喀斯特石漠化對土壤質(zhì)量的影響

喀斯特（溶血）荒漠化是中國西南喀斯特地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個重要環(huán)境保護(hù)問題。成為我國實施西部大開發(fā)和“十五扶貧攻堅計劃”中的一塊“硬骨頭”,與黃土高原同為我國環(huán)境退化問題最為突出的兩片地區(qū)。據(jù)資料統(tǒng)計,貴州喀斯特石漠化總面積達(dá)79,634km2,約占土地總面積的7.9%;廣西石漠化加重的趨勢仍未得到改變,仍以每年3%～6%的速度在發(fā)展;云南喀斯特石漠化面積已達(dá)21490km2。目前已引起黨中央國務(wù)院的高度重視。喀斯特石漠化是在亞熱帶地區(qū)巖溶極其發(fā)育的自然環(huán)境背景下,受人為活動的干擾破壞,造成土壤嚴(yán)重侵蝕,基巖大面積出露、生產(chǎn)力嚴(yán)重下降的土地退化現(xiàn)象。喀斯特石漠化不僅使土地喪失生產(chǎn)力,破壞了環(huán)境,而且嚴(yán)重影響農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn),危及到人類生產(chǎn)條件。而石漠化的土地又以生物地球化學(xué)循環(huán)、生態(tài)水文循環(huán)等形成反作用于石漠化發(fā)展過程中,繼續(xù)加速石漠化進(jìn)程。現(xiàn)已認(rèn)識到喀斯特石漠化是巖溶脆弱生態(tài)地質(zhì)背景與人類不合理人為活動相互作用而造成的巖石裸露、具有類似荒漠景觀的土地退化過程。進(jìn)一步研究結(jié)果表明,喀斯特環(huán)境獨特的二元結(jié)構(gòu)(即地表喀斯特景觀和地下喀斯特景觀組成的雙重結(jié)構(gòu)體)和地貌特征與強(qiáng)烈的巖溶化過程是石漠化產(chǎn)生的主要自然原因,人類對生態(tài)的破壞和土地的不合理利用是石漠化激發(fā)的主要人為因素。石漠化是我國土地荒漠化的主要類型之一,它的發(fā)生不僅使土壤表土喪失、土壤肥力下降,地表形態(tài)重塑,而且也直接和間接地導(dǎo)致植被發(fā)生變化。長期以來,人們對石漠化治理多強(qiáng)調(diào)的是地上部分植被的恢復(fù)和保護(hù)工作,而對退化巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量的受損和穩(wěn)定性恢復(fù)研究明顯缺乏。目前,國內(nèi)學(xué)術(shù)界針對喀斯特石漠化進(jìn)行了大量研究并取得了系列性成果,主要涉及:喀斯特石漠化的形成背景、演化與治理;石漠化驅(qū)動因子分析;巖性與石漠化土地的空間相關(guān)分析;石漠化的防治與恢復(fù)重建技術(shù)等。但總體上對石漠化的特點和成因仍停留在對石漠化的宏觀調(diào)查與狀態(tài)描述上,并在相當(dāng)程度上忽視了土地利用方式對石漠化發(fā)生區(qū)土壤質(zhì)量恢復(fù)的影響探討。為揭示人為活動與改變石漠化景觀,恢復(fù)土地生產(chǎn)能力,本文以貴州典型喀斯特石漠化地區(qū)為例,旨在探討喀斯特石漠化治理和生態(tài)重建的可行性和有效性,研究人類生產(chǎn)經(jīng)營活動和土地利用方式對石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量恢復(fù)能力的影響和調(diào)控機(jī)理,為設(shè)計優(yōu)化的土地利用安全模式提供科學(xué)依據(jù)。1石漠化地區(qū)的自然治理研究區(qū)域選擇在貴州省安順地區(qū)紫云縣的宗地、水塘、猴場、板當(dāng)、大營、四大寨6個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總面積1290km2,人口約12萬,屬于典型的亞熱帶喀斯特環(huán)境。由于中三疊統(tǒng)相變帶上的生物礁灰?guī)r在云貴高原南頃大斜坡帶的大面積出露,從而集中發(fā)育了典型、造型奇特雄偉的錐狀峰林喀斯特,這在中國和世界都是獨有的,是貴州喀斯特發(fā)育、反映形成環(huán)境條件具有代表性的分布地之一。境內(nèi)海拔高度450～1260m,地形破碎,切割強(qiáng)烈,水土流失嚴(yán)重。喀斯特地區(qū)雖基巖裸露,但未經(jīng)破壞的情況下,植被仍然十分茂密,以亞熱帶常綠闊葉林為主,其組成多為喜鈣旱生屬種,其中不少是石灰土上特有的樹種,如細(xì)葉石斛、灰葉槭、香木蓮、黑節(jié)草、貴州蘇鐵。部分地區(qū)有喀斯特原始森林和次生林。在石灰土地區(qū),地勢較低、坡度較緩的石灰土多數(shù)已被開墾農(nóng)用,是該區(qū)的主要耕作土壤之一。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫15～18℃,降雨量1200～1430mm。研究區(qū)從1979年開始實行退耕還林政策(群眾稱封山育林),退耕前呈中度和嚴(yán)重石漠化景觀,生態(tài)環(huán)境十分惡化。經(jīng)治理,現(xiàn)已形成較為完整的以農(nóng)、林、果為主的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū),截止2003年已開發(fā)治理石漠化土地140km2。使喀斯特石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到明顯恢復(fù),同時加快了少數(shù)民族貧困山區(qū)農(nóng)民的增收致富。2學(xué)習(xí)方法2.1研究區(qū)土地利用方式在研究區(qū)內(nèi)選擇代表性土地利用方式。樣地選擇時采用以空間換時間的方法,考慮到巖溶地區(qū)生態(tài)演替序列:自然林地(原始)→次生林地→灌草叢→坡耕地→棄耕地→石漠化土地→果樹地→農(nóng)地。每個研究樣區(qū)都選在一完整的巖溶地貌單元內(nèi),盡量保證地形的一致性。依不同地貌部位、不同土地利用方式在選定的73個樣地上S型采集土壤樣品(0～20cm),混合制樣,自然風(fēng)干,去除根系、石塊等研磨過篩,用于土壤理化性質(zhì)分析和顆粒組成測定。同時采集新鮮土樣帶回室內(nèi)測定土壤微生物指標(biāo)。以各樣地數(shù)的算術(shù)平均值作為該土地利用方式的最終數(shù)據(jù)。研究區(qū)基本上代表了喀斯特地區(qū)土地利用的生產(chǎn)經(jīng)營方式和類型。不同土地利用方式的樣地分布情況見表1。2.2土壤微生物及功能多樣性的測定方法土壤理化性質(zhì)分析:有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;全氮用凱氏法;堿解氮用堿解擴(kuò)散法;全磷用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法;速效磷用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;全鉀用酸溶-火焰光度計法;速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度計法;土壤機(jī)械組成用比重計法;土壤pH用電位法;陽離子交換量用NH4OAc法。土壤微生物分離計數(shù):細(xì)菌、真菌、放線菌和固氮菌采用平板表面涂布法;土壤微生物生物量:采用熏蒸提取法,熏蒸提取基本參照Vance等人的步驟,提取液中C采用(ShimazuTOC-500,日本購置)總有機(jī)碳自動分析儀測定,Cmic=Fc/0.45,Fc為熏蒸土壤和未熏蒸土壤釋放CO2-C之差;土壤微生物群落功能多樣性:采用常規(guī)的碳素利用(Biolog)法。土壤微生物群落功能多樣性測度方法:采用BiologGN微平板孔中吸光值來計算土壤微生物群落功能多樣性指數(shù),即Shannon指數(shù)(H),其計算公式為:H=-∑PilnPi,式中Pi為第i孔相對吸光值(C-R)與整個平板相對吸光值總和的比率。代謝剖面反應(yīng)孔的數(shù)目可代表微生物群落的豐富度(S)。植物群落調(diào)查對象為未受干擾的石漠化區(qū)、林區(qū)和不同年限的退耕地,調(diào)查時間為7～9月份,每月1次,樣方面積為5m×5m,各地類樣方重復(fù)7次,共調(diào)查樣方106個。2.3數(shù)據(jù)分析群落物種的豐富度和群落物種的重要值的豐富度r表示為群落物種數(shù)量重要值=相對多度+相對蓋度+相對頻度類多樣性指數(shù)采用香農(nóng)-溫納指數(shù)Η′=s∑i=1ΝilogΝi式中,N是所有種的個數(shù),Ni是第i個種的個數(shù),s是種數(shù)。樣性與最高多樣性的比率均勻度指樣方中各植物種多度的均勻度,即觀察多樣性與最高多樣性的比率:J=[Ν(Ν/S-1)]/s∑i=1ni(ni-1)式中,N是所有種的個數(shù),ni是第i個種的個數(shù),s是種數(shù)。生態(tài)優(yōu)勢意味著群落的結(jié)構(gòu)特征C=s∑i=1{[ni(ni-1)/Ν(Ν-1)]}式中,N是所有種的個數(shù),ni是第i個種的個數(shù),s是種數(shù)。3結(jié)果與分析3.1林地和立地條件對土壤養(yǎng)分含量的影響土地利用方式可引起自然和生態(tài)過程變化及土壤養(yǎng)分變化。因此,土地利用方式對提高和恢復(fù)石漠化土壤肥力具有重要的作用。由表2可看出,按貴州農(nóng)田土壤肥力的劃分標(biāo)準(zhǔn),各土地利用類型的土壤全N和全P都處于中低產(chǎn)田下限值(4g/kg)左右,除石漠化土地外其它土地利用類型的土壤有機(jī)質(zhì)和全K含量均高于中產(chǎn)田的上限值(15g/kg和10～15g/kg)。石漠化土地的有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K含量分別比其它類型低3.6～12.3、1.2～4.1、4.3～5.7、3.2～4.5倍。這說明在一定的環(huán)境條件下,石漠化土地在人類合理的干預(yù)下是可以逆轉(zhuǎn)的。但是由于土地利用方式和投入經(jīng)營水平的不同,以及不同作用對土壤養(yǎng)分的消耗的差異,使得對土地養(yǎng)分的補(bǔ)給(枯枝落葉、肥料、水分等)和調(diào)節(jié)作用也會存在一定差異。林地、草地的有機(jī)質(zhì)、全P和全K含量最高,農(nóng)地因為每年施用肥料,因而保持了相對較高的水平,全N量以草地最高,分別是其它利用方式的1.2～2.8倍(石漠化地除外),在不施肥的條件下仍能保持相對較高的全N量,這是種植固N(yùn)植物(三葉草、苜蓿)培肥的結(jié)果。林地土壤有機(jī)質(zhì)、N素的提高主要受林分凋落物及部分枯枝落葉的腐殖質(zhì)礦化影響。值得注意的是,林地土壤表層有機(jī)質(zhì)含量從51.6g·kg-1下降到石漠化地的7.2g·kg-1,降幅達(dá)80%以上。產(chǎn)生這種情況的原因是石漠化,一方面使有機(jī)質(zhì)隨著細(xì)粒物質(zhì)的侵蝕而損失,另一方面導(dǎo)致地表植被覆蓋度降低,有機(jī)物來源減少,礦化分解作用強(qiáng)烈,不利于有機(jī)質(zhì)積累。可見,土壤有機(jī)質(zhì)表層對土壤有重要的保護(hù)作用。由表2可看出,林地的各項元素相對高于農(nóng)地和果樹地,林地的速效P和K分別比農(nóng)田提高了16.7%和72.9%,較果樹地提高了29.3%和61.3%。這與農(nóng)地和果樹地長年單施氮肥有關(guān)。據(jù)研究,長年單施N肥,可使土壤全N保持平衡,但有效P、K顯著降低。值得說明的是坡耕地、棄耕地、石漠化地的速效N和速效P均顯著低于林地、草地和果樹地,而農(nóng)地的這兩項元素又高于草地和石漠化地,這是經(jīng)營水平和干擾強(qiáng)度的差異所致。林地管理措施雖然和草地相同,但由于喬木具有龐大的根系,無疑增強(qiáng)了對土壤礦物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化作用。土壤陽離子交換量由林地的47.18cmol/kg一直降到石漠化地8.24cmol/kg,降幅達(dá)82.5%。而農(nóng)地由于受生產(chǎn)經(jīng)營活動的影響,土壤交換性能保持在一個較好的水平。3.2石漠化對土壤理化性質(zhì)的影響喀斯特石漠化是受人為活動的干擾破壞,造成土壤嚴(yán)重侵蝕,基巖大面積出露、生產(chǎn)力嚴(yán)重下降的土地退化現(xiàn)象。受此影響,土壤會發(fā)生質(zhì)地粗化、土壤肥力降低,生產(chǎn)力下降等一系列變化。在石漠化過程中,人為因素是加速這一過程的主要驅(qū)動力。分析結(jié)果表明(表3),土壤顆粒主要集中在<0.05mm的范圍內(nèi),土壤粘粒含量普遍大于20%。喀斯特環(huán)境中土壤顆粒組成主要受母質(zhì)影響,而植被和土地利用方式對其也有很大影響,長期的耕作與土壤侵蝕作用可以影響到表層土壤的顆粒組成。已有的研究表明,熱帶亞熱帶土壤中活性較強(qiáng)的無機(jī)結(jié)構(gòu)膠結(jié)物甚至粘粒在成土過程中總是呈減少下降的趨勢,在亞熱帶地區(qū)由于降雨量多且強(qiáng)度大,土壤一般因水的動力學(xué)作用而呈現(xiàn)出粘粒含量較高的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明,這一現(xiàn)象在喀斯特地區(qū)十分普遍,但不同利用方式差別很大。就1～0.05mm顆粒而言,林地明顯大于坡耕地和石漠化土地(表3),說明在自然植被演替為次生植被或人工開墾利用后,喀斯特山地土壤表層出現(xiàn)砂化,具有粗骨性土壤的特征,<0.001mm粘粒含量很少,0.05～0.001mm粉粒含量較高,細(xì)土部分的砂粒含量次于粉粒含量,高于粘粒含量,說明土壤礦質(zhì)膠體缺乏,土壤顆粒粗大緊實,影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。而林地、草地、果樹地和農(nóng)地土壤顆粒組成更加趨近于合理,增加土壤通透性能,改善土壤物理性質(zhì)。可見,在人類對土地資源合理開發(fā)利用下,土壤物理性質(zhì)向好的方向發(fā)展。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體變化由表3可看出,林地、草地和果樹地的各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高,大小團(tuán)聚體所占比例較為適宜,其中以>0.25mm團(tuán)聚體占的比例最高,土壤結(jié)構(gòu)性好;而坡耕地、棄耕地各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較低,大小團(tuán)聚體的分配不合理,且團(tuán)聚體從大到小所占比例逐漸增加的趨勢,土壤結(jié)構(gòu)性差,部分樣品中全部是>0.25mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體,而較大的團(tuán)聚體遇水后幾乎完全分散。這證明土壤正在砂化(石漠化),因為這類土壤中>0.25mm水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)體有很大一部分是由顆粒組成中的粗砂粒構(gòu)成的。石漠化地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體低于60%,與其土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)含量較低有關(guān)。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量表現(xiàn)為農(nóng)地>林地>草地>果樹地>棄耕地>坡耕地>石漠化地,表明土地利用方式和人為耕作活動對土壤團(tuán)聚體的形成有較大影響。退耕還林(草)措施明顯提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,增強(qiáng)土壤抗蝕性和蓄水性,退耕后團(tuán)聚體可在一定程度上得到恢復(fù)。有研究表明,在人為因素的干擾下,耕地土壤經(jīng)過17a的合理耕作后,與原生土壤比較,土壤質(zhì)地變化不顯著,并且土壤中的營養(yǎng)元素都高于原生土壤,土地并未出現(xiàn)退化現(xiàn)象。這表明只要長期堅持對土地資源的合理保護(hù)和開發(fā)利用,是可以延緩或遏制石漠化土地的擴(kuò)展和發(fā)生。3.3不同土地利用類型土壤微生物群落多樣性的差異性在土壤質(zhì)量的演變過程中,土壤微生物參與土壤的C、N、P等元素的循環(huán)過程和土壤礦物的礦化過程[22,23,24,22,23,24]。微生物是供給植物營養(yǎng)元素的活性庫,微生物種群數(shù)量的消長,一般能反映土壤肥力的變化。由表4可看出,各土地利用類型的微生物總量排序為林地>草地>果樹地>農(nóng)地>坡耕地>棄耕地>石漠化地。各地類的細(xì)菌和固氮菌數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過放線菌和真菌,最高達(dá)45.0倍,最低為1.4倍。林地、果樹地的微生物細(xì)菌數(shù)量占絕對優(yōu)勢,分別占微生物總量的69.7%和73.3%,固氮菌分別占19.8%和18.6%,兩者合計分別占89.5%和91.9%。各菌種數(shù)量按地類排序分別是:細(xì)菌為林地>果樹地>草地>農(nóng)地>坡耕地>棄耕地>石漠化地;放線菌為農(nóng)地>草地>林地>果樹地>棄耕地>坡耕地>石漠化地;真菌為林地>草地>農(nóng)地>果樹地>坡耕地>棄耕地>石漠化地;固氮菌為草地>林地>農(nóng)地>果樹地>坡耕地>棄耕地>石漠化地。細(xì)菌的數(shù)量以林地和果樹地最高,為農(nóng)地和草地的1.25～1.61倍;相反農(nóng)地和草地的放線菌數(shù)量比果樹地和林地高,尤其是農(nóng)地較果樹地和林地增加了1.79和2.97倍;在真菌的分布上,林地和草地接近,果樹地和農(nóng)地近于等量,前兩者是后兩者的1.73倍和1.62倍;而石漠化地未見真菌;固氮菌以草地最高,分別是林地、果樹地、農(nóng)地、石漠化地的1.56、1.97、1.79、17.97倍。研究表明,通過施肥或種植固氮植物,可提高土壤N素水平,增加土壤微生物的繁衍。可見,土地利用方式和集約經(jīng)營程度(施肥、管理等)對土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)作用,是增強(qiáng)土壤微生物活性、提高土壤質(zhì)量、防止喀斯特石漠化的重要舉措。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物生物量作為有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的動力,是植物養(yǎng)分重要的源和庫,對植物營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化、有機(jī)碳代謝具有極其重要的作用,通常以微生物量碳含量來表示。表4可看出,不同土地利用類型中表現(xiàn)為:林地>草地>果樹地>農(nóng)地>坡耕地>棄耕地>石漠化地,表明不同土地利用方式下微生物量差異明顯。Biolog系統(tǒng)是反映土壤微生物生理輪廓和微生物群落結(jié)構(gòu)的有效手段。由于BiologGN盤中制備有95種不同性質(zhì)的碳源,在培養(yǎng)過程中土壤的不同類群微生物對各自的優(yōu)先利用碳源具有選擇性,進(jìn)而使BiologGN盤中反應(yīng)孔的顏色變化出現(xiàn)不同程度的差異。因而,BiologGN盤中反應(yīng)孔的顏色變化數(shù)目在一定程度上可間接反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成上的差異,顏色變化孔數(shù)越多則表明土壤微生物群落種類相對就越豐富。通常把顏色變化孔數(shù)作為土壤微生物群落功能多樣性的豐富度(S)。由表4可知,林地土壤的顯色孔數(shù)最多(達(dá)93目),其微生物群落豐富度最大;嚴(yán)重石漠化的土壤顯色孔數(shù)最少(僅為4目),其微生物群落豐富度最小。Shannon指數(shù)是研究群落物種數(shù)及其個體數(shù)和分布均勻程度的綜合指標(biāo),是目前應(yīng)用最為廣泛的群落多樣性指數(shù)之一。本文采用這個指數(shù)來表示供試土壤微生物群落功能多樣性相對多度的信息。分析結(jié)果表明,石漠化地的土壤群落Shannon指數(shù)明顯低于其它各類土壤,降幅達(dá)78.9%～96.4%。可見,土壤微生物群落的種群結(jié)構(gòu)受到了土地石漠化的嚴(yán)重影響,從而使其微生物群落功能多樣性出現(xiàn)相應(yīng)的降低。3.4立地條件及植被的生長與植被演變從表5可看出,在退耕還林(封山育林)初期,蛇根草群落多樣性指數(shù)為0.96,均勻度為0.29,而優(yōu)勢度高達(dá)0.75。經(jīng)過13a的退耕恢復(fù)過程,蛇根草已經(jīng)逐漸衰亡,現(xiàn)已為青岡+圓果化香群落代替。多樣性指數(shù)、均勻度明顯增高,優(yōu)勢度減少。同樣,密花樹-冷水花群落也逐步過渡到小葉欒樹+圓果化香群落。而石漠化區(qū)由于土壤被侵蝕殆盡,基巖大面積裸露,生境惡劣,其鼠李-蛇根草群落在植物組成、多樣性等性狀無明顯變化,需要進(jìn)行長時期恢復(fù)。另外,受人為不良耕作制度的影響,耕地因土壤貧瘠而被迫退耕。退耕地隨退耕年限增長土壤性狀趨于良好,退耕地土壤肥力越來越高。此時,退耕地的植物變化進(jìn)入次生演替階段。巖溶植被具喜鈣性、耐旱性及石生性,植被逆向演替快、順向演替難,生物資源集聚程度低的特點。從群落水平特征來看,退耕地多樣性指數(shù)、均勻度在退耕初期隨退耕年限的延長逐漸增大,在17a以后趨于穩(wěn)定(表6)。從環(huán)境角度看,亞熱帶喀斯特環(huán)境條件下的退耕地植被演替,隨時間的推移,以鈣生的植物種代替了旱生的植物種。從時空分布來看,退耕地在初期是以一年生雜草為優(yōu)勢種,到了后期,植被向鈣生和石生方向演替。表明土地利用強(qiáng)度越大,木本植物越少,草本植物種子越多,且以雜草