2022, Vol. 43
2. 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001;
3. 贵州省喀斯特石漠化防治与衍生产业工程实验室, 贵阳 550001
2. State Engineering Technology Institute for Karst Desertification Control, Guiyang 550001, China;
3. Guizhou Engineering Laboratory for Karst Rocky Desertification Control and Derivative Industry, Guiyang 550001, China
土壤团聚体是土壤结构的基本组成, 明显影响着土壤孔隙度、土壤温度和土壤肥力等土壤理化因子[1, 2], 是土壤质地的重要指标.土壤团聚体的组成和稳定性对土壤肥力状况和植物生长具有重要影响[3], 不但能使土壤结构保持稳定, 减少水土流失, 而且能保护土壤有机质, 提升土壤的肥力和质量[4], 进一步提高植物生产力. C、N和P是地球上所有生物体的三大主要元素, 土壤C、N、P组成和分布及其生态化学计量特征对于识别生态过程及其驱动机制具有重要意义[5, 6], 而不同粒级的土壤团聚体有着不同的维持和供给土壤C、N和P的能力[7].因此研究土壤团聚体C、N和P化学计量特征是探明土壤C、N和P养分特征以及土壤生态过程的重要工作.可见, 研究土壤团聚体组成与稳定性和不同粒级团聚体C、N和P化学计量特征对研究土壤环境质量、土壤性质变化、土壤肥力水平和抗水土流失等具有重要意义.
土壤团聚体稳定性及其C、N和P化学计量特征已成为相关研究领域的热点.已有不少国内外学者开展了土地利用方式变化[8]、长期施肥[9]、生物炭和秸秆还田[10]等对土壤团聚体稳定性及有机碳分布的影响研究.土壤团聚体C、N和P化学计量特征在不同植被带[11]、不同耕地类型[12]和不同海拔高度[13]等的分布特征也已见报道.当前, 由于社会经济快速发展和生态环境保护与修复不断得到重视, 土地利用方式变化频繁和强烈.在西南喀斯特地区, 为了修复退化的喀斯特生态环境、快速发展滞后的社会经济, 土地利用方式变化更是强烈[14].但迄今为止, 土地利用变化对土壤团聚体组成、稳定性及C、N、P生态化学计量特征的影响规律及其驱动因子仍未系统阐明, 针对西南脆弱喀斯特生态环境的相关研究更是薄弱, 严重限制了该区域的土地利用合理调控、生态修复与保护的科学实施, 以及区域社会经济的可持续发展.
为此, 本文选取西南喀斯特典型区域7种主要的土地利用方式为研究对象, 开展: ①土地利用方式变化对土壤团聚体组成和稳定性影响研究; ②土壤团聚体C、N、P含量及其化学计量比对土地利用方式变化的响应研究; ③西南喀斯特土地利用方式影响土壤团聚体稳定性和C、N、P化学计量特征的驱动因子研究.以期为西南喀斯特地区土地利用管理、土壤碳汇调控和石漠化治理等生态修复工程实施提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于贵州省安顺市关岭县北盘江花江河段峡谷两岸(25°37′16″~25°42′34″ N, 105°35′43″~105°43′04″ E, 图 1), 典型的喀斯特高原峡谷地貌, 地势落差较大, 海拔450~1 450 m.区内年均降雨量1 100 mm, 降雨主要分布在5~10月, 占全年总降雨的83%.岩石多属三叠系的白云岩、泥质白云岩和钙质页岩.土壤以黄壤、黄色石灰土为主.植被为亚热带常绿落叶针阔混交林, 原生植被基本上被破坏, 现以次生林为主.野生植被是以窄叶火棘(Pyracantha angustifolia)、刺梨(Rosa roxbunghii)、救军粮(Pyracantha fortuneana)和铁线莲(Clematis florida)等为主的藤、刺、灌丛, 以及零星分布的杉木(Cunninghamia lanceolata)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、马尾松(Pinus massoniana)和光皮桦(Betula luminifera)为主.区内碳酸盐岩分布广泛, 地表崎岖不平, 峰丛洼地随处可见, 植被破坏率十分严重, 岩石裸露率很高.经过长时间石漠化治理, 目前区内灌草、灌丛、残存次生林和退耕还林等植被得到明显的恢复和生长, 但总体生态稳定性及相关功能还有待提升.研究区内土地利用方式多样, 主要有乔木林地、疏林地、灌木林地、草地、旱地和人工经济林等.
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图 1 研究区位置示意 Fig. 1 Location of study area |
2021年3月中旬, 在对研究区详细踏查的基础上, 针对乔木林地、疏林地、灌木林地、草地、裸地、玉米地和撂荒地等研究区7种主要土地利用方式分别设立面积为100 m×100 m的研究样地.其中, 乔木林地主要优势物种为杉木; 疏林地优势物种为油桐(Vernicia fordii), 并伴生香椿(Toona sinensis); 灌木林地优势物种为白刺花(Sophora davidii); 草地主要草本植物是鬼针草(Bidens pilosa), 伴生有飞蓬(Erigeron acer); 裸地系原有植被完全破坏, 发生严重石漠化而形成, 地表几乎没有植被覆盖, 仅零星分布飞蓬等杂草; 玉米地季节性种植玉米, 一般4月播种, 9月收割, 收割后不种植其他作物; 撂荒地系玉米地撂荒, 已撂荒3 a左右, 已自然生长有飞蓬等草本植物, 但覆盖度较低.每个研究样地除土地利用方式不同外, 土壤类型、海拔、岩性和地貌类型等其他自然地理条件基本一致(表 1).在每种土地利用方式的样地中随机布设3个面积为10 m×10 m的取样样方, 每个取样样方之间至少间隔20 m, 7种类型样地共设置21个取样样方.
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表 1 样地基本信息 Table 1 Basic information of sample plots used in the present study |
1.3 土壤样品采集与团聚体筛分
取样时, 在每一取样样方按蛇形设立3个随机取样点, 按王霖娇等[14]的剖面划分方法在每个取样点按0~5、5~10和10~15 cm分3个土壤垂直剖面进行土壤取样.将采集的土壤样品装入塑料袋, 贴上标签, 带回实验室后, 去除小石块及动植物残体, 把土壤轻轻地掰成直径约为1 cm的小土块, 自然风干.土壤风干磨碎后先过1 cm筛子进行干筛, 仔细挑出石子、根系及其他杂物, 然后用湿筛法进行土壤团聚体筛分.按文献[15]的方法将土壤团聚体分为4类: ①粒径>2 mm为大团聚体, ②粒径2~0.25 mm为较大团聚体, ③粒径0.25~0.053 mm为微团聚体和④粒径 < 0.053 mm为粉+黏颗粒.
1.4 土壤容重、pH及团聚体C、N、P测定土壤容重采用环刀法取样, 于105℃烘干测定; 土壤pH的测定采用酸度计法(水土比例为2.5 ∶1); 土壤团聚体碳用团聚体有机碳指征, 采用重铬酸钾氧化-外加热法测定; 土壤团聚体氮采用硒粉-硫酸铜-硫酸钾-硫酸消煮, 凯氏定氮仪测定; 土壤团聚体磷采用硫酸-高氯酸消煮, 钼锑抗比色法测定.上述土壤团聚体C、N和P测定方法具体步骤参见文献[16].
1.5 土壤团聚体组成与稳定性参数计算采用不同粒级土壤团聚体所占质量分数来指征土壤团聚体组成:
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(1) |
式中, ωi为该团聚体占该土壤样品所有粒级团聚体的质量分数(%), mi为该团聚体质量, M为该土壤样品团聚体总质量.
土壤团聚体稳定性采用平均重量直径(mean weight diameter, MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter, GMD)两个参数进行描述[13], 单位均为mm, 计算公式如下:
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(2) |
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(3) |
式中, n为粒级分组的组数, xi为第i级团聚体的平均直径(mm).
1.6 数据处理分析本研究中原始数据的统计与计算由Excel 2010软件完成, 采用SPSS 22.0单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan新复极差法对各变量进行差异显著性比较, 采用Pearson相关性分析方法进行变量间相关性分析, 采用Origin Pro 2018和Excel 2010进行图表绘制.图表中数据均为平均值±标准误.
2 结果与分析 2.1 不同土地利用方式的土壤团聚体组成不同土地利用方式的土壤团聚体组成有显著差异(表 2).除草地外, 粒级 < 0.25 mm的团聚体质量分数在各土地利用方式土壤中较低, 其中以粒级0.25~0.053 mm的土壤团聚体最低.而在草地中, 粒级>0.25 mm和 < 0.25 mm的团聚体质量分数在3个土层中均基本持平.在0~5 cm土层中, 7种土地利用方式土壤团聚体质量分数均以2~0.25 mm粒级最高、0.25~0.053 mm粒级最低.其中, 疏林地、灌木林地和裸地2~0.25 mm粒级的土壤团聚体质量分数显著高于草地(P < 0.05); 草地粒级 < 0.053 mm的土壤团聚体质量分数显著高于其他6种类型土地利用方式(P < 0.05).在5~10 cm和10~15 cm土层中, 玉米地粒级>2 mm的土壤团聚体质量分数显著高于其余土地类型(P < 0.05).在10~15 cm土层中, 疏林地、灌木林地和裸地粒级 < 0.25 mm的土壤团聚体质量分数有所增大, 但玉米地粒级 < 0.25 mm的土壤团聚体质量分数持续减少.
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表 2 不同土地利用方式的土壤团聚体组成与稳定性1) Table 2 Constitution and stability of soil aggregates among the different land use types |
2.2 不同土地利用方式的土壤团聚体稳定性
从表 2可知, 不同土地利用方式的土壤团聚体稳定性同样存在显著差异.草地土壤团聚体MWD和GMD在3个土层中均低于其他6种土地利用方式.在0~5 cm土层中, 各土地利用方式土壤团聚体MWD范围在1.36~2.4之间, 玉米地和撂荒地土壤团聚体MWD最高, 草地土壤团聚体GMD显著低于其他6种土地类型(P < 0.05).在5~10 cm土层中, 玉米地土壤团聚体MWD显著高于其他土地类型(P < 0.05).在10~15 cm土层中, 玉米地土壤团聚体GMD显著高于其他6种土地类型(P < 0.05).此外, 结果还显示, 相同的土地利用方式不同土层间的土壤团聚体稳定性也存在明显差异.乔木林地5~10 cm土层的土壤团聚体GMD显著低于表层土(0~5 cm土层), 乔木林地、疏林地、灌木林地、草地10~15 cm土层土壤团聚体MWD和GMD均显著低于0~5 cm和5~10 cm两个土层.
2.3 不同土地利用方式的土壤团聚体C、N和P含量如图 2所示, 不同土地利用方式的不同粒级土壤团聚体C、N和P含量之间存在显著差异.从图 2(a1)~2(a3)可以看出, 疏林地和撂荒地的土壤团聚体C含量相对较高, 乔木林地和草地的较低.7种土地利用方式中, 只有裸地的土壤团聚体C含量随团聚体粒级变小而降低.在0~5 cm中, 乔木林地、灌木林地、草地、玉米地、撂荒地中均以2~0.25 mm的土壤团聚体C含量最高, >2 mm的土壤团聚体次之, 但两者差异不显著; 在除裸地外的土地利用类型中, 土壤团聚体C含量均以0.25~0.053 mm粒级最小.在5~10 cm中, 撂荒地、疏林地、乔木林地和玉米地的土壤团聚体C含量均随粒级变小而先变小后增加.在0~5 cm和10~15 cm两个土层中, 疏林地各粒级团聚体C含量均显著高于其他土地利用类型(P < 0.05), 而草地的各粒级土壤团聚体C含量最低.
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不同大写字母表示相同土地利用方式不同土壤同聚体向因子在0.05水平下的差异星著性, 不同小写字母表示相同土壤团聚体不同土地利用方式间因子在0.05水平下的差异显著性, 下同 图 2 不同土地利用方式土壤团聚体C、N和P含量 Fig. 2 C, N, and P contents of aggregates among the diffrernt land use types |
由图 2(b1)~2(b3)可知, 疏林地和撂荒地的土壤团聚体N含量相对较高, 乔木林地和草地较低, 灌木林地土壤团聚体N含量随土层加深而降低的趋势比其他土地类型更显著.所有土地利用方式中团聚体N含量以0.25 mm粒径为界, >0.25 mm粒级团聚体N含量高于 < 0.25 mm粒级.疏林地、灌木林地、裸地和玉米地的土壤团聚体N含量在不同粒级中无显著差异.在0~5 cm土层草地中, 2~0.25 mm团聚体N含量显著高于0.25~0.053 mm粒级(P < 0.05), 其他土地利用方式中土壤团聚体N含量的粒级差异均不显著.在5~10cm和10~15 cm土层中, 撂荒地>2 mm土壤团聚体N含量显著高于0.25~0.053 mm粒级(P < 0.05), 总体表现为大团聚体的N含量高于微团聚体和粉+黏团聚体.
图 2(c1)~2(c3)同样显示, 在0~5 cm和5~10 cm土层中, 裸地和撂荒地的土壤团聚体P含量均显著高于其他5种土地类型(P < 0.05), 乔木林地、灌木林地和草地土壤团聚体P含量较低.撂荒地>2 mm粒级土壤团聚体P含量显著高于0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级(P < 0.05), 草地>2 mm粒级的土壤团聚体P含量显著高于0.25~0.053 mm粒级(P < 0.05), 其余5种土地利用类型粒级间的土壤团聚体P含量无明显差异.在10~15 cm土层中, 撂荒地的土壤团聚体P含量降幅较大, 裸地成为土壤团聚体P含量最高的土地利用方式, 且7种土地利用方式的土壤团聚体P含量在粒级间均无显著差异.
2.4 不同土地利用方式的土壤团聚体C、N和P含量计量比如图 3所示, 不同土地利用方式的不同粒级土壤团聚体C、N和P含量计量比存在显著差异.由图 3(a1)~3(a3)可知, 土壤团聚体C ∶N随土层变化无明显的变化规律.乔木林地、疏林地和撂荒地的土壤团聚体C ∶N相对较高, 草地的C ∶N最低.3个土层的裸地团聚体C ∶N均以0.25~0.053 mm粒级显著较高(P < 0.05).在0~5 cm土层, 裸地中大团聚体的C ∶N显著较低(P < 0.05).在5~10 cm层, 灌木林地中>2 mm粒级团聚体C ∶N显著低于其他粒级(P < 0.05), 裸地中0.25~0.053 mm粒级团聚体C ∶N显著高于其他粒级(P < 0.05), 撂荒地2~0.25 mm粒级团聚体C ∶N最高.在10~15 cm层, 灌木林地中 < 0.053 mm粒级团聚体C ∶N显著高于其他粒级(P < 0.05), 草地中0.25~0.053 mm粒级团聚体C ∶N最低, 裸地和撂荒地中0.25~0.053 mm粒级团聚体C ∶N显著高于其他粒级(P < 0.05).
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图 3 不同土地利用方式土壤团聚体C: N、C: P和N: P Fig. 3 C: N, C: P, and N: P of soil aggregates among the different land use types |
如图 3(b1)~3(b3)所示, 在0~5、5~10和10~15 cm这3个土层中, 土层团聚体C ∶P最小值均在草地, 0~5 cm和5~10 cm层团聚体C ∶P最大值在乔木林地, 10~15 cm层团聚体C ∶P最大值在疏林地.在0~5 cm土层, 草地、灌木林地、撂荒地、疏林地和玉米地的团聚体C ∶P随着团聚体粒级变小呈现出先增大再减小后增大的趋势, 在裸地和乔木林地中呈现先增大后减小的单峰值型趋势.总体来说, 各土地利用方式中2~0.25 mm粒级团聚体C ∶P显著高于其他粒级(P < 0.05).在5~10 cm和10~15 cm土层, 疏林地和乔木林地土壤团聚体C ∶P均显著较高(P < 0.05), 草地和裸地的团聚体C ∶P均显著较低(P < 0.05); 裸地和玉米地的团聚体C ∶P在各团聚体粒级中无显著差异.
图 3(c1)~3(c3)显示, 在0~5、5~10和10~15 cm这3个土层中, 乔木林地、疏林地和灌木林地的团聚体N ∶P相对较高, 草地、裸地和撂荒地的团聚体N ∶P相对较低.在0~5 cm土层, 各土地利用方式总体上均以0.25~0.053 mm粒级团聚体N ∶P显著较低(P < 0.05).在5~10 cm土层, 乔木林地0.25~0.053 mm粒级团聚体N ∶P显著高于其他粒级(P < 0.05), 疏林地和撂荒地 < 0.053 mm粒级团聚体N ∶P显著较高(P < 0.05), 玉米地中>2 mm粒级团聚体N ∶P显著较高(P < 0.05).在10~15 cm土层, 疏林地的团聚体N ∶P显著较高(P < 0.05), 裸地的团聚体N ∶P显著较低(P < 0.05); 乔木林地和撂荒地中均以>2 mm粒级团聚体N ∶P显著高于其他粒级(P < 0.05), 灌木林地、裸地和玉米地中均以 < 0.053 mm粒级团聚体N ∶P显著较高(P < 0.05).
2.5 土壤团聚体组成和稳定性与土壤C、N和P计量特征间的相关性结果显示, 不管是土壤团聚体组成, 还是土壤团聚体稳定性与土壤C、N和P化学计量特征都存在显著的相关性(表 3).土壤团聚体稳定性指标MWD与土壤C ∶N表现为显著相关关系(P < 0.05), 稳定性指标GMD与C、N含量表现为极显著相关(P < 0.01).>2 mm粒级的土壤团聚体质量分数(ω>2 mm)与C、N、P及其计量比之间均无显著相关关系. ω2~0.25 mm与C、N和N ∶P之间呈极显著相关(P < 0.01), 并与P和C ∶P之间存在显著相关性(P < 0.05). ω0.25~0.053 mm与C、N和N ∶P之间呈极显著相关(P < 0.01), 与C ∶P之间存在显著相关性(P < 0.05). ω< 0.053 mm与C、N和C ∶N之间极显著相关(P < 0.01), 与P和C ∶P之间显著相关(P < 0.05).
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表 3 土壤团聚体组成和稳定性与C、N、P化学计量特征的相关性1) Table 3 Correlations between constitution, stability, and C, N, P stoichiometric characteristics of soil aggregates |
3 讨论 3.1 土地利用方式变化对喀斯特土壤团聚体组成和稳定性的影响
不同土地利用方式会产生不同的土壤微生态环境, 明显影响地上植物的生产力和土壤的物理性质, 进而影响土壤团聚体的组成结构[17].本研究显示, 区内土壤主要以>2 mm和2~0.25 mm粒级的大团聚体形式存在(草地除外).乔木林地、疏林地和灌木林地由于地上植物生长较好, 凋落物丰富, 微生物和养分通过根系进入土壤, 根系和菌丝以及微生物分解形成胶结物, 利于大团聚体的形成[18, 19].裸地和撂荒地受人类活动干扰小, 土壤结构普遍不受破坏, 且两个土地类型荒废年限短, 土壤肥力保持不错, 从而为大团聚体的形成创造了良好条件.草地因草本植物种类和结构, 导致植物地下根系不够发达, 微生物活动不频繁, 不利于微团聚体通过根系和菌丝的缠绕作用形成大团聚体[20].在本研究中, 土壤各粒级团聚体质量分数均随粒级减小呈现增大-减小-增大的趋势, 而任荣秀等[21]在对华北低丘山地的研究中表明, 土壤团聚体质量分数会随团聚体粒级的减小而先增高再降低.这可归因于地区差异, 西南喀斯特地区土壤普遍具有石漠化现象, 土壤整体性不如华北山区, 因此土壤破碎性更明显, 导致本研究中最小粒级的质量分数呈增加趋势.
平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是衡量土壤团聚体稳定性的重要指标, 两者的值越高, 则表明土壤团聚体稳定性越强[22].本研究中, 玉米地和撂荒地的团聚体稳定性较高, 草地和裸地的稳定性较低, 乔木林地、疏林地和灌木林地团聚体稳定性为中等水平, 且土壤稳定性与团聚体质量分数密切相关.玉米地目前土壤得到良好休整, 加之土壤表层有玉米秸秆覆盖, 增加了土壤内有机质的来源, 能有效促进土壤中有机胶结剂的形成, 增加土壤颗粒黏性[23], 利于大团聚体形成, 土壤稳定性更高.同时, 该玉米地石漠化程度较低, 有研究表明[24], 无石漠化土壤结构更好, 土壤团聚体稳定性更高.在垂直剖面上, MWD和GMD随着土层加深呈现降低趋势(玉米地除外), 说明土层越深土壤团聚体的稳定性越差.表层和近表层土受到植物凋落物和植物根系及其分泌物的影响, 为其提供物质基础以形成大团聚体粒级[25], 拥有更稳定的土层结构, 最终提升土壤肥力.而耕地土壤会进行土层翻耕和更迭, 因此没有遵循这一规律.相反, 乔木林地土壤受外界影响较小, 加之表层有丰富的凋落物供应, 使得表层土与深层土之间稳定性差异明显.
3.2 喀斯特土壤团聚体C、N和P化学计量特征对土地利用变化的响应土地利用方式是决定土壤团聚体C、N和P含量的关键因素之一[26].不同土地利用方式中土壤有机质分解和生态系统养分循环有关的植物物种不同, 这是决定土壤C、N和P含量变化的重要因素[27].土壤营养物质的含量还受土壤微生物驱动的分解速度影响[28].本研究中, 疏林地和撂荒地C、N含量相对较高, 乔木林地和草地C、N含量相对较低.疏林地的优势植被是落叶乔木油桐和香椿, 所产生的丰富凋落物和发达根系网, 是土壤有机质的主要来源[29], 而N含量往往与C有正向相关性[30].与之相比, 乔木林地优势物种为常绿乔木杉木, 每年产生的枯枝落叶较少, 且多年生长, 通过被微生物分解利用转化成土壤养分的难度较大[31].草地也由于草本植物生物量小, 凋落物稀少, 可转化成土壤养分的微不足道.撂荒地因撂荒时间较短且坡度缓和, 没有造成土壤养分的流失, 加之弃耕前有良好的耕作与施肥, 因此土壤养分状况较好.土壤P的来源相对固定, 其含量主要受土壤母质、土壤形成、耕作和施肥的影响[32, 33], 有机质输入[34]和植被变化[35]对其影响较小.本研究中撂荒地P含量显著较高, 这很可能受之前的耕作和施肥措施影响而增加了P的来源.有研究表明[36], 随着土壤酸碱度增大, 有效P含量呈现降低趋势.本研究中裸地土壤pH值为6.75, 最接近酸碱中性值(6.0), 因此裸地土壤P有效性更高.乔木林地土壤pH值为偏酸性(4.96), 土壤活性铁、铝与磷酸形成难溶性的磷酸铁或磷酸铝沉淀, 而导致土壤胶结成不易破碎的大块, 降低了P的有效性[36].
土壤C ∶N、C ∶P和N ∶P是衡量土壤养分平衡的重要参数[37], 也是衡量土壤有机质组成和质量的重要指标[38].土壤C ∶N通常与有机质的分解速率呈反比[12]; C ∶P可以反映土壤P的有效性, 通常两者也呈反比关系[12]; N ∶P则可以作为生态系统养分限制的有效指标[38].乔木林地和疏林地的C ∶P显著高于草地, 乔木林地、疏林地和灌木林地的N ∶P显著高于裸地和撂荒地.这反映出草地的土壤P有效性更高, 其受到P限制的可能性小于乔木林地和疏林地.乔木林地和疏林地的C ∶P和N ∶P都比较高, 说明其土壤P有效性更低, 可能存在P元素限制.玉米地作为正在使用中的耕地, 其C ∶N、C ∶P和N ∶P属于本区中等水平, 在养分限制方面没有明显偏差, 说明该地区农户的耕作制度和施肥方式是相对合理的.本研究中, 各土地利用方式C ∶N、C ∶P和N ∶P的总平均值分别为19.41、44.75和2.28, 而中国土壤C ∶N、C ∶P和N ∶P平均值分别为11.9、61和5.2[39].研究区内C ∶N略高于中国土壤平均值, 但C ∶P和N ∶P却明显低于中国土壤平均水平, 这说明研究区有机质分解速率比中国地区平均值略低, 而N元素是否是研究区的限制性营养元素还需进一步深入研究.
3.3 喀斯特土壤团聚体组成和稳定性与团聚体C、N、P化学计量特征的相关关系不同粒级土壤团聚体的C、N和P保持和供应能力不同, 也展现出不同的化学计量比[40].本研究结果显示, 土壤团聚体组成与团聚体C、N和P化学计量特征存在极显著的相关性.2~0.25 mm粒级土壤团聚体质量分数与土壤C和N含量之间存在极显著的正相关, 而0.25~0.053 mm和 < 0.053 mm粒级土壤团聚体质量分数与土壤C和N含量之间存在极显著的负相关, 显示稳定的大团聚体比例越高, 土壤C和N含量就越高.这应该是由于微团聚体通过根系、菌丝和多糖等胶结形成大团聚体, 使大粒级团聚体C含量更高[41], 且大团聚体通过物理作用保护有机质不与微生物和氧气接触[42], 从而减少C和N的分解损失[43].与此相反, 土壤中微团聚体和粉-黏颗粒质量分数较大时, 其土壤稳定性不理想, C、N含量不能被有效保护, 造成部分养分流失.这一结果表明提升土壤肥力水平和改善土壤环境质量的一个重要突破点是提高土壤中大团聚体和较大团聚体的占比率.一般来说, 土壤有机碳的数量和质量与土壤团聚体密切相关[44], 而土壤C、N和P之间存在着显著的相关关系[45].在本研究中, 土壤团聚体稳定性与土壤C、N和C ∶N有着显著的正相关关系, 这表明土壤稳定性越好其C、N含量也越丰富、C ∶N更高, 有机质的分解速率越低, 保留在土壤的C含量增加, 利于土壤C的积累.上述研究结果对喀斯特生态系统植被修复、水土保持和土地利用调控具有重要意义.
4 结论(1) 土地利用方式变化可以显著改变喀斯特土壤团聚体组成.草地土壤团聚体组成中, 2~0.25 mm和 < 0.053 mm粒级的团聚体质量分数较高; 其余6种土地利用方式, 土壤团聚体主要以粒径>0.25 mm的大团聚体为主.
(2) 土地利用方式变化明显影响了喀斯特土壤团聚体稳定性.玉米地和撂荒地的土壤团聚体稳定性相对较高, 草地和裸地的稳定性相对较低.
(3) 土地利用方式变化对喀斯特土壤团聚体C、N和P化学计量特征产生了显著影响.疏林地和撂荒地的C和N含量较高, 草地的C和N含量较低, 裸地和撂荒地的土壤P含量相对较高.乔木林地、疏林地和撂荒地的C ∶N相对较高, 草地的C ∶N最低; 乔木林地和疏林地土壤团聚体C ∶P较高, 明显高于其他土地利用方式; 乔木林地、疏林地和灌木林地土壤团聚体N ∶P较高, 明显高于裸地和撂荒地.
(4) 喀斯特土壤团聚体组成和稳定性与土壤C、N和P化学计量特征存在显著或极显著的相关性.土壤团聚体稳定性与大团聚体质量分数正相关.土壤大团聚体质量分数增加, 团聚体稳定性增加, 有利于土壤C、N和P养分的保持和积累.
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