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峰丛洼地是西南喀斯特地区生态环境最为脆弱、生态治理难度最大的地区,景观和土壤性质的高度异质性是该地貌类型区退化生态系统难以套用以往模式进行恢复重建的重要原因。探明峰丛洼地土壤性质的空间分异规律,揭示其对人为干扰的响应机制是当前亟待解决的关键科学问题。本研究通过系统的野外调查和室内分析,探讨了养分积累与地形、植被、微生物、土壤侵蚀等一系列因素和过程的关系,揭示土壤养分空间分异及其主要影响因素,以期为该地区的植被恢复和生态环境建设提供科学依据。主要结论如下:
(1)干扰区生态系统和原生林生态系统土壤养分具有不同的空间分异规律,干扰区土壤养分存在非典型分布现象,即土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)等养分呈现出随坡位升高而增加的特征。而原生林则表现出与其他类型区相似的典型分布特征,随坡位升高而降低;通过干扰历史-植被-凋落物-土壤等生态组分的耦合分析,明确了人为干扰是造成土壤养分空间格局变化的主要原因。
(2)受到耕作扰动后,喀斯特坡地土壤有机质(SOM)表现出急剧丢失的特征。在开垦两年后玉米地SOM的流失率达42%,牧草地SOM的流失率为19%,牧草地的免耕种植和较大的根系生物量一定程度上有利于遏制SOM的快速丢失;不同养分对开垦的响应不同,SOM和N响应最为强烈,均在开垦后显著降低。P和K则对施肥管理响应更为明显,在有施肥投入的情况下,土壤P、K流失趋势不明显。
(3)植物叶片养分和元素化学计量分析表明,不同植被叶片养分含量和化学计量比特征不同。由于干扰后土壤N的大量流失,演替初期(草地)生态系统的养分循环明显不同于灌、乔生态系统,草地生态系统表现为N限制;随着植被演替过程中土壤SOC和TN等养分的积累,灌木林生态系统不再受N限制,也不受P限制;演替后期,次生林和原生林生态系统主要表现为P限制。
(4)凋落物质量、土壤阳离子交换性能(CEC)、地形等因子对土壤养分的积累具有显著影响。其中CEC和凋落物质量(N含量、C∶N和N∶P比等)是SOC和TN积累的主要控制因素;较高的CEC及较小的凋落物C∶N比有利于SOC和TN的积累,主要是因为凋落物中的富N组分具有较高的化学稳定性,而交换性钙、镁对SOM的固定和保护具有重要作用。
(5)受凋落物质量和土壤养分空间分异的影响,土壤微生物量C(SMBC)、微生物量N(SMBN)和土壤酶活性在不同植被类型和不同坡位均存在显著差异;土壤SOC、TN与酶活性关系密切,较高的碱性磷酸酶活性和较低的尿酶活性有利于SOC和TN的积累。
(6)人为干扰造成了植被群落结构和凋落物归还质量的变化,使下坡位土壤脲酶活性增强,有机质净矿化速率升高,增加了土壤养分的流失风险;同时,由于人为干扰对土壤结构的破坏,下坡位土壤侵蚀和淋溶强度加大,导致土壤养分平衡发生改变,养分流失,形成了干扰区特殊的养分空间分异格局。