閆 偉， 代林玉， 肖時(shí)珍， 邰治欽

(貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴州 貴陽 550001)

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)土層淺薄，成土速率極慢，容許土壤流失量低，水土流失危險(xiǎn)度高，是非地帶性脆弱生態(tài)帶[1]，極易導(dǎo)致石漠化問題。石漠化問題不僅加速環(huán)境惡化，致使水土流失、自然災(zāi)害頻繁和生態(tài)系統(tǒng)退化，還直接威脅到喀斯特地區(qū)人民的基本生存條件，加劇當(dāng)?shù)氐呢毨?，危及到長(zhǎng)江和珠江中下游地區(qū)的生態(tài)安全[2]。水土流失和石漠化問題還極易導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，土壤肥力流失，進(jìn)而導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力低下。土壤肥力是指土壤為植物生長(zhǎng)供應(yīng)和協(xié)調(diào)養(yǎng)分、水分、空氣和熱量的能力，是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)[3]。農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)取決于土壤肥力狀況[4-5]。土壤速效養(yǎng)分是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，是植物所需氮、磷、鉀等元素的直接來源，對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有極其重要作用[6-7]，同時(shí)土壤速效養(yǎng)分是土壤提供植物生活所必需的和易被作物吸收利用的營(yíng)養(yǎng)元素，土壤速效養(yǎng)分含量的高低是土壤養(yǎng)分供給強(qiáng)度的指標(biāo)[8]。因此，研究土壤耕層速效養(yǎng)分垂直分布特征對(duì)于研究土壤肥力高低，水土流失和石漠化防治具有重要意義。

對(duì)于土壤速效養(yǎng)分分布特征，前人已有大量研究。鄧小華等[9]在武陵山地區(qū)利用典型剖面研究了土壤速效養(yǎng)分和酸度的垂直分布特征，表明土壤速效養(yǎng)分隨著土壤深度的增加而減小，表層聚集程度較高。李志鵬等[6]利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法分析了渭河平原土壤速效養(yǎng)分的空間特征及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)速效養(yǎng)分整體含量豐富，但在近30年來不斷下降。陳濤等[10]利用空間自相關(guān)等方法對(duì)黃土高原南麓縣的耕地土壤速效養(yǎng)分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式對(duì)速效養(yǎng)分的影響較大。趙業(yè)婷等[11]利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS結(jié)合的方法研究黃土高原溝壑區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間及豐缺特征，表明有效磷、速效鉀為中等空間相關(guān)性，堿解氮為弱空間相關(guān)性。還有學(xué)者對(duì)成都市[12]、海倫市[13]、興義市[14]、黔南[15]等地的土壤速效養(yǎng)分進(jìn)行了研究。綜合以上研究可知，土壤速效養(yǎng)分的空間和垂直分布特征研究主要集中于非喀斯特地區(qū)，對(duì)于我國(guó)西南石灰?guī)r喀斯特地區(qū)土壤速效養(yǎng)分的空間和垂直分布研究較少，特別是對(duì)于世界上最為典型的亞熱帶白云巖喀斯特地區(qū)的研究幾乎沒有涉及。為此，以典型亞熱帶白云巖喀斯特世界自然遺產(chǎn)地緩沖區(qū)東部土壤耕層為例，通過挖剖面分層取樣分析，對(duì)研究區(qū)主要農(nóng)業(yè)用地土壤耕層的速效養(yǎng)分垂直分布特征進(jìn)行研究，同時(shí)探討白云巖喀斯特地區(qū)土壤耕層速效養(yǎng)分分布特征與非白云巖地區(qū)有何異同，為本地區(qū)石漠化防治與土地資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)，也為人地關(guān)系和諧和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省中東部施秉縣施秉白云巖喀斯特世界自然遺產(chǎn)地緩沖區(qū)內(nèi)的白垛村(108°8′4″～108°12′35″N、27°5′56″～27°12′5″E)，為云貴高原向湘西山地丘陵的過渡地帶，海拔600～1 250 m，平均海拔912 m。屬中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū)，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、冬暖夏涼，年均氣溫16℃，降水豐沛，年均降水1 220 mm，且主要集中在夏半年。地層巖性主要為質(zhì)純、致密的薄層細(xì)粒白云巖，巖石整體較為破碎[16]。土壤類型主要為白云巖風(fēng)化形成的薄層石灰土，土被較為連續(xù)，土層分布較為均勻，土壤中礫石含量高，孔隙度高，水分下滲容易[17]。農(nóng)耕地主要集中在坡度較緩的山間谷底和半坡，土壤厚度整體較深，平均為70～80 cm，最深可大于100 cm。種植作物主要為烤煙，占整體耕地面積的50%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集與測(cè)定 通過查閱文獻(xiàn)和野外實(shí)地考察，樣地選擇方式以海拔較低的一點(diǎn)為中心，向4個(gè)方向發(fā)散射線，總計(jì)4條樣線，呈“X”型。每條樣線上間隔50 m選擇1個(gè)樣地，總計(jì)選擇30個(gè)樣地。每個(gè)樣地利用5點(diǎn)采樣法采集土樣，以1個(gè)點(diǎn)為中心，其他4點(diǎn)分別在4個(gè)方向距離中心點(diǎn)1 m的位置上，5點(diǎn)同樣呈“X”型。每個(gè)采樣點(diǎn)挖剖面30 cm，并按照自下向上每10 cm采集1個(gè)土樣，把5個(gè)土壤剖面相同土層的土樣混合作為1個(gè)土層的樣品，利用四分法留取1份樣品，即1 kg土樣，并記錄采樣地的GPS坐標(biāo)點(diǎn)、作物類型、海拔高度、坡度、坡向等基本信息，總計(jì)得到混合土壤樣品30個(gè)。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室去除礫石、草根等雜質(zhì)并攤開自然晾干，研磨后過2 mm和0.15 mm篩留存?zhèn)溆?，土壤速效養(yǎng)分使用常規(guī)測(cè)量法測(cè)定[18]。

1.2.2 土壤層化比率與養(yǎng)分分級(jí) 土壤層化比率(Stratification ratio，SR)指土壤表層與土壤某一底層某一特征量的比值[19-20]，記為SR1、SR2、SR3……。土壤速效養(yǎng)分的層化比率為土壤表層速效養(yǎng)分含量與某一底層速效養(yǎng)分含量的比值，即SR1、SR2分別為某一速效養(yǎng)分土壤表層0～10 cm速效養(yǎng)分含量與土層10～20 cm和土層20～30 cm速效養(yǎng)分含量的比值。速效養(yǎng)分分級(jí)參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，并進(jìn)行豐缺評(píng)價(jià)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理及簡(jiǎn)單計(jì)算。運(yùn)用SPSS 24軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析獲得堿解氮、有效磷、速效鉀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差等，同時(shí)進(jìn)行單因素方差分析，統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)置為P<0.05。用Origin 2019軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效養(yǎng)分垂直分布特征

2.1.1 堿解氮 由圖1可知，研究區(qū)土壤耕層堿解氮含量隨土層深度增加而逐漸減小。從不同土層堿解氮含量來看，土壤表層0～10 cm變幅為4.88～85.63 mg/kg，平均34.82 mg/kg。10～20 cm土層變幅為6.11～62.24 mg/kg，平均28.73 mg/kg。20～30 cm土層變幅為2.10～57.54 mg/kg，平均22.78 mg/kg。各土層堿解氮的含量呈離散分布，相同土層速效養(yǎng)分含量變化較大，各土層堿解氮含量方差為626.41(0～10 cm)>412.04(10～20 cm)>250.55(20～30 cm)，表明堿解氮含量的離散程度隨土層厚度增加而逐漸減小。0～10 cm土層堿解氮含量比10～20 cm、20～30 cm土層分別高21.20%和52.85%，10～20 cm土層堿解氮含量比20～30 cm 土層高26.12%，表明在土壤耕作層，從地表開始每個(gè)土層下降的幅度相似，沒有發(fā)生突變。利用單因素方差分析可知，土壤耕層堿解氮含量在0～10 cm土層與10～20 cm土層間無顯著差異，與20～30 cm土層間差異顯著；10～20 cm土層與20～30 cm土層無顯著差異。

圖1 堿解氮的垂直分布特征

2.1.2 有效磷 由圖2可知，研究區(qū)土壤耕層有效磷含量隨土層深度增加而逐漸減小。從不同土層有效磷含量來看，土壤表層0～10 cm變幅為1.73～50.73 mg/kg，平均17.34 mg/kg。10～20 cm土層變幅為1.55～50.24 mg/kg，平均12.93 mg/kg。20～30 cm土層變幅為1.25～34.20 mg/kg，平均11.72 mg/kg。各土層間有效磷的含量呈離散分布，相同土層速效養(yǎng)分含量變化較大，各土層有效磷方差為196.29(0～10 cm)>164.89(10～20 cm)>94.02(20～30 cm)，表明有效磷含量的離散程度隨土層厚度增加而逐漸減小，與堿解氮的離散程度大致相同。0～10 cm土層有效磷含量比10～20 cm、20～30 cm土層分別高34.11%和47.95%，10～20 cm土層有效磷含量比20～30 cm 土層高10.32%，表明在土壤耕作層，從地表開始每個(gè)土層下降的幅度相似，沒有發(fā)生突變。利用單因素方差分析可知，土壤耕層有效磷含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層間均無顯著差異。

圖2 有效磷的垂直分布特征

2.1.3 速效鉀 由圖3可知，研究區(qū)土壤耕層速效鉀含量隨土層深度增加而逐漸減小。從不同土層速效鉀含量來看，土壤表層0～10 cm變幅為68.83～270.18 mg/kg，平均182.59 mg/kg。10～20 cm土層變幅為50.77～236.43 mg/kg，平均144.98 mg/kg。20～30 cm土層變幅為37.69～237.22 mg/kg，平均114.68 mg/kg。各土層間速效鉀的含量呈離散分布，相同土層速效養(yǎng)分含量變化較大，各土層速效鉀含量方差為3 812.07(20～30 cm)>3 379.76(10～20 cm)>3 303.36(0～10 cm)，表明速效鉀含量的離散程度隨土層厚度增加而逐漸增加，與堿解氮、有效磷的離散程度變化相反，并且離散程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種土壤速效養(yǎng)分。0～10 cm土層速效鉀含量比10～20 cm、20～30 cm土層分別高25.94%和59.22%，10～20 cm土層速效鉀含量比20～30 cm土層高26.42%，表明從地表開始，每個(gè)土層下降的幅度相似，沒有發(fā)生突變。利用單因素方差分析可知，土壤耕層速效鉀含量在0～10 cm土層與10～20 cm土層、20～30 cm土層間差異均顯著，10～20 cm土層與20～30 cm土層間差異顯著。

圖3 速效鉀的垂直分布特征

2.2 土壤速效養(yǎng)分層化比率

從表1可知，堿解氮的土壤層化比率SR1=1.25、SR2=1.73，表明堿解氮在10～20 cm土層中土壤層化特征和表層聚集特征不明顯，在20～30 cm土層中相對(duì)較明顯。有效磷的土壤層化比率SR1=1.87、SR2=2.35，表明有效磷在10～20 cm和20～30 cm土層中土壤層化特征和表層聚集特征均比較明顯，尤其是SR2大于2，表現(xiàn)出顯著的表面聚集特征。速效鉀的土壤層化比率SR1=1.36、SR2=1.88，表明速效鉀在10～20 cm土層中土壤層化特征和表層聚集特征不明顯，在20～30 cm土層中相對(duì)較明顯。

表1 土壤速效養(yǎng)分層化比率

2.3 土壤速效養(yǎng)分豐缺評(píng)價(jià)

從表2可知，研究區(qū)土壤耕層堿解氮從0～10 cm層到20～30 cm層都處于極缺乏水平，說明在白云巖喀斯特區(qū)土壤耕層中可以被植物直接吸收的氮元素極其缺乏。堿解氮含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層分別有46.67%、60.00%和70.00%的樣品處于極缺乏水平，說明從表層到底層堿解氮的含量也越來越少。有效磷含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層分別有83.34%、66.67%和70.00%的樣品處于豐富或適宜水平。速效鉀含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層分別有100%、100%和93.33%的樣品處于極豐富或豐富或適宜水平，在土壤表層極豐富和豐富占比分別達(dá)36.67%，總計(jì)超過該層土壤養(yǎng)分含量的2/3，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的土層特征和表層聚化性。從以上分析可知，研究區(qū)土壤耕層的堿解氮含量極其缺乏，有效磷和速效鉀的含量比較適宜，在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中需要適量增加氮肥的使用，從而提高對(duì)土地肥力的改良。

表2 土壤速效養(yǎng)分不同分級(jí)頻率及評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

3.1 速效養(yǎng)分的垂直分布特征及其誘因

研究區(qū)土壤耕層速效養(yǎng)分的垂直分布特征與湖南武陵山區(qū)[9]、鄱陽湖濕地[22]、洛陽典型植煙區(qū)[23]和南方紅壤區(qū)[24]等非白云巖喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果相同，都是從土壤表面隨土層增加而土壤速效養(yǎng)分逐漸減小。由此可知，亞熱帶白云巖喀斯特地區(qū)的土壤耕層速效養(yǎng)分分布特征與絕大多數(shù)土壤耕層土壤速效養(yǎng)分分布特征相同，都隨著土壤深度增加而逐漸減小。雖然白云巖是一種較為特別的成土母巖，但也不可能改變這種垂直分布特征。

形成這種土壤速效養(yǎng)分分布特征的誘因較多。首先，土壤耕層是人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)最直接的區(qū)域，由于化學(xué)肥料長(zhǎng)期使用，使得土壤表層養(yǎng)分得到補(bǔ)充，故土壤養(yǎng)分在表層富集[9]。其次，植物根系大量吸收土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分，使得土壤耕層下層的營(yíng)養(yǎng)成分被大量吸收用于植物生長(zhǎng)，留存下來的營(yíng)養(yǎng)成分含量較低[20]。即土壤表層可以得到充足的補(bǔ)充，而下層被大量吸收，補(bǔ)給相對(duì)較少，因此產(chǎn)生了隨土層深度增加含量逐漸減小的變化趨勢(shì)。此外，由于在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中對(duì)土壤表層的擾動(dòng)較大，土壤速效養(yǎng)分的離散程度較大，而在土壤耕層底層，耕作擾動(dòng)較小，速效養(yǎng)分相對(duì)穩(wěn)定，故土壤速效養(yǎng)分的離散程度都是從表層到底層逐漸減小。

3.2 速效養(yǎng)分的層化比率及豐缺特征

層化比率(SR)>2時(shí)，土壤表現(xiàn)出明顯的表層聚集特征；SR<1時(shí)，無表層聚集特征；介于1～2為表層聚集特征存在但不明顯[19-20]。研究區(qū)土壤速效養(yǎng)分的SR變幅大都介于1～2，表明土壤層化特征和表層聚集特征雖然存在但不明顯，這可能是研究的土層深度僅限于土壤耕層，且每層厚度只有10 cm，因此研究結(jié)果不明顯。其他地區(qū)較厚土層表現(xiàn)出明顯的層化比率，林婉奇等[25]以山杜英人工林為研究對(duì)象，以每20 cm為1個(gè)土層，總土層深度為100 cm，探討不同土層深度的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量的垂直分布規(guī)律，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳和氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯的表層富集現(xiàn)象。這可能與研究區(qū)耕作方式和主要以坡耕地為主有關(guān)，坡耕地主要以牛翻耕，在耕作過程中使得土壤表層和中下層的土壤產(chǎn)生交換，同時(shí)增加了中下層土壤速效養(yǎng)分含量，使土壤層化比率降低[19]。

以全國(guó)第二次土壤速效養(yǎng)分分類普查標(biāo)準(zhǔn)[21]對(duì)比，研究區(qū)土壤耕層速效養(yǎng)分除了堿解氮以外，有效磷和速效鉀都在適宜水平，并在土壤表層0～10 cm達(dá)到豐富水平。堿解氮從表層0～10 cm到底層20～30 cm總體都表現(xiàn)為極缺乏水平，且30個(gè)土壤樣品只有6個(gè)樣點(diǎn)在0～10 cm和2個(gè)樣點(diǎn)在10～20 cm土層達(dá)到適宜水平，在土壤底層20～30 cm全部都處于缺乏和極缺乏水平。這與黑龍江煙草連作區(qū)的研究結(jié)果類似[26]，本研究區(qū)大多數(shù)樣地為煙草種植區(qū)且連作種植在30年以上，由于煙草種植連作年限越長(zhǎng)，土壤中氮元素含量越低，養(yǎng)分比例明顯失調(diào)。貴州興義白云巖喀斯特區(qū)堿解氮的含量較為適宜，甚至可以達(dá)到豐富水平[14]，本研究區(qū)氮元素含量低可能與施秉白云巖喀斯特地區(qū)大量種植烤煙有關(guān)，以后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)增加土壤氮肥的投入，減少氮元素高消耗植物的種植，從而使土壤肥力得到很好地改善。