孫渝雯,馬贊文,2,3,陶 貞,*,張乾柱,3,唐文魁,4,吳 迪,鐘慶祥,王振剛,丁 健
1 中山大學地理科學與規(guī)劃學院,廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室,廣州 510275 2 臺山市新寧中學,臺山 529200 3 長江科學院重慶分院,重慶 400026 4 深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,深圳 518028
元素硅(Si),尤其是溶解態(tài)硅(DSi),在地球表層的遷移-轉(zhuǎn)化影響海洋硅藻生產(chǎn)力[1]和陸地-海洋底部硅酸鹽礦物風化[2—3],從而被認為是全球碳循環(huán)的重要調(diào)節(jié)器,影響地球環(huán)境變化[4]。作為地殼中第二豐富的元素,Si是植物生長的有益元素之一[5],能夠減弱許多生物和非生物因素對植物生長的限制作用。例如,植物葉片較高的Si含量可以增強植物對食草動物和病原體的抵抗性[6—7],提高植物抵抗磷脅迫的能力[8—9]、抗旱性[10]和對重金屬的耐受性[11],進而提高陸生植物的生長性能和生長速度,促進陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能[12]。植物體內(nèi)的Si通過調(diào)控凋落物表面化學成分,包括養(yǎng)分含量和營養(yǎng)成分化學計量特征以及碳化合物的性質(zhì)影響凋落物的分解速率[13—14],最終影響生源要素(碳、氮、磷)的生物地球化學循環(huán)。可見元素Si的生物地球化學循環(huán)對維持地球生態(tài)系統(tǒng)功能和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要[15—16]。
碳(C)、氮(N)、磷(P)元素是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,對提高土壤酶和微生物活性以及促進植物群落發(fā)育等方面有積極作用,與生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)、土地生產(chǎn)力密切相關(guān),引起普遍關(guān)注[17—22]。然而人們對Si和C、N、P循環(huán)的協(xié)同效應研究較少[23]。
在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,Si主要以溶解態(tài)Si(DSi)、非晶質(zhì)Si(主要是指植物生長過程形成的植物巖或成礦性硅結(jié)核)、隱晶質(zhì)Si(例如次生石英)和晶質(zhì)Si(包括原生硅酸鹽礦物(云母、長石)、石英和次生硅酸鹽礦物(粘土礦物))等形式存在于巖石(風化層)、土壤、植物體以及河流和湖泊中[24—27]。土壤中Si含量變化于0.5%—47%之間[28],其中DSi主要由硅酸鹽礦物風化過程慢速水解釋放的單硅酸Si (H4SiO4,原生DSi)[29]和植物生長過程形成的非晶質(zhì)Si((SiO2·nH2O),Biogenic Silicon,BSi)[30]返回土壤較快溶解形成H4SiO4[31—32]兩部分組成。研究發(fā)現(xiàn),隨凋落物返回表層土壤的BSi的溶解度是硅酸鹽礦物溶解度的2倍[33]。隨著土壤發(fā)育原生DSi不斷被淋失,BSi溶解對土壤DSi的貢獻逐漸增加[4]并形成土壤活性硅酸鹽庫[31];而且DSi遷移速率也受到植物生物過程的影響[29,31,33],特別在濕熱地區(qū)這一現(xiàn)象尤其明顯。例如,剛果河流域熱帶雨林土壤BSi溶解對河流DSi輸出的貢獻率大約為75%[33],夏威夷熱帶雨林約為90%[34];而溫帶針葉林中土壤BSi溶解對陸地生態(tài)系統(tǒng)DSi輸出的貢獻率僅為12%[35]。因此,化學風化過程與生物過程分別對陸地生態(tài)系統(tǒng)DSi循環(huán)的貢獻大小一直存在爭議[4]。為解決這一問題,厘清陸地生態(tài)系統(tǒng)巖石/礦物化學風化速率和土壤BSi含量變化尤為重要。
本研究選擇化學風化過程與生物過程旺盛、巖性以花崗巖為主的海南島西南部昌化江流域代表性植物群落,分別于干季、濕季采集土壤樣品,測量土壤理化指標和BSi含量,揭示熱帶季風區(qū)土壤BSi的時空分布特征及其主要影響因素,為南海生態(tài)系統(tǒng)碳-硅循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
昌化江位于海南島西南部(18°32′—19°21′N; 108°36′—109°44′E),為海南島第二大河,發(fā)源于海南島中部的黎母山空禾嶺,呈東北-西南-西北流向,最終注入南海。研究區(qū)受東亞季風和南亞季風的影響,季風氣候顯著。多年月平均氣溫變化于20.54—26.68℃,其中1月份平均氣溫最低(17.70℃),7月最高(27.93℃)。干季(11月—次年4月)、濕季(5月—10月)降水量差別顯著,濕季降水量高達1260.40 mm,月平均降水210.07 mm;干季降水量僅248.15 mm,月平均降水41.36 mm。多年月平均降水量125.42 mm。
昌化江流域巖石以花崗巖為主,占流域總面積的66.84%;變質(zhì)巖、碎屑巖占22.13%;灰?guī)r夾層占7.20%,主要分布在中游地區(qū);其余為第四紀松散沉積物,主要分布在河口地區(qū)。研究區(qū)地貌類型包括山地、丘陵、臺地和平原四種。其中山地約占流域總面積的57.66%,主要分布在流域上游和中游地區(qū);臺地主要分布在中游河谷兩側(cè)及下游地區(qū),約占流域總面積的29.37%;丘陵約占流域總面積的10.91%;平原主要分布在昌化江下游,僅占流域總面積的2.06%。
研究區(qū)土壤分布自分水嶺到干流河谷,呈現(xiàn)黃壤-紅壤-紅褐土逐漸過渡的規(guī)律,下游為沉積砂土。研究區(qū)植被覆蓋率(大約67.7%)較高,且不同地區(qū)植物群落組成差別較大:山地地區(qū)主要分布熱帶季雨林和人工經(jīng)濟林(包括橡膠林、桉樹林、芒果林等);農(nóng)作物(主要有香蕉、甘蔗和水稻等)主要分布在地勢較平緩的臺地和平原地區(qū)。
分別于 2014年和2016年1月(干季)、2014年和2015年8月(濕季)選擇海南島西南部3種典型植物群落(自然林(熱帶季雨林)、經(jīng)濟林(橡膠林 、桉樹林、芒果林)、農(nóng)作物(香蕉地和甘蔗地))6個樣地采集土壤樣品,共采集土壤樣品66個(采樣點位置和信息見圖1、表1)。由于地貌部位和巖石風化程度的影響,研究區(qū)不同群落土壤厚度差異較大(表1)。根據(jù)實地土壤厚度,采樣至風化層。按照土壤剖面特征分為表層和底層。其中,自然林和甘蔗地 0—20 cm為表層、20—40 cm為底層;橡膠林、芒果林、香蕉地 0—10 cm為表層、10—20 cm為底層;桉樹林土層較薄且沒有明顯顏色、質(zhì)地變化,未進行層次劃分。
每個樣地按V 字型采集 3 個剖面,將樣品裝入PE自封袋中并排盡空氣,密封避光保存帶回實驗室處理、分析。
2.2.1土壤理化指標測量
土壤pH值采用pH計(水土比 1∶ 2.5)測定;土壤容重和含水率分別采用環(huán)刀法和烘干法(105℃)測定;將土壤樣品去除有機質(zhì)和碳酸鹽后使用Mastersizer 2000 激光粒度儀測定土壤粒度;經(jīng)過預處理的土壤樣品使用 ZSX Primus X射線熒光光譜儀測定土壤樣品常量元素含量(相對誤差<1%);經(jīng)過鹽酸(HCl)(10%)預處理的土壤樣品使用EL CHNS-O型元素分析儀測定土壤有機碳(SOC)(相對誤差<2%)和總氮(TN)含量(相對誤差<5%)。
圖1 研究區(qū)植被類型和采樣點位置Fig.1 Vegetation types and distribution of sampling sites in the study areaBWL:季雨林 Monsoon forest;XJL:橡膠林 Rubber forest;ASL:桉樹林 Eucalyptus forest;MGL:芒果林 Mango forest;BND:香蕉地 Banana;GZD:甘蔗地 Sugarcane
表1 樣地信息
2.2.2土壤生物硅含量測量
采用熱堿消化連續(xù)提取法萃取土壤BSi并測定其含量[36]。稱取5 g土壤樣品置于50 mL聚丙烯離心管中,加入過量H2O2(15%)和HCl(10%)去除有機質(zhì)和碳酸鹽;然后加入40 mL Na2CO3(2 mol/L),85℃恒溫水浴5 h,提取上清液待測。用硅鉬藍比色法測定提取液中硅酸鹽濃度:取20 g鉬酸銨加水稀釋至200 mL,加入100 mL硫酸(20%)制成顯色試劑,選用國家海洋局第二海洋研究所生產(chǎn)的Si標準溶液(GSB04- 1752- 2004),使用UV- 3000 分光光度計測量土壤BSi的含量。
2.2.3化學計量特征值計算
化學蝕變指數(shù)(Chemical Index of Alteration, CIA)[37]和A-CN-K三角圖[38—39]常用于指示巖石/礦物化學風化程度。其中CIA值計算公式為:
(1)
式中, CaO*為硅酸鹽礦物中CaO的摩爾含量。硅酸鹽礦物中CaO與Na2O含量通常以1∶1的比例存在,當 CaO>Na2O 時,認為CaO*=Na2O,反之,則認為CaO*=CaO[40]。一般認為,50
C/N 比值是表征土壤有機質(zhì)質(zhì)量和分解程度的一個重要指標[41]。土壤C/N比值通常隨土地利用變化而變化[42]。
運用SPSS Statistics19.0對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,所有數(shù)據(jù)以(平均值±標準誤差)表示。不同群落土壤Si、土壤BSi含量差異應用單因素方差分析(One-way-ANOVA)中的Duncan法進行差異顯著性檢驗;對土壤BSi含量與土壤理化指標、化學蝕變指數(shù)(CIA)、生物量等要素進行Pearson相關(guān)分析(Pearson Correlation Coefficient),采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)識別影響研究區(qū)土壤BSi變化的主要環(huán)境因子,顯著性水平設(shè)為0.05。
文中植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)源自美國地質(zhì)調(diào)查局提供的MOD17A3H數(shù)據(jù)集,時間范圍為2014年—2016年,空間分辨率為500m。
文中圖件運用Origin 2021、Excel 2019和Adobe Illustrator 2018軟件繪制。
研究區(qū)不同群落土壤理化性質(zhì)存在差異(表2)。研究區(qū)土壤pH值變化于4.36—5.61之間,平均為5.11,而且干季與濕季變化不明顯。不同群落土壤容重無顯著差異(P= 0.68>0.05)。土壤含水率變化于4.31%—18.02%之間,最低值出現(xiàn)在甘蔗地(GZD),最高值出現(xiàn)在香蕉地(BND)。根據(jù)美國制土壤粒級劃分標準:粘粒(< 2 μm)、粉粒(2—50 μm)和砂粒(>50 μm),研究區(qū)土壤粘粒、粉粒和砂粒各粒級組分平均含量分別為10.06%、22.24%、67.73%;其中,橡膠林(XJL)土壤粘粒含量最高(26.82%),芒果林(MGL)土壤砂粒含量最高(89.87%)。季雨林(BWL)、桉樹林(DYA)、芒果林(MGL)、甘蔗地(GZD)砂粒含量均超過60%,橡膠林(XJL)、香蕉地(BND)粘粒和粉粒含量均超過50%。
研究區(qū)表土CIA值介于79.61—88.25之間,平均值為84.14,遠高于上陸殼(Upper Continental Crust, UCC)的平均值47.92[38],揭示研究區(qū)硅酸鹽巖化學風化處于較強的中等強度化學風化程度。其中,DYA樣地風化程度最高(88.25),XJL樣地次之(84.49),MGL樣地風化程度最弱(79.61)。
A-CN-K三角圖可用來分析土壤礦物化學風化過程中元素遷移趨勢[38,43]。研究區(qū)土壤數(shù)據(jù)點基本平行于A-K線,趨近頂點A,且基本分布在代表典型大陸風化趨勢的UCC-PAAS連線的左上側(cè)(圖2)。揭示研究區(qū)土壤中斜長石等硅酸鹽礦物幾乎風化殆盡,云母、伊利石和鉀長石等含K礦物經(jīng)歷了更強的風化;次生粘土礦物以高嶺石為主,正處于脫硅富鋁化的較高階段[38,44]。
表2 研究區(qū)土壤理化特征
圖2 A-CN-K三角圖Fig.2 A-CN-K triangular diagram
研究區(qū)土壤全Si含量(TSi,以SiO2表示)變化于51.92%—84.60%之間,平均為68.81%,略高于上陸殼的相應值(66.00%)[38],這與研究區(qū)巖石組成以硅酸鹽巖和砂巖為主有關(guān)。研究區(qū)不同群落土壤TSi含量和BSi含量存在差異(圖3),其中GZD 群落土壤(母質(zhì)為第四紀松散沉積物)TSi含量最大(84.60%±6.13%),BWL群落土壤(母質(zhì)為花崗巖風化殼)最小(51.92%±2.16%)。不同群落表層(0—10 cm)土壤平均BSi含量從高到低依次為BND((2.37±0.71)mg/g)>BWL((1.86±1.34)mg/g)>XJL((1.42±0.81)mg/g)>DYA((1.22±0.28)mg/g)>MGL((0.98±0.71)mg/g)>GZD((0.62±0.74)mg/g)。
研究區(qū)土壤BSi含量存在季節(jié)變化(圖4),其中MGL、XJL、GZD土壤BSi含量季節(jié)變化顯著(P<0.05)。研究區(qū)干季土壤 BSi含量變化于0.13—3.85 mg/g之間,平均為1.53 mg/g;濕季土壤BSi含量變化于0.34—3.56 mg/g之間,平均為1.28 mg/g。研究區(qū)尺度上,干季土壤 BSi含量稍大于濕季的相應值;群落尺度上,森林群落土壤 BSi含量呈現(xiàn)干季大于濕季,草本群落(BND和GZD)土壤BSi含量則出現(xiàn)相反的季節(jié)變化:濕季大于干季(圖4)。可見,研究區(qū)土壤BSi含量季節(jié)變化主要受森林群落季節(jié)變化的影響。
研究區(qū)土壤BSi含量隨土壤深度增加而減少(圖5),這一現(xiàn)象一致于“土壤養(yǎng)分的表層聚集效應”[45—46]。
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫和營養(yǎng)源,其碳儲量是大氣碳庫的3.3倍、生物碳庫的4.5倍[47]。土壤中C、N、P、Si等元素是植物生長的養(yǎng)分基礎(chǔ),其含量及化學計量特征是鑒別土壤質(zhì)量的重要指標,并能在一定程度上揭示土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過程和限制性元素[18,48]。由于成土過程和人類活動的地域差異,使得土壤C、N、P、Si含量及其化學計量特征存在時空差異。研究區(qū)土壤有機碳(SOC)含量干季變化于4.1—11.13 mg/g之間,平均值為6.90 mg/g,最大值出現(xiàn)在XJL樣地,最小值出現(xiàn)在GZD樣地;濕季SOC含量變化于3.43—13.77 mg/g之間,平均值為6.69 mg/g,最大值出現(xiàn)在MGL樣地,最小值出現(xiàn)在BND樣地。土壤總氮(TN)干季變化于0.3—1.3 mg/g之間,最大值出現(xiàn)在XJL樣地,最小值出現(xiàn)在GZD樣地;濕季變化于0.27—1.13 mg/g之間,平均值為0.62 mg/g,最大值出現(xiàn)在DYA樣地,最小值出現(xiàn)在GZD樣地。研究區(qū)不同群落土壤總磷(TP,以P2O5計)變化于0.21—0.62 mg/g之間,平均值為0.34 mg/g,最大值出現(xiàn)在GZD樣地,最小值出現(xiàn)在DYA樣地。
圖3 研究區(qū)不同群落土壤總硅和生物硅含量 Fig.3 Soil TSi and BSi content in different communities in the study area圖中大/小寫字母代表不同群落之間BSi/Si平均值差異的顯著性水平(Duncan檢驗,P<0.05),相同字母表示不同群落之間沒有顯著差異
圖4 研究區(qū)不同群落土壤生物硅含量季節(jié)變化 Fig.4 Seasonal variation of soil BSi content in different communities
圖5 不同群落土壤生物硅含量的時空變化Fig.5 Spatial and temporal variation of soil BSi content in different communities
土壤C:N:P受區(qū)域水熱條件和成土過程的影響,空間異質(zhì)性較大[18]。研究區(qū)不同群落土壤C/N干季變化于7.33—14.50之間,平均值為10.45;濕季變化于7.05—14.09之間,平均值為11.16,干、濕季最大值均出現(xiàn)在GZD樣地,最小值均出現(xiàn)在XJL樣地。研究區(qū)土壤C/N(平均值為11.03)接近中國土壤生態(tài)計量平均水平(11.9)[49]。土壤C/P變化于6.35—41.15之間,平均值為22.03;土壤N/P變化于0.48—4.61之間,平均值為2.32。不管是C/P還是N/P,其中最高值均出現(xiàn)在XJL樣地,最低值均出現(xiàn)在BND樣地。研究區(qū)不同群落土壤C/P、N/P均低于中國土壤生態(tài)計量平均水平(61、5.2)[49]。研究區(qū)土壤屬于N限制型。為保證海南島香蕉產(chǎn)量和質(zhì)量,香蕉地應追施氮肥。
高等植物生長時其根系吸收土壤溶液中DSi,并以無定形Si(SiO2·nH2O)的形式駐留在植物組織(尤其是葉片)中,形成植物硅酸體(Phyolith,BSi),然后又隨凋落物返還給土壤表層,經(jīng)土壤微生物分解釋放出BSi[26—27]??梢?土壤BSi含量變化受制于其輸入和輸出過程及其在土壤中的滯留與保存效率。不同植物體內(nèi)BSi含量差異影響土壤BSi含量,例如相比于其他濕地植物,蘆葦凈初級生產(chǎn)力和BSi含量均較高,蘆葦群落土壤BSi積累較多[23]。BSi在土壤中的滯留與保存受土壤DSi含量、粘土礦物吸附影響;輸出包括BSi溶解形成DSi被植物吸收、隨地表徑流和地下水遷移以及埋藏、新生礦物吸附等[24]。
研究區(qū)表層土壤BSi含量與環(huán)境因子之間的關(guān)系不盡一致(圖6)。研究區(qū)表層土壤BSi含量與CIA值、全硅(TSi)含量、容重(ρ)、C/N呈極顯著/顯著負相關(guān)關(guān)系,與土壤粘粒、SOC、TN呈極顯著/顯著正相關(guān)關(guān)系,與NPP有正相關(guān)趨勢(P=0.122,圖6)。揭示研究區(qū)土壤BSi含量受研究區(qū)化學風化程度、TSi含量、土壤容重、粘粒含量、SOC含量、總氮、 C/N、NPP等環(huán)境因子影響,即研究區(qū)土壤BSi含量變化受非生物因子和生物因子的耦合控制。本研究結(jié)果一致于其他人對土壤DSi變化機制的研究結(jié)果[50]。
圖6 研究區(qū)土壤生物硅含量與群落環(huán)境要素的關(guān)系Fig.6 Relationships between BSi content and environmental factors
在土壤發(fā)育初級階段,Si的生物地球化學循環(huán)以原生礦物風化釋放的DSi(原生DSi)遷移、轉(zhuǎn)化為主[51],此時BSi在土壤中得以積累保存;隨著化學風化程度的增加、土壤脫硅富鋁化程度加強,土壤中原生DSi由于逐漸淋失和被植物吸收而減少,土壤中部分BSi溶解并參與到Si的循環(huán)過程[4],只有較穩(wěn)定的BSi能夠長期保存在土壤中,土壤BSi含量趨于穩(wěn)定[52]。研究區(qū)土壤BSi含量與CIA值和TSi含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01),揭示研究區(qū)高溫多雨的自然環(huán)境利于土壤原生礦物風化且原生DSi淋失。為滿足植物生長對DSi的需要,部分土壤BSi溶解轉(zhuǎn)換為DSi、淋失或者被植物吸收再轉(zhuǎn)化為BSi。土壤BSi在土壤Si循環(huán)過程中的作用逐漸加大。研究表明,熱帶雨林活植物體吸收的DSi中92.6%來自土壤BSi分解[33]。另外,土壤BSi含量與TSi含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說明研究區(qū)土壤顆粒Si以物理風化源Si 為主,這與研究區(qū)土壤質(zhì)地(砂粒占67.73%)一致。
研究區(qū)表層土壤BSi含量與容重呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05),一致于河口濕地土壤有效硅與土壤容重呈負相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[53]。由于容重較大的土壤易出現(xiàn)板結(jié),限制植物根系生長以及根系密度[54],地下生物量較??;同時土壤板結(jié)降低土壤孔隙度和水分傳導速率[55],不利于地上生物量的形成進而影響土壤BSi的形成和積累。研究區(qū)土壤BSi含量與粘粒顯著正相關(guān)(P<0.05),是由于土壤吸附元素的潛力很大程度上取決于礦物表面的吸附能力[56],細顆粒(粘粒和粉粒)具有較大比表面積和表面吸附效率[57],因此粘粒含量較高的香蕉地土壤具有較高的BSi含量。
SOC、TN是土壤有機質(zhì)含量和生物活性的重要指標[41]。研究區(qū)不同群落土壤BSi含量與SOC、TN呈極顯著/顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.05)、與NPP有正相關(guān)趨勢,表明研究區(qū)土壤BSi含量受制于群落生物生產(chǎn)力及其活動強度的影響。
土壤氮有助于微生物的形成、活動,N含量越高土壤有機質(zhì)分解速率越快[58]。低的C/N值有利于微生物分解、提高SOC礦化速率[59],向土壤釋放更多的BSi。研究區(qū)土壤BSi含量與C/N呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01),揭示研究區(qū)土壤BSi含量變化受土壤微生物活動控制。
研究區(qū)土壤BSi含量變化幾乎不受土壤pH值影響(圖6)。由于土壤中的單硅酸可吸附在OH基團上成為吸附態(tài)硅酸。因此,土壤酸堿度影響粘粒對硅酸的吸附[60]。當土壤pH值為6—8時,土壤粘粒對硅酸的吸附作用隨著pH值增加而增強[61];土壤pH>8時,pH對BSi溶解度的影響顯著;土壤pH<8時,pH對BSi溶解度的影響較小[62]。研究區(qū)不同群落土壤pH值變化于4.36—5.61之間,研究區(qū)土壤pH對BSi含量變化影響較小。
為了識別海南島西南部典型群落土壤BSi含量的主要影響因子,對影響土壤BSi含量的環(huán)境因素(容重、含水率、SOC、TN、C/N、CIA)進行主成分分析(抽取特征值大于1的成分,表3)。結(jié)果表明:影響自然林土壤BSi的主要因素是SOC、C/N和CIA;影響經(jīng)濟林土壤BSi的主要因素是TN、CIA;影響農(nóng)作物土壤BSi的主要因素是含水率、C/N。
季風氣候區(qū)水熱條件的季節(jié)變化影響植物生長過程和微生物分解活動[63],致使土壤BSi含量存在季節(jié)變化。高溫多雨的濕季,一方面森林群落大多數(shù)植物處于生長旺盛期,以吸收土壤養(yǎng)分形成有機質(zhì)為主,凋落物較少,返還土壤的BSi較少;另一方面濕熱環(huán)境促使土壤BSi溶解,轉(zhuǎn)換為DSi重新被植物吸收或者淋失;再者濕季海南島降雨強度較大,沖刷力強,土壤BSi隨雨水、徑流淋失。溫暖的干季,主要受水分條件的限制,植物生長減緩,吸收土壤DSi的量減少;另一方面植物葉片凋落較多,導致土壤BSi含量增多。然而農(nóng)作物(香蕉和甘蔗)土壤BSi含量出現(xiàn)反相變化趨勢,這與香蕉、甘蔗的生態(tài)習性有關(guān)。8—9月(濕季)是香蕉和甘蔗的成熟期,凋落物較干季(生長期)增多,隨凋落物返回土壤的BSi量亦增加;同時成熟期植物對土壤Si的吸收減少,BSi得以較大程度地保存在土壤中。除此之外,香蕉和甘蔗屬于草本植物,葉片中所含BSi較多、木質(zhì)素等難分解有機質(zhì)較少[64],凋落物進入土壤后分解較快并釋放較多BSi進入土壤。因此,研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤BSi含量的季節(jié)變化與森林群落相反。
表3 影響因素特征值及主要成分矩陣
比較發(fā)現(xiàn),研究區(qū)土壤BSi含量(1.43 mg/g)低于熱帶雨林土壤BSi的平均含量(2.5 mg/g)[33],亦低于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤BSi平均含量(23.60mg/g)[65]。這是由于土壤BSi含量變化除了受群落類型及其生物多樣性影響[66]外,還受研究區(qū)水文氣象條件制約。研究區(qū)初級生產(chǎn)力顯著低于熱帶雨林;實地觀察發(fā)現(xiàn)XJL、DYA、MGL等經(jīng)濟林下其他群落不發(fā)育,返還土壤的BSi較少;加之研究區(qū)全年高溫多雨徑流侵蝕較強,土壤微生物活動活躍,有利于BSi溶解、被吸收和淋失。
全球尺度上,北半球土壤BSi含量存在緯度地帶性差異(圖7):中高緯度地區(qū)土壤BSi含量平均值(5.72 mg/g[57,67—71]) 顯著高于低緯度地區(qū)的相應值(1.96 mg/g[33])。這是由于中高緯度地區(qū)土壤溫度較低,有機質(zhì)分解速率緩慢;加之高緯度地區(qū)全年以固態(tài)降水為主,地表較平緩,人類活動較少,地表侵蝕作用較弱,有利于BSi在土壤中的積累[28]。低緯度地區(qū),尤其是研究區(qū)水熱同期的季風氣候有利于表層土壤微生物代謝活動,致使凋落物快速分解、釋放BSi進入土壤并溶解;其次,低緯度地區(qū)全年降水較多且降雨強度較大,地表徑流機械侵蝕較強,不利于BSi在土壤中積累。研究區(qū)地表徑流機械侵蝕速率達82 m/Ma[72],使得較多的土壤BSi發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)換,最終以DSi的形式隨地表徑流向南海輸入6.39×108mol Si/a(包括原生DSi)[73],在一定程度上保持南海生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)成分結(jié)構(gòu),確保南海生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。
圖7 全球不同緯度土壤BSi含量Fig.7 Comparison Soil BSi content in different latitudes圖中除本研究流域外,其余數(shù)據(jù)引自文獻[67—71]
(1)海南島西南部不同植物群落土壤BSi含量從大到小依次為:香蕉地((2.38±0.72) mg/g)>熱帶季雨林((1.86±1.34)mg/g)>橡膠林((1.42±0.81)mg/g)>桉樹林((1.22±0.28)mg/g)>芒果林((0.98±0.71)mg/g)>甘蔗地((0.62±0.74)mg/g),研究區(qū)土壤BSi含量存在隨群落變化的季節(jié)變化:森林群落土壤 BSi含量干季大于濕季,農(nóng)業(yè)草本群落(香蕉地和甘蔗地)土壤BSi含量則出現(xiàn)濕季大于干季。研究區(qū)土壤BSi含量季節(jié)變化主要受森林群落季節(jié)變化制約。
(2)主成分分析表明研究區(qū)土壤BSi含量變化主要受化學風化程度、有機碳、總氮和C/N等因素影響,揭示研究區(qū)土壤BSi含量變化的生物和非生物耦合驅(qū)動機制。
(3)比較發(fā)現(xiàn),海南島西南部土壤BSi的平均含量為1.43 mg/g,低于熱帶雨林土壤BSi的平均含量(2.5 mg/g)。這是由于研究區(qū)水熱同期的季風氣候有利于表層土壤微生物代謝活動,致使凋落物快速分解、釋放BSi進入土壤并溶解;加之研究區(qū)山地較多,地表侵蝕作用較強,使得較多的土壤BSi發(fā)生遷移-轉(zhuǎn)換,最終以DSi的形式隨地表徑流注入南海,在一定程度上保持南海生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)成分結(jié)構(gòu),確保南海生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。
致謝:感謝鄭偉和周梅參加野外采樣工作。