以湖南省邵阳县轻度、中度(弃耕地)和重度石漠化的灌丛生态系统为研究对象,采集3种不同石漠化程度的灌丛植物样品以及0~15、15~30、30~45 cm 3个土层土壤,研究土壤、植被养分的分配格局及相互关系.结果表明:土壤有机碳、全N含量在不同土层中差异显著,且其含量均随土层深度增加而减少,而全P、全K、全Ca、全Mg含量在各土层间无显著差异;3种石漠化程度灌丛土壤全N、全P、全Ca、全Mg含量差异显著,且中度石漠化样地土壤有机碳、全N和全P含量相对较高.轻度和重度石漠化土壤各元素含量排序均为有机碳>全K>全Ca>全Mg>全N>全P,而中度石漠化样地土壤各元素含量排序为有机碳>全K>全Ca>全N>全Mg>全P;3种石漠化程度植物各养分含量由高到低依次为Ca>N>K>Mg>P,且植物N、P含量和土壤全N、全P含量均呈显著正相关.土壤养分状况与植物生长密切相关,根据不同石漠化程度土壤养分状况,应该采用封山育林与人工造林相结合以及针对性施肥的方法来治理石漠化.〖JP〗
This research was conducted in light (LRD), moderate (MRD, abandoned land) and intense (IRD) rocky desertification shrub ecosystems in Shaoyang, Hunan Province. We collected plant samples and soil at 3 layers (0-15, 15-30, 30-45 cm), and analyzed the distribution patterns of soil and plant nutrients and the relationships among them. Our results showed that the contents of soil organic carbon (SOC) and total N in different soil layers were various and decreased with soil depth, while the contents of total P, K, Ca and Mg had no obvious variation among the different soil layers. The contents of total N, P, Ca and Mg in soil were significantly different among the 3 rocky desertification shrub ecosystems, and the SOC, total N and total P in MRD were relatively higher than in the others. The rank of macroelement contents in soils for LRD and IRD was SOC>total K>total Ca>total Mg>total N>total P, while it was SOC>total K>total Ca>total N>total Mg>total P for MRD. The rank of macroelement contents in plants from the 3 rocky desertification shrub ecosystems was Ca>N>K>Mg>P, and the contents of N and P in plants were significantly positively correlated with the corresponding contents of total N and total P in soils. Soil nutrients were closely related to vegetation growth. According to the soil nutrient status of desertification plots of different grades, we should integrate the forest reservation with artificial afforestation and targeted fertilization methods for managing karst rocky desertification.
全 文 :湘西南喀斯特地区灌丛生态系统植物
和土壤养分特征
李艳琼1 邓湘雯1,2∗ 易昌晏3 邓东华3 黄志宏1,2 项文化1,2 方 晰1,2 景宜然1
( 1中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙 410004; 2南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙 410004; 3湖南省邵
阳县林业局, 湖南邵阳 422100)
摘 要 以湖南省邵阳县轻度、中度(弃耕地)和重度石漠化的灌丛生态系统为研究对象,采
集 3种不同石漠化程度的灌丛植物样品以及 0 ~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45 cm 3 个土层土壤,研究土
壤、植被养分的分配格局及相互关系.结果表明:土壤有机碳、全 N 含量在不同土层中差异显
著,且其含量均随土层深度增加而减少,而全 P、全 K、全 Ca、全 Mg 含量在各土层间无显著差
异;3种石漠化程度灌丛土壤全 N、全 P、全 Ca、全 Mg含量差异显著,且中度石漠化样地土壤有
机碳、全 N和全 P 含量相对较高.轻度和重度石漠化土壤各元素含量排序均为有机碳>全 K>全
Ca>全 Mg>全 N>全 P,而中度石漠化样地土壤各元素含量排序为有机碳>全 K>全 Ca>全 N>全
Mg>全 P;3种石漠化程度植物各养分含量由高到低依次为 Ca>N>K>Mg>P,且植物 N、P 含量和
土壤全 N、全 P 含量均呈显著正相关.土壤养分状况与植物生长密切相关,根据不同石漠化程度
土壤养分状况,应该采用封山育林与人工造林相结合以及针对性施肥的方法来治理石漠化.
关键词 灌丛生态系统; 石漠化; 植物养分; 土壤养分
Plant and soil nutrient characteristics in the karst shrub ecosystem of southwest Hunan, Chi⁃
na. LI Yan⁃qiong1, DENG Xiang⁃wen1,2∗, YI Chang⁃yan3, DENG Dong⁃hua3, HUANG Zhi⁃
hong1,2, XIANG Wen⁃hua1,2, FANG Xi1,2, JING Yi⁃ran1 ( 1College of Life Science and Technology,
Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2National Engi⁃
neering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004,
China; 3Shao⁃yang Bureau of Forestry, Shaoyang 422100, Hunan, China) .
Abstract: This research was conducted in light (LRD), moderate (MRD, abandoned land) and
intense (IRD) rocky desertification shrub ecosystems in Shaoyang, Hunan Province. We collected
plant samples and soil at 3 layers (0-15, 15-30, 30-45 cm), and analyzed the distribution pat⁃
terns of soil and plant nutrients and the relationships among them. Our results showed that the con⁃
tents of soil organic carbon (SOC) and total N in different soil layers were various and decreased
with soil depth, while the contents of total P, K, Ca and Mg had no obvious variation among the
different soil layers. The contents of total N, P, Ca and Mg in soil were significantly different among
the 3 rocky desertification shrub ecosystems, and the SOC, total N and total P in MRD were rela⁃
tively higher than in the others. The rank of macroelement contents in soils for LRD and IRD was
SOC>total K>total Ca>total Mg>total N>total P, while it was SOC>total K>total Ca>total N>total
Mg>total P for MRD. The rank of macroelement contents in plants from the 3 rocky desertification
shrub ecosystems was Ca>N>K>Mg>P, and the contents of N and P in plants were significantly
positively correlated with the corresponding contents of total N and total P in soils. Soil nutrients
were closely related to vegetation growth. According to the soil nutrient status of desertification plots
of different grades, we should integrate the forest reservation with artificial afforestation and targeted
fertilization methods for managing karst rocky desertification.
Key words: shrub ecosystem; rocky desertification; plant nutrient; soil nutrient.
本文由国家林业局林业科学技术推广项目([2014]52号)、国家林业局荒漠化(石漠化)定位监测项目(20130910,20150618)和国家林业公益
性行业科研专项(201404316)资助 This work was supported by the Forestry Science and Technology Promotion Project of State Forestry Administration
of China ([2014]52), the Desertification (Rocky Desertification) Monitoring Project of State Forestry Administration of China (20130910, 20150618)
and the National Forestry Welfare Research of China (201404316) .
2015⁃07⁃01 Received, 2016⁃01⁃19 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: dxwfree@ 126.com
应 用 生 态 学 报 2016年 4月 第 27卷 第 4期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1015-1023 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.015
喀斯特是一种具有特殊物质、能量、结构和功能
的生态系统,其特殊的地质背景造成了相对脆弱的
生态环境[1] .石漠化是岩溶地区土地退化的极端形
式[2],已经成为制约我国西南岩溶地区区域经济发
展和地方社会稳定的重大生态问题.我国岩溶地貌
主要分布在西南各省区市.其中,湖南省的石漠化严
重程度排在第 4位[3] .
灌丛是岩溶石漠化地区常见的一种自然植被类
型,在保护和改善岩溶生态环境方面具有重要作用.
在湘西南石漠化地区,裸岩率一般在 35% ~50%,部
分可达 60%以上.由于基岩大面积裸露,致使生境中
的土被分割成斑块状,土壤不连续,土层也十分瘠
薄[4],仅在局部石缝、石隙间有稍厚的土壤分布,极
大地制约了灌丛群落的发育.土壤养分含量是衡量
土壤肥沃程度的量化指标,也是植物生长发育的基
础[5-6] .提高养分利用效率或减少其损失成为许多处
于胁迫环境下植物保存限制性养分的一种重要机
制[7-8] .研究岩溶石漠化地区灌丛群落特征及其营养
元素的关系,深化对喀斯特灌丛的认识,是合理利
用、保护和改造喀斯特灌丛的关键[9] .因此,植物体
内部及其与土壤之间的养分利用模式、循环、通量等
对维持生态系统结构和功能的稳定起着决定性作
用[10] .喀斯特山区自然生态系统很脆弱[11],关于喀
斯特地区物质循环方面的研究,目前侧重于岩溶方
面[12-13],生物地球化学方面的研究也逐渐受到关
注[9,14],而关于该区域石漠化土壤性质的研究更多
的侧重于乔木林土壤碳、氮的变异特征[15-16] .由于
近年来的人为干扰,岩溶生态系统遭到严重破坏,发
生了严重的石漠化现象.植被退化导致土壤养分库
功能衰退,而土壤养分状况又显著影响着植物生长
和群落演替,退化岩溶生态系统土壤形成缓慢,缺水
干旱,富钙等,使石漠化地区植被恢复受到阻碍[17] .
邵阳县是湖南省石漠化较严重的区域,全县岩
溶地区面积占 73.7%,非岩溶地区占 26.3%.岩溶地
区中石漠化土地占 24. 4%,潜在石漠化土地占
26 1%[15] .该地区由于土层瘠薄,供植被根系生长的
空间和可利用的营养物质有限,生态系统生产力较
低[18],在这些特殊生境上发育的植物群落与非喀斯
特环境上的地带性植物群落存在明显差异[19] .本文
以湘西南轻度、中度和重度 3 种石漠化程度灌丛生
态系统作为研究对象,通过对石漠化地区退化生态
系统养分分配格局及其相互关系进行研究,揭示植
被、土壤退化机理及其与石漠化演替的相关性,为该
地区石漠化植被恢复及可持续发展提供科学依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
研究区位于湖南省邵阳县郦家坪镇(27°0′ N,
111°36′ E),位于湘西南,地处衡邵盆地西南边缘向
山地过渡地带,试验地海拔 400~585 m,是岩溶丘陵
地带.气候属中亚热带季风湿润气候,年平均气温
16~17.8 ℃,昼夜温差大,极端最高气温 41.0 ℃,极
端最低气温-10.1 ℃,年均无霜期 288 d,年均降水
量 1389.8 mm,年均蒸发量 1180 mm.该区属于石漠
化严重地区,土壤类型主要是黑色石灰土,黄色石灰
土,植被稀少,地下水位低,地下水蓄量少,对环境的
调节和承受能力差.
研究区主要植物种类有糯米条(Abelia chinen⁃
sis)、六月雪( Serissa japonica)、金樱子(Rosa laevi⁃
gat)、牡荆(Vitex negundo)、盐肤木(Rhus chinensis)、
青蒿(Artemisia carvifolia)、五节芒(Miscanthus flori⁃
dulus)等.
1 2 研究方法
1 2 1样地设置 根据国家林业局关于石漠化分级
标准[20],于 2014 年 11 月在研究区选择了轻度、中
度、重度 3种石漠化程度的灌丛生态系统,在海拔基
本一致、有代表性的地段设置样地,进行调查.记录
样地特征(表 1)及周边环境信息,主要包括经纬度、
表 1 不同石漠化程度样地基本信息
Table 1 Basic information for different grades of rocky desertification sites
样地
Plot
石漠化程度
分级得分
Score of rocky
desertification
坡向
Aspect
坡度
Gradient
(°)
海拔
Elevation
(m)
基岩裸露率
Bedrock
expose rate
(%)
植被盖度
Vegetation
coverage
(%)
干扰状况
Disturbance status
LRD 34(≤45) 南 South 20 500 35 80 人为干扰轻,少量放牧
MRD 48(46~60) 东北 Northeast 18 500 57 75 5年弃耕地,少量放牧
IRD 67(61~75) 西南 Southwest 17 480 73 40 人为干扰轻,少量放牧
LRD: 轻度石漠化 Light rocky desertification; MRD: 中度石漠化 Moderate rocky desertification; IRD: 重度石漠化 Intense rocky desertification. 下同
The same below. 括号中为分级标准,石漠化评定标准依据基岩裸露度、植被类型、植被综合盖度、土层厚度 4个主要因子进行划分,根据各指标
评分之和划分石漠化等级,见参考文献[20] The values in brackets were the classification standards, and rocky desertification evaluation criteria were
based on bedrock expose rate, vegetation type, vegetation coverage and soil thickness. According to the sum of four index grades, the rocky desertification
degree was divided. See reference [20] .
6101 应 用 生 态 学 报 27卷
海拔、地貌、植被种类和数量、基岩裸露率等.
1 2 2土壤剖面调查和样品取样分析 在 3 个样地
的不同坡位(上、中、下坡)各挖掘 3 个土壤剖面(宽
40~50 cm,深 50 cm或至母岩层),在每个剖面上按
0~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45 cm 3 个土层分别采集土样
1 kg(共采土样 81 个)带回实验室,去除根系、石砾
和杂物,风干后粉碎,过 80目筛,备用.
土壤有机碳采用重铬酸钾水合加热法测定,全
N采用凯氏定氮法测定,全 P 采用钼锑抗比色法,全
K采用火焰光度计法,全 Ca 和全 Mg 含量采用原子
吸收分光光度计测定.样品分析时间为 2014 年 11
月—2015年 1月.
1 2 3植物样品取样及分析 在每块样地的上、中、
下坡各选 1 个 1 m×1 m 的小样方,记录植物种名,
测定其高度、灌木地径,采用全株收获法,称取鲜质
量,按地上和地下部分分别采集灌木和草本样品,每
个样品 200 g 左右(<200 g 的全部收取),不同坡位
各设 3个重复.将植物样品带回实验室用蒸馏水洗
净,105 ℃下杀青 15 min,再在 80 ℃下烘干至恒量,
求含水率.将植物烘干样粉碎,过 100目筛,备用.
植物样品 N、P、K、Ca、Mg 含量测定与土壤全
N、全 P、全 K、全 Ca、全 Mg的测定方法一致.
1 3 数据处理
利用 Excel 2003 和 SPSS 18.0 软件进行数据统
计分析.对不同土层或不同石漠化程度土壤和植被
各养分含量进行单因素方差分析(one⁃way ANOVA)
和 LSD多重比较(α = 0.05),对植被和土壤养分含
量进行 Pearson相关性分析.图表中数据为平均值±
标准差.
2 结果与分析
2 1 不同石漠化程度土壤养分状况
2 1 1土壤大量元素含量及其分布 由表 2 可以看
出,表土层(0~15 cm)有机碳含量最高,且随着土层
图 1 不同石漠化灌丛不同坡位土壤有机碳和全氮含量
Fig.1 Soil organic carbon (SOC) and total N contents at dif⁃
ferent slope positions for different grades of rocky desertification
shrubs.
LRD: 轻度石漠化 Light rocky desertification; MRD: 中度石漠化 Mo⁃
derate rocky desertification; IRD: 重度石漠化 Intense rocky desertifica⁃
tion. 下同 The same below.
深度的增加而减小,最大变化幅度达到 48%. 0 ~
15 cm土层与其他土层有机碳含量差异显著,且 3 种
石漠化程度 0 ~ 15 cm 土层有机碳含量均占整个采
样剖面的 41. 2%以上,有机碳的表聚性明显,而
15 cm以下土层有机碳含量无显著差异.3 种石漠化
程度表土层有机碳含量的大小为轻度>中度>重度.不
同坡位上 3种石漠化程度土壤有机碳含量均为上坡>
中坡>下坡(图 1).在土壤剖面垂直分布上,全 N 含
量和土壤有机质的变化规律基本一致,即随土层深
度增加而减小,全 N也具有表土层(0 ~ 15 cm)富集
现象,土壤全 N含量与坡位的关系不明显(图 1).另
外,中度石漠化样地(弃耕地)15 ~ 30 和 30 ~ 45 cm
土层有机碳和全氮含量均偏高(表 2).从图 2 可以
看出,不同石漠化程度样地土壤全 N 含量、C / N 与
土壤有机碳含量均呈显著正相关.
表 2 不同石漠化程度样地各土层有机碳和全 N含量
Table 2 Soil organic carbon (SOC) and total N contents at different soil layers in different grades of rocky desertification
plots (g·kg-1)
样地
Plot
有机碳 SOC
0~15 cm 15~30 cm 30~45 cm
全 N Total N
0~15 cm 15~30 cm 30~45 cm
LRD 23.08±3.62Aa 12.13±0.65Bb 9.49±0.67Bb 1.97±0.14Aa 1.40±0.15Ba 1.24±0.20Ba
MRD 22.44±5.10Aa 15.27±1.66Ba 13.08±2.00Ba 1.99±0.30Aa 1.61±0.13Ba 1.44±0.14Ba
IRD 19.19±2.50Aa 10.69±1.94Bb 7.99±3.47Bb 1.50±0.26Aa 1.20±0.13Ba 1.05±0.17Ba
不同大写字母表示同一石漠化程度不同土层间差异显著,不同小写字母表示同一土层不同石漠化程度间差异显著(P<0.05)Different capital
letters meant significant difference among different soil layers in the same grade of rocky desertification plot, and different small letters meant significant
difference among different grades of rocky desertification plots in the same soil layer at 0.05 level. 下同 The same below.
71014期 李艳琼等: 湘西南喀斯特地区灌丛生态系统植物和土壤养分特征
图 2 石漠化灌丛土壤全 N和 C / N与有机碳含量的关系
Fig.2 Relationships of soil organic carbon (SOC) content with
soil total N content and C / N in rocky desertification shrubs.
∗∗P<0.01.
由图 3可知,各土层全 P 和全 K含量差异不显
著,不同土层变化幅度不大,垂直分布相对均匀.中
度石漠化(弃耕地)土壤全 P 含量(0.37 g·kg-1)显
著高于轻度 (0. 226 g·kg-1 )和中度石漠化土壤
(0 221 g·kg-1).不同石漠化程度土壤全 K 含量没
有显著差异.全 Ca 和全 Mg 含量在各土层间差异不
显著. 重度石漠化程度土壤全 Ca 含量 ( 3 77
g·kg-1)显著高于中度(2.78 g·kg-1)和轻度土壤
(2 45 g·kg-1),而土壤全 Mg 含量则是重度土壤
(1.88 g·kg-1)>轻度土壤(1.64 g·kg-1)>中度土壤
(1.57 g·kg-1).
2 1 2土壤养分总体状况及其相关性 由表 3 可以
看出,轻度和重度石漠化土壤各元素含量大小为有
机碳>全 K>全 Ca>全 Mg>全 N>全 P,而中度石漠化
样地(弃耕地)土壤中各元素含量大小依次为有机
碳>全 K>全 Ca>全 N>全 Mg>全 P,且 3种石漠化程
度土壤全 N、全 P、全 Ca、全 Mg 含量差异显著.3 种
石漠化程度中土壤总养分含量、有机碳、全 N、全 P
含量均为中度>轻度>重度,土壤全 K 含量为中度>
重度>轻度,土壤全 Ca 含量为重度>中度>轻度,土
壤全 Mg含量为重度>轻度>中度.
由表 4 可以看出,3 种不同石漠化程度样地土
壤有机碳含量与全 N含量呈显著正相关,与全 K、全
Mg含量呈显著负相关;土壤全 N 含量与全 Ca、全
Mg含量呈显著负相关;土壤全P含量与全Mg含量
图 3 石漠化灌丛土壤各土层全 P、全 K、全 Ca和全 Mg含量
Fig.3 Total P, K, Ca, Mg contents at different soil layers in rocky desertification shrubs.
不同大写字母表示同一石漠化程度不同土层间差异显著,不同小写字母表示同一土层不同石漠化程度间差异显著(P<0.05)Different capital
letters meant significant difference among different soil layers in the same grade of rocky desertification plot, and different small letters meant significant
difference among different grades of rocky desertification plots in the same soil layer at 0.05 level. 下同 The same below.
8101 应 用 生 态 学 报 27卷
表 3 不同石漠化程度灌丛土壤各大量元素含量
Table 3 Macroelement content in soil of different grades of rocky desertification shrubs (g·kg-1)
样地 Plot 有机碳 SOC 全 N Total N 全 P Total P 全 K Total K 全 Ca Total Ca 全 Mg Total Mg
LRD 14.90±6.56a 1.54±0.37ab 0.23±0.06b 4.82±0.66a 2.57±0.63a 1.64±0.22ab
MRD 16.93±5.26a 1.68±0.31a 0.36±0.05a 5.09±0.76a 2.70±0.89a 1.57±0.38b
IRD 12.62±5.89a 1.25±0.27b 0.22±0.08b 4.90±0.43a 3.77±0.93b 1.88±0.26a
同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level.
表 4 土壤主要营养元素相关性系数
Table 4 Correlation coefficients of main nutrient elements
in soils
有机碳
SOC
全 N
Total N
全 P
Total P
全 K
Total K
全 Ca
Total Ca
全 N Total N 0.942∗∗
全 P Total P 0.412 0.557
全 K Total K -0.589∗ -0.440 0.329
全 Ca Total Ca 0.339 -0.587∗ -0.423 0.083
全 Mg Total Mg -0.734∗∗ -0.896∗∗ -0.621∗ 0.314 0.856∗∗
∗P<0.05; ∗∗P<0.01. 下同 The same below.
呈显著负相关;土壤全 Ca含量与全 Mg 含量呈显著
正相关;其他元素之间相关性不显著.
2 2 不同石漠化程度植被养分含量及其分布
2 2 1灌木和草本层大量元素分布 由表 5 可知,3
种石漠化程度灌丛灌木层中大量元素含量排序均为
Ca>N>K>Mg>P,且除 K以外,枝叶中其他元素含量
均大于根中含量.轻度和中度石漠化程度灌丛草本
层中大量营养元素含量排序均为 N>Ca>K>Mg>P,
重度石漠化灌丛草本层中大量元素含量排序为 Ca>
K>N>Mg>P.除了 P 和 K以外,草本层地上部分中其
他元素含量均大于地下部分.3 种石漠化程度灌丛
植被养分含量排序为 Ca>N>K>Mg>P,灌木层总养
分含量排序为轻度>重度>中度,草本层总养分含量
排序为中度>重度>轻度.各元素含量均为灌木层>
草本层(图 4).
2 2 2植被层主要营养元素的相关性分析 由表 6
可知,植物 N含量与 P、Ca、Mg 含量呈显著正相关,
与 K含量的相关性不显著;植物 P 含量与 K、Ca、Mg
含量,植物K含量与Ca 、Mg含量 ,植物Ca含量与
图 4 不同石漠化程度灌木层和草本层植物养分含量
Fig.4 Nutrient contents in shrub and herb layers for different rocky desertification grades.
不同大写字母表示同一石漠化程度不同植被层间差异显著,不同小写字母表示同一植被层不同石漠化程度间差异显著(P<0.05) Different
capital letters meant significant difference among different vegetation layers in the same grade of rocky desertification plot, and different small letters meant
significant difference among different grades of rocky desertification plots in the same vegetation layer at 0.05 level.
91014期 李艳琼等: 湘西南喀斯特地区灌丛生态系统植物和土壤养分特征
表 5 不同石漠化程度灌木层和草本层植被养分含量
Table 5 Nutrient content in shrub and herb layers in different grades of rocky desertification plots (g·kg-1)
样地
Plot
植被层
Vegetation layer
器官
Organ
N P K Ca Mg
LRD 灌木层 枝叶 Branch and leaf 10.38±1.72Aa 0.69±0.12Aa 6.96±2.33Aa 22.65±1.90Aa 0.99±0.16Aa
Shrub layer 根 Root 5.74±2.17Aa 0.45±0.07Aa 2.35±1.89Aa 10.19±5.79Ba 0.89±0.14Aa
草本层 地上 Aboveground 4.55±0.46Aa 0.28±0.01Bb 1.61±0.40Aa 3.14±0.94Aa 0.56±0.11Aa
Herb layer 地下 Underground 4.11±0.30Aa 0.31±0.01Aa 3.70±1.26Aa 2.45±1.63Aa 0.52±0.05Aa
MRD 灌木层 枝叶 Branch and leaf 11.29±3.48Aa 0.66±0.13Aa 4.76±0.62Aa 12.48±4.86Ab 1.11±0.29Aa
Shrub layer 根 Root 9.10±3.35Aa 0.63±0.17Aa 4.36±2.27Aa 10.07±6.62Aa 0.95±0.18Aa
草本层 地上 Aboveground 6.44±0.63Aa 0.62±0.16Aa 4.36±1.80Aa 5.94±3.14Aa 0.73±0.19Aa
Herb layer 地下 Underground 4.95±0.33Ba 0.58±0.14Aa 4.44±1.06Aa 2.90±2.10Aa 0.53±0.05Aa
IRD 灌木层 枝叶 Branch and leaf 8.45±1.71Aa 0.60±0.13Aa 4.95±1.43Aa 22.39±4.37Aa 1.06±0.45Aa
Shrub layer 根 Root 4.48±0.54Ba 0.57±0.24Aa 5.82±0.83Aa 7.19±2.75Ba 0.88±0.14Aa
草本层 地上 Aboveground 4.77±1.54Aa 0.40±0.20Aab 4.30±4.54Aa 6.05±3.32Aa 0.61±0.05Aa
Herb layer 地下 Underground 3.03±0.62Ab 0.40±0.24Aa 4.10±1.93Aa 3.83±1.23Aa 0.54±0.02Aa
不同大写字母表示同一石漠化程度同一植被层不同器官养分含量间差异显著,不同小写字母表示同一植被层同一器官养分含量在不同石漠化
程度间差异显著(P<0.05)Different capital letters meant significant difference among different organs at the same vegetation layer in the same grade of
rocky desertification plot, and different small letters meant significant difference among different grades of rocky desertification plots in the same organ at
the same vegetation layer at 0.05 level.
Mg含量均呈显著正相关.
2 3 土壤⁃植被系统养分含量相关性分析
由表 7 可以看出,植物 N、P 含量与土壤全 N、
全 P 含量均呈显著正相关;而植物 K、Ca、Mg、总养
分(不包括有机碳)含量与对应的土壤养分含量相
关性不显著.
表 6 植被层主要营养元素相关性系数
Table 6 Correlation coefficients of main nutrient elements
in vegetation layer
N P K Ca
P 0.444∗∗
K 0.254 0.746∗∗
Ca 0.575∗∗ 0.492∗∗ 0.430∗∗
Mg 0.547∗∗ 0.643∗∗ 0.450∗∗ 0.703∗∗
表 7 石漠化灌丛土壤⁃植物主要营养元素相关性系数
Table 7 Correlation coefficients of main nutrient elements
in soil and vegetation for rocky desertification shrubs
土壤 Soil
N P K Ca Mg
植物 N 0.504∗ 0.243 0.177 0.002 0.132
Plant P 0.183 0.532∗ -0.028 -0.128 -0.065
K 0.010 0.185 0.047 0.090 0.311
Ca -0.086 -0.058 -0.006 0.078 0.026
Mg 0.063 0.287 0.021 -0.046 -0.063
3 讨 论
3 1 土壤养分分布的影响因素
植被凋落物是土壤碳的主要来源,土壤有机碳
含量取决于植被每年的归还量[15] .本研究区为石漠
化样地,但已封育多年,植被根系对水土保持具有很
好的效果,本研究中采集的表层土多为黑色石灰土,
有机质含量在 4%左右.这是因为可溶性碳酸盐与土
壤腐殖质结合、凝聚,形成稳定的腐殖酸钙,有利于
土壤有机质的累积.在土体分布上,本研究与桂西北
喀斯特等地区[21-24]森林土壤养分的研究结果一致:
随着土壤深度增加,有机碳和全氮含量逐渐降低;且
随着植被正向演替(重度⁃中度⁃轻度),表层土壤有
机碳含量逐渐增加.因为土壤有机碳和氮主要来源
于凋落物的归还,这导致有机碳和氮首先在土壤表
层聚集,然后再随水或其他介质向下层迁移扩散,从
而形成土壤有机碳和氮含量从表层到底层越来越低
的分布格局.但 15 cm 以下土层有机碳含量差异较
小,这主要是因为土壤成土母质基本相同,其上生长
的植被差异对底土层影响不大.研究区中度石漠化
样地 5年前为耕地,人为干扰(如整地、施肥等)使
得土壤中部分有机碳和氮含量失去了原有的分布规
律,使得中度石漠化样地土壤的有机碳和全氮含量
高于其他 2个样地.在土壤养分相关性分析中,有机
碳与全 N、C / N呈显著正相关,与贵州普定喀斯特山
区[25]一致,这主要是因为有机质作为土壤养分的主
要来源,可以缓慢地改良土壤,对土壤养分具有缓释
效应,亚热带地区丰富的灌丛植被枯落后,很快转为
腐殖质并随时间而积累,有机质含量得到一定程度
的提高,土壤全 N含量随着有机质的缓释而缓慢提
高.各样地土壤有机碳含量随坡面位置的变化均为
上坡>中坡>下坡.这与刘淑娟等[26]的研究中桂西北
喀斯特的“养分倒置”现象类似.刘从强等[27-28]研究
0201 应 用 生 态 学 报 27卷
表明,土壤有机碳含量随海拔升高而增加,对于同一
山坡,上坡位的土壤有机碳含量高于下坡位,主要原
因是喀斯特地区的地表径流量小.但由于植被覆盖
度和植物种类差异等因素,土壤全 N 含量与坡位的
关系不明显.研究区土壤全 Ca、全 Mg 含量高,在一
定程度上受母岩富钙镁的影响,全 Ca 含量随石漠
化程度降低而减小,说明喀斯特地区土壤全 Ca 不
仅来源于成土母质,还受岩石风化淋溶的影响.土壤
全 Mg含量在 3 种石漠化程度间差异不显著,表明
石漠化程度对土壤全 Mg 含量有一定影响,但还取
决于其他因素的影响.
全 P 含量受土壤母质、成土作用影响很大,与
土壤质地也有关系[29] .研究区中度石漠化土壤全 P
含量显著高于重度和轻度石漠化程度灌丛土壤,这
与前期属于耕地有关,耕作期间对该样地进行的施
肥等处理,使土壤 P 含量增加,而轻度石漠化灌丛
土壤全 P 含量稍高于重度石漠化,但差异不显著.土
壤中 P 除来源于母质,还来源于植物回归,由于植
被分布格局和土壤差异,导致全 P 具有较大的变异
性[30] .K受成土母质影响较大,因此在 3 种石漠化
程度的土壤间含量差异不显著.全 P 和全 K 含量在
各土层间差异不显著,这与刘兴诏等[31]、龙健等[32]
关于土壤全 P 和全 K含量的研究结果一致,表明在
喀斯特地区石漠化过程中,土壤全 P、全 K含量受成
土母质的影响,变化规律不明显.对比该地区石漠化
样地人工造林[33]和其他石漠化地区[29,34]退耕坡地
土壤养分状况,该研究区灌丛土壤全 P 和全 K 含量
相对较低.
3 2 土壤和植物之间养分分布的影响因素
植物体中化学元素主要来源于土壤[35],土壤元
素含量特征对灌丛植物的种类组成和元素含量有很
大影响.根系从土壤中吸收养分,植物体内营养元素
因植物的枯死存留在枯枝落叶和死根中,这些枯枝
落叶和死根在分解后,转化成能够被植物体吸收利
用的营养元素,一部分被根系吸收,另一部分归还土
壤.植物 N、P 含量和对应土壤全 N、全 P 含量均呈显
著正相关,表明土壤作为植物养分的输入端,很大程
度上决定了植物对养分的吸收和积累,同时退耕地
(中度石漠化)植被生长优于非退耕地(轻度和重
度),表明土壤 N、P 的缺乏是制约石漠化灌丛植被
生长的主要因素之一;而植物 K、Ca、Mg、总养分(不
包括有机碳)含量与对应土壤养分含量相关性不显
著,反映出植物元素虽主要来源于土壤,但因植物养
分含量受元素地球化学性质、植物种类、土壤元素有
效态含量等因素的制约,使得部分植物元素含量和
土壤元素含量没有显著的相关性.尽管植物元素的
含量与分布受到多种因素的影响,但元素的生物地
球化学行为才是最根本的决定因素.
在土地石漠化过程中,植被退化过程是最直观
的先导过程,在不受严重破坏的情况下,脆弱的喀斯
特环境下,植被可以逐步恢复.而中度石漠化样地
(退耕地)植被自然恢复状况优于其他两种石漠化
程度样地,主要因为其为耕地时有外来养分进入
(施肥).石漠化土地的恢复改良须从地表植被恢复
着手,在植被恢复过程中保持水土,改良土壤,提高
土地生产力[36],逐步形成植被⁃土壤⁃水分⁃基岩协调
的良性生态系统[37] .在研究区根据不同石漠化程度
土壤养分状况,采用封山育林与人工造林相结合及
针对性施肥的方法来治理石漠化,因地制宜,适地适
树,对保持水土、提高土壤养分含量及创造一定的经
济价值具有重要意义.
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作者简介 李艳琼,女,1990年生,硕士研究生. 主要从事森
林生态学研究. E⁃mail: liyqcsuft@ 163.com
责任编辑 孙 菊
李艳琼, 邓湘雯, 易昌晏, 等. 湘西南喀斯特地区灌丛生态系统植物和土壤养分特征. 应用生态学报, 2016, 27(4): 1015-1023
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