喀斯特地貌由于其复杂特殊的形成机制，土壤十分脆弱，极易遭到破坏侵蚀^[1]，我国西南喀斯特山区坡耕地是区域水土流失的主要来源，其特点是土少石多，土地薄瘠、附加值低，土层不连续且成土过程慢，加之长久以来粗放式管理的传统农业生产模式，使得该地区坡耕地土壤状况急剧恶化，发生岩石裸露，土地生产力丧失，地表呈现类似于荒漠化的土地退化的极端表现形式—石漠化。当前，我国西南喀斯特石漠化形势日趋严峻，已对该地区生态环境安全、人民生活、生产造成严重的危害，严重阻碍地区发展^[2]，开展石漠化治理已刻不容缓^[3]。

土壤总有机碳含量(total organic carbon, TOC)是反映土壤质量以及区域水土流失情况的重要指标，直接影响农业可持续发展与农作物产量，同时对于全球气候变化的研究有不可忽视的意义^[4-5]。目前，改善土壤质量及控制水土流失的主要手段有工程措施、生物措施和农艺措施。复合种植作为生物措施的一种，能够有效改善坡耕地土壤质量^[6]。我国黄土高原区^[7-10]、东北黑土区^[11-13]和西南紫色土区^[14-16]开展的相关研究均表明复合种植模式较纯农地能够显著改善土壤结构、提高土壤TOC，且不同年限和不同品种作物的复合系统其效果也不同；然而，我国喀斯特地区坡耕地复合种植措施相关实践和研究起步较晚，目前重点还是针对坡耕地实行坡改梯或者修建小型水利管网等工程性措施方面^[17-20]，对生物性措施的研究略有不足，尤其缺少关于土壤TOC对喀斯特石漠化坡耕地不同种植模式响应关系的探讨。本文旨在通过分析土壤肥力的内在动态竞争下呈现出的TOC差异，结合喀斯特地区特点，探讨不同种植模式对土壤质量调控的机理，以期探讨适合于喀斯特区坡耕地的种植模式，为该地区坡耕地土壤质量改善、水土保持以及农业可持续发展提供理论参考。

目前，喀斯特地区坡耕地主要以传统玉米单作为主，其次为辣椒、烟草等其他单作模式。近年来，随着国家坡耕地水土流失综合治理、石漠化综合治理等专项工程的实施，坡耕地种植模式正由传统种植模式逐步向人工草地、经果林、林草复合、林农复合等种植模式转变。前述种植模式正逐步成为喀斯特区坡耕地主要的农业种植模式，但玉米作为喀斯特地区重要的经济作物之一，目前仍是区域最广泛的种植模式。较其他传统单作模式如辣椒(Capsicum annuum)、烟草(Nicotiana tabacum)等，玉米(Zea mays)种植广泛但较为粗放，故较其他单作模式而言，在水肥等田间管理上存在较大差别。参照熊康宁^[21]的划分方法，喀斯特地区石漠化等级主要分为潜在、轻度、中度、强度4个等级。根据石漠化等级、种植模式等进行分析，选取贵州省黔西县金兰示范区(以下简称金兰示范区)和关岭—贞丰花江示范区(以下简称花江示范区)作为研究区。金兰示范区为典型潜在、轻度石漠化地区，且当地坡耕地种植模式主要以林草复合、人工草地、玉米单作及其他作物单作等模式为主；花江示范区为典型中度、强度石漠化地区，坡耕地种植模式以林农复合、经果林纯林、玉米单作等模式为主。上述2个研究区在石漠化等级以及坡耕地种植模式方面均具有较强的典型性。

金兰示范区(图 1)位于贵州省毕节市黔西县金兰镇，E 105°47′~106°26′，N 26°45′~27°21′。该区气候属亚热带温暖湿润气候，年平均降雨量一般在1 000 mm以上，雨热同期，多年平均气温14.2 ℃。研究区土地总面积555.8 hm²，其中石漠化土地面积478 hm²，占土地总面积的86%；耕地面积239 hm²，其中石漠化坡耕地面积191 hm²，占耕地总面积的80%。研究区土壤类型以黄壤为主，主要植被类型为亚热带常绿落叶针阔混交林。植被群落以刺梨(Rosa roxbunghii)、窄叶火棘(Pyracantha angustifolia)、铁线莲(Clematis florida)等为主的藤灌丛，以及零星分布的以青冈(Cyclobalanopsis glauca)、马尾松(Pinus massoniana)、光皮桦(Betula luminifera)等为主的乔木林。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区地理位置示意图 Fig. 1 Location diagram of the study areas

花江示范区(图 1)位于北盘江花江河段峡谷两岸，E 105°38′~105°40′，N 25°39′~25°40′，平均海拔704.4 m，属亚热带季风气候，多年平均温度17 ℃，年降雨量1 200 mm。研究区土壤类型以黄壤、黄色石灰土为主，岩石类型以白云岩、泥质白云岩及页岩为主。植被类型为亚热带常绿落叶针阔混交林，目前该地区的原生植被大多遭到破坏。区域内的植物主要是以刺梨、铁线莲、窄叶火棘等为主的藤灌丛以及零星分布的以青冈、马尾松、光皮桦等为主的乔木林。

以石漠化程度、种植模式(林草复合SP、林农复合AF、人工草地CP、经果林EFF、玉米单作MZ、其他作物单作OTP)以及田间管理方式(粗放管理、一般化管理、精细化管理)等为依据，在研究区全面调查的基础上进行样地的选取。为使样地具有代表性选取当地自然坡耕地，每一样地均从事农业生产3年以上，所有样地坡度均为15°左右；样地边界以土地的自然边界为准，样地石漠化等级依据岩溶裸露率采用目估法确定。样地情况详见表 1。田间管理模式划分方法如下：精细化管理为一年施肥2次及以上，定期清除杂草(或刈割)等；一般化管理为一年施肥1次，不定期清除杂草；粗放化管理不施加任何肥料或种植时添加少量化肥，一般生长期不除草。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基础信息 Tab. 1 Basic information of study areas 种植模式 Planting mode 土壤类型 Soil type 石漠化等级 Rocky desertification 田间管理模式 Field management mode 研究区 Study area 样本量及编号 Sample capacity and No. 林草复合Silvopasture(SP) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 潜在Potential 精Refined 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL1-3) 潜在Potential 中General 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL4-6) 潜在Potential 中General 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL7-9) 轻度Slight 中General 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL10-12) 林农复合Agroforestry(AF) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 潜在Potential 粗Extensive 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL13-15) 轻度Slight 精Refined 花江示范区Huajiang demonstration area 3(HJ1-3) 人工草地Cultivated pastures(CP) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 轻度Slight 精Refined 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL16-18) 轻度Slight 精Refined 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL19-21) 经果林纯林Economic fruit forest(EFF) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 潜在Potential 粗Extensive 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL22-24) 中度Moderate 精Refined 花江示范区Huajiang demonstration area 3(HJ4-6) 强度Intensive 精Refined 花江示范区Huajiang demonstration area 3(HJ7-9) 强度Intensive 中General 花江示范区Huajiang demonstration area 3(HJ10-12) 玉米单作Maize(MZ) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 轻度Slight 中General 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL25-27) 中度Moderate 粗Extensive 花江示范区Huajiang demonstration area 3(HJ13-15) 其他作物单作Other traditional planting(OTP) 黄壤、黄色石灰土Yellow earth, and yellow calcareous soil 潜在Potential 精Refined 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL28-30) 潜在Potential 精Refined 金兰示范区Jinlan demonstration area 3(JL31-33)

表 1 样地基础信息 Tab. 1 Basic information of study areas

样地确定后，于2018年10月按上坡、中坡、下坡3个坡位各设1个取样点，每个取样点随机取3个土样然后混合为1个混合样，即每个样地取3个混合土样。因喀斯特石漠化地区0~15 cm土层对石漠化过程以及人类耕作活动响应最为积极^[22]，故本研究取样深度为0~15 cm。将采集的土样带回实验室，用镊子将杂物挑出，风干之后通过2 mm筛网，采用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机碳含量^[23]。

对2个研究区的土壤TOC进行统计分析(表 2)所示，2个研究区的TOC均值为30.30 g/kg，变化范围为9.78~58.17 g/kg。其中金兰示范区的土壤TOC均值为29.06 g/kg，花江示范区的土壤TOC均值33.02 g/kg。所有样本土壤TOC基本符合正态分布，2个研究区间的土壤TOC无显著性差异(P＞0.05)，前人研究结果也可证实喀斯特石漠化地区不同地貌特征对土壤TOC影响较小^[22]，故可将2个区域不同种植模式下的TOC进行比较。

表 2(Tab. 2)

表 2 研究区土壤总有机碳含量 Tab. 2 Comparisons of TOC content between the two study areas   g/kg 研究区 Study area 样本数 Sample capacity 变化范围 Change range 标准误 Standard error 平均值 Average 金兰示范区Jinlan demonstration area 33 15.85~58.17 3.02 29.06 a 花江示范区Huajiang demonstration area 15 9.78~43.54 5.73 33.02 a 总计Total 48 9.78~58.17 2.67 30.30 注：具有相同字母表示无显著性差异，无相同字母表示具有显著性差异。下同。Notes: The same letter indicates no significant difference, and no same letter indicates significant difference. The same below. TOC: Total organic content, the same as below.

表 2 研究区土壤总有机碳含量 Tab. 2 Comparisons of TOC content between the two study areas

运用空间代替时间的研究方法探究石漠化坡耕地演替进程中土壤TOC的变化特征^[22]。将采集的土壤样本进行单变量分析，结果显示石漠化程度、种植模式以及管理模式对土壤TOC影响的主效应均为显著(P＜0.05)。对样本土壤TOC按4种石漠化演替阶段(潜在、轻度、中度、强度石漠化)进行分析(图 2)，中度石漠化与强度石漠化土壤TOC差异显著(P＜0.05)，其余石漠化等级间土壤TOC差异不显著(P＞0.05)。对比其他等级石漠化土壤TOC，强度石漠化TOC为最高。

图 2(Fig. 2)

图 2 4种石漠化等级土壤总有机碳含量 Fig. 2 Comparisons of soil total organic carbon(TOC)content among 4 Rocky desertifications

对样本TOC按6种种植模式(SP、AF、CP、EFF、MZ、OTP)的分析表明(表 3)，不同种植模式土壤TOC的分布情况相对复杂，具体表现为SP＞AF＞EFF＞CP＞OTP＞MZ。其中，MZ的TOC与SP、AF、EFF、CP的土壤TOC差异显著(P＜0.05)，而SP、AF、EFF、CP之间TOC不存在显著性差异(P＞0.05)。OTP与其余5种模式之间土壤TOC也无显著性差异(P＞0.05)。

表 3(Tab. 3)

表 3 6种复合种植模式土壤总有机碳含量 Tab. 3 Comparisons of soil TOC contents among the six compound planting modes 种植模式 Planting mode 样本数 Sample capacity 变化范围 Change range/(g·kg-1) 变异系数 Coefficient of variation/% 平均值 Average/(g·kg-1) SP 12 24.81~58.17 39.92 34.38 a AF 6 23.58~43.54 30.03 33.35 a CP 6 28.53~34.50 7.23 30.91 a EFF 12 15.85~43.37 29.80 32.23 a MZ 6 9.78~24.94 41.31 17.67 b OTP 6 25.78~29.52 5.56 27.20 ab

表 3 6种复合种植模式土壤总有机碳含量 Tab. 3 Comparisons of soil TOC contents among the six compound planting modes

对3种田间管理模式(精细化管理、一般化管理、粗放管理)的土壤TOC分析表明(图 3)。不同管理模式土壤TOC存在显著性差异(P＜0.05)，具体表现为：精细化管理＞一般化管理＞粗放管理；因此，随着田间管理模式粗放程度的增加，土壤TOC呈现逐渐减少的趋势。

图 3(Fig. 3)

图 3 3种田间管理模式土壤总有机碳含量 Fig. 3 Comparisons of soil TOC contents among 3 field management modes

本研究中表层土TOC变异范围为9.78~58.17 g/kg，均值为30.30 g/kg，与前人的研究结果比较情况见表 4。喀斯特区其他研究结果显示，表层土TOC为13.55~34.82 g/kg，均值为25.08 g/kg^{[22, 24]}，略低于本研究。这可能是由于本研究样地所选取的复合种植模式有一定的固碳作用，同时所选样地均为坡耕地或由坡耕地转变，也从侧面反映复合种植对于喀斯特区石漠化坡耕地土壤质量有一定改善作用。东北三江平原属于较为肥沃的土壤，其表层土TOC均值为24.20 g/kg^[25]，将其与本研究的30.30 g/kg以及前述其他喀斯特区的研究结果25.08 g/kg进行比较，可见，喀斯特地区土壤TOC均值均略高于东北三江平原地区，主要原因有：1)土壤总有机碳主要来源于土壤动植物的残体与植物根系的分泌物，其含量受到自然、生物、人为因素的共同影响；中国西南喀斯特区气候适宜，水热条件良好，有利于植物生长，因此有机质外源输入量较大。2)喀斯特地区大量基岩裸露，形成的微负地形可有效截留地表径流携带的枯落物和土壤颗粒，加上石漠化区岩石对于养分的聚集作用，使得土壤中养分累积优势明显。3)喀斯特地区土壤中富含的二价钙镁离子与土壤有机质结合后可以降低微生物对有机质的分解作用。此外，相关研究表明，黄土高原地区表层土TOC均值为9.98 g/kg^[26-27]，内蒙古黄花甸子流域表层土TOC均值为7.54 g/kg^[28]，新疆三工河流域表层土TOC均值为7.17 g/kg^[29]，前述3个区域土壤TOC均明显小于本研究数值以及前人在喀斯特地区的研究数值。主要原因是前述3个区域水热条件较差，植被类型及长势均不如喀斯特地区，且生境也多以旱生为主，土壤有机质分解速度快等。虽然喀斯特区土壤TOC相较于其他地区并没有明显劣势，但众所周知，喀斯特地区土层浅薄，且受石漠化影响，因此土壤总量较少，相应的土壤总有机碳储量也较少，导致土壤总有机碳密度较低，造成喀斯特地区土壤仍较贫瘠，因此在今后的生态恢复工程中仍需注重土壤质量的改善。

表 4(Tab. 4)

表 4 喀斯特地区与其他地区土壤总有机碳含量的比较 Tab. 4 Comparisons of soil TOC contents in Karst area with other areas 研究区 Study area 方法 Method 总有机碳TOC/(g·kg-1) 土层厚度 Soil depth/cm 参考文献 Reference 变化范围 Change range 平均值 Average 本研究(喀斯特) This study(Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 9.78~58.17 30.30 0~15 本研究 前人研究(喀斯特) Previous studies(Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 13.55~34.82 25.08 0~15 [22, 24] 东北三江平原(非喀斯特) Sanjiang Plain in Northeast China(Non-Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 1.36~63.21 24.20 0~10 [25] 黄土高原地区(非喀斯特) Loess Plateau Area (Non-Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 1.28~24.55 9.98 0~10 [26-27] 内蒙古黄花甸子流域(非喀斯特) Huanghuadianzi watershed, Inner Mongolia (Non-Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 1.13~19.59 7.54 0~20 [28] 新疆三工河流域(非喀斯特) Sangong River Basin, Xinjiang (Non-Karst) 野外定点取样Field positioning sampling 0.58~21.78 7.17 0~20 [29]

表 4 喀斯特地区与其他地区土壤总有机碳含量的比较 Tab. 4 Comparisons of soil TOC contents in Karst area with other areas

喀斯特石漠化是土地退化的极端表现形式^[1-2]。前人研究表明，土壤退化程度是随着石漠化程度的增加而增加的，强度石漠化土壤TOC最低^{[24, 30]}；但是本研究结果显示，强度石漠化土壤TOC不是最低，而是最高。这可能是因为喀斯特地区土—石二元非均质结构，在水土流失的作用下，岩石裸露，土被间断，土壤TOC等养分相应的减少；但是随着石漠化等级的加剧，地表可供侵蚀的土壤变得有限，仅有少部分分布在溶沟等岩石裂隙中，加之一些低等植物如苔藓、地衣等形成的结皮有效阻碍土壤养分的流失，形成岩石对于养分的聚集效应^[31]。这种聚集效应造成强度石漠化土壤TOC高于其他石漠化程度较低的土地，致使退化的土壤得到一定改善。魏兴琥等^[32]对峰丛洼地石漠化土壤有机碳的研究结果显示，在0~10 cm土层中，强度石漠化土壤有机碳含量为76.49 g/kg，显著大于中度、轻度、潜在石漠化，与本研究结果一致。此外，王霖娇等^[22]的研究结果表明随着喀斯特石漠化程度的加剧，土壤总有机碳含量呈现先减少后增加的趋势，强度石漠化土壤总有机碳含量最高，也与本文结果一致。

复合种植相对于传统的单一种植模式来讲，有利于农业生产中的养分平衡向着有利方向转化，对于提高土壤肥力具有长期稳定的作用^[33]。本研究所选6种种植模式表层土TOC含量呈林草复合＞林农复合＞经果林纯林＞人工草地＞其他作物单作＞传统玉米单作的趋势。林草复合模式土壤TOC最高，说明其治理效果良好。这可能因为：1)林草系统枯落物的降解作用可为土壤源源不断提供养分；2)林木冠层可有效阻碍雨滴对土壤的溅蚀作用，发达的根系也会固结土壤，其次林草系统会有效增加对坡面径流的截留面积，这些都会显著抑制土壤养分的流失；3)林草复合系统相较于单一的农业种植模式，能够分层多级利用自然资源，使系统的光水能利用率和植被生产力得到较大幅度的提升，进而提高系统的固碳能力；4)当然，重要的是林草复合种植的“林”主要以经果林为主，较玉米单作等大大提高了农民对经济收益的预期，土地管理精细化程度得以大幅度提高，加大水肥输入力度，从而提高土壤TOC。这一治理途径已在黄土高原地区得到广泛应用，产生了良好的生态和经济效益^[8-10]。所以在喀斯特生态脆弱区积极采取林草复合种植对控制土壤退化、增加农民收入有着现实意义。

颜萍等^[34]研究人工种草、经果林、农林复合与原生样地在不同月份的土壤效应，结论表明林农复合种植模式的土壤TOC高于经果林和人工种草，赵昌平等^[35]在四川盆北地震重灾区农林复合模式的土壤培肥改土效果研究中得出8种农林复合模式较其他农地的土壤TOC增加7.1%~46.7%，表明林农复合相较于经果林纯林、人工草地和传统单一种植对土壤质量的改善效果更佳。本研究也同样表明，林农复合种植的土壤TOC略低于林草复合，但较玉米单作使得土壤TOC大幅度提高。因此，喀斯特山区农业生产中大力发展林农复合种植模式同样有利于促进农业可持续发展。同林草、林农复合种植相比，经果林纯林、人工草地的土壤TOC含量略低，但大幅高于玉米单作。作物单作模式，尤其是玉米单作，由于农民对其效益期望较低，管理粗放，土壤总有机碳含量在6种模式中最低(17.67 g/kg)，显著低于林草、林农复合，以及经果林和人工草地。因此在喀斯特农业生产实践中，应加大农业种植结构调整，逐渐调减玉米单作模式。

不同的坡耕地田间管理模式会影响土壤各项理化性质，适宜的田间管理模式会有效提高TOC。而喀斯特地区由于土壤薄瘠，生态环境脆弱，使得土壤TOC更易受到施肥、除草等农业管理活动的影响^[36]。但一直以来，喀斯特石漠化地区耕地的管理以粗放型的传统农业管理模式为主，这种模式表现出强烈的脆弱性，加剧石漠化地区的土壤退化^[37]。笔者对比3种田间管理模式对土壤TOC的影响，结果显示，随着管理精细化程度的提升，TOC得以提高，3种管理模式下TOC存在显著性差异(P＜0.05)。前人研究结果表明，粗放化管理的旱坡耕地土壤碳为8.29 g/kg，一般化管理的坡耕地土壤碳为10.85 g/kg，精细化管理的农田土壤碳为18.27 g/kg，其趋势也是逐渐上升^[38]。精细化管理对农作物的生长，土壤质量的改善均有显著性影响。主要原因如前文所述，随着农民对土地产出期望的提高，管理精细化程度也随之提高，水肥人工输入可有效补充土壤养分，提高土壤质量。此外，除草可有效防止杂草与农作物之间形成对于土壤养分的竞争关系，保护农作物生长并避免土壤养分被杂草过多吸收。可见，在喀斯特山区不仅要改变传统的种植模式，加强田间管理，提高土地管理的精细化程度也同样重要。

喀斯特地区表层土TOC含量相较于其他地区并无劣势，但由于其特殊的形成机制导致土壤总有机碳密度较低，故其土壤依然贫瘠。土壤TOC随着石漠化程度的加剧先减少而后增加，其原理主要是出露的岩石对养分的富集作用；不同种植模式土壤TOC呈林草复合＞林农复合＞经果林纯林＞人工草地＞其他传统种植＞传统玉米单作的趋势，较玉米单作而言，林草、林农复合，以及经果林和人工草地均显著提高了土壤总有机碳；随着土地管理精细化程度的提高，土壤总有机碳随之提高，呈精细化管理＞一般化管理＞粗放管理的趋势。

研究认为，喀斯特地区玉米单作模式土壤总有机碳显著低于林草、林农、纯林、草地等种植模式，加之玉米单作经济收益较低，需加大调减力度。本研究可为喀斯特地区农业种植结构调整、区域水土流失及石漠化综合治理、土地水肥管理等提供参考。