A1719贵州南部喀斯特植被群落变化.doc

贵州农业科学 2010，38（X）： 19-2-10 6:36 Guizhou Agricultural Sciences 来稿编号A1719-100519 罗老师你好：已对文章作了修改，请仔细阅读全文，看看是否有修改不当或改错的地方，是否还有修改和补充的地方，是否同意修改？如对文章进行补充或修改，请在本修改稿上进行，在修改处用蓝色标注以便查找核实。以此次作者修回稿为定稿，请认真修改并速返回。贵州农业科学编辑部聂克艳 收稿日期 2010-05-19基金项目中国科学院知识创新工程项目“岩溶山地土壤与植被关联退化过程及其调控对策研究”(KZCX2-YW-306)，贵州省自然科学基金“废弃土地生态复垦机理及技术研究”黔科合J字（2007）2152 作者简介 罗海波 (1973), 男, 副教授，博士，从事土壤生态学的研究。贵州南部喀斯特植被群落变化对小生境土壤养分的影响罗海波，蒲通达，陈祖拥，刘方(贵州大学环境与资源研究所，贵州 贵阳550025)摘要对贵州南部茂兰喀斯特不同植被群落生态系统中小生境的土壤进行了采样分析，以探讨喀斯特植被群落变化对小生境土壤的影响。结果表明：在喀斯特森林生态系统中，石缝和石坑土壤有机质含量显著高于石沟和土面土壤，土面土壤有机质含量最低。石缝土壤全氮、全磷、有效氮、有效磷、有效钾含量明显高于石坑、石沟和土面土壤，石沟土壤有效氮、有效钾的含量显著高于土面土壤。在阔叶林-灌木林-灌草群落演替过程中土面土壤有效氮磷钾含量出现显著地下降，其次是石沟土壤，而石缝及石坑土壤氮磷钾含量未出现明显降低。喀斯特不同植被群落土壤养分的变化受森林群落退化演替以及小生境多样性的影响。关键词喀斯特森林；小生境；土壤养分中图分类号 S156.1；S157.1 文献标识码AImpact of Karst Forest Degradation on Mic-topographic Soil Nutrient in South Guizhou ProvinceLuo Haibo Pu Tongda Chen Zuyong Liu Fang (Institute of Environment and Resources, Guizhou University, Guiyang 550025, P.R.China)Abstract: Variability of soil nutrient in the process of forest degradation were explored through survey and sampling analysis of the soils in micro-habitats of the karst forest ecosystem of Maolan, South Guizhou. Results show that crevice and pit were markedly higher than gully and flatland in soil organic matter content. Crevice was obviously higher than pit, gully and flat land in contents of soil total nitrogen, soil total phosphorus and soil available N, P and K; gully was higher than flat land in contents of soil available N and K. With forest degradation, the contents of available N, P and K in the soils from flat land were obviously decreased, followed by the soil of gully, but the contents of available N, P and K in the soils from pit and crevice had not reduced significantly. Therefore, the variability of soil nutrient in the karst forest ecosystem was impacted by vegetation communities and micro-habitats.Key words: Karst forest; Microhabitat; Soil nutrient; Nitrogen; Phosphorus 贵州高原处于我国西南喀斯特地区的中心地带，位于世界三大喀斯特集中分布区的东亚片区的核心，分布面积最广、最为集中。喀斯特地区多为峰林、峰丛、峡谷地貌，地表崎岖破碎，坡度陡峭，溶蚀、水蚀作用显著，加上石灰岩成土速度慢，形成的土壤浅薄，并且土被不连续，土壤蓄水能力弱，植物生长缓慢。喀斯特地区多为湿润的亚热带季风气候，该地区植被大多具有喜钙、旱生和石生性特点，南方喀斯特森林是一种特殊森林生态系统，其顶级群落为常绿落叶阔叶混交林，生态系统的组成和结构复杂，生态系统的物种多样性和结构多样性较高1-2。喀斯特生境是由多种小生境类型镶嵌构成的复合体，其组合状况决定了该生境的生态有效性，小生境的多样性充分说明了喀斯特生境的异质性高3。目前国内学者针对喀斯特土壤开展了较多的研究工作，对喀斯特森林退化中的土壤理化性质演变、土壤微生物区系、土壤酶活性和土壤生化作用强度等进行了部分研究3-15，已取得大量研究成果。但这些研究多侧重对连续的土体进行研究，而对喀斯特森林生态系统不同小生境中的土壤变化的研究相对较少。因此，本研究选择茂兰喀斯特森林保护区作为研究对象，系统地研究喀斯特森林生态系统中不同小生境下土壤性质的变化，为喀斯特地区土壤资源保护、生态环境恢复以及土地资源的可持续利用提供科学依据。1材料与方法1.1 研究区概况研究区位于贵州省荔波县茂兰喀斯特自然保护区境内，该保护区地理位置为东经10752101084540，北纬250920252050；年平均温度18.3，10积温5767.9，无霜期283d，年降雨量1320.5mm，集中分布于410月，属典型中亚热带季风性湿润气候1。成土母岩主要是白云质灰岩、泥质灰岩，土壤类型主要是黑色石灰土、黄色石灰土，属裸露型喀斯特地貌，与常态地貌相比，生境复杂多样，有石面、石沟、石洞、石坑、石缝、土面等多种小生境，其生态因子变化很大。区内植被茂密，森林覆盖率在80%95%，植被覆盖率为95%以上，基岩裸露率（岩石出露地表的面积占样区面积的百分率）在60%90%。该地区大部分原生植被保护比较完好，森林群落优势种主要有香椿（Toona sinensis）、乌桕（Sapium rotundifolium）、香叶树（Lindera communis）、密花树（Rapanea neriifolia）、枫香（Liquidambar formosana）、朴树（Celtis sinensis）、圆果化香（Platycarya longipes）等。这些树木多生长于石缝、石沟、微台地、小土坑上。乔木株高47m，灌木层平均1m左右，林下草木较少。1.2采样方法在地形及坡度比较一致的条件下，选择原生阔叶林、次生阔叶林、灌木林及灌草丛设置样地300m2，每种样地设3次重复，共设置12块样地。在研究区内的林地中，设置20m15m的3个完整的岩溶地貌单元（按山的上中下部选点），尽量保证这3个岩溶地貌单元地形的一致性。在每个地貌单元内进行土壤详查，对石沟（指顺着山体向下开口而低于石面或土面的堆积有冲积土的长形凹槽）、石缝（在石头上裂开或自然露出的窄长口子或石块与石块接合而露出的狭长缝隙）、石坑（指石面上凹陷下去并自然堆积有土壤的坑）、土面（坡面上连续的土体）的土壤进行调查，记录相关信息；按照石沟、石缝、石坑、土面4种类型分别多点采集015cm的表层土壤混合样品。土样在室温下风干，过2mm和0.25mm筛，用于土壤理化性状的测定。1.3检测项目及数据分析方法土壤测定项目有pH值、有机质、全氮、全磷、缓效钾、有效氮、有效磷、有效钾和粘粒(0.002mm)含量。土壤pH值采用酸度计法，有机质采用重铬酸钾法，全氮采用开氏定氮法，有效氮采用扩散皿法，全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼蓝比色法，有效磷采用Olsen法(NaHCO3溶液浸提)，酸溶性钾采用热硝酸浸提-火焰光度计法，有效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法，土壤颗粒组成采用简易比重计法测定16。数据统计分析采用DPS软件进行，对土壤主要养分含量、土壤酶活性及土壤呼吸强度进行多重比较及相关分析，其他数据处理由Excel软件完成。2 结果与分析2.1喀斯特森林生态系统中的小生境土壤理化性质的差异2.1.1土壤粘粒及砂粒的含量从表1看出，不同小生境下土壤粘粒及砂粒的含量出现明显的变化，0.002mm粘粒含量的变化范围平均达9.5%18.0%，质地变化从砂质壤土到粘壤土。多重比较(LSD)结果表明，石缝中土壤粘粒含量最高，与石沟和石坑中土壤粘粒含量的差异达到显著性水平；土面中土壤粉粒（0.0020.02mm）含量最高，与石沟、石缝和石坑中土壤粉粒含量的差异达到显著水平；石坑中土壤砂粒含量最高，与石沟和石缝中土壤砂粒含量的差异性也达显著水平。可见，不同小生境之间土壤质地出现显著的差异。小生境土壤颗粒组成的差异与喀斯特微地貌条件及水分运动有关，在石缝中土壤残留较多化学风化物，土壤粘粒数量较多；而石坑及石沟中土壤颗粒多为地表流水堆积物，砂粒含量相对较高。总体而言，喀斯特森林生态系统中不同小生境土壤质地以壤土为主，土体通透性适中，保水保肥能力较好。表1 喀斯特森林生态系统中不同小生境下土壤理化性质的变化Table1 Variation of the soil properties with the micro-habitat in the karst forest ecosystem小生境类型pH有机质/(g/kg)土粒 (%)质地(国际制)20.02 mm0.020.002 mm0.002 mm石缝7.220.03a331.255.1a41.03.1a 41.22.4a18.02.5a粘壤土石沟7.240.06a124.15.9b52.41.3ab36.43.0b12.03.2b壤土石坑6.850.24b291.0168.7a58.09.2b33.56.0c9.53.4b砂质壤土土面6.740.33b113.324.0b42.56.0 a44.26.5ab14.33.0ab壤土注：表中数字为平均值标准差，字母为多重比较(LSD)结果，同一列中字母不同的处理之间达到p为0.05的显著性水平2.1.2ph值及有机质含量表1结果表明，不同小生境土壤的酸碱度处于中性范围，但石沟、石缝中土壤pH明显高于石坑、土面土壤，特别是土面土壤的pH最低。受小生境微地形及植物多样性的影响，不同小生境土壤有机质的含量也出现明显差异，土壤有机质变化范围平均达到113.3331.2 g/kg，土面中土壤有机质含量最低，而石缝和石坑土壤中的有机质含量显著高于石沟和土面土壤；其中，石缝和石坑土壤有机质的平均含量分别是土面土壤的2.92倍和2.57倍。这是由于石灰岩地区的差异风化使基岩表面强烈起伏，地表岩石风化残积形成的土壤在重力和水的作用下，以微距离和短距离垂直向下迁移，使土壤积聚在低洼的石坑中，植物生物量和微生物活性都较高，大量的枯枝落叶在微生物的分解作用下转化为腐殖质，这些腐殖质再与钙结合凝聚形成腐殖质钙，分布在较少的土壤量中，使得地表残积风化物的生物成土作用强烈，有机质形成大量结构稳定的有机无机复合体，缓解了微生物的迅速分解，使土壤有机质保持较高的含量。而在石缝土壤中，光、热、相对湿度等环境因子相对较好，多有大量适宜喜潮湿的藓蕨类及耐阴湿的树种生长，而这些植被能提供大量的枯枝物，在微生物作用下形成了稳定的腐殖质。2.2喀斯特森林生态系统中小生境土壤氮磷钾含量的差异从表2可看出，喀斯特森林生态系统中不同小生境下土壤主要养分的数量也发生了变化，土壤全氮、全磷平均含量的变化范围分别是5.7719.00 g/kg和0.691.38g/kg，土壤缓效钾的平均含量是123.00253.00mg/kg，土壤碱解氮、有效磷和速效钾平均含量的变化范围分别在456.70894.00 mg/kg、7.6233.60 mg/kg、83.00213.00mg/kg。土壤养分表现为石缝土壤氮、磷和钾的含量最高，其次是石坑土壤，再次是石沟土壤，土面土壤最低。在石缝中土壤全氮、有效氮含量与石沟及土面土壤存在显著性差异，石缝、石坑、石沟土壤全氮平均含量分别是土面土壤的3.29倍、1.93倍和1.22倍，而土壤碱解氮含量则分别是1.96倍、1.32倍和1.14倍。石缝土壤中全磷、有效磷含量显著高于石沟、石坑、土面土壤，石沟、石坑和土面土壤间有效磷含量也存在明显的差异。土壤缓效钾、速效钾含量在各小生境土壤中的变化趋势为石缝石坑石沟土面。在石缝土壤中土壤缓效钾、速效钾含量明显比石沟、石坑和土面土壤高。总的看来，在不同小生境土壤中，有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量变化均有相同的变化趋势，即石缝石坑石沟土面。石缝土壤全氮、全磷、缓效钾、有效氮、有效磷、有效钾含量明显高于石坑、石沟和土面的土壤，石坑土壤全氮、缓效钾、有效氮、有效磷、有效钾的含量明显高于土面和石沟的土壤；而石沟土壤有效氮、有效钾的含量显著高于土面的土壤。因此，不同小生境下土壤主要养分的差异主要表现在有效养分数量上的变化，这种变化与小生境植被类型、枯落物数量及岩石风化物的搬运过程及成土过程密切相关。喀斯特小生境的多样性主要影响土壤的形成过程，石缝成土过程以腐殖化为主，淋溶强度弱，腐殖酸含量高，有机质含量和有效养分含量明显高于其他小生境的土壤。石坑以物质堆积为主，淋溶作用弱，有机质含量和有效养分明显高于石沟、土面的土壤，土面以物质迁移为主，淋溶作用较大，有机质和有效养分含量低于石沟土壤。表2 喀斯特森林生态系统中小生境土壤氮磷钾含量Table 2 Variation of soil N,P and K under the micro-habitat in the karst forest ecosystem小生境类型全氮/(g/kg)全磷/(g/kg)缓效钾/ (mg/kg)碱解氮/(mg/kg)有效磷/(mg/kg)速效钾/(mg/kg)石缝19.003.09a1.3780.185a25335a894.0122.7a33.605.51a21329a石沟7.050.87b0.7620.043b14834b521.234.3b11.531.93bc10530ab石坑11.169.49ab0.7970.330b17089ab603.7299.4b16.3411.06b150123ab土面5.770.42b0.6880.110b12333b456.732.2bc7.622.55bc8332b注：表中数字为平均值标准差, 字母为多重比较(LSD)结果, 同一列中字母不同的处理之间达到p为0.05的显著性水平。2.3 喀斯特森林退化对小生境土壤氮磷钾含量的影响选择阔叶林、灌木林及灌草丛3种植被类型，评价植被群落变化对土壤氮磷钾含量的影响(表3)。就土面土壤来说，不同植被类型下土壤全氮、全磷、缓效钾含量的变化范围分别达3.6118.01g/kg、0.481.35g/kg和126.00296.70mg/kg，从阔叶林向灌木林及灌草丛演变过程中，仅土壤全氮含量出现下降的趋势。不同植被类型之间有效性养分出现明显变化，阔叶林下土面土壤有效氮分别是灌木林、灌草丛土壤的1.25倍和1.40倍，有效磷分别是灌木林、灌草丛土壤的1.75倍和2.13倍，有效钾分别是灌木林、灌草丛土壤的1.14倍和1.51倍。石沟土壤养分的变化与土面土壤相似，但变化幅度较小。在不同植被群落下，石坑、石缝中土壤全氮、全磷及缓效钾含量未出现明显下降，有效性氮磷钾也未出现明显的降低，而土面土壤有效态氮、磷、钾出现明显下降，其次是石沟土壤。说明，森林退化使植物生长所需的有效养分数量明显减少，导致土壤肥力水平下降，从而影响植物的生长及生态系统的物质循环。表3 喀斯特山区不同植物群落下小生境土壤氮磷钾含量Table3 The contents of soil N , P and K in the soils under various vegetation of karst area 小生境类型植被类型全氮/ (g /kg)碱解氮/ (mg/kg)全磷/ (g/kg) 有效磷/(mg/ kg)缓效钾/ (mg/kg)速效钾/(mg/kg)石缝阔叶林12.187.57790.164.40.910.1217.77.8229.327.2186.730.5灌木林18.013.08900.5131.01.350.4823.05.1286.760.3226.773.7灌草丛9.043.68726.5187.11.220.1711.32.5276.775.0110.036.0石沟阔叶林7.381.43506.258.50.790.215.82.1153.323.1100.040.0灌木林5.691.62452.3141.20.710.235.63.2146.732.180.030.0灌草丛4.950.51492.1209.30.520.214.40.77145.331.653.35.8石坑阔叶林12.125.11830.936.61.160.1014.13.0206.725.2186.720.8灌木林17.452.29917.395.51.310.2621.24.71280.050.0200.036.0灌草丛18.303.25878.4173.51.340.2121.15.5296.732.1150.017.3土面阔叶林4.910.93408.230.50.480.144.91.9130.023.665.018.0灌木林3.860.58325.631.60.550.182.80.41126.020.156.710.4灌草丛3.610.75291.2059.10.580.142.30.44163.340.443.35.8注：表中数字为平均值标准差3 结论与讨论1）在贵州南部喀斯特森林生态系统中，不同小生境土壤性质出现明显的差异。石坑土壤砂粒含量明显高于土面、石沟和石缝土壤，而石缝土壤粘粒含量明显高于土面、石沟和石坑土壤。石缝和石坑土壤有机质含量显著高于石沟和土面土壤，土面土壤有机质含量最低。石缝土壤全氮、全磷、缓效钾、有效氮、有效磷、有效钾含量明显高于石坑、石沟和土面土壤，石坑土壤全氮、缓效钾、有效氮、有效磷、有效钾的含量明显高于土面和石沟土壤；而石沟土壤有效氮、有效钾的含量显著高于土面土壤。2）在喀斯特森林退化过程中，土面土壤有效氮、有效磷、有效钾含量出现明显下降，其次是石沟土壤，而石坑、石缝中土壤有效氮、有效磷、有效钾含量未出现明显降低。喀斯特森林土壤养分水平与植物群落演变密切相关，同时小生境的多样性也是导致土壤养分变化的重要因素。喀斯特森林土壤养分的变化受森林群落退化演替以及小生境多样性的双重影响，协调养分之间的良好平衡关系是喀斯特地区生态环境保护的重要途径之一。对于喀斯特森林生态系统来说，小生境异质性是本质问题，随着喀斯特森林的退化，生境逐步从湿润、空气湿度大的中性生境向干旱、空气湿度小的严酷生境发展，植物群落向旱生群落方向演变，这种变化也改变了小生境的土壤环境空间结构，使土壤养分变化并不一致，小生境的土壤退化差异造成喀斯特土壤退化的非均一性，使喀斯特土壤养分也出现时空变异。认识喀斯特土壤养分的空间异质性，对喀斯特山区生态恢复有重要的指导意义。这方面还有待于深入研究。3）喀斯特山区的土壤在小生境尺度上具有连续变异性，在样地尺度的小生境间土壤不存在连续变异性。在己有喀斯特山区生态系统土壤退化研究中，样地代表性土样的采集一般采用常规的采样方法，即对每个样品进行多个样点混合，或在每个样地选取58个点的混合样或采用S型或梅花型取样法取35点混合样。该方法对于地貌变化较平缓、小尺度上土壤性质空间变异较小的非喀斯特系统连续变异土体土壤样品的采集是适合的，但对于具有复杂小生境组合的喀斯特山区，这样的方法采集的土样能否代表某一样地是一个值得探讨的问题；对于高度异质喀斯特生境按常规取样方法，会出现喀斯特生态系统间土壤性质缺乏可比性。本研究针对喀斯特地区小生境空间异质性的本质，对研究区内的每个地貌单元（石沟、石缝、石坑、土面）进行调查，并对各地貌单元下的小生境进行独立的土壤采样及详查。进而确保土壤采样能够对不同类型的小生境土壤具有代表性，但是，喀斯特地区破碎地形条件下形成的多样性微地貌，缺乏系统的划分方法，同时，植被的生长以及成土因素等增加了土壤小生境的多样性。本文对喀斯特地区小生境的划分仅为定性划分，未能全面的反映喀斯特地区小生境土壤系统状况。因此，建立系统的研究方法和指标是对喀斯特地区土壤质量研究的重要方向。参考文献1 周政贤.茂兰喀斯特森林科学考察集M.贵阳:贵州科学技术出版社,1987：1-23. 2 朱守谦,何纪星,魏鲁明,等.茂兰喀斯特森林小生境特征研究M/朱守谦.喀斯特森林生态研究().贵阳:贵州科学技术出版社,2003：24-29. 3 罗海