王霖嬌,汪 攀,盛茂銀,,*

1 貴州師范大學喀斯特研究院, 貴州省喀斯特石漠化防治與衍生產業(yè)工程實驗室, 貴陽 550001 2 國家喀斯特石漠化治理工程技術研究中心, 貴陽 550001

以貴州為中心的中國西南地區(qū)是全球三大集中連片喀斯特分布中心之一[1-3],喀斯特發(fā)育強烈典型[2],面積約54萬km[3]?？λ固厣鷳B(tài)系統極為脆弱,與黃土、沙漠、寒漠并列為我國四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[4]。目前,西南喀斯特地區(qū)由于脆弱的生態(tài)環(huán)境和復雜的人地系統,加上不合理的社會經濟活動[5-6],導致該地區(qū)出現了一系列嚴重的生態(tài)環(huán)境問題,特別是生態(tài)環(huán)境遭破壞后形成的石漠化[2]。石漠化地區(qū)土地貧瘠、水資源短缺、人地矛盾突出、貧困人口集中[7],石漠化治理已經成為我國社會經濟建設中的一項重要內容。但目前喀斯特石漠化恢復生態(tài)學理論研究遠遠落后于石漠化治理實踐,石漠化生態(tài)系統恢復重建嚴重缺乏相關理論研究的科學支撐[2],石漠化治理后的植被生態(tài)系統結構簡單、穩(wěn)定性差、抵抗力弱,導致石漠化治理成效不明顯、治理成果難以維系[3- 5]。

生態(tài)化學計量學作為研究生態(tài)系統各組分主要組成元素平衡關系和耦合關系的重要方法[8-9],不僅在生物地球化學循環(huán)研究領域發(fā)揮了極其重要的作用[10-11],同時已成為當前全球變化碳循環(huán)研究領域的熱點[12- 13],特別是在植物個體生長、種群動態(tài)、限制元素、群落演替、生態(tài)系統穩(wěn)定性等方面取得了顯著成果[10]。土壤作為陸生生態(tài)系統極其重要的組成單元,是生態(tài)系統諸多生態(tài)過程的載體[14],對植物的生長起著關鍵作用,直接影響著植物群落的組成、穩(wěn)定和演替[15- 16]。土壤C、N、P、K等元素不僅是土壤的重要組成部分,也是植物生長的必須元素,直接影響著土壤微生物動態(tài)、凋落物分解、食物網、土壤養(yǎng)分的積累與循環(huán)[17- 18]。此外,土壤養(yǎng)分元素在生態(tài)過程中是相互耦合的[19- 20],想要闡明生態(tài)系統土壤質量變異僅研究養(yǎng)分元素本身的變異特征是難以完成的,必須深入研究各土壤養(yǎng)分元素之間的比例關系[21]。因此,研究土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征,不僅可以了解土壤質量、揭示土壤養(yǎng)分之間的耦合關系,還可以揭示養(yǎng)分的可獲得性,對于認識C、N、P、K的循環(huán)、平衡機制及其對植物群落結構和功能的影響均具有重要意義[22- 23]。

目前,盡管土壤生態(tài)化學計量學研究已有較多報道[24- 28],取得了明顯的成果,但喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤生態(tài)化學計量學研究仍非常薄弱。已有的報道主要集中在喀斯特生態(tài)系統土壤養(yǎng)分空間分布特征及其在石漠化演變過程中的變化規(guī)律等方面的研究[27- 28],缺乏土壤養(yǎng)分含量及其計量比之間的相互關系研究,環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征的影響等研究不系統深入,嚴重限制了石漠化退化植被的科學恢復。為此,本研究以中國西南典型喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤為研究對象,系統研究喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分C、N、P、K生態(tài)化學計量特征,探討C、N、P、K含量及其生態(tài)化學計量比之間的相互關系,分析環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征的影響及土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征對石漠化過程的響應,為喀斯特石漠化生態(tài)系統植被演替驅動機制研究及其恢復重建提供科學依據。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究選擇了西南喀斯特石漠化最為典型的貴州石漠化區(qū)域為研究區(qū),具體選取3個調查點開展本研究：調查點Ⅰ：畢節(jié)鴨池,系西南喀斯特高原山地潛在-輕度石漠化典型區(qū)域;調查點Ⅱ：清鎮(zhèn)紅楓湖,系西南喀斯特高原盆地輕-中度石漠化典型區(qū)域;調查點Ⅲ：關嶺-貞豐花江,系西南喀斯特高原峽谷中-強度石漠化典型區(qū)域。研究區(qū)和各調查點具體情況見圖1和表1。

圖1 研究區(qū)及各調查點位置及其概況Fig.1 Location and basic information of experiment sites and study area in this study調查點Ⅰ：畢節(jié)鴨池Bijie Yachi;調查點Ⅱ：清鎮(zhèn)紅楓湖Qingzhen Hongfenghu;調查點Ⅲ：關嶺-貞豐花江Guanling-Zhenfeng Huajiang

調查點Ⅰ位于貴州省畢節(jié)市鴨池鎮(zhèn)東南13 km處,屬長江流域烏江水系白浦河支流區(qū)。以喀斯特高原山地地貌類型為主,地勢起伏大,海拔為1742—1400 m。該流域年均降雨量863 mm,年最大降水量995 mm,年最小降水量618 mm。降雨量主要分布在7—9月,占全年總降雨的52%。巖石以碳酸鹽類的石灰?guī)r為主,土壤以黃壤土及紫砂土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上被破壞,現以次生林為主。野生植被是以窄葉火棘(Pyracanthaangustifolia)、刺梨(Rosaroxbunghii)、救軍糧(Pyracanthafortuneana)、鐵線蓮(Clematisflorida)等為主的藤、刺、灌叢,以及零星分布的青岡(Cyclobalanopsisglauca)、馬尾松(Pinusmassoniana)、光皮樺(Betulaluminifera)為主。

調查點Ⅱ位于貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn),涉及簸籮村王家寨組,距縣城12 km,屬長江流域烏江水系麥翁河支流區(qū)。地貌類型為典型的喀斯特高原盆地,壩地中央坡度較緩,流域內地勢平緩,海拔1271—1451 m。該流域年均降雨量1215 mm,降雨量主要分布在4—8月,占全年總降雨的75%。巖石以碳酸鹽類的石灰?guī)r為主,土壤以黃壤、黃色石灰土為主。自然植被在區(qū)域中所占比重較小,其中常見喬木主要以柏木(Cupressusfunebris)為主,灌木層多為典型石灰?guī)r有刺灌叢,以金佛山莢蒾(Viburnumchinshanense)、救軍糧、野薔薇(Rosamultiflora)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)、亮葉鼠李(Rhamnushemsleyana)等為主,草本層常見種類有白茅(Imperatacylindrica)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulu)、芒(Miscanthussinensis)、藎草(Arthraxonhispidus)、鐵線蓮等。

調查點Ⅲ位于貴州省安順市北盤江花江河段峽谷兩岸,地貌類型分為高原區(qū)和峽谷區(qū)兩大單元,流域內主要有5種地貌組合形態(tài),4種為喀斯特地貌,海拔450—1450 m之間,相對高差為1000 m。該流域年均降雨量1100 mm,降雨量主要分布在5—10月,占全年總降雨的83%。巖石以碳酸鹽類的石灰?guī)r為主,土壤以黃壤、黃色石灰土為主。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上被破壞,現以次生林為主。野生植被是以窄葉火棘、刺梨、救軍糧、鐵線蓮等為主的藤、刺、灌叢,以及零星分布的青岡、馬尾松、光皮樺為主。

表1 調查點基礎信息及樣方設置

1.2 試驗設計

2017年5—6月,針對研究區(qū)石漠化等級共設置面積分別為10 m×10 m的調查樣地90個(表1)。針對土地覆被類型、人類活動強度、海拔、坡度、坡向、坡位等每個環(huán)境因子,均設置了5個以上重復樣地。在每個樣地按蛇形方式隨機設置3個采樣點,用環(huán)刀(0—15 cm)分別采集樣品,均勻混合組成待測土樣(石漠化區(qū)域土壤很薄,部分僅有15 cm左右,因此以0—15 cm土壤層中作為研究對象)。每個樣地采集3份土樣(即3個重復)。土樣裝入封口袋內帶回實驗室,自然風干。參照《土壤農化分析》中土壤分析標準方法[29],測定土壤有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)、全鉀(K)含量,并計算土壤C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K和P∶K。

1.3 環(huán)境因子調查與分析

在野外調查過程中,對每個樣地進行定位,獲取樣地經度、緯度和海拔,記錄樣地坡度、坡向、坡位、植被覆蓋率、土地覆被類型和石漠化等級,以及每個樣地的人類活動干擾程度。坡度和坡向均為度數;按照頂部、上部、中部、下部和底部將坡位分為5個等級,順序地賦值為1—5。實地調查記錄植被覆蓋率,按高(>70%)、中(30%—70%)、低(10%—30%)和無(<10%)分為5個等級,順序地賦值為1—5。參照盛茂銀等(2013)[14]的標準將石漠化等級劃分為無、潛在、輕度、中度、強度等5個等級,按照石漠化等級遞增的順序依次賦值為1—5。調查樣地涉及的土地覆被類型分別為有林地、疏林地、灌草地、疏草地和石旮旯地,順序地賦值為1—5。將人類活動干擾程度定義為5個等級：無、輕度、中度、強和極強,按照干擾程度遞增的順序依次賦值為1—5。將坡向、坡度、坡位、人類活動干擾強度及土地覆被的賦值進行標準化(開方)后使用[19]。各個樣點近30年的年均降水量、年均溫度從全球1 km分辨率氣象數據庫提取[30]。將提取到的氣象數據與各調查點安裝的小型氣象站(Vantage Pro 2,Davis)和附件氣象站的氣象數據進行對比和校正。

1.4 數據處理

不同樣地土壤C、N、P、K含量及其化學計量比變異強度劃分為3個等級：弱(CV<10%),中等(10%100%)[31]。利用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析,選擇線性函數、二次函數、冪函數等模型對土壤C、N、P、K含量及其化學計量比進行線性與非線性擬合,選出最優(yōu)擬合模型。依據不同調查點、石漠化等級、土地覆被類型、坡向、坡位,將90個樣方劃分為不同類群,對不同類群土壤C、N、P、K含量及其化學計量比進行one-way ANOVA分析;利用Levene′s test檢驗方差齊性與否,方差齊性時使用Duncan法進行多重比較(α=0.05),方差不齊性時則使用T2 Tamhane test進行多重比較。

對土壤C、N、P、K化學計量特征與19個環(huán)境因子進行Pearson相關性分析。分析采用Canoco 4.5及CanoDraw 4.0軟件中的典范對應分析(CCA)探討土壤養(yǎng)分化學計量特征的影響因素[19]。

2 結果分析

2.1 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征

3個調查點的土壤養(yǎng)分化學計量學特征研究結果見表2。由表2可以看出,3個調查點90個樣方土壤養(yǎng)分C、N、P、K含量均值分別為45.61、2.54、0.79、3.33 g/kg,C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K的均值分別為19.56、65.07、23.65、3.45、1.32、0.39。不同養(yǎng)分化學計量值的變異系數有所差異。土壤K元素表現明顯高于其他元素的變異系數,呈現強度變異(CV=105.41%),元素C、N、P變異系數分別為46.18%、55.66%和40.25%,顯示中等變異。計量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K值變異系數分別為46.91%、52.08%、72.09%、45.51%、81.69和65.74%,均顯示中等變異。盡管不同調查點土壤養(yǎng)分化學計量特性有明顯差異,但變異系數具有一致的變化規(guī)律。

土壤養(yǎng)分化學計量特征在不同調查點、不同石漠化等級及不同植被覆蓋率環(huán)境均有顯著差異(表3)。調查點Ⅲ土壤養(yǎng)分C、N、P含量顯著高于其他兩個調查點,而K含量,以調查點Ⅱ最高。除N∶P值外,土壤養(yǎng)分計量比在不同調查點也存在顯著的差異。無石漠化環(huán)境土壤養(yǎng)分C、N、P含量顯著大于潛在、輕度、中度和強度石漠化,而強度石漠化環(huán)境土壤養(yǎng)分K含量卻顯著高于其他等級石漠化,土壤養(yǎng)分計量比在不同等級石漠化均顯示顯著的差異。高植被覆蓋率土壤養(yǎng)分C、N含量顯著大于中、低植被覆蓋率和無植被覆蓋的土壤,P元素含量在不同植被覆蓋率土壤間無顯著差異,而無植被覆蓋的土壤K含量顯著大于中、低植被覆蓋率的土壤。不同坡向環(huán)境土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征比較顯示,除N含量、P∶K比值在不同坡向土壤間有顯著差異,其余8個指標均未顯示顯著差異。

2.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征間的關系

由圖2和3可以看出,喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分含量之間及其與化學計量比之間多具有顯著的相關關系。除C-K、P-K之間沒有顯著的關系,其余4個元素之間均為二次函數關系(圖2)。C-N、C-P間接近線性函數關系;N-P之間的二次函數曲線為“倒U形”,其頂點的x值位于值域之內且居中,表明隨著土壤N含量的增大,土壤P含量呈先增大而后減小的趨勢;N-K之間的二次函數曲線為“U形”,其頂點的x值位于值域之內但靠近左側,表明隨著土壤N含量的增大,土壤K含量呈先微弱減小而后明顯增大的趨勢。土壤養(yǎng)分化學計量比與養(yǎng)分元素之間均具有顯著的顯著關系(圖3)。N-(N∶K)、P-(P∶K)間成顯著的線性關系,C-(C∶N)、P-(C∶P)、N-(N∶P)、P-(N∶P)間呈二次函數關系,而N-(C∶N)、C-(C∶P)、C-(C∶K)、K-(C∶K)、K-(N∶K)、K-(P∶K) 間呈冪函數關系。

表2 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分C、N、P、K含量及其化學計量比特征

表3 喀斯特石漠化生態(tài)系統不同調查點、石漠化等級、土地覆被類型及坡向土壤養(yǎng)分化學計量學特征

圖2 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分C、N、P、K含量之間的關系Fig.2 Relationship among soil C, N, P and K contents in the karst rocky desertification ecosystem

圖3 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量比分別與C、N、P、K含量之間的關系Fig.3 Relationship between soil C, N, P and K contents and their stoichiometric ration in the karst rocky desertification ecosystem

2.3 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征與環(huán)境因子之間的關系

由表4可以看出,喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量值與絕大多數環(huán)境因子具有明顯的相關性。除地貌與坡度外,本研究考察的其余17個環(huán)境因子均不同程度與土壤養(yǎng)分化學計量值具有相關性。年降水量與大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈極顯著相關,與N、P、C∶K、N∶K、P∶K呈顯著正相關,與K、C∶N、C∶P呈極顯著負相關,這可能與高降水導致土壤淋溶和水土流失作用增強有關。緯度除與K含量呈極顯著正相關外,與其他大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈極顯著負相關。巖石裸露率和植被覆蓋率與大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈顯著正相關,表明在喀斯特石漠化生態(tài)系統巖石裸露和植被覆蓋可以提高土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分積累。土壤溫度與C、K、C∶N、C∶P呈負相關,與N∶K、P∶K呈正相關,且不同土層的土壤溫度與土壤養(yǎng)分化學計量值的相關性是一致的,淺層(5 cm)土壤溫度與土壤養(yǎng)分化學計量值的相關性更加緊密。年均氣溫與K、C∶N、C∶P呈顯著負相關關系,與N、C∶K、N∶K、P∶K呈顯著正相關關系。此外,經度、坡向、坡位、海拔、干擾度、土地覆被、干度、濕度及相對濕度對土壤化學計量特征也有一定影響,其中,坡向、坡位的影響較弱。

由表5可以看出,CCA排序中化學計量特征與環(huán)境因子第1、2軸的相關系數分別為0.731和0.726,這2個排序軸基本垂直,表明排序結果是可信的。前2軸化學計量特征與環(huán)境因子的累計解釋量達到93.4%,顯示了較好的排序效果。排序結果表明,緯度、經度和土地覆被與第1軸呈顯著正相關,土壤溫度、干度、濕度和相對濕度與第1軸呈負相關,海拔、年降水量、年均氣溫和巖石裸露率與第2軸呈顯著正相關(圖4),表明這幾個環(huán)境因子對喀斯特石漠化土壤養(yǎng)分化學計量特征影響最大?；ń{查點樣地P2—3、P5—15、P17—20、清鎮(zhèn)紅楓湖調查點樣地P26、P31—32排序在第1軸的左側、第2軸的上方?；ń{查點樣地P1、P4、紅楓湖調查點樣地P25、P27—30、P33—38、P40、畢節(jié)調查點樣地P41—54、P58、P60排序在第1軸的中部、第2軸的下方。花江調查點樣地P16、紅楓湖調查點樣地P39、畢節(jié)調查點樣地P55—57、P59排序在第1和2軸的右上側近零點位置。紅楓湖調查點P21—24排序在沿第1軸右上部遠端,表現出更高的經度。因此,樣地在排序圖中的分布位置是諸多因素綜合作用的結果,但第1軸是主要排序軸(解釋量為74.40%),體現了主要環(huán)境因子的變化(圖4)。

表4 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征與環(huán)境因子的相關系數

*P<0.05;**P<0.01

3 討論與結論

3.1 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征及其對石漠化生態(tài)過程的響應

土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比是土壤有機質組成和質量程度的重要指標[32]。本研究表明,與其他地帶性生態(tài)系統相比[19,33- 35],西南喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤盡管較為貧瘠,但仍具備植被恢復重建所需要的土壤養(yǎng)分條件。由于氣候、地貌、植被、母巖、年代、土壤動物等土壤形成因子和人類活動的影響,不同生態(tài)系統中土壤C、N、P、K含量變化很大,其比值也有較大變異[36-37]。與其他常規(guī)地帶性生態(tài)系統相比[19],喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分具有明顯強的波動性,特別是K含量。張偉等對典型喀斯特峰叢洼地坡面土壤養(yǎng)分空間變異研究結果表明,喀斯特環(huán)境土壤養(yǎng)分具有明顯的變異,且與空間具有強烈的相關性[6]?？梢?喀斯特生態(tài)系統高度破碎、異質的生境導致土壤養(yǎng)分分布變異明顯,土壤養(yǎng)分具有強烈的空間相關性。本研究的三個典型石漠化調查點土壤養(yǎng)分明顯低于桂西北喀斯特森林表層土壤(0—10 cm) C、N、P含量(平均含量分別為92.0、6.35、1.5 mg/g)[22]、廣西弄崗北熱帶喀斯特季節(jié)性雨林土壤養(yǎng)分[24]、貴州晴隆峽谷喀斯特草地土壤養(yǎng)分[38]、桂林會仙喀斯特濕地蘆葦群落土壤養(yǎng)分[32],與周邊喀斯特石漠化土壤養(yǎng)分含量相當[2, 16],顯示喀斯特石漠化過程中隨著植物群落的退化,水土流失加劇,土壤C、N、P等養(yǎng)分元素含量明顯下降。

表5 CCA排序前2軸的基本特征

圖4 喀斯特石漠化生態(tài)系統調查樣地與環(huán)境因子間的CCA排序Fig.4 CCA ordination of sampling plots and environmental factors in the karst rocky desertification ecosystem in Southwest ChinaLat：緯度Latitude;Lon：經度Longitude;Lan：地貌Landform;Slo：坡度Slope;Asp：坡向Aspect;SLP∶坡位Slope position;Alt：海拔Altitude;Dis：干擾度Disturbance;LAC∶ 土地覆被Land cover;KRD：石漠化Karst rocky desertification;VCR：植被覆蓋率Vegetation coverage rate;PER：巖石裸露率Percentage of exposed rock;Dry：干度Dryness;Hum：濕度Humidity;Lig：光照Light intensity;RHU：相對濕度Relative humidity;STE- 5：土壤溫度Soil temperature (5 cm);STE- 10：土壤溫度Soil temperature (10 cm);STE- 15：土壤溫度Soil temperature (15 cm);APR：年降水量Annual precipitation;MTE：平均氣溫Mean temperature;樣地1—20來源于花江調查點Sample plots of 1—20 belong to Huajiang,樣地21—40來源于紅楓湖調查點Sample plots of 21—40 belong to Hongfenghu,樣地41—60來源于鴨池調查點Sample plots of 41—60 belong to Yachi

土壤C∶N與有機質分解速度呈反比,C∶N值較低的土壤具有較快的礦化作用[36]。相比全球平均水平(C∶N=14.3)[39],本研究(C∶N=19.56)土壤C源、有機質分解和礦化速率均較低。3個調查點中,石漠化最為嚴重的花江C∶N值最低(16.08),顯示花江在3個調查點中土壤C源、有機質分解和礦化速率均最高。土壤P來源相對固定,主要通過巖石的風化[32]。一般而言,降水升高可導致P的淋溶作用增強,不利于P的累積。本研究土壤P含量0.79 g/kg,與其他生態(tài)系統土壤相比[40-41],石漠化土壤P含量較低,這應是西南喀斯特地區(qū)具有較高的降水量和石漠化生態(tài)系統具有強烈淋溶作用的結果。但與我國土壤P平均含量(0.56 g/kg)[20]相比,喀斯特石漠化土壤P含量仍處于較高水平?？梢?盡管石漠化環(huán)境淋溶作用強烈,但石漠化環(huán)境土層薄,喀斯特巖溶作用產生了較多的P元素進入了土壤。研究結果顯示,石漠化土壤的C∶P值為65.07,低于我國平均值(136)[20],遠低于全球平均值(186)[42-44],表明研究區(qū)土壤P表現為凈礦化,土壤P有效性較高。一般認為,溫帶地區(qū)的土壤N含量是主要的限制因子,如對黃土丘陵土壤的研究表明,其土壤N∶P為0.86,表現為顯著N缺乏[36]?？λ固厥寥繬∶P明顯高于黃土丘陵土壤,顯示該地區(qū)土壤缺N的可能性很小,土壤P 可能相對缺乏或者土壤N相對富余。

3.2 喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量特征的影響因素及其變化機制

土壤作為陸地生態(tài)系統重要的載體,其養(yǎng)分因子受到植被及其他環(huán)境因子的明顯影響,如土壤水分、降雨、土地利用方式、生態(tài)系統類型、土壤質地等[21]。本研究中,喀斯特石漠化土壤養(yǎng)分含量及化學計量比在不同調查點、不同石漠化等級、不同等級植被覆蓋度等環(huán)境存在明顯的差異,說明空間位置、群落類型及石漠化等級等明顯影響了土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征。研究顯示,喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分化學計量值與絕大多數環(huán)境因子具有明顯的相關性。除地貌與坡度外,本研究考察的其余17個環(huán)境因子(緯度、經度、坡向、坡位、海拔、干擾度、土地覆被、植被覆蓋率、巖石裸露率、干度、濕度、相對濕度、土壤溫度、年降水量、年均氣溫等)均不同程度與土壤養(yǎng)分化學計量值具有相關性,其中,年降水量、緯度、巖石裸露率、植被覆蓋率、土壤溫度、年均氣溫等環(huán)境因子與土壤養(yǎng)分化學計量特征具有更顯著的相關性。CCA多元分析結果顯示,緯度、經度、土地覆被、土壤溫度、干度、濕度、相對濕度、海拔、年降水量、年均氣溫和巖石裸露率等環(huán)境因子對喀斯特石漠化土壤養(yǎng)分化學計量特征影響較大。已有研究顯示,在同一山體尺度,海拔是土壤養(yǎng)分生態(tài)化學計量特征主要影響因素之一,但在大的空間尺度下,其影響作用被削弱[19, 45];經緯度是通過改變溫度和降水來產生影響的,因而經緯度最終還是溫度和降水的體現[19];喀斯特石漠化生態(tài)系統,植被覆蓋率與巖石裸露率一般呈現同樣的規(guī)律。因而,降水、溫度、巖石裸露率和土地覆被是喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤養(yǎng)分及其化學計量比最主要的影響因素。

本研究表明,年降水量與大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈極顯著相關,與N、P、C∶K、N∶K、P∶K呈顯著正相關,與K、C∶N、C∶P呈極顯著負相關。這一結果顯示在喀斯特石漠化生態(tài)系統,高降水產生的土壤淋溶和水土流失作用極易導致土壤K元素淋溶和流失,對C、N、P元素影響不明顯,而N、P元素因裸露巖石聚集效應等其他因素作用出現含量增加的現象[14]。這一結果與其他生態(tài)系統研究的結果不一致[43-44,46-47],顯示喀斯特石漠化生態(tài)系統的特殊性。巖石裸露率與大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈顯著正相關,表明在喀斯特石漠化生態(tài)系統裸露巖石可以提高土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分積累,這與盛茂銀等[14]研究結果一致,支持其提出的裸露巖石土壤養(yǎng)分聚集效應學說[14]。土壤溫度與C、K、C∶N、C∶P呈負相關,與N∶K、P∶K呈正相關,且不同層深的土壤溫度與土壤養(yǎng)分化學計量值的相關性是一致的,淺層(5 cm)土壤溫度與土壤養(yǎng)分化學計量值的相關性更加緊密,表明在喀斯特石漠化生態(tài)系統溫度的適度提高能促進土壤微生物活性、有機物分解,在高降水的背景下,加快土壤C和K的流失?？梢?在西南喀斯特石漠化地區(qū),高降水和較高的溫度是土壤貧瘠的重要因素。由此推斷,在全球氣候變化背景下,降水增加和全球變暖將會使喀斯特石漠化土壤養(yǎng)分流失加劇,加速喀斯特石漠化生態(tài)系統的退化,應大力實施人工造林等手段恢復植被保育土壤。

3.3 土壤養(yǎng)分化學計量特征對石漠化演變的響應及其對石漠化治理的指示意義

土地生產力退化是喀斯特石漠化核心問題。但長期以來,劃分喀斯特石漠化等級的指標體系僅考慮了巖石裸露率、植被覆蓋率、土層厚度等指標[2,14],無土壤養(yǎng)分指標,導致建立的石漠化等級劃分與土壤退化程度并不一致[3,5,14]。盛茂銀等[3,14]和Sheng等[5]研究結果表明,隨著石漠化退化程度的增加,土壤養(yǎng)分并不是一直退化,而是一個先退化后改善的過程,本研究獲得與這一結論相一致的結果。盛茂銀等[14]基于對喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤理化性質大量系統研究,提出喀斯特石漠化生態(tài)系統的裸露巖石土壤養(yǎng)分聚集效應學說,并建立了土壤理化性質對喀斯特石漠化演變響應的驅動機制。本研究結果顯示,喀斯特石漠化生態(tài)系統巖石裸露率這一指標與大部分土壤養(yǎng)分化學計量值呈顯著正相關,表明在喀斯特石漠化生態(tài)系統裸露巖石確實可以提高土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分積累,與盛茂銀等[3,5,14]研究結果一致,支持其提出的裸露巖石土壤養(yǎng)分聚集效應學說。

本研究表明,不同等級石漠化環(huán)境土壤C∶N存在顯著的差異,且強度石漠化和潛在石漠化土壤C∶N值較低,平均值分別為15.91和18.49,顯示強度石漠化和潛在石漠化土壤C源、有機質分解和礦化速率較高。本研究也顯示,無石漠化和強度石漠化C∶P值最高,被別為74.35和74.93,顯著大于潛在、輕度和中度石漠化土壤,但仍遠低于我國平均值(136)[20]和全球平均值(186)[39],不會對植物生長造成不利影響[5, 48]。強度石漠化土壤N∶P平均值在不同等級石漠化環(huán)境中最高(4.23),顯著大于潛在、輕度和中度石漠化土壤,表明強度石漠化土壤N元素養(yǎng)分明顯好于其他類型石漠化土壤;而N∶P平均值最小的潛在石漠化(2.90)也明顯高于中國溫帶荒漠土壤平均值(1.2)[20],可見喀斯特石漠化土壤缺N的可能性很小?？梢?喀斯特石漠化生態(tài)系統土壤盡管較為貧瘠,但土壤C、N、P、K等養(yǎng)分含量仍具備植被恢復重建所需要的土壤養(yǎng)分條件[14]。與傳統認識[2, 9, 48]不同,強度石漠化土壤養(yǎng)分條件不是最差的,相反,強度石漠化土壤養(yǎng)分條件明顯好于潛在、輕度、中度等其他等級石漠化環(huán)境土壤,潛在和輕度石漠化環(huán)境土壤條件反而是較差的。這一結果對我國西南喀斯特石漠化防治實踐具有重要意義。長期以來,在石漠化治理實踐中,一直認為強度石漠化由于大量巖石裸露、土地生產力徹底喪失,不能開展人工造林、種草等植被恢復工程措施[2, 4],而將大量的人工恢復植被工程措施實施在潛在和輕度石漠化環(huán)境中,導致石漠化治理成效大打折扣[3]。本研究的研究結果從土壤養(yǎng)分角度解釋了這一錯誤治理措施的原因,為科學治理石漠化提供了重要理論依據。