岩溶土壤的生态地球化学特征及其指示意义――以贵州贞丰―关岭岩溶石山地区为例お

第21卷第5期2006 年5月地球科学进展A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC EV o l .21 N o.5M a y.，2006文章编号：1001-8166 （2006 ）05-0504-09 岩溶土壤的生态地球化学特征及其指示意义———以贵州贞丰—关岭岩溶石山地区为例任京辰1，张平究1，潘根兴1*（1．南京农业大学农业资源与生态环境研究所，江苏　南京　210095；2．中国科学院地理科学与资源研究所，北京　100101 ）摘　要：岩溶石山地区土壤退化与恢复的成因和机理一直是近年来土壤学和生态学研究的热点。

以贵州西南部贞丰—关岭岩溶石山区为对象，选择了区内退化地、农用地、恢复地等生态样块以及与未退化地为对照，采集了其中的表层和亚表层土壤，分别进行了土壤的养分库量、微生物活性与功能和土壤酶活性等化学分析。

研究表明土壤养分库是土壤中微生物活性基础，微生物量碳随土壤养分库容的退化或恢复而相应变化，退化岩溶地植被恢复3～6 年后，主要养分总库容得到明显恢复（恢复程度55％ ～65％），因而带动了微生物量碳的恢复（平均恢复程度60％以上），但养分的活性（有效磷）、微生物的功能（呼吸熵及土壤脲酶和磷酸酶活性）并没有得到相应程度的恢复（平均恢复程度仅在25％ ～40％）。

这些结果提示，限制性养分活性和微生物功能的恢复是植被恢复下生态系统健康水平的重要指示。

因此，在分析岩溶土壤和生态系统退化过程的本质以及评价生态恢复的效应时，不仅应将微生物量碳和总养分库指标作为岩溶土壤退化恢复的指标，更应将微生物区系的质量和功能指标纳入关键评价内容。

关　键　词：土壤退化；植被恢复；土壤养分；生态地球化学；岩溶土壤；生态评价；土壤质量中图分类号：S 154.1 文献标识码：A 1　引　言我国西南黔、滇、桂三省（区）的岩溶总面积达42.62 ×10 4km 2，占三省（区）土地总面积的39.71％［1］。

这些地区的岩溶生态系统存在着特殊的脆弱性［2，3］，其受制于水土资源的短缺和空间布局的不协调。

在岩溶石山地区，土地退化日益严重，石漠化快速扩张，制约着这一地区社会经济的持续发展［4］。

国家和地方政府相继实施了岩溶生态系统保护、恢复和重建的重要基础工程和示范研究项目，旨在通过植被恢复达到控制石漠化发展，恢复岩溶生态系统生产力，维持和提高岩溶生态系统的可持续性［5］。

快速和有效的退化岩溶生态系统重建和恢复的技术途径的确立需要充分认识岩溶生态系统退化或石漠化的机理和本质。

最近几年来，不同的研究者从气候和环境、地质构造和地球化学等多个方面对岩溶生态系统退化及石漠化发生的机制和主要影响因素进行了深入的探讨［6～9 ］。

最近不断有研究者将土壤因素作为岩溶生态系统退化和石漠化发展的主要因素予以考虑，将土壤的肥力指标和生物活性指标作为划分土地退化和石漠化程度的主要依据。

　收稿日期：2005-12-26 ；修回日期：2006-02-03．*基金项目：国家自然科学基金西部生态环境重大研究计划项目“西南岩溶生态系统演化与土壤生物区系响应”（编号：90202017 ）；教育部博士点专项研究基金（编号：20020307003 ）项目.　作者简介：任京辰（1980-），男，山西稷山县人，硕士研究生，主要从事土壤退化及其生态效应研究.E - m a i l ： r ee n j i ngchen ＠ y a h o o. c om . c n *通讯作者：潘根兴（1958-），男，浙江浦江人，教授，主要从事土壤与环境研究. E - m a i l ： p a ngenx i ng ＠y aho o. c om . c n朴河春等［10］对贵州岩溶地区土壤进行了土壤微生物量变异的研究，提出了土壤微生物量可以指示岩溶土壤质量与退化。

王德炉等［11］将土壤的覆盖作为石漠化的重要依据，按小生境土壤的产状（裸露与否、厚度大小）划分出显性和隐性石漠化类型；而龙健等［12］在研究退耕还草模式对土壤肥力演变的影响时，将土壤的化学性质、微生物区系和活性作为关键指标，认为以养分的供应容量和强度为主要内容的土壤肥力指标可以指示岩溶生态系统恢复。

我们认为，岩溶山地生态系统是以碳酸盐岩作为物理基础，地形和构造是外界条件，植物和水是生态系统形成和演化的主要动力，而不当的人为利用则是一种失去控制的加速驱动力的人为干扰而受损的生态系统。

我们过去提出了岩溶作用本质上是土壤为媒介的生物地球化学过程［13］，而在岩溶生态系统中，土壤既是物理基础，又是生态系统物质和能量流通的媒介和动力，是生态系统中生命支持系统的根本依托。

因此，岩溶生态系统的退化与恢复的评价不但应该着重考察土壤的自然存在（是否剥蚀及其程度），而且应该考察土壤作为生命支持系统的功能是否存在和变化。

本文以贵州西南部的贞丰—关岭岩溶山地区为例，研究不同退化程度下岩溶山地土壤的生态地球化学性质（养分含量、微生物碳氮与酶活性等）的变化，分析其对于岩溶生态系统退化的指示意义，为认识岩溶生态系统演化与石漠化的土壤学机理，表征退化岩溶生态系统的恢复和重建的效应，为探索有效而可持续的恢复和重建途径提供科学依据。

2　样品与方法2.1　研究区域与供试土壤本研究土壤样品采自北盘江流域的峡谷地带，介于贵州省关岭县的板贵乡和贞丰县的牛场乡间的石山地带（25°23′～25°38′N，105.38°～107°54′E），海拔在1100～1500m之间，该地区年平均气温约14℃，年降水量1200m m左右，森林覆盖率在5％～20％之间，岩溶土壤的土层厚度在12～51c m之间，土地退化与石漠化严重，近几年来实施了岩溶生态系统恢复工程，因而具有从退化到恢复的生态系统梯度。

在区内选择不同退化和恢复程度的生态系统样地采集土壤样品。

鉴于该地已无原始未退化的岩溶土壤，同时采集了茂兰地区（25°23′～25°24′N，107°53′～107°54′E，年平均气温15℃，年平均降雨量1752m m，森林覆盖率在60％）的未退化森林和草地土壤作对比。

2.2　采样与分析方法2.2.1　样品及采集2004年4月在研究区内选择了不同退化程度的退化地（岩石裸露的石漠化地和中度退化近年休耕的废弃地各1块）、坡耕农地（玉米地2块）、恢复地（自然退耕还林地、退耕还草地、人工花椒林地、人工退耕还林地各1块），并采集了贵州茂兰未扰动森林地和草地样块作为未退化地以作为对比，对采样点基本情况的调查资料列于表1。

采样分0～5 c m和5～25c m2个深度，每个样块随机采集3个重复样，混匀为一个混合样，样品采回后，取部分鲜土在4℃下保存；部分风干，磨碎分别过1m m和0.25 m m筛，以备选用。

2.2.2　分析项目与测定方法分析项目包括与生态系统生产力有关的养分供应指标（容量指标———全量养分和强度指标———有效态），生物活性与功能指标（微生物量作为系统活性，而酶活性和土壤呼吸作为系统中微生物功能），测定方法分别如下：（1）土壤养分。

①总有机碳［14］：重铬酸钾容量法—外加热法；②全氮和速效氮［14］：半微量开氏法和碱解扩散法；③全磷和速效磷［14］：H C l O4～H2SO4消煮—磷钼兰比色法和N a H C O3浸提—钼锑抗比色法。

（2）土壤微生物活性。

①微生物量碳（F E-C）［15］：称取新鲜过2m m筛的土样（相当于25.0g 烘干土重）6份分别放入6个100m L烧杯中，取其中3份用氯仿熏蒸，在25℃下避光培养24h。

将培养好的样品转移到250m L的三角瓶中，加入100m L0.5 m o l/L的K2SO4，在振荡机上振荡浸提30 m i n，过滤。

准确吸取浸出液5.0m L放入消煮瓶中，加入重铬酸钾标准液（0.4000m o l /L）2.0m L，双酸（H2SO4∶H3PO4＝2∶1）15.0m L，缓慢加热，沸腾回流30分钟，冷却后，加入2滴邻啡罗啉指示剂，用硫酸亚铁溶液滴定剩余的重铬酸钾，计算样品中的氧化的碳量。

熏蒸样品和未熏蒸样品的差值为微生物碳量。

②土壤微生物呼吸［15］：称取新鲜土样20 g，放入150m L培养瓶中，用硅胶塞密封，25℃培养24h，抽取瓶中气体1m L用A g il e nt G C-4890 D气相色谱仪测定其中C O2浓度。

测定中采用F I D监测器和P o r a p a k Q柱，柱温35℃。

气体流速分别是：载气（N2）30m L/m i n，H245m L/m i n，空气400m L/m i n。

（3）土壤酶活性：选择分析与土壤养分供应有55第5期 任京辰等：岩溶土壤的生态地球化学特征及其指示意义 表1　采样点基本情况T ab l e1　S it e d escr i p ti on o f t he s t ud i e d s o il s样块地G P S坐标植被类型及覆盖状况土壤覆盖状况未退化地1原始森林地N25°23′26″，E107°53′56″岩溶森林，郁闭，地表无裸露土壤覆盖度60％以上，厚35c m以上2原生草地N25°23′27″，E107°53′58″高草地（80～100c m），地表无裸露土壤覆盖70％以上，厚度25c m以下3原生灌丛N25°38′50″，E105°44′14″灌木林（树高约3～5m），岩石露头约20％土壤覆盖40％以上，厚度多25～60c m植被恢复地1自然还林地（5年）N25°38′56″，E105°38′17″稀疏树木及草被，地表薄层残落物土壤覆盖45％～50％，厚度25～40c m 2自然还草地（3年）N25°37′16″，E105°37′45″自然滋生草（高20～40c m），地表基本无裸露土壤覆盖70％以上，厚度25～40c m3人工还林地（5年）N25°28′53″，E105°38′10″栽种桃树、枸树等，地表裸露40％以下土壤覆盖40％～60％，厚度30～45c m，已平整4花椒还林地（6年）N25°40′32″，E105°39′39″成片栽种花椒树，密闭，无草被土壤覆盖40％～65％，厚度仅20～35cm，已坡改梯农1老玉米地（35年）N25°28′53″，E105°38′18″一季玉米，土壤裸露（土色棕黄）土壤覆盖100％，厚度40c m以上地2新玉米地（15年）N25°24′30″，E107°54′9″一季玉米，土壤裸露（土色棕灰）土壤覆盖85％以上，厚度在35～60c m退化地1石漠化地N25°38′49″，E105°44′9″稀疏矮草（高20c m以下），植被覆盖度25％土壤覆盖40％以下，厚度20～35c m 2废弃地N25°38′53″，E105°44′16″稀疏矮草，岩石露头35％以上土壤覆盖40％，厚度在10～30c m关的若干功能酶，具体如下：①碱性磷酸酶［16］：称取5g左右过2m m筛鲜土于50m L三角瓶中，加5滴甲苯后再加20m L0.5％磷酸苯二钠，充分振荡后置于37℃恒温箱中，培养2h。