喀斯特洼地土壤有機(jī)碳分布特征及影響因素

景建生，劉子琦，羅 鼎，孫 建

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.黔南景區(qū)溶洞旅游資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程研究中心，貴州 都勻 558000)

喀斯特地區(qū)獨(dú)特的地貌特征、廣布的碳酸鹽巖以及特殊的水熱狀況使得該地區(qū)植被立地條件和土壤成土演化過(guò)程都有別于非喀斯特地區(qū)[1-2]。受地形、氣溫、降水量、生物以及人類(lèi)活動(dòng)等影響，喀斯特地區(qū)廣泛發(fā)育地表、地下二元結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，正負(fù)地形比例差異巨大，土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳在空間分布上表現(xiàn)出高度異質(zhì)性，使得負(fù)地形成為防治喀斯特地區(qū)地下水土流失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-5]。貴州作為西南喀斯特區(qū)域的中心，分布有面積最廣、發(fā)育最強(qiáng)烈的碳酸鹽巖，且石漠化面積比居我國(guó)首位，不同等級(jí)石漠化的水土流失量存在明顯差異[5-8]。因此，研究喀斯特石漠化地區(qū)洼地不同沉積部位土壤性質(zhì)特征，對(duì)了解區(qū)域水土、養(yǎng)分流失與沉積過(guò)程及其影響機(jī)制具有一定指導(dǎo)意義。

土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中儲(chǔ)量巨大，是全球碳循環(huán)的重要影響因素，能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)量、產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境以及氣候變化產(chǎn)生重大影響[8-10]。土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w及部分分解產(chǎn)物、微生物分泌物和土壤腐殖質(zhì)，受植被類(lèi)型、海拔高度、土壤性質(zhì)等因素的影響較為明顯[11-13]。土壤理化性質(zhì)在土壤生態(tài)系統(tǒng)中存在交互影響的兩個(gè)方面，一方面土壤化學(xué)性質(zhì)(土壤酸度、養(yǎng)分等)通過(guò)微生物活動(dòng)影響土壤質(zhì)量以及植物生長(zhǎng)；另一方面，土壤物理性質(zhì)又成為影響土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤肥力以及生物生命活動(dòng)的重要因素[14]。目前已有大量研究土壤有機(jī)碳的文獻(xiàn)，但主要集中在討論不同林分、海拔、坡向土壤有機(jī)碳含量的差異性以及空間變異特征，而在喀斯特地區(qū)存在水土漏失這一特殊現(xiàn)象，流域內(nèi)坡地土壤受到侵蝕，泥沙經(jīng)溝道、洼地，再通過(guò)落水洞進(jìn)入地下水文管道系統(tǒng)，造成養(yǎng)分隨水土漏失[15]。喀斯特地區(qū)水土漏失各個(gè)環(huán)節(jié)沉積的土壤理化性質(zhì)是否存在差異，土壤有機(jī)碳與其它理化性質(zhì)之間又具有何種相關(guān)性還需要繼續(xù)研究。鑒于此，本研究從植被、土壤理化性質(zhì)等方面分析造成洼地不同部位土壤有機(jī)碳含量差異的原因，研究結(jié)果可為喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳運(yùn)移與沉積過(guò)程、土壤養(yǎng)分保持與地區(qū)植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省貞豐-北盤(pán)江石漠化治理示范區(qū)(北緯25°39′13″～25°41′00″，東經(jīng)105°36′30″～105°46′30″)屬于典型的喀斯特高原峽谷區(qū)，總面積5 100 hm2，其中喀斯特面積占87.92%。該地區(qū)以中亞熱帶氣候?yàn)橹?，雨熱同期，年平均氣?8.4 ℃，年平均降水量1 052 mm，平均海拔950 m。本研究采樣地位于示范區(qū)內(nèi)典型喀斯特洼地內(nèi)部，平均海拔1 000 m。洼地一側(cè)為坡地，坡長(zhǎng)約180 m，平均坡度25°，植被主要以紫莖澤蘭[Ageratinaadenophora(Spreng.) R. M. King et H. Rob.]、艾納香[Blumeabalsamifera(L.) DC.]等草本為主，零星分布有莢蒾(ViburnumdilatatumThunb.)、白刺花[Sophoradavidii(Franch.) Skeels]、火棘[Pyracanthafortuneana(Maxim.) Li]、火焰樹(shù)(SpathodeacampanulataBeauv.)等灌木。坡地廣泛分布的石灰?guī)r使得巖溶作用強(qiáng)烈，形成大量溶溝、石縫等微地形，土壤主要分布于這類(lèi)微地形中，土層淺薄；洼地底部土層較厚，平均厚度大于1 m，植被主要以紫莖澤蘭等草本為主；落水洞發(fā)育于洼地底部，是洼地的主要消水通道，洞口位于封閉洼地一側(cè)，洞內(nèi)沉積大量沖刷土壤。

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

2018年11月，在研究區(qū)洼地內(nèi)沿水流運(yùn)動(dòng)方向選取3個(gè)樣地，其中洼地底部選取2個(gè)樣地，分別用DP-1、DP-2表示。DP-1距坡腳邊緣2m；DP-2距坡腳邊緣10m，距落水洞口7m。落水洞內(nèi)選取1個(gè)樣地，用SH-1表示，SH-1距洞口200m。落水洞采樣地位于洞穴內(nèi)部水流沉積物之上，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)洞穴沉積土壤主要來(lái)源于洞外坡面和洼地。樣地土壤類(lèi)型均為石灰土，其基本情況見(jiàn)表1。3個(gè)樣地自上而下“S”型連續(xù)取樣，采集0～150 cm土壤剖面的土樣，每層取樣厚度10 cm，采集平行樣品3個(gè)，每個(gè)樣地采集樣品45個(gè)，共計(jì)135份化學(xué)土樣。土樣采樣前去除碎石及枯枝落葉，樣品裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干后過(guò)篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量、土壤全氮含量和土壤pH值。同時(shí)，使用環(huán)刀(5 cm)采集原狀土，用于測(cè)定土壤容重、總孔隙度及土壤含水率。

土壤pH值采用電極電位法測(cè)定，水土比為2.5∶1；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤容重、總孔隙度以及土壤含水率采用環(huán)刀法測(cè)定[16](將環(huán)刀所取的原狀土放置于烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，計(jì)算土壤容重、總孔隙度和土壤含水率)。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sample plots

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22軟件對(duì)土壤有機(jī)碳含量與其它理化性質(zhì)(土壤含水率、總孔隙度、土壤容重、pH值以及全氮含量)進(jìn)行相關(guān)性與顯著性分析，利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2018軟件繪圖。通過(guò)變異系數(shù)分析3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量分布的差異性；利用土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量公式計(jì)算不同樣地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，變異系數(shù)和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式[17]如下。

CV/%=S/M×100

(1)

式中：CV為變異系數(shù)(%)；S為土壤有機(jī)碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差(g·kg-1)；M為土壤有機(jī)碳含量平均值(g·kg-1)。

SSOC=∑SiBiFi×10-2

(2)

式中：SSOC為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(kg·m-2)；Si為第i層土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)；Bi為第i層土壤容重(g·cm-3)；Fi為第i層土層厚度(cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

不同樣地的土壤有機(jī)碳含量變化特征如表2所示。從表2不同樣地的土壤有機(jī)碳含量平均值與變異系數(shù)可知，整體上SH-1的土壤有機(jī)碳含量平均值高于DP-1、DP-2的土壤有機(jī)碳含量平均值，DP-1、DP-2土壤有機(jī)碳含量垂直波動(dòng)較大，SH-1土壤有機(jī)碳含量在垂直方向上較穩(wěn)定，表明洼地底部土壤有機(jī)碳含量在土層間穩(wěn)定性較差，可能受礦化分解影響較大。

表2 不同樣地土壤有機(jī)碳含量變化特征Table 2 Variation characteristics of soil organic carbon content of different sample plots

圖1為隨土層深度變化不同樣地的土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布。由圖1可以看出，3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均為表層最高，0～30 cm土層內(nèi)3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)一致，均隨土層深度增加而顯著降低。30～150 cm土層之間3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨土層深度增加在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化。由于表層土壤有機(jī)碳來(lái)源廣，且受微生物等分解活動(dòng)影響較大，而下層土壤在沉積過(guò)程中有機(jī)碳經(jīng)分解后逐漸趨于穩(wěn)定。因此，3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均為表層集聚且隨土層加深下降顯著，而下層相對(duì)穩(wěn)定。

(a)土壤有機(jī)碳含量Soil organic carbon content (b)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Soil organic carbon storage

圖1 不同樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布
Figure 1 Distribution of soil organic carbon content and soil organic carbon storage of different sample plots

2.2 土壤物理性質(zhì)變化特征

3個(gè)樣地土壤含水率、總孔隙度、土壤容重變化特征如圖2所示。對(duì)比3個(gè)樣地土壤含水率、總孔隙度、土壤容重變化差異性可知，土壤含水率、總孔隙度平均值大小均為SH-1>DP-2>DP-1；土壤容重平均值均小于1.27 g·cm-3，其中，DP-1土壤容重平均值略大于DP-2，二者差異較小，SH-1土壤容重平均值最小。由于落水洞土壤受水流搬運(yùn)沉積以及水分充填等影響，土壤含水率與總孔隙度略高于洼地底部，而土壤容重小于洼地底部。

(a)土壤含水率Soil moisture content(b)總孔隙度Total porosities(c)土壤容重Soil bulk density

圖2 不同樣地土壤物理性質(zhì)箱形圖
Figure 2 Box-plot diagram of soil physical properties of different sample plots

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)變化特征

土壤pH值是研究碳酸鹽巖風(fēng)化的重要指標(biāo)之一，通過(guò)影響微生物活性、土壤微量元素間接影響土壤有機(jī)質(zhì)。不同樣地土壤化學(xué)性質(zhì)垂直分布如圖3所示。由圖3(a)可知，DP-1的土壤pH值在0～50cm土層整體逐漸增大，50～150cm土層波動(dòng)較?。籇P-2的土壤pH值在0～50cm土層先增加后減小，在50～150cm土層先迅速增加而后下降并逐漸趨于平穩(wěn)；SH-1的土壤pH值變化規(guī)律大致可分為2個(gè)階段，0～110cm土層土壤pH值波動(dòng)增大且出現(xiàn)最大值7.59；110～150cm土層土壤pH值迅速降低；3個(gè)樣地土壤pH值在6.75～7.59之間，根據(jù)土壤的酸堿度分級(jí)，3個(gè)樣地土壤均屬于中性土壤[18]，落水洞土壤pH值與變化幅度總體高于洼地底部，表明落水洞土壤相比于洼地底部土壤更偏堿性。

由圖3(b)可知，3個(gè)樣地土壤全氮含量最高值均出現(xiàn)在0～10cm土層，而后隨土層深度增加逐漸降低，DP-2的土壤全氮含量變化幅度最小。DP-1和DP-2的土壤全氮含量隨土層深度增加波動(dòng)逐漸減小，變化范圍分別為：3.12～5.21、3.17～3.82g·kg-1。SH-1的土壤全氮含量在10cm土層之下波動(dòng)變化，分別在50、80和140cm土層出現(xiàn)明顯的峰值，變化范圍為2.89～4.02 g·kg-1。3個(gè)樣地土壤全氮含量均為表層最高，出現(xiàn)表聚化現(xiàn)象，這與相關(guān)研究[19]結(jié)果類(lèi)似。土壤氮素在表層積聚現(xiàn)象通常是由于表層有大量未分解凋落物，隨土層深度增加，氮素分解和積累需要相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，造成表層氮素累積大于底層[20]。另外，土壤表層更易于接收大氣中的氮素以維持表層藻類(lèi)、菌類(lèi)生命活動(dòng)，植物根系也吸收土壤中的氮素并歸還到表層，形成表層氮素富集層[21]。洼地底部土壤氮素來(lái)源廣，外界補(bǔ)充快，植物根系固氮作用強(qiáng)，而落水洞內(nèi)缺乏地表植被且微生物活動(dòng)較弱，侵蝕地土壤氮素是其主要來(lái)源，因此整體上洼地底部土壤全氮含量高于落水洞土壤全氮含量。

圖3 不同樣地土壤化學(xué)性質(zhì)垂直分布Figure 3 Variation of soil chemical properties along soil depth of different sample plots

2.4 土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)的相互關(guān)系

為探討影響土壤有機(jī)碳含量分布的主要理化性質(zhì)因子，計(jì)算3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤性質(zhì)(pH值、全氮含量、土壤容重、土壤含水率、總孔隙度)的相關(guān)性矩陣，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量均與全氮含量具有正相關(guān)性，其中DP-1和DP-2的土壤有機(jī)碳含量與全氮含量具有極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，SH-1的土壤有機(jī)碳含量與全氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與土壤含水率相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。DP-1和DP-2的土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值有顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，隨土壤pH值的增大，有機(jī)碳含量降低，而與土壤容重、總孔隙度相關(guān)性不顯著，可能由于土壤酸堿度能夠較大程度地影響有機(jī)碳的礦化分解速率，掩蓋了土壤容重、總孔隙度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響。SH-1的土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值相關(guān)性不顯著，與土壤容重具有極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)，與土壤總孔隙度具有極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。許多研究[12-14]結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值、土壤容重有顯著的負(fù)相關(guān)性，與土壤全氮含量、總孔隙度有顯著正相關(guān)性，這與本研究結(jié)果相近，但在本研究中，洼地底部土壤有機(jī)碳含量主要受土壤pH值影響較大，與土壤容重、總孔隙度相關(guān)性不顯著，而落水洞土壤有機(jī)碳含量分布特征主要受土壤容重、總孔隙度等物理性質(zhì)影響顯著，與土壤pH值相關(guān)性較弱。

表3 不同樣地土壤有機(jī)碳含量與理化性質(zhì)相關(guān)性Table 3 Correlation between soil organic carbon content and soil physical and chemical properties of different sample plots

注：*表示相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)，**表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)。Note:*indicates significant level of correlation(P<0.05),**indicates extremely significant level of correlation(P<0.01).

3 討論與結(jié)論

3.1 植被對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量分布特征受多種因素交互影響。植被覆蓋度是影響土壤有機(jī)碳含量分布的主要因素，隨著地表植被覆蓋度的增加，土壤接受有機(jī)殘?bào)w和生物量增多，有機(jī)質(zhì)輸入數(shù)量較多和周轉(zhuǎn)速率較快[22-24]。本研究中落水洞、洼地底部土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均為表層最高，出現(xiàn)表聚化現(xiàn)象，這與相關(guān)研究[22]結(jié)果類(lèi)似，但引起土壤有機(jī)碳含量表層集聚的原因卻不同。洼地底部植被覆蓋度達(dá)80%，受地表植被影響土壤有機(jī)碳含量表層較高，而落水洞內(nèi)缺乏植被覆蓋，土壤有機(jī)碳表聚化主要因?yàn)楸韺油寥莱练e歷史短，受洞內(nèi)溫度以及微生物活動(dòng)影響時(shí)間短，有機(jī)碳礦化分解速率慢，能較好地保留來(lái)源地的土壤性質(zhì)。此外，洼地底部表層土壤有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較落水洞高，也主要由于洼地底部大量的植物細(xì)根以及枯落物補(bǔ)給使得有機(jī)碳輸入量高于分解量。

3.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量及垂直分布有著重要影響。許多研究證明，土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值、土壤容重、總孔隙度、土壤含水率都有顯著相關(guān)性[13,25-26]。土壤pH值通過(guò)影響土壤中微生物的活性以及酶活性，使得有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)度不同，進(jìn)一步影響土壤有機(jī)碳含量的分布[13]；土壤水分不僅是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶劑，也是物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要載體，能夠促進(jìn)土壤中碳酸鈣的淋溶和淀積，影響土壤中養(yǎng)分及其他物質(zhì)的含量和分布，從而改變有機(jī)碳的礦化速率[25]。土壤容重以及孔隙度能夠反映土壤的疏松狀況，影響土壤通氣性；土壤容重越小，孔隙度越大，土壤越疏松，更多的微生物以及凋落物進(jìn)入土層中，導(dǎo)致有機(jī)碳含量增加；反之則影響微生物活性以及有機(jī)質(zhì)的進(jìn)入，有機(jī)碳含量減少[26]。本研究中洼地底部土壤有機(jī)碳含量受土壤pH值影響明顯，與土壤容重、土壤含水率、總孔隙度相關(guān)性較弱，主要是因?yàn)橥莸氐撞恐脖桓采w度高，大量有機(jī)質(zhì)輸入且土層中微生物以及分解酶較多，土壤pH值能夠影響的環(huán)境介質(zhì)增多，掩蓋了土壤物理性質(zhì)的作用；而落水洞土壤容重小于洼地、總孔隙度大于洼地，洞內(nèi)無(wú)植被覆蓋，有機(jī)質(zhì)來(lái)源單一，且微生物活動(dòng)較微弱，因此，土壤容重、總孔隙度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響較大。

3.3 成土過(guò)程和地形對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳含量的分布特征除受植被、土壤理化性質(zhì)影響之外，土壤剖面的成土演化過(guò)程[27]、地形、地貌以及海拔[28]是影響土壤有機(jī)碳含量分布的其它因素。本研究結(jié)果顯示：整體上，落水洞土壤有機(jī)碳含量高于洼地底部土壤有機(jī)碳含量，但洼地底部土壤有機(jī)碳含量垂直波動(dòng)較大，落水洞土壤有機(jī)碳含量在垂直方向上較為穩(wěn)定。土壤有機(jī)碳含量在土層間的波動(dòng)變化受土壤沉積時(shí)間影響，下層土壤沉積時(shí)間長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳經(jīng)分解趨于穩(wěn)定。有研究[28]指出：坡面地表不同部位、不同微地形形態(tài)內(nèi)，由于土壤遭受侵蝕程度不同，石灰土土壤有機(jī)碳含量存在高度變異性。結(jié)合BRONICKetal[29]、王健等[30]的研究結(jié)果，本研究中3個(gè)樣地土壤容重均小于1.27 g·cm-3，但洼地底部土壤容重整體大于落水洞土壤容重，可以推測(cè)土壤抗沖性與土壤抗蝕性均為：洼地底部>落水洞。因此，本研究中洼地底部與落水洞土壤有機(jī)碳含量的分布差異也可能受微地形與土壤侵蝕程度影響，需要再進(jìn)一步研究。

3.4 結(jié)論

洼地底部與落水洞土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均呈現(xiàn)表層積聚現(xiàn)象。落水洞土壤有機(jī)碳含量平均值總體高于洼地底部土壤有機(jī)碳含量平均值，且土層之間差異較小。3個(gè)樣地土壤有機(jī)碳含量與全氮含量均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與土壤含水率相關(guān)性不顯著。洼地底部土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、總孔隙度相關(guān)性不顯著；落水洞土壤有機(jī)碳含量與土壤容重、總孔隙度分別呈極顯著負(fù)相關(guān)、極顯著正相關(guān)，與土壤pH值相關(guān)性不顯著。洼地底部土壤有機(jī)碳含量的分布特征主要受土壤pH值影響較大，而落水洞土壤有機(jī)碳含量變化主要受土壤容重、總孔隙度等物理性質(zhì)影響顯著。