亚热带白云岩喀斯特地区土壤耕层速效养分垂直分布特征

闫 伟， 代林玉， 肖时珍， 邰治钦

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵州 贵阳 550001)

我国西南喀斯特地区土层浅薄，成土速率极慢，容许土壤流失量低，水土流失危险度高，是非地带性脆弱生态带[1]，极易导致石漠化问题。石漠化问题不仅加速环境恶化，致使水土流失、自然灾害频繁和生态系统退化，还直接威胁到喀斯特地区人民的基本生存条件，加剧当地的贫困，危及到长江和珠江中下游地区的生态安全[2]。水土流失和石漠化问题还极易导致土壤质量下降，土壤肥力流失，进而导致土壤生产力低下。土壤肥力是指土壤为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应[3]。农作物的产量与品质取决于土壤肥力状况[4-5]。土壤速效养分是评价土壤肥力的重要指标，是植物所需氮、磷、钾等元素的直接来源，对作物产量和品质具有极其重要作用[6-7]，同时土壤速效养分是土壤提供植物生活所必需的和易被作物吸收利用的营养元素，土壤速效养分含量的高低是土壤养分供给强度的指标[8]。因此，研究土壤耕层速效养分垂直分布特征对于研究土壤肥力高低，水土流失和石漠化防治具有重要意义。

对于土壤速效养分分布特征，前人已有大量研究。邓小华等[9]在武陵山地区利用典型剖面研究了土壤速效养分和酸度的垂直分布特征，表明土壤速效养分随着土壤深度的增加而减小，表层聚集程度较高。李志鹏等[6]利用地统计学等方法分析了渭河平原土壤速效养分的空间特征及其变化规律，发现速效养分整体含量丰富，但在近30年来不断下降。陈涛等[10]利用空间自相关等方法对黄土高原南麓县的耕地土壤速效养分进行了分析，发现不同土地利用方式对速效养分的影响较大。赵业婷等[11]利用地统计学和GIS结合的方法研究黄土高原沟壑区土壤速效养分的空间及丰缺特征，表明有效磷、速效钾为中等空间相关性，碱解氮为弱空间相关性。还有学者对成都市[12]、海伦市[13]、兴义市[14]、黔南[15]等地的土壤速效养分进行了研究。综合以上研究可知，土壤速效养分的空间和垂直分布特征研究主要集中于非喀斯特地区，对于我国西南石灰岩喀斯特地区土壤速效养分的空间和垂直分布研究较少，特别是对于世界上最为典型的亚热带白云岩喀斯特地区的研究几乎没有涉及。为此，以典型亚热带白云岩喀斯特世界自然遗产地缓冲区东部土壤耕层为例，通过挖剖面分层取样分析，对研究区主要农业用地土壤耕层的速效养分垂直分布特征进行研究，同时探讨白云岩喀斯特地区土壤耕层速效养分分布特征与非白云岩地区有何异同，为本地区石漠化防治与土地资源合理利用提供科学依据，也为人地关系和谐和社会经济发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省中东部施秉县施秉白云岩喀斯特世界自然遗产地缓冲区内的白垛村(108°8′4″～108°12′35″N、27°5′56″～27°12′5″E)，为云贵高原向湘西山地丘陵的过渡地带，海拔600～1 250 m，平均海拔912 m。属中亚热带湿润性季风气候区，冬无严寒、夏无酷暑、冬暖夏凉，年均气温16℃，降水丰沛，年均降水1 220 mm，且主要集中在夏半年。地层岩性主要为质纯、致密的薄层细粒白云岩，岩石整体较为破碎[16]。土壤类型主要为白云岩风化形成的薄层石灰土，土被较为连续，土层分布较为均匀，土壤中砾石含量高，孔隙度高，水分下渗容易[17]。农耕地主要集中在坡度较缓的山间谷底和半坡，土壤厚度整体较深，平均为70～80 cm，最深可大于100 cm。种植作物主要为烤烟，占整体耕地面积的50%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集与测定 通过查阅文献和野外实地考察，样地选择方式以海拔较低的一点为中心，向4个方向发散射线，总计4条样线，呈“X”型。每条样线上间隔50 m选择1个样地，总计选择30个样地。每个样地利用5点采样法采集土样，以1个点为中心，其他4点分别在4个方向距离中心点1 m的位置上，5点同样呈“X”型。每个采样点挖剖面30 cm，并按照自下向上每10 cm采集1个土样，把5个土壤剖面相同土层的土样混合作为1个土层的样品，利用四分法留取1份样品，即1 kg土样，并记录采样地的GPS坐标点、作物类型、海拔高度、坡度、坡向等基本信息，总计得到混合土壤样品30个。样品带回实验室去除砾石、草根等杂质并摊开自然晾干，研磨后过2 mm和0.15 mm筛留存备用，土壤速效养分使用常规测量法测定[18]。

1.2.2 土壤层化比率与养分分级 土壤层化比率(Stratification ratio，SR)指土壤表层与土壤某一底层某一特征量的比值[19-20]，记为SR1、SR2、SR3……。土壤速效养分的层化比率为土壤表层速效养分含量与某一底层速效养分含量的比值，即SR1、SR2分别为某一速效养分土壤表层0～10 cm速效养分含量与土层10～20 cm和土层20～30 cm速效养分含量的比值。速效养分分级参照全国第二次土壤普查养分分级标准[21]，并进行丰缺评价。

1.2.3 数据处理与分析 采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行前期处理及简单计算。运用SPSS 24软件进行描述性统计分析获得碱解氮、有效磷、速效钾的最大值、最小值、平均值、标准差和方差等，同时进行单因素方差分析，统计显著性水平设置为P<0.05。用Origin 2019软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤速效养分垂直分布特征

2.1.1 碱解氮 由图1可知，研究区土壤耕层碱解氮含量随土层深度增加而逐渐减小。从不同土层碱解氮含量来看，土壤表层0～10 cm变幅为4.88～85.63 mg/kg，平均34.82 mg/kg。10～20 cm土层变幅为6.11～62.24 mg/kg，平均28.73 mg/kg。20～30 cm土层变幅为2.10～57.54 mg/kg，平均22.78 mg/kg。各土层碱解氮的含量呈离散分布，相同土层速效养分含量变化较大，各土层碱解氮含量方差为626.41(0～10 cm)>412.04(10～20 cm)>250.55(20～30 cm)，表明碱解氮含量的离散程度随土层厚度增加而逐渐减小。0～10 cm土层碱解氮含量比10～20 cm、20～30 cm土层分别高21.20%和52.85%，10～20 cm土层碱解氮含量比20～30 cm 土层高26.12%，表明在土壤耕作层，从地表开始每个土层下降的幅度相似，没有发生突变。利用单因素方差分析可知，土壤耕层碱解氮含量在0～10 cm土层与10～20 cm土层间无显著差异，与20～30 cm土层间差异显著；10～20 cm土层与20～30 cm土层无显著差异。

图1 碱解氮的垂直分布特征

2.1.2 有效磷 由图2可知，研究区土壤耕层有效磷含量随土层深度增加而逐渐减小。从不同土层有效磷含量来看，土壤表层0～10 cm变幅为1.73～50.73 mg/kg，平均17.34 mg/kg。10～20 cm土层变幅为1.55～50.24 mg/kg，平均12.93 mg/kg。20～30 cm土层变幅为1.25～34.20 mg/kg，平均11.72 mg/kg。各土层间有效磷的含量呈离散分布，相同土层速效养分含量变化较大，各土层有效磷方差为196.29(0～10 cm)>164.89(10～20 cm)>94.02(20～30 cm)，表明有效磷含量的离散程度随土层厚度增加而逐渐减小，与碱解氮的离散程度大致相同。0～10 cm土层有效磷含量比10～20 cm、20～30 cm土层分别高34.11%和47.95%，10～20 cm土层有效磷含量比20～30 cm 土层高10.32%，表明在土壤耕作层，从地表开始每个土层下降的幅度相似，没有发生突变。利用单因素方差分析可知，土壤耕层有效磷含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层间均无显著差异。

图2 有效磷的垂直分布特征

2.1.3 速效钾 由图3可知，研究区土壤耕层速效钾含量随土层深度增加而逐渐减小。从不同土层速效钾含量来看，土壤表层0～10 cm变幅为68.83～270.18 mg/kg，平均182.59 mg/kg。10～20 cm土层变幅为50.77～236.43 mg/kg，平均144.98 mg/kg。20～30 cm土层变幅为37.69～237.22 mg/kg，平均114.68 mg/kg。各土层间速效钾的含量呈离散分布，相同土层速效养分含量变化较大，各土层速效钾含量方差为3 812.07(20～30 cm)>3 379.76(10～20 cm)>3 303.36(0～10 cm)，表明速效钾含量的离散程度随土层厚度增加而逐渐增加，与碱解氮、有效磷的离散程度变化相反，并且离散程度也远远大于其他两种土壤速效养分。0～10 cm土层速效钾含量比10～20 cm、20～30 cm土层分别高25.94%和59.22%，10～20 cm土层速效钾含量比20～30 cm土层高26.42%，表明从地表开始，每个土层下降的幅度相似，没有发生突变。利用单因素方差分析可知，土壤耕层速效钾含量在0～10 cm土层与10～20 cm土层、20～30 cm土层间差异均显著，10～20 cm土层与20～30 cm土层间差异显著。

图3 速效钾的垂直分布特征

2.2 土壤速效养分层化比率

从表1可知，碱解氮的土壤层化比率SR1=1.25、SR2=1.73，表明碱解氮在10～20 cm土层中土壤层化特征和表层聚集特征不明显，在20～30 cm土层中相对较明显。有效磷的土壤层化比率SR1=1.87、SR2=2.35，表明有效磷在10～20 cm和20～30 cm土层中土壤层化特征和表层聚集特征均比较明显，尤其是SR2大于2，表现出显著的表面聚集特征。速效钾的土壤层化比率SR1=1.36、SR2=1.88，表明速效钾在10～20 cm土层中土壤层化特征和表层聚集特征不明显，在20～30 cm土层中相对较明显。

表1 土壤速效养分层化比率

2.3 土壤速效养分丰缺评价

从表2可知，研究区土壤耕层碱解氮从0～10 cm层到20～30 cm层都处于极缺乏水平，说明在白云岩喀斯特区土壤耕层中可以被植物直接吸收的氮元素极其缺乏。碱解氮含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层分别有46.67%、60.00%和70.00%的样品处于极缺乏水平，说明从表层到底层碱解氮的含量也越来越少。有效磷含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层分别有83.34%、66.67%和70.00%的样品处于丰富或适宜水平。速效钾含量在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层分别有100%、100%和93.33%的样品处于极丰富或丰富或适宜水平，在土壤表层极丰富和丰富占比分别达36.67%，总计超过该层土壤养分含量的2/3，表现出强烈的土层特征和表层聚化性。从以上分析可知，研究区土壤耕层的碱解氮含量极其缺乏，有效磷和速效钾的含量比较适宜，在农业活动中需要适量增加氮肥的使用，从而提高对土地肥力的改良。

表2 土壤速效养分不同分级频率及评价

3 结论与讨论

3.1 速效养分的垂直分布特征及其诱因

研究区土壤耕层速效养分的垂直分布特征与湖南武陵山区[9]、鄱阳湖湿地[22]、洛阳典型植烟区[23]和南方红壤区[24]等非白云岩喀斯特地区的研究结果相同，都是从土壤表面随土层增加而土壤速效养分逐渐减小。由此可知，亚热带白云岩喀斯特地区的土壤耕层速效养分分布特征与绝大多数土壤耕层土壤速效养分分布特征相同，都随着土壤深度增加而逐渐减小。虽然白云岩是一种较为特别的成土母岩，但也不可能改变这种垂直分布特征。

形成这种土壤速效养分分布特征的诱因较多。首先，土壤耕层是人类农业活动最直接的区域，由于化学肥料长期使用，使得土壤表层养分得到补充，故土壤养分在表层富集[9]。其次，植物根系大量吸收土壤中的营养成分，使得土壤耕层下层的营养成分被大量吸收用于植物生长，留存下来的营养成分含量较低[20]。即土壤表层可以得到充足的补充，而下层被大量吸收，补给相对较少，因此产生了随土层深度增加含量逐渐减小的变化趋势。此外，由于在农业活动中对土壤表层的扰动较大，土壤速效养分的离散程度较大，而在土壤耕层底层，耕作扰动较小，速效养分相对稳定，故土壤速效养分的离散程度都是从表层到底层逐渐减小。

3.2 速效养分的层化比率及丰缺特征

层化比率(SR)>2时，土壤表现出明显的表层聚集特征；SR<1时，无表层聚集特征；介于1～2为表层聚集特征存在但不明显[19-20]。研究区土壤速效养分的SR变幅大都介于1～2，表明土壤层化特征和表层聚集特征虽然存在但不明显，这可能是研究的土层深度仅限于土壤耕层，且每层厚度只有10 cm，因此研究结果不明显。其他地区较厚土层表现出明显的层化比率，林婉奇等[25]以山杜英人工林为研究对象，以每20 cm为1个土层，总土层深度为100 cm，探讨不同土层深度的养分质量分数和储量的垂直分布规律，结果表明，土壤有机碳和氮元素质量分数有明显的表层富集现象。这可能与研究区耕作方式和主要以坡耕地为主有关，坡耕地主要以牛翻耕，在耕作过程中使得土壤表层和中下层的土壤产生交换，同时增加了中下层土壤速效养分含量，使土壤层化比率降低[19]。

以全国第二次土壤速效养分分类普查标准[21]对比，研究区土壤耕层速效养分除了碱解氮以外，有效磷和速效钾都在适宜水平，并在土壤表层0～10 cm达到丰富水平。碱解氮从表层0～10 cm到底层20～30 cm总体都表现为极缺乏水平，且30个土壤样品只有6个样点在0～10 cm和2个样点在10～20 cm土层达到适宜水平，在土壤底层20～30 cm全部都处于缺乏和极缺乏水平。这与黑龙江烟草连作区的研究结果类似[26]，本研究区大多数样地为烟草种植区且连作种植在30年以上，由于烟草种植连作年限越长，土壤中氮元素含量越低，养分比例明显失调。贵州兴义白云岩喀斯特区碱解氮的含量较为适宜，甚至可以达到丰富水平[14]，本研究区氮元素含量低可能与施秉白云岩喀斯特地区大量种植烤烟有关，以后农业生产中应增加土壤氮肥的投入，减少氮元素高消耗植物的种植，从而使土壤肥力得到很好地改善。