2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 贵州大学土壤侵蚀与生态修复研究中心, 贵阳 550025;
3. 贵州喀斯特环境生态系统教育部野外科学观测研究站, 贵阳 550025
2. Guizhou University, Guiyang 550025, China;
3. Guizhou Karst Environmental Ecosystems Observation and Research Station, Ministry of Education, Guiyang 550025, China
喀斯特石漠化是指在亚热带脆弱的喀斯特地区中，由于人类不合理的陡坡开垦、乱砍滥伐和岩石开采等社会经济活动的干扰和破坏，导致土壤侵蚀严重、基岩大规模裸露、土地生产力严重下降、地表出现类似沙漠景观的土地退化过程[1-4]。出露岩石与土壤镶嵌分布成为严重石漠化区最显著的特征[5-6]。与其他地区相比，在石漠化坡地上土壤呈小块不规则地分布在裸露的岩石和裂缝中，这种出露岩石和土壤的镶嵌增加了地形的复杂性和微生境的多样性，使之呈现出高度的空间异质性[7-8]。前期研究认为，裸露的岩石具有负面的生态功能，拦截了喀斯特系统的地表径流，并将大量的水引入地下管网，加重土壤漏失[9-11]；且裸露的岩石阻碍了水和养分在土壤之间的流动，这对土壤功能的正常维持构成了挑战。然而，目前已有研究发现，裸露的岩石可以起到“漏斗”的作用，露石形成的岩面流将其接收到的雨水并携带岩面有机或无机物质输入到附近的斑块土壤，从而对露石相邻斑块土壤的水分和部分养分分配产生一定影响[12-17]。
氮、磷作为土壤养分循环的核心和主要成分，在陆地生态系统物质循环、能量流动及养分动态平衡等过程中具有重要意义[18-20]。目前，众多学者对喀斯特石漠化区土壤氮磷等养分元素的研究较为深入[21-22]，但对出露岩石对岩周土壤氮磷含量的差异性研究相对较少。喀斯特石漠化区大量岩石出露地表，出露岩石形成的岩面流对岩周土壤中氮磷的影响规律还不明确，限制了对喀斯特石漠化生态系统土壤养分循环等重要过程的深入理解和认识。加上石漠化区出露岩石岩面形状多样[23-24]，不同岩面形状下形成岩面流的汇集或分散作用不同，而岩面流对岩-土界面土壤氮磷的影响究竟是以岩面流的淋溶作用为主还是输入为主？成为当前亟待证实的一个问题。因此，亟需开展不同露石岩面水文路径对岩-土界面土壤养分淋溶或输入的影响研究，这有助于深入认识出露岩石对喀斯特土壤特性的影响，并促进喀斯特水文生态学学科的进展。本研究采用土壤理化分析法，研究了距岩面不同水平距离及土层的岩-土界面及非岩-土界面土壤的氮磷含量变化特征，揭示岩面流对岩-土界面土壤氮磷淋溶与输入的影响，以期为喀斯特石漠化的生态恢复提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于贵州省黔南布依族苗族自治州长顺县甘河村，地理位置为26°1′30″N、106°29′59″E，该区地势较高，海拔为1 250~1 580 m，地处中亚热带季风湿润气候区，雨热同季，冬无严寒，夏无酷暑，年均气温13.5~18.5℃，年均降雨量1 250~1 400 mm。研究区大量基岩出露地表，岩石裸露率高达80%以上，主要以碳酸盐岩类为主。土壤类型主要以黄壤、紫色土、石灰土和水稻土4个土类为主。土地利用方式主要为坡耕地和弃耕地。长顺县石漠化面积为1 220 km2，占全县面积的77.9%，而潜在石漠化占全县土地总面积的25.73%，轻度石漠化占21.12%，中度石漠化占13.42%，重度石漠化占12.35%，石漠化情况较为严重。
1.2 试验设计与样品采集考虑岩面流对岩-土界面土壤氮、磷淋溶效应的明显性，在研究区选择退耕1年休耕地、退耕5年灌草地和坡耕地（对照）3种不同类型的典型石漠化样地，样地土壤类型均为石灰土。基于岩面形状对岩面流的汇集或分散作用不同，在各样地上选择外凸、平直和内凹3种特殊的岩面形状，调查其基本指标（如岩石高度、岩面倾角、岩面汇水面积等），各样地基本情况见表 1。根据不同形状岩面的汇流特点，3种岩面形状采样点分别为岩面的最凸点、中间点和最凹点，于每一种岩面形状的岩-土界面处，以岩-土界面处为起点，距岩-土交界面水平每隔2 cm开始采样，即分别采集距岩面0~2、2~4、4~6、6~8、8~10 cm处的岩-土界面土壤和20 cm处非岩-土界面土壤，并分层采集0~10 cm和10~20 cm层土壤，岩面形态及土壤采样位置示意图见图 1。共采集108个土壤样品，将其自然风干并剔除根系等杂质，过1 mm筛后备用。
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表 1 不同石漠化样地的基本情况 Table 1 Basic information of different rocky desertification sample plots |
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图 1 岩面形态及土壤采样位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of rock surface morphology and soil sampling location |
取过1 mm筛的土样1g，采用H2SO4-HClO4消煮法消煮后进行测定。采用津岛公司型号为TOC- LCPH/CPN总有机碳分析仪测定样品全氮含量：消煮液经过0.45 µm的滤膜进行过滤后采用火焰燃烧法测定。使用德国DeChem-Tech.GmbH公司的CleverChem ANNA全自动间断化学分析仪采用钼锑抗比色法对消煮液的全磷含量进行测定。
用“富集率（Enrichment ratio）”表示岩面流对岩-土界面土壤养分的富集程度[25]：
| Er=Cr−CnrCnr |
式中，Er为富集率；Cr为岩-土界面土壤全氮/全磷含量；Cnr为非岩-土界面全氮/全磷含量。
1.4 数据处理实验数据采用SPSS19.0软件进行单因素方差分析、主成分分析和多因素分析，同时采用Origin2021软件进行作图。
2 结果 2.1 不同形状岩面岩-土界面土壤氮磷含量差异各石漠化样地中，不同形状的岩面对岩面流的汇集作用不同：内凹型 > 平直型 > 外凸型，岩-土界面土壤全氮含量差异显著（图 2）。在1年岩面流作用的休耕地中，内凹型岩面岩-土界面土壤全氮含量均显著低于平直型和外凸型土壤全氮含量，岩面流对氮素产生淋溶作用。在5年岩面流作用的退耕灌草地和少岩面流作用的坡耕地中，结果与休耕地相反，外凸型岩面岩-土界面土壤全氮含量显著低于平直型和内凹型岩面，岩面流对氮素产生输入作用。不同石漠化样地中不同岩面形状岩-土界面土壤中的全磷含量差异显著，且与全氮含量变化有差异（图 3）。在1年岩面流作用下的休耕地中，外凸型岩面在距岩面2~8 cm水平距离内的岩-土界面土壤全磷含量显著小于平直型和内凹型岩面，但距岩-土界面水平距离较远处的土壤全磷含量变化规律不明显。在退耕灌草地和坡耕地中，不同形状岩面岩-土界面土壤全磷含量有显著差异但无明显变化规律。
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注：图中上层为0~10 cm土层深度土壤、下层为10~20 cm土层深度土壤，不同大写字母表明不同水平距离的岩-土界面全氮含量差异显著（P < 0.05），不同小写字母表明不同露石形状的岩-土界面全氮含量差异显著（P < 0.05），所标误差线为标准误，n=3。 Note: The upper layer is 0~10 cm soil depth, and the lower layer is 10~20 cm soil depth. Different uppercase letters show that total nitrogen content of the rock-soil interface at different horizontal distances is significantly different(P < 0.05). Different lowercase letters show that total nitrogen content of the rock-soil interface at different outcrop shapes is significantly different(P < 0.05). The standard error line is standard error, n = 3. 图 2 不同形状露石岩-土界面全氮含量差异 Fig. 2 Difference of total nitrogen content at rock-soil interface of exposed rock with different shapes |
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注：图中上层为0~10 cm层土壤、下层为10~20 cm层土壤，不同大写字母表明不同水平距离的岩-土界面全磷含量差异显著（P < 0.05），不同小写字母表明不同露石形状的岩-土界面全磷含量差异显著（P < 0.05），所标误差线为标准误，n=3。 Note: The upper layer is 0~10 cm soil depth and the lower layer is 10~20 cm soil depth. Different uppercase letters show that total phosphorus content of the rock-soil interface at different horizontal distances is significantly different(P < 0.05). Different lowercase letters show that total phosphorus content of the rock-soil interface at different outcrop shapes is significantly different(P < 0.05). The standard error line is standard error, n = 3. 图 3 不同形状露石岩-土界面全磷含量差异 Fig. 3 Difference of total phosphorus content at rock soil interface of exposed rock with different shapes |
结果表明，不同形状的露石对岩-土界面土壤全氮和全磷含量影响有显著差异，其主要原因在于不同形状的露石对岩面流的汇集作用不同，外凸型、平直型和内凹型岩面对岩面流的汇集作用的顺序从强到弱为：内凹型、平直型和外凸型，使得岩面流对岩土界面土壤氮磷的淋溶或输入作用程度不同，从而导致岩-土界面土壤全氮和全磷含量有显著差异。同时，由于三种石漠化样地在岩面流作用时间及上覆植被的不同，岩面流对岩-土界面氮磷的输入和淋溶作用不同。
2.2 岩-土界面土壤氮磷含量空间分布特征不同石漠化样地中，距露石岩-土界面不同水平距离的土壤全氮含量有显著差异（图 2）。在0~10 cm的表层土壤中，休耕地经1年岩面流作用下，内凹型岩面距岩面水平距离0~2 cm处岩-土界面土壤全氮含量显著低于其他水平距离，岩面流对岩-土界面土壤氮素产生淋溶作用；外凸型和平直型岩面与内凹型相反，在水平距离0~2 cm处的岩-土界面土壤全氮含量显著高于其他水平距离，岩面流对氮素产生输入作用。退耕5年灌草地中，三种岩面形状形成的岩面流均对土壤氮素产生了输入作用，表征为距岩-土界面0~2 cm处土壤全氮含量均显著高于其他水平距离。在坡耕地中，距外凸型岩面岩-土界面水平距离20 cm处的非岩-土界面土壤全氮含量显著高于其他水平距离的全氮含量，表明岩面流对其岩-土界面土壤氮素产生淋溶作用；距内凹型和平直型岩面岩-土界面水平距离为0~2 cm的岩-土界面土壤全氮含量均显著高于其他距离的土壤全氮含量，岩面流对氮素产生输入作用。在10~20 cm层土壤中，不同石漠化样地的土壤全氮含量大多受外凸型和内凹型岩面流的影响，但与表层土壤的全氮含量变化规律不一致，平直型岩面距岩-土界面不同水平距离土壤全氮含量差异不显著。这可能是由于岩面流先作用于表层土壤并补给到下层土壤，故土壤全氮含量表现为随土层深度增加而递减，且岩面流对深层土壤中氮素输入作用不明显。
不同石漠化样地中，全磷含量在0~10 cm的表层土壤中有显著差异，在10~20 cm层土壤中无明显变化规律。表层土壤中，休耕地在1年岩面流作用下，三种形状的岩面形成的岩面流对磷素产生了淋溶作用，距岩面岩-土界面水平距离大于20 cm处的非岩-土界面土壤全磷含量显著高于其他水平距离。在退耕5年灌草地中，距外凸型岩面岩-土界面水平距离8 cm内的全磷含量显著高于8 cm外的全磷含量，岩面流对岩-土界面土壤磷素产生输入作用；距岩-土界面水平距离20 cm处的非岩-土界面土壤的全磷含量显著高于其他水平距离的岩-土界面土壤全磷含量，表明岩面流产生了淋溶作用；在内凹型岩面附近不同水平距离全磷含量差异不显著。在坡耕地中，三种形状的岩面附近0~2 cm的全磷含量均显著高于其他水平距离，岩面流对磷素起到了输入作用。
2.3 水平距离与岩面形状对土壤氮磷含量的影响为了评价不同水平距离和岩面形状分别对岩-土界面氮磷含量淋溶和输入影响的能力，利用SPSS软件对0~20 cm土层的氮磷含量进行主成分分析，结果如图 4所示。通过得出的主成分方程，对距岩-土界面不同水平距离和岩石形状的氮磷含量影响能力进行分析，距岩面岩-土界面水平距离的影响能力依次为20 cm外的非岩-土界面和0~2 cm、4~6 cm、8~10 cm、2~4 cm和6~8 cm，岩面形状为外凸型、平直型和内凹型。
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图 4 水平距离与岩面形状影响土壤氮磷含量的能力评价 Fig. 4 Evaluation of the ability to affect soil nitrogen and phosphorus content |
由表 2可知，在不同的石漠化样地中，不同岩面形状、水平距离和土层深度均对岩-土界面土壤氮素含量产生显著影响，且岩面形状、水平距离和土层深度对土壤的全氮含量有交互作用。1年岩面流作用下的休耕地中，土层深度对土壤的全磷含量无显著影响，土层深度和水平距离无交互作用；5年岩面流作用下灌草地中，不同水平距离对土壤的全磷含量无显著影响；在坡耕地中，土层深度和水平距离、岩石形状和水平距离对全磷含量无交互作用。
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表 2 岩-土界面土壤氮磷含量差异的多因素方差分析 Table 2 Multifactor variance analysis of nitrogen and phosphorus content difference in rock - soil interface soil |
富集率是反映土壤养分聚集程度的一种度量方式。从表 3可以看出，不同石漠化样地岩-土界面土壤氮磷富集率变化不同。与距岩-土界面水平距离20 cm处的非岩土界面土壤相比，1年岩面流作用的休耕地中，土壤氮磷富集率为负值，表现为淋溶作用。退耕5年灌草地中，外凸型岩面岩-土界面土壤富集磷素、内凹型岩面富集氮素，其余条件下氮磷素缺失。在少/无岩面流作用的坡耕地土壤中，土壤中氮磷富集率低。
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表 3 岩-土界面氮磷富集率 Table 3 Enrichment rate of nitrogen and phosphorus at the rock-soil interface |
裸露的岩石是喀斯特地区最显著的特征，裸露岩石的存在改变了微地貌。研究表明岩石露头可以作为收集板，用于接收降雨、森林穿透雨和干湿沉降[24]，石漠化地区露头岩石的生态功能值得深入研究，而露石承接降雨（含穿透雨）形成岩面流输入土壤后对土壤养分变化的影响却很少受到重视。与其他地区相比，西南喀斯特地区的岩石和土壤镶嵌分布增加了地形的复杂性和微生境的多样性，这种镶嵌可能在养分的空间分布中发挥重要作用[17，26]。在露石覆盖率高的坡面，地表岩石能接收大部分降雨并转化为岩面流，对裸露的岩石附近土壤养分的空间异质性具有显著的影响[13，27]；Conn等[28]发现，岩石露头对其周围土壤水分有一定影响，但影响的程度取决于岩石的形状和包括植被覆盖率在内的其他因素等；此外，裸露岩石径流可能对附近植物的营养物质起到补充作用[29]；本研究中不同岩面形状和距岩-土界面不同水平距离对土壤氮磷富集的影响，结果与以上观点一致。
本研究中，在1年岩面流作用的休耕地中，不同岩面形状下0~10 cm表层和10~20 cm亚表层岩-土界面土壤氮素含量大小依次为：外凸型、平直型和内凹型，此结果与设计研究时的设想一致，外凸型岩面对岩面流基本不起汇集作用，而内凹型岩面汇集岩面流对土壤氮素等进行淋溶，使得内凹型岩面岩-土界面土壤中全氮含量最低。与休耕地相比，在退耕5年灌草地的表层土壤和少/无岩面流作用的坡耕地0~10 cm表层和10~20 cm亚表层土壤中，研究结果与休耕地相反，内凹型岩面岩-土界面土壤全氮含量显著高于外凸型岩面岩-土界面土壤全氮含量，这可能是由于岩面流承接了上方的穿透雨，并携带了岩壁生物和有机质中所含的养分[30-32]，从而增加岩-土界面处土壤养分的异质性。岩-土界面土壤吸收和输出的养分量是动态的，这些动态变化可能与养分的输入、淋溶和保存能力、岩石表面的贡献、大气沉降以及生物和水文过程之间的相互作用有关[28，33-34]，需要进一步验证。
大量研究显示，裸露岩石作为接收和储存养分的重要介质，并通过岩面流将大部分有机碳和养分等重新分配到土壤中[16，35]。本研究中，退耕5年灌草地中的三种形状岩面附近，距离岩-土界面水平距离0~2 cm的土壤全氮含量显著高于远处的全氮含量，表明岩面流携带氮素输入紧靠岩-土界面的土壤，补充了岩-土界面土壤氮，这与上述观点一致。而休耕地上只有外凸型和平直型岩面的结果与灌草地一致，距内凹型岩面岩-土界面0~2 cm的土壤全氮含量显著低于远处的含量，这与前文的讨论一致，主要是由于休耕地上植被少且低矮，加上内凹型岩面对岩面流产生的汇集作用，对岩-土界面进行冲刷，从而对土壤中的氮素产生了淋溶效应。在坡耕地中，外凸型岩面流对岩-土界面土壤氮素的作用表现为淋溶，内凹型和平直型岩面则向岩-土界面土壤中输入氮素，根据岩面形状的汇集作用可知，在总体上坡耕地中的露石对土壤氮磷素的输入或淋溶作用不明显，主要是因为坡耕地各种耕作活动，影响或改变了岩-土界面土壤氮磷素分布，还需进一步研究证实。
本研究中，不同形状岩面接收大部分降雨转化成岩面流，岩面附近土壤的氮素和磷素表现出不同的变化特征。在休耕地中，不同形状岩面的全磷含量大小依次为：内凹型、平直型和外凸型，且三种形状岩面附近均是20 cm处的非岩-土界面土壤全磷含量最高，岩面流对岩-土界面土壤中全磷产生了淋溶作用。在1年岩面流作用的休耕地中，不同形状岩面产生的岩面流对氮素作用不同，但对磷素均表现为淋溶效应。这可能是因为磷和氮在雨水中的含量有所不同，降水对生态系统中氮的输入较磷更重要，这与Peñuelas等[36]的研究结果一致。在地球上的大多数地区，雨水中的氮素浓度远高于磷素，而磷素可能更强烈地吸附在风携带的尘埃颗粒上，母质的风化和相关的土壤化学成分是磷的主要来源，而不是氮的主要来源[37-38]，这些假设还需要进一步研究。
露石塑造了地表不同类型的地貌形态，是使喀斯特土壤斑块呈现高度异质性的主要原因[39-40]。但外部因素对土壤的影响会随着土层深度的影响而减弱，集中于表层和亚表层，深层土壤格局受到较小的外界干扰[41-45]。本研究中，降雨后露石岩面汇集雨水后形成岩面流并输送至岩周土壤中，对表层土壤氮磷产生淋溶或输入作用。但在10~20 cm的亚表层土壤中，不同石漠化样地的土壤氮素含量与表层土壤氮素变化规律不一致，且土壤磷素含量差异不显著。可能是由于当土壤达到一定深度后，随着岩面流等干扰作用的减少会形成一个较稳定的空间格局，深层土壤氮磷素含量主要决定于土壤稳定性能和上层土壤的氮磷素补充。由于土壤质地、地表坡度、岩石形状和大小不一等因素，喀斯特地区出露岩石与土壤的关系非常复杂[46-47]，要确定喀斯特地区不同土层深度土壤空间格局的具体特性，还需要继续深入研究。
本研究对露石形状和水平距离等因素进行了单因素、多因素分析和主成分分析，并通过计算氮磷富集率来表征淋溶与输入特征。综合研究结果说明，休耕地中的岩面流对岩-土界面土壤氮磷有淋溶效应，内凹型岩面相较于平直型和外凸型岩面更能汇集岩面流；在退耕5年灌草地中，岩面流向岩-土界面土壤中输入了氮素。在较少植被生长的石漠化区，露石形成的岩面流冲刷岩-土界面导致土壤中氮磷素被淋溶；当石漠化区有较多植被生长时，大量裸露在外的岩石向附近的土壤斑块贡献大量氮磷素。王克林等[11-12]认为裸露的岩石阻碍了岩溶系统的地表径流，并将大量的水引入地下管网加重土壤漏失；Goransson等[15]认为裸露的岩石将营养物质输送至相邻的土壤中，或通过对雨水的截留作用，将其中的N、P和其他物质通过岩石表面流输入到周围的土壤斑块中[13，15]，从而促进附近的植被生长[32，48]。本研究的结果可能从一个方面解释众多学者对于裸露在石漠化区的岩石的不同评价，但石漠化区在全球的分布范围很广，在生态环境方面差异巨大。本研究只选取了部分植被类型，仅考虑了岩面的形状，未涉及露石其他的物理、化学特征对岩面流产生的作用，因此需要更大范围尺度的测量，来揭示露石的岩面流规律和影响因素。
4 结论本研究通过选择典型石漠化样地，以三种典型的岩面形状研究岩土界面土壤氮磷淋溶特征，得到以下结论：（1）降雨后露石岩面汇集雨水后形成岩面流并输送至岩周土壤中，岩面流对土壤氮磷含量的影响会随着土层深度的影响而减弱：在0~10 cm表层中，岩面流对岩-土界面土壤氮磷产生输入或淋溶作用；在10~20 cm深层中，岩面流对岩-土界面土壤氮磷素作用不明显。（2）在三种石漠化样地中，裸露岩石形成的岩面流对表层土壤中的氮磷素产生输入或淋溶作用，不同岩面形状对岩面流的汇集作用由强到弱依次为：内凹型 > 平直型 > 外凸型。（3）1年岩面流作用的休耕地中，内凹型岩面汇集的岩面流对氮素淋溶，平直型和外凸型岩面形成的岩面流向土壤输入氮素；三种形状岩面形成的岩面流均对岩-土界面土壤磷素产生了淋溶。在植被生长较多的退耕灌草地中，露石形成的岩面流向土壤输入氮磷素。
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