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贵州的喀斯特石漠化问题正日益受到重视,石漠化的治理已提上国家层面,并得到相关部委的重点支持,却存在生态建设超前、基础研究落后的严峻事实。喀斯特石漠化过程土壤生物地球化学特征的研究是石漠化研究中非常重要理论基础,也是石漠化区域规划、石漠化治理措施制订、生态恢复的重要前提和理论基础。本研究在花江连续性灰岩区的小流域范围内,探讨樵采和开垦干扰方式及不同干扰程度下石漠化过程的土壤生物地球化学特征,取得以下几点认识:
1.针对高度异质性的岩溶生境土壤样品的代表性问题,对茂兰原生林下典型样地土壤有机碳含量及环境因素进行研究,结果表明,岩溶生态系统土壤小生境异质性远高于非岩溶地区;异质性存在于同一小生境内、同类型小生境间、不同类型小生境间等;异质性来源于小生境土壤面积、土壤厚度及凋落物厚度等环境因素的高度异质性,花江研究区域17个样地的结果也是小生境土壤厚度和面积的变异性大于或远大于土壤有机碳、全氮的变异性。为了促进岩溶山区土壤退化研究中数据之间的可比性,建议复杂生境样地代表性土样的采集方法为:选取样地内占绝大部分(95%左右)土壤面积的小生境类型,同一小生境内采多点混合样,同类型小生境的代表样则混合以面积权重所确定的各小生境样品量,样地土壤代表样则混合不同类型小生境以面积权重所确定的各类型小生境样品量。
2.通过样地小生境土壤有机碳、全氮含量的研究发现,花江小流域石漠化过程中的土壤性质由于人为干扰方式的不同,同石漠化等级样地间的变异性都高于样地组不同石漠化等级间的变异性;不论石漠化程度及土壤的小生境异质性如何,樵采样地小生境土壤有机碳、全氮含量维持在较高的范围,开垦样地的小生境土壤有机碳、全氮含量范围则低得多;样地典型小生境土壤性质的剖面分布也证实了樵采和开垦扰动方式的影响;樵采和开垦序列土壤的小生境异质性变化也有差异。因此,石漠化形成过程的土壤退化研究必须首先考虑石漠化土地的成因类型或人为干扰方式的影响,还必须考虑样地土壤小生境异质性的影响。
3.研究区域土壤质地粘重但土壤结构较好,<0.001mm粘粒平均含量为49.7%,>0.25mm水稳定团聚体含量都大于60%;土壤中性偏碱性,CEC含量高,保肥性能好;土壤酶活性和生物活性高,碳、氮含量高,C/N值比较低,多数在10以下,具有较高的氮素供应潜力,但磷、钾养分普遍缺乏,有效磷大多在10mg/kg以下,有效钾几乎都低于100mg/kg,缓效钾都远低于300mg/kg,茂兰凉风洞原生林下土壤养分含量大多介于花江流域的樵采和开垦序列之间。
4.花江小流域随着人为干扰程度增加,石漠化等级加剧,大部分土壤属性都有退化的趋势,体现了石漠化演变过程与土壤退化的一致性;石漠化成因对土壤性质的影响比干扰程度的影响大,樵采对土壤性质的影响小,开垦对土壤性质的影响大;樵采序列在土壤颗粒组分数量、土壤有机碳、全氮、缓效钾、CEC等理化性质方面都明显优于开垦序列;开垦序列部分样地土壤在所有生物学属性、酶活性以及部分理化性质方面比某些樵采序列样地土壤更好;开垦序列样地土壤的>0.25mm水稳定团聚体含量和水稳定团聚体分维数(D湿)几乎都高于/低于樵采序列,显示出开垦石漠化较好的土壤结构和较强的抗水土侵蚀能力、以及部分等级土壤有机质较高的生物有效性。
5.不论樵采还是开垦石漠化过程,都是植被群落退化、生物量都是递减的过程。土壤C、N、P、K养分含量、CEC等化学性质主要与人为干扰方式有关,与生物量的关系不密切;土壤微生物生物量碳(SMBC)、颗粒有机碳(POC)、轻组有机碳(LFOC)、可矿化碳(MC)、易氧化有机碳(LOC)、微生物商(qSMBC)、微生物呼吸商(qCO2)等生物学性质和土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶等酶活性除了与人为干扰方式有关外,还与植被生物量有关,可以体现土壤质量发展的方向,是石漠化过程土壤退化及恢复评价的敏感指标。
6.森林土壤一经开垦耕种,土壤质量便迅速下降,使得樵采序列的有机碳含量明显高于开垦序列;樵采序列颗粒组分有机碳(POC)多与粘粉粒紧密结合,高的团聚体稳定性也证实这一点,该结合方式下POC受到保护而难以被微生物分解:开垦石漠化的POC多与砂粒结合而成为土壤有机碳中的非保护部分,从开垦序列颗粒组分的C/N值高于樵采序列也说明其低腐殖化、易被分解的特点。因此,开垦石漠化的土壤活性有机碳库的周转速率和土壤微生物碳库的下降速率都比樵采石漠化快,同时开垦石漠化SMBC的呼吸消耗比例普遍大于樵采石漠化,而形成土壤有机碳的比例相对较小,使得开垦石漠化处在较樵采石漠化更高的SMBC呼吸消耗平衡、较快的有机碳周转速率,长期积累的结果导致樵采石漠化维持在较高的土壤有机碳含量而开垦石漠化的土壤有机碳含量较低。即使在高的生物归还量下,开垦石漠化土壤质量的提高也是一个漫长的过程;同一干扰方式下,随石漠化程度增加,除上述原因对土壤的影响外,还与生物归还量降低及植被覆盖度降低时雨水或流水侵蚀的增加有关,导致土壤质量在石漠化过程中呈下降趋势。
7.针对石漠化过程与土壤退化的一致性,根据多重比较、相关性分析、通径分析和主成分分析结果,初步提出能体现石漠化成因及程度的土壤退化指标体系,化学指标:SOC、碱解氮、全氮、有效钾、CEC、颗粒有机碳的分配;酶指标:脲酶、β-葡萄糖苷酶;生物学指标有:LOC、LFOC、SMBC、qSMBC;物理指标有:团聚体稳定性、密度、D湿—D干、粉粒。该指标体系,还可以作为土壤质量评价及量化分类的有效指标。
8.研究区域樵采和开垦石漠化过程土壤的退化模式不同,但与以景观指标为主划分的石漠化等级间没有同步性,难以将石漠化过程的土壤退化按潜在、轻度、中度、强度等级或阶段划分:与潜在石漠化等级相比,樵采石漠化轻度等级的土壤退化不明显,中度等级稍有退化,强度等级的退化较明显;开垦石漠化轻度、中度、强度等级的土壤明显退化,轻度与强度接近,中度的退化程度最高;樵采和开垦序列的土壤退化都主要发生在酶活性和生物学性质方面,其次是化学性质的退化,物理学性质的退化都不明显。