn)、多重比較(Duncan檢驗(yàn))、相關(guān)性分析和主成分分析等統(tǒng)計(jì)分析[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的空間分布格局

2.1.1 喀斯特地貌特征與土壤有機(jī)碳分布的關(guān)系

(1) 研究區(qū)喀斯特地貌特征

地形因素影響土壤中水分的滲入蒸發(fā)及土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程,進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳庫產(chǎn)生影響[22]。土壤性質(zhì)也對(duì)土壤有機(jī)碳庫有一定的影響。因此,本研究選擇了代表西南喀斯特典型地形地貌的3個(gè)研究區(qū)開展喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的分布研究。所選擇的3個(gè)研究區(qū)分別代表了西南喀斯特高原山地、高原盆地和高原峽谷3個(gè)典型地貌類型,具體自然地理特征見表1和3。

表3 3個(gè)研究區(qū)喀斯特地貌的典型特征

(2)不同喀斯特地貌土壤有機(jī)碳含量的分布

3個(gè)研究區(qū)代表了3個(gè)西南喀斯特典型地貌石漠化區(qū)域。本研究從研究區(qū)尺度研究了不同喀斯特地貌石漠化土壤有機(jī)碳含量的分布,具體結(jié)果見表4。從表4可以看出,3個(gè)喀斯特地貌類型90個(gè)取樣點(diǎn)春夏兩個(gè)季節(jié)共180個(gè)土壤樣品土壤有機(jī)碳含量的平均值為25.08 g/kg,最小值為13.55 g/kg,最大值為34.82 g/kg。其中,喀斯特高原山地石漠化土壤有機(jī)碳平均值為23.42 g/kg,最小值為17.02 g/kg,最大值為33.21 g/kg；喀斯特高原盆地平均值為25.78 g/kg,最小值為16.17 g/kg,最大值為34.82 g/kg；喀斯特高原峽谷平均值為26.03 g/kg,最小值為13.55 g/kg,最大值為33.18 g/kg。多重比較Duncan檢驗(yàn)結(jié)果顯示,不同喀斯特地貌類型石漠化土壤有機(jī)碳含量無顯著差異,顯示喀斯特地貌對(duì)土壤有機(jī)碳含量無明顯影響。

表4 不同喀斯特地貌類型土壤有機(jī)碳含量

*具有相同字母表示無顯著差異, 無相同字母表示具有顯著差異,小寫字母表示α=0.05水平上的差異性,大寫字母表示α=0.01水平上的差異性

2.1.2 喀斯特植被特征與土壤有機(jī)碳分布的關(guān)系

(1)不同土地覆被的土壤有機(jī)碳含量分布

針對(duì)喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)5個(gè)典型土地覆被(原生森林、疏林地、灌草地、疏草地和石旮旯地),在3個(gè)研究區(qū)每種土地覆被分別選擇自然地理背景基本一致的5個(gè)樣地共計(jì)30個(gè)檢測(cè)值進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表5。從表5可以看出,土地覆被變化明顯影響了土壤有機(jī)碳含量,原生森林土壤有機(jī)碳平均含量31.32 g/kg,是所有類型中最高的,疏林地土壤有機(jī)碳平均含量為20.92 g/kg,是所有類型中最低的。灌草地、疏草地、石旮旯地土壤有機(jī)碳分別為28.19、27.59 g/kg和26.98 g/kg。多重比較結(jié)果顯示,原生森林土壤有機(jī)碳含量明顯大于疏林地土壤有機(jī)碳含量,但與灌草地、疏草地、石旮旯地土壤有機(jī)碳無明顯差異,同樣,疏林地土壤有機(jī)碳與灌草地、疏草地、石旮旯地土壤有機(jī)碳也無明顯差異。隨著土地覆被由原生森林至石旮旯地退化不斷增加的過程,土壤有機(jī)碳有先降低后增加的變化趨勢(shì)。

表5 不同土地覆被對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

(2)喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性特征與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

土地覆被變化明顯的影響了喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量。本研究繼續(xù)考察了全部90個(gè)樣地2014年4月和8月兩個(gè)季節(jié)共計(jì)180個(gè)檢測(cè)值4種植物多樣性指數(shù)(豐富度指數(shù)R、多樣性指數(shù)H、均勻度指數(shù)E和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性(表6)。結(jié)果顯示,豐富度指數(shù)(R)和多樣性指數(shù)(H)與土壤有機(jī)碳含量有明顯的相關(guān)性,達(dá)到了極顯著的水平；而植物多樣性的均勻度指數(shù)(E)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)與土壤有機(jī)碳含量無明顯相關(guān)性?？梢娭参锏呢S富度和多樣性可以極顯著的影響土壤有機(jī)碳的含量。

表6 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性對(duì)土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性分析

**表示在α=0.01水平上的差異性

2.1.3 喀斯特土壤特征與土壤有機(jī)碳分布的關(guān)系

(1)喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)的土壤特征

為了進(jìn)一步了解石漠化土壤特性,研究選擇18個(gè)指標(biāo)研究了石漠化土壤容重、孔隙度、自然含水量與持水狀況、pH值與土壤呼吸、以及氮、磷、鉀含量等特性,具體研究結(jié)果見表7。研究顯示,土壤容重在5個(gè)不同等級(jí)石漠化(無、潛在、輕度、中度和強(qiáng)度)環(huán)境平均值分別為1.16、1.28、1.18、1.15、1.13 g/cm3。石漠化環(huán)境土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度平均值分別為37.56%、18.10%和55.76%,非毛管孔隙度在不同等級(jí)石漠化環(huán)境(平均值為16.40%—18.92%)差異不明顯。石漠化環(huán)境土壤自然含水量、田間含水量和毛管持水量均值分別為26.06%、31.09%和39.03%,其中在不同等級(jí)石漠化環(huán)境中,土壤自然含水量(平均值為23.90%—28.57%)差異不明顯。石漠化環(huán)境土壤上層飽和滲透率和下層滲透率均值分別為11.26、7.03 mm/min,且在不同等級(jí)石漠化環(huán)境中差異均不明顯。

無石漠化和強(qiáng)度石漠化環(huán)境土壤為酸性,pH值均小于7,平均值分別為6.18和6.96,潛在、輕度和中度石漠化土壤pH值均大于7,平均值分別為7.19、7.49和7.46。石漠化環(huán)境土壤呼吸均值為0.13 mg g-1h-1(以CO2計(jì)),且不同等級(jí)石漠化環(huán)境無較大差異。石漠化環(huán)境土壤總氮和水解氮含量均值分別為2.63 g/kg和175.36 mg/g,不同等級(jí)石漠化環(huán)境土壤總氮含量差異不大,而水解氮含量存在明顯差異。石漠化環(huán)境土壤總磷和有效磷含量均值分別為0.73 g/kg和4.63 mg/g,不同等級(jí)石漠化環(huán)境土壤全磷含量無明顯差異,而土壤有效磷存在顯著變化。石漠化環(huán)境土壤總鉀和速效鉀含量均值分別為1.96 g/kg和99.02 mg/g,不同等級(jí)石漠化環(huán)境土壤全鉀存在顯著差異,而土壤有效鉀含量無明顯差異。研究結(jié)果也顯示,隨石漠化程度增加,喀斯特石漠化土壤理化特性有先退化后恢復(fù)的變化趨勢(shì)。

表7 石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)

(2)土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳是土壤固相部分的重要組分,它與土壤礦物質(zhì)共同作為林木營養(yǎng)的來源[23-25],土壤的一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳具有直接和間接的影響。本研究統(tǒng)計(jì)分析了17個(gè)土壤理化因子與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性,結(jié)果見表8。從表8可以看出,土壤有機(jī)碳與土壤其它絕大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性,與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān),與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān),與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān),而與pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性?？梢?石漠化環(huán)境有機(jī)碳是土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因子,在改善土壤理化性質(zhì)和促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)方面起著關(guān)鍵作用。

表8 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的相關(guān)性分析

2.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的時(shí)間分布格局

2.2.1 喀斯特石漠化演替過程中土壤有機(jī)碳變化的時(shí)間進(jìn)程

為了考察石漠化生態(tài)系統(tǒng)演替過程中土壤有機(jī)碳變化的時(shí)間進(jìn)程,運(yùn)用了空間替代時(shí)間的方法,研究了石漠化5個(gè)典型演替階段(無、潛在、輕度、中度和強(qiáng)度石漠化)的土壤有機(jī)碳含量分布(表9)。研究結(jié)果顯示,無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量平均值分別為30.59、20.44、27.54、26.96、 26.36 mg/kg。多重比較結(jié)果顯示,不同石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳含量有顯著差異,無石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量(20.36—38.89 g/kg)顯著大于潛在石漠化(16.35—36.87 g/kg),而潛在石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳與輕度石漠化(17.67—36.72 g/kg)、中度石漠化(17.34—32.89 g/kg)、強(qiáng)度石漠化(14.65—33.78 g/kg)無顯著差異,無石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量與輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化也無顯著差異。由結(jié)果可見,隨著石漠化干擾程度的遞增,土壤有機(jī)碳含量并非一直減小或增加,而是顯示了一個(gè)先減小后增加的趨勢(shì)。

表9 不同石漠化等級(jí)土壤有機(jī)碳含量

2.2.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的季節(jié)變化

土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果[25- 27]。溫度、降水、二氧化碳的濃度會(huì)影響輸入土壤中的有機(jī)碳含量與土壤中碳的分解速率,這些氣候因子對(duì)土壤有機(jī)碳蓄積有重要作用[27]。一年中不同季節(jié),這些氣候因子都會(huì)發(fā)生明顯變化,可能導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的明顯改變。為了探明喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量的年變化,本研究對(duì)所選擇的3個(gè)研究區(qū)共90個(gè)土壤采樣點(diǎn)分別于2014年4月和8月進(jìn)行了采樣測(cè)定土壤有機(jī)碳,并對(duì)兩個(gè)不同季節(jié)獲得的土壤有機(jī)碳進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較,具體結(jié)果見表10。結(jié)果顯示,石漠化生態(tài)系統(tǒng)春季土壤有機(jī)碳含量變異范圍為18.35—32.34 g/kg,含量平均值為26.81 g/kg；夏季土壤有機(jī)碳含量均值為24.99 g/kg,變異范圍為17.25—30.18 g/kg,但兩者之間無顯著差異。

表10 不同季節(jié)土壤有機(jī)碳含量變化

3 討論和結(jié)論

3.1 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制

土壤有機(jī)碳的含量及其動(dòng)態(tài)平衡也是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo),直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低[1, 28]。研究表明,土壤有機(jī)碳在很大程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性、土壤的持水性能和植物營養(yǎng)的生物有效性以及土壤的緩沖性能和土壤生物多樣性等,緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化及土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列土壤過程[29]。本研究結(jié)果顯示,所選取的3個(gè)典型研究土壤有機(jī)碳平均值為23.42—26.03 g/kg,與前人在中國南方喀斯特其他石漠化地區(qū)研究結(jié)果一致[15, 17],明顯小于其他生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的含量,顯示了喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤貧瘠,也印證了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。

喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)的退化是以強(qiáng)烈的人類干擾為驅(qū)動(dòng)力、以植被減少為誘因、以土地生產(chǎn)力退化為本質(zhì)、以出現(xiàn)類似荒漠化景觀為標(biāo)志的復(fù)合過程[5]。長期以來,人們一直認(rèn)為隨著石漠化程度增加,土壤退化程度亦是隨之增加,強(qiáng)度石漠化環(huán)境的土壤退化最嚴(yán)重[17,28]。然而,事實(shí)卻并非如此,研究結(jié)果顯示,喀斯特石漠化環(huán)境土壤有機(jī)碳含量的演變并不是隨著石漠化等級(jí)的增加而一直退化,而是一個(gè)先退化后改善的過程。這一研究結(jié)果對(duì)石漠化退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化具有重要意義。

盛茂銀等[25]基于對(duì)中國南方喀斯特石漠化土壤理化性質(zhì)研究結(jié)果提出石漠化環(huán)境裸露巖石聚集效應(yīng)學(xué)說。這種聚集效應(yīng)指的是裸露的巖石將大氣沉降的養(yǎng)分及其巖溶產(chǎn)物匯聚到周圍的土壤中。隨著石漠化程度增加,裸巖聚集效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。在強(qiáng)度石漠化環(huán)境中,這種聚集效應(yīng)非常明顯,加之水土流失作用減弱,致使退化的土壤養(yǎng)分和物理性能得到改善。這一學(xué)說可能也是石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量演變的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制。此外,對(duì)不同季節(jié)的土壤有機(jī)碳含量比較研究結(jié)果顯示,石漠化環(huán)境春季土壤有機(jī)碳含量與夏季土壤有機(jī)碳含量無顯著差異。

3.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳分布的影響因素

土壤有機(jī)碳是陸地碳庫的重要組成部分,是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建研究的重要內(nèi)容,也是當(dāng)前全球碳循環(huán)和全球變化研究的熱點(diǎn)[29]。目前在全球變化的背景下,對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、分布、轉(zhuǎn)化、衰減機(jī)理進(jìn)行研究,并揭示其影響因素和生態(tài)效應(yīng),將有助于探求如何科學(xué)地利用和保護(hù)有限的土壤資源,減緩?fù)寥乐袦厥覛怏w排放、增加土壤碳截存,提高土壤質(zhì)量,對(duì)退化土地的生態(tài)恢復(fù)及環(huán)境治理和保存都具有重要的意義[27, 29]。土壤中的有機(jī)碳是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結(jié)果,其儲(chǔ)量的大小受氣候、植被、土壤屬性以及農(nóng)業(yè)經(jīng)營實(shí)踐等多種物理因素、生物因素和人為因素的控制,并存在各種因子之間的相互作用[3, 17]。近年來,對(duì)于影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的自然因素和人為因素,以及土壤有機(jī)碳向大氣的排放,土地利用/覆蓋變化對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的影響等,已成為人們非常關(guān)心和研究的熱點(diǎn)[3, 17]。

本研究考察了土壤理化性質(zhì)、土地覆被變化和地貌對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響。研究結(jié)果顯示,土壤有機(jī)碳與土壤其它絕大多數(shù)理化因子具有明顯的相關(guān)性,與土壤總氮、水解氮、速效鉀、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量和上層滲透性存在極顯著地正相關(guān),與總磷、下層滲透性存在顯著地正相關(guān),與容重存在極顯著地負(fù)相關(guān),而與pH、總鉀、有效磷、土壤呼吸、毛管孔隙度、非毛管孔隙度無明顯相關(guān)性,研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[17, 22,25],顯示了土壤性質(zhì)是影響土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性的重要因素。

土壤環(huán)境如地形地貌特征也是影響土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性的重要因素[3]。本研究考察了中國南方喀斯特3個(gè)典型地貌的土壤有機(jī)碳,結(jié)果顯示不同地貌土壤有機(jī)碳無顯著差異。這一結(jié)果可能是研究區(qū)選擇、研究尺度上的差異以及樣地的選擇導(dǎo)致研究結(jié)果和前人不一致[3,28]。由人類活動(dòng)引起的土地利用/覆蓋變化是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子[29],本研究也考察了喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)典型土地覆被變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響,結(jié)果顯示不同土地覆被對(duì)土壤有機(jī)碳含量有顯著地影響。研究結(jié)果不僅對(duì)石漠化退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建具有重要意義,同時(shí)對(duì)應(yīng)對(duì)全球變化、碳循環(huán)減源增匯也具有重要參加價(jià)值。

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Distribution of soil organic carbon related to environmental factors in typical rocky desertification ecosystems

WANG Linjiao1,2, LI Rui3, SHENG Maoyin1,2,4,*

1KarstResearchInstitute,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China2NationalEngineeringResearchCenterforKarstRockyDesertificationControl,Guiyang, 550001,China3GuizhouProvincialMonitoringStationofSoilandWaterConservation,Guiyang550002,China4StateKeyLaboratoryIncubationBaseforKarstMountainEcologyEnvironmentofGuizhouProvince,Guiyang550001,China

Karst rocky desertification is an important ecological issue hindering the socioeconomic development of the South China Karst region. In the present study, firstly, three typical rocky desertification regions—Bijie Yachi, Qingzhen Hongfenghu, and Guanling Huajiang, Guizhou Province, representing three different typical karst landforms—plateau mountain, plateau basin, and plateau gorge, respectively, were selected as experimental areas. Then, 90 sample plots with an area of 20 m × 20 m each were established. The distribution of soil organic carbon (SOC) in relation to environmental factors (degree of rocky desertification, landform, vegetation, soil property, etc.) in these plots was determined using field measurements, laboratory detection, and mathematical statistics. The following results were obtained: 1) The SOC content of karst rocky desertification ecosystems was low. The average content of the three experimental areas of Bijie Yachi (Plateau Mountain), Qingzhen Hongfenghu (Plateau Basin), and Guanling Huajiang (Plateau Gorge) was 23.42, 25.78, 26.03 g/kg, respectively. There was no significant (P=0.23) difference of SOC contents among the three different landform experimental areas. 2) Land cover change can affect the SOC content. The SOC content of virgin forest (31.32 g/kg) was the highest. With increased soil degeneration from virgin forest to gravel land, the SOC content first decreased and then increased. 3) The SOC content was correlated with soil physico-chemical properties. Specifically, the SOC content was extremely significantly positively correlated with total nitrogen content, hydrolyzed nitrogen content, available potassium content, total porosity, total phosphorus content, natural moisture capacity, field moisture capacity, capillary moisture capacity, and upper strata saturated permeability; significantly positively correlated with total phosphorus content and lower strata saturated permeability, and extremely significantly negatively correlated with soil bulk density. 4) The SOC content and plant diversity rich (R) and diversity (H) indices were extremely positively correlated. 5) There were significant differences of SOC contents between different degrees of rocky desertification. Along with increased degrees of rocky desertification, the SOC content initially decreased and then increased. Based on these results, the distribution pattern of the SOC content and its impact factors in karst rocky desertification ecosystems was clarified. These results have important implications for the protection of karst forest ecosystems, the reconstruction of rocky desertification ecosystems, and the response to global climate change.

karst; rocky desertification; soil organic carbon; distribution pattern; impact factors

貴州省社會(huì)發(fā)展攻關(guān)計(jì)劃課題(黔科合SZ字〔2014〕3036號(hào));國家水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401050);貴州省水利科技經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(KT201409);貴州師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(202)

2015- 10- 15;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201510152081

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shmoy@163.com

王霖嬌, 李瑞, 盛茂銀.典型喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳時(shí)空分布格局及其與環(huán)境的相關(guān)性.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):1367- 1378.

Wang L J, Li R, Sheng M Y.Distribution of soil organic carbon related to environmental factors in typical rocky desertification ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1367- 1378.