中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应

2013-09-19盛茂银熊康宁

生态学报 2013年19期

盛茂银，刘洋，熊康宁，*

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院，贵阳 550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵阳 550001)

石漠化是指在脆弱喀斯特生态环境下人类不合理的社会经济活动，造成人地矛盾突出、植被破坏、水土流失、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退甚至丧失，地表呈现类似于荒漠化景观的演变过程或结果［1-4］。我国西南喀斯特地区位于世界三大连片喀斯特发育区之一的东亚片区中心，面积约54万km2。目前居住着1亿多人口、48个少数民族［2］，贫困人口相对集中，人地矛盾非常突出，坡地植被一旦破坏，土壤侵蚀作用加剧，导致稀薄土层全部流失，造成严重的石漠化，水分、养分调蓄能力迅速降低［5-6］。石漠化已经成为制约我国西南喀斯特地区区域经济社会发展的一个重大生态问题［7-9］。

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，是生态系统诸多生态过程的载体，是植物群落更新演替过程中不可或缺的研究内容［10］。通过对特定环境条件下生态系统演替过程中土壤理化性质变化的研究，将有助于认识生态系统演变过程中地上与地下相互作用关系及机理，进而为实现人工调控森林更新演替的进程提供科学依据［11-12］。但到目前为止，尽管对喀斯特生态系统单一生态过程的研究较深入［13］，但对喀斯特生态系统土壤理化性质缺乏深入研究，其时空分异及其对石漠化过程的响应尚无研究［14］;石漠化生态系统经过人工更新演替后，土壤理化性质及变化趋势如何，人工植被演替又怎样影响地下土壤的演变，以及构建怎样的森林植被才有利于该区域土壤性质的改善等问题，尚缺乏研究。为此，以中国西南典型喀斯特石漠化生态系统土壤为研究对象，研究不同等级石漠化环境土壤理化性质特征，探讨石漠化过程中土壤理化性质变化的响应及其机制，以期为中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

研究选择了中国西南喀斯特地区3个典型石漠化区域作为研究区，3个研究区的地理位置和基本信息见表1和图1。

研究区Ⅰ位于贵州省毕节市鸭池镇东南13 km处，属长江流域乌江水系白浦河支流区。区内以喀斯特高原山地地貌类型为主，地势起伏大，海拔为1400—1742 m。区内年均降雨量为863 mm，年最大降水量995 mm，年最小降水量618 mm，降雨量主要分布在7—9月，占全年总降雨的52%。岩石以碳酸盐类的石灰岩为主，有部分侏罗纪紫色砂页岩、页岩分布。土壤以黄壤土及紫砂土为主，在洼地和平地有水源的地方有零星水稻土分布，坡耕地以黄色石灰土属的岩泥土，灌草丛为黑灰色石灰土。植被为亚热带常绿落叶针阔混交林，原生植被基本上被破坏，现以次生植被为主。野生植被有以窄叶火棘(Pyracantha angustifolia)、刺梨(Rosa roxbunghii)、救军粮(Pyracantha fortuneana)、铁线莲(Clematis florida)等为主的藤、刺、灌丛，以及零星分布的青冈(Cyclobalanopsis glauca)、马尾松(Pinus massoniana)、光皮桦(Betula luminifera)为主的乔木林。

研究区Ⅱ位于贵州省清镇市红枫镇簸箩村王家寨组，距清镇市12 km，属长江流域乌江水系麦翁河支流区。区内地貌类型为典型的喀斯特高原盆地，地势平缓，海拔为1271—1451 m。区内年均降雨量为1215 mm，降雨量主要分布在4—8月，占全年总降雨的75%。区内岩石多属三叠系的白云岩、泥质白云岩及页岩。土壤以黄壤、黄色石灰土为主。植被以农田植被为主，自然植被在小区中所占比重较小，其中柏木(Cupressus funebris)是其常见乔木物种，灌木层多为典型石灰岩有刺灌丛，以金佛山荚蒾(Viburnum chinshanense)、救军粮、野蔷薇(Rosa multiflora)、悬钩子(Rubus corchorifolius)、亮叶鼠李(Rhamnus hemsleyana)等为主，草本层常见种类有白茅(Imperata cylindrica)、五节芒(Miscanthus floridulu)、芒(Miscanthus sinensis)、荩草(Arthraxon hispidus)、铁线莲等。

研究区Ⅲ位于贵州省安顺市北盘江花江河段峡谷两岸，地貌类型为典型的喀斯特高原峡谷，地势起伏大，海拔为450—1450 m，相对高差达1000 m。区内年均降雨量为1100 mm，降雨量主要分布在5—10月，占全年总降雨的83%。区内岩石多属三叠系的白云岩、泥质白云岩及页岩。土壤以黄壤、黄色石灰土为主。植被为亚热带常绿落叶针阔混交林，原生植被基本上被破坏，现以次生植被为主。野生植被是以窄叶火棘、刺梨、救军粮、铁线莲等为主的藤、刺、灌丛，以及零星分布的青冈、马尾松、光皮桦为主的乔木林。

表1 研究区基础信息及样方设置Table 1 Basic information of experiment sites and sample plots set in the study

图1 研究区位置及其概况Fig．1 Location and basic information of experiment sites in this study

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

在对研究区详细踏查的基础上，选取石漠化演替过程中5个典型阶段为研究对象，分别为无石漠化的原生森林、潜在石漠化的疏林地、轻度石漠化的灌草地、中度石漠化的疏草地和强度石漠化的石旮旯地，石漠化等级划分参照熊康宁等［15］的方法。在3个研究区分别针对每个研究对象设立面积为20 m×20 m重复样地3个，共建立了45个土壤取样样地(表1)。所有的样地除石漠化演替阶段不同外，其它的因子都大致一致，土壤是同质的，均为黄色石灰土。在样地中心按蛇形方式选3个采样点，各点间距在5 m之内。2012年8月和2013年1月分别在各样点用环刀(0—15 cm)取样3次重复，均匀混合组成待测土样。石漠化区域土壤很薄，部分仅有15 cm左右，因此以0—15 cm土壤层中作为研究对象。

1.2.2 土壤物理性质测定

容重、田间持水量、自然含水量和毛管持水量测定采用环刀法;总孔隙度用pt=93.947-32.995×b来计算，b为容重，pt为总孔隙度;毛管孔隙度测定采用环刀法;非毛管孔隙度用po=pt-pc来计算，po为非毛管孔隙度，pc为毛管孔隙度;渗透特性测定采用双环渗透法。以上分析方法见森林土壤分析方法［16］。

1.2.3 土壤化学性质测定

pH值采用2.5∶1的水土比，用电位计法测定;有机质采用硫酸重铬酸钾氧化为容量法测定;全氮采用硫酸钾为硫酸铜为硒粉消煮，定氮仪自动分析法测定;水解氮采用碱解扩散法测定;全磷采用硫酸为高氯酸消煮为钼锑抗比色法测定;有效磷采用碳酸氢钠浸提为钼锑抗比色法测定;全钾采用氢氟酸为高氯酸消煮火焰光度计法测定;速效钾采用中性乙酸铵提取为火焰光度计法测定;土壤呼吸采用气室法进行测定。以上分析方法见土壤农业化学分析方法［17］。

1.2.4 数据处理与分析

采用Excel软件进行绘图，利用SPSS 16.0软件进行方差分析、t检验、多重比较(Duncan检验)、相关性分析和主成分分析等统计分析［18］。

2 结果分析

2.1 不同等级石漠化环境土壤理化性质

2.1.1 土壤物理性质

(1)土壤容重

土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，表征土壤的疏松程度与通气性，是土壤质量的一个重要参数，其值大小与土壤的通气性、透水性和根系生长阻力有关［19］。研究显示，不同等级石漠化环境土壤容重存在显著差异(表2)。潜在石漠化显著大于中度和强度石漠化，无石漠化、潜在和轻度石漠化土壤容重没有明显差异;随着石漠化程度增加，土壤容重有降低趋势。

(2)土壤孔隙度

土壤孔隙状况直接影响着土壤的通气透水性及根系穿插的难易程度，对土壤中水、肥、气、热以及生物活性等发挥着不同的作用［20］。从表2看出，不同等级石漠化土壤孔隙度差异显著，潜在石漠化的土壤总孔隙度显著小于中度石漠化，潜在石漠化的毛管孔隙度显著小于强度石漠化，而非毛管孔隙度在不同等级石漠化环境无明显差异。

(3)土壤自然含水量及持水状况

研究发现，不同等级石漠化环境土壤自然含水量无明显差异(表2)。土壤田间持水量和毛管持水量存在显著差异:潜在石漠化的土壤田间持水量显著小于强度石漠化，对于毛管持水量，潜在和轻度石漠化显著小于强度石漠化。可见，随着石漠化程度增加，土壤田间持水量和毛管持水量显著增加。

(4)土壤渗透性

土壤渗透性是土壤理水调洪功能极为重要的特征参数之一，是将地表径流转化为壤中流、地下径流的能力，对土壤水土保持及水源涵养功能影响极大［21］。对于土壤渗透速率，5种不同等级石漠化环境土壤，不管是上层饱和渗透率还是下层饱和渗透率均无明显差异。

2.1.2 土壤化学性质

(1)土壤有机质、pH值及土壤呼吸

土壤有机质是土壤固相部分的重要组分，它与土壤矿物质共同作为林木营养的来源，直接影响和改变土壤的一系列物理、化学和生物学性质［20］。研究表明(表3)，潜在石漠化环境土壤有机质明显小于无石漠化，而无石漠化与轻度、中度和强度石漠化土壤有机质无明显差异。土壤pH值研究显示，无石漠化环境土壤pH值明显小于潜在、轻度、中度和轻度石漠化，但无石漠化和强度石漠化环境土壤为酸性，pH值均小于7，而其它土壤pH值均大于7。对于土壤呼吸，不同等级石漠化环境间无显著差异。

(2)土壤氮素

全氮是土壤氮素养分的储备指标，在一定程度上说明土壤氮的供应能力［22］;水解氮能较好地反映出近期内土壤氮的供应状况和氮的释放速率。研究表明，不同等级石漠化环境土壤全氮无明显差异，显示了石漠化环境土壤受母岩影响明显。而不同等级石漠化环境土壤水解氮存在明显差异，无石漠化和中度石漠化显著大于潜在石漠化，强度石漠化显著小于中度石漠化，显示土壤水解氮的变化与石漠化演化无明显相关，这可能与水解氮聚集效果强烈、取样随机有关。

(3)土壤磷素

全磷是衡量土壤中各种形态磷总和的一个指标，其值大小受土壤母质、成土作用影响很大，另外与土壤质地和有机质有关系［23］。研究显示，不同等级石漠化环境土壤全磷无显著差异。而土壤有效磷在不同等级石漠化环境存在显著变化，潜在石漠化显著大于无石漠化和强度石漠化，随石漠化程度增加，显示了先增加后降低的趋势。

(4)土壤钾素

土壤钾是植物光合作用、淀粉合成和糖类转化所必需的元素，也是衡量土壤肥力的一个重要指标［23］;速效钾是植物能利用的钾，占土壤中钾素的极少部分，能真实反映土壤中钾素的供应情况。研究结果显示，不同等级石漠化环境土壤全钾存在显著差异，无石漠化显著大于轻度、中度和强度石漠化，而土壤有效钾在不同等级石漠化环境无明显变化。

2.2 石漠化环境土壤理化性质相关性

不同等级石漠化环境土壤理化性质相关性分析表明(表4)，土壤有化学性质的机质和氮素与土壤其它绝大多数理化因子具有明显的相关性。有机质与全氮、水解氮、速效钾、总孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田间持水量、上层渗透率成极显著正相关，与全磷、下层渗透率成显著正相关，与土壤容重成极显著负相关。全氮与pH值、有机质、全磷、水解氮、速效钾、总孔隙度、毛管持水量、田间持水量和上层渗透率成极显著正相关，与容重成极显著负相关，与有效磷成显著正相关。水解氮与有机质、全氮、全磷、孔隙度、毛管持水量、田间持水量和上层渗透率成极显著正相关，与pH值、速效钾、下层渗透率成显著正相关，与容重成极显著负相关。相关性分析也显示，土壤物理性质的毛管持水量、容重和孔隙度与其它绝大多数理化因子具有明显的相关性。由此可见，石漠化环境有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度是土壤理化性质的关键因子，在改善土壤理化性质和促进养分循环方面起着关键作用。

2.3 石漠化环境土壤理化性质季节波动

对不同时间(1月和8月)定点采样检测的土壤理化性质t检验分析(表5)显示，18个土壤理化性质指标有7个指标存在(极)显著差异，其余11个指标无明显变化。土壤物理性质的土壤容重、土壤总孔隙度和毛管持水量等3个指标在不同季节存在显著差异，夏季(8月)的土壤容重显著的小于冬季(1月)，而夏季的土壤总孔隙度和毛管持水量显著的大于冬季;毛管孔隙度和土壤自然含水量在不同季节存在极显著的差异，夏季的毛管孔隙度极显著大于冬季，而夏季的土壤自然含水量极显著小于冬季。土壤化学性质的全钾和有效磷在不同季节也显示了显著的差异，夏季的土壤全钾和有效磷均显著小于冬季。

2.4 基于土壤理化性质的石漠化主成分分析

基于土壤18个理化性质指标的石漠化主成分分析表明(表6)，主成分1的贡献率为40.83%，主成分2的贡献率为30.13%，主成分3的贡献率为25.25%，累计贡献率已达96.21%。可见，前3个主成分保留了18个土壤理化性质指因子评价石漠化特征的绝大部分信息，因此选取这3个主成分作为评价石漠化土壤演变的依据。主成分1中，有机质、全氮、水解氮、全钾、速效钾、土壤容重、田间持水量、自然含水量的毛管含水量的权重系数较大，显示主成分1主要反映了土壤有机质、氮素、钾素、容重和持水状况表征石漠化的信息。主成分2中，毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、下层饱和渗透率、pH值的权重系数较大，显示主成分2主要反映了土壤pH值、孔隙度和渗透性表征石漠化的信息。主成分3中，土壤呼吸、全磷和有效磷的权重系数较大，显示主成分3主要反映了土壤呼吸和磷素表征石漠化的信息。

3 讨论与结论

3.1 石漠化演变过程中土壤理化性质的响应及其机制

研究显示，不同等级石漠化环境土壤全氮、全磷、有效钾等理化因子无明显差异，表明石漠化环境土壤受碳酸盐岩母岩影响明显。土壤是在气候、植被、地形、母质等因子综合作用下形成的，并随着植被演替的进行总是在不断地发生变化［24］。本研究对中国西南喀斯特地区典型石漠化区域5个典型石漠化演替阶段的土壤理化性质研究显示，石漠化环境土壤变化与植物群落的演替具有明显的相关性。在一定程度上，植物群落的正向演替是土壤养分不断积累、物理性能不断改善的过程，而植物群落的逆向演替是土壤不断退化的过程。

喀斯特脆弱生态系统的退化是以强烈的人类干扰为驱动力、以植被减少为诱因、以土地生产力退化为本质、以出现类似荒漠化景观为标志的复合过程［11］。长期以来，人们一直认为随着石漠化程度增加，土壤退化程度亦是随之增加，强度石漠化环境的土壤退化最严重［1，25-26］。然而，事实却并非如此，研究结果显示，喀斯特石漠化环境土壤不管是物理性质还是化学性质的演变均不是随着石漠化等级的增加而一直退化，而是一个先退化后改善的过程。究其原因，这应该与石漠化环境裸露岩石聚集效应有关。这种聚集效应指的是裸露的岩石将大气沉降的养分及其岩溶产物汇聚到周围的土壤中(图2)。随着石漠化程度增加，裸岩聚集效应逐渐增强。在强度石漠化环境中，这种聚集效应非常明显，加之水土流失作用减弱，致使退化的土壤养分和物理性能得到改善。本研究结果也显示，石漠化环境土壤演变过程中，有机质、氮素、容重和持水状况等是其关键因子，在改善土壤理化性质和促进养分循环方面起着关键作用。

表5 不同季节石漠化环境土壤理化性质变化Table 5 Comparison of soil physical-chemical properties of rocky desertification environment between seasons of summer and winter

表6 基于土壤理化性质的石漠化主成分分析Table 6 Principal component analysis of rocky desertification based on plant diversity and soil physical-chemical properties

综上所述，石漠化演变过程中土壤理化性质的响应及其机制可归纳为:无石漠化环境由于森林植被毁坏，土壤养分随着水土流失作用而流失，加之植被凋落物有机质输入减少，导致土壤退化。随着石漠化等级不断增加，裸露岩石聚集效应逐渐明显，汇集大气沉降养分和岩溶产物，增加了土壤氮素和有机物的输入;同时随着石漠化程度增加，因可流失的土壤越来越少，导致水土流失越来越弱，土壤养分流失微弱，在强烈裸露岩石聚集效应和微弱的水土流失作用下，强度石漠化环境土壤养分和物理性能得到了明显的改善(图3)。

图2 石漠化环境裸露岩石对土壤养分的聚集作用示意图Fig．2 The action of soil nutrients collected by exposed rocks in rocky desertification ecosystem

3.2 石漠化环境土壤理化性与石漠化退化生态系统恢复重建

长期以来，人们一直认为喀斯特石漠化生态系统土壤退化随石漠化程度增加而增强，强度石漠化环境土壤退化最严重［2，25-26］。而本研究显示，喀斯特石漠化生态系统土壤理化性质演变并非如此，而是随着石漠化程度增加先退化后改善的一个过程。强度石漠化和无石漠化土壤条件明显好于其他等级石漠化环境，潜在和轻度石漠化环境土壤条件反而是最差的。这一研究结果很好解释了为什么喀斯特地区裸岩石山植被能够演替成顶级森林群落并能够维系稳定。

同时，这一研究结果在指导喀斯特石漠化生态系统恢复重建中具有极其重要意义。石漠化已经是制约我国西南喀斯特地区区域经济发展和地方社会稳定的重大生态问题，严重阻碍了我国同步小康战略目标的实现［5，14，27］。自 2008年以来，石漠化治理已经成为我国社会经济发展建设中一项重要内容，投入了大量的人力物力开展石漠化治理［2，5］。然而，治理效果并不理想。其中一个重要原因就是石漠化治理缺乏对石漠化环境土壤的深入研究［26，28-29］，导致相关技术措施仍停留在经验总结层面、难说科学，甚至是错误。例如，在石漠化治理领域，长期以来，人们一直认为(极)强度石漠化环境，植被恢复措施只能是封山育林，人工种植措施是不可能成功的，甚至是在一些地方石漠化治理规程中也是这样总结的［2］。然而，本研究结果不能支持这一观点，(极)强度石漠化环境土壤条件不但不比潜在-轻度石漠化环境差，而且优于潜在-轻度石漠化环境土壤，完全应该实施人工造林措施修复石漠化。这一结论已被一些地区石漠化治理实践所证实，在贵州花江石漠化治理示范区的(极)强度石漠化环境土壤上种植任豆树(Zenia insignis，一种高大乔木)非常成功。相反潜在-轻度石漠化环境土壤很贫瘠、土层薄，采取人工种植恢复植被措施往往不能成功，这一论断同样被众多已实施的石漠化实践所证实。

图3 石漠化演变过程中土壤理化性质的响应及其机制Fig．3 Response and its mechanism of soil physical-chemical properties to rocky desertification succession

石漠化治理是一项复杂的综合工程，需要林业、农业、水利等多领域的合作［2，27，30］。然而，长期以来由于石漠化治理技术措施缺乏对土壤深入的理论研究支撑，基本上是经验式的总结提炼，导致不同地区、不同领域、不同专家总结了纷繁复杂的治理技术和模式［2，30-31］，在这些技术和模式中存在大量的混乱，甚至是出现了完全矛盾的观点。例如，部分专家对(极)强度石漠化环境种植皇竹草(Pennisetum hydridum)、金银花(Lonicera Japonica)等大水大肥物种一直持否定态度，认为(极)强度石漠化环境土壤不可能支撑这些物种的生长。这些物种在(极)强度石漠化环境土壤生长的非常好，这一现象也支持了研究结果。对中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有一定的理论意义和实践指导价值。

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