石漠化地區石灰巖喀斯特林地土壤抗蝕性研究

摘 要：對貴州中部石灰巖喀斯特地區3種林分（常綠闊葉林，構樹林和灌木林）林地土壤的抗蝕性指標進行主成分分析，并以農地土壤作對照，研究表明，用抗蝕性指標主成分分析綜合指數表明3種林分林地土壤抗蝕性為：闊葉林（88.90）>構樹林（77.02）>灌木林（62.69）；表層土壤抗蝕性（97.14）高于亞表層土壤抗蝕性（67.30），土壤抗蝕性從表層向下呈下降趨勢。通過聚類分析可將貴州中部石灰巖喀斯特不同土地利用類型不同層次的8土壤樣本劃分為抗蝕性強度不同的3類，與評價結果一致。

關鍵詞：黔中 石灰巖 林地 喀斯特土壤 土壤抗蝕性

中圖分類號：P313 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0244-03

貴州喀斯特地區特殊的地質和自然地理條件決定了其土壤侵蝕十分嚴重，后果易導致石漠化[1]，從石漠化分布的區域看，幾乎都集中在碳酸鹽巖地區，研究表明[2]：石灰巖地區的石漠化尤為嚴重，因此研究石灰巖喀斯特土壤侵蝕具有十分重要的意義。

土壤抗蝕性是指土壤抵抗水（包括降水和徑流）的分散和懸浮的能力[3]，其強弱取決于土粒間的膠結力及土粒和水的親和力，是評定土壤抵抗侵蝕力的重要參數之一。由于土壤抗蝕性并不是一個物理的或化學的定量可測定指標，而是一個綜合性因子，因此，只能在一定的控制條件下通過測定土壤性質的某些參數作為土壤抗蝕性指標[4]。本文選取無機粘粒、微團聚體類和土壤有機質等12個指標來評價土壤抗蝕性。本文以貴州省貴陽市花溪區典型喀斯特石灰巖地區為研究對象，通過試驗分析三種林地（常綠闊葉林，構樹林和灌木林）的土壤抗蝕性，以期為預防石漠化的發生和石漠化地區水土流失的防治提供一定依據。由于植被因素與土壤侵蝕有十分密切的關系，所以在貴州喀斯特地區研究不同植被下的土壤抗蝕性有其重要意義。

1 研究區概況

試驗樣地位于貴州省貴陽市花溪區花溪水庫附近典型石灰巖（三疊系）地區。地處東經103°34′，北緯2p6WBKxdVHCpact9fQlkCst6cgqXS0m7LoedsyQs1+Bc=6°34′，海拔1130～1326 m，植被覆蓋率達到32.36%，年平均氣溫14.9℃，年平均降水量1229 mm，雨量充沛CUubEH7+TdPCMAhVgGxPjAUwFqQVo29HvdSExUQvHMc=，屬于典型亞熱帶喀斯特地區，區域內石漠化較嚴重。

2 研究方法

2.1 樣地設置

為了使選擇的樣地有可比性，本次不同林分樣地均設在同一類型石灰巖上，土壤類型為黃色石灰土，坡度15°～25°，海拔1000～1100m左右的地段。樣地選好后.對地上植被主要物種進行調查，各樣地植被狀況見表1。

2.2 樣品采集及分析方法

每種植被類型樣地選取3個點，每個點3次重復，土壤采樣深度為0～20 cm、20～40 cm，然后進行室內實驗分析，取平均值。土壤有機質采用硫酸重鉻酸鉀法[5]，土壤水穩性團聚體含量采用Yoder法[6]，土壤機械組成和微團聚體采用吸管法進行測定[6]。選取直徑5～7 mm的土壤團粒體25粒，放在直徑5 mm孔徑篩子進行水浸試驗，每隔1 min記錄崩塌的土粒數，連續記錄10 min，然后計算抗蝕指數[7]。

2.3 評價指標

無機粘粒類[8～9]

（1）<0.05mm粉粘粒含量（X1）；（2）<0.01mm物理性粘粒含量（X2）。

（3）<0.001mm粘粒含量（X3）。

（4）結構性顆粒指數（X4）：結構性顆粒指數=粘粒含量（<0.001 mm）/粉粒含量（0.001～0.05 mm）

微團聚體類[8～9]。

（5）團聚狀況（X5）=（>0.05mm微團聚體分析值）-（>0.05mm機械組成分析值）。

（6）團聚度（X6）=團聚狀況/（>0.05mm微團聚體分析值）。

（7）分散率（X7）=（<0.05mm機械組成分析值）/（<0.05mm微團聚體分析值）。

（8）分散系數（X8）=（<0.001mm微團聚體分析值）/（<0.001mm機械組成分析值）。

（9）>0.25mm水穩性團聚體含量（X9）。

（10）結構體破壞率（X10）=[（>0.25mm干篩團聚體分析值）-（>0.25mm濕篩團聚體分析值）]/（>0.25mm干篩團聚體分析值）。

（11）有機質含量（X11）（g·kg-1）。

（12）抗蝕指數（X12）=（總土粒-崩解土粒數）/土粒總數。

3 結果與分析

3.1 不同林分土壤抗蝕性能主成分分析

本文選用12個重要的指標（2.3評價指標X1，X2，……X12），這些指標體系雖然比較全面，卻顯得繁冗復雜，應用起來很不方便，況且有些指標間信息重疊，相互間具有一定的關聯性。因此，可以考慮用較少的新指標來代替原有指標，并盡可能保存原有多指標的信息。利用SPSS軟件通過主成分分析法（PCA），確定土壤抗蝕性綜合指標。

從表前三個主成分Y1、Y2、Y3的累積貢獻率已達到87.23%，可滿足主成分的分析要求[10]。因此，只取前三個主成分進行分析，結果見表3。

由表3可知，第一、二、三主成分累積貢獻率大于80%，因此，用主成分線性函數可以計算出不同林分土壤各層次的第一、二、三主成分值，并根據主成分提供信息量所占權重得到三種林地土壤各層次土壤的綜合主成分指數：Y=0.5817Y1+0.1767Y2+0.1138Y3（見表4）。第一、二、三主成分的線性表達式為：

Y1=0.930x1+0.049x2-0.750x3- 0.857x4+0.797x5+0.927x6-0.411x7+ 0.151x8+0.933x9-0.880x10+0.860x11+ 0.852x12

Y2=0.252x1+0.671x2+0.567x3+ 0.403x4-0.186x5+0.062x6+0.687x7+ 0.540x8+0.214x9-0.352x10+0.385x11- 0.057x12

Y3=0.040x1-0.692x2-0.116x3- 0.166x4+0.145x5+0.114x6+0.409x7+ 0.760×8-0.033x9+0.133x10-0.109x11- 0.186x12

各林分及農地土壤的平均綜合指數，從表層土壤抗蝕性（97.14）明顯高于亞表層土壤的抗蝕性（67.30），這說明總體上土壤的抗蝕性從表層向下有下降的趨勢。從表層到亞表層，抗蝕性指標主成分綜合分析，變異系數最大的是闊葉林（26.89），從表1樣地植被概況可以看出，闊葉林地喬木豐富，林下灌木草本也極豐富，表層有豐富的枯落物，生物歸還量很大，土壤的結構相比其它樣地要好；其次是農地（21.22），這與農地土壤上層受人為活動影響較多有關；變異最小的是灌木林（14.74）和構樹林（10.22），這與灌木林枯落物和根系對土壤抗蝕性的積極作用相當，而構樹林地，樹種單一，對土壤改良作用不如闊葉混交林的效果明顯。

表4看出，灌木林地內表層土壤抗蝕性主成分綜合指數最低（72.97），其下層土壤抗蝕性綜合指數相比林分林地同樣最小，這說明在該地區灌木林地在提高土壤抗蝕性方面效果不如闊葉混交林和喬灌林地。這也體現了保護現有喬木林地的重要性。林地土壤各層主成分平均綜合指數為闊葉林（88.90）>構樹林（77.02）>灌木林（62.69）。而對照農地土壤大于林地土壤，由于該區農地多是梯田，受人為影響較大，同時土壤坡度很小，只有9度，蓄水保土功能較強，這也說明利用一定的水土保持工程措施，對提高土壤抗蝕性有積極作用。

表層是土壤侵蝕容易發生的土層，3種林分林地土壤表層的主成分綜合指數闊葉林（102.34）>構樹林（91.76）>灌木林（72.97），因此林地土壤表層抗蝕性能是常綠闊葉林最好，灌木林最差，這與闊葉林豐富的枯落物厚度和儲量從而形成有機質含量豐富的腐殖質層有關，而灌木林枯落物厚度和儲量最低，因此其有機質含量也低（9.40g·kg-1），粘粉粒含量最低，團聚度（49.28）最差。從表4看出農地土壤主成分綜合指數高于林地土壤。這是由于該農地是梯田，屬于水保工程，對土壤結構改良較明顯，粘粉粒含量最高，有機質含量豐富（13.11g·kg-1），土壤的團聚度最大。

亞表層林地土壤主成分綜合指數仍然是闊葉林（75.45）最大，而灌木林（62.69）最小，這說明闊葉林對改善土壤結構的重要性，從土壤表層向下，闊葉林地抗蝕性綜合指數變異系數最大，表明如果闊葉林地植被遭到破壞，土地易退化，土壤抗蝕性就會急劇下降，進一步說明保護闊葉林的重要性。農地在亞表層綜合指數依然最大，在喀斯特地區由于土壤較薄，平均為40～50 cm，此層起保水保肥的作用，是生長后期供應水肥的主要層次，其土壤狀況也較佳。同時受人為耕作活動的影響，促成農地可耕作層土壤的良好結構，因此其抗蝕性能強。

3.2 土壤抗蝕性能指標聚類分析

為了更客觀反映不同林分不同土壤層次的抗蝕性能的相似、相異關系，為消除各指標單位不同帶來的干擾，將這12項指標標準化處理后，用歐氏距離計算樣本點之間的距離，使用離差平方和法計算類間距離，使所分出的類內各樣本間的差異最小，各類間的差異最大。對不同林地土壤不同層次的8個土壤，進行聚類分析，得到8個土樣抗蝕性的模糊聚類譜系圖，見圖1。可將8個土壤樣本劃分為3類，第一類為1、3、7，為闊葉林表層，構樹林表層，農地表層，其土壤抗蝕性能最強；第二類為2、5、8，分別為闊葉林亞表層、灌木林表層、農地亞表層，其抗蝕性能次之；第三類為4、6，分別為構樹林亞表層，灌木林亞表層，其抗蝕性能最差。從表層到亞表層土壤抗蝕性能減弱，表層土壤闊葉林和農地土壤抗蝕性能最強。這與抗蝕性指標主成分綜合指數計算結果相一致。

4 結論與討論

黔中石灰巖喀斯特三種林地土壤及農地土壤各層次土壤的綜合主成分指數計算方程為：Y=0.5817Y1+0.1767Y2+0.1138Y3。三種林地抗蝕性能（平均主成分綜合指數）為：闊葉林（88.90）>構樹林（77.02）>灌木林（62.69）。各林分及農地土壤表層土壤抗蝕性（97.14）高于亞表層土壤抗蝕性（67.30），土壤抗蝕性從表層向下呈下降趨勢。從表層到底層，抗蝕性指標主成分綜合分析，變異系數最大的是闊葉林（26.89），其次是農地（21.22）；變異最小的是灌木林（14.74）和構樹林（10.22），說明保護喬木林植被的重要性。

貴州喀斯特地區特殊的地質和自然地理條件決定了其土地資源類型及其分布規律，喀斯特地貌廣布，山地、丘陵面積大而平地少，可利用的土地面積所占比重更小。巨大且不斷增長的人口超出了土地的承載力，不合理的土地利用使土壤遭受侵蝕，土地退化，基巖大面積裸露形成類似荒漠化景觀（周運超等，2005），即石漠化。從石漠化分布的區域看，幾乎都集中在碳酸鹽巖地區，喀斯特地區植被受碳酸鹽巖巖性特征的影響，具有石生、旱生、喜鈣特點，生物生長慢，森林植被覆蓋率較低，通常低于非喀斯特地區，植被一旦遭到破壞，淺薄的土層在遇上暴雨時極易受到水蝕和雨水的沖刷產生塊體滑動，引起水土流失，容易逐漸導致石漠化。

喀斯特地區土層很薄，土壤物理性狀差，易發生水土流失，如果植被遭到破壞，將造成嚴重后果—— 石漠化，所以要合理利用土地，增加和改善土地覆被，提高土壤抗蝕性能。

參考文獻

[1]周運超，周習會，周瑋.貴州巖溶土壤形成及其可持續利用[J].山地農業生物學報，2005，24（5）：419-425.

[2]James L.Lolcama，Harvey A.Cohen， Matthew J.Tonkin.Deep karst conduits，flooding，and sinkholes：lessons for the aggregates industry[J].Engineering Geology，2002（65）：151-157.

[3]沈慧，姜鳳岐，杜曉軍，等.水土保持林土壤抗蝕性能評價研究[J].應用生態學報，2000，11（3）：345-348.

[4]Frederick R Troeh，J Arthur Hobbs. Roy L Donahue.Soil and Water Conservation for Productivity and Environment.Protection [M].Prentice Hall，Inc.Englewood Cliffs，N.J.07632，USA.1980.

[5]中國農學會.土壤農業化學分析方法[M].北京：中國農業科技出版社，2000.

[6]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科技出版社，1978.

[7]周利軍，齊實，王云琦.三峽庫區典型林分林地土壤抗蝕抗沖性研究[J].水土保持研究，2006，13（1）：186-216.

[8]于大炮，劉明國，鄧紅兵，等.遼西地區林西土壤抗蝕性分析[J].生態學雜志，2003，22（5）：10-14.

[9]張金池，陳三雄，劉道平，等.浙江安吉主要植被類型土壤抗蝕性指標篩選及評價模型構建[J].亞熱帶水土保持，2006，18（2）：1-5.

[10]裴鑫德.多元統計分析及應用[M].北京：農業出版社，1991.