（环境科学专业论文）贵州喀斯特石漠化土壤氮素变异特征与生态环境效应研究.pdf

贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 s t u d yo nv a r i a t i o nf e a t u r e so fn i t r o g e no fk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o l1 a n de c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c ti ng u i z h o u a b s t r a c t ：t h i ss t u d yh a sd i s c u s s e dv a r i a t i o nf e a t u r e so fn i t r o g e no fk a r s t r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o l la td i f f e r e n td e g r e e so fk a r s tr o c k y d e s e r t i f i c a t i o n ，i nd i f f e r e n ta r e a s ，a n du n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d e s ， a sw e l la sa td i f f e r e n tl e v e l so fs o i lp r o f i l e ss e p a r a t e l y t h e nd i s c u s s e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c to nt h i sb a s i s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n t e n to fs o l la m m o n i u mn i t r o g e na n dn i t r en i t r o g e nm a k e sn o v a r i a t i o nr e g u l a r i t y ( 2 ) c o m p a r e dw i t hk a r s tn o - r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o i l 。t h ec o n t e n to f s o i lo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e ni nv a r i o u sd e g r e e so fk a r s tr o c k y d e s e r t i f i c a t i o ns h o w sat e n d e n c yt od r o ps u d d e n l y t h ec o n t e n to f s o i l o r g a n i cm a t t e r ，t o t a ln 、t o t a la c i d - h y d r 0 1 y s a b l en 、a m i n oa c i dna n d a l k a l i s o l u b l end e c r e a s e sw i t ht h ed e g r a d a t i o no fd e g r e e so fk a r s tr o c k y d e s e r t i f i c a t i o n ，b u tt h ec o n t e n to fo t h e rn i t r o g e nd o e sn o td i s p l a yt h es a m e v a r i a ti o nl a w ( 3 ) c o m p a r e dw i t hk a r s tn o r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o i l ( f o r e s ts o i l ) 。t h e c o n t e n to fd e s e r t i f i c a t i o ns o l lo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e n ( f a r m i n gs o i l ， m e a d o ws o i l a n dd e f a r m i n gs o i l ) u n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d e ss h o wa t e n d e n c yt od r o ps u d d e n l yi nt h ek a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na r e a b u tt h e v a r i a t i o nl a w so fc o n t e n to fd i f f e r e n ts h a p en i t r o g e nh a v en o t h i n gi nc o m m o n a m o n gt h e m t h ec o n t e n to fd e s e r t i f i c a t i o ns o i lo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e n i sa sf o l l o w s ：f o r e s ts o i l m e a d o ws o i li nk a r s tn o r o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ta r e a ( s o u t hi ng g u i z h o u ) ，b u tt h ed i s p a r i t yi sr e l a t i v e l y1 i t t l ec o m p a r e d w i t hk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na r e a ( 4 ) t h ec o n t e n to fd i f f e r e n tn i t r o g e nh a sd i f f e r e n tv a r i a t i o nl a w s i n d if f e r e n ta r e a s ( 5 ) e x c e p tf o rs o i la m i n o s u g a rnu n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d e sa n d t o t a la c i d h y d r o l y s a b l ena td i f f e r e n ta r e a s ，t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo f p e r c e n t a g eo fo r g a n i cn i t r o g e nt a k i n gu pt o t a ln i t r o g e ni sc o n s i s t e n t w i t ht h e i rc o n t e n ta td i f f e r e n td e g r e e so fk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n i n d if f e r e n ta r e a s ，a n du n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d e s ( 6 ) t h ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e nm a i n l yc o n c e n t r a t e so n t o pl a y e ri ns o i lp r o f i l e s ，a n dt h e ya n dt h ep e r c e n t a g eo fo r g a n i cn i t r o g e n t a k i n gu pt o t a ln i t r o g e nr e d u c eg r a d u a l l yw i t ht h ed e p t ho f s o i ll e v e l i n c r e a s i n g ，b u tt h ep r o p o r t i o no fa c i d i n s o l u b l ena c c o u n t i n gf o rt o t a l n i t r o g e ni n c r e a s e sp r o g r e s s i v e l y ( 7 ) t h ec o n t e n to fs a n dg r a i no fs t r o n g e s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o l li s h i g h ，a n dt h es a n d i f i c a t i o ni ss e r i o u s e x c e p tf o rt h a t ，t h ep r o p o r t i o no f s a n dg r a i n ，f l o u rs a n dg r a i na n dg l u eg r a i ni nt h et o ps o l ll a y e ri sm o r e a p p r o p r i a t ei ng u i z h o u ，a n dt h ec o n t e n to fg l u eg r a i nd e c r e a s e sa n d i n c r e a s e sr e s p e c t i v e l yw i t ht h ed e g r e eo fr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na n ds o i l 4 贵州喀斯特石漠化土壤氮素变异特征与生态环境效应研究 l e v e lg r o w i n g ( 8 ) i ng e n e r a l ，o r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e no fv a r i o u sd e g r e e so fk a r s t r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o i la n dg l u eg r a i na r ee x t r e m e l yr e m a r k a b l ep o s i t i v e a s s o e i a t i o n ，t h e ya n ds a n dg r a i na r e ( e x t r e m e l y ) n e g a t i v er e m a r k a b l e a s s o c i a t i o n ，b u tt h e ya n df l o u rs a n dg r a i na r en o tr e m a r k a b l ea s s o c i a t i o n s o i lo r g a n i em a t t e ra n dn i t r o g e nu n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d e sa n dg l u e ， f l o u rs a n da n ds a n dg r a i n sa r ec e r t a i na s s o c i a t i o n ，b u tt h e i rl e v e l sa r e d i f f e r e n t o r g a n i cm a t t e ra n dn i t r o g e no fs o i ll e v e l si ns o i lp r o f i l e sa n d s o i lm e c h a n i c a lc o m p o s i t i o na r en o tr e m a r k a b l ea s s o c i a t i o n ( 9 ) w i t hd e v e l o p m e n to fk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n 。t h eb i o l o g i c a l a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t + b i o l o g i c a lr e t u r nc o e f f i c i e n ti ns o il p l a n t e c o s y s t e md r o ps u d d e n l y ，n u t r i e n tl o s sc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sg r e a t l y ，a n d e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c ti n d e xr e d u c e ss h a r p l y a sar e s u l t ， e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c tp r o d u c e db ys o l ln i t r o g e nd r o ps h a r p l y ， a n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sw o r s e n e ds e r i o u s l y ，w h i c hh a st h r e a t e n e d t h es e c u r i t yo fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n to fg u i z h o ug r e a t l y k e yw o r d s ：k a r s tr r o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ：e c o l o g i c a lm o d e ：s o i lp r o f i l e ： n i t r o g e nf o r m ：c o n t e n t ： v a r i a t i o nf e a t u r e s ：s o l lm e c h a n i c a lc o m p o s i t i o n e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c t 5 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 i 前言 贵州省是中国碳酸盐岩分布最广、喀斯特发育最强烈的省份之一，境内出露的碳酸 盐岩面积达1 2 5 万k m 2 ，占全省土地总面积的7 1 3 。近年来，由于喀斯特地区地质和 自然环境本身的特殊性和不合理的人类活动的影响，贵州喀斯特地区的土壤侵蚀日趋 严重，许多陡坡地段的地表土层流失殆尽，出现了连片的裸露石山和半裸露石山的景 象。据调查，贵州省石漠化土地面积已达3 2 4 8 0 k m 2 , 约占全省土地总面积的1 8 4 4 ，而 且每年仍以3 5 6 的速度递增( 袁春等，2 0 0 3 ) 。全省分布在喀斯特地区的县( 市) 有7 3 个，其中有3 2 个县( 市) 的土地石漠化面积大于全省平均水平，有1 4 个县( 市) 的土 地石漠化面积大于3 0 ，有8 个县( 市) 的石漠化状况非常严重，土地石漠化面积大于 4 0 ( 何腾兵，2 0 0 0 ：熊康宁等，2 0 0 2 ) 。 如此严重的石漠化问题，制约着整个贵州生态的平衡和可持续发展。因而对喀斯 特石漠化的生态效应、地质地貌特征、植被演化特征、土壤演化特征，石漠化土地的 恢复等已成为科研工作者研究的热点问题( 朱震达等，1 9 9 6 ；屠玉麟，2 0 0 0 ；张殿发 等，2 0 0 2 ：等等) 。但有关不同石漠化土壤养分变异状况方面的研究尚不多见。土壤氮 素在不同石漠化程度和不同生态模式条件下的变异规律，不仅可以为石漠化等级的划 分提供一个微观指标：同时还可以作为判断土壤是否具有潜在石漠化可能性的指标之 一。另外，氮素是植物营养的三大要素之一，可以衡量石漠化生态自我恢复潜力( 涂 成龙等，2 0 0 4 、2 0 0 5 ) 。 2 国内外研究概况 2 1 喀斯特石漠化的研究概况 2 1 1 石漠化( r o c k d e s e r t i f i c a t i o n ) 概念的提出 近3 0 年来世界上许多国家都十分重视对喀斯特环境问题的研究。1 9 7 9 年 h e l e g r a d 首次提出了喀斯特地区的生态环境问题，1 9 8 3 年美国科学促进会第1 4 9 届年会上，正式把喀斯特和沙漠边缘地区等同地列为脆弱环境。国外早期的喀斯特 研究主要侧重地质成因、地貌特征、水文特征以及发育过程。继之，结合社会、经 济发展需要，对喀斯特水文地质、工程地质、地球物理勘探、喀斯特洞穴、喀斯特 发育理论等做了大量研究( 袁道先，1 9 9 7 ) 。我国西南喀斯特地区土地石漠化，因具 明显的地域性，一直未能引起国际社会的广泛关注，也没有被明确列人荒漠化防治 国际公约的防治范围。所以，在国际上喀斯特土地石漠化的科学内涵一直不是很明 贵州喀斯特石漠化土壤氮索变异特征与生态环境效应研究 确，其成因理论及防治研究也几乎是空白。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，国内学者从不同的领域开展了喀斯特石漠化的研 究，并取得了一些可喜的研究进展( 屠玉麟，1 9 9 6 ；孙承兴等，2 0 0 2 ；姚长宏，2 0 0 1 ； 李瑞玲等，2 0 0 3 ：等等) 。主要集中在：( 1 ) 关于喀斯特生态环境脆弱性的研究。( 2 关于喀斯特石漠化概念及其科学内涵的探讨。( 3 ) 关于喀斯特石漠化的特点、分布、 成因及影响因素的研究。( 4 ) 从各个角度，应用各种原理探索喀斯特石漠化的防治。 经过多年的努力，对这些方面已经有了初步的了解，并在一些地区采取了行之有效的 治理措施，获得了一定的成绩，但喀斯特石漠化过程中能量和物质的迁移规律研究的 并不多见或者正在研究之中。目前，涂成龙、林昌虎、何腾兵等人( 2 0 0 4 、2 0 0 5 ) 已 经从植被演替角度对贵州西部喀斯特石漠化过程中土壤氮素的变异特征和退耕荒地 土壤在减少或排除人为干扰条件下土壤氮素的变异特征以及黔中石漠化地区生态恢 复过程中土壤养分变异特征进行了初步研究。而本项目所研究的贵州喀斯特石漠化土 壤氮素变异特征与生态环境效应，正是在这些研究基础上，为了进一步探索贵州喀斯 特石漠化过程的物质流失规律，为喀斯特地区石漠化治理提供理论指导。此外，本研 究的成果还可以作为石漠化等级划分的参考指标之一。 2 1 2 喀斯特石漠化的形成过程 喀斯特石漠化是在诸多自然因素和社会因素共同作用下发生、形成的，而作用 的主要过程是人为因素一林退、草毁一陡坡开垦一土壤侵蚀一耕地减少一石山、半 石山裸露一土壤侵蚀一完全石漠化。很明显，脆弱的生态环境为石漠化提供了条件， 不良的人为活动则加速了这一过程( 王德炉等，2 0 0 3 ；蒋忠诚等，2 0 0 1 ；喻理飞等， 2 0 0 0 ：徐明岗等，2 0 0 1 ) 。 7 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 亘困 r 。一一。一一。1 。1。iiii；i。广一一一一。i i 田一一一一一 图1 喀斯特石漠化演化模式图( 熊康宁，等) f i g 1 e v o l v e m e n t p r o c e d u r eo f t h ek a r s td e s e r t i f i c a t i o n ( x i o n g - k a n g n i n g ，e t c ) 图1 显示了喀斯特脆弱生态环境条件下两个相反的生态演替过程。王德炉等人在 研究喀斯特演化过程时，也得到了相似的结论。他们认为：( 1 ) 喀斯特石漠化森林退 化的过程为：次生乔林一乔灌林一灌木林或藤刺灌丛一稀灌草坡或草被一稀疏灌草 丛。( 2 ) 土壤理化性质退化过程为：随着石漠化的发展，土壤粘性增强，容重增加， 孔隙度降低，坚实度加大，保水保肥能力和通透性降低，结构恶化；同时，侵蚀和淋 溶程度加强，生物富集作用不断减弱，土壤有机质含量大大减少，引起了土壤中全氮、 腐殖质、阳离子交换量等主要化学成分的降低，使土壤肥力下降，生产力逐渐丧失。 土壤理化性质的变坏与石漠化过程形成相互促进的正反馈关系，并在退化方向和阶段 上具有一致性和同步性。 2 1 3 石漠化形成 贵州喀斯特石漠化是自然环境和社会环境相互叠加而形成的。主要过程如下： 2 1 3 1 自然环境奠定了喀斯特石漠化形成的基础 ( 1 ) 特定的地质特征为石漠化形成奠定了物质基础，而地形地貌则提供了势能基础 自晚震旦纪到三叠纪晚期，发育了四大套碳酸盐岩沉积建造，以浅海相碳酸盐岩 为主，分布面积广，产出厚度大。碳酸盐岩分布面积1 5 万k m 2 ，占全省总面积的7 3 6 ：在垂直分布上，贵州碳酸盐岩总厚度达8 5 0 0 m ，从而为贵州省土地石漠化的广泛 8 贵州喀斯特石漠化土壤氮索变异特征与生态环境效应研究 发育奠定了物质基础。这些碳酸盐岩酸不溶物含量低，抗风化能力强，成土过程缓慢， 据计算，在贵州每形成l c m 的风化土层需要4 0 0 0 余年，慢者需要8 5 0 0 年( 李林立 等，2 0 0 2 ) ，自然土层厚度小，土壤抗蚀年限短，极易形成无土可流的石漠化。 山地性及地表崎岖破碎的地形地貌，为石漠化的形成提供了势能基础，使得斜坡 体上的土层不易保存而流走，降水极易流失，同时也加大了降水的侵蚀能力，在不合 理的人类活动干扰下，喀斯特山地极易退变为荒山秃岭。 ( 2 ) 独特的水文特征和雨量充沛的温暖湿润气候为石漠化的形成提供了侵蚀营力 贵州高原河川径流的径流深和径流量均比较大，年内分配不均，洪枯流量比高， 河流深切，相对高差大，地表侵蚀切割强度大，雨季汛期水土流失动力强劲( 张殿发 等，2 0 0 2 ) 。当植被遭受破坏或暴雨时，极易造成水土流失，形成石漠化。岩溶地下 水则一方面溶蚀、侵蚀或拓宽空穴介质，使灰岩溶蚀残余物以及上覆土壤随地表水进 入并残积于空间介质中；另一方面，又携带搬运它们，不断让出新的空间，使石漠化 过程不断进行。更为严重的是贵州喀斯特地区地下水位埋深大，一般大于5 0 m ，大者 上1 0 0 m ，大气降水垂直渗流带厚，很不利于表层土涵养，- - n 旱季植被受干旱而枯 萎，为土壤侵蚀与丢失提供了潜能，有利于石漠化进程( 周锦忠等，2 0 0 3 ) 。 在贵州雨量充沛、温暖湿润的特殊气候条件下，碳酸盐岩化学溶蚀作用强烈，有 利于岩溶裂隙和管道发育，形成了岩溶地上地下双层结构。一方面加速了地表水向下 渗漏，地表土层含水量较少，土质疏松，加之贵州降雨相对集中，年际变化大，分布 极不均匀，易成暴雨和特大暴雨，表层土壤在高强度暴雨的冲刷下极易流失，从而形 成喀斯特石漠化( 袁春等，2 0 0 3 ) 。另一方面，为土壤岩溶化丢失与受降水、地表水 和地下水的侵蚀流失提供了充分的空隙场所与空间通道，这些溶蚀空穴需要上覆土壤 在重力和渗水压力等作用下向下填充，从而使地表土壤下陷堆积于溶沟、溶槽等空隙 中，造成地表土壤层渐渐不连续，基岩逐渐裸露，形成典型的岩溶石漠化( 周锦忠等， 2 0 0 3 ) 。 ( 3 ) 贵州喀斯特地区适生植物的脆弱性及极低的覆盖率是石漠化形成的关键 岩溶植物具有耐旱性、喜钙性、岩生性等特征，反过来在这一水土条件下的植物 一般生长缓慢，对环境变化极为敏感，森林生态阈值低，易退化，而植被的退化又加 剧了降雨在时空上的不均匀性，降低了水土稳定性。典型的喀斯特区域，土层浅薄， 植被稀疏，随着森林覆盖率的降低，喀斯特土壤失去了植被的保护后，地表水下渗， 9 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 很快产生侧向径流，使得松散的土层被地表径流所侵蚀，土壤流失，母岩出露，形成 石漠化( 熊康宁等，2 0 0 2 ) ( 4 ) 性质独特的土壤及其不合理的过度利用必然导致喀斯特石漠化的形成 在脆弱的喀斯特地区，成土困难，成土速率小，土层浅薄，土壤允许流失量小是 导致石漠化形成的直接原因。石灰土受侵蚀后，其富含有机质的表层土壤流失，使良 好的土壤结构迅速破坏，土壤肥力急剧下降，土壤持水能力和抗蚀能力减弱，土壤水 库丧失( 郑永春等，2 0 0 2 ) 。此外，喀斯特土壤覆盖层与母岩之间缺乏c 层，上层土 壤松散，下伏基岩坚硬密实，土石的相互依存度低，在大气降水和地表水下渗以后， 很快在岩石一土壤界面上产生侧向径流，使得土层根基松散，土体不稳，很快整个土 体被剥蚀殆尽。而且喀斯特裂隙、孔洞结构极为发育，侵蚀后的土壤通过孔洞向地下 径流运输而流失。 加之不合理的过度利用，大面积的农耕坡地和裸坡地石砾和粗砂含量过多和粘粒 含量过少，有机质含量低，胶体缺乏，结构性极差，各种物理特性不良，抗蚀能力很 弱，土壤易于分散，极易遭受侵蚀而出现石漠化，因此坡耕地比例高是造成石漠化的 主要原因。 2 1 3 2 社会环境加速了喀斯特石漠化的形成 ( 1 ) 超载的人口是喀斯特石漠化形成的最重要驱动力 人口的超载使得粮食问题十分紧迫，在农业科学技术不发达的贵州喀斯特山区， 当地农民被迫采用开垦荒地，广种薄收的农业生产方式维持生计，必然造成森林破坏， 陡坡垦殖连片；人口素质低下，必然导致观念陈旧，生产技术落后，对资源利用不合 理，生产水平低下，从而陷入“越穷越垦、越垦越穷”的恶性循环。这些都造成水土流 失剧烈发展，导致石漠化的形成。 ( 2 ) 贫困是喀斯特石漠化形成的巨大驱动力 贵州喀斯特地区正面临着贫困和石漠化的双重压力，贫困是导致石漠化的重要根 源之一，石漠化又加剧了贫困。贫困导致当地农民盲目扩大耕地、陡坡开垦、乱伐森 林等不良人为活动，导致石漠化的形成。持续着“经济落后一贫困一毁林开荒一植被 退化并减少一水土流失加剧一石漠化一经济落后一贫困加剧”恶性循环中( 张殿发等， 2 0 0 2 ) 。 ( 3 ) 民族文化从各自侧面加速石漠化的形成 1 0 贵州喀斯特石漠化土壤氮素变异特征与生态环境效应研究 以粮食为主的传统饮食文化，从而驱使人们向周围脆弱的喀斯特环境索取更多的 粮食作物，而较为适应喀斯特山区的林、畜牧业处于微弱的地位，加剧了土地承载负 担：不合理的独特的喀斯特垦殖文化，导致土地越耕越薄、越耕越贫瘠；大量耗用木 材的民族社会风俗；以木材为燃料的生活方式等等直接导致植被退化，生态环境恶化， 其结果必然加速石漠化的形成( 熊康宁等，2 0 0 2 ) 。 综上所述，贵州喀斯特自然环境从各自侧面奠定了喀斯特石漠化形成的基础，在 其上叠加了不合理的人类活动则加速了喀斯特石漠化的形成。 2 2 土壤氮素研究进展 氮是生态系统中最重要的一种限制性营养元素。它是构成一切生命体的重要元 素，又是一种重要的环境污染元素。近年来，对喀斯特地区氮素的研究，多仅限于农 业土壤中的全氮，以及土壤有效氮。而对喀斯特地区非农业土壤氮素的研究甚少。对 喀斯特石漠化过程中，土壤氮素变异特征的研究更是鲜有报道。因此，研究喀斯特石 漠化地区土壤氮素的变异特征，对于了解喀斯特石漠化地区土壤生态系统的健康状况 和氮素循环，从氮素的角度来评价喀斯特石漠化生态系统的生态稳定性，以及在此基 础上对比分析不同程度喀斯特石漠化区域与非石漠化区域土壤氮素对该区域土壤植 物生态系统所产生的生态环境效应具有重要意义。 2 2 1 土壤无机态氮 土壤无机态氮包括固定态铵、交换态铵、硝态氮和亚硝态氮等，它们占表土中全 氮的比例最低仅1 左右，最高的可达6 0 以上( 于天仁等，1 9 8 8 ) 。固定态铵存在 于2 ：1 型粘土矿物晶层间，其含量主要决定于土壤的粘土矿物类型和土壤质地。硝态 氮和亚硝态氮存在于土壤溶液中，一般情况下土壤中亚硝态氮含量极低。在表土中， 铵态氮和硝态氮的含量一般不高，通常变动在l 2 0 m g k 9 1 之间。 2 2 2 土壤有机氮 在大多数土壤的表土中9 0 以上的氮素为有机氮化合物，土壤有机氮的组成十 分复杂，目前己分离鉴定出的含氮化合物单体有：氨基酸、氨基糖、嘌呤以及微量存 在的叶绿素及其衍生物、磷脂、各种胺维生素等( m e n g e lk ，1 9 9 6 ；s e h u l t e nh r1 9 9 7 ) 。 在土壤中它们与其它土壤有机质或粘土矿物相结合，或与多价阳离子形成复合体，还 有一部分存在于生物体中。土壤绝大部分的有机氮都是存在于土壤固相中，只有少量 的有机氮存在于土壤液相中。 自从1 0 0 多年前d e t m e r 提出土壤有机态氮有相当一部分为蛋白质以来，各国学 1 1 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 者报道了土壤有机氮的组成和比例。根据b r e m n e r ( 1 9 6 5 ) 、s t e v e n s o n ( 1 9 6 9 ) 和 o r l o v ( 1 9 6 9 ) 等研究资料，土壤有机氮的组成可分为：氮态氮、氨基酸态氮、氨基糖态 氮、酸解未知态氮、非酸懈残渣氮、并有少量的核酸固定态氮。 2 2 3 坡面土壤氮素流失的影响因素 土壤养分坡面流失的根本原因是土壤侵蚀。而降雨、地形地貌、土壤性质、植被 覆盖、耕种等因素影响土壤侵蚀，同时也影响了土壤养分的流失。 刘秉正等( 1 9 9 5 ) 对黄土高原南部坡耕地的养分流失机理及时空变化规律进行了 研究，表明养分流失总量随地面坡度增大呈幂函数相关。流失土壤的养分在坡度 1 2 。 时与坡度呈线性关系。王百群等( 1 9 9 9 ) 的研究结果表明，有机质、速效氮、速效磷 等养分流失强度与坡度、坡长呈指数关系。土壤侵蚀过程中不同地貌部位的土壤养分 富集特点不同，下坡土壤富集明显( 张兴昌等，2 0 0 0 ) 。养分流失随坡度、雨强增大 而增大，植被覆盖可以有效阻止养分流失。关于喀斯特地区土壤氮素流失的研究尚未 见报道。 3 研究区域概况 喀斯特石漠化程度不同，喀斯特土壤受到侵蚀程度也不同，其富含有机质的表层 土壤流失，土壤氮素随之急剧变化。因此，本课题在石漠化严重的西部地区，根据石 漠化程度的不同，选择极强度、强度、中度、轻度和无石漠化的土壤研究对象，采集 o 2 0 锄土壤表层混合样品，进行室内分析。供试土壤见表1 。 表1 贵州西部不同喀斯特石漠化程度下土壤氮素变异特征研究供试土壤基本情况 t a b l e1b a s i cs i t u a t i o no fs o i l su s e di nt h es t u d yo nv a r i a t i o nf e a t u r e so fs o hn i t r o g e nu n d e r ! ! 竺竺! ! ! 婴竺! ! 墅型墨竺塑旦竺堕墅竺竺! ! ! ! 堡! ! 堡! ! 壁竺! ! 石警程地点植被类型样 岩石裸露c ，瑟植枷土被c ，盖。= ，质地 贵州喀斯特石漠化土壤氮素变异特征与生态环境效应研究 生态模式与土壤养分动态变化有直接的相关性，二者呈反馈控制关系，即不同生 态模式会改变系统水分运动的途径，从而影响系统养分的运移和含量( 杨武德等， 1 9 9 8 ；张兴昌等，2 0 0 0 ：孟庆华等，2 0 0 0 ；郭旭东等，2 0 0 1 ) 。因此，本课题根据生 态模式的不同，在石漠化区域内( 贵州西、东和中部) ，保证岩性为纯质石灰岩、坡 度为2 0 0 3 5 。等相对一致的条件下，选择林地、草地、农用地、退耕还草地土壤作为 研究对象，采集0 2 0c i t i 土壤表层混合样品，进行室内分析。同时在贵州南部非石漠 化地区选择植被条件较好，人为干扰较小的林地和草地土壤作为对照。供试土壤基本 情况见表2 。 表2 贵州不同地区不同生态模式下喀斯特石漠化土壤氮素变异特征研究供试土壤基本情况 t a b l e2 b a s i cs i t u a t i o no fs o i l su s e di nt h es t u d yo nv a h a f l o nf e a t u r e so fn i t r o g e no fk a r s t 硒n j c k yd e s e r t i f i c a f i o ns o i lu n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lm o d 鹤i nd i f f e r e n ta r e a so fg u i z h o m 差生态馘 地点 岩翟慧植篙被篡 p h 样本相对石漠 ( h 2 0 ) 数量化程度 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 另外，在贵州喀斯特石漠化区域( 贵州西部和中部) 选择了几个典型性的土壤剖 面( 土壤层次分化较好的剖面) ：林地土壤剖面、草地土壤剖面、农用地土壤剖面、 退耕还草地土壤剖面作为研究对象，同时，在非石漠化区域( 贵州南部) 选择林地土 壤剖面为对照。剖面基本情况见表3 。 表3贵州喀斯特石漠化土壤剖面氮素变异特征研究土壤剖面基本情况 t a b l e3b a s i cs i t e a t i o no fs o i l su s e di nt h es t u d yo nv a r i a t i o nf e a t u r e so fn i t r o g e no fk a r s t r e a c k yd e s e r t i f l c a t i o ns o i lp r o f i l e si ng u i z h o u 土壤氮素直接制约着整个土壤一植物生态系统的健康状况，并能反映该生态系统 氮素的循环、流失等现象，因此具有不同的生态环境效应。所以，本课题在南部喀斯 特非石漠化地区、中部喀斯特轻度石漠化地区、东部喀斯特中度石漠化地区以及西部 喀斯特强度石漠化地区选择能够代表当地石漠化和生态环境特征的，并在当地常见的 1 4 贵州喀斯特石漠化土壤氮索变异特征与生态环境效应研究 土壤植物生态系统为研究对象，分别采集土壤a 层样品、植株混和样品( 为植株的 枝和叶混合样) 、植物残落物样品和地表水体样品，进行室内分析。供试样品基本情 况见表4 。 表4贵州喀斯特石漠化土壤氮素变异生态环境效益研究供试土壤基本情况 t a b l e4b a s i cs i t u a t i o no fs o i l su s e di nt h es t u d yo ne c o l o g l e a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c t p r o d u c e db yn i t r o g e no fg u i z h o uk a r s tr r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ns o i l 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 3 1 西部地区 根据g i s 调查结果，以及相关的文献报道( 王瑞江等，2 0 0 1 ；安裕伦等，1 9 9 9 ： 朱安国等，1 9 9 5 ：陈晓平，1 9 9 7 ；何腾兵，1 9 9 5 ；林昌虎，1 9 9 9 ；周忠发，2 0 0 1 ；熊 康宁等，2 0 0 2 ) ，本课题的西部石漠化地区研究选定在贵州西部的六盘水市和毕节地 区威宁县。该区域为西南喀斯特区的中心，人地矛盾突出，是贵州省水土流失和石漠 化最为严重的地区之一。 西部地区属北亚热带气候区，雨量充沛，多年平均雨量为1 3 6 3 3 9 r a m ( 刘家庄， 1 9 9 8 ) ，降雨多集中于5 1 0 月间。由于区内喀斯特峰丛海拔高，平均气温低，年平 均仅有1 3 7 、水汽重，云雾厚，日照、热量条件不足。地貌主要类型有台地、丘陵、 山地、高原、山原，峰丛地形起伏大，山坡陡峻，植被覆盖率低，水土流失严重。 贵州西部地区喀斯特发育强烈，可以利用土地太少，加上人口的急剧增长，使得 人口对土地的需求不断增大( 林昌虎等，2 0 0 4 ) 。如表4 ，六盘水市耕地分布在1 5 0 2 5 0 ，2 5 0 3 5 0 所占比例很高，使得土壤侵蚀极为严重，从而促使石漠化的加速发展。 表5 六盘水市耕地分布状况与分级分类表( 林昌虎等) t a b $ r a t i n g ，c a t e g o r i z i n ga n dd i s t r i b u t i n gf o r mo f f a r m l a n d s i nl i n p a n s h u i ( l i n - c h a n g h u ) 单位：h m 2 此外，砍伐森林、放火烧山、工程建设、过度放牧等是人类导致贵州西部地区 喀斯特环境恶化的主要原因之一。特别是贵州西部各种矿产资源的开发，由于管理粗 放、发展现划不合理，废矿长期大量堆放，导致矿山土地石漠化。 3 2 东部地区 本课题的东部石漠化地区研究选定在思南县，位于贵州省东北部，东经1 0 7 。5 2 1 0 8 。2 8 ，北纬2 7 。3 2 2 8 。0 97 。思南地处贵州高原的东北部边缘武陵山脉 的西北坡地带。地貌类型多为中切割低山和部分浅切割低山丘陵盆地。最高海拔高程 1 4 2 8 m ，最低海拔高程3 4 5 m ，平均海拔高程7 1 0 m 。石灰岩、白云岩等碳酸类岩石分 贵州喀斯特石漠化土壤氮索变异特征与生态环境效应研究 布最广。可溶性岩石广泛分布，岩溶发育，岩溶形态多样。全县山地面积占6 0 7 ， 丘陵区面积占3 4 2 ，山涧平坝区占5 2 。 气温属于中亚热带季风湿润气候区，年平均气温1 6 8 ，年平均降雨量1 2 3 9 4 m m ， 年平均日照时数1 2 3 3 4 小时，全年无霜期2 9 3 天。主要河流有乌江、龙川、印江、 六池、石阡河，水能资源丰富。全县耕地面积7 8 7 万公顷，森林面积5 4 3 万公顷， 覆盖率2 4 3 5 。草地面积5 0 7 万公顷。 思南水土流失面积占4 9 3 3 ，喀斯特面积占6 9 5 ，石漠化面积占2 8 0 2 ，生态 环境质量综合评价为中等。 3 3 南部地区 本课题的南部非石漠化地区研究选定在贵州南部的荔波茂兰，这里有成片森林生 长，成林面积达2 万公顷。它是我国中亚热典型的喀斯特森林之一，森林植被破坏少， 覆盖率高( 9 2 9 5 ) ，原生性较强，起到提供原始的本底作用。地理位置为东经1 0 7 。5 27 1 0 8 。0 5 ，北纬2 5 。0 9 2 5 。2 0 。无石漠化现象，属于非石漠化地区。 它位于我国中亚热地区，平均气温较高，年均温1 8 3 0 ，1 0 积温4 5 9 8 6 ，最冷 月均温5 2 ，年日照时数1 2 7 2 8 小时，年无霜期达3 1 6 天，年雨量1 3 2 0 5 m m ，相对 湿度8 3 。 在大地构造上隶属于江南台隆西南部的三部一荔波古陷褶断束，处在轴缘坳陷地 带，主要是由纯质石灰岩及白云岩组成。茂兰喀斯特森林位于云贵高原向广西丘陵盆 地过渡的斜坡地地带，喀斯特地貌十分发育，形态主要有落水洞、漏斗、洼地、槽谷、 盲谷及盆地( 坡立谷) 等，呈现出峰恋叠嶂的喀斯特峰丛景观，全区地势西北部高于 东南部，区内最高海拔1 0 7 8 6 m ，最低为4 3 0 m ，平均在8 0 0 m 以上。 茂兰地区喀斯特森林水文地质的独特现象一地下水赋存的二元结构，即枯枝落叶 垫积层充填的上层喀斯特裂隙水和下层喀斯特水同时并存；上层水流量小且动态较稳 定，下层水流量大，动态变化也相对较大( 周政贤等，1 9 8 7 ) 。 3 4 中部地区 本课题的中部石漠化地区研究主要是指以贵阳为中心的花溪、乌当、白云等区域， 地处东经1 0 6 。2 7 一1 0 7 。0 3 ，北纬2 6 。1 1 之6 。3 4 。年均气温1 5 c ，年平均降 雨量1 1 7 8 1 m m ，年平均日照1 3 5 4 - b 时，全年无霜期2 7 0 天左右。该区域地处苗岭中部， 为长江流域与乌江流域的分水岭。地势起伏较大，四周高，中间低，呈盆状。在大地 贵州大学2 0 0 6 届硕士研究生学位论文 构造上，处于黔中隆起与黔南凹陷的过渡地带。在总面积中，丘陵占5 0 9 ，山地占 3 8 3 盆地和台地共占1 0 8 。其中，海拔1 2 0 0 1 4 0 0 m 的地区占该区面积的5 5 4 ； 海拔1 0 0 0 1 2 0 0 m 地区占该区面积的3 8 3 。黔中碳酸盐岩广泛分布，出露面积占总面 积的7 1 。岩溶地貌发育较为完全，主要类型有峰丛、峰林、溶丘、洼地和落水洞等； 地下发育有溶洞和暗河。 黔中石漠化地区潜在石漠化面积有8 8 4 k m 2 ，占总土地面积的3 6 7 9 ，轻度石漠 化面1 0 1 3 k m 2 ，占总土地面积的4 2 1 5 ，中度石漠化面积2 3 3 k m 2 ，占总土地面积的9 6 8 ；强度石漠化面积9 7 k m 2 ，占总土地面积的4 0 3 ：极强度石漠化面积l l k m 2 ，占总 土地面积的0 4 5 ( 杨胜天等，2 0 0 0 ) 。 从整体上来看黔中地区石漠化程度并不严重，属轻度，主要表现为潜在石漠化土 地面积和轻度石漠化面积分布较大，强度、极强度石漠化面积较小( 涂成龙等，2 0 0 4 ) 。 4 本研究的目的和意义 首先，本课题在贵州喀斯特石漠化最严重的西部地区，按照喀斯特石漠化程度不 同